CN105662625B - 径向超声波辅助牙科手机口腔高速调磨修复模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径向超声波辅助牙科手机口腔高速调磨修复模拟装置，其支撑系统由底板、顶板和立柱组成，测力系统设置在支撑系统的下部，顶板上设置有三维坐标系统，三维坐标系统由X方向滑台、Y方向滑台和Z方向滑台组成；测力系统的上面设置有径向超声振动系统。磨削过程中，超声振动系统给工件提供径向超声振动，三维坐标系统可以根据运动控制信号动作，带动牙科手机按照既定轨迹对工件进行三维轨迹的磨削加工；测力仪对磨削力进行测定和监控，并通过外部的测试系统，对相关的磨削信号进行采集和分析。本发明实现了牙科手机的三维可控运动，可针对各种齿科材料进行三维超声振动磨削修复试验。

Description

径向超声波辅助牙科手机口腔高速调磨修复模拟装置

技术领域

本发明是关于牙体预备及口腔修复材料切削调磨模拟装置，具体涉及一种径向超声波辅助牙科手机口腔高速调磨修复模拟装置。

背景技术

随着科技的发展对硬脆性材料、难加工材料和新型先进材料的需求日益增多,对关键零件的加工效率、加工质量和加工精度提出了更高的要求。传统磨削方法因不可避免的产生较大的磨削力以及磨削热,引起工件表面/亚表面损伤以及砂轮寿命低等一系列问题。尤其在精密与超精密加工领域，这些加工缺陷的存在严重制约着零件加工精度及加工效率的提高。为解决这些问题，超声振动被引入到磨削加工中。国内外广泛研究证实超声振动磨削在提高材料去除率、提高加工表面质量与加工精度、降低工件表面损伤以及延长砂轮寿命等方面具有显著优势。

径向超声振动磨削在提高加工效率以及改善磨轮使用性能等方面具有显著优势。Mult等对烧结氮化硅以及氧化铝陶瓷进行径向超声磨削试验,发现磨削力大幅度减小以及材料去除率显著增加(参见Liang Zhiqiang,Status and Progress of UltrasonicAssisted Grinding Technique,Acta ArmamentarII,Vol,31No,11 Nov.2010.)。法向磨削力减小的主要原因归结为超声振动的工件与磨粒切削刃发生断续接触,减少了实际接触时间，有效降低了摩擦系数。磨粒与工件的有效接触路径增长促使材料去除率增加。在磨粒一次切削周期内，磨粒切削刃比普通磨削更早的切入以及更晚地脱离工件表面,这增长了脉冲作用周期，增加了接触压力，由此产生了更多材料微观断裂,促使材料去除率增加。

超声波不仅在工业上有大量的应用，而且超声波治疗仪器也已经广泛应用于口腔临床的各个方面，不仅在牙龈炎、牙周炎的治疗中占有重要地位，而且现已逐渐用于牙体牙髓疾病的治疗中，牙体的制备是牙科修复中的重要环节，牙体制备的质量直接关系到后续义齿的修复和使用寿命。早期的牙科切削机器是挂壁式三弯臂牙科电钻，转速4000rpm，此后转速不断增加，可以达到10000-40000rpm，虽然10000rpm的转速对于电机而言已经是非常高的转速，但是只能提供1m/s的左右的切削速度，且打磨、切削操作时，患者仍感不适。上个世纪五十年代，空气涡轮驱动牙科手机问世，其速度可达300000-450000rpm。其具有良好的安全性与舒适性，并得到了广泛的应用。

本发明所述的牙科制备工艺是在空气涡轮驱动牙科手机上增加频率高达数万赫兹的超声振动，对牙科陶瓷进行磨削加工的过程，此工艺将得到更好的加工质量和更高的加工效率。

在牙科陶瓷的磨削加工问题上，马里兰大学的S.C.Siegel和J.V.von FraunhoferA等人，设计了一个简易的模拟口腔修复切削装置(参见S.C.Siegel,J.V.vonFraunhofer.Effects of handpiece load on the cutting efficiency of dentalburs,Machining Science&Technology 1(1)(1997))1-13.)，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(参见I.M.Peterson,A.Pajares,B.R.Lawn,V.P.Thomspon,E.D.Rekow,Mechanical characterization of dental ceramics by hertziancontacts,Journal of Dental Research 77(4)(1998)589-602.)。殷玲(L.Yin)与NIST的S.Jahanmir、L.K.Ives和X.Dong博士合作，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(参见X.Dong,L.Yin,S.Jahanmir,L.K.Ives,E.D.Rekow.Abrasive machining of glass-ceramics with adental handpiece,Machining Science&Technology 4(2)(2000)209-233。及L.Yin,L.K.Ives,S.Jahanmir.Effects of fluids on the simulated clinical dentalmachining of a glass ceramic,Journal of American Ceramic Society 87(1)(2004)173-175.。及L.Yin,S.Jahanmir,L.K.Ives.Abrasive machining of porcelain andzirconia with a dental handpiece,Wear 255(2003)975-989.。及L.Yin,L.K.Ives,S.Jahnamir,E.D.Rekow,E.Romberg.Abrasive machining of glass-infiltratedalumina with diamond burs,Machining Science&Technology 5(1)(2001)43-61.)。申请人所在研究团队自2005年与天津医科大学合作，打破国外现有研究装置一维准静态局限，先后设计了二维及三维口腔调磨物理仿真体外模拟装置。以上研究都未曾将超声系统加入到牙科陶瓷的磨削加工中，为了进一步研究径向超声振动辅助磨削牙科陶瓷材料的相关性能，需要设计出一款辅以径向超声振动的三维的体外口腔高速调磨修复模拟装置。

发明内容

本发明的目的，是为了提高牙科陶瓷的加工质量和临床牙体修复舒适性，提供一种径向超声波辅助牙科手机口腔高速调磨修复模拟装置。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种径向超声波辅助牙科手机口腔高速调磨修复模拟装置，包括支撑系统和测力系统，其特征在于，支撑系统由底板1、顶板6和立柱13组成；测力系统设置在支撑系统的下部，由测力仪支撑板2和测力仪3组成；顶板6上设置有三维坐标系统，三维坐标系统由X方向滑台9、Y方向滑台7和Z方向滑台8组成；测力系统的上面设置有径向超声振动系统5；

Z方向滑台8为垂直结构，其下部设置有框架Z8-2，框架Z8-2由侧板ZA8-3、侧板ZB8-4和上板Z8-5组成，框架Z8-2的两侧板之间纵向设置有丝杠Z8-1，丝杠Z8-1与Z方向滑台滑块8-6相啮合，丝杠Z8-1的上端设置有伺服电机Z8-7；

Z方向滑台8的下面设置有Y方向滑台7，Y方向滑台7与Z方向滑台8相垂直，Y方向滑台7设置有框架Y7-2，框架Y7-2由侧板YA7-3、侧板YB7-4和上板Y7-5组成，框架Y7-2的两侧板之间横向设置有丝杠Y7-1，丝杠Y7-1与Y方向滑台滑块7-6相啮合，丝杠Y7-1的一端设置有伺服电机Y7-7；

Y方向滑台7的下面设置有X方向滑台9，X方向滑台9与Y方向滑台7水平方向呈90度夹角，X方向滑台9设置有框架X9-2，框架X9-2由侧板XA9-3、侧板XB9-4和上板X9-5组成，框架X9-2的两侧板之间横向设置有丝杠X9-1，丝杠X9-1与X方向滑台滑块9-6相啮合，丝杠X9-1的一端设置有伺服电机X9-7；

所述径向超声振动系统5设置有变幅杆支架5-1，超声变幅杆支架5-1的上端中心位置设置一圆孔，圆孔内设置有超声变幅杆5-2，超声变幅杆5-2的尾端即圆孔的后面连接一换能器5-3，换能器5-3与外部超声波电源相连接；超声变幅杆5-2通过大螺母5-4与连接杆5-5相连接，连接杆5-5的前端设置有内螺纹，直接与工件12进行螺纹连接；

底板1为回字型结构，中央为矩形空心部分，空心部分设置有测力仪支撑板2，测力仪支撑板2的上面设置有测力仪3，测力仪3的上面设置有集液器4，集液器4为圆盆状接水盘，集液器4固定在集液器托板14上；集液器托板14为长方形，集液器托板14的一端设置有超声变幅杆支架5-1，集液器4一边缘处设置有半圆通孔，超声变幅杆5-2通过该半圆通孔延伸到集液器4内；集液器托板14与其下面的测力仪3进行螺纹链接；

顶板6的上面设置有直角板8-9，直角板8-9通过螺栓固定在顶板6上，直角板8-8与另一П形状的围板8-9组成一箱体结构，围板8-9也通过螺栓固定在顶板6上，箱体结构内连同顶板6上下贯通；Z方向滑台8通过箱体结构垂直设置在顶板6上，Z方向滑台滑块8-6与直角板8-9通过螺栓相固定；Z方向滑台8中的侧板ZB8-4与Y方向滑台7中的上板X9-5相固定；Y方向滑台7中的Y方向滑台滑块7-6与X方向滑台9中的上板X9-5相固定；

X方向滑台滑块9-6的下边设置有牙科手机夹具11，牙科手机夹具11用于夹持牙科手机10。

顶板6和底板1之间的平行度为0.1。

底板1中央的空心部分设置的测力仪支撑板2与底板1不相接触。

集液器4的圆盆状接水盘的高度为工件12的中心位置。

集液器4的底部设置有导水接口。

本发明可将临床用牙科手机及牙用磨料磨具用于磨削试验研究，并针对各种齿科材料进行动态的辅以径向超声振动的三维磨削修复试验，并可通过动态的测力仪对磨削力随时进行测定和监控。本发明的试验机具有结构简单、紧凑，操作方便，制造成本低等优点。

附图说明

图1是本发明模拟装置的结构示意图；

图2是本发明模拟装置的径向超声振动系统结构示意图；

图3是本发明模拟装置的牙科手机夹具结构示意图；

图4是本发明模拟装置三维运动系统结构示意图；

图5是本发明模拟装置集液器结构示意图。

附图标记如下：

1———底板 2———测力仪支撑板

3———测力仪 4———集液器

5———切向超声振动系统 5-1———变幅杆支架

5-2———变幅杆 5-3———换能器

5-4———大螺母 5-5———连接杆

6———顶板

7———Y方向滑台

7-1———丝杠Y 7-2———框架Y

7-3———侧板YA 7-4———侧板YB

7-5———上板Y 7-6———Y方向滑台滑块

7-7———伺服电机Y

8———Z方向滑台

8-1———丝杠Z 8-2———框架Z

8-3———侧板ZA 8-4———侧板ZB

8-5———上板Z 8-6———Z方向滑台滑块

8-7———伺服电机Z 8-8———直角板

8-9———围板

9———X方向滑台

9-1———丝杠X 9-2———框架X

9-3———侧板XA 9-4———侧板XB

9-5———上板X 9-6———X方向滑台滑块

9-7———伺服电机X

10———牙科手机 11———牙科手机夹具

12———工件 13———立柱

14———集液器托板

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

本发明采用常规制备材料和工艺方法进行制备，所有零部件均采用螺栓连接。

本发明由支撑系统、测力系统、三维坐标系统和径向超声振动系统组成。参见图1，支撑系统由底板1、顶板6和立柱13组成；测力系统设置在支撑系统的下部，由测力仪支撑板(2)和测力仪(3)组成；顶板6上设置有三维坐标系统，三维坐标系统由X方向滑台9、Y方向滑台7和Z方向滑台8组成；测力系统的上面设置有径向超声振动系统5。

参见图4，三维坐标系统的结构如下：

Z方向滑台8为垂直结构，其下部设置有框架Z8-2，框架Z8-2由侧板ZA8-3、侧板ZB8-4和上板Z8-5组成，框架Z8-2的两侧板之间纵向设置有丝杠Z8-1，丝杠Z8-1与Z方向滑台滑块8-6相啮合，丝杠Z8-1的上端设置有伺服电机Z8-7；

Z方向滑台8的下面设置有Y方向滑台7，Y方向滑台7与Z方向滑台8相垂直，Y方向滑台7设置有框架Y(7-2)，框架Y(7-2)由侧板YA(7-3)、侧板YB(7-4)和上板Y(7-5)组成，框架Y(7-2)的两侧板之间横向设置有丝杠Y(7-1)，丝杠Y(7-1)与Y方向滑台滑块(7-6)相啮合，丝杠Y(7-1)的一端设置有伺服电机Y7-7；

Y方向滑台7的下面设置有X方向滑台9，X方向滑台9与Y方向滑台7水平方向呈90度夹角，X方向滑台9设置有框架X9-2，框架X9-2由侧板XA9-3、侧板XB9-4和上板X9-5组成，框架X9-2的两侧板之间横向设置有丝杠X9-1，丝杠X9-1与X方向滑台滑块(9-6)相啮合，丝杠X9-1的一端设置有伺服电机X9-7。

XYZ三个方向滑台依次连接构成了一个直角坐标系，每一个滑台都内置一根滚珠丝杠，丝杠上有随动的滑块，丝杠一端与伺服电机相连，通过电机/丝杠的传动方式实现每个直线滑台的直线运动，X、Y方向滑台的丝杠另一端装有刻度盘，用于电机与滑台连接后的调试。

所述径向超声振动系统5设置有变幅杆支架5-1，超声变幅杆支架5-1的上端中心位置设置一圆孔，圆孔内设置有超声变幅杆5-2，超声变幅杆5-2的尾端即圆孔的后面连接一换能器5-3，换能器5-3与外部超声波电源相连接；超声变幅杆5-2通过大螺母5-4与连接杆5-5相连接，连接杆5-5的前端设置有内螺纹，直接与工件12进行螺纹连接；

底板1为回字型结构，中央为矩形空心部分，空心部分设置有测力仪支撑板2，测力仪支撑板2的上面设置有测力仪3，测力仪支撑板2与底板1不相接触；测力仪3的上面设置有集液器4，集液器4为圆盆状接水盘，集液器4固定在集液器托板14上。参见图5和图2，集液器托板14为长方形，集液器托板14的一端设置有超声变幅杆支架5-1，集液器4一边缘处设置有半圆通孔，超声变幅杆5-2通过该半圆通孔延伸到集液器4内；集液器4的圆盆状接水盘的高度为工件12的中心位置，避免冷却水四溅，集液器4的底部设置有导水接口，可将冷却水及时排除；集液器托板14与其下面的测力仪3进行螺纹链接；

为了保证工件12与牙科手机10上的磨削车针处于垂直位置，要求顶板6和底板1之间有较高的平行度，应该保持平行度为0.1。

顶板6的上面设置有直角板8-9，直角板8-9通过螺栓固定在顶板6上，直角板8-8与另一П形状的围板8-9组成一箱体结构，围板8-9也通过螺栓固定在顶板6上，箱体结构内连同顶板6上下贯通；Z方向滑台8通过箱体结构垂直设置在顶板6上，Z方向滑台滑块8-6与直角板8-9通过螺栓相固定；直角板既起到固定滑块的作用，又能为Z方向滑台做直线运动提供稳定支撑。Z方向滑台8中的侧板ZB8-4与Y方向滑台7中的上板X9-5相国定；Y方向滑台7中的Y方向滑台滑块7-6与X方向滑台9中的上板X9-5相国定。

X方向滑台滑块9-6的下边设置有牙科手机夹具11，牙科手机夹具11向下通过四个螺栓紧固夹持住牙科手机10，图3是牙科手机夹具结构示意图。牙科手机10由高速涡轮牙钻机驱动，在牙科手机尾部有进气孔和进水孔，高压气体进入牙科手机的进气孔气动牙科车针做高速转动，同时有冷却液从进水孔不断喷射到工件12上。底板1中央设置有的测力仪支撑板与底板非接触，用以避免超声振动通过底板传到牙科手机，产生振动抵消，影响实验结果。

当启动换能器5-3后变幅杆就能产生超声振动，超声振动的方向是沿着变幅杆5-2的轴线方向，使工件12相对于刀具(牙科手机)做径向振动。

如图3所示，所述牙科手机夹具11是仿牙科手机10形状走向设计，两个孔刚好和手机机身贴合，当螺栓紧固后，既防止手机受到磨削力后前后窜动，也可以防止其轴向转动。牙科手机夹具11与X方向滑台滑块9-6直接相连，增加了系统的刚性和稳定性。

磨削过程中，超声振动系统给工件提供径向超声振动，三维坐标系统可以根据运动控制信号动作，带动牙科手机按照既定轨迹对工件进行三维轨迹的磨削加工。测力仪可以对磨削力随时进行测定和监控，并通过外部的测试系统，对相关的磨削信号进行采集和分析。

本发明的径向超声波辅助牙科手机口腔高速调磨修复模拟装置实现了牙科手机的三维可控运动，工件的径向超声振动，即三维的径向超声振动磨削加工。可针对各种齿科材料进行三维超声振动磨削修复试验，通过测力仪对磨削力随时进行测定和监控。

Claims (5)

1.一种径向超声波辅助牙科手机口腔高速调磨修复模拟装置，包括支撑系统和测力系统，其特征在于，支撑系统由底板(1)、顶板(6)和立柱(13)组成；测力系统设置在支撑系统的下部，由测力仪支撑板(2)和测力仪(3)组成；顶板(6)上设置有三维坐标系统，三维坐标系统由X方向滑台(9)、Y方向滑台(7)和Z方向滑台(8)组成；测力系统的上面设置有径向超声振动系统(5)；

Z方向滑台(8)为垂直结构，其下部设置有框架Z(8-2)，框架Z(8-2)由侧板ZA(8-3)、侧板ZB(8-4)和上板Z(8-5)组成，框架Z(8-2)的两侧板之间纵向设置有丝杠Z(8-1)，丝杠Z(8-1)与Z方向滑台滑块(8-6)相啮合，丝杠Z(8-1)的上端设置有伺服电机Z(8-7)；

Z方向滑台(8)的下面设置有Y方向滑台(7)，Y方向滑台(7)与Z方向滑台(8)相垂直，Y方向滑台(7)设置有框架Y(7-2)，框架Y(7-2)由侧板YA(7-3)、侧板YB(7-4)和上板Y(7-5)组成，框架Y(7-2)的两侧板之间横向设置有丝杠Y(7-1)，丝杠Y(7-1)与Y方向滑台滑块(7-6)相啮合，丝杠Y(7-1)的一端设置有伺服电机Y(7-7)；

Y方向滑台(7)的下面设置有X方向滑台(9)，X方向滑台(9)与Y方向滑台(7)水平方向呈90度夹角，X方向滑台(9)设置有框架X(9-2)，框架X(9-2)由侧板XA(9-3)、侧板XB(9-4)和上板X(9-5)组成，框架X(9-2)的两侧板之间横向设置有丝杠X(9-1)，丝杠X(9-1)与X方向滑台滑块(9-6)相啮合，丝杠X(9-1)的一端设置有伺服电机X(9-7)；

所述径向超声振动系统( 5) 设置有变幅杆支架(5-1)，超声变幅杆支架(5-1)的上端中心位置设置一圆孔，圆孔内设置有超声变幅杆(5-2)，超声变幅杆(5-2)的尾端即圆孔的后面连接一换能器(5-3)，换能器(5-3)与外部超声波电源相连接；超声变幅杆(5-2)通过大螺母(5-4)与连接杆(5-5)相连接，连接杆(5-5)的前端设置有内螺纹，直接与工件(12)进行螺纹连接；

底板(1)为回字型结构，中央为矩形空心部分，空心部分设置有测力仪支撑板(2)，测力仪支撑板(2)的上面设置有测力仪(3)，测力仪(3)的上面设置有集液器(4)，集液器(4)为圆盆状接水盘，集液器(4)固定在集液器托板(14)上；集液器托板(14)为长方形，集液器托板(14)的一端设置有超声变幅杆支架(5-1)，集液器(4)一边缘处设置有半圆通孔，超声变幅杆(5-2)通过该半圆通孔延伸到集液器(4)内；集液器托板(14)与其下面的测力仪(3)进行螺纹链接；

顶板(6)的上面设置有直角板(8-9)，直角板(8-9)通过螺栓固定在顶板(6)上，直角板(8-8)与另一П形状的围板(8-9)组成一箱体结构，围板(8-9)也通过螺栓固定在顶板(6)上，箱体结构内连同顶板(6)上下贯通；Z方向滑台(8)通过箱体结构垂直设置在顶板(6)上，Z方向滑台滑块(8-6)与直角板(8-9)通过螺栓相固定；Z方向滑台(8)中的侧板ZB(8-4)与Y方向滑台(7)中的上板X(9-5)相固定；Y方向滑台(7)中的Y方向滑台滑块(7-6)与X方向滑台(9)中的上板X(9-5)相固定；

X方向滑台滑块(9-6)的下边设置有牙科手机夹具(11)，牙科手机夹具(11)用于夹持牙科手机(10)。

2.根据权利要求1所述的径向超声波辅助牙科手机口腔高速调磨修复模拟装置，其特征在于，顶板(6)和底板(1)之间的平行度为0.1。

3.根据权利要求1所述的径向超声波辅助牙科手机口腔高速调磨修复模拟装置，其特征在于，底板(1)中央的空心部分设置的测力仪支撑板(2)与底板(1)不相接触。

4.根据权利要求1所述的径向超声波辅助牙科手机口腔高速调磨修复模拟装置，其特征在于，集液器(4)的圆盆状接水盘的高度为工件(12)的中心位置。

5.根据权利要求1所述的径向超声波辅助牙科手机口腔高速调磨修复模拟装置，其特征在于，集液器(4)的底部设置有导水接口。