用于X射線準直光闌的固定鏈傳動機構設計

陳玉梅

（同方威視技術股份有限公司，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、農業等諸多領域應用廣泛。目前，根據不同用途，不同規格的鏈條、鏈輪已成標準化、系列化的產品，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，產品在簡化結構傳動鏈、縮短工期、降低加工難度、節省制造成本、簡化控制方式會有不同程度的提升。

工業、醫療等行業中，直線加速器作為X射線源應用越來越廣泛。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。無論是醫療放射治療、工業射線無損檢測，都需要調整射線的照射野。

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域（野）[2]，如圖1所示。直線加速器的照射野進行調整時，準直光闌塊以靶點為中心轉動，如圖2所示，靠近射線野一側與靶點（射線源點）在同一平面（延伸面）上，以使照射野避免出現半影。

圖1 射線野

圖2 光闌運動軌跡

目前應用較多的傳動方式是滾珠絲杠傳動，直線軸承導向。這種方式一般通過直線拖動射線調整塊的同時調整塊自身沿圓弧作一定角度的轉動，書[2]中的介紹是目前產品中采用的結構。調整塊的轉動角度函數關系比較復雜，控制不方便。滑槽結構的間隙使得運動精度提高存在困難。

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

1 固定鏈傳動結構原理

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

整套機構分成如下幾個部分：

（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，用于導向；鏈輪及傳動軸組件，傳遞運動，驅動光闌塊；支撐滾珠機構，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，傳動軸兩側分別安裝驅動電機以及運動反饋元件（旋轉編碼器），見圖4所示。

圖3 傳動原理

圖4 整體結構機構原始（閉合）位置

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

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節。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需要調整，目的是消除鏈輪與鏈條正反向運動間隙。

導軌組件成對安裝，側面分別與光闌準直塊端面的滾輪、鏈輪配合。而導軌的兩個平端面，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。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系。

整個機構如圖4所示，調整塊兩塊為一對，相向運動，兩對調整塊分成兩層，垂直布置。

2 張角分析

準直光闌是用來調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。

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

圖5 轉角計算

轉化后的傳動比：

式中，m為外嚙合的次數，此處m=1.圓弧軌道固定，所以固定鏈ω2=0，鏈輪轉速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（2）式，顯而易見地有：

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

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

根據（4）式，可以計算出準直光闌塊轉角與驅動鏈輪轉速的關系，從而實現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長度與節圓位置關系，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，所以光闌塊轉動

光闌塊動載荷

從上述（7）式中可以看出，在設計過程中，根據實際需要從減小鏈節距、增大軌跡曲率半徑，增大驅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。

以圖5中的光闌參數為例，鏈節距p=6.35 mm，R弧=204.2 mm，d鏈=6，r1=24.5 mm，

鏈輪轉速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 光闌塊轉速變化

經計算可知，在上述參數條件下，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，光闌塊可以平穩運動。

4 結論

根據上述介紹的思路，設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，結構更加緊湊，重量有所降低，控制方便。最重要的，工期縮短，成本降低。

圖8展示了設計結構和安裝在直線電子加速器上的準直光闌。

圖8 準直光闌