C型臂X射线机的研发设计

第一章 绪论

1.1 引言
随着介入放射学[ 3]的发展与普及，给患者带来了更多的康复机会，这种治疗疾病的方法也日益成为患者选择性治疗的首选，受到患者极大关注和欢迎。数字减影血管造影[4](Digital Subtraction Angiograph, DSA)是通过电子计算机进行辅助成像的血管造影方法，是 70 年代以来应用于临床的一种崭新的 X 线检查技术[5]。它是应用计算机程序进行两次成像完成的。在注入造影剂之前，首先进行第一次成像，并用计算机将图像转换成数字信号储存起来[6]。注入造影剂后，再次成像并转换成数字信号。将两次数字信号相减，把相同的信号去掉，从而得到只有造影剂的血管图像。这种图像相比以往常规脑血管造影所显示的图像，它的效果更加清晰和直观，就连一些精细的血管结构也能显示出来[7]。本文研究的C型臂X射线机就是为医生利用数字减影技术进行介入式手术的治疗提供载体的一种医疗器械。手术是用微细导管通过股动脉进入患者身体到达病灶实施手术的。他相比于一般的外科手术具有创伤小，术中痛苦小，术后痛苦小，伤口恢复快等诸多优点。但是，这也是一项极为复杂精细而且没有直接的视野手术技术，能够依赖的只有 DSA 提供的间接视野，通过这个视野来判断探针的位置、走向和手术的效果。可以说没有 DSA 就没有介入手术。
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1.2 本课题研究的目的和意义

1.2.1 本课题的来源
本研究课题来源于北京惠尔公司、长安大学和西安轻工业钟表研究所的集产、学、研于一体的研究项目。本研究项目首先是由北京惠尔医疗器械有限公司进行充分的市场调研，主要是面对欧美的一些名气比较大的私立医院和国内的一些发达城市的三甲医院，通过了解使用医生对现有 C 臂产品的不足和优势，以及他们对未来产品的一个理想化的设想，然后惠尔公司召集公司营销部、市场调研部、新品研发中心部、生产部、技术中心等相关部分进行讨论和规划，最终得出本课题研究的满足产品功能需求的概念图。

1.2.2 课题研究的目的和意义
随着科学技术的发展，本着以人为中心的目的，医学事业也取得了巨大的成就。在当今的医学领域中，大型精密医疗设备的出现，既方便了医生的诊治，也方便了病人的治疗，，且还可以取得更好的治疗效果[9]。人们通过 X 射线可以隔着皮肉看到某些内部器官的形态，因此便产生了 X 线拍片和透视的检查。拍片和透视只能分辨密度相差较大的组织器官，如骨、心、肺等，而对于人体大量密度相差较小的器官和组织，便显得无能为力。于是人们想到了造影检查，即先用高于或低于人体软组织密度的造影剂灌注检查部位，然后进行 X 线检查。 由于已灌注造影剂的组织器官与周围部位密度差异变大，在 X 线下形成鲜明对比，便可以发现形态或功能是否异常。因此造影技术在现在医学上用途非常广泛，造影技术也得到飞速的发展。造影技术的飞速发展同时也带动了造影设备的飞速发展，先进的造影设备是造影技术得以飞速发展的载体，因此本文研究的课题就是要研究比较先进造影设备，最大限度地满足此行业的用户需求，以此来响应造影技术的发展。
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第二章 新产品开发流程

2.1 现有的产品设计流程图
经过第一章绪论部分的讨论，本文研究的产品是一款全新的产品，首先从外形上来讲，目前市场上见到的基本是单一的 C 臂机，而本文研究的是拥有大小两个 C 臂的设备（专业叫法为 G 臂）；其次从功能上来区分，通这款产品除了不能实现自身前后方向的俯仰运动以外，基本实现了其他 5 自由度方向的运动，其还具有大、小 C 臂的相对运动。所以本课题是属于新产品开发设计。图 2.1、图 2.2 是目前比较常见的产品设计流程图，他们仅仅就是介绍产品设计的具体步骤，他们的主要缺点：（1）没有常用的设计工具，仅仅就是介绍了设计的大致步骤，比较宽泛；（2）对每一个设计步骤没有评价方案，每一步是各自独立的；（3）对每一步需要得到或者需要输出的目标没有明确的说明。
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2.2 本课题的新产品开发流程图的优点
本文的新产品开发流程图主要分为三部分：新产品开发前期准备阶段、新产品设计开发阶段、新产品过程设计开发阶段[10]。本流程图的三大部分着力解决三部分内容：其一，提高解决问题的创新性和创造力；其二，确保对每一个必需要素的考虑，以实现成功的设计；其三，确保对设计工具及方法应用的结果实现全程控制[11]。最后力争确保新产品顺利进入市场。本流程图不仅具备新产品开发程序还收集了大量的设计工具，这些设计工具可以指导帮助设计工程师在相应的设计阶段采取相应的设计工具，避免开发人员在开发过程中出现分工不明确、在设计中随意变换角色，以此造成开发的低效、高成本[12]。最主要的是在产品开发设计阶段和产品过程设计阶段引进了评价体系 APQP。（APQP 英文全称Advanced Product Quality Planning，中文意思是产品质量先期策划或者产品质量先期策划和控制计划，APQP 也是 QS9000/TS16949 质量管理体系的一部分。）在新产品设计开发阶段引进了 DFMEA（DesignFailure Mode and Effects Analysis 设计失效模式及后果分析），它实际上是 FMA（故障模式分析）和 FEA（故障影响分析）组合的一种可靠性设计方法[13]。它对各种可能出现的风险及时进行评价、分析，以便在现有基础上消除这些风险或者减小到可以接受的范围。它的及时性体现在，它是一种“事前行为”，而非“事后行为”。当设计有变化或得到其他信息时及时不断地修改，并在图样加工完成之前结束。其评价与分析的对象是最终的产品以及每个与之相关的系统、子系统和零部件。在新产品过程设计阶段引进了 PFMEA(Process Failure Mode and Effects Analysis 过程失效模式及后果分析)，他是由负责制造/装配的工程师/小组主要采用的一种分析技术，用以最大限度地保证各种潜在的失效模式及其相关的起因/机理已得到充分的考虑和论述。
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第三章 研究制定 C 型臂 X 射线机结构方案.....15
3.1 C 型臂 X 射线机整机设计原则.........15
3.2 C 型臂 X 射线机大、小 C 型臂的选材设计思路 ....15
3.3 运用 TRIZ 理论解决大、小 C 臂的运动方案.........19
3.4 大、小 C 臂端影像增强器运动方案........34
3.5 旋转运动机构方案拟定 ....34
3.6 十字臂水平运动方案拟定 ........35
3.7 摆动的运动方案拟定 ........36
3.8 升降机构运动方案拟定 ....37
3.9 底盘行走系统方案拟定 ....38
3.10 整机方案外形图 ......39
3.11 小结...........40
第四章 核心零部件设计计算........41
4.1 伺服电机的选择 ........41
4.2 轴承的分析计算 ........43
4.3 同步带的设计计算 ....46
4.4 偏心增力机构计算 ....48
4.5 C 型臂接触应力计算..........51
4.6 蜗轮蜗杆设计计算 ....53
4.7 底盘行走机构设计 ....54
4.8 小结 ....55
第五章 C 型臂 X 射线机的主要部件有限元分析......57
5.1 SolidWorks 软件介绍..........57
5.2 C 臂的有限元分析......58
5.3 小结 ....64

第六章 C 型臂 X 射线机平衡性分析

6.1 引言
C 型臂 X 射线机的整机三维模型已经在 SolidWorks 软件中建立，由于本设备的特殊性，整个大、小 C 臂部分相对于整机来说与悬臂梁非常相似。大、小 C臂本身既是功能部件又是被承载部件， 大、小 C 臂部分本身由于自重将会对设备产生一个弯矩，这个弯矩需要借助设备 L-arm来克服。本设备自身依靠前后轮的支撑实现其各种功能状态，众所周知，如果设备的重心落在前后轮中间处是最有利于设备的平衡，如果设备的重心不能很好的落在前后轮中间理想的范围内，设备平衡性会受到破坏，那么本设备的某些功能将不能得到很好的实现。本课题通过对 C 型臂 X 射线机的各个部件在 SolidWorks 软件中按照实际模型尺寸建模，在建模过程中按照实际情况对模型添加材料属性，将建好的模型按照实际的配合关系装配成 C 型臂 X 射线机，然后本文借助 SolidWorks 强大的计算功能计算出整机的重心位置。本文希望整机的重心位置与回转中心的位置越接近越有利于整机的平衡。因此本文选定 C 型臂 X 射线机几种极端危险工况下的重心位置是否落在设计要求的回转中心（理想的中心）范围里，以此来评价整机的平衡性。

总结

本文对双 C 臂的 X 射线机的机械结构和整机平衡性进行了研究并对主要承载件进行了有限元分析，对大 C 臂进行了结构优化，基本上解决了厂家对本课题研究的产品提出的设计要求。在设计大小 C 臂相对运动以及自身的轨道运动时，本文花费了很大的精力，最终在导师的指导下通过运动 TRIZ 创新发明原理的提示，从而解决了困惑本课题研发进度的难题。论文的主要工作和研究成果如下：
（1）企业在实际的研发新产品时，往往忽略产品方案设计过程中可行性，或者说在产品研发过程中很少会顾及到每一步过程的可行性和可靠性，对此没有一个评估流程和评估标准。本文致力于设计这样一套新产品开发程序、设计工具和评价手段的设计流程图。并将此应用在本课题的新产品研发，对每一步的方案采取及时的评估，把不可行方案扼杀在产品设计之初，这样直接体现出本流程的优越性：有益于提高产品设计效率、缩短研发周期、降低成本。
（2）运用 TRIZ 理论进行创新性设计，将本文设计之初提出的大小 C 臂相对运动和自身的轨道运动简化成 Pro/Innovator 软件认可的模型，得出解决发明难题的提示，然后本文在利用三维软件进行建模、分析，从而得出本课题研究的整机模型图。
（3）遵循第三章对本课题研究的产品提出的设计原则，本文在进行运动结构的选型、选材以及承载能力的计算。对铝合金和轴承的接触处进行赫兹计算得出设备在运行过程中基本不会出现本文描述的冷作硬化现象。
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参考文献（略）