医用DR胸片架立柱俯仰机构的设计

李立峰，沈景凤，王叶滔

（1.上海理工大学 机械工程学院，上海200093；2.上海电动工具研究所，上海201703）

0 引 言

医用X光机系统由悬吊架系统、升降床和胸片架立柱组成。此系统的组合使用可满足病人各种体位的检查，极大的方便了患者的检查。作为医疗类器械，考虑到对人体的影响，对其结构和精度要求都比较高。胸片架立柱是医用X光机的重要组成部分，其结构的合理性直接影响X光片的拍摄效果。增加的俯仰机构降低了X光的对焦难度，提高了准确性，对其它结构的精度要求有所降低。它既增加了机构的灵活性又降低了生产成本，为医用X光机的使用起到了推动作用。

1 俯仰机构的结构设计及工作原理

一般胸片架立柱只装有滑车轨道，只能实现上下调节的作用，没有角度调节。当病人做检查的时候，需要其保持一定的体位，这给病重尤其是行动不便的病人带来痛苦，增加了医生检查的难度。本课题设计的俯仰机构可以在-20°～90°之间的任意角度实现拍片，极大降低了对患者的体位要求，给医生的诊断也带来了方便。该俯仰机构集电动、手动于一体，以电动推杆或手动为动力源，由带有锁紧装置的单滑动副的四连杆机构组成，结构精巧。其具体结构如图1所示。

图1 俯仰机构结构图

图2为电动／手动俯仰机构的运动简图。电动俯仰机构的工作原理为：离合器与电磁铁同时通电，离合器吸合，电动机通过离合器驱动电动推杆，同时，电磁铁通过细钢丝绳带动两块自锁板，使其处于平行状态，自锁机构打开，胸片盒在电动推杆的作用下上下翻转，当断电或碰到行程开关后，电磁铁失电，自锁板在辅助弹簧的作用下与圆柱直线导轨形成一定角度，滑动副自锁，使片盒停留在任意位置。手动俯仰机构工作原理与电动推杆式的不同点是：不给电动推杆通电，使离合器始终处于失电状态，通过手动给片盒施加作用力。机构自锁过程如下：在电动推杆或人手带动胸片盒上下翻转的过程中，电磁铁吸合使上下两块带孔自锁钢板成平行状态，滑动副处于自由状态，运动轨迹就是胸片盒围绕转轴转动。当电动推杆在任意位置停止运动，这时电磁铁同时断开，带孔自锁钢板在弹簧的作用下向两边撑开，滑动副中滑杆与两块带孔钢板分别形成一定角度自锁，从而使胸片架在旋转过程中达到任意位置锁定的目的。

图2 俯仰机构的运动简图

2 电动推杆的设计

2.1 电动推杆的推力设计

由于医疗器械必须绝对安全可靠，为此必须对机构进行理论分析与设计计算，不能设计错误，对病人造成伤害。

根据IEC标准要求，手动操作力不得大于50 N，电动推杆推力亦不应过大。而电动推杆推力与片盒的重量、电动推杆的支点位置和初始状态，以及电动推杆与片盒之间的相对位置有关。由图2可知，俯仰机构是一个四连杆机构，忽略转动副及滑动副的摩擦，同时电动推杆运动速度较低，故系统惯性亦可不计，则可认为机构在整个过程中为静平衡状态，电动推杆的推力全部用于克服反力矩［1］。

机构简化后的受力分析如图3所示，其中，AC为电动推杆，BC为胸片盒。简化后电动推杆推力为F，片盒重量为W，F作用在BC的中点，BC杆的长度为L，A、B两支点的水平距离为l，垂直距离为h，根据图3得平衡方程

式中，-20°≤β≤90°。

根据实际的需要，俯仰机构的初始设计尺寸数据为L=150 mm，l=190 mm，h=242 mm，W=10 kg，β=-20°，α=126.07°，依据上述尺寸讨论在俯仰过程中，推杆力F与β的关系或F与α的关系。

（1）电动推杆摆角α

由式（1）得电动推杆摆角α随β的变化规律，如图4所示。

图3 俯仰机构简化后受力分析图

图4 电动推杆摆角函数α(β)图

由图4可知，随着片盒运动角度的增加，电动推杆的运动角由大到小然后又变大，β=-20°及β=90°时，α≈126°，β=25°时，α≈112.5°为最小角度。这表明电动推杆的摆角成对称变化，电动推杆所受载荷的大小和方向变化较小。

（2）电动推杆推力F随β的变化

那是一把绿柄白刃的刀，不知何时握在了女子的手中。刀刃准确地割入了土狼的脖颈，随着喷涌而出的鲜血，土狼的身子摔落在了女子的身侧。

由图5中曲线可知，力F随β由负到正的变化而呈现由负到正的变化，并且其曲线相对光滑，因此，推杆推力是均匀变化的，其最大推力取决于始末位置时α数值的合理选择。由图5可得：电动推杆的初始推力为30 N。其所需最大推力约为90 N。

图5 推力函数F(β)图

2.2 电动推杆支点位置设计

根据机构的实际模型可知，电动推杆的输出驱动力与铰链c在胸片盒上的位置及铰链A的位置有关，支点位置的合理设计对电动推杆的推力有较大影响，由图6可知支点位置对电动推杆推力的影响是通过影响α角的变化来实现的［1，2］。通过函数曲线可知F随着α角的变化而呈对称变化，并且变化几乎为线性。这说明力F与α角成正相关，只要保证β角在-20°～90°范围内变化时，α角为对称变化，并且变化范围越小，力F的变化就越小并且越趋于平缓。

图6 推力函数F(α)图

角α与L、h及l有关。当L及β不变时h与l成正相关。从理论上来说，随着h、l成比例的增加，α角受β的影响就越来越小，并且其变化范围也相对减小，但由于空间要求的限制，h、l的变化范围也受到限制，另外，随着h、l的增加，电动推杆的行程将会大大增加。综合考虑电动推杆的行程及型号确定h、l的合适值。

3 制动装置的自锁原理分析

3.1 自锁结构相关参数给定

圆柱直线导轨为不锈钢材料，直径为16 mm，锁紧板为Q235A材料，壁厚为6 mm，圆柱直线导轨和自锁板孔之间的静摩擦因数为u=0.15。

3.2 自锁结构受力分析

（1）自锁板受力分析

自锁运动副为间隙配合，并忽略构件变形［3］。此自锁制动装置为对称结构，可实现双向制动。取其一自锁板为研究对象，自锁板实现自锁时的受力分析如图7所示。在不计自身重力的情况下，自锁板受到5个力的作用：圆柱直线导轨对A部分的支持力FAN，对A部分的静摩擦力FAf，圆柱直线导轨对B部分的支持力FBN，对B部分的静摩擦力FBf，支架对自锁板的压力F1。根据自锁板受力的平衡条件，得：

以A点为转轴，力矩平衡得：

根据静摩擦有FAf≤uFAN，FBf≤uFBN。由式（2）、（3）知FAf=FBf≤uFBN，有FBf=F1／2。代入式（4）得到：

得FBN=F1L／H，再将FBN代入FBf≤ufBN，有

F1／2≤u F1L／H，整理得：（2uL-H）F1≥0

在没有外力作用于圆柱直线导轨时，F1=0，此时辅助弹簧起到支撑作用，自锁板保持平衡，不会滑动以及转动。

当有主动外力作用时，F1＞0，因此，根据其平衡条件（2 u L-H）≥0，得L≥H／（2 u），即在满足L≥H／（2 u）时，无论主动外力多大，自锁板都会自锁［4］。

图7 摩擦板受力图

本结构受力分析通过摩擦角以及全约束力来进行验证，已知材料为钢，故摩擦角Φm=arctan 0.15=8.5°。tanΦA=FAf／FAN，tanΦB=FBf／FBN。由摩擦力的性质可知，全约束力只能在摩擦角之内才可以实现自锁，即静摩擦力总是小于等于最大静摩擦力［5］。如果A、B两点的静摩擦力达到最大时，ΦA和ΦB也达到最大值Φm，则上面两式同为：tanΦm=Ff／FN（FN=FAN=FBN，Ff=FAf=FBf），即u=tanΦm。在处于临界状态时，F1、FA和FB三力的作用线交于一处，根据三力平衡的汇交条件可知滑动副达到平衡条件。如图8所示，tanΦm=MO／OE=MN／（2OE）=H／（2Lm），则有Lm=H／（2tanΦm）=H／（2 u）。此关系式验证了前面推导的自锁条件。

图8 摩擦板全约束受力图

（2）结构关键尺寸的校核

根据实际结构测得：D=16 mm，H=6 mm，L=40 mm。代入公式L≥H／（2u）得

L=40＞H／（2u）=6／（2×0.15）=20

故此结构的设计完全满足自锁条件。

（3）圆柱直线导轨的受力分析

为了便于分析，对圆柱直线导轨和自锁板进行整体受力分析。其受力分析图如图9所示，作用力F0为输入外力，作用力F1为支撑座对自锁板的反作用力，作用力FKN与FJN为直线轴承的支反力，直线轴承与圆柱直线导轨间为滚动摩擦，摩擦力远远小于自锁板的摩擦力，故可忽略不计。由平衡条件可以得

故无论输入外力F0多大，只要满足上面自锁条件，自锁板即可起到刹车作用。

图9 圆柱直线导轨和自锁板整体受力图

4 总 结

本文论述了医用胸片架的俯仰机构设计，其中包括该机构的结构设计、电动推杆支点设计及锁紧装置的设计。该机构中的翻转机构是借鉴广泛用于挖掘机翻斗及雷达天线的经典结构。该四杆结构具有结构简单、运动简洁、工作可靠等特点。本设计优化了电动推杆的安装位置，降低了操作力，提高了效率。另外，锁紧机构采用自锁原理，与四杆结构相结合实现锁紧功能，结构新颖可靠。该结构应用在胸片架产品的设计中，经过了多项试验验证，也可以应用于其它具有翻转功能的产品中。

［1］许平勇，曹鹏举.平行杆翻转举升机构及液压缸铰支点设计［J］.起重运输机械，2008，（5）：23-26.

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