摘 要:解决了X光片光学标记摄影机由于暗盒厚度差所引起的开盖困难和导致光学成像质量不稳定的问题。采用一种曲条结构,降低了暗盒厚度差对拉盖行程的影响,同时依靠曲条的导向定位面保证了拉盖头定位的独立性,从而解决了双凸轮定位时同步的要求。暗盒厚度差对拉盖行程的影响降低了1/cos2α倍,解决了光学系统中可能出现的漏光或遮挡成像的问题。结果表明,曲条结构方案简易实用。
1 引 言
X光片光学标记摄影机是一种适用于医生在X光片上标记病人信息的光学仪器。在X光片上标记信息,传统的做法是医生用胶布将病人的X光片号、拍片日期等铅字粘贴在暗盒上,利用铅不透X光线的原理,拍片的同时将信息成像于X光片上。该方法的主要缺点是成像不清、病人信息少、粘贴的铅字容易跌落和造成标记错误。而X光片光学标记摄影机不受X光线的任何干扰,医生拍片前或后,都可将所需信息通过光学成像原理标记在X光片上,并且与任何规格的暗盒通用。仪器的主要功能是:暗盒与标记的卡片到位后,拉盖头自动定位、开盖、光学成像、闭盖、回退及退卡片和自动纠错等。
本文所介绍的是在该仪器中起主要作用的开盖系统的设计构思。
2 工作原理
X光片光学标记摄影机的拉盖头的工作原理如图1所示。图1中,封闭机构1下降H0距离,以使该区域局部封闭成暗室,同时在拉盖头2进入暗盒盖3的凹槽后,水平移动L0距离后开盖。之后信息卡片通过光学系统成像在已开盖处的X光片上,然后拉盖头水平反向移动闭盖,封闭机构连同拉盖头一起垂直回升复位,完成一个工作周期。
工作过程中,拉盖头2在进入暗盒盖3的凹槽后定位,拉盖头水平反向过推暗盒盖3使暗盒盖关紧,然后水平复位再垂直回升是拉盖头的主要工作原理。
3 设计构思
上述的工作过程由垂直运动和水平运动交替完成,其间穿夹着复合运动过程,即拉盖机构垂直回升同时又水平复位。本文要描述的是采用一个动力系统完成垂直和水平的交替复合运动的设计。在单动力系统中,设想采用单轴双凸轮分别控制封闭机构和拉盖头的运动。设计封闭机构封闭/复位、拉盖头定位/复位和拉盖头开盖/闭盖的运动曲线分布如图2所示。
图2中,座标H表示垂直方向的位移,座标L表示水平方向的位移。座标t表示运动的时间。t0=0为初始状态;0~ t1为封闭机构和拉盖头下降封闭的时间过程,为保证拉盖头能正确定位在暗盒盖的凹槽内,该过程设计成dH1/dt =dH2/dt;t1~t2为拉盖头开盖的时间过程;t2~ t3为拍片的时间过程;t3~t4为拉盖头闭盖的时间过程,为保证暗盒盖密闭,该过程设计成拉盖头水平反向过推;t4~ t5为拉盖头水平复位的时间过程;t5~ t6为封闭机构和拉盖头垂直回升复位的时间过程。因此单程的运动(t =0~ t2)公式如下:
从图2中可注意到拉盖头运动转向的两个时间点:t1点是由单凸轮控制的拉盖头下降定位结束、开盖开始的点;t5点是由单凸轮控制的拉盖头水平复位结束、垂直复位开始的点。因此该两个时间点为设计的关键。下面以齿条结构方案为模型来进行进一步的讨论。
3.1 齿条结构方案
可考虑的模型方案为齿条结构,如图3所示。图3中,齿轮2与拉盖头3为与封闭机构一体的独立结构,由第一凸轮驱动进行垂直运动。由于齿条1由第二凸轮驱动垂直运动,因而两凸轮行程差可产生齿条与齿轮的相对运动,导至拉盖头3水平移动开盖或闭盖。根据图2的运动曲线分布及公式(1)、公式(2)的关系,可导出两凸轮单程运动的(t =0~ t2)的公式如下:
第一凸轮行程=封闭机构行程:
从公式(2)、公式(3)和公式(4)中可知,在0≤t≤t1时,线速度dH1(t)/dt =dH2(t)/dt,dL(t)/dt =0,即两凸轮行程差为0,驱动位移同步,齿轮与齿条相对静止,图3中的定位角α不变,水平方向拉盖头位移为0。当过t1点后,dH1(t)/dt =0,dH2(t)/dt = kdL(t)/dt,即第一凸轮驱动位移为0,第二凸轮继续驱动位移,两凸轮驱动位移产生行程差,定位角α改变,拉盖头位移转向,垂直方向静止,水平方向移动开盖,并且第二凸轮位移变化量dH2(t)与拉盖头位移变化量dL(t)的比为k。因此,拉盖头实际的位移量L(t2)=[H2(t2)-H1(t2)]/k = L0,从而实现了图2的设计要求。
在实际操作中,暗盒厚度的偏差很大,设厚度差为ΔH≥0,则封闭机构到位的时间点将偏离t1,设为tp(tp≤t1)。为此设计了封闭机构弹力回升系统,以便防止硬碰。所以封闭机构的垂直位移公式将改变如下:
拉盖头实际的位移量L(t2) =ΔH/k + L0,产生ΔL0=ΔH/k的偏离,并将发生拉盖头开盖过大损坏机构、漏光或开盖过小遮挡光学成像的问题。对于t5点的前后来说,可以作出同样的分析。由于k =dH2(t)/dL(t),若增大k来减小ΔH/k,将导至第二凸轮的行程同比例增大。所希望的是,用凸轮行程少量的增加来换取ΔL0的大幅度下降。应注意的是,实际产生ΔL0最大偏移的是在凸轮的最大升程处。如果此处的ΔL0/ΔH能明显减小,就可以较理想的解决问题。为此,笔者对齿轮齿条的结构进行了设计修改,设计出了曲条结构。
3.2 曲条结构方案
该设计方案是把一种特殊设计的曲条安装在齿轮上,以取代齿条。其结构如图4所示。由于开盖行程L(t)由齿轮转角决定,设2α角对应的开盖行程为L0,则曲条结构与齿条结构有关2α角的转换关系可用图5来说明。
第二凸轮升程与转角的转换公式如下:
显然,由于暗盒厚度差dH所引起的拉盖头行程差dL,所以曲条结构转换率将比齿条结构转换率降低1/cos2α倍,行程比将增加tanα/α倍,因而需计算效率比。效率之比η由式(7)和式(8)可得
曲条结构与齿条结构相比,曲条结构造成的dL减小的倍数大于其附加的第二凸轮行程增加的倍数,并且α取值越大,倍数差增大的速度越大。表1为α取不同值时的效率η对比表。
实际设计中,在曲条导向定位面A的下方(图4)制作了一个圆弧,当ΔH增加时,图4中的第二凸轮推杆头将进入该圆弧,从而α角可保持基本不变,ΔL≈0,这样就更好的解决了暗盒厚度差的问题。
该曲条导向定位面A的另一个作用是提供了拉盖头的水平定位的独立性,在0≤t≤t1时,线速度dH1(t)/dt与dH2(t)/dt不再要求相等,设计随意性增大,并给机构装调带来了很大的方便。该曲条圆弧的另一个作用可以满足在t3~ t4时间拉头水平反向过推的闭盖要求。
4 结 论
可实现上述要求的方案很多。但作者认为,曲条结构的设计方案既解决了暗盒厚度差的影响,同时又不要求双凸轮同步,并且实现了拉盖头过推闭盖的要求,简化了机构设计,降低了装调难度,解决了系统可能出现的漏光或遮挡成像问题,保证了成像质量的稳定性。该方案简易实用。
作者简介:齐伟明(1966-),男,浙江省人,国家药品监督管理局杭州医疗器械检测中心工程师,主要从事医用激光、医用光学方面的研究。
