硬件概要設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

編號(hào)：GRYL?YF?QR?TS-08-A/00

GDU?TS?08-A/00

硬件概要

設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

（編制時(shí)間：2015年9月2日）

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目錄

1.系統(tǒng)架構(gòu)1

1.1GDU系統(tǒng)架構(gòu)組成1

1.2GDU系統(tǒng)架構(gòu)說(shuō)明1

1.3GDU系統(tǒng)架構(gòu)示意圖：1

2.結(jié)構(gòu)部分2

2.1設(shè)計(jì)需求2

2.2需求分析2

2.3機(jī)械功能2

2.4主要機(jī)械參數(shù)3

2.5實(shí)現(xiàn)方案3

2.5.1主機(jī)架的概要設(shè)計(jì)說(shuō)明3

2.5.1.1U臂升降的實(shí)現(xiàn)3

2.5.1.2滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明4

2.5.1.3鏈條設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明6

2.5.1.4鏈輪傳動(dòng)計(jì)算說(shuō)明10

2.5.1.5U臂旋轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)10

2.5.1.6蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明11

2.5.1.7渦輪蝸桿基本參數(shù)12

2.5.1.8蝸桿傳動(dòng)的熱平衡計(jì)算13

2.5.1.9X射線(xiàn)發(fā)生裝置移動(dòng)的實(shí)現(xiàn)15

2.5.1.10直線(xiàn)導(dǎo)軌的計(jì)算說(shuō)明15

2.5.2探測(cè)器概要設(shè)計(jì)說(shuō)明18

2.5.3X射線(xiàn)源組件概要設(shè)計(jì)說(shuō)明19

2.5.4牛頭概要設(shè)計(jì)說(shuō)明19

3.電氣部分20

3.1電氣部分的功能和組成20

3.2高壓發(fā)生裝置電氣設(shè)計(jì)22

3.2.1高壓發(fā)生器裝置設(shè)計(jì)需求22

3.2.2高壓發(fā)生器選型與應(yīng)用22

3.3射線(xiàn)源組件電氣設(shè)計(jì)28

3.4遠(yuǎn)程控制盒電氣設(shè)計(jì)32

3.4.1遠(yuǎn)程控制盒的功能結(jié)構(gòu)32

3.4.2遠(yuǎn)程控制板的設(shè)計(jì)33

3.4.2.1遠(yuǎn)程控制功能模塊33

3.4.2.2單片機(jī)選型34

3.4.2.3單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)38

啟動(dòng)配置電路52

3.4.2.4存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)54

3.4.2.5通信模塊設(shè)計(jì)55

3.4.2.6按鍵電路設(shè)計(jì)59

II

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3.4.2.7曝光控制電路設(shè)計(jì)60

3.4.2.8板集電源模塊設(shè)計(jì)61

3.5探測(cè)器組件電氣設(shè)計(jì)61

3.5.1探測(cè)器組件設(shè)計(jì)需求61

3.5.1探測(cè)器組件設(shè)計(jì)概要62

3.5.1.1探測(cè)器選用62

3.6機(jī)架電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)70

3.6.1機(jī)架運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)70

3.6.1.1機(jī)架運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)70

3.6.1.2運(yùn)動(dòng)控制板設(shè)計(jì)71

2）單片機(jī)的選型72

3）單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)76

5）板集電源設(shè)計(jì)88

3.6.1.3運(yùn)動(dòng)限位與狀態(tài)檢測(cè)分布91

3.6.2主機(jī)架配電系統(tǒng)93

3.7牛頭控制盒電氣設(shè)計(jì)95

3.7.1牛頭控制盒的電氣結(jié)構(gòu)95

3.7.2牛頭控制板功能模塊劃分96

3.7.3主控芯片選型97

3.7.3.1所需的單片機(jī)資源統(tǒng)計(jì)97

3.7.3.2市場(chǎng)常見(jiàn)單片機(jī)運(yùn)算能力對(duì)比98

3.7.3.3性?xún)r(jià)比對(duì)比103

3.7.3.4開(kāi)發(fā)難度比較104

3.7.3.5單片機(jī)型號(hào)確定110

3.7.4單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)112

3.7.4.1單片機(jī)最小系統(tǒng)組成112

3.7.4.2電源接口112

3.7.4.2復(fù)位電路116

3.7.4.3時(shí)鐘電路119

3.7.4.4調(diào)試端口和啟動(dòng)配置電路124

3.7.4.5狀態(tài)指示電路127

3.7.5存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)128

3.7.5.1存儲(chǔ)方案選擇128

3.7.5.2存儲(chǔ)原理圖設(shè)計(jì)130

3.7.6RS232通信模塊設(shè)計(jì)132

3.7.6.1RS232通信原理132

3.7.6.2RS232通信電路原理圖設(shè)計(jì)134

3.7.6.2RS232EMC防護(hù)電路設(shè)計(jì)137

3.7.6CAN模塊設(shè)計(jì)147

3.7.6.1CAN總線(xiàn)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)147

3.7.6.2CAN通信模塊原理圖設(shè)計(jì)150

3.7.8按鍵接口設(shè)計(jì)155

3.7.9全彩LED控制電路設(shè)計(jì)157

III

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3.7.10急停電路設(shè)計(jì)159

3.7.U電源模塊設(shè)計(jì)160

3.7.11.1牛頭控制板配電分析與功耗估算160

3.7.11.2DC12V轉(zhuǎn)DC5V電路設(shè)計(jì)166

3.7.11.3DC5V轉(zhuǎn)DC3.3V電路設(shè)計(jì)171

3.7.12牛頭控制板PCB繪制175

3.7.13按鍵板設(shè)計(jì)175

3.7.14液晶屏的選型與應(yīng)用177

3.8對(duì)講系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)177

3.8.1對(duì)講系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求177

3.8.2對(duì)講系統(tǒng)設(shè)計(jì)概要177

3.9電源系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)181

4.程序部分181

4.1嵌入式程序開(kāi)發(fā)概要181

4.1.1運(yùn)行環(huán)境181

4.1.2軟件結(jié)構(gòu)：181

4.43功能需求與程序的關(guān)系184

4.1.4接口設(shè)計(jì)185

4.1.4.1用戶(hù)接口185

4.1.4.2外部接口187

4.1.4.3內(nèi)部接口188

4.2PC端軟件設(shè)計(jì)概要188

4.2.1開(kāi)發(fā)語(yǔ)言188

4.2.2開(kāi)發(fā)工具188

4.2.3結(jié)構(gòu)功能188

4.2.4運(yùn)行環(huán)境189

5.儀器設(shè)備190

6.采購(gòu)信息192

7.開(kāi)發(fā)難點(diǎn)192

8.其他193

IV

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1.系統(tǒng)架構(gòu)

1.1GDU系統(tǒng)架構(gòu)組成

GDU系統(tǒng)架構(gòu)由電源系統(tǒng)，射線(xiàn)系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，影像系統(tǒng)組成。

1.2GDU系統(tǒng)架構(gòu)說(shuō)明

1.2.1電源系統(tǒng)：負(fù)責(zé)各個(gè)系統(tǒng)供電，開(kāi)關(guān)機(jī)控制，滿(mǎn)足電壓與功率要求。

1.2.2射線(xiàn)系統(tǒng)：負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)的高壓發(fā)生器與射線(xiàn)源組件控制產(chǎn)生X射線(xiàn)，滿(mǎn)足劑量準(zhǔn)

確性與一致性要求。

1.2.3運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)：負(fù)責(zé)機(jī)架擺位，射線(xiàn)源組件與探測(cè)器組件支撐與配合運(yùn)動(dòng)，滿(mǎn)足不同

體位要求。

1.2.4控制系統(tǒng)：負(fù)責(zé)各系統(tǒng)之間相互通訊與協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)射線(xiàn)系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控

制與參數(shù)顯示功能，開(kāi)關(guān)機(jī)與急停功能。

1.2.5影像系統(tǒng)：負(fù)責(zé)射線(xiàn)轉(zhuǎn)換，圖像采集，傳輸，顯示與圖像處理功能，工作站人機(jī)

交互與使用相關(guān)功能。

1.3GDU系統(tǒng)架構(gòu)示意圖：

圖1T

射線(xiàn)系統(tǒng)

通訊/控制

供電

控

電

制

源

系

供電影像系統(tǒng)通訊/控舟系

統(tǒng)

統(tǒng)

供電

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通訊/控制

供電/開(kāi)關(guān)機(jī)控制/急停

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圖1-2

1—高壓發(fā)生裝置2一探測(cè)器3—主機(jī)架4—限束器

5—X射線(xiàn)管組件6—圖像處理系統(tǒng)7—液晶顯示器8~~控制盒

2.結(jié)構(gòu)部分

2.1設(shè)計(jì)需求

2.1.1滿(mǎn)足兒童到成人的各類(lèi)人群站立位和臥躺位的拍片需求；

2.1.2人性化設(shè)計(jì)；

2.1.3外形美觀。

2.2需求分析

2.2.1探測(cè)器和射線(xiàn)發(fā)生器需要高度調(diào)節(jié)功能，滿(mǎn)足各種身高的人群，從兒童到成人;

2.2.2探測(cè)器與射線(xiàn)發(fā)生器之間距離需要可調(diào)；

2.2.3探測(cè)器和射線(xiàn)發(fā)生器需要旋轉(zhuǎn)功能；滿(mǎn)足臥躺位的拍片；

2.2.4探測(cè)器和射線(xiàn)發(fā)生器的運(yùn)動(dòng)范圍需充分考慮站立位人的身高，臥躺位床的高度;

2.2.5機(jī)器對(duì)環(huán)境和人體影響。運(yùn)動(dòng)噪聲，速度等；

2.3機(jī)械功能

?u臂垂直升降

?u臂旋轉(zhuǎn)

?射線(xiàn)發(fā)生器沿U臂的平移

?射線(xiàn)源組件手動(dòng)旋轉(zhuǎn)

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?低噪音

?U臂和射線(xiàn)發(fā)生器的運(yùn)動(dòng)可電動(dòng)控制

?濾線(xiàn)柵可插拔

?探測(cè)器手動(dòng)旋轉(zhuǎn)

?運(yùn)動(dòng)部件位移檢測(cè)，極限位檢測(cè)，以及機(jī)械限位

2.4主要機(jī)械參數(shù)

?U臂垂直升降范圍：450-1680mm（焦點(diǎn)至地面距離）

?U臂旋轉(zhuǎn)角度：-30°-120°

?探測(cè)器手動(dòng)旋轉(zhuǎn)角度：-45°-45°

?射線(xiàn)源組件手動(dòng)旋轉(zhuǎn)角度：-900-90°

?焦屏距調(diào)節(jié)范圍：1000T800mm

?射線(xiàn)源組件和探測(cè)器的手動(dòng)旋轉(zhuǎn)制動(dòng)力矩不小于40Nm

?空載噪音不高于65dB

?外形尺寸（長(zhǎng)寬高）：2200*1800*2200mm

2.5實(shí)現(xiàn)方案

u臂本體立柱采用定制鋁型材，上有導(dǎo)槽，滑車(chē)通過(guò)導(dǎo)槽在立柱上做升降運(yùn)動(dòng)。滑車(chē)由

鏈條和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，鏈條兩端分別安裝于滑車(chē)上下兩端。并繞過(guò)立柱頂部軸承和底部鏈輪，電

機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪旋轉(zhuǎn)，滑車(chē)即可在立柱導(dǎo)槽上做升降運(yùn)動(dòng)。u形支臂安裝與滑車(chē)上，且連接處安

裝電機(jī)通過(guò)齒輪驅(qū)動(dòng)U形支臂的旋轉(zhuǎn)，U形支臂為碳鋼焊接而成，內(nèi)孔結(jié)構(gòu)，可安裝電機(jī)，

傳感器，走線(xiàn)等。bucky安裝于U形支臂一端，中間通過(guò)一支撐臂鏈接，支撐臂通過(guò)手動(dòng)卡

扣機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和定位。射線(xiàn)發(fā)生器包含球管，束光器，牛頭，支撐座等附件安裝U形支

臂的另一端。

2.5.1主機(jī)架的概要設(shè)計(jì)說(shuō)明

2.5.1.1U臂升降的實(shí)現(xiàn)

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)下圖，承重鏈條兩端分別固定在滑車(chē)上，承重鏈條的上部由6205軸承支撐,

鏈條在軸承上進(jìn)行滑動(dòng)。負(fù)載重量為180Kg。底部有鏈輪組，兩對(duì)4個(gè)鏈輪。安裝在鏈輪軸

上。一對(duì)與承重鏈條配合，一對(duì)與正交減速機(jī)的輸出軸兩端的鏈輪配對(duì)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)輸

出軸鏈輪，帶動(dòng)鏈輪軸旋轉(zhuǎn)，承重鏈條在上下支撐的配合下作旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滑車(chē)上下運(yùn)動(dòng)。承重

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鏈條和傳動(dòng)鏈條為12A-1.

圖2-1

一支攆相承

鏈條鏈條

負(fù)耨車(chē)

電機(jī)

減速機(jī)

2.5.1.2滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明

滾動(dòng)軸承的基本額定動(dòng)載荷、軸承載荷和基本額定壽命有如下關(guān)系:

式中：L：基本額定壽命（10,轉(zhuǎn)）

P：當(dāng)量動(dòng)載荷（N）

C：基本額定動(dòng)載荷（N）

軸承轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，其疲勞壽命用時(shí)間表示比較方便，軸承的節(jié)本額定壽命Lh（h）、

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轉(zhuǎn)速n(rpm)、疲勞壽命系數(shù)fh、速度系數(shù)fn有如下關(guān)系：

Lh=50Oft?='n二f—fQ0311)—3

基本額定壽命,疲勞壽命系數(shù)n”速度系數(shù)％

當(dāng)量動(dòng)載荷的一般計(jì)算公式為：

P=XFr+YFa

P——當(dāng)量動(dòng)載荷，N

Fr、.

徑向載荷，N

Fa

軸向載荷，N

X——徑向動(dòng)載荷系數(shù)

Y一一軸向動(dòng)載荷系數(shù)

F=1250F=0

本設(shè)計(jì)中6205軸承徑向載荷rN,軸向載荷③N,轉(zhuǎn)速n=60r/min,根

Cr=14000COr=7850X=1Y=0Xo=1

據(jù)安裝尺寸初步選定6205,N,N,,,

Y()=0后=2.15fn=1=1f-p=1

當(dāng)量動(dòng)載荷

P=Ff=1250N

速度系數(shù)

i1

fn=(0.03n)-3=(0.03*60)-3=0.822

疲勞壽命系數(shù)

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C14000

f=f-=0.822X—=9.2064

h11nP1250

額定壽命

3

Lh=500術(shù)=500X9.2064=390157(h)

按每天10小時(shí)運(yùn)行計(jì)算，額定壽命可達(dá)106年，足以滿(mǎn)足設(shè)備要求。

2.5.1.3鏈條設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明

滾子鏈的磨損壽命可按下式計(jì)算：

1=9匈。管井島第提

式中：T磨損使用壽命，h；

LP鏈條節(jié)數(shù)，節(jié)；

v鏈條速度，m/s；

z，一一小鏈輪齒數(shù)；

i傳動(dòng)比；1

P鏈條節(jié)距，mm；

曾P一—需用磨損伸長(zhǎng)率，一般取3%；

d2一—滾子鏈銷(xiāo)軸直徑，mm；

C1磨損系數(shù)；

C2一一節(jié)距系數(shù)；

%——齒數(shù)-速度系數(shù)；

Pr——錢(qián)鏈的壓強(qiáng)，MPa：

較鏈的壓強(qiáng)Pr按下式計(jì)算：

f￡+Fc+Ff

—A—

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式中：&工況系數(shù)；

Ft有效拉力N

Fc——離心力引起的拉力，N,Fc=qv：

q鏈條質(zhì)量，kg/m,

v鏈條速度，m/s;

pKga

入一一懸垂拉力，N10%

Kf——系數(shù)，查設(shè)計(jì)手冊(cè)；

a鏈傳動(dòng)中心距，mm；；

A——錢(qián)鏈承壓面積，mm?,A=d2Xb2；bz為內(nèi)鏈節(jié)外寬；

本設(shè)計(jì)中，10AT的鏈條兩端固定于U臂滑車(chē)，下側(cè)由鏈輪驅(qū)動(dòng)，上部置于軸承上進(jìn)行

滑動(dòng)，按照正常鏈輪進(jìn)行驗(yàn)算。有Lp=126,小鏈輪齒數(shù)Zi=17,傳動(dòng)比i=l,鏈條節(jié)距

P=15.875mm,滾子鏈銷(xiāo)軸直徑d2=5.09巾巾，內(nèi)鏈節(jié)外寬bz=13.84mm,Q=21800、，&=L3,

々=

Ft=370N>v=lm/s,q=lkg/m,5,a=2000.

離心力引起的拉力Fc=q/=1N；

Kfqa_5X1X2000

Ff==100

懸垂拉力f100—100

N;

fiFf+Fu+Ff_，2X2F0+1.01

P—=8.26

錢(qián)鏈的壓強(qiáng)FA5.09X13.S4

Mpa

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圖2-2

圖13-2-5磨損系數(shù)j

1-T運(yùn)轉(zhuǎn)，工作溫度<140：,璉速r<7m/s（干運(yùn)狀便磨

損壽命大大下陣，應(yīng)盡可能使?jié)净瑮l件位于圖中的陰影區(qū)）；

2-潤(rùn)滑不充分，工作溫度〈70P,3—采用規(guī)定

的溷滑方式（圖13-2-9）；4—艮好的澗滑條件

按標(biāo)準(zhǔn)潤(rùn)滑方式查圖表，J取3.0；

表2-1

?B-2-M節(jié)距系敷匕

第跑P

9.52512.715.87525.4

/mm19.05

系數(shù)Q1.481.441.391.341.27

黃明P

31.7538.144.4S50.863.5

/mm

系效、1.231.191.151.111.03

10A鏈條的節(jié)距為15.875,故G=L39；

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圖2-3

困13-2-6齒數(shù)-速度系數(shù)j

查上圖，有Q=l；

磨損壽命

T=9”。。管井島編&

91500XX1

=*(-8：26)3X126XTX003X言需=368676.8(h)

會(huì)42(Years)

滿(mǎn)足產(chǎn)品使用10年的使用需求。

本設(shè)計(jì)中，承重鏈條在支撐軸承上滑動(dòng)，滑車(chē)在導(dǎo)向槽內(nèi)上下移動(dòng)，為減小滑行時(shí)橫向

應(yīng)力，鏈輪的大小保持和軸承一致。即d=52mm,12A鏈條節(jié)距p=19.05mm，滾子直徑dl=ll.91mm

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2.5.1.4鏈輪傳動(dòng)計(jì)算說(shuō)明

鏈輪齒數(shù)z有公式：sin(180/z)=p/d,計(jì)算取整后，z=17。

最大齒頂圓直徑damax=d+l.25p-dl=52+l.25*19.05-11.91=63.9mm

最小齒頂圓直徑damin=d+p+l.6*p/z-dl=52+19.05+1.6*19.05/17-11.91=60.9mm

取齒頂圓直徑da=62mm.

齒根圓直徑df=d-dl=52Tl.91=40.09mm

鏈輪組與減速機(jī)鏈輪取速比為1,即鏈輪組鏈輪和減速機(jī)鏈輪同樣大小

電機(jī)和減速機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算

負(fù)載重量m=180Kg,滑車(chē)運(yùn)行速度v=0.lm/s,鏈輪節(jié)圓直徑d=52mm,機(jī)械傳動(dòng)效率選

0.8

負(fù)債扭矩Tl=mgd/2=180*9.8*0.052/2=45.86Nm

電機(jī)功率P=mgv/0.8=180*9.8*0.1/0.8=220.5W,考慮啟動(dòng)加速度，在此電機(jī)的功率的

基礎(chǔ)上增加1.3的系數(shù)，即實(shí)際電機(jī)功率為Pa=p*1.3=287肌選擇YSJ8016型號(hào)三相異步電

機(jī)。該電機(jī)核定功率Pe=370W,額定轉(zhuǎn)速ne=920r/min,效率0.68,重量8.6kg。

滑車(chē)運(yùn)行速度即為鏈條的線(xiàn)速度，鏈輪的轉(zhuǎn)速w=2v/d=0.2/0.052=37r/min

減速機(jī)的減速比i=ne/w=25.

2.5.1.5U臂旋轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)

U臂旋轉(zhuǎn)中心置于中間位置，既利于實(shí)現(xiàn)，又利于整機(jī)的外觀。U鴨旋轉(zhuǎn)中心位于中間，

則整個(gè)U臂的轉(zhuǎn)矩大為降低，對(duì)整機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，電機(jī)的功率和扭矩要求降低不少，有利用

節(jié)省成本。同時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)符合正常人的視覺(jué)審美要求。

U臂兩側(cè)分別掛載有探測(cè)器組件和X射線(xiàn)發(fā)生裝置，探測(cè)器組件固定于U臂的左側(cè)，在

其固定支臂的軸向方向上可以旋轉(zhuǎn)以適應(yīng)不同的拍攝體位；X射線(xiàn)發(fā)生裝置安裝于U臂右側(cè)

直線(xiàn)導(dǎo)軌上，可以沿直線(xiàn)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，已調(diào)整相對(duì)于平板探測(cè)器的距離。探測(cè)器組件和X射線(xiàn)

發(fā)生裝置的重量不等，并且X射線(xiàn)發(fā)生裝置可以做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，整個(gè)U臂都存在相對(duì)于旋轉(zhuǎn)中

心的轉(zhuǎn)矩。因此U臂的旋轉(zhuǎn)采用蝸輪蝸桿的傳動(dòng)方式。利用蝸桿傳動(dòng)的自鎖特性，實(shí)現(xiàn)U

比的有效，平穩(wěn)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

U臂旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)總體如下：立柱滑車(chē)上固定大渦輪，蝸桿固定于U臂的安裝板，輪齒側(cè)與

渦輪齒合，另一側(cè)與電機(jī)直接連接。電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)蝸桿渦輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于蝸桿的自鎖特

性，U臂整體相對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)矩，無(wú)法驅(qū)動(dòng)渦輪蝸桿旋轉(zhuǎn)，保證旋轉(zhuǎn)的精度和有效性。

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渦輪蝸桿傳動(dòng)特點(diǎn)：傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比大，自鎖性，效率較低，制造成本高。

單級(jí)蝸桿傳動(dòng)時(shí)常用傳動(dòng)比齊15?50,分度傳動(dòng)時(shí)可達(dá)1000：當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于輪

齒件的當(dāng)量摩擦角，可以實(shí)現(xiàn)自鎖，即蝸桿可以驅(qū)動(dòng)渦輪，而渦輪不能驅(qū)動(dòng)蝸桿；蝸桿傳動(dòng)

效率一般只有0.7-0.8,帶自鎖時(shí)，效率不大于0.5。

2.5.1.6蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明

蝸桿傳動(dòng)中的蝸桿表面硬度比蝸輪高，蝸桿的接觸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度都比蝸輪高；而蝸

輪齒的根部是圓環(huán)面，彎曲強(qiáng)度也高、很少折斷。

蝸桿傳動(dòng)的主要失效形式有膠合、疲勞點(diǎn)蝕和磨損。

由于蝸桿傳動(dòng)在齒面間有較大的滑動(dòng)速度，發(fā)熱量大，若散熱不及時(shí)，油溫升高、粘

度下降，油膜破裂，更易發(fā)生膠合。開(kāi)式傳動(dòng)中，蝸輪輪齒磨損嚴(yán)重，所以蝸桿傳動(dòng)中，

要考慮潤(rùn)滑與散熱問(wèn)題。

蝸桿軸細(xì)長(zhǎng)，彎曲變形大，會(huì)使嚙合區(qū)接觸不良。需要考慮其剛度問(wèn)題。

蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)要求：（1）計(jì)算蝸輪接觸強(qiáng)度；（2）計(jì)算蝸桿傳動(dòng)熱平衡，限制工作

溫度，（3）必要時(shí)驗(yàn)算蝸桿軸的剛度。

較理想的蝸桿副材料是：青銅蝸輪齒圈兀配淬硬磨削的鋼制蝸桿。

1）蝸桿材料

對(duì)高速重載的傳動(dòng)，蝸桿常用低碳合金鋼（如20Cr、20CrMnTi）經(jīng)滲碳后，表面淬火

使硬度達(dá)56?62HRC,再經(jīng)磨削。對(duì)中速中載傳動(dòng)，蝸桿常用45鋼、40Cr、35SiMn等，

表面經(jīng)高頻淬火使硬度達(dá)45?55HRC,再磨削。對(duì)一般蝸桿可采用45、40等碳鋼調(diào)質(zhì)處理

（硬度為210?230HBS）。

2）蝸輪材料

常用的蝸輪材料為鑄造錫青銅（ZCuSnlOPl,ZCuSn6Zn6Pb3）、鑄造鋁鐵青銅（ZCuAl10F03）

及灰鑄鐵HT150、HT200等。錫青銅的抗膠合、減摩及耐磨性能最好，但價(jià)格較高，常用于

匕N3m/s的重要傳動(dòng)；鋁鐵青銅具有足夠的強(qiáng)度，并耐沖擊，價(jià)格便宜，但抗膠合及耐磨

性能不如錫青銅，一般用于匕W6m/s的傳動(dòng)；灰鑄鐵用于匕W2m/s的不重要場(chǎng)合。

渦輪蝸桿正確嚙合條件，蝸桿軸平面上的軸面模數(shù)如等于蝸輪的端面模數(shù)如；蝸桿軸

平面上的軸面壓力角小等于蝸輪的端面壓力角&2；蝸桿導(dǎo)程角尸等于蝸輪螺旋角￡,且

旋向相同，即

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7AI=?2=?

Olx\~(XviFCC>

Y=P

J

2.5.1.7渦輪蝸桿基本參數(shù)

1)蝸桿頭數(shù)?,蝸輪齒數(shù)Z2

蝸桿頭數(shù)藥一般取1、2、4。頭數(shù)團(tuán)增大，可以提高傳動(dòng)效率，但加工制造難度增加。

蝸輪齒數(shù)一般取Z2=28~80。若Z2<28,傳動(dòng)的平穩(wěn)性會(huì)下降，且易產(chǎn)生根切；若處過(guò)

大，

蝸輪的直徑d增大，與之相應(yīng)的蝸桿長(zhǎng)度增加、剛度降低，從而影響嚙合的精度。

2)傳動(dòng)比

，=2=立(14-2)

%z,

3)蝸桿分度圓直徑d和蝸桿直徑系數(shù)q

加工蝸輪時(shí)，用的是與蝸桿具有相同尺寸的滾刀，因此加工不同尺寸的蝸輪，就需要

不同的滾刀。為限制滾刀的數(shù)量，并使?jié)L刀標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)每一標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，規(guī)定了一定數(shù)量的

蝸桿分度圓直徑

蝸桿分度圓直徑與模數(shù)的比值稱(chēng)為蝸桿直徑系數(shù)，用表示，即

4(14-3)

tn

模數(shù)一定時(shí)，<?值增大則蝸桿的直徑d增大、剛度提高。因此，為保證蝸桿有足夠的

剛度，小模數(shù)蝸桿的f7值一般較大。

4)蝸桿導(dǎo)程角Y

tanz=_L=±^=￡^=￡L(14-4)

兀&兀&也q

式中/一螺旋線(xiàn)的導(dǎo)程，kzg=ZE應(yīng)，其中為為軸向齒距

通常螺旋線(xiàn)的導(dǎo)程角/=3.5°?27°,導(dǎo)程角在(3.5。?4.5°)范圍內(nèi)的蝸桿可實(shí)

現(xiàn)自鎖，升角大時(shí)傳動(dòng)效率高，但蝸桿加工難度大。

對(duì)于鋼制的蝸桿，與青銅或鑄鐵制的蝸輪配對(duì)，其蝸輪齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式為：

zx2

qM之KT、mm3(14-6)

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式中，/為載荷系數(shù)，引入是為了考慮工作時(shí)載荷性質(zhì)、載荷沿齒向分布情況以及動(dòng)載

荷影響，一般取AM.11.3；Tz(N-mm)為蝸輪上的轉(zhuǎn)矩：及為蝸輪齒數(shù)

［為蝸輪許用接觸應(yīng)力，可查表獲得。

表2-2

錫青銅蝸輪的許用接觸應(yīng)力［。MPa

適用的滑動(dòng)速度蝸桿齒面硬度

蝸輪材料鑄造方法

vs/(m/s)W350HBs>45HRC

砂型W12180200

ZCuSnlOPl

金屬型W25200220

砂型W10110125

ZCuSn6Zn6Pb3

金屬型W12135150

表2-3

鋁鐵青銅及鑄鐵蝸輪的許用接觸應(yīng)力［。/MPa

滑動(dòng)速度縱/(m/s)

期輪材料蝸桿材料

0.5123468

ZCuA110Fe3淬火鋼25023021018016012090

HT150

滲碳鋼13011590————

HT200

HT150調(diào)質(zhì)鋼1109070————

2.5.1.8蝸桿傳動(dòng)的熱平衡計(jì)算

1)蝸桿傳動(dòng)時(shí)的滑動(dòng)速度

蝸桿和蝸輪嚙合時(shí)，齒面間有較大的相對(duì)滑動(dòng)，相對(duì)滑動(dòng)速度的大小對(duì)齒面的潤(rùn)滑情

況、齒面失效形式及傳動(dòng)效率有很大影響。相對(duì)滑動(dòng)速度愈大，齒面間愈容易形成油膜，

則齒面間摩擦系數(shù)愈小，當(dāng)量摩擦角也愈?。坏硪环矫?，由于嚙合處的相對(duì)滑動(dòng)，加劇

了接觸面的磨損，因而應(yīng)選用恰當(dāng)?shù)奈佪單仐U的配對(duì)材料，并注意蝸桿傳動(dòng)的潤(rùn)滑條件。

滑動(dòng)速度計(jì)算公式為

it

匕=nVs(14-7)

60x1000cosy

式中：丫為普通圓柱蝸桿分度圓上的導(dǎo)程角

n\(r/min)為蝸桿轉(zhuǎn)速

d為普通圓柱蝸桿分度圓上的直徑

2)蝸桿傳動(dòng)的效率

閉式蝸桿傳動(dòng)的功率損失包括：嚙合摩擦損失、軸承摩擦損失和潤(rùn)滑油被攪動(dòng)的油阻

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損失。因此總效率為嚙合效率外、軸承效率由、油的攪動(dòng)和飛濺損耗效率小的乘積，

其中嚙合效率必是主要的。總效率為

〃二〃1〃2〃3

(14-8)

當(dāng)蝸桿主動(dòng)時(shí)，嚙合效率必為：

tan/

71

tan(7+pv)

式中：7為普通圓柱蝸桿分度圓上的導(dǎo)程角。

為當(dāng)量摩擦角，可按蝸桿傳動(dòng)的材料及滑動(dòng)速度查表14-5得出。

由于軸承效率如、油的攪動(dòng)和飛濺損耗時(shí)的效率不大，一般取外以=0.95?0.96,

在開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)，為了近似地求出蝸輪軸上的轉(zhuǎn)矩石，則總效率Q常按以下數(shù)值估?。?/p>

當(dāng)蝸桿齒數(shù)勿=1時(shí)，總效率估取〃=0.7；

當(dāng)蝸桿齒數(shù)石=2時(shí)，總效率估取〃=0.8；

當(dāng)蝸桿齒數(shù)9數(shù)時(shí)，總效率估取7=0.9；

表2-4

當(dāng)量摩擦系數(shù)￡當(dāng)量摩擦角a

蝸輪材料錫青銅無(wú)錫青銅

蝸桿齒面硬度>45HRCW350HBs>45HRC

滑動(dòng)速度w/(m/s)￡P(guān)v￡a￡P(guān)v

1.000.0452°35'0.0553°09'0.074°00'

2.000.0352°00'0.0452°35,0.0553°0T

3.000.0281°36'0.0352°00'0.0452°35，

4.000.0241°22，0.0311°47'0.042°17，

5.000.0221°16’0.0291°40'0.0352°00z

8.000.0181°02,0.0261°29'0.031°43'

3)蝸桿傳動(dòng)的熱平衡計(jì)算

由于蝸桿傳動(dòng)的效率低，因而發(fā)熱量大，在閉式傳動(dòng)中，如果不及時(shí)散熱，將使?jié)櫥?/p>

溫度升高、粘度降低，油被擠出、加劇齒面磨損，甚至引起膠合。因此，對(duì)閉式蝸桿傳動(dòng)要

進(jìn)行熱平衡計(jì)算，以便在油的工作溫度超過(guò)許可值時(shí)，采取有效的散熱方法。

由摩擦損耗的功率變?yōu)闊崮?，借助箱體外壁散熱，當(dāng)發(fā)熱速度與散熱速度相等時(shí)，就

達(dá)到了熱平衡。通過(guò)熱平衡方程，可求出達(dá)到熱平衡時(shí)，潤(rùn)滑油的溫度。該溫度一般限制

在60?70℃,最高不超過(guò)80℃。

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熱平衡方程為：

1000(1-力片

式中：P\(kW)為蝸桿傳遞的功率；

n為傳動(dòng)總效率；

4為散熱面積，可按長(zhǎng)方體表面積估算，但需除去不和空氣接觸的面積，凸緣和散熱

片面積按50%計(jì)算。

友為周?chē)諝鉁囟?，常溫情況下可取20℃。

G為潤(rùn)滑油的工作溫度，一般限制在60~70℃,最高不超過(guò)80℃。

。，為箱體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，其數(shù)值表示單位面積、單位時(shí)間、溫差1℃所能散發(fā)的熱量,

根據(jù)箱體周?chē)耐L(fēng)條件一般取*=10"17W/(m2℃),通風(fēng)條件好時(shí)取大值。

由熱平衡方程得出潤(rùn)滑油的工作溫度小為：

10004…)

(14-9)

0

也可以由熱平衡方程得出該傳動(dòng)裝置所必需的最小散熱面積

A1000(1-7)^

生&-%)

如果實(shí)際散熱面積小于最小散熱面積或潤(rùn)滑油的工作溫度超過(guò)80℃,則需采取強(qiáng)

制散熱措施。

2.5.1.9X射線(xiàn)發(fā)生裝置移動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

X射線(xiàn)發(fā)生裝置包含球管，限束器及其附件。都安裝在支座上，通過(guò)支座的移動(dòng)，帶動(dòng)

X射線(xiàn)發(fā)生裝置的移動(dòng)。支座的移動(dòng)采用鏈條傳動(dòng)，支座固定在U臂正面直線(xiàn)導(dǎo)軌。從動(dòng)鏈

輪側(cè)安裝有電位器，檢測(cè)X射線(xiàn)發(fā)生裝置的位移。

鏈條和鏈輪的計(jì)算可參考U臂升降系統(tǒng)鏈條和鏈輪的計(jì)算說(shuō)明。

2.5.1.10直線(xiàn)導(dǎo)軌的計(jì)算說(shuō)明

直線(xiàn)導(dǎo)軌型號(hào)HGL30HA

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表2-5

滑物的葛本5本

組件R寸容許除力矩11

滑塊尺寸1mm)滑軌尺寸1mm)固定”動(dòng)領(lǐng)靜題

Imml

性尺寸定負(fù)黃定負(fù)荷

型號(hào)

M.M,M,滑塊滑軟

HH,NWBB,CL,LK,K,GMxlTH,H,W.H.DhdPEImmlClkNIC.IkNI,…….,

kN-mkN-mkN-mkgkg/m

HGLI5CA244.39.5342642639461.4104.855.3M4x463.953.715157.55.34.56020MAxU11.3816.970.120.10Q.1O0.U1.45

HGL25CA35588415.726.4836.490.420.330330.42

365.512.548356.5612M6x65232211976020M6x203.21

HGL25HA5078.6104.618.532.7549.440.560.570.570.57

HGL30CA407097.420JS38.7452.19O.M0.530.530.78

426U604010612M8xW8.56.510.82826U1298020M8x254.47

HGL30HA