CN105963041A - 一种适于各种形状和壁厚缺损制作的智能加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于各种形状和壁厚缺损制作的智能加工装置，包括支撑框架，支撑框架内安装有二维运动机构以及设置在二维运动机构上的切割机构；升降机构；用于调整切割机构内刀片切割方向的旋转机构；二维运动机构用于驱动切割机构在垂直于升降机构升降方向的平面内进行二维方向的调整；控制器，用于接收待加工缺损三维模型数据，并将其转化为二维运动机构的运行轨迹以及刀片切割方向数据，用于控制二维运动机构和旋转机构的运行。本发明的缺损智能制造装置结构简单，装置制造成本低，操作方便，智能化集成度高，能够在不破坏骨壁下组织的前提下，自动的按照设计要求完成对具有不同壁厚的颅骨缺损的制造，而且缺损的形状任意。

Description

一种适于各种形状和壁厚缺损制作的智能加工装置

技术领域

本发明涉及一种缺损制造装置，尤其是涉及一种在动物薄壁骨、颅骨等上的适于各种形状和壁厚缺损制作的智能加工装置。

背景技术

骨组织工程修复是当今世界研究的一个热点，为了研究新型生物材料对骨组织修复性能的影响，科研工作者需要进行各种的动物实验，其中最常见的就有颅骨修复实验，事先在动物的颅骨上制造一个缺损，然后把生物材料填充进去，目前最常见的就是打孔，用一个手持式的打磨机，外加一个环状钻头，而常规的生物材料也是做成很薄的圆柱体形状，然后通过对圆柱体形状结构生物材料的骨修复情况来说明材料的好坏。

但真实的情况是创伤后所需要修复的形状不一定是圆形的，它可能是一个三角形，也可能是一个多边形，或者是一个复杂的形状，同时骨修复的理念是对缺损的位置进行CT扫描，获取其三维结构，然后制造相应的结构进行填充修复，这就使得结构的形状不再单一，为了更接近真实情况，更好的体现材料的修复效果，需要研究复杂结构的骨修复情况，随着制造技术的发展，基于三维打印技术可以制造很复杂形状的结构，解决了材料制造的问题，而对应的缺损制造工具，却还是传统的打孔装置，没有新的设备来制造，对于有创伤的人，其缺损是已经存在的，不需要人为进行制造，但对于科研工作者，为了实验，就需要人为制造缺损，虽然可以通过手持式的打磨机外加一个钻头进行缺损的制造，但存在一些问题，比如这是人为手工操作，在制造的时候可能会打穿颅骨，因为不同的动物其颅骨壁厚不同，同一个动物其颅骨壁厚也是不同的，而颅骨的下面就是脑膜和脑组织，在深度上面控制不好，就有可能破坏掉颅骨下面的脑组织或者是脑组织上的血管，造成大出血，这就大大增加了缺损制造过程中，动物死亡的几率；另外，要手工制造一个形状复杂的缺损，没有一定的经验和技术是做不到的，因为无法保证尺寸和形状与设计目标的一致性，同时，作为一个实验，需要很多重复组，手工操作无法保证每次做的缺损形状和尺寸都是一样的，因此，为了解决这个问题，就需要开发出一台设备，能够按照需求，自动的完成在颅骨上形状复杂的缺损的制造，同时缺损具有可重复性，而不引起动物死亡。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、操作方便、缺损制作效率高、在动物颅骨、薄壁骨等部位上能适于各种形状和壁厚缺损制作的智能加工装置。

一种适于各种形状和壁厚缺损制作的智能加工装置，包括支撑框架，所述支撑框架内安装有二维运动机构以及设置在二维运动机构上的：

用于缺损切削的切割机构；

用于驱动切割机构升降的升降机构；

用于调整切割机构内刀片切割方向的旋转机构；

所述二维运动机构用于驱动切割机构在垂直于升降机构升降方向的平面内进行二维方向的调整；通过升降机构和二维运动机构配合作业，实现对切割机构三维运动方向的控制。

作为优选，还包括：

控制器，用于接收待加工缺损三维模型数据，并将其转化为二维运动机构的运行轨迹以及刀片切割方向数据，用于控制二维运动机构和旋转机构的运行；

用于检测切割机构所受压力的压力传感器；

所述控制器同时用于接收压力传感器的压力信号，同时根据压力信号对所述切割机构、升降机构进行控制。

作为优选，所述支撑框架包括：

支撑板，所述二维运动机构安装在该支撑板上；

与所述支撑板固定、用于罩盖所述旋转机构的端盖；

固定在支撑板底部的脚架。

作为进一步优选，所述支撑框架还包括用于固定供液机构或者控制器的隔离板，以及固定安装在支撑板下面包围脚架的保护套；保护套用于对切割作业进行防护。所述的保护套为透明的亚克力板，分为4块，相互连接，每块板又安装在上述的支撑板上，当支撑板运动时，跟随支撑板一起上下运动，保护套的最低点比切割机构的最低点要低，能起到更好的保护作用，通过保护套可以看到内部的打孔情况，又能阻隔外部脏物进入内部。

所述的二维运动机构包括X轴运动模块和Y轴运动模块，所述的X轴运动模块安装在Y轴运动模块上，Y轴运动模块带动X轴运动模块在Y轴方向进行移动，X轴运动模块上的移动滑块上安装有切割机构，带动切割机构在X轴方向进行移动，当需要切割目标结构时，二维运动机构上的X轴运动模块和Y轴运动模块一起运动，带动切割机构在X轴和Y轴方向进行运动，实现切割机构在二维平面内任意轨迹的运动，完成对目标结构在水平面内的切割，当然切割的截面也包括普通的圆轨迹，正方形轨迹以及多边形轨迹，而且调节起来很方便，只需要改变装置内的程序参数就可以实现，不需要改变和拆装装置内的结构，方便操作人员随时更改形状。作为优选，

作为优选，两个运动模块都是采用电机经联轴器带动丝杆旋转的传动方式，丝杆上安装有移动滑块，移动滑块沿着导轨平滑运动，Y轴运动模块中，对称分布着两个滑块和两个导轨，X轴运动模块安装在两个滑块上，使得X轴运动模块在Y轴运动模块上运动时更加的平稳。

作为优选，所述脚架包括：

脚架固定座；

滑动设置在脚架固定座顶部的脚架活动座；

设置在脚架固定座内用于驱动脚架活动座升降运动的脚架电机。通过该技术方案，可以根据需要对脚架的高度进行调整，操作简便。

作为优选，所述的脚架均匀分布在支撑板的4个角落上，当需要调节装置的高度时，操作装置通过控制板(或者控制器)控制4个脚架一起升高或者下降，所述的安装在脚架固定座底部的脚架底座底部是橡胶材料，顶部中间有调节螺母和一根螺杆，螺杆上端连接着脚架固定座的底部，通过这种设计，可以使得当装置安放在底面不平的平面上时，通过调节螺母调节脚架底座的高度来对装置进行调平，使得切割机构与要切割的面是垂直的，保证装置能够顺利进行缺损的制造。

作为优选，所述脚架电机输出端设有脚架丝杆；

所述脚架活动座与所述脚架丝杆螺纹配合，实现脚架电机动力的传输；

所述脚架活动座与脚架丝杆之间设有升降导向机构。

作为进一步优选，所述的脚架包括脚架底座，安装在脚架底座上的脚架固定座，固定安装在脚架固定座上端的脚架固定座上端盖，固定安装在脚架固定座底部的脚架电机，安装在脚架电机输出轴上的脚架联轴器，安装在脚架联轴器另一端的脚架丝杆，固定安装在脚架丝杆一端上的脚架滑块，安装在脚架滑块内的脚架光杆，安装在脚架光杆一端的脚架活动座端盖和安装在脚架光杆另一端的脚架活动座，所述的脚架活动座端盖固定安装在脚架活动座上，所述的脚架丝杆与脚架活动座底部中心以螺纹方式配合，实现脚架电机驱动力的传动，脚架光杆有2根或2根以上，均匀或对称分布在脚架丝杆四周或两侧，所述脚架光杆和脚架滑块构成所述的升降导向机构，用来对脚架滑块的移动起辅助导向作用，防止脚架丝杆在转动中由于距离太长而变形，所述的脚架活动座端盖的上表面又与上述的支撑板接触，支撑板固定安装在脚架活动座端盖上，当需要升高整个装置的高度时，脚架电机旋转，通过脚架联轴器带动脚架丝杆旋转，脚架活动座向上运动，即整个机器向上运动，从而对安装在支撑框架上的切割机构进行高度方向的调节，以适应不同尺寸和不同类型的动物，在这个过程中，脚架滑块和脚架丝杆的设计，可以使得脚架活动座的运动更加平稳。所述脚架滑块和脚架光杆构成所述的升降导向机构。

作为优选，还包括：

用于检测切割机构的刀片距离待加工表面距离的距离检测仪，该距离检测仪检测得到的距离数据同时输入给控制器，用于控制升降机构运动。

作为优选，所述旋转机构包括旋转电机；所述升降机构包括：

通过升降电机外壳与所述旋转电机输出轴固定的升降电机；

所述升降电机输出轴通过一支撑座与所述切割机构安装固定。

作为优选，所述切割机构包括：

与所述支撑座固定的切割电机外壳；

设置在切割电机外壳内的切割电机；

受所述切割电机驱动的刀片。

具体讲，所述的升降机构包括与上述旋转电机旋转轴固定安装的联轴器，安装在联轴器下端的升降电机外壳，固定安装在升降电机外壳底部上的升降电机底板，固定安装在升降电机底板上的升降电机，固定安装在升降电机输出轴上的支撑座，安装在支撑座上的压力传感器，与压力传感器相连的微位移弹簧，弹簧的末端固定安装有上述的切割机构，所述的升降电机为直线电机，当升降电机上的输出轴向下运动时，输出轴上的支撑座也向下运动，使得固定在支撑座上的压力传感器也向下运动，进而使与压力传感器相连的弹簧压缩，产生的反作用力推动切割机构向下运动，通过与二维运动机构和旋转机构的配合实现对目标结构在深度方向的切割，反之，当升降电机上的输出轴向上运动时，带动输出轴上的支撑座向上运动，支撑座的底部带动切割模块向上运动。

作为优选，所述支撑座包括：

用于与升降电机输出轴固定的杆体；

与杆体一体设置，用于与切割电机外壳固定的筒体；

所述筒体开口部位设有内翻的环形的支撑台阶；所述切割电机外壳顶部设有用于卡合在所述支撑台阶上的圆台；

所述压力传感器设置在筒体底部，压力传感器与切割电机外壳之间设有弹簧。

作为优选，所述支撑座与所述切割电机外壳之间设有防止切割电机外壳相对支撑座转动的周向定位件。

具体讲，所述的切割机构包括切割电机外壳，安装在切割电机外壳内的切割电机，与切割电机输出轴相连的传动机构以及安装在传动机构上的刀片，所述的切割机构外壳外有一个凸起块，与上述支撑座内的周向限位凹槽配合，使得切割机构外壳无法转动，只能上下运动，所述的切割机构外壳的上端有一个突出的圆台，与支撑座上的支撑台阶卡合，保证支撑座向上运动时，能带动外壳一起向上运动，当需要切割目标物体时，电机转动，通过传动机构带动刀片旋转，实现对目标物体的切割。

所述的刀片末端是一个圆台面或者圆柱面，在切割的过程中，使得切下来的结构比切的缺损结构要小很多，便于取出切下来的结构。

在切割机构进行切割的过程中，二维运动机构带动旋转的刀片运动进行水平面的切割，刀片的旋转面与刀片的前进方向相同，如果遇到正方形结构，当切割完一条边，开始切与它垂直的边时，旋转电机会通过带动安装在旋转电机旋转轴上的升降模块旋转，即带动安装在升降模块上的切割机构旋转，最后实现刀片90度的旋转，使得刀片的旋转面与刀片的前进方向再一次相同，开始新的一条边的切割，通过旋转电机的实时旋转，实现正方形结构的切割；如果是圆结构，则旋转电机会一直连续旋转，调节刀片的角度，使得在二维运动机构带动刀片作圆周运动的过程中，刀片的旋转面与圆总是相切，形成一个圆轨迹，实现圆截面的切割；如果是复杂的曲线截面，则通过控制系统，会自动计算切割该曲线截面时，二维运动机构的运动轨迹和旋转电机的旋转角度，使得刀片的旋转面始终与要切割的曲线相切，即刀片的旋转面与曲线相切点的法线垂直，以配合刀片的转动实现对不同形状的结构的切割。

作为优选，本发明还包括供液机构以及光源；供液机构可对切割机构以及切割部位进行消毒或者降温；光源用与对切割机构提供照明。

所述的供液机构包括直线电机，活塞头，供液箱，安装在供液箱底部控制液体流出的电磁阀，安装在电磁阀末端的管道，所述的管道安装在旋转机构上，沿着旋转机构一直下降到切割模块，管道的末端以一定的倾斜角度斜对着刀片的旋转中心，所述的供液机构安装在隔离板上，当需要挤出液体时，电磁阀打开，直线电机推动活塞头运动，活塞头挤压供液箱内的液体通过电磁阀流向管道，最后从管道流出的液体直接流向刀片旋转位置的中心，因为管道固定在旋转模块上，所以当二维运动机构带动刀片作平面运动时，管道也会跟着一起运动，使得管道流出来的水始终流向刀片旋转位置的中心，在加工时，旋转电机会带动刀片转动，液体始终流向刀片旋转位置的中心，然后往四周流动接触到刀片，对刀片进行清洗和冷却。

作为优选，所述的供液箱内的液体为氯化钠溶液，即生理盐水，在液体冲洗结构表面和冷却刀片的时候，也会冲洗走切削时产生的骨渣和骨头中渗出的血液，即清理切削区域，方便操作人员更清楚的看清已切割的形状和缺损制造进程，如果遇到突发事情，可以手动控制紧急停止加工。

所述的光源有两个，都安装在隔离板的下面，对称分布在隔离板的两个角落上，以一定的倾斜角度对着支撑板的中心区域，照亮装置内的加工区域，使得缺损智能制造装置在制造缺损时，操作人员通过透明的保护套可以随时跟踪观看制造情况，如果遇到突发事情时也可以及时处理。

本发明的缺损智能制造装置针对不同壁厚的骨缺损结构的工作原理如下：升降电机带动升降电机输出轴上的支撑座向下运动，导致切割模块向下运动，如果运动一个距离后，刀片没有接触到结构，则此时压力传感器上的值保持不变，即弹簧还处于原先设定的压缩状态，如果当运动一个距离后，切割机构上的刀片接触到目标结构，则切割模块会挤压弹簧，弹簧的反作用力会挤压压力传感器，此时压力传感器上检测到的压力值升高，并且会很大，系统判断为遇到切割目标，需要切割，则开启切割机构内的电机，带动刀片旋转进行切割。二维运动机构按照计算机输出的轨迹带动刀片运动，进行同一个高度内的水平面切割，切割开始时，记下当时的压力反馈值，当在一个高度内的水平面切割完成后，压力值会下降，以此来判断完成当前水平面的切割，然后刀片停止运动，升降电机带动刀片下降一个距离，开始压力检测，如果压力很大，则继续重复前面的工作，开始加工，当遇到最后一层加工完成后，升降电机带动刀片继续下降一个距离，因为此时接触的是颅骨壁下面与脑组织之间的间隙或者接触脑组织，但脑组织会回收，而且是软的，不像颅骨壁是硬的，所以检测到的压力值会很小，认为是最小压力值，则系统自动判断为该处已切割完成，记下当前的位置和深度，然后二维运动机构带动刀片沿着轨迹移动一段距离，如果此时检测到的压力值很大，则认为此处切割没有完成，需要切割，二维运动机构则带动刀片运动，当遇到刚才标记过的位置时，刀片会停止转动，进行避让，等过了位置后继续转动进行切割，如果在刚开始运动过程中遇到压力很小的值，或者在切割过程中，在其他位置遇到最小值，则认为那处也是切割完成的位置，记下新的位置，并且按照前面的方式进行避让，然后重复前面的工作，直到压力传感器检测到同一个水平面轨迹范围内设定的点的压力值都是很小时，认为缺损的切割工作完成，停止加工，升降电机带动刀片回到初始的位置，然后人为的取出切割完的结构，即完成缺损的制造。

适应各种形状不同壁厚的缺损智能制造装置的制造方法如下：

一、按常规手术操作方法暴露需要进行缺损制造的部位，把装置放在其正上方，调节装置的高度和水平度，加入生理盐水。

二、把含有缺损形状信息的文件输入到计算机，设定制造的起点，计算机软件自动计算出刀片的移动路径和旋转角度等参数。

三、缺损智能制造装置开始加工：打开光源，流出生理盐水，刀片按照设定的参数进行运动，旋转和切割，直到完成整个缺损的制造。

四、取出切割下来的缺损结构。

当需要在同一个动物上加工多个缺损时，只需要在加工完前一个缺损后，在计算机内移动下缺损的位置，重新生成新的刀片移动路径和旋转角度即可。

考虑到骨结构不是水平面的结构，有些部位是曲面的形状，在本发明装置中，作为优选，选择离刀片垂直距离最近的骨位置作为切割开始的起点，即骨的最高位置。

作为优选，也可以在本发明装置上加上一个距离检测装置，事先沿着刀片的运动轨迹测量刀片与骨结构之间的距离，然后由计算机反算出骨结构表面的轮廓高度，计算机按照由高到低的加工方法生成路径，先切割最高处的结构，即离刀片最近的骨结构水平面，切割完成后再慢慢往下降。

本发明的缺损智能制造装置的切割工作是靠刀片旋转完成的，二维运动机构只是带动刀片整体沿着缺损的外轮廓进行运动，并没有进行高速的切割工作，二维运动机构的移动速度不快，而孔的深度通过升降电机来完成，刀片的切割工作通过弹簧反馈给压力传感器的压力值来控制。在刚开始切割的时候，升降电机的下降距离可以适当增大，以提高加工效率，随着打孔深度的增加，慢慢的减小下降距离，同时随着打孔深度的增加，在越接近壁的底部时，压力传感器检测到的压力值的越小，以此来调节下降的距离。

作为优选，初始的升降距离为100～500微米，后面慢慢下降到50微米，最后的阶段为10～20微米，但其值与压力值匹配，在压力值高的位置其下降距离也大，便于提高效率。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

一、本发明的缺损智能制造装置结构简单，装置制造成本低，操作方便，智能化集成度高，利用压力传感器检测到的压力值来控制刀片切割，能够在不破坏骨壁下组织的前提下，自动的按照设计要求完成对具有不同壁厚的颅骨缺损的制造。

二、本发明的装置通过二维运动机构和旋转机构的配合，使得刀片实现在同一个平面内作二维任意轨迹轮廓的运动，只需要往计算机内导入缺损形状，就可以加工不同形状和不同尺寸的缺损结构，大大增加了装置的应用范围。

三、本发明的装置对操作人员的技能没有要求，没有经验的人也能使用和制造出想要的孔，避免了制造过程中人为因素的影响。

四、本发明的装置可以在同一个动物上实现不同形状缺损或多个缺损的加工，不需要更换装置的零件或移动整个装置，只需要简单的导入新的缺损形状或者移动下缺损位置，重新生成加工轨迹即可，操作方便。

五、本发明的装置高度自动可调节设计，方便对不同的体型的动物进行操作。

六、本发明的装置制造的缺损都是装置自动加工完成，保证了缺损形状和尺寸的一致性。

七、本发明的供液机构一方面能够为刀片提供冷却液，降低刀片工作时产生的高温，延长刀片的寿命，另一方面能够带走刀片工作时产生的杂质，防止其残留在刀片和切削的位置，影响孔的制造，同时，也能在制造过程中清理干净打孔的位置，方便操作人员更清楚的看清已打孔的形状和打孔进程，及时进行相应的操作。

附图说明

图1是本发明的适于各种形状和壁厚缺损制作的智能加工装置的结构示意图；

图2是本发明装置的脚架结构示意图；

图3是本发明装置的切割模块结构示意图；

图4是本发明装置的支撑座与切割机构连接示意图；

图5是本发明装置的供液机构结构示意图；

图6是本发明装置的缺损制造原理图；

图7是本发明装置的适应不同壁厚制造各种形状缺损结构的制造方法流程图；

图中：1为脚架，2为保护套，3为支撑板，4为隔离板，5为端盖，6为二维运动机构，7为供液机构，8为光源，9为切割模块，10为脚架底座，11为脚架固定座，12为脚架固定座上端盖，13为脚架活动座，14为脚架活动座端盖，15为脚架光杆，16为脚架滑块，17为脚架丝杆，18为脚架联轴器，19为脚架电机，20为旋转电机端盖，21为旋转电机外壳，22为旋转电机，23为联轴器，24为升降电机外壳，25为升降电机，26为升降电机底板，27为支撑座，28为压力传感器，29为弹簧，30为外壳，31为刀片，32为直线电机，33为活塞头，34为供液箱，35为电磁阀，36为管道。

具体实施方式

下面结合附图和实施过程对本发明作进一步的说明。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，一种适于各种形状和壁厚缺损制作的智能加工装置，包括：支撑框架、安装在支撑框架内的二维运动机构6、安装在二维运动机构6上的切割模块9、供液机构7以及光源8；

如图1所示，二维运动机构包括X轴运动模块和Y轴运动模块，Y轴运动模块包括对称分布着两个Y轴滑块和两个Y轴导轨，Y轴滑块沿着Y轴导轨运动；X轴运动模块安装在Y轴运动模块的两个Y轴滑块上，Y轴运动模块带动X轴运动模块在Y轴方向进行移动；X轴运动模块包括固定在两个Y轴滑块上的X轴导轨和X轴滑块，X轴滑块沿着X轴导轨运动；

X轴滑块上安装有切割模块9，带动切割模块9在X轴方向进行移动，当需要切割目标结构时，二维运动机构上的X轴运动模块和Y运动模块一起运动，带动切割模块9在X轴和Y轴方向进行运动，实现切割机构在二维平面内任意轨迹的运动，完成对目标结构在水平面内的切割。

支撑框架包括支撑板3，隔离板4，安装在支撑板3上的端盖5，固定安装在支撑板3下面的脚架1以及保护套2；二维运动机构安装在支撑板3上，支撑板3中部为镂空结构，用于避让切割模块9，给切割模块9预留充足的工作空间。

如图2所示，脚架1包括脚架底座10，固定安装在脚架底座10顶部的脚架固定座11，固定安装在脚架固定座11上端的脚架固定座上端盖12，固定安装在脚架固定座11底部的脚架电机19，安装在脚架电机19输出轴上的脚架联轴器18，安装在脚架联轴器18另一端的脚架丝杆17，固定安装在脚架丝杆17一端(靠近顶端)上的脚架滑块16，安装在脚架滑块16内的脚架光杆15，安装在脚架光杆15一端的脚架活动座端盖14和安装在脚架光杆15另一端的脚架活动座13，脚架活动座端盖14固定安装在脚架活动座13上，脚架丝杆17与脚架活动座13底部中心以螺纹方式配合，实现传动，将脚架丝杆17的转动位移转化为脚架活动座13竖直方向上的直线位移，脚架光杆15有2根，对称分布在脚架丝杆17两侧，支撑板3固定安装在脚架活动座端盖14上。

其中，脚架固定座上端盖12上设有供脚架活动座13穿过的孔结构；脚架滑块16通过轴承与脚架丝杆17实现转动配合，且轴向相对固定；脚架光杆15通过脚架活动座端盖14固定在脚架活动座13内；脚架滑块16滑动的穿设在两根脚架光杆15上，实现对脚架活动座13的导向，保证脚架活动座13在竖直方向上能够稳定运动。

脚架1均匀分布在支撑板3的4个角落上，当需要调节整个装置的高度时，控制板控制脚架电机19旋转，通过脚架联轴器18带动脚架丝杆17旋转，脚架活动座13向上或向下运动，4个脚架一起升高或者下降。

隔离板4上安装有控制装置用的控制系统。

脚架底座10的底部设有橡胶材料，顶部中间固定有调节螺母，该调节螺母内螺纹配合有螺杆，螺杆上端与脚架固定座11的底部相对固定，通过旋转调节螺母，调节螺杆伸出脚架底座10的长度，从而可以调节脚架底座的高度，进而对装置进行调平。

保护套2为透明的亚克力板，分为4块，相互连接，每块板又安装在上述的支撑板3上，当支撑板3上下运动时，保护套2跟随支撑板3一起上下运动，保护套2的最低点比切割模块9的最低点要低，能起到更好的保护作用，防止切割碎片等飞出伤人。

如图3所示，切割模块9包括旋转机构，安装在旋转机构下的升降机构和安装在升降机构下的切割机构；

旋转机构包括旋转电机端盖20，固定安装在旋转电机端盖下面的旋转电机外壳21和固定安装在旋转电机外壳21底部的旋转电机22，旋转电机端盖20与上述的X轴运动模块上的X轴滑块连接，当二维运动机构运动时，通过移动滑块带动旋转电机端盖20运动，即带动切割模块9运动。旋转机构用于驱动升降机构和切割机构旋转。

如图4所示，所述的升降机构包括与上述旋转电机22旋转轴固定安装的联轴器23，安装在联轴器23下端的升降电机外壳24，固定安装在升降电机外壳24底部上的升降电机底板26，固定安装在升降电机底板26上的升降电机25，固定安装在升降电机25输出轴上的支撑座27，安装在支撑座27上的压力传感器28，与压力传感器28相连的微位移弹簧29，弹簧29的末端固定安装有上述的切割机构。升降电机25为直线电机，当升降电机25上的输出轴向下运动时，输出轴上的支撑座27也向下运动，使得固定在支撑座27上的压力传感器28也向下运动，进而使与压力传感器28相连的弹簧29压缩，产生的反作用力推动切割机构向下运动，通过与二维运动机构6和旋转机构的配合实现对目标结构在深度方向的切割，反之，当升降电机25上的输出轴向上运动时，带动输出轴上的支撑座27向上运动，支撑座27带动切割机构向上运动。

支撑座27顶部为杆体，用于与升降电机25的输出轴轴接，底部为开口向下的筒体，筒体结构开口边缘向内翻折，形成环形的支撑台阶。支撑座27的筒体结构内壁设有周向限位凹槽。

切割机构包括外壳30，安装在外壳30内的切割电机，与切割电机输出轴相连的传动机构以及安装在传动机构上的刀片31，外壳30外有一个周向限位的凸起块，与上述支撑座内的周向限位凹槽配合，使得外壳无法转动，只能上下运动。外壳的上端有一个突出的支撑圆台，与支撑座27上的支撑台阶卡合，保证支撑杆向上运动时，能带动外壳一起向上运动，当需要切割目标物体时，切割电机转动，通过传动机构带动刀片旋转，实现对目标物体的切割。

如图5所示，供液机构7包括直线电机32，活塞头33，供液箱34，安装在供液箱底部控制液体流出的电磁阀35，安装在电磁阀末端的管道36，管道36安装在旋转机构的旋转电机外壳21上，沿着旋转电机外壳21一直下降到外壳30，管道36的末端以一定的倾斜角度斜对着刀片31的旋转中心，供液机构7安装在隔离板4上，当需要挤出液体时，电磁阀35打开，直线电机32推动活塞头33运动，活塞头33挤压供液箱34内的液体通过电磁阀35流向管道36，最后从管道36流出的液体直接流向刀片31旋转位置的中心。

如图1所示，光源8有两个，都安装在隔离板4的下面，对称分布在隔离板4的两个角落上，以一定的倾斜角度对着支撑板3的中心区域，照亮装置内的加工区域。

如图6所示，为本发明的适于各种形状和壁厚缺损制作的智能加工装置的工作原理如下：升降电机带动升降电机输出轴上的支撑座向下运动，导致切割模块向下运动，如果运动一个距离后，刀片没有接触到结构，则此时压力传感器上的值保持不变，即弹簧还处于原先设定的压缩状态，如果当运动一个距离后，切割机构上的刀片接触到目标结构，则切割模块会挤压弹簧，弹簧的反作用力会挤压压力传感器，此时压力传感器上检测到的压力值升高，并且会很大，系统判断为遇到切割目标，需要切割，则开启切割机构内的电机，带动刀片旋转进行切割。二维运动机构按照计算机输出的轨迹带动刀片运动，进行同一个高度内的水平面切割，切割开始时，记下当时的压力反馈值，当在一个高度内的水平面切割完成后，压力值会下降，以此来判断完成当前水平面的切割，然后刀片停止运动，升降电机带动刀片下降一个距离，开始压力检测，如果压力很大，则继续重复前面的工作，开始加工，当遇到最后一层加工完成后，升降电机带动刀片继续下降一个距离，因为此时接触的是颅骨壁下面与脑组织之间的间隙或者接触脑组织，但脑组织会回收，而且是软的，不像颅骨壁是硬的，所以检测到的压力值会很小，认为是最小压力值，则系统自动判断为该处已切割完成，记下当前的位置和深度，然后二维运动机构带动刀片沿着轨迹移动一段距离，如果此时检测到的压力值很大，则认为此处切割没有完成，需要切割，二维运动机构则带动刀片运动，当遇到刚才标记过的位置时，刀片会停止转动，进行避让，等过了位置后继续转动进行切割，如果在刚开始运动过程中遇到压力很小的值，或者在切割过程中，在其他位置遇到最小值，则认为那处也是切割完成的位置，记下新的位置，并且按照前面的方式进行避让，然后重复前面的工作，直到压力传感器检测到同一个水平面轨迹范围内设定的点的压力值都是很小时，认为缺损的切割工作完成，停止加工，升降电机带动刀片回到初始的位置，然后人为的取出切割完的结构，即完成缺损的制造。在切割机构进行切割的过程中，二维运动机构带动旋转的刀片运动进行水平面的切割，刀片的旋转面与刀片的前进方向相同，如果遇到正方形结构，当切割完一条边，开始切与它垂直的边时，旋转电机会通过带动安装在旋转电机旋转轴上的升降模块旋转，即带动安装在升降模块上的切割机构旋转，最后实现刀片90度的旋转，使得刀片的旋转面与刀片的前进方向再一次相同，开始新的一条边的切割，通过旋转电机的实时旋转，实现正方形结构的切割；如果是圆结构，则旋转电机会一直连续旋转，调节刀片的角度，使得在二维运动机构带动刀片作圆周运动的过程中，刀片的旋转面与圆总是相切，形成一个圆轨迹，实现圆截面的切割；如果是复杂的曲线截面，则通过控制系统，会自动计算切割该曲线截面时，二维运动机构的运动轨迹和旋转电机的旋转角度，使得刀片的旋转面始终与要切割的曲线相切，即刀片的旋转面与曲线相切点的法线垂直，以配合刀片的转动实现对不同形状的结构的切割。

实施例1

如图7所示，以在兔子颅盖骨上制造4个形状为六边形的缺损结构为例，来说明本发明装置的适于各种形状和壁厚缺损制作的制造方法如下：

一、取一只重量在3～3.6kg之间的兔子，在兔子的耳缘静脉上注入一定剂量的全麻试剂(戊巴比妥钠)对兔子进行全身麻醉，然后在兔子颅盖骨位置进行剃毛处理，把兔子放在手术台上，对剃完毛后的位置用碘伏进行消毒灭菌处理，然后铺上洞巾，在暴露的位置注射少量的局麻试剂(利多卡因)，用手术器械切开皮肤，暴露要打孔的颅盖骨位置；

二、把提前做过消毒处理的刀片安装到本发明的装置上，对刀片附近的切割机构进行碘伏消毒处理，然后把装置摆放到手术台上，利用手动控制模式控制二维运动机构运动调节刀片的位置，当刀片位于所打孔位置的正上方时，手动回零，后面的操作都以这个位置为零点，即建立一个相对坐标系，这个位置是相对零点的位置；

三、通过控制器同时控制4个脚架电机旋转，自动调节脚架的高度，在刀片距离颅骨外壁的合适距离处停止下降，完成装置的高度调节；如果发现装置的水平度有问题，则旋转4个脚架中1个或几个脚架底座中的调节螺母，调节螺杆伸出的长度，进而调节脚架底座的高度，从而微调节装置的水平度，在水平的位置重新拧紧调节螺母；

四、往供液箱内注入生理盐水：打开供液箱34顶部的注液口，启动加入溶液按钮，装置会自动关闭电磁阀35，然后控制直线电机32转动，带动直线电机32输出轴上的活塞头33运动到最大行程处，通过供液箱34顶部的注液口手动注入生理盐水，加满后关闭注液口，再关闭加入溶液按钮即可；

五、往计算机内部输入“六边形”形状结构的文件，移动六边形结构的位置，其在软件中坐标系的位置是相对于步骤二中的设定的相对零点的位置，把六边形结构放在一个合适的位置，然后目测颅骨外壁结构，选择一个离刀片垂直距离比较近的位置作为切割开始的起点，计算机自动生成切割时所需要的水平面“六边形”轮廓，即刀片的移动路径和旋转角度等参数；

六、点击开始按钮，装置开始自动加工：自动打开光源，照亮需要加工的位置；二维运动机构6按照设定的轨迹先运动到切割的起点位置，升降电机25带动刀片慢慢下移，当检测到有压力时，即刀片碰到颅盖骨后，装置打开电磁阀35，直线电机32推动活塞头33挤压供液箱34内的生理盐水，使其经电磁阀35沿着管道36流向切割区域，切割机构内的切割电机带动刀片旋转，开始第一层的切割，二维运动机构6带动刀片作六边形运动，在运动过程中，遇到从一条边到另一条边过渡的地方时，旋转电机22带动刀片旋转60度，然后继续运动，一开始下降距离比较大，下降几层后，慢慢降低每层的下降高度，每次切割完成后，刀片在升降电机25的带动下下降一个距离，开始新一轮的切割，如果在切割过程中遇到壁厚不同的颅盖骨壁时，按照前面说的刀片进行自动的停止转动和避让，然后继续转动，直到最后检测到所有压力值为设定的最低压力值时，刀片停止下降，上升回到初始位置，直线电机32停止运动，电磁阀35关闭，操作人员用工具取出骨结构；

七、在计算机内移动六边形结构的位置，然后按照步骤五重新生成新的加工路径，重复步骤六开始加工第二个缺损；

八、重复步骤七，直到4个缺损都制造完成；

九、等到所有操作都完成后，缝合伤口，用酒精擦洗伤口，把兔子放进笼子，进行饲养。

实施例2

以在兔子颅盖骨上制造3个不同形状(六边形，四边形，三角形)的缺损结构为例，来说明本发明装置在同一个动物上加工多个不同形状和不同尺寸缺损结构的制造方法：

先制造形状为六边形的缺损结构，步骤一到步骤六跟实施例1中的步骤相同；

七、在计算机内重新输入新的“四边形”形状的图案文件，移动图案使之与前面制造的缺损结构有一定的距离，然后重复步骤五生成新的加工路径，重复步骤六开始加工第二个缺损结构，在这个过程中，当加工完一条边，从一条边到另一条边过渡时，旋转电机22带动刀片旋转90度，然后继续加工，直到缺损加工完成；

八、在计算机内重新输入新的“三角形”形状的图案文件，移动图案使之与前面制造的两个缺损结构都有一定的距离，然后重复步骤五生成新的加工路径，重复步骤六开始加工第三个缺损结构，在这个过程中，当加工完一条边，从一条边到另一条边过渡时，旋转电机22带动刀片旋转120度，然后继续加工，直到缺损加工完成；

九、等到所有操作都完成后，缝合伤口，用酒精擦洗伤口，把兔子放进笼子，进行饲养。

实施例3

作为优选，也可以在本发明装置上加上一个距离检测装置，这时，就不需要选择一个位置作为起始加工位置，以制造实施例1中的结构为例来具体说明该情况下的加工方法：

除了步骤五，其他步骤都跟实施例1中的步骤相同；

五、往计算机内部输入“六边形”形状结构的文件，移动六边形结构到一个合适的位置，计算机自动生成切割时所需要的水平面“六边形”轮廓，然后二维运动机构带动刀片先沿着生成的轮廓轨迹运动一遍，距离检测装置自动检测刀片与骨结构之间的距离，然后由计算机反算出骨结构表面的轮廓高度，计算机按照由高到低的加工方法生成加工路径，加工时，直接先下降到第一层水平切割的高度位置，然后开始水平面的切割，切割完成后再往下降，开始第二层的切割，这个跟实施例1中的步骤六中的一开始下降有点不同，因为已经知道确切的下降高度，后面的下降规律跟实施例1中的相同。距离检测装置一般可采用现有的各种距离检测装置，比如超声波测距仪、激光测距仪、红外测距仪等。

Claims (10)

1.一种适于各种形状和壁厚缺损制作的智能加工装置，包括支撑框架，其特征在于，所述支撑框架内安装有二维运动机构以及设置在二维运动机构上的：

用于缺损切削的切割机构；

用于驱动切割机构升降的升降机构；

用于调整切割机构内刀片切割方向的旋转机构；

所述二维运动机构用于驱动切割机构在垂直于升降机构升降方向的平面内进行二维方向的调整。

2.根据权利要求1所述的适于各种形状和壁厚缺损制作的智能加工装置，其特征在于，还包括：

用于检测切割机构所受压力的压力传感器；

控制器，用于接收待加工缺损三维模型数据，并将其转化为二维运动机构的运行轨迹以及刀片切割方向数据，用于控制二维运动机构和旋转机构的运行；

所述控制器同时用于接收压力传感器的压力信号，同时根据压力信号对所述切割机构、升降机构进行控制。

3.根据权利要求1所述的适于各种形状和壁厚缺损制作的智能加工装置，其特征在于，所述支撑框架包括：

支撑板，所述二维运动机构安装在该支撑板上；

与所述支撑板固定、用于罩盖所述旋转机构的端盖；

固定在支撑板底部的脚架。

4.根据权利要求3所述的适于各种形状和壁厚缺损制作的智能加工装置，其特征在于，所述脚架包括：

脚架固定座；

滑动设置在脚架固定座顶部的脚架活动座；

设置在脚架固定座内用于驱动脚架活动座升降运动的脚架电机。

5.根据权利要求4所述的适于各种形状和壁厚缺损制作的智能加工装置，其特征在于，所述脚架电机输出端设有脚架丝杆；

所述脚架活动座与所述脚架丝杆螺纹配合；

所述脚架活动座与脚架丝杆之间设有升降导向机构。

6.根据权利要求1所述的适于各种形状和壁厚缺损制作的智能加工装置，其特征在于，还包括：

用于检测切割机构的刀片距离待加工表面距离的距离检测仪，该距离检测仪检测得到的距离数据用于控制升降机构运动。

7.根据权利要求1或2所述的适于各种形状和壁厚缺损制作的智能加工装置，其特征在于，所述旋转机构包括旋转电机；所述升降机构包括：

通过升降电机外壳与所述旋转电机输出轴固定的升降电机；

所述升降电机输出轴通过一支撑座与所述切割机构安装固定。

8.根据权利要求7所述的适于各种形状和壁厚缺损制作的智能加工装置，其特征在于，所述切割机构包括：

与所述支撑座固定的切割电机外壳；

设置在切割电机外壳内的切割电机；

受所述切割电机驱动的刀片。

9.根据权利要求8所述的适于各种形状和壁厚缺损制作的智能加工装置，其特征在于，所述支撑座包括：

用于与升降电机输出轴固定的杆体；

与杆体一体设置，用于与切割电机外壳固定的筒体；

所述筒体开口部位设有内翻的环形的支撑台阶；所述切割电机外壳顶部设有用于卡合在所述支撑台阶上的圆台；

所述压力传感器设置在筒体底部，压力传感器与切割电机外壳之间设有弹簧。

10.根据权利要求9所述的适于各种形状和壁厚缺损制作的智能加工装置，其特征在于，所述支撑座与所述切割电机外壳之间设有防止切割电机外壳相对支撑座转动的周向定位件。