质子治疗是目前医学物理界的研究前沿和热点。由于质子具有独特的布拉格峰特性,和传统放射治疗手段相比有较大的优势。国外对于该项技术的研究已有几十年的历史,我国起步较晚,近二十年来才对该领域有所关注,不过正积极追赶发达国家的脚步,筹划建设具有自主知识产权的质子治疗装置。而旋转机架是整套装置中的重要组成部分,具有大惯量、大尺寸、大重量的特点,同时要求很高的运动定位精度和可靠性。本文首先介绍了一些国际知名的质子治疗设备制造商的机架设计方案,比较“滚筒式”和“桁架式”两种方案的优缺点,分析输运线布局和偏转磁铁选择对于机架设计的影响,总结当前自主设计和制造的难点。提出三段滚筒式的设计方案,确定了传动方式以及输运线、配重的安装固定方式。然后采用赫兹弹性接触理论对机架滚轮的接触应力进行了计算,对旋转机架的驱动力矩进行了理论分析和运动仿真,对电机和减速箱进行了选型。参照国外质子医院的运营情况,确定了旋转机架的使用寿命,并以此为依据校核了机架齿轮的齿面接触应力和齿根弯曲应力,保证使用寿命的要求。根据滚轮支撑的使用工况确定轴承的类型和轴向布局,对轴承寿命进行了校核。基于Ansys Workbench对机架滚轮以及齿轮的接触应力进行了有限元计算,与理论计算值进行了比较,验证了运用有限元方法计算接触问题的准确性和优点。使用Solidworks Simulation对旋转机架本体进行了静力学分析,分析其在等中心点的变形,对变形过大原因进行了分析,然后进行了结构优化。使用Solidworks优化设计模块对滚筒筋板进行了尺寸优化,在合理的重量范围内,使变形最小。最后对综合误差进行了分析,证明该设计方案满足旋转机架设计的各项精度要求。