血管造影机L轴、P轴设计.doc

1、血管造影机 L 轴、P 轴系统设计摘要本次设计，以长春光华微电子设备工程中心有限公司研发的三轴中心定位 C臂血管造影机为研究对象，分析了其它血管造影仪的不同特点以及存在的问题，由此对血管造影仪的 L 轴与 P 轴机电传动系统进行设计计算。在设计中采用了三轴 C臂传动系统，通过链传动和涡轮蜗杆传动比的变化范围，可以满足血管造影机在不同的工况下的要求，实现多种空间位置运动的要求，系统平稳，结构简单，噪声降低，易于生产、使用和维修。在深入了解血管造影仪“ 三轴中心定位 C 形臂机电系统 ”的功能原理基础上，针对设计中遇到的不同问题，本文对此进行了计算和说明；另外，分析了此类型“三轴中心定位 C 形臂

2、机电系统”的动力学参数，并对在机器运作过程中容易出现问题的传动系统，轴，轴承等方面，在设计中进行了设计计算，如：蜗杆传动，链传动，同步带传动的设计计算等。关键词 C 臂 血管 造影机 Abstract The design, micro-electronics equipment to Changchun Guanghua Engineering Co., Ltd. R In addition, this type of “three-axis Centre C-arm positioning mechanical and electrical systems, “the dynamic pa

3、rameters, And in the course of machines vulnerable to the transmission, axle, bearings, etc., in the design of a design, such as: worm transmission, chain drive, the belt drive design calculation.Keywords: C-arm vascular imaging machine目 录摘要.1Abstract .2第一章 序言.41.1 课题研究的目的和意义.41.2 国内外现状和发展趋势.41.3 三轴

4、 C 臂系统概述及主要技术指标.51.4 L 轴与 P 轴传动系统概述 .6第二章 设计方案论证.82.1 总体方案的确定.82.2 动力源的选择 .92.3 设计方案的选择 .102.4 所选方案的特点 .182.5 调整系统方案的拟定.18第三章 机械部分设计.203.1 伺服电机的选择.203.2 蜗轮蜗杆的设计计算.213.3 链传动的设计计算.253.4 同步带的设计计算.283.5 轴的设计计算.303.6 轴承的选择及寿命计算.35第四章 设计总结.37结束语.38参考文献.39第一章 序言1.1 课题研究的目的和意义人们通过 X 线可以隔着皮肉看到某些内部器官的形态，因此便产生

5、了 X 线拍片和透视的检查。拍片和透视只能分辨密度相差较大的组织器官，如骨、心、肺等，而对于人体大量密度相差较小的器官和组织，便显得无能为力。于是人们想到了造影检查，即先用高于或低于人体软组织密度的造影剂灌注检查部位，然后进行 X 线检查。由于已灌注造影剂的组织器官与周围部位密度差异变大，在 X 线下形成鲜明对比，便可以发现形态或功能是否异常。因此造影技术在现在医学上用途非常广泛，造影技术也得到飞速的发展。数字血管造影机（DSA）是应用计算机程序将组织图像转变为数字信号输入存储，然后经动脉或静脉造影剂注入血管内，在再将第二次图像输入计算机，两次数字信号相减后再转变成一个新的只充满造影剂的血管图

6、像。该设备为数字化移动 C 臂 X光系统，操作简便，移动灵活，能满足全身各部位的透视和拍片需要。主要用于脑血管病以及全身各脏器恶性肿瘤等疾病的检查和介入治疗。近几年来，国内外血管造影装置行业发展迅速，X 例如德国西门子 ARTIS-FA 型C 臂数字减影血管造影机（DSA） ，国内外生产技术不断提升，长春光华电子科技公司于 1998 年投入资金进行了“三轴中心定位 C 形臂机电系统”研究开发，现已达到小批量生产的能力。本文是根据机械制造技术、机械设计原理，在已有成功设计实例的基础上，参考以前设计者的经验和结论进行设计。在设计中，以长春光华电子科技公司研发的三轴中心定位 C 臂血管造影机为研究对

7、象，分析了其它血管造影仪的不同特点以及存在的问题，由此对血管造影仪的 L 轴与 P 轴机电传动系统进行设计计算。通过链传动和涡轮蜗杆传动比的变化范围，可以满足血管造影机在不同的工况下的要求，实现多种空间位置运动的要求，系统平稳，结构简单，噪声降低，易于生产、使用和维修。 在深入了解血管造影仪“三轴中心定位 C 形臂机电系统”的功能原理基础上，针对设计中遇到的不同问题，本文对此进行了计算和说明；另外，分析了此类型“三轴中心定位 C 形臂机电系统”的动力学参数，并对在机器运作过程中容易出现问题的轴承，轴，传动系统等方面，在设计中进行了力学分析和结构设计。1.2 国内外现状和发展趋势造影设备随着科学

8、技术的日新月异而不断发展，它根据介入检查和治疗的深入开展而日趋完善。为了适应 DSA 技术的微创性、可重复性强、定位准确和疗效高、见效快的特点,DSA 设备根据临床医生在介入放射学工作中的要求而不断完善发展。目前，介入放射学设备主要有以下 3 点新技术发展及应用。大型 DSA 设备采用旋转曝光方式的三维信息采集以实现三维图像显示，旋转速度从最初的每秒 15 度到目前最快每秒 60 度。快速的旋转使得在造影过程中造影剂的用量减少，缩短了“短暂缺血”的时间，使患者更安全。利用 3D 重建工作站，可以把三维血管成像应用，利用 RSM-DSA 技术，可以在采集过程中 C 臂进行三维运动，仅需一次曝光，

9、无需病人屏气配合即可很方便地获得三维血管信息，避免了腹部检查需要病人长时间屏气，病人身体负担大的影响，并且极大地提高了检查成功率。随着 FPD 技术的完善以及计算机技术的发展。平板探测器应用到最新的 DSA 设备中。DSA 设备中的 FPD 有直接方式与间接方式 2 种类型。直接方式的检测元件采用非晶体硒加薄膜晶体管。间接方式则采用碘化铯与非晶体硅加 TFR。直接方式的平板探测器空间分辨力优于间接方式，并且在临床有意义的空间分辨范围下具有更好的量子检出效果特性。FPD 型 DSA 的主要优点与：平板探测器的动态范围与探测灵敏度和密度分辨率有关。当射线穿过探测器时，X 射线被严格限制在很窄的缝隙

10、中。克服了散射线造成的干扰，本底噪声几乎为 0，探测灵敏度高，使原本被本底噪声与淹没的微弱的 X 射线也能被检测出来，能够分辨出面成像不能看到的人体组织更加细微密度差别，密度分辨率高，提高了图像质量；在 FPD 窄缝隙中。有消除了 70%的散射线，仅需 5 毫秒扫描每一个像素。因此，只需很低辐射剂量，就可获得良好的图像质量。随着介入放射学的发展，检查由单纯的诊断向治疗扩展，平板探测器在 DSA 设备中的运用，新型 C 臂的发展使整个设备结构合理紧凑化。完善了整机设备的优化布局。使之灵活又美观大方。1.3 三轴 C 臂系统概述及主要技术指标1.3.1 三轴 C 臂系统概述三轴 C 臂机电系统是血

11、管造影机的关键系统之一，其功能是带动球管和影像增强器实现多种空间位置运动，完成对患者特定方位的透视成像诊断。三轴 C 臂机电系统由 L 轴系统、P 轴系统、C 轴系统、Z 轴系统和电控系统组成，再配以影像增强器，高压发生器和球管等，就可构成一套完成的血管造影机。如图所示：1L 轴系统 2.P 轴系统 3.C 轴系统 4.Z 轴系统图 1-1 C 臂系统构成1.3.2 主要技术指标 C 臂开口深度: 820 mm 运动范围: 50/-45(2) 旋转速度: 16/S(快速) 6(慢速) P 轴转动范围 : MAX 90 (2)在侧位时应有安全限位功能,保证其角度不大于45 P 轴转动速度 : 1

12、6/S (快速) 6(慢速) L 臂转动范围: 90 最大转动速度: 10/S 5/S 各轴传动重复定位精度: 0.5 影响增强器上、下移动范围： 300 mm 影响增强器上、下移动速度： 15 mm/s 中心高： 1100 mm SID： 8001100 mm 管球焦点距 C 臂中心争取达到： 720mm 整机重量： 950Kg1.4 L 轴与 P 轴传动系统概述1.4.1 L 轴系统L 轴系统是整个系统的基础，对上起到支撑 P 轴、C 轴、Z 轴系统作用，对下与地基相连接并实现绕 L 臂回转做90的回转。系统由 L臂、传动部分、回转轴系三个部分构成，如图 2 所示。1.4.2 P 轴系统P

13、 轴系统位于 L 轴系统和 C 轴系统之间，其作用是带动 C 轴系统，使其绕 P 轴作90回转，该系统由箱形立柱、传动系统、复合轴承三个部分组成。如图所示：第二章 设计方案论证C 臂系统构成如图 1-1 所示。由 L 轴系统、P 轴系统、C 轴系统、Z 轴系统以及影像增强器、高压发生器、球管等构成。L 轴系统是整个系统的基础，对上起支撑P 轴、C 轴、Z 轴的作用，对下与地基连接并实现绕 L 臂回转中心作90 。 的回转。P 轴系统位于 L 轴系统和 C 轴系统之间，其作用是带动 C 轴系统，使其绕 P 轴90 。回转。C 轴系统位于 P 轴系统和 Z 轴系统之间，其作用是带动 Z 轴系统回转

14、。Z 轴系统由两根直线导轨来导向，由伺服电机经过带传动、蜗轮蜗杆传动机构减速，通过双链条传动带动导板实现影像增强器的位置调整。其中 L 轴与 P 轴的定位精度对血管造影机的性能有相当大的影响，决定着血管造影机在检查病人身体时的精准。本次设计主要就是要解决血管造影机所面临的这一问题。2.1 总体方案的确定 考虑到此器械为医疗器械这一前提。因为医疗器械所直接面对的使用对象为患者，所以我们的设计中应以人性化为指导，力求减少患者的不便及达到最好的治疗效果。 由于是医疗器械，且直接面对的患者，所以要求仪器传动平稳，无噪声污染且使用方便，这一点应在设计中有充分的体现。 传动系统的主要作用是把电动机高速的旋

15、转通过几级减速最终达到满足要求的转速。皮带传动、链传动、齿轮传动、蜗轮、蜗杆传动都可以实现减速传动。由于 L 臂转动范围: 90，最大转动速度: 10/S ，P 轴转动范围 MAX 90 (2)，转动速度:16/S (快速) 6(慢速 )， L 轴与 P 轴传动系统的回转速度比较小，转矩较大所以要求的降速比比较小。所以，首先选用了进行降速。然后，选择的是通过链传动。因为能满足传动比大而且机构比较紧凑。最终传动系统的方案定为：L 轴传动系统是电动机传输的动力通过蜗轮、蜗杆传动达到第一次减速，然后通过同步带传递达到第二次减速，再通过链传动第三次减速，最后把动力传递给 L臂。位置检测电位器装在第二级

16、传动之后。在第一级减速传动机构上，装有电磁离合器，以实现 L 轴传动手动和 电动的切换。传动关系如图 7 所示。同步带传动 id=1M i1=20 i2=2 i3=1.8 I =9.48电位器 PML=648电机 蜗杆传动 同步带传动 同步带传动 链传动 L 轴传动图 2-1 传动关系图P 轴传动系统是电动机传输的动力通过蜗轮、蜗杆传动达到第一次减速，然后通过链传动达到第二次减速，最后把动力传递给 P 轴做回转运动。位置检测电位器装在蜗杆减速器之后。总体传动关系如图 8 所示电机 蜗杆传动 链传动 链传动 P 轴传动图 2-2 传动关系图2.2 动力源的选择三轴 C 臂机电系统的机械传动部分为

17、断续工作,要求电压一旦取消,电动机必须立即停转,且要求其技术性能稳定可靠,动作灵敏,精度高,体积小,重量轻,耗电少.伺服电动机的特点:调速范围广, 伺服电动机的转速随着控制电压改变,能在同步带传动 id=1.2M i1=30 i2=3 i3=6 P=540电位器 PM宽广的范围内连续调速;转子的惯性小,即能实现迅速启动,停转;控制功率小,过载能力强,可靠性好.把三轴 C 臂机电系统对动力源的需求与伺服电动机的特点相比较可知,该动力源选为伺服电动机最为合适,所以此三轴 C 臂机电系统的动力源采用伺服电动机. 2.3 设计方案的选择2.3.1 主传动机构方案的选择 1）级减速机构的选择级减速机构直

18、接与电动机相联,属于高速级.根据所学知识可知,一般适合布置在高速级的传动装置有带传动,蜗杆传动等,下面将分别介绍带传动与蜗杆传动的特点, 再与血管造影机三轴 C 臂机电系统的需求相比较加以选择.带传动是由固联于主动轮上的带轮、固联于从动轮上的带轮和紧套在两轮上的传动带组成的。当原动机驱动主动轮转动时，由于带和带轮间的摩擦（或啮合） ，便拖动从动轮一起转动，并传递一定的动力。带传动具有结构简单、传动平稳、造价低廉以及缓冲吸震等特点，在近代机械中被广泛应用。带传动的饿承载能力小，传递相同的转距时，结构尺寸较其他形式的饿大，但他传动平稳，能缓冲吸震，适宜布置在高速级。蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递

19、运动和动力的一种传动机构，两轴线交错的夹角可为任意值，常用的为 90 度。这种传动由于具有下术特点，故应用颇为广泛。a）当使用单头蜗杆（相当于单线螺纹）时，蜗杆旋转一周，蜗轮只转过一个齿距，因而能实现大的传动比。在动力传动中，一般传动比 i=580;在分度机构或手动机构的饿传动中，传动比可达 300；若只传递运动，传动比可达 1000。由于传动比大，零件数目又少，因而结构很紧凑。b）在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的，同时啮合的齿对又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。c）当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动便具有自锁性。d）蜗杆传动与螺旋齿轮传动相似，在啮合处有相对滑动。当滑动速度很大，工作条件不够良好时，会产生较严重的摩擦与磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化。因此摩擦损失较大，效率底；当传动具有自锁性时，效率仅为 0.4 左右。同时由于摩擦与磨损严重，常需耗用有色金属制造蜗轮（或轮圈） ，以便与钢制蜗杆配对组成减摩性良好的滑动摩擦副。