第一章 緒論

1.1 引言
隨著介入放射學(xué)[ 3]的發(fā)展與普及，給患者帶來(lái)了更多的康復(fù)機(jī)會(huì)，這種治療疾病的方法也日益成為患者選擇性治療的首選，受到患者極大關(guān)注和歡迎。數(shù)字減影血管造影[4](Digital Subtraction Angiograph, DSA)是通過(guò)電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助成像的血管造影方法，是 70 年代以來(lái)應(yīng)用于臨床的一種嶄新的 X 線檢查技術(shù)[5]。它是應(yīng)用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行兩次成像完成的。在注入造影劑之前，首先進(jìn)行第一次成像，并用計(jì)算機(jī)將圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)儲(chǔ)存起來(lái)[6]。注入造影劑后，再次成像并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。將兩次數(shù)字信號(hào)相減，把相同的信號(hào)去掉，從而得到只有造影劑的血管圖像。這種圖像相比以往常規(guī)腦血管造影所顯示的圖像，它的效果更加清晰和直觀，就連一些精細(xì)的血管結(jié)構(gòu)也能顯示出來(lái)[7]。本文研究的C型臂X射線機(jī)就是為醫(yī)生利用數(shù)字減影技術(shù)進(jìn)行介入式手術(shù)的治療提供載體的一種醫(yī)療器械。手術(shù)是用微細(xì)導(dǎo)管通過(guò)股動(dòng)脈進(jìn)入患者身體到達(dá)病灶實(shí)施手術(shù)的。他相比于一般的外科手術(shù)具有創(chuàng)傷小，術(shù)中痛苦小，術(shù)后痛苦小，傷口恢復(fù)快等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是，這也是一項(xiàng)極為復(fù)雜精細(xì)而且沒(méi)有直接的視野手術(shù)技術(shù)，能夠依賴的只有 DSA 提供的間接視野，通過(guò)這個(gè)視野來(lái)判斷探針的位置、走向和手術(shù)的效果�？梢哉f(shuō)沒(méi)有 DSA 就沒(méi)有介入手術(shù)。
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1.2 本課題研究的目的和意義

1.2.1 本課題的來(lái)源
本研究課題來(lái)源于北京惠爾公司、長(zhǎng)安大學(xué)和西安輕工業(yè)鐘表研究所的集產(chǎn)、學(xué)、研于一體的研究項(xiàng)目。本研究項(xiàng)目首先是由北京惠爾醫(yī)療器械有限公司進(jìn)行充分的市場(chǎng)調(diào)研，主要是面對(duì)歐美的一些名氣比較大的私立醫(yī)院和國(guó)內(nèi)的一些發(fā)達(dá)城市的三甲醫(yī)院，通過(guò)了解使用醫(yī)生對(duì)現(xiàn)有 C 臂產(chǎn)品的不足和優(yōu)勢(shì)，以及他們對(duì)未來(lái)產(chǎn)品的一個(gè)理想化的設(shè)想，然后惠爾公司召集公司營(yíng)銷部、市場(chǎng)調(diào)研部、新品研發(fā)中心部、生產(chǎn)部、技術(shù)中心等相關(guān)部分進(jìn)行討論和規(guī)劃，最終得出本課題研究的滿足產(chǎn)品功能需求的概念圖。

1.2.2 課題研究的目的和意義
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，本著以人為中心的目的，醫(yī)學(xué)事業(yè)也取得了巨大的成就。在當(dāng)今的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，大型精密醫(yī)療設(shè)備的出現(xiàn)，既方便了醫(yī)生的診治，也方便了病人的治療，，且還可以取得更好的治療效果[9]。人們通過(guò) X 射線可以隔著皮肉看到某些內(nèi)部器官的形態(tài)，因此便產(chǎn)生了 X 線拍片和透視的檢查。拍片和透視只能分辨密度相差較大的組織器官，如骨、心、肺等，而對(duì)于人體大量密度相差較小的器官和組織，便顯得無(wú)能為力。于是人們想到了造影檢查，即先用高于或低于人體軟組織密度的造影劑灌注檢查部位，然后進(jìn)行 X 線檢查。 由于已灌注造影劑的組織器官與周圍部位密度差異變大，在 X 線下形成鮮明對(duì)比，便可以發(fā)現(xiàn)形態(tài)或功能是否異常。因此造影技術(shù)在現(xiàn)在醫(yī)學(xué)上用途非常廣泛，造影技術(shù)也得到飛速的發(fā)展。造影技術(shù)的飛速發(fā)展同時(shí)也帶動(dòng)了造影設(shè)備的飛速發(fā)展，先進(jìn)的造影設(shè)備是造影技術(shù)得以飛速發(fā)展的載體，因此本文研究的課題就是要研究比較先進(jìn)造影設(shè)備，最大限度地滿足此行業(yè)的用戶需求，以此來(lái)響應(yīng)造影技術(shù)的發(fā)展。
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第二章 新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程

2.1 現(xiàn)有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程圖
經(jīng)過(guò)第一章緒論部分的討論，本文研究的產(chǎn)品是一款全新的產(chǎn)品，首先從外形上來(lái)講，目前市場(chǎng)上見(jiàn)到的基本是單一的 C 臂機(jī)，而本文研究的是擁有大小兩個(gè) C 臂的設(shè)備（專業(yè)叫法為 G 臂）；其次從功能上來(lái)區(qū)分，通這款產(chǎn)品除了不能實(shí)現(xiàn)自身前后方向的俯仰運(yùn)動(dòng)以外，基本實(shí)現(xiàn)了其他 5 自由度方向的運(yùn)動(dòng)，其還具有大、小 C 臂的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。所以本課題是屬于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。圖 2.1、圖 2.2 是目前比較常見(jiàn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程圖，他們僅僅就是介紹產(chǎn)品設(shè)計(jì)的具體步驟，他們的主要缺點(diǎn)：（1）沒(méi)有常用的設(shè)計(jì)工具，僅僅就是介紹了設(shè)計(jì)的大致步驟，比較寬泛；（2）對(duì)每一個(gè)設(shè)計(jì)步驟沒(méi)有評(píng)價(jià)方案，每一步是各自獨(dú)立的；（3）對(duì)每一步需要得到或者需要輸出的目標(biāo)沒(méi)有明確的說(shuō)明。
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2.2 本課題的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程圖的優(yōu)點(diǎn)
本文的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程圖主要分為三部分：新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前期準(zhǔn)備階段、新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段、新產(chǎn)品過(guò)程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段[10]。本流程圖的三大部分著力解決三部分內(nèi)容：其一，提高解決問(wèn)題的創(chuàng)新性和創(chuàng)造力；其二，確保對(duì)每一個(gè)必需要素的考慮，以實(shí)現(xiàn)成功的設(shè)計(jì)；其三，確保對(duì)設(shè)計(jì)工具及方法應(yīng)用的結(jié)果實(shí)現(xiàn)全程控制[11]。最后力爭(zhēng)確保新產(chǎn)品順利進(jìn)入市場(chǎng)。本流程圖不僅具備新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)程序還收集了大量的設(shè)計(jì)工具，這些設(shè)計(jì)工具可以指導(dǎo)幫助設(shè)計(jì)工程師在相應(yīng)的設(shè)計(jì)階段采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)工具，避免開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)分工不明確、在設(shè)計(jì)中隨意變換角色，以此造成開(kāi)發(fā)的低效、高成本[12]。最主要的是在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段和產(chǎn)品過(guò)程設(shè)計(jì)階段引進(jìn)了評(píng)價(jià)體系 APQP。（APQP 英文全稱Advanced Product Quality Planning，中文意思是產(chǎn)品質(zhì)量先期策劃或者產(chǎn)品質(zhì)量先期策劃和控制計(jì)劃，APQP 也是 QS9000/TS16949 質(zhì)量管理體系的一部分。）在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段引進(jìn)了 DFMEA（DesignFailure Mode and Effects Analysis 設(shè)計(jì)失效模式及后果分析），它實(shí)際上是 FMA（故障模式分析）和 FEA（故障影響分析）組合的一種可靠性設(shè)計(jì)方法[13]。它對(duì)各種可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)、分析，以便在現(xiàn)有基礎(chǔ)上消除這些風(fēng)險(xiǎn)或者減小到可以接受的范圍。它的及時(shí)性體現(xiàn)在，它是一種“事前行為”，而非“事后行為”。當(dāng)設(shè)計(jì)有變化或得到其他信息時(shí)及時(shí)不斷地修改，并在圖樣加工完成之前結(jié)束。其評(píng)價(jià)與分析的對(duì)象是最終的產(chǎn)品以及每個(gè)與之相關(guān)的系統(tǒng)、子系統(tǒng)和零部件。在新產(chǎn)品過(guò)程設(shè)計(jì)階段引進(jìn)了 PFMEA(Process Failure Mode and Effects Analysis 過(guò)程失效模式及后果分析)，他是由負(fù)責(zé)制造/裝配的工程師/小組主要采用的一種分析技術(shù)，用以最大限度地保證各種潛在的失效模式及其相關(guān)的起因/機(jī)理已得到充分的考慮和論述。
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第三章 研究制定 C 型臂 X 射線機(jī)結(jié)構(gòu)方案.....15
3.1 C 型臂 X 射線機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)原則.........15
3.2 C 型臂 X 射線機(jī)大、小 C 型臂的選材設(shè)計(jì)思路 ....15
3.3 運(yùn)用 TRIZ 理論解決大、小 C 臂的運(yùn)動(dòng)方案.........19
3.4 大、小 C 臂端影像增強(qiáng)器運(yùn)動(dòng)方案........34
3.5 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)方案擬定 ....34
3.6 十字臂水平運(yùn)動(dòng)方案擬定 ........35
3.7 擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方案擬定 ........36
3.8 升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案擬定 ....37
3.9 底盤(pán)行走系統(tǒng)方案擬定 ....38
3.10 整機(jī)方案外形圖 ......39
3.11 小結(jié)...........40
第四章 核心零部件設(shè)計(jì)計(jì)算........41
4.1 伺服電機(jī)的選擇 ........41
4.2 軸承的分析計(jì)算 ........43
4.3 同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算 ....46
4.4 偏心增力機(jī)構(gòu)計(jì)算 ....48
4.5 C 型臂接觸應(yīng)力計(jì)算..........51
4.6 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)計(jì)算 ....53
4.7 底盤(pán)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ....54
4.8 小結(jié) ....55
第五章 C 型臂 X 射線機(jī)的主要部件有限元分析......57
5.1 SolidWorks 軟件介紹..........57
5.2 C 臂的有限元分析......58
5.3 小結(jié) ....64

第六章 C 型臂 X 射線機(jī)平衡性分析

6.1 引言
C 型臂 X 射線機(jī)的整機(jī)三維模型已經(jīng)在 SolidWorks 軟件中建立，由于本設(shè)備的特殊性，整個(gè)大、小 C 臂部分相對(duì)于整機(jī)來(lái)說(shuō)與懸臂梁非常相似。大、小 C臂本身既是功能部件又是被承載部件， 大、小 C 臂部分本身由于自重將會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)彎矩，這個(gè)彎矩需要借助設(shè)備 L-arm來(lái)克服。本設(shè)備自身依靠前后輪的支撐實(shí)現(xiàn)其各種功能狀態(tài)，眾所周知，如果設(shè)備的重心落在前后輪中間處是最有利于設(shè)備的平衡，如果設(shè)備的重心不能很好的落在前后輪中間理想的范圍內(nèi)，設(shè)備平衡性會(huì)受到破壞，那么本設(shè)備的某些功能將不能得到很好的實(shí)現(xiàn)。本課題通過(guò)對(duì) C 型臂 X 射線機(jī)的各個(gè)部件在 SolidWorks 軟件中按照實(shí)際模型尺寸建模，在建模過(guò)程中按照實(shí)際情況對(duì)模型添加材料屬性，將建好的模型按照實(shí)際的配合關(guān)系裝配成 C 型臂 X 射線機(jī)，然后本文借助 SolidWorks 強(qiáng)大的計(jì)算功能計(jì)算出整機(jī)的重心位置。本文希望整機(jī)的重心位置與回轉(zhuǎn)中心的位置越接近越有利于整機(jī)的平衡。因此本文選定 C 型臂 X 射線機(jī)幾種極端危險(xiǎn)工況下的重心位置是否落在設(shè)計(jì)要求的回轉(zhuǎn)中心（理想的中心）范圍里，以此來(lái)評(píng)價(jià)整機(jī)的平衡性。

總結(jié)

本文對(duì)雙 C 臂的 X 射線機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和整機(jī)平衡性進(jìn)行了研究并對(duì)主要承載件進(jìn)行了有限元分析，對(duì)大 C 臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，基本上解決了廠家對(duì)本課題研究的產(chǎn)品提出的設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)大小 C 臂相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及自身的軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)，本文花費(fèi)了很大的精力，最終在導(dǎo)師的指導(dǎo)下通過(guò)運(yùn)動(dòng) TRIZ 創(chuàng)新發(fā)明原理的提示，從而解決了困惑本課題研發(fā)進(jìn)度的難題。論文的主要工作和研究成果如下：
（1）企業(yè)在實(shí)際的研發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，往往忽略產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)過(guò)程中可行性，或者說(shuō)在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中很少會(huì)顧及到每一步過(guò)程的可行性和可靠性，對(duì)此沒(méi)有一個(gè)評(píng)估流程和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。本文致力于設(shè)計(jì)這樣一套新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)程序、設(shè)計(jì)工具和評(píng)價(jià)手段的設(shè)計(jì)流程圖。并將此應(yīng)用在本課題的新產(chǎn)品研發(fā)，對(duì)每一步的方案采取及時(shí)的評(píng)估，把不可行方案扼殺在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，這樣直接體現(xiàn)出本流程的優(yōu)越性：有益于提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率、縮短研發(fā)周期、降低成本。
（2）運(yùn)用 TRIZ 理論進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，將本文設(shè)計(jì)之初提出的大小 C 臂相對(duì)運(yùn)動(dòng)和自身的軌道運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化成 Pro/Innovator 軟件認(rèn)可的模型，得出解決發(fā)明難題的提示，然后本文在利用三維軟件進(jìn)行建模、分析，從而得出本課題研究的整機(jī)模型圖。
（3）遵循第三章對(duì)本課題研究的產(chǎn)品提出的設(shè)計(jì)原則，本文在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的選型、選材以及承載能力的計(jì)算。對(duì)鋁合金和軸承的接觸處進(jìn)行赫茲計(jì)算得出設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中基本不會(huì)出現(xiàn)本文描述的冷作硬化現(xiàn)象。
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參考文獻(xiàn)（略）