雙C型臂X射線機結構設計與結構分析

任曉路

摘要：隨著科學技術的發展，現代機械設計工藝研發也取得巨大的成就。在現代機械領域中越來越多的高精密、大型的設備層出不窮，既改變了傳統機械結構，還提升了機械應用水平。雙C型臂X射線機正是用以展開精密機械生產的設備。因此，下文主要從雙C型臂X射線機的結構設計原則和思路入手，旨在通過對雙C型臂X射線機展開框架搭建以及應用。從而為雙C型臂X射線機的普及應用和性能優化打下堅定的基礎。

關鍵詞：雙C型臂X射線機;結構設計;結構分析

0 ?引言

隨著機械技術水平的提升，C型臂X射線機已然廣泛地應用于實踐活動中。現有的C型臂X射線機主要是單C型臂結構，使用時需要頻繁調整C型臂來獲取數字圖像信息。而在使用過程中，若是頻繁地調整C型臂容易出現成影像滯后，甚至是失去重要部位的影像，重新恢復成像需要花費大量的時間，重復調整和重新定位C型臂的角度和位置，此過程費時且呈現出來的成像容易出現不穩定問題，如此嚴重制約著C型臂X射線機在實踐生產活動中的應用效率和應用質量。因此，下文基于單C型臂X射線機的使用不足，給出一種新型的C型臂X射線機的設計思路——雙C型臂的結構類型，通過大、小C型臂回轉托架結構等，保證在使用過程中能夠同時獲得不同方位的影像信息，由此減少因為C型臂X射線機設備頻繁調整所帶來的成像延時等干擾問題，大大縮短操作時間。

1 ?雙C型臂X射線機設計原則與思路

1.1 雙C型臂X射線機設計原則

第一，安全可靠。作為一種新型器械，其整機結構設計需要充分考慮到安全系數問題。只有如此才能夠避免在使用器械過程中發生意外。如，雙C型臂X射線機的機電控制系統必須要設計有安全鎖止程序，保證使用機器時的安全可靠性。

第二，低噪音。雙C型臂X射線機所應用的場所條件比較苛刻，需要營造靜謐的環境。因此要求整機在使用過程中，升降機、C型臂調整定位不會發出噪音。

第三，整體運動靈活符合人體工程學。雙C型臂X射線機本質上是人工智能機器人設備，其主要是獲取影像資料，為相關決策或者規劃制定提供依據。因此，雙C型臂X射線機的整體結構要具有柔性化特點，確保整機運動靈活輕便。

1.2 雙C型臂X射線機設計思路

基于當前市面上所流行的C型臂X射線機的應用現狀可知，其雖然可以實現正位透視和側位透視，但是需要經過人工角度調整，之后中心旋轉才能夠得到。這樣的X射線機下取得的圖像信息存在延時性，嚴重的話會影響治療效率。因此展開雙C型臂X射線機的設計概念。

第一，在材料選擇中。根據C型臂的移動要求，選擇高強度、高耐腐蝕性以及高耐磨性的6系列鋁合金設備。借助該金屬材料所具有優良的加工性能，打造出雙C型臂X射線機。

第二，在理論應用中。本文所提出的雙C型臂X射線機的設計依靠的是TRIZ理論，該理論探討如何利用創新方法和創新理論實現對現有的技術手段的深入研究。借助TRIZ理論體系能夠掌握C型臂X射線機的現有技術形態，為雙C型臂X射線機的發展提供一個方向和設計思路。

第三，雙C型臂臂端影像增強器的運動方案。采用大、小C臂，需要提高雙C型臂的運動靈活性和協調性，在本設計中采用絲杠機構來實現。這要是因為絲杠機構較為成熟，安全系數較高，能夠協調大、小C臂的規格大小。

第四，雙C型臂X射線機的旋轉機構方案。該設備在使用時，需要根據不同的方位進行旋轉，所以，必須達到柔性化效果，能夠平穩無噪聲無污染的轉動。對此本設計旋轉運動的傳動方案旋轉蝸輪蝸桿方案，并且以步進電機作為驅動機構。

第五，雙C型臂X射線機十字臂水平運動方案。水平運動主要是指雙C型臂X射線機在應用過程中，需要根據不同部位的實際情況進行微調，使其能夠初步達到制定的標準位置上。十字臂水平運動是該機械的根本運動方式，本設計主要是通過導軌、滑塊、絲杠以及步進電機來實現。

2 ?雙C型臂X射線機結構及設計

2.1 雙C型臂結構設計

當前，基于triz創新理論對雙C型臂X射線機的整體結構展開設計，導入大、小C型臂兩套單獨成像的機構。大、小C型臂的成像機構是通過固聯球管和發射器組成的。通過軸承軌道固定在機械整體的支撐回轉托架上，將另一端固定在開口同步帶兩端，利用伺服電機驅動控制設備實現大、小C型臂做圓周旋轉運動（如圖1）。整體上來說，雙C型臂X射線機的結構設計同單C型臂X射線機差距在于前者多設置一個直徑較小的輔助小C型臂，同時采用的固定方式也更加靈活便利。

2.2 C臂回轉托架結構

回轉托架結構起到支撐C臂垂直方向穩定性的作用。雙C型臂X射線機在工作中，技術人員會根據不同方位調整雙C型臂X射線機的工作角度，當C型臂垂直于工作臺的時候，C臂就需要同回轉托架鏈接固定，由此才不會發生攢動，在雙C型臂X射線機的C型臂的回轉托架結構設計中，通過增加浮動軸承組以及可調徑向軸承的方式，使的C型臂腔側面始終能夠同浮動軸承組接觸，保證穩定地位移到指定角度位置。這種結構的設計簡化了雙C型臂X射線機的零部件的同時，還確保雙C型臂X射線機有較高的穩定性，保證在使用過程中能夠獲得最精準的立體圖像。

2.3 驅動機構設計

驅動機構是雙C型臂X射線機的動力機構，主要由伺服電機、同步帶驅動輪、同步帶壓輪組成。伺服電機同回轉托架上的同步帶輪固定在一起，通過后者驅動固定同步帶上的C臂繞著圓弧展開旋轉活動。另外還可以通過控制伺服電機驅動力輸入速度的操作，確保大、小C型臂旋轉速度以及旋轉的方位信息是符合使用要求的，由此大大提高成像的精確性。驅動結構設計圖如圖2所示。

2.4 鎖緊機構設計

鎖緊機構是確保雙C型臂X射線機固定在一個方位角度的重要機構，通過鎖緊處理能夠確保雙C型臂X射線機的成像的穩定性和固定性。在本設計中，將鎖緊機構安裝在同步帶驅動輪軸上，運用偏心輪同圓形卡箍之間形成鎖緊的摩擦力。鎖緊機構中的卡箍一端固定在設備主機上，另一端同偏心輪接觸，在偏心輪上設置自鎖裝置，確保偏心機構所產生的正壓力始終作用在圓形卡箍上，同步帶驅動輪軸運動的時候帶動圓形卡箍同步運作，兩者之間會形成內圓切線方向的抹茶里，該摩擦力就會反作用到同步帶驅動輪軸上，從而對偏心輪的形成起到調節作用。當偏心輪的形成越大所形成的摩擦力越大，鎖緊機構發揮作用越明顯。

3 ?雙C型臂X射線機核心零部件設計與計算

確定好雙C型臂X射線機各個結構之后，各種核心零部件設計需要嚴格按照設計原理，進行科學合理的計算，確保整機的結構參數是最協調可靠的。

3.1 軸承計算

雙C型臂X射線機的軸承參數決定著大、小C型臂旋轉運動的速度和效率。根據雙C型臂X射線機的運行效率以及運動需求可知，該機械處于低速穩定運行狀態下，因此軸承在C臂內腔運動時至少有四只軸承是需要同C臂產生接觸運動的，此時大C臂的重量需要均勻地分配到這四只軸上，通過軸承的載荷情況以及表哥可知，e=0.26，求得X和Y的值分別為0.56，1.73。此時，計算Pr=XFr+YFa=0.56*500N+1.73*250=712.5N。再根據載荷的計算公式：C=（fh*fm*fd）/（fn*fr）*Pr。最后驗證可知，軸承可以選用深溝球軸承的內徑為20mm，外徑為42mm，轉速為300r/min，荷載為500N的型號規格。

3.2 同步帶設計計算

同步帶的設計是基于現有的C型臂生產方案，采用H型同步帶。而大、小C型臂的同步帶的功率大小不同，因此需要分開進行參數設計。首先是小C型臂的同步帶功率設計。根據同步帶功率計算公式：

Pd=KA*P求得功率大小為1.1kW。其帶型大小根據功率大小而確定，可以采用節距為12.7mm的H帶型。其次是在大C型臂的同步帶的相關參數計算中，可以計算出大C臂的中心距為444.4mm，寬度大小為38.1mm。

3.3 C型臀接觸應力計算

在本設計中，雙C型臂X射線機的大、小C臂的直徑較大，如大C臂可以達到1.8m以上，且大C臂的圓周角旋轉角度可以高于180度。由于各種零部件參數都較大，在實際的運行工況中，軸承會對C型臂的內腔提供壓力，兩種零部件在不斷的接觸作用下可能會出現接觸疲勞破壞。因此，在這種接觸應力下就會導致整個雙C型臂X射線機出現故障問題，影響使用壽命。展開對C型臂的接觸應力的計算分析，可以有效地展開設備材料的改性分析，從而減少鋁合金復合材料的使用變形量。目前可以采用綜合彈性模量E的計算模式，實現對軸承同C型臂內腔的接觸模型計算。

4 ?結束語

綜上所述，結合現有的C型臂X射線機的使用現狀可知，其存在成像延時性等不足，對此基于器械設計原則以及柔性化機器人設計理論，提出一種雙C型臂X射線機的設計方案。在本設計方案下的雙C型臂X射線機結構具有操作靈活性、成像準確性和全面性等優勢，值得進一步推廣應用。

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