CN106078848A - 一种制备骨骼样本的切割机床 - Google Patents

Abstract

一种制备骨骼样本切割机床装置，其中，机箱(3)内封装有电机驱动器(1)、电机(2)和联轴器(4)，同时机箱(3)安装有对电机(2)进行散热的装置，并通过紧固螺钉安装残料斗总成(11)；残料斗总成(11)上方安装有传动轴(12)带动的切割锯片(9)对夹持在多角度调节云台总成(7)上的骨骼样本进行切割。本发明通过进给导轨总成(10)、升降立柱总成(8)、多角度调节云台总成(7)和激光准直器(5)来实现对骨骼样本的灵活切割定位。在一定的范围内对制备多种骨骼样本都具有很好的适应性，同时多角度调节云台总成(7)具有多角度固定在任意位置上的优势，切割过程更加具有灵活性。

Description

一种制备骨骼样本的切割机床

技术领域

本发明主要涉及一种制备骨骼样本的切割机床装置，尤其涉及一种制备生物骨骼小试样的微小切割机床。

背景技术

准确获得生物骨骼材料的力学性能和材料参数对于研究人工骨骼以及提高骨骼替代物的仿真精度和设计精度具有重要意义。骨骼(皮质骨)作为生物的主要承载组织，在损伤生物力学中受到了广泛的关注。研究损伤生物力学的重要手段之一是利用有限元模型来分析研究对象在特定工况下的生物力学响应，但是有限元模型的仿真预测精度由生物组织的材料本构关系及其参数决定。同时骨骼、肌肉、皮肤和韧带等组织的材料参数都将会影响有限元模型的力学响应。通过对生物骨骼样本进行拉伸、压缩和扭转等试验可获得人体或动物骨骼材料的力学性能，同时借助材料参数反求方法可计算出生物骨骼的材料参数。试验中样本的获取方式以及质量的好坏则决定了反求参数的准确程度。因此，为保证损伤生物力学材料参数的精确度，迫切需要开发一种制备骨骼样本的小型切割机床确保样本质量。

目前，为避免伦理冲突，在生物力学领域大多采用新鲜猪骨、牛骨等来制备生物骨骼样本。由于骨骼切割过程中产生的高温有可能影响皮质骨中蛋白质的生理活性，传统的机械加工设备由于加工速度较高，不适用于骨骼试样的切割加工。目前骨骼试样的获取方式大多数是采用手工锯进行切割，这将导致样本尺寸精度差、样本间几何差异大等不良影响，并且手工加工方式效率较低，不适宜在较短时间内制备大量试样。而生物力学实验样本的多样性、离体时间等又决定了需要利用大量试样开展试验，并且试样应在离体后尽可能短的时间内完成试验。因此，较高的试样制备效率是提高骨骼生物力学试验精度的重要因素。因此迫切需要开发一种用于制备生物力学骨骼样本的切割机床。

生物骨骼的特殊性决定了制备骨骼样本的过程不同于常规机械材料，具体包括：

1、生物骨骼材料具有非均匀性，同一骨骼组织的不同部位的骨密度、硬度不同。传统的手工锯切割方法不仅无法保证试样尺寸的一致性和尺寸精度，加工过程中操作人员的力度和锯条跳动等切割不平稳因素可能造成试样破坏，进而造成试验结果不准确。

2、生物具有多样性，不同生物体骨骼的形状、大小均不同。由于功能的差异，造成骨骼的形状各异，如可分为长骨、扁骨以及不规则骨等。传统的切割机夹持工具只能对一种骨的形状进行夹持，造成了夹持工具型号种类过多和使用效率不高等问题。这将使得试验进行缓慢，耗费工时。因此，生物试样的制备要求切割装置加工效率高，一个夹持装置能夹持多种形状的骨骼。

3、生物具有多样性，骨骼不同部位的力学性能不同。在开展这方面研究时需要在相邻部位制备试样，这就要求骨骼夹具能够实现一次装夹切割多个试样。当生物骨骼材料被夹持装置夹持后，在传统的切割装置中只能沿一条固定的切割路线进行切割，如需要更改路线则需要重新对骨骼材料进行夹持，这一过程耗时费力并且降低了加工精度。因此需要在不对骨骼材料重新夹持的前提下，对切割装置重新设计使其能多角度多方位的对骨骼材料进行切割。

4、生物骨骼材料(皮质骨)的主要成分是65％的矿物质、25％的蛋白质和10％的水。蛋白质的活性受温度影响很大，在活体温度以上，温度越高皮质骨的生理活性越差。当刀具切割骨骼样本时，刀具与骨骼样本的摩擦产生大量的热将会降低蛋白质的生理活性，因此要求切割装置在进行样本制备过程中刀具的切割速度和进给速度尽可能低，并且需要对骨骼材料进行冷却散热处理。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于制备骨骼样本的切割机床，能够显著地提高试样的制备效率，提升骨骼试样的精度以得到更加准确的试验数据。

为实现上述目的，本发明提供了一种制备骨骼样本的切割机床，包括电机驱动器、电机、机箱、联轴器、激光准直器、液压冷却系统、多角度调节云台总成、升降立柱总成、切割锯片、进给导轨总成、传动轴，其特征在于其特征在于：

通过安装在机箱内的电机驱动器控制驱动电机旋转，通过联轴器联接传动轴并带动安装在传动轴上的切割锯片旋转，通过激光准直器对骨骼样本的定位作用，使得切割锯片和骨骼样本保持在同一平面内，对夹持在多角度调节云台总成上的骨骼样本进行切割；通过多组错位紧定螺钉将骨骼样本安装固定在夹持筒内，而夹持筒通过螺栓固定在切割锯片上方的云台球体上；通过控制云台球体的位置即可控制骨骼样本的位置；

其中多角度调节云台总成装置安装在升降立柱总成上，通过与配重块的平衡作用，利用多角度调节云台总成自身重量控制骨骼样本的进给速度；

升降立柱总成通过紧固螺钉固定在进给滑块上；进给滑块由螺纹推杆带动在进给滑轨上滑动，螺纹推杆则由进给手柄控制旋转；液压冷却系统的喷射头通过紧固螺钉安装在机箱的顶部，实现对骨骼样本的冷却和保湿；

进给导轨总成包括进给滑块、进给导轨、螺纹推杆、进给手柄，其中，进给手柄上标注有刻度线能够控制在进给导轨上的进给滑块的位移运动，从而控制进给滑块上方的升降立柱总成的位置；螺纹推杆上的螺纹为右旋螺纹，即进给手柄为顺时针旋转时，进给滑块向前运动，逆时针旋转时，进给滑块向后运动。

由于采用以上的技术方案，本发明的有益效果有：

1、本发明通过调节进给配重平台及平衡配重平台上配重块，从而控制切割进给速度，避免切割过程中产生较大的热量造成试样生物力学特性的改变。

2、本发明采用了激光准直器照射在骨骼样本上，保证切割方向在同一直线方向，使得每一个样本厚薄均匀、样本间差异小，形状精度得以保证。

3、本发明采用了多角度调节云台装置，使得骨骼样本能够在任意角度任意位置被切割锯片切割，只需一次装夹即可实现对同一样本的不同位置进行切割。

4、本发明采用的夹持筒对骨骼样本的夹持更加稳固，同时采用多组错位紧固螺钉对骨骼样本进行固定，保证了在同一夹持装置下能够对多种形态的骨骼样本进行夹持，减少了夹具的种类，节约了成本。

5、本发明采用喷射生理盐水的冷却系统对切割骨骼样本时产生的热量进行散热降温，生理盐水可以避免骨骼样本细胞脱水或过度吸收，保证了骨骼样本的性能参数不会发生变化、测试参数更加符合实际需求。

6、本发明采用进给手柄转动螺纹推杆来调节立柱的位置，使得立柱能在滑动范围内自由移动；同时手柄上标有刻度线，能使立柱精确的到达并保持在指定位置。

7、本发明采用了可拆卸式装配方法，方便加工与拆卸维修，降低了制造成本。

附图说明

图1是本发明的总体结构图；

图2是本发明的液压冷却系统图；

图3是本发明的多角度调节云台总成图；

图4是本发明的升降立柱总成图；

图5是本发明的进给导轨总成图；

图6是本发明的残料斗总成图。

其中：

1 电机驱动器

2 电机

3 机箱

4 联轴器

5 激光准直器

6 液压冷却系统

7 多角度调节云台总成

8 升降立柱总成

9 切割锯片

10 进给导轨总成

11 残料斗总成

12 传动轴

13 轴承

601 喷射头

602 喷头固定架

603 喷头底座

604 软管

605 储液罐

606 液压泵

701 橡胶护套

702 错位紧固螺钉

703 夹持筒

704 云台球体

705 云台台体

706 云台主旋钮

707 云台面板座旋钮

708 云台面板座

709 云台面板

710 台体调节旋钮

711 骨骼样本

801 限位块

802 升降滑块

803 配重块

804 进给配重平台

805 线轮

806 滑轮绳

807 滑轮绳调节器

808 平衡配重平台

809 滑动导轮

1001 垫块

1002 进给滑块

1003 进给滑轨

1004 螺纹推杆

1005 锁止手柄

1006 进给手柄

1101 集水箱

1102 滤水板

1103 防溅挡板

具体实施方式：

下面将结合图1至图6对本发明的具体技术方案进行详细描述。

如图1所示，用于一种制备骨骼样本的切割机床，包括电机驱动器1、电机2、机箱3、联轴器4、激光准直器5、液压冷却系统6、多角度调节云台总成7、升降立柱总成8、切割锯片9、进给导轨总成10、残料斗总成11、传动轴12。

电机驱动器1、电机2和联轴器4由铝型材搭建而成的机箱3进行封装，同时机箱3安装有风扇对电机进行散热，并通过紧固螺钉安装残料斗总成11，残料斗总成11上方安装由传动轴12带动的切割锯片9对夹持在多角度调节云台总成7上的骨骼样本711进行切割。多角度调节云台总成7通过云台面板座旋钮707固定在升降立柱总成8上，通过滑轮绳806联接多角度调节云台总成7和升降立柱总成8上的配重块805，利用多角度调节云台总成7的自重进行进给速度控制。

骨骼样本711的切割过程有：①调节限位块801的位置，确保切割骨骼样本711的进给深度，同时实现对多角度调节云台总成7的保护，保证多角度调节云台总成7不被切割锯片9损伤；②平衡多角度调节云台总成7、进给配重平台804与平衡配重平台808的重量，使得多角度调节云台总成7能够克服切割锯片9产生的切割阻力而缓慢地对骨骼样本711进行切割进给，保证了进给速度；③调节进给导轨总成10使得固定在进给滑块1002上的升降立柱总成8到达骨骼样本711需要被切割的位置并将导轨10进给导轨总成进行锁紧固定；④调节多角度调节云台总成7中的云台球体704的角度，通过台体调节旋钮710固定云台球体704的角度位置，确保固定在其上的夹持筒703中的骨骼样本711能够被切割锯片9切割，且生产出理想的小尺寸骨骼样本711；⑤启动电机2进行切割，并多次重复步骤④直至切割出满足实验要求的骨骼样本为止。

升降立柱总成8通过螺栓固定在进给导轨总成10的进给滑块1002上，通过旋转进给手柄1006带动螺纹推杆1004实现进给运动，从而使得进给滑块1002以及固定在其上的升降立柱总成8运动，并可通过锁止手柄1005将升降立柱总成8固定在需要的位置。

如图2所示，液压冷却系统6由喷射头601、喷头固定架602、喷头底座603、软管604、储液罐605和液压泵606组成。通过液压泵606将储液罐605中的生理盐水经软管604泵至锯片切割骨骼样本处，对其进行冷却和保湿。喷射出的生理盐水流至残料斗总成11中，残料斗总成11安装有滤水板1102以便于将生理盐水存储到废液集水箱1101内。

如图3所示，多角度调节云台总成7由橡胶护套701、错位紧定螺钉702、夹持筒703、云台球体704、云台台体705、云台主旋钮706、云台面板座旋钮707、云台面板座708、云台面板709、台体调节旋钮710和骨骼样本711组成。

云台台体705通过螺栓固定在云台面板座708上，云台面板座旋钮707能够在升降立柱总成8上的进给配重平台804内移动进而控制云台球体704的位置，同时云台主旋钮706嵌入在云台台体705内，通过云台主旋钮706可以固定云台球体704在任意方位，使得云台球体704可以在多个角度灵活的移动与固定。

云台球体704通过螺钉将夹持筒703固定在云台球体下方，通过控制云台球体704的方位来控制夹持筒的方位。当夹持筒703中的骨骼样本711被切割的位置确定后，便可通过云台主旋钮706增大云台球体704与云台台体705之间的阻尼，从而固定夹持筒703中的骨骼样本711，保证云台球体704在切割过程中不发生偏转。同时夹持筒身开有两组每组若干个且每组之间相互错位的螺纹孔，利用错位紧固螺钉702的预紧力来固定夹持筒703内的骨骼样本711。

另外，为保证错位紧固螺钉702不对骨骼样本711的表面不产生损毁和不影响骨骼样本的力学特性，在夹持筒703内覆盖有橡胶护套701来增大与骨骼样本711的摩擦力，实现稳定固定。

如图4所示，升降立柱总成8由限位块801、升降滑块802、配重块803、进给配重平台804、线轮805、滑轮绳806、滑轮绳调节器807、平衡配重平台808和滑动导轨809组成。滑轮绳806环绕在滑轮绳调节器807上，通过调节滑轮绳调节器807的位置可以改变滑轮绳806的长短，同时滑轮绳806联接多角度调节云台总成7和进给配重平台804。滑轮绳806与多角度云台总成7和进给配重平台804的联接通过压紧片压紧，配重块803的运动方向如图4箭头所示。升降立柱总成8通过螺钉固定在进给滑块1002上，通过控制进给滑块1002的运动便可控制升降立柱总成8在进给导轨1003上的位置。

如图5所示，进给导轨总成10由垫块1001、进给滑块1002、进给导轨1003、螺纹推杆1004、锁止手柄1005和进给手柄1006组成，进给手柄1006上标注有刻度线能够精确控制在进给导轨1003上的进给滑块1002的位移运动，从而控制进给滑块上方的升降立柱总成8的位置。螺纹推杆1004上的螺纹为右旋螺纹，即进给手柄1006为顺时针旋转时，进给滑块1002向前运动(如图中箭头所示)，逆时针旋转时，进给滑块向后运动。

如图6所示，残料斗总成11由集水箱1101、滤水板1102和防溅挡板1103组成。滤水板1102底板下方为密封性较好的冷却液集水箱1101，集水箱1101通过滑槽的方式安装在残料斗总成11中，当集水箱1101所收集到的废弃冷却液到达一定的程度时，可将集水箱1101抽出对废弃冷却液进行处理。

本案例中，待加工的样本是经过粗加工的毛坯样本，其形状可以是基本规则的圆柱体、长方体，方便夹具夹紧。

加工时，首先将夹持筒703中的各个错位紧固螺钉702松开一定的空间，然后将毛坯样本放入夹持筒703中，然后拧紧各个错位紧固螺钉702对骨骼样本711进行定位。接着，调节多角度调节云台总成7上的云台面板座旋钮707，使得骨骼样本711的预定切割位置与切割锯片9在同一平面上，然后调节多角度调节云台总成7上的云台球体704的方位，使之与切割锯片9相切且产生的切割径向力最小，旋转云台主旋钮706固定好云台球体704的方位。然后，旋转进给手柄1006带动螺纹推杆1004转动，使得进给滑块1002在进给滑轨1003上移动到切割锯片9上方；接着检查好骨骼样本711的固定状态后，启动电机2同时打开液压泵606不断喷射生理盐水，对骨骼样本711进行散热处理同时保持骨骼样本711的生理活性。

该实施案例中，利用骨骼样本711和多角度调节云台总成7的自重来进行切割进给控制，保证了较低的发热量和样本的切割精度，提高了骨骼样本711的表面质量；本发明中采用的是液压冷却系统6对骨骼样本711进行冷却，与以往人工洒水降温散热相比，将人从简单枯燥的劳动中解放出来，提高了切割效率和生产效率；采用了多角度调节云台总成7可实现骨骼样本711多角度的切割，不再需要在切割过程中多次装夹样本，提高了制备效率。

Claims (5)

1.一种制备骨骼样本的切割机床，包括电机驱动器(1)、电机(2)、机箱(3)、联轴器(4)、激光准直器(5)、液压冷却系统(6)、多角度调节云台总成(7)、升降立柱总成(8)、切割锯片(9)、进给导轨总成(10)、传动轴(12)，其特征在于：

通过安装在机箱(3)内的电机驱动器(1)控制驱动电机(2)旋转，通过联轴器(4)联接传动轴(12)并带动安装在传动轴(12)上的切割锯片(9)旋转，通过激光准直器(5)对骨骼样本(711)的定位作用，使得切割锯片(9)和骨骼样本(711)保持在同一平面内，对夹持在多角度调节云台总成(7)上的骨骼样本(711)进行切割；通过多组错位紧定螺钉(702)将骨骼样本(711)安装固定在夹持筒(703)内，而夹持筒(703)通过螺栓固定在切割锯片(9)上方的云台球体(704)上；通过控制云台球体(704)的位置即可控制骨骼样本(711)的位置；

其中多角度调节云台总成(7)装置安装在升降立柱总成(8)上，通过调节进给配重平台(804)及平衡配重平台(808)上配重块控制骨骼样本(711)的进给速度；

升降立柱总成(8)通过紧固螺钉固定在进给滑块(1002)上；进给滑块(1002)由螺纹推杆(1004)带动在进给滑轨(1003)上滑动，螺纹推杆(1004)则由进给手柄(1006)控制旋转；液压冷却系统(6)的喷射头(501)通过紧固螺钉安装在机箱(3)的顶部，实现对骨骼样本(711)的冷却和保湿；

进给导轨总成(10)包括进给滑块(1002)、进给导轨(1003)、螺纹推杆(1004)、进给手柄(1006)，其中，进给手柄(1006)上标注有刻度线能够控制在进给导轨(1003)上的进给滑块(1002)的位移运动，从而控制进给滑块上方的升降立柱总成(8)的位置；螺纹推杆(1004)上的螺纹为右旋螺纹，即进给手柄(1006)为顺时针旋转时，进给滑块(1002)向前运动，逆时针旋转时，进给滑块向后运动。

2.根据权利要求1所述的骨骼样本切割机床装置，其特征在于：激光准直器(5)通过紧固螺钉将其固定在机箱(3)上，实现对骨骼样本(711)切割的精准定位。

3.根据权利要求1所述的骨骼样本切割机床装置，其特征在于：多角度调节云台总成(7)通过云台球体(704)联接安装夹持筒(703)，通过调节云台球体(704)的方位与角度使得夹持筒能够在多个角度和位置上移动；同时夹持筒(703)内部安装有橡胶护套(701)并通过夹持筒(703)上开有若干组每组若干个且相互错位的紧固螺钉(702)实现对骨骼样本(711)的稳定固定，采用橡胶护套(701)的作用是保证骨骼样本(711)的表面不受到挤压损伤和不影响骨骼样本的生物力学特性。

4.根据权利要求1所述的骨骼样本切割机床装置，其特征在于：升降立柱总成(8)通过滑轮绳(806)联接进给配重平台(804)、多角度调节云台总成(7)和平衡配重平台(808)；通过调节进给配重平台(804)和平衡配重平台(808)上配重块(803)，控制切割过程中的进给速度。

5.根据权利要求1所述的小尺寸骨骼样本切割机床装置，其特征在于：还包括残料斗总成(11)，残料斗总成(11)设计成为可活动式，通过卡槽将集水箱(1101)固定在残料斗总成(11)上，从而对集水槽(1101)中的废液进行处理，同时滤水板(1102)能够将被切割好的骨骼样本(710)与废液分离开。