CN105702144A - 切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

本发明公开了一种切向超声波辅助牙科手机口腔高速调磨修复模拟装置，包括固定机架和超声波辅助模拟修复实验机。固定机架由上顶板，下底板和立柱组成。下底板内设置有切向超声振动系统，外接电源后，该系统的牙科材料夹具作切向振动；上顶板的下面设置有二维运动系统，该系统驱动牙科手机进行加工过程。本发明可以对修复材料进行切向超声辅助高速调磨，在磨削过程中，通过测力仪对力信号进行采样并转化为电信号，对工件的切向超声振动及磨削力进行分析，对切向超生波辅助对口腔调磨的改善效果进行研究。该模拟装置结构简单、紧凑、操作方便。

Description

切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

本发明是关于口腔修复材料高速调磨模拟装置，特别涉及一种切向超声辅助二维体外口腔高速调磨修复模拟平台。

背景技术

上世纪五十年代，第一支空气涡轮高速牙科手机问世，标志着口腔高速调磨技术的开始，截止到目前为止，其转速已达到40-50万转/分。上世纪九十年代起，为了探究口腔高速调磨手术，各国的研究学者们针对不同的研究问题，设计了多种体外模拟口腔高速调磨装置，并进行了实验研究。

为了解决上述问题，马里兰大学的S.C.Siegel和J.V.vonFraunnhofer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.Effectsofhandpieceloadonthecuttingefficiencyofdentalburs,MachiningScience&Technology1(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，并重点对材料去除率进行了研究。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,Mechanicalcharacterizationofdentalceramicsbyhertziancontacts,JournalofDentalResearch77(4)(1998)589-602.)。美国国家标准局的X.Dong、L.Yin、S.Jahanmir、L.K.Ives与新泽西医科大学的D.E.Rekow合作，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(参见L.Yin,S.Jahanmir,L.K.Ives.Abrasivemachiningofporcelainandzirconiawithadentalhandpiece,Wear255(2003)975-989.)，并对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和金刚石磨具磨损的影响进行了深入研究。

天津大学的宋晓菲等人设计了二维以及三维体外口腔高速调磨实验平台(参见宋晓菲.牙科陶瓷高速手机调磨研究，博士学位论文，天津大学，2008)，打破了国外的模拟装置一维准静态的局限性；首次对牙科高速手机临床使用性能的相关参数进行了体外动态测试以及评价，揭示了牙科陶瓷/天然牙组织体外口腔调磨的表面轮廓成型特点；首次建立了修复体亚表面损伤的仿真模型，对口腔修复参数对于牙科修复体造成的亚表面损伤深度进行了定量分析；首次对口腔高速调磨中热传递和热损伤机理进行了相关研究，建立了口腔高速磨削区温度场的专业测量方法和理论模型。

通过理论分析知道切向超声辅助加工在提高加工效率、降低切削力以及提高加工工具性能方面具有显著优势，为了进一步研究切向超声辅助加工的实际切削性能，设计出一种利用牙科手机进行切向超声波辅助磨削修复的装置是十分必要的。

发明内容

本发明的目的，是在现有技术的基础上进一步降低磨削力、提高刀具使用寿命，提供一种切向超声辅助口腔高速调磨修复体外模拟实验平台。

本发明通过下述技术方案予以实现。

一种切向超声波辅助牙科手机口腔高速调磨修复模拟装置，主要包括固定机架和超声辅助模拟修复实验机。其特征在于，固定机架由上顶板7，下底板13和立柱12组成，下底板13与立柱12间为螺纹连接，上顶板7四角与立柱12的对应位置设置有通孔，上顶板7通过通孔及上下螺母与立柱12进行螺纹固定。

下底板13为中空结构，其中空部分为矩形形状，该矩形的中空结构内设置有小底板1，小底板1的上面设置有测力仪2，测力仪2的上面设置有定位板3，定位板3的一端设置有切向超声振动系统11；该切向超声振动系统11包括固定装置11-6，所述固定装置11-6由相互垂直的两板式结构组成；其水平的板式结构的两边设置有两对相对称的定位孔，固定装置11-6通过该定位孔固定在定位板3的一端；其垂直的板式结构的上部设置有一圆孔，圆孔的内侧设置有变幅杆11-1，变幅杆11-1的前端通过大螺母11-2与连接杆11-3进行螺纹连接，连接杆11-3的前端设置有牙科材料夹具11-5；变幅杆11-1的后端、圆孔的外侧设置有换能器11-4，换能器11-4外接电源后，带动牙科材料夹具11-5作切向振动；在牙科材料夹具11-5的下面、定位板3的上面设置有接水盘4，接水盘4内设置有挡水板5；

上顶板7的下面设置有二维运动系统8，二维运动系统8包括上下相互垂直的直线滑台A8-1和直线滑台B8-4，直线滑台A8-1和直线滑台B8-4内分别设置有滑块A8-2和滑块B8-5，直线滑台A8-1和直线滑台B8-4的外端还分别设置有伺服电机A8-3和伺服电机B8-6，伺服电机A8-3和伺服电机B8-6分别驱动滑块A8-2和滑块B8-5；直线滑台A8-1与上顶板7为刚性固定连接；滑块B8-5通过其下面的螺栓连接有高度调节器6，调节器6的下端设置有牙科手机夹具10，牙科手机夹具10内设置有牙科手机11。

所述高度调节器6由固定端6-1、调节套6-2和调节螺母6-3组成，固定端6-1设置有两个对称的平键，调节套6-2的上部、与两平键对应位置设置有两凹槽，两平键与两凹槽相配合，通过旋动调节螺母6-3使调节套6-2在竖直方向运动以进行高度调节。

所述小底板1上面设置的测力仪2与下底板13不相接触。

所述牙科手机夹具10由手机夹具固定端10-1和虎口钳10-2组成。

通过本发明的模拟实验装置，可以对修复材料进行切向超声辅助高速调磨，通过对施加切向超声振动与未施加超生振动的磨削后修复材料进行比对，并借助测力仪对磨削修复力进行测定和分析，可以对切向超生辅助对口腔调磨的改善效果进行研究，该模拟装置结构简单、紧凑、操作方便。

附图说明

图1是本发明切向超声波辅助牙科手机口腔高速调磨修复模拟装置的结构三维示意图；

图2是本发明切向超声波辅助牙科手机口腔高速调磨修复模拟装置的二维运动系统结构示意图；

图3是本发明切向超声波辅助牙科手机口腔高速调磨修复模拟装置的高度调节器及手机夹具结构示意图；

图4是本发明切向超声波辅助牙科手机口腔高速调磨修复模拟装置的接水盘结构示意图；

图5是本发明切向超声波辅助牙科手机口腔高速调磨修复模拟装置的切向超声振动系统结构示意图；

附图标记如下：

1———小底板2———测力仪

3———定位板4———接水盘

5———挡水板

6———高度调节器

6-1———固定端6-2———调节套

6-3———调节螺母

7———上顶板

8———二维运动系统

8-1———直线滑台A8-2———滑块A

8-3———伺服电机A8-4———直线滑台B

8-5———滑块B8-6———伺服电机B

9———牙科手机

10———牙科手机夹具

10-1———手机夹具固定端10-2———虎口钳

11———切向超声振动系统

11-1———变幅杆11-2———大螺母

11-3———连接杆11-4———换能器

11-5———牙科材料夹具11-6———固定装置

12———立柱13———下底板

具体实施方式

本发明涉及一种切向超声辅助口腔高速调磨修复体外模拟实验平台，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。

如图1所示，切向超声辅助口腔高速调磨修复体外模拟实验平台由固定机架和超声辅助模拟修复系统组成。其中，固定机架由上顶板7，下底板13和立柱12组成，上顶板7四角位置为通孔，通过上下螺母与立柱12固定。

上顶板7与图2所示二维运动系统8中的直线滑台A8-1刚性固定连接，直线滑台A8-1上设有滑块A8-2，直线滑台A8-1外部设置有伺服电机A8-3，伺服电机A8-3驱动滑块A8-2沿X方向水平运动。

滑块A8-2与直线滑台B8-4刚性连接；直线滑台B8-4上设置有滑块B8-5，滑块B8-5通过其下面的螺栓与高度调节器6相连接，直线滑台B8-4外部设置有伺服电机B8-6，伺服电机B8-6驱动滑块B8-5沿Y方向水平运动。

如图3所示，为限制调节套6-2，使其仅能在竖直方向上即高度方向上移动，高度调节器6的固定端6-1设有两个对称的平键，与调节套6-2上部设置的凹槽配合，限制调节套6-2绕轴转动。旋动调节螺母6-3可以带动调节套6-2延高度方向缓慢移动，起到较为精确的高度调节作用。调节器6的下端连接有手机夹具10，手机夹具固定端10-1与虎口钳10-2通过螺钉拧紧，与牙科手机11相连接并起到固定作用。牙科手机11由高速涡轮牙钻机驱动，牙科手机11尾部设置有两个小孔，分别为进气孔和进水孔。在加工过程中，通过牙科手机的进气孔气动牙科车针高速旋转，同时牙科手机的进水孔不断喷射冷却液，防止牙钻机过热，保障其正常工作。

直线滑台A8-1和直线滑台B8-4构成了XY两个方向的二维运动系统，高度调节器恰好能够在垂直于XY方向的Z方向上进行高度调节，这样就可以使牙科手机9的工作范围覆盖一个三维空间，满足切削需要。

参见图1，下底板15为中空结构，其中间设有小底板1，下底板15与小底板1不接触，用以避免超声振动通过下底板15传到牙科手机9，产生振动抵消，影响实验结果。小底板1与测力仪2螺栓连接，测力仪2上连接有定位板3，定位板3上设有接水盘4和切向超声系统固定装置11-6，接水盘4上面安装挡水板5。接水盘4底部设置有导水接口，可将冷却水及时排除。

图5是切向超声振动系统11的结构示意图，包括变幅杆11-1、大螺母11-2、连接杆11-3、换能器11-4和固定装置11-6；固定装置11-6的上部设置有圆孔，变幅杆11-1穿过固定装置11-6的圆孔并固定在固定装置11-6上，变幅杆11-1和连接杆11-3通过大螺母11-2进行连接，变幅杆11-1外端设有换能器11-4，连接杆11-3与牙科材料夹具11-5相连；换能器11-4外接超声电源后，使变幅杆11-1沿其轴向振动，振动通过连接杆11-3和牙科材料夹具11-5传递到牙科材料，此时，牙科材料刚好沿着牙科手机9的磨削车针的切向振动。

在磨削过程中，超声振动系统给工件提供切向超声振动，二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磨削加工，测力仪对力信号进行采样并转化为电信号，实现对修复磨削力的测定和分析。

切向超声辅助口腔高速调磨修复体外模拟实验平台可实现临床口腔修复手术的体外模拟，对工件的切向超声振动及磨削力分析，实现对修复材料的二维超声辅助高速调磨。

Claims (4)

1.一种切向超声波辅助牙科手机口腔高速调磨修复模拟装置，主要包括固定机架和超声辅助模拟修复实验机。其特征在于，固定机架由上顶板(7)，下底板(13)和立柱(12)组成，下底板(13)与立柱(12)间为螺纹连接，上顶板(7)四角与立柱(12)的对应位置设置有通孔，上顶板(7)通过通孔及上下螺母与立柱(12)进行螺纹固定。

下底板(13)为中空结构，其中空部分为矩形形状，该矩形的中空结构内设置有小底板(1)，小底板(1)的上面设置有测力仪(2)，测力仪(2)的上面设置有定位板(3)，定位板(3)的一端设置有切向超声振动系统(11)；该切向超声振动系统(11)包括固定装置(11-6)，所述固定装置(11-6)由相互垂直的两板式结构组成；其水平的板式结构的两边设置有两对相对称的定位孔，固定装置(11-6)通过该定位孔固定在定位板(3)的一端；其垂直的板式结构的上部设置有一圆孔，圆孔的内侧设置有变幅杆(11-1)，变幅杆(11-1)的前端通过大螺母(11-2)与连接杆(11-3)进行螺纹连接，连接杆(11-3)的前端设置有牙科材料夹具(11-5)；变幅杆(11-1)的后端、圆孔的外侧设置有换能器(11-4)，换能器(11-4)外接电源后，带动牙科材料夹具(11-5)作切向振动；在牙科材料夹具(11-5)的下面、定位板(3)的上面设置有接水盘(4)，接水盘(4)内设置有挡水板(5)；

上顶板(7)的下面设置有二维运动系统(8)，二维运动系统(8)包括上下相互垂直的直线滑台A(8-1)和直线滑台B(8-4)，直线滑台A(8-1)和直线滑台B(8-4)内分别设置有滑块A(8-2)和滑块B(8-5)，直线滑台A(8-1)和直线滑台B(8-4)的外端还分别设置有伺服电机A(8-3)和伺服电机B(8-6)，伺服电机A(8-3)和伺服电机B(8-6)分别驱动滑块A(8-2)和滑块B(8-5)；直线滑台A(8-1)与上顶板(7)为刚性固定连接；滑块B(8-5)通过其下面的螺栓连接有高度调节器(6)，调节器(6)的下端设置有牙科手机夹具(10)，牙科手机夹具(10)内设置有牙科手机(11)。

2.根据权利要求1所述的切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，所述高度调节器(6)由固定端(6-1)、调节套(6-2)和调节螺母(6-3)组成，固定端(6-1)设置有两个对称的平键，调节套(6-2)的上部、与两平键对应位置设置有两凹槽，两平键与两凹槽相配合，通过旋动调节螺母(6-3)使调节套(6-2)在竖直方向运动以进行高度调节。

3.根据权利要求1所述的切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，所述小底板(1)上面设置的测力仪(2)与下底板(13)不相接触。

4.根据权利要求1所述的切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，所述牙科手机夹具(10)由手机夹具固定端(10-1)和虎口钳(10-2)组成。