CN100489493C - 三维口腔修复体体外磨削修复模拟试验机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种三维口腔修复体体外磨削修复模拟试验机，属于口腔修复领域修复体的体外磨削修复装置。该三维试验机，由四个立柱、下底板和上顶板刚性连接构成机架。在下底板上依次设置测力仪、受液盘、夹具底板和工件夹具。三维数控坐标工作台由左右X方向、前后Y方向、上下Z方向移动工作台组成，各工作台分别包含一个滚珠丝杠副传动的直线滑台，工作台的电机分别与直线滑台一端连接。锁紧直角板和直角板固定在上顶板，直角板的另一端与Z向工作台的滑动块刚性连接。X向工作台通过连接器和牙科手机夹与牙科手机连接。该试验机的特点在于实现了高速牙科手机的三维可控运动并可对各种齿科材料进行体外精细修磨试验和科学的在线监控。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维口腔修复体体外磨削修复模拟试验机，属于口腔修复领域修复体的体外磨削修复装置。
背景技术
自20世纪70年代CAD/CAM技术应用于口腔修复学领域，义齿计算机辅助设计及制造技术得到了飞速的发展，目前国外已有10余种相关产品在市场上销售。近今年来国内的一些学者开始关注口腔修复CAD/CAM技术，北京大学口腔医院的吕培军等研究者已初步开发出我国第一个具有自主知识产权的，用于口腔修复体(冠、桥、嵌体和贴面)制作的计算机辅助设计及制造实验系统[1-2]。天津大学与天津医科大学口腔医学院合作在义齿的CAD/CAM技术上也做了大量的探索工作[3-4]。然而，由CAD/CAM技术加工制作的修复体的边缘适合性往往达不到齿科修复的临床要求，因此，制作完成的修复体接入基牙后仍需进行一定量的口腔磨削修复，即利用高速牙科手机及牙科磨具对其进行微量修磨、调磨抛光等操作，以便调整修复体与牙齿间的咬合关系，这一步骤是保证修复体实现其正常生理功能的最后关键环节，也是口腔修复学领域中的一个关键技术难题，问题的难点包括：口腔环境的复杂性，修复体去除困难，极易产生磨削修复破坏而导致修复体的早期微破坏和突发性宏观破坏，以及动态切削力、振动和噪声对患者所产生的不舒适性。长期以来，牙科手机都是由牙医手动控制，牙科修复过程仅能凭借牙科医生定性的经验判断和患者的临床感觉，而缺乏科学的理论依据。因此，利用高速牙科手机进行齿科材料快速精准口腔调磨是一项极富挑战性的工作，其技艺的纯熟不仅依赖于大量临床实践活动，而且在很大程度上取决于医生对各种物理现象的深刻理解。同时，为了减轻直接在人体口腔内进行磨削修复给患者带来的痛苦，设计出一种可以在体外利用牙科手机进行磨削修复的装置是十分有必要的。
为了解决上述问题，马里兰大学的S.C.Siegel和J.V.von Fraunhofer A等人，设计了一个简易的模拟口腔修复切削装置[5]，利用高速牙科手机及金刚石磨具对齿科材料进行体外模拟磨削修复，针对材料去除率这一问题进行了一系列深入的研究。美国工程院院士、NIST的B.Lawn博士等利用压痕实验法，对齿科陶瓷的脆性断裂和准塑性破坏进行了大量研究[6]。美国国家标准局的X.Dong、L.Yin(殷玲)、S.Jahanmir、L. K.Ives与新泽西医科大学的D.E.Rekow合作，从材料科学和摩擦学入手，研制出一种准静态、定常磨削力的齿科陶瓷口腔修复实验装置，并据此探讨了各种齿科陶瓷材料显微结构和金刚石磨料粒度对磨削修复表面质量以及金刚石磨具磨损的影响[7-10]。然而，上述工作仅局限于材料学范畴，且实验数据是在静态或准静态环境下获取的，对指导口腔修复的临床实践还存在较大差距。因此，在齿科修复研究中，其试验装置在设计和制造上亟待进一步完善，需研发出能够更加真实的模拟实际临床修复的试验机，从而用于齿科材料口腔磨削修复的研究。
参考文献
[1]吕培军.数学与计算机技术在口腔医学中的应用.第1版.北京：中国科技技术出版社，2001，3-67.
[2]吕培军，李彦生等.国产口腔修复CAD/CAM系统的研究与开发，中华口腔医学杂志，2002，37：367-370.
[3]宋雅丽，李佳，黄田等，CAD/CAM技术在义齿快速成形中的应用与发展，机械设计，2004，13：8-10.
[4]宋雅丽，李佳，黄田等，义齿CAD/CAM系统中标准牙冠数据库的建立，组合机床与自动化加工技术，2003，12：38-40.
[5]S.C.Siegel，J.V.von Fraunhofer.Effects of handpiece load on the cutting efficiency ofdental burs，Machining Science & Technology1(1)(1997))1-13.
[6]I.M.Peterson，A.Pajares，B.R.Lawn，V.P.Thomspon，E.D.Rekow，Mechanicalcharacterization of dental ceramics by hertzian contacts，Journal of Dental Research 77(4)(1998)589-602.
[7]X.Dong，L.Yin，S.Jahanmir，L.K.Ives，E.D.Rekow.Abrasive machining ofglass-ceramics with a dental handpiece，Machining Science & Technology 4(2)(2000)209-233.
[8]L.Yin，L.K.Ives，S.Jahanmir.Effects of fluids on the simulated clinical dental machiningof a glass ceramic，Journal of American Ceramic Society 87(1)(2004)173-175.
[9]L.Yin，S.Jahanmir，L.K.Ives.Abrasive machining of porcelain and zirconia with a dentalhandpiece，Wear 255(2003)975-989.
[10]L.Yin，L.K.Ives，S.Jahnamir，E.D.Rekow，E.Romberg.Abrasive machining ofglass-infiltrated alumina with diamond burs，Machining Science & Technology 5(1)(2001)43-61.
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维口腔修复体体外磨削修复模拟试验机，该修复试验机可以用于模拟口腔修复过程中利用牙科手机及牙科磨具进行修复调磨的操作，还可用于口腔修复体材料的磨削试验研究。
本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种三维口腔修复体体外磨削修复模拟试验机，由四个立柱1，与下底板17和上顶板11刚性连接构成机架，在机架的下底板17上依次设置测力仪2、受液盘16、夹具底板3和工件夹具4，工件夹具4之上是牙科磨具5，牙科磨具由三维数控坐标工作台通过连接器12由牙科手机夹13和牙科手机14驱动工作，其特征在于，三维数控坐标工作台支撑在上顶板11上，该三维数控坐标工作台由下至上依次由能左右X方向移动数控工作台6、能前后Y方向移动数控工作台7、能上下Z方向移动的数控工作台9构成，其中每一个工作台，包括一个直线滑台，该直线滑台一端连接一个电机，电机驱动直线滑台下面一个滚珠丝杠副带动直线滑台运动，或是转动滚珠丝杠副带动其上的滑动块直线移动；并且左右X方向移动数控工作台6的滑动块62下面固定连接器12，前后Y方向移动工作台7的滑动块72固定连接在左右X方向移动数控工作台6的直线滑台61上，上下Z方向移动工作台9的立式直线滑台91下端固定连接在前后Y方向移动工作台7的直线滑台71上，上下Z方向移动工作台9的直线滑台91由锁紧直角板8锁紧，锁紧直角板8固定连接在机架的上顶板11上，上下Z方向移动工作台9的滑动块92固定连接在直角板10上，直角板10固定连接在机架的上顶板11上。
本发明的优点在于实现了高速牙科手机的三维可控运动，可将临床用牙科手机及牙用磨料磨具用于磨削试验研究，针对各种齿科材料进行体外精细修复试验，并可通过测力仪对修复过程中的动态磨削力随时进行测定和监控。
附图说明
图1为本发明试验机结构的立体示意图。
图2为本发明试验机的三维数控工作台的结构立体示意图。
图3为本发明试验机的Z向移动工作台及锁紧直角板的结构示意图。
图4为本发明试验机的Z向移动工作台及直角板的结构示意图。
图5为本发明试验机的运动控制系统和测试系统框图。
图中：1立柱、2测力仪、3夹具底板、4工件夹具、5牙科磨具(车针)、6X向移动数控工作台、7Y向移动工作台、8锁紧直角板、9Z向移动工作台、10直角板、11上顶板、12连接器、13牙科手机夹、14牙科手机、15工件、16受液盘、17下底板、61、71、91X、Y、Z向移动数控工作台的直线滑台、62、72、92X、Y、Z向移动数控工作台的滑动块、63、73、93X、Y、Z向移动数控工作台的驱动电机。
具体实施方式
本发明为一种三维口腔修复体体外磨削修复试验机，此试验机(图1)包括四个立柱1，与下底板17和上顶板11刚性连接，它们构成机架。机架的尺寸较小，它的长宽高分别是：300×250×250mm。上顶板和下底板具有较高的平行度，从而保证了三维数控工作台能够按照既定的要求精确运行。三维数控坐标工作台(图2)由能左右X方向移动的工作台6、能前后Y方向移动的工作台7、能上下Z方向移动的数控工作台9三个结构相同的数控工作台构成，且三个工作台的轴线在空间呈垂直交叉分布。每个工作台分别包含一个直线滑台61、71、91。且每个直线滑台一端连接一个伺服电机，分别是63、73、93。由于在实际的临床口腔磨削修复过程中，磨削修复力一般很小，不会超过3N，故选用功率较小的轻型伺服电机驱动工作台运动。左右X方向移动数控工作台6的滑动块62下面固定连接器12，前后Y方向移动工作台7的滑动块72固定连接在左右X方向移动数控工作台6的直线滑台61上，上下Z方向移动工作台9的立式直线滑台91下端固定连接在前后Y方向移动工作台7的直线滑台71上。上下Z方向移动工作台9的滑动块92固定连接在直角板10(图3)上，直角板10固定连接在机架的上顶板11上，这种结构设计使得Z向工作台在工作时，滑动块固定不动，而是直线滑台本身沿Z方向运动，从而带动其下面的Y、X工作台随之上下移动。因此，在三维数控工作台实施运动过程中，上下Z方向移动的工作台的伺服电机93驱动直线滑台91下面的滚珠丝杠副带动直线滑台运动，而左右X方向移动的工作台和前后Y方向移动的工作台的伺服电机63、73则是驱动滚珠丝杠副转动进而带动其上的滑动块62、72直线移动，从而实现了工作台整体的三维运动。此外，还设计了一个锁紧直角板8(图4)，锁紧直角板与上顶板刚性连接，通过锁紧直角板上的锁紧螺母可以保证Z向工作台的伺服电机在停止运转时，工作台能够保持静止。左右X方向移动工作台6与高速牙科手机13之间设有连接器12和牙科手机夹13，牙科手机夹13一端夹紧牙科手机13，另一端与连接器12刚性连接，从而保证了牙科手机随三维工作台同步运动。工件15与工件夹具4刚性连接，工件夹具4与工件夹具底板3连接，夹具底板下部与测力仪平台2刚性连接。方形受液盘16与夹具底板无缝粘接在一起，用来盛接磨削过程中喷出的冷却液。
牙科手机14由高速涡轮牙钻机驱动，在牙科手机尾部有两个小孔：进气孔和进水孔。在磨削过程中，牙钻机通过牙科手机的进气孔气动牙科磨具5高速旋转，同时有冷却液通过牙科手机的进水孔不断喷射出来。三维工作台可以根据运动控制信号动作，具体实施过程如(图5)：利用已给定的修复体的三维形态数据，将其转化为可加工程序语言，这里我们所选用的是图形化程序设计软件LabVIEW，通过计算机接口及运动控制卡，将运动控制信号传给伺服电机驱动器，驱动电机运转，三维数控工作台开始按照既定轨迹进行动作，从而带动牙科手机及牙科磨具对齿科材料进行三维的磨削修复操作。动态测力仪平台2与夹具底板3连接，在磨削过程中，测力仪将力信号转化为电信号，通过电荷放大器、数据采集系统(LMS数据采集系统)，对相关的磨削信号可以进行采集和分析，实现了对磨削过程中磨削修复力的在线测定和监控。
所发明的试验机实现了高速牙科手机的三维可控运动，将临床用的牙科手机及牙用磨具用于体外修复体材料的磨削修复试验，并可通过动态测力仪对磨削修复过程中的修复力随时进行测定和监控。试验机结构简单，紧凑，操作方便。
Claims (1)
1.一种三维口腔修复体体外修复试验机，由四个立柱(1)，与下底板(17)和上顶板(11)刚性连接构成机架，在机架的下底板(17)上依次设置测力仪(2)、受液盘(16)、夹具底板(3)和工件夹具(4)，工件夹具(4)之上是牙科磨具(5)，牙科磨具(5)由牙科手机(14)驱动，牙科手机夹(13)一端夹紧牙科手机(14)，另一端与连接器(12)刚性连接，连接器(12)之上连接三维数控坐标工作台，其特征在于，三维数控坐标工作台支撑在上顶板(11)上，该三维数控坐标工作台由下至上依次由左右X方向移动数控工作台(6)、前后Y方向移动数控工作台(7)、上下Z方向移动数控工作台(9)构成，每一个数控工作台包括一个滑动块和一个直线滑台，直线滑台的一端连接一个电机，其中左右X方向移动数控工作台(6)的滑动块(62)下面固定连接器(12)，X方向移动数控工作台(6)采用电机驱动滚珠丝杠副带动其上的滑动块(62)做左右X方向直线运动，前后Y方向移动数控工作台(7)的滑动块(72)固定连接在左右X方向移动数控工作台(6)的直线滑台(61)上，前后Y方向移动数控工作台(7)采用电机驱动滚珠丝杠副带动其上的滑动块(72)做前后Y方向直线运动，上下Z方向移动数控工作台(9)的立式直线滑台(91)下端固定连接在前后Y方向移动数控工作台(7)的直线滑台(71)上，上下Z方向移动数控工作台(9)的滑动块(92)固定连接在直角板(10)上，直角板(10)固定连接在机架的上顶板(11)上，上下Z方向移动数控工作台(9)采用电机驱动滚珠丝杠副带动其上的直线滑台(92)做上下Z方向直线运动，上下Z方向移动数控工作台(9)的直线滑台(91)外侧设有锁紧直角板(8)，锁紧直角板(8)固定连接在机架的上顶板(11)上。
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