X射線點(diǎn)狀掃描裝置的三維設(shè)計(jì)

趙亞亭

（蘇州曼德克光電有限公司，江蘇 昆山 215300）

在X射線散射成像領(lǐng)域，為了將爆炸物、武器、毒品等危險(xiǎn)物品的掃描圖像達(dá)到照片一樣清晰地暴露在顯示屏上，并盡可能的降低被檢貨物及周邊環(huán)境的輻射計(jì)量。需要設(shè)計(jì)出點(diǎn)狀掃描裝置來(lái)完成檢測(cè)，該裝置原理就是要求在對(duì)物品檢測(cè)成像時(shí)任何時(shí)間段只有一個(gè)射線點(diǎn)照射在被檢測(cè)物體上。

1 X射線點(diǎn)狀掃描裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及說(shuō)明

X射線點(diǎn)狀掃描裝置由安裝平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置、射線源調(diào)節(jié)裝置、斬波旋轉(zhuǎn)盤、快門裝置等五部分組成，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 掃描裝置的主傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖2 X射線點(diǎn)狀掃描裝置的三維結(jié)構(gòu)示意圖

X射線斑點(diǎn)的形成主要由伺服電機(jī)2作為動(dòng)力源，梯形齒同步帶4帶動(dòng)軸承箱6軸端安裝的旋轉(zhuǎn)盤8，繞X射線機(jī)發(fā)射中心點(diǎn)高速旋轉(zhuǎn)來(lái)完成；快門裝置是經(jīng)過(guò)牽引電磁鐵9帶動(dòng)鉛板左右移動(dòng)來(lái)遮擋射線束的出射縫隙；通過(guò)射線源調(diào)節(jié)裝置11，來(lái)調(diào)節(jié)射線機(jī)發(fā)射中心點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)盤的中心位置。

2 X射線點(diǎn)狀掃描裝置核心器件參數(shù)及設(shè)計(jì)思路

2.1 掃描裝置的主傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

為了更清晰地說(shuō)明掃描裝置的主運(yùn)動(dòng)方案，繪制掃描裝置的主傳動(dòng)簡(jiǎn)圖，如圖1所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)盤三維實(shí)體模型

2.2 旋轉(zhuǎn)裝置的參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖像對(duì)掃描裝置的要求，旋轉(zhuǎn)盤上需4等分開(kāi)2mm寬縫隙，縫隙長(zhǎng)60mm，轉(zhuǎn)速要求達(dá)到1500r/min,并且在6s內(nèi)完成平穩(wěn)啟動(dòng)。

2.3 旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

旋轉(zhuǎn)盤采用95W-5Ni-2Fe合金鋼制作而成。通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)盤整體三維建模，從軟件中測(cè)量得到沿旋轉(zhuǎn)軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J。

2.4 伺服電機(jī)選型

2.5 同步帶及同步輪選型

由于整個(gè)X射線點(diǎn)掃描裝置要求轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，有恒定的傳動(dòng)比、壽命長(zhǎng)、噪音少且傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)，所以選用同步梯形帶來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)。在使用過(guò)程中要保證梯形皮帶帶齒表面整潔、飽滿、皮帶沒(méi)有扭曲變形以免損傷骨架材料，影響皮帶強(qiáng)度。另外同步帶輪選用帶擋圈款式，材質(zhì)為選用45#鋼，為防止生銹表面進(jìn)行發(fā)黑處理。同步帶及帶輪的參數(shù)選型通過(guò)已選型伺服電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速這兩項(xiàng)參數(shù)來(lái)查閱同步帶選型表，可簡(jiǎn)單對(duì)同步帶和同步帶輪進(jìn)行選型。

圖4 轉(zhuǎn)盤應(yīng)力分布圖

圖5 轉(zhuǎn)盤位移變形圖

圖6 安裝支架三維實(shí)體模型

2.6 軸承箱選型

（1）箱體采用優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵鑄造而成；（2）主軸采用高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)低合金鋼表面進(jìn)行經(jīng)滲碳和碾壓處理。（3）軸承選用高質(zhì)量的圓錐滾子軸承確保軸承箱低噪音和運(yùn)行平穩(wěn)；（4）軸頭密封用擋油板+機(jī)械密封+骨架油封組合密封。

2.7 調(diào)節(jié)對(duì)中裝置

射線機(jī)發(fā)射中心點(diǎn)需要在旋轉(zhuǎn)盤的正中心位置。光機(jī)安裝在用鉛和不銹鋼鈑金加工的屏蔽筒里，安裝時(shí)注意射線發(fā)射點(diǎn)和鉛筒縫隙對(duì)齊，然后把屏蔽筒用抱箍固定在光機(jī)安裝板上，最后利用調(diào)節(jié)螺釘對(duì)光機(jī)安裝板進(jìn)行上下、左右微調(diào)。

2.8 射線束控制裝置

為了確保周圍環(huán)境輻射安全，需要設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)擋射線束的控制裝置。當(dāng)伺服電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)，遮擋射線束的防護(hù)裝置自動(dòng)打開(kāi)，射線束從屏蔽桶射出進(jìn)行正常掃描。射線束控制裝置采用牽引電磁鐵在精密直線導(dǎo)軌上拉動(dòng)防護(hù)鉛塊來(lái)完成。其中交流牽引電磁鐵參數(shù)為：電壓220V，推拉式，推力8kg，行程30mm。

2.9 旋轉(zhuǎn)盤連接

旋轉(zhuǎn)盤和軸承箱之間選用對(duì)中效果十分優(yōu)秀、方便拆卸的脹緊套連接，該脹緊聯(lián)結(jié)套螺釘?shù)臋C(jī)械性能等級(jí)要求為12.9級(jí)。

3 X射線掃描裝置旋轉(zhuǎn)盤和安裝支架與設(shè)計(jì)

3.1 X射線掃描裝置旋轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)盤在整個(gè)X射線掃描裝置中起斬波作用，為了得到理想的射線斑點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)要可靠、合理。同時(shí)，要考慮1500r/min旋轉(zhuǎn)速度下旋轉(zhuǎn)盤的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力的影響及節(jié)約材料成本的要求。

（1）三維實(shí)體建模。利用solidworks進(jìn)行三維實(shí)體建模。從圖3可以看出旋轉(zhuǎn)盤為中空環(huán)形圓盤，盤上設(shè)計(jì)有減輕轉(zhuǎn)盤重量的工藝孔。

（2）有限元分析。由于轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，在1500r/min的旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)轉(zhuǎn)盤做力學(xué)特性分析，同時(shí)要考慮離心力對(duì)轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。我們利用solidworks simulation有限元進(jìn)行分析，由于牽扯到對(duì)射線的防護(hù)要求，轉(zhuǎn)盤材料選用為鎢、鎳、鐵燒結(jié)而成的合金，并進(jìn)行真空熱處理以改善和提升材料的綜合機(jī)械力學(xué)性能。其材料參數(shù)為：密度ρ=17.5g/cm3,破壞強(qiáng)度為700～1000MPa,泊松比0.28，轉(zhuǎn)盤端面徑向位移量小于等于0.01mm。

由于離心力是影響轉(zhuǎn)盤的重要因素，而離心力由轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，所以在對(duì)轉(zhuǎn)盤進(jìn)行有限元分析時(shí)按需設(shè)定輪盤的旋轉(zhuǎn)速度，根據(jù)1500r/min的旋轉(zhuǎn)速度計(jì)算得出轉(zhuǎn)盤角速度為157rad/s。在進(jìn)行分析的時(shí)候消除圓盤上如圓角等不重要的特征。由圖4可以看出，最大應(yīng)力集中在圓盤出射線的縫隙上，其屈服強(qiáng)度小于轉(zhuǎn)盤的破壞強(qiáng)度700MPa。從圖5可以看出，轉(zhuǎn)盤位移最大集中區(qū)分布在輪盤邊緣，最大位移量為3.15e-003mm小于端面位移量要求。所以，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)盤力學(xué)性能滿足所選材料和裝置設(shè)計(jì)需求。

3.2 X射線掃描裝置安裝支架設(shè)計(jì)

安裝支架為整個(gè)傳動(dòng)裝置的安裝載體，設(shè)計(jì)時(shí)在考慮到剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性的同時(shí)要求質(zhì)量輕、成本低。選用方管和Q235低碳鋼板焊接而成，利用solidworks進(jìn)行三維實(shí)體建模如圖6所示。其中右側(cè)電機(jī)安裝板和平面安裝板要求焊接垂直，整體焊接完后可二次加工。

4 結(jié)語(yǔ)

本文為了得到清晰的被檢物品散射圖像，專門設(shè)計(jì)了X射線掃描裝置。首先繪制主傳動(dòng)簡(jiǎn)圖并描述了掃描裝置核心器件參數(shù)及設(shè)計(jì)思路。由于掃描裝置既要達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速和保證對(duì)X射線的屏蔽吸收，又要保證系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)的穩(wěn)定性，利用solidworks對(duì)轉(zhuǎn)盤和安裝支架進(jìn)行三維建模并對(duì)核心件轉(zhuǎn)盤進(jìn)行有限元分析使得X射線掃描裝置設(shè)計(jì)合理，設(shè)計(jì)周期減短，設(shè)計(jì)效率提高，進(jìn)而避免設(shè)計(jì)的盲目性。