【正文】 .............................................................................................................. 26 附錄 1 ..................................................................................................................... 27 附錄 2 ..................................................................................................................... 35 1 第 1章 緒論 課題背景 醫(yī)學(xué)的進(jìn)步與否標(biāo)志著一個(gè)國家文化的發(fā)展程度。以往在檢查身體或 放療時(shí)只能全身或特定部位進(jìn)行檢查 ， 治療精 低 達(dá)不到理想的效果 。這就要求在治療時(shí)病人定位后其呈現(xiàn)出來的腫瘤影像應(yīng)與之前的影像和治療計(jì)劃相符合，才能保證治療的精確度。若采用通常的手動擺位，不僅浪費(fèi)時(shí)間而且 更重要的是 定位精度無法保證 ，這樣既麻煩又不能提工作效率 。這樣不僅達(dá) 到治療精度而且還 節(jié)約了 時(shí)間。 所設(shè)計(jì)的醫(yī)用三自由度床，具有精度高，傳動平穩(wěn)的特點(diǎn)，適于開環(huán)控制的系統(tǒng)， 具 有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值 。 在國內(nèi)，由于放療設(shè)備的研制相對落后，通常只能進(jìn)行特定部位或全身的放療，對于定位精度要 求不高，所以相應(yīng)的配套治療床多采用固定式或手動調(diào)整后用電磁閥等鎖住位置的方式。但在可以對腫瘤進(jìn)行精確放射治療的高端設(shè)備如：質(zhì)子刀、射波刀等的配套治療床，則多是采用多自由度的機(jī)械手臂或是機(jī)器人來對病人進(jìn)行定位。 對腫瘤病人進(jìn)行放療的過程中，首先需要對病人的腫瘤位置進(jìn)行 CT 掃描或 MR 成像，然后依據(jù)病人的腫瘤影像位置制定放射線治療計(jì)劃。 病人在進(jìn)行治 療定位時(shí)需進(jìn)行幾次或者更多次調(diào)整才能找到正確位置進(jìn)行治療。本設(shè)計(jì)的三自由度治療 床 要 滿 足 擺位需要，節(jié)約擺位時(shí)間提高定位精度，而且還可以在治療過程中 配合直線加速器的位置變化，從而可以對復(fù)雜形狀的腫瘤進(jìn)行精確照射 ，使治療效果更加精確。機(jī)械結(jié)構(gòu)包括 X、 Y、 Z 三個(gè)進(jìn)給系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)， X、 Y 方向進(jìn)給系統(tǒng)主要由滾珠絲桿傳遞運(yùn)動， Z 方向進(jìn)給系統(tǒng)主要由蝸輪和蝸桿的嚙合傳遞運(yùn)動。主要對步進(jìn)電機(jī)以及產(chǎn)品的移動距離進(jìn)行控制，當(dāng)移動距離達(dá)到最大或最小限位時(shí)，通過控制系統(tǒng)使電機(jī)停轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)控制的對象有步進(jìn)電機(jī)，對移動距離進(jìn)行測量的傳感器以及顯示用的數(shù)碼管。 設(shè)計(jì) 參數(shù) 可承擔(dān)體重在 150kg 以下的病人。 三個(gè)方向的直線運(yùn)動精度小于 。 單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn) X、 Y、 Z 三個(gè)方向獨(dú) 立運(yùn)動； 電動機(jī)驅(qū)動； 利用傳感器進(jìn)行位移的測量 。所設(shè)計(jì)的治療床可以在 x、 y、 z 三個(gè)方向上直線移動。 向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)正朝著治療精確度高效方向發(fā)展，要求醫(yī)療床傳動系統(tǒng)具有穩(wěn)定性，高精度；在運(yùn)動過程中能夠精確達(dá)到預(yù)定位置，醫(yī) 療床結(jié)構(gòu)要簡單，噪聲小，動態(tài)性能要好，可靠性要高。 因?yàn)闈L珠絲杠螺母副初步采用預(yù)拉伸措施，所以選用 60? 角接觸球軸承組面對面安裝，以組成滾珠絲杠兩端固定的支承形式。 選擇國產(chǎn) 60? 角接觸球軸承組，型號為 760204TNI，尺寸（內(nèi)徑 ? 外徑 ?寬度）為 20mm? 47mm? 14mm，選用脂潤滑。 滾珠絲杠螺母副規(guī)格型號為 FFZL25063 型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式。 因?yàn)闈L珠絲杠螺母副初步采用預(yù)拉伸措施，所以選用 60? 角接觸球軸承組面對面安裝，以組成滾珠絲杠兩端固定的支承形式。 選擇國產(chǎn) 60? 角接觸球軸承組，型號為 760205TNI，尺寸（內(nèi)徑 ? 外徑 ?寬度）為 25mm ? 52mm ? 15mm，選用脂潤滑。C =22020N。 滾珠絲杠螺母副規(guī)格型號為 FFZL32063 型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式。 7 本設(shè)計(jì)中在垂直方向上采用蝸輪絲桿結(jié)構(gòu)，不但能滿足所需要的傳動要求，還能實(shí)現(xiàn)自鎖，而且其具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、無噪音、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。初選型號為： SWL 2 A 2 205，其部分參數(shù)見表 31， 32。 5 模數(shù) m 6 蝸桿分度圓直徑 1d 28mm 7 蝸輪分度圓直徑 2d 72mm 8 傳動比 i 61 9 蝸輪變位系數(shù) 2x 10 蝸桿直徑系數(shù) q 11 蝸桿齒寬 1b 25mm 12 蝸輪齒寬 2b 20mm 8 表 32 絲桿升降機(jī)性能參數(shù)表 型號 SWL 絲杠升降機(jī)最大起升力 (kN) 25 絲杠升降機(jī)最大拉力 (kN) 25 絲杠升降機(jī)絲杠螺紋尺寸 (mm) Tr306? 蝸輪蝸桿傳動比 普通 6： 1 蝸桿每轉(zhuǎn)行程 (mm) 絲杠升降機(jī)滿負(fù)載蝸桿扭矩 (Nm? ) 絲杠升降機(jī)最大軸伸長度 (mm) 1500 絲杠升降機(jī)最大許用功率 (kw) 傳動比總效率 % 23 潤滑油量 (kg) 不加行程的重量 (kg) 絲杠每 100mm 的重量 (kg) 絲桿升降機(jī)潤滑劑 合成鈣鈉基潤滑脂 ZGN1 或 ZGN2 選用蝸桿傳 動材料時(shí)，不僅要滿足強(qiáng)度要求，更重要的是具有良好的減磨性、抗磨性和抗膠合能力。 在蝸桿傳動中，由于蝸桿和蝸輪的結(jié)構(gòu)、材料不同，蝸桿螺旋部分的強(qiáng)度總是比蝸輪輪齒部分的強(qiáng)度高，所以只需計(jì)算蝸輪輪齒的強(qiáng)度即可。計(jì)算得2 0 1200 r /m in 2 0 0 r /m in6vn L? ? ?， v 為垂直進(jìn)給速度， 0L 為絲杠的基本導(dǎo)程。本設(shè)計(jì)中出于對機(jī)器要求的可靠度和重要性考慮取 limHS =。 蝸輪輪齒的彎曲強(qiáng)度計(jì)算 由于蝸輪輪齒的齒形比較復(fù)雜，要精確計(jì)算它的彎曲應(yīng)力比較困難。 2 lim2 m intA pFFK UUUm b S? ? ? 10 式中2tF—蝸輪的圓周力（ N）； m —蝸桿軸向模數(shù)（ mm）； pU —許用 U 系數(shù)； limU —輪齒彎曲計(jì)算時(shí)的極限 U 系數(shù)（ 2N/mm ），查文獻(xiàn) ［３］ 表 得， limU =225 2N/mm 。本設(shè)計(jì)中出于對機(jī)器要求的可靠度和重要性考慮取 minFS =。 2. pU 的大小計(jì)算 limm in225 1 3 2 .3 51 .7pFUU S? ? ? U的計(jì)算及校核 ???? ??? pAt Umb KFU 因此滿足設(shè)計(jì)要求。 蝸桿軸的最大撓度 112 2 31()48tr L imF F LyyEI??? 式中1tF—蝸桿圓周力（ N）； 11 1rF—蝸桿徑向力（ N）； 1E —蝸桿材料的彈性模量，因?yàn)樵O(shè)計(jì)中對蝸桿的材料選擇為鋼，所以 21 20 60 00 N /m mE ? ； I—蝸桿危險(xiǎn)斷面處的慣性距（ 4mm ）； L—蝸桿軸承間的跨距（ mm ），取 L== mm ； Limy —極 限撓 度（ mm ）， 因 為采 用 的是 調(diào)質(zhì) 蝸 桿， 所 以取Limy == ,m 為蝸桿的模數(shù)。 導(dǎo)軌動摩擦系數(shù) ? ，鑲條緊固力 gf =500N，因坐標(biāo)軸導(dǎo)軌是垂直的，所以導(dǎo)軌最大摩擦力： m a x ( ) 0. 15 ( 80 0 50 0) N 19 5 NugF u w f? ? ? ? ? ? 導(dǎo)軌靜摩擦系數(shù) 0 ? ，則此狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力為： 00 ( ) 0 .2 ( 8 0 0 5 0 0 ) N 2 6 0 NgF u w f? ? ? ? ? ? 12 最大軸向負(fù)載力 m a x m a x ( 800 195 ) N 995 NauF W F? ? ? ? ? 因?yàn)榻z杠的安裝方式采用的是一端固定、一端游動，所以選用固定端軸承為 60 ? 角接觸軸承組，采用面對面安裝。 maxBF m a x m a x1 4 9 7 .5 0 N2BaFF?? BpF m a x1 1 6 5 .8 3 N3B p BFF?? BamF m a x ( 16 5. 8 99 5 ) N 11 60 .8 3 NB am B p aF F F? ? ? ? ? C 軸承的徑向載荷 rF 和軸向載荷 aF 分別 c os 60 58 2 Nr B amFF ??? si n 60 Na Ba mFF ? 因?yàn)? rFF ??，所以查文獻(xiàn) ［１］ 表 225 得，徑向系數(shù) x=,軸向系數(shù) y=,故 ( 580 .42 4 100 1 ) N 164 6 Nrap x F y F? ? ? ? ? ? ? 軸承在工作轉(zhuǎn)速 200 / minnr? 下的基本額定動載荷為： 33 1 6 4 5 . 6 66 0 6 0 2 0 0 2 0 0 0 0 N 1 0 2 2 6 . 9 0 N1 0 0 1 0 0hpC n L? ? ? ? ? ? 軸 承 的 額 定 動 載 荷 39。BpF =1150N BpF =，并在油潤滑狀態(tài)下的極限轉(zhuǎn)速為 5000r/min，遠(yuǎn)大于絲杠的最高轉(zhuǎn)速 maxn =200r/min，故滿足。 當(dāng)螺母至固定支承的最大距離時(shí)剛度最小，此時(shí) ? ，則 2 22 2 2 22m i n 251 . 6 5 1 0 1 . 6 5 1 0 N /m m 4 7 4 . 1 4 N /m m2 1 7 . 5s dK a? ? ? ? ? ? ? 當(dāng)螺母至靠固定端的行程起點(diǎn)時(shí)剛度最小，此時(shí) ? ，則 2 22 2 2 22m a x 251 . 6 5 1 0 1 . 6 5 1 0 N /m m 8 7 7 . 6 6 N /m m1 1 7 . 5s dK a? ? ? ? ? ? ? 因?yàn)榻z杠安裝方式為一端固定，一端游動，固定端預(yù)緊，則 2530 m a x2 2 . 3 4 s inb B Q BK K d Z F ?? ? ? ? 3 252 2 .3 4 5 .5 5 6 1 5 4 9 7 .5 0 sin 6 0 N /u m 3 1 4 .3 2 N /u m? ? ? ? ? ? ? ? 11m a x 33 99539。cK —絲杠接觸剛度（ N/um ）； Ca —額定動載荷（ N）。 進(jìn)給系統(tǒng)的最小拉壓剛度為： 14 m i n m i n1 1 1 1 1 1 1 0 . 0 0 7 74 7 4 . 1 4 3 1 4 . 3 2 4 2 2 . 6 7s b cK K K K? ? ? ? ? ? ? 故 m in 130 .61 N /umK ? 。 maxk? m a x 0 m i n m a x11( ) 2 6 0 ( 0 . 0 0 7 7 0 . 0 0 6 7 ) u m 0 . 2 6 u mk F KK? ? ? ? ? ? ? 即 m a x um 6 umk? ??，故滿足精度要求。 221 211( ) [ 0 . 4 9 ( 0 . 7 4 3 . 0 0 ) ] k g c m 0 . 5 9 k g c m36d L rJ J J Ji? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3m a x 0 9 9 5 6 1 0 N m 0 . 6 8 9 N m2 2 2 3 % 6au FLT i? ? ????? ? ? ? ? 選擇 70BF003 型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其主要性能如下： 相數(shù)， 3；步距角， /3?? ；最大靜轉(zhuǎn)距， Nm? ；轉(zhuǎn)動慣量， 2kg cm? ；最大啟動頻率， 1600HZ；分配方式，三相六拍；質(zhì)量， 。對產(chǎn)品的移動距離需進(jìn)行記數(shù)并顯示。 本設(shè)計(jì)中的步進(jìn)電動機(jī)可以通過單片機(jī)、 PLC 和微機(jī)進(jìn)行控制，單片機(jī)具有體積小、性能 /價(jià)格比高、耗電少、可靠性高 和容易掌握等優(yōu)點(diǎn) [14]。但，PLC 控制的經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)不如單片機(jī)控制的好，而且 8051 單片機(jī)已完全可以實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制，故選用單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。 醫(yī)療床硬件電路由以下五部分組成： 1. 主控制器，即中央 處理器 CPU。 3. 存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。 5. 外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器和光電輸入機(jī)等。本此設(shè)計(jì)考慮到系統(tǒng)應(yīng)用的場合、控制對象對各種參數(shù)的要求以及經(jīng)濟(jì)價(jià)格比等經(jīng)濟(jì)性的要求，采用目前在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床 中普遍使用的 MCS51 系列單片機(jī)作為主控制器。 MCS51 系列單片機(jī)是美國 Intel 公司推出的一款集成度很高，集片內(nèi)存儲器、片內(nèi)輸入 /輸出部件和 CPU 于一體的優(yōu)良單片機(jī)系統(tǒng)，在我國已廣泛被應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。 8051雖然內(nèi)含 4K 字節(jié) EPROM，但是其 EPROM 是為用戶制備的，所以在國內(nèi)很難采用這種類型。除此之外，三者的內(nèi)