X射線點狀掃描裝置的三維設(shè)計

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、毒品等危險物品的掃描圖像達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)境的輻射計量。需要設(shè)計出點狀掃描裝置來完成檢測，該裝置原理就是要求在對物品檢測成像時任何時間段只有一個射線點照射在被檢測物體上。

1 X射線點狀掃描裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及說明

X射線點狀掃描裝置由安裝平臺、旋轉(zhuǎn)傳動裝置、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 掃描裝置的主傳動簡圖

圖2 X射線點狀掃描裝置的三維結(jié)構(gòu)示意圖

X射線斑點的形成主要由伺服電機2作為動力源，梯形齒同步帶4帶動軸承箱6軸端安裝的旋轉(zhuǎn)盤8，繞X射線機發(fā)射中心點高速旋轉(zhuǎn)來完成；快門裝置是經(jīng)過牽引電磁鐵9帶動鉛板左右移動來遮擋射線束的出射縫隙；通過射線源調(diào)節(jié)裝置11，來調(diào)節(jié)射線機發(fā)射中心點在旋轉(zhuǎn)盤的中心位置。

2 X射線點狀掃描裝置核心器件參數(shù)及設(shè)計思路

2.1 掃描裝置的主傳動簡圖

為了更清晰地說明掃描裝置的主運動方案，繪制掃描裝置的主傳動簡圖，如圖1所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)盤三維實體模型

2.2 旋轉(zhuǎn)裝置的參數(shù)設(shè)計

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

2.3 旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動慣量

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

2.4 伺服電機選型

2.5 同步帶及同步輪選型

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

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）主軸采用高強度優(yōu)質(zhì)低合金鋼表面進行經(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行平穩(wěn)；（4）軸頭密封用擋油板+機械密封+骨架油封組合密封。

2.7 調(diào)節(jié)對中裝置

射線機發(fā)射中心點需要在旋轉(zhuǎn)盤的正中心位置。光機安裝在用鉛和不銹鋼鈑金加工的屏蔽筒里，安裝時注意射線發(fā)射點和鉛筒縫隙對齊，然后把屏蔽筒用抱箍固定在光機安裝板上，最后利用調(diào)節(jié)螺釘對光機安裝板進行上下、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)計一個自動擋射線束的控制裝置。當(dāng)伺服電機帶動旋轉(zhuǎn)盤達到設(shè)計轉(zhuǎn)速時，遮擋射線束的防護裝置自動打開，射線束從屏蔽桶射出進行正常掃描。射線束控制裝置采用牽引電磁鐵在精密直線導(dǎo)軌上拉動防護鉛塊來完成。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械性能等級要求為12.9級。

3 X射線掃描裝置旋轉(zhuǎn)盤和安裝支架與設(shè)計

3.1 X射線掃描裝置旋轉(zhuǎn)盤設(shè)計

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

（1）三維實體建模。利用solidworks進行三維實體建模。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)動慣量較大，在1500r/min的旋轉(zhuǎn)設(shè)計時，要對轉(zhuǎn)盤做力學(xué)特性分析，同時要考慮離心力對轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。我們利用solidworks simulation有限元進行分析，由于牽扯到對射線的防護要求，轉(zhuǎn)盤材料選用為鎢、鎳、鐵燒結(jié)而成的合金，并進行真空熱處理以改善和提升材料的綜合機械力學(xué)性能。其材料參數(shù)為：密度ρ=17.5g/cm3,破壞強度為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，所以在對轉(zhuǎn)盤進行有限元分析時按需設(shè)定輪盤的旋轉(zhuǎn)速度，根據(jù)1500r/min的旋轉(zhuǎn)速度計算得出轉(zhuǎn)盤角速度為157rad/s。在進行分析的時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，其屈服強度小于轉(zhuǎn)盤的破壞強度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)計轉(zhuǎn)盤力學(xué)性能滿足所選材料和裝置設(shè)計需求。

3.2 X射線掃描裝置安裝支架設(shè)計

安裝支架為整個傳動裝置的安裝載體，設(shè)計時在考慮到剛度、強度、穩(wěn)定性的同時要求質(zhì)量輕、成本低。選用方管和Q235低碳鋼板焊接而成，利用solidworks進行三維實體建模如圖6所示。其中右側(cè)電機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

本文為了得到清晰的被檢物品散射圖像，專門設(shè)計了X射線掃描裝置。首先繪制主傳動簡圖并描述了掃描裝置核心器件參數(shù)及設(shè)計思路。由于掃描裝置既要達到設(shè)定轉(zhuǎn)速和保證對X射線的屏蔽吸收，又要保證系統(tǒng)機械傳動的穩(wěn)定性，利用solidworks對轉(zhuǎn)盤和安裝支架進行三維建模并對核心件轉(zhuǎn)盤進行有限元分析使得X射線掃描裝置設(shè)計合理，設(shè)計周期減短，設(shè)計效率提高，進而避免設(shè)計的盲目性。