用于X射線準直光闌的固定鏈傳動機構(gòu)設(shè)計

陳玉梅

（同方威視技術(shù)股份有限公司，北京100084）

0 引言

通常情況下，鏈傳動用于傳遞兩軸相距較遠的轉(zhuǎn)動。與帶傳動相比，能夠保持準確的平均傳動比[1]。鏈傳動可用于重載、條件惡劣的工況下，因此在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前，根據(jù)不同用途，不同規(guī)格的鏈條、鏈輪已成標準化、系列化的產(chǎn)品，在市場上可以方便的購買。所以，在原有其他傳動形式，比如下文介紹的準直光闌的傳動中，如果采用鏈傳動，產(chǎn)品在簡化結(jié)構(gòu)傳動鏈、縮短工期、降低加工難度、節(jié)省制造成本、簡化控制方式會有不同程度的提升。

工業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)中，直線加速器作為X射線源應(yīng)用越來越廣泛。而加速器X射線的照射野準直光闌是必不可少的組成部分。無論是醫(yī)療放射治療、工業(yè)射線無損檢測，都需要調(diào)整射線的照射野。

準直光闌位于作為射線源的加速器前部，兩對光闌塊，相互垂直。光闌塊選用鎢合金、鉛合金等重金屬材料制造。兩對準直光闌工作面在空間形成四棱錐體，將射線束限制成矩形的照射區(qū)域（野）[2]，如圖1所示。直線加速器的照射野進行調(diào)整時，準直光闌塊以靶點為中心轉(zhuǎn)動，如圖2所示，靠近射線野一側(cè)與靶點（射線源點）在同一平面（延伸面）上，以使照射野避免出現(xiàn)半影。

圖1 射線野

圖2 光闌運動軌跡

目前應(yīng)用較多的傳動方式是滾珠絲杠傳動，直線軸承導(dǎo)向。這種方式一般通過直線拖動射線調(diào)整塊的同時調(diào)整塊自身沿圓弧作一定角度的轉(zhuǎn)動，書[2]中的介紹是目前產(chǎn)品中采用的結(jié)構(gòu)。調(diào)整塊的轉(zhuǎn)動角度函數(shù)關(guān)系比較復(fù)雜，控制不方便?；劢Y(jié)構(gòu)的間隙使得運動精度提高存在困難。

為此，本文結(jié)合鏈傳動的特點，將準直光闌的拖動系統(tǒng)改為鏈傳動，并設(shè)法消除了往返運動間隙。

1 固定鏈傳動結(jié)構(gòu)原理

采用的固定鏈傳動機構(gòu)，是鏈條固定，鏈輪隨被拖動的元件（準直光闌塊），以實現(xiàn)射線準直光闌按照既定軌跡運動。

整套機構(gòu)分成如下幾個部分：

（1）準直光闌塊，兩對。如圖3所示，每個光闌塊兩端面上安裝有滾輪，用于導(dǎo)向；鏈輪及傳動軸組件，傳遞運動，驅(qū)動光闌塊；支撐滾珠機構(gòu)，防止光闌塊沿長度方向竄動。整個光闌塊兩端面安裝元件相同并對稱安裝。此外，傳動軸兩側(cè)分別安裝驅(qū)動電機以及運動反饋元件（旋轉(zhuǎn)編碼器），見圖4所示。

圖3 傳動原理

圖4 整體結(jié)構(gòu)機構(gòu)原始（閉合）位置

（2）導(dǎo)軌組件，即圓弧導(dǎo)軌以及固定在圓弧上的鏈條。圓弧導(dǎo)軌的圓心軸線經(jīng)過靶點。鏈條固定在圓弧外側(cè)，確保與外側(cè)面貼實并固定。

為消除嚙合間隙誤差，采用雙排鏈傳動，兩鏈條互相獨立，沿圓周方向可單獨微量調(diào)節(jié)。這樣，相鄰兩鏈條可有一個微小的相位差。這個相位差可以根據(jù)需要調(diào)整，目的是消除鏈輪與鏈條正反向運動間隙。

導(dǎo)軌組件成對安裝，側(cè)面分別與光闌準直塊端面的滾輪、鏈輪配合。而導(dǎo)軌的兩個平端面，一面與機架連接，一面光闌準直塊端面的支撐滾珠接觸。

（3）必要的支撐和外連接機構(gòu)。這里包括機架，必要的電控元件以及其他輔助元件。

圖3顯示了上述各組件的裝配關(guān)系。

整個機構(gòu)如圖4所示，調(diào)整塊兩塊為一對，相向運動，兩對調(diào)整塊分成兩層，垂直布置。

2 張角分析

準直光闌是用來調(diào)整射線矩形野的大小的，也就是光闌塊工作面從正中心位置轉(zhuǎn)過的角度，即光闌張角，是準直光闌的控制指標。

由于沒有相關(guān)計算，參照齒輪輪系傳動計算[3]來確定張角。

下面以其中一塊準直光闌為例，分析一下張角計算。

準直光闌塊沿導(dǎo)軌繞靶點O以轉(zhuǎn)速ωH轉(zhuǎn)過角度φ，根據(jù)相對運動原理[2]，固定鏈和標定塊加上一個角速度“-ωH”后，系統(tǒng)變成鏈輪軸固定的傳動方式，如圖5.

圖5 轉(zhuǎn)角計算

轉(zhuǎn)化后的傳動比：

式中，m為外嚙合的次數(shù)，此處m=1.圓弧軌道固定，所以固定鏈ω2=0，鏈輪轉(zhuǎn)速ω1，那么

上式對時間積分，可得

式中，r1為鏈輪分度圓半徑，r2=R弧+d鏈/2

根據(jù)（2）式，顯而易見地有：

1）光闌塊轉(zhuǎn)動角度與驅(qū)動鏈輪轉(zhuǎn)動角度成正比，控制會相比于書[2]中介紹的絲杠傳動要簡單。

2）鏈輪轉(zhuǎn)過相同角度，圓弧半徑越大，光闌塊轉(zhuǎn)過的角度越小；而鏈輪分度圓半徑越大，光闌塊轉(zhuǎn)過的角度越大。

根據(jù)（4）式，可以計算出準直光闌塊轉(zhuǎn)角與驅(qū)動鏈輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系，從而實現(xiàn)對光闌張角的實時控制。

3 動載荷控制

由于鏈傳動不能保持恒定的瞬時傳動比，使得上述分析中，所使用的傳動比i選用平均傳動比，而光闌塊角速度ωH亦是平均角速度。以下分析光闌塊瞬時變化以及這一變化引起的載荷變化。

為更清楚地表示出鏈節(jié)長度與節(jié)圓位置關(guān)系，圖6為無比例繪制。

圖6 瞬時角速度

上面談到，固定鏈和標定塊加上一個角速度“-ωH”后，系統(tǒng)變成鏈輪軸固定的傳動方式，這時：

在上圖中：v=v1=v軌

那么

圖6中的R即是圖5中的r2，亦即

由于軌道固定，所以光闌塊轉(zhuǎn)動

光闌塊動載荷

從上述（7）式中可以看出，在設(shè)計過程中，根據(jù)實際需要從減小鏈節(jié)距、增大軌跡曲率半徑，增大驅(qū)動鏈輪分度圓半徑都可以不同程度的減小光闌塊的動載荷，使得運動更趨平穩(wěn)。

以圖5中的光闌參數(shù)為例，鏈節(jié)距p=6.35 mm，R弧=204.2 mm，d鏈=6，r1=24.5 mm，

鏈輪轉(zhuǎn)速n=45 rpm，光闌塊的角速度和角加速度變化則如圖7所示。

圖7 光闌塊轉(zhuǎn)速變化

經(jīng)計算可知，在上述參數(shù)條件下，光闌塊角速度和角加速度變化幅度為：

通過上述分析可知，由鏈傳動引起的速度和載荷變化很小，光闌塊可以平穩(wěn)運動。

4 結(jié)論

根據(jù)上述介紹的思路，設(shè)計了固定鏈傳動的直線加速器射線準直光闌。固定鏈傳動光闌與原有準直光闌相比，結(jié)構(gòu)更加緊湊，重量有所降低，控制方便。最重要的，工期縮短，成本降低。

圖8展示了設(shè)計結(jié)構(gòu)和安裝在直線電子加速器上的準直光闌。

圖8 準直光闌