X射線點狀掃描裝置的三維設計

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境的輻射計量。需要設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構設計及說明

X射線點狀掃描裝置由安裝平臺、旋轉傳動裝置、射線源調節裝置、斬波旋轉盤、快門裝置等五部分組成，其總體結構圖如圖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構示意圖

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軸端安裝的旋轉盤8，繞X射線機發射中心點高速旋轉來完成；快門裝置是經過牽引電磁鐵9帶動鉛板左右移動來遮擋射線束的出射縫隙；通過射線源調節裝置11，來調節射線機發射中心點在旋轉盤的中心位置。

2 X射線點狀掃描裝置核心器件參數及設計思路

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 旋轉盤三維實體模型

2.2 旋轉裝置的參數設計

根據圖像對掃描裝置的要求，旋轉盤上需4等分開2mm寬縫隙，縫隙長60mm，轉速要求達到1500r/min,并且在6s內完成平穩啟動。

2.3 旋轉盤轉動慣量

旋轉盤采用95W-5Ni-2Fe合金鋼制作而成。通過對旋轉盤整體三維建模，從軟件中測量得到沿旋轉軸方向轉動慣量為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動平穩，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，材質為選用45#鋼，為防止生銹表面進行發黑處理。同步帶及帶輪的參數選型通過已選型伺服電機的功率和轉速這兩項參數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 轉盤應力分布圖

圖5 轉盤位移變形圖

圖6 安裝支架三維實體模型

2.6 軸承箱選型

（1）箱體采用優質灰鑄鐵鑄造而成；（2）主軸采用高強度優質低合金鋼表面進行經滲碳和碾壓處理。（3）軸承選用高質量的圓錐滾子軸承確保軸承箱低噪音和運行平穩；（4）軸頭密封用擋油板+機械密封+骨架油封組合密封。

2.7 調節對中裝置

射線機發射中心點需要在旋轉盤的正中心位置。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，最后利用調節螺釘對光機安裝板進行上下、左右微調。

2.8 射線束控制裝置

為了確保周圍環境輻射安全，需要設計一個自動擋射線束的控制裝置。當伺服電機帶動旋轉盤達到設計轉速時，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軌上拉動防護鉛塊來完成。其中交流牽引電磁鐵參數為：電壓220V，推拉式，推力8kg，行程30mm。

2.9 旋轉盤連接

旋轉盤和軸承箱之間選用對中效果十分優秀、方便拆卸的脹緊套連接，該脹緊聯結套螺釘的機械性能等級要求為12.9級。

3 X射線掃描裝置旋轉盤和安裝支架與設計

3.1 X射線掃描裝置旋轉盤設計

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

（1）三維實體建模。利用solidworks進行三維實體建模。從圖3可以看出旋轉盤為中空環形圓盤，盤上設計有減輕轉盤重量的工藝孔。

（2）有限元分析。由于轉盤轉動慣量較大，在1500r/min的旋轉設計時，要對轉盤做力學特性分析，同時要考慮離心力對轉盤結構設計的影響。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，轉盤材料選用為鎢、鎳、鐵燒結而成的合金，并進行真空熱處理以改善和提升材料的綜合機械力學性能。其材料參數為：密度ρ=17.5g/cm3,破壞強度為700～1000MPa,泊松比0.28，轉盤端面徑向位移量小于等于0.01mm。

由于離心力是影響轉盤的重要因素，而離心力由轉盤的旋轉產生的，所以在對轉盤進行有限元分析時按需設定輪盤的旋轉速度，根據1500r/min的旋轉速度計算得出轉盤角速度為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，最大應力集中在圓盤出射線的縫隙上，其屈服強度小于轉盤的破壞強度700MPa。從圖5可以看出，轉盤位移最大集中區分布在輪盤邊緣，最大位移量為3.15e-003mm小于端面位移量要求。所以，設計轉盤力學性能滿足所選材料和裝置設計需求。

3.2 X射線掃描裝置安裝支架設計

安裝支架為整個傳動裝置的安裝載體，設計時在考慮到剛度、強度、穩定性的同時要求質量輕、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 結語

本文為了得到清晰的被檢物品散射圖像，專門設計了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及設計思路。由于掃描裝置既要達到設定轉速和保證對X射線的屏蔽吸收，又要保證系統機械傳動的穩定性，利用solidworks對轉盤和安裝支架進行三維建模并對核心件轉盤進行有限元分析使得X射線掃描裝置設計合理，設計周期減短，設計效率提高，進而避免設計的盲目性。