醫(yī)用自動(dòng)屏蔽門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蔡蝶,葛斌,張靜,高星煜,祁歡

（上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程，上海 200093）

在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)治療和檢測(cè)過(guò)程中，有時(shí)需要使用到射線和一些放射材料，有研究表明長(zhǎng)期接受X射線會(huì)對(duì)人體造成一定的傷害，主要表現(xiàn)為植物神經(jīng)功能紊亂，造血功能低下，進(jìn)而出現(xiàn)內(nèi)部器官功能的失調(diào)等。CT室是醫(yī)院放射科的一個(gè)重要輔助科室，為避免其他患者和工作人員受輻射侵害以及防止醫(yī)療設(shè)備受電磁干擾，CT室在設(shè)計(jì)時(shí)要達(dá)到防輻射的效果，而屏蔽門是影響整個(gè)CT室屏蔽效果最重要的部位，也是整個(gè)房間中最為薄弱的環(huán)節(jié)，因此保持CT室門的屏蔽效能的穩(wěn)定性尤為重要。當(dāng)前醫(yī)用屏蔽門的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要可以分為弧形軌道設(shè)計(jì)和平直軌道設(shè)計(jì)，其中弧形軌道設(shè)計(jì)是在機(jī)電梁的驅(qū)動(dòng)下，門扇在平移運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由軌道進(jìn)行導(dǎo)向逐漸向門框靠近，并且門扇的重心也隨之下沉，這樣便可以實(shí)現(xiàn)活動(dòng)門扇四周的密封條與門框的緊密壓緊；平直軌道設(shè)計(jì)是通過(guò)活動(dòng)門扇平移運(yùn)行——垂直運(yùn)行——內(nèi)藏式局部下沉三步運(yùn)行程序，使門扇四周的密封條受到擠壓，以實(shí)現(xiàn)門體的密封效果。但弧形軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)會(huì)使得密封條磨損嚴(yán)重，使得密封效果下降，而平直軌道設(shè)計(jì)存在的內(nèi)藏式局部下沉裝置也會(huì)使得密封條磨損嚴(yán)重。這兩種屏蔽門運(yùn)動(dòng)只是實(shí)現(xiàn)了防輻射的效果，而未能同時(shí)兼顧防電磁干擾和防輻射功能。本項(xiàng)目采用鈹青銅簧片，其在通過(guò)電流的情況下能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)防電磁干擾、防屏蔽的效果；活動(dòng)門扇采用以鉛為主要功能材料，以不銹鋼為支撐材料制作的特屬鉛門，門體重約500kg。由于門體質(zhì)量較大，依靠人力進(jìn)行開啟與關(guān)閉較為不便，因此本項(xiàng)目特設(shè)計(jì)一種自動(dòng)屏蔽門結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)活動(dòng)門扇的平移運(yùn)動(dòng)和鈹青銅簧片的壓緊運(yùn)動(dòng)，達(dá)到預(yù)期效果。

1 總體設(shè)計(jì)

本文需要設(shè)計(jì)一種全自動(dòng)防輻射屏蔽推進(jìn)門，該門需要滿足以下各項(xiàng)功能：一是防輻射屏蔽推進(jìn)門要具有安裝承載裝置；二是防輻射屏蔽推進(jìn)門須有驅(qū)動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)；三是防輻射屏蔽門必須要實(shí)現(xiàn)門體上鈹青銅簧片與門框的壓緊，以能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)防電磁干擾與防輻射的功能。在實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的前提下，還要解決防輻射屏蔽門的承重問(wèn)題以及保證屏蔽門在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的平穩(wěn)性與安全性。

圖1 屏蔽門整體結(jié)構(gòu)圖

因此本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)同步帶實(shí)現(xiàn)水平方向的平移運(yùn)動(dòng)（設(shè)為X方向），以保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性；電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)水平方向垂直于門框進(jìn)給壓緊運(yùn)動(dòng)（設(shè)為Y方向），以能夠?qū)崿F(xiàn)門扇與門框的緊密壓緊，圖1為屏蔽門整體結(jié)構(gòu)圖。

該醫(yī)用自動(dòng)屏蔽門的開啟與閉合工作原理為：在關(guān)門時(shí)，工作人員觸發(fā)關(guān)門按鈕，電機(jī)通過(guò)主動(dòng)輪帶動(dòng)同步帶順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，吊軌內(nèi)滑輪在同步帶的牽引下在軌道內(nèi)滾動(dòng)，從而帶動(dòng)門扇在平行于墻體方向上實(shí)現(xiàn)平移運(yùn)動(dòng)，當(dāng)門扇到運(yùn)動(dòng)到與門框相對(duì)位置時(shí)，與同步帶輪配套的電機(jī)停止工作；此時(shí)絲杠電機(jī)開始運(yùn)行，將絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為滑臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)門扇在Y軸方向?qū)崿F(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)門扇上鈹青銅簧片與門框的壓緊；絲杠電機(jī)停止工作，這時(shí)為門框上的電磁鎖緊裝置進(jìn)行通電，電磁鎖會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的吸力將門扇與門框緊密貼合，從而達(dá)到防輻射和防電磁干擾的目的。

開門工作原理：此時(shí)門處于緊閉狀態(tài)，工作人員觸發(fā)開門按鈕。首先給電磁鐵斷電，電磁鎖失去吸力后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，使得門扇沿Y軸反方向運(yùn)動(dòng)，退出門框，滾珠絲杠電機(jī)停止工作，同步帶電機(jī)通電帶動(dòng)同步帶逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，門扇沿X軸方向向右運(yùn)動(dòng)，直到完全打開。

2 重要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 承載機(jī)構(gòu)

承載機(jī)構(gòu)由型材安裝架、滑輪吊軌裝置、絲杠滑臺(tái)等組成，起到承重、固定各個(gè)零件的作用。圖2為承載機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

型材安裝架：同步輪裝置直接安裝在型材安裝架上，將型材安裝架固定在墻面上。

滑輪吊軌裝置：滑輪固定在吊軌固定座上，并固定在型材安裝架上，其上裝有滑輪與門體 Y 方向進(jìn)給裝置。

絲杠滑臺(tái)：與滾珠絲杠連接，在絲杠的傳動(dòng)下，通過(guò)攜門夾帶動(dòng)門扇進(jìn)行壓緊運(yùn)動(dòng)。

圖2 承載機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到滾珠絲杠不能承重的問(wèn)題，在絲杠兩端各安裝有一根光軸導(dǎo)軌，通過(guò)滾珠直線軸承與絲杠滑臺(tái)配合連接，以減小在滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中摩擦力。在絲杠及光軸導(dǎo)軌的兩端安裝有固定支架以作為承重部件的支點(diǎn)，滑臺(tái)下方通過(guò)攜門夾將門扇固定。

2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括同步帶輪驅(qū)動(dòng)裝置、滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)裝置等，在單片機(jī)控制系統(tǒng)的指令下，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶以及滾珠絲杠的傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)屏蔽門的平移運(yùn)動(dòng)和壓緊運(yùn)動(dòng)。圖3驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

同步帶輪驅(qū)動(dòng)裝置主要包括主動(dòng)帶輪裝置以及從動(dòng)帶輪裝置。同步帶為封閉的環(huán)形帶，具有相同的間隔齒，由主動(dòng)帶輪裝置帶動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)帶輪裝置包括電機(jī)、主動(dòng)輪、同步帶、固定板，電機(jī)與主動(dòng)輪固定在型材安裝架上。電機(jī)通過(guò)主動(dòng)輪將力傳遞給同步帶，進(jìn)而通過(guò)連接裝置帶動(dòng)門扇在水平X方向運(yùn)動(dòng)；從動(dòng)帶輪裝置包括從動(dòng)輪和固定板，從動(dòng)輪將固定在型材安裝架上，隨主動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)。

同步帶有以下幾項(xiàng)特點(diǎn)：①傳動(dòng)比恒定、工作時(shí)不滑動(dòng)；②傳動(dòng)平穩(wěn)，具有緩沖、低噪聲，減振能力；③傳動(dòng)效率高，達(dá)到98%，具有明顯的節(jié)能效果；④維護(hù)方便，無(wú)潤(rùn)滑，維護(hù)成本低；⑤速度比范圍大，具有較大的功率傳遞范圍；⑥相對(duì)于V型傳送帶，其預(yù)緊力較小，軸和軸承上所受載荷小。

滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)裝置：該裝置主要包括電機(jī)、滾珠絲杠、絲杠滑臺(tái)、光軸導(dǎo)軌等零件。其中滾珠絲杠主要是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為絲杠滑臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給壓緊運(yùn)動(dòng)。

滾珠絲杠由螺桿、螺母、鋼球、預(yù)壓片、反相器防塵器組成，是工具機(jī)械和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)。

滾珠絲杠的特點(diǎn)為：①摩擦損失小、傳動(dòng)效率高。由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間由很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率；②可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給和微進(jìn)給。滾珠絲杠利用滾珠運(yùn)動(dòng)，所以啟動(dòng)力矩極小，不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給；③定位精度和重復(fù)定位精度高。由于滾珠絲杠副摩擦小、升溫小、無(wú)爬行、無(wú)間隙，通過(guò)預(yù)緊進(jìn)行預(yù)拉伸以補(bǔ)償熱膨脹。因此可達(dá)到較高的定位精度和重復(fù)定位精度；④工作壽命長(zhǎng)。滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度（HRC58—62）、高精度材料，具有較長(zhǎng)的工作壽命和精度保障性。壽命約為滑動(dòng)絲杠副的4～10倍以上；⑤不能自鎖、具有傳動(dòng)的可逆性。

2.3 磁吸裝置

在門框上安裝有電磁鎖緊裝置，當(dāng)門扇運(yùn)動(dòng)到指定位置后，給電磁鎖通電，利用電生磁的原理，當(dāng)電流通過(guò)硅鋼片時(shí)，電磁鎖會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的吸力緊緊的吸住吸附門扇上的鐵板達(dá)到鎖門的效果。當(dāng)需要開門時(shí)，給電磁鐵斷電，電磁鎖失去吸力即可進(jìn)行開門動(dòng)作。

3 屏蔽門分析計(jì)算

3.1 同步帶傳動(dòng)計(jì)算

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠計(jì)算

3.3 絲杠校核

剛度驗(yàn)算：滾珠絲杠在工作負(fù)載和轉(zhuǎn)矩共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量為：

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目針對(duì)傳統(tǒng)防輻射屏蔽門的缺陷，設(shè)計(jì)了一種能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁與射線屏蔽的自動(dòng)門結(jié)構(gòu)，主要對(duì)屏蔽門的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)與承載裝置進(jìn)行了說(shuō)明，并對(duì)部分零件進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。此次設(shè)計(jì)的屏蔽門電機(jī)數(shù)量更少，結(jié)構(gòu)合理可靠，行進(jìn)平穩(wěn)且噪聲小，能夠?qū)崿F(xiàn)門扇上鈹青銅簧片與門框的壓緊，具有較好的屏蔽和防輻射效能，更適于醫(yī)院放射科室的使用。