CN106197786A - 一种实时提取钻削扭矩信号的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时提取钻削扭矩信号的测试装置及方法，包括骨块夹紧装置，骨块夹紧装置的夹紧区域上方配合有钻头；骨块夹紧装置固定于阶梯轴上，阶梯轴底部与扭矩传感器连接，扭矩传感器底部固定于支撑板中心处，扭矩传感器的两侧均设有底部固定于支撑板上的支撑立柱，所述支撑立柱顶部支撑上板，所述上板中心处设有阶梯孔，轴承置于阶梯孔内。阶梯轴用于传递钻削时产生的轴向力和径向力，其几何形状简单，下部与扭矩传感器的卡槽直接相连，适用于静态扭矩测量的应用，加工成本低，又能满足试验需求；轴承承受轴向力和径向力，并通过上板及支撑立柱将其传递到工作台，轴承既能承受较大的径向力又能承受轴向力，且摩擦较小，在一定程度上降低了测量误差。

Description

一种实时提取钻削扭矩信号的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测试装置，涉及一种实时提取钻削扭矩信号的测试装置及方法，具体的是分离轴向力和径向力、并对扭矩进行实时监测的扭矩测试装置及方法。

背景技术

众所周知，牙齿是人体的重要组成部分，缺失后无法自身修复和再生。临床上牙列缺失的主要修复方式有可摘局部义齿、固定局部义齿和种植义齿修复。种植义齿修复集中了前两种方法的优点，已成为常规的口腔修复技术，它是指通过种植手术在患者缺牙区再造“牙根”，再在缺牙区的牙槽嵴上重造“基牙”，最后在颌弓上设计固位体。传统的种植义齿修复包括术前准备、剥开黏骨膜瓣、预备种植窝洞(用医用钻头在种植受区钻孔)、植入种植钉、种植义齿的上部结构制作和戴入等过程。

种植受区植入扭矩值的确认一直以来是种植成功与否的关键之一，而植入扭矩值的大小又与骨硬度密切相关，骨硬度又直接反映在钻牙槽骨时产生的扭矩的大小。由于口腔的特殊环境，目前对牙种植手术过程的钻骨扭矩还没有直接的测定方法，一般是通过体外实验测定的。通过体外实验测定钻骨扭矩的方法主要有三种：一是通过功率计算扭矩；二是通过有限元仿真分析得出扭矩；三是直接在测试骨样下面放置扭矩传感器测得扭矩。第一种方法计算出的扭矩误差较大；而有限元分析在很大程度上依赖于建立的材料本构模型，由于骨材料的特殊性，建立与实际相符的骨本构模型比较困难，因此有限元分析有一定的局限性；第三种方法比较常用，但在钻骨过程中同时产生轴向力、径向力和圆周力，其中圆周力使测试骨试样产生扭转变形，构成扭矩。轴向力和径向力通过骨样作用在扭矩传感器上，使其产生压缩变形和弯曲变形，影响扭矩信号的准确提取，使测量结果产生较大误差；另外，传统的切削用扭矩传感器量程大、成本高，一般测量动态扭矩，需要安装在机床主轴上，而在进行种植牙手术时医师使用的是手持电钻，且产生的扭矩较小，因此，在使用扭矩传感器时应选用小量程的专用静态扭矩传感器。

所以设计能分离轴向力和径向力、并对扭矩进行实时监测的测试装置是得到准确扭矩值的首要任务，同时也是建立真实、精确有限元模型的基础，为后续有限元模型的修正提供依据。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种实时提取钻削扭矩信号的测试装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种实时提取钻削扭矩信号的测试装置，包括骨块夹紧装置，骨块夹紧装置的夹紧区域上方配合有钻头；所述骨块夹紧装置固定于阶梯轴上，阶梯轴底部与扭矩传感器连接，扭矩传感器底部固定于支撑板中心处，扭矩传感器的两侧均设有底部固定于支撑板上的支撑立柱，所述支撑立柱顶部支撑上板，所述上板中心处设有阶梯孔，阶梯轴穿过阶梯孔。

优选的，所述阶梯轴与上板之间通过轴承连接，阶梯轴的轴间压于轴承的内圈，轴承的外圈置于上板的阶梯孔内，轴承的内圈与阶梯轴形成过盈配合，轴承的外圈与阶梯孔也形成过盈配合；以防止轴承在轴向的移动。

所述扭矩传感器顶部设有一卡槽，所述阶梯轴下端插入卡槽，阶梯轴与卡槽过盈配合。

优选的，所述阶梯轴下端与卡槽底部之间具有3～5mm的间隙；以防止阶梯轴所受轴向力和径向力传递给扭矩传感器。

所述阶梯轴下端的两侧面为平面；便于与扭矩传感器顶部的卡槽相配合连接。

优选的，所述轴承外部套装有轴承端盖，所述轴承端盖固定于上板上表面，轴承端盖与阶梯轴之间具有设定间隙；不仅可以防止轴承在轴向的窜动，还可以防止钻削过程中的骨屑进入轴承内，从而增大摩擦，影响测量精度。

所述骨块夹紧装置包括U型支撑架，所述U型支撑架的两侧板上水平连接有连接杆，连接杆与U型支撑架的侧板之间通过紧固件锁紧；连接杆穿过U型支撑架的侧板，延伸至U型支撑架内部并与夹板连接；通过调节两端连接杆的位置来控制骨块的位置，以便能在同一试样上加工多个孔，利于重复实验。

优选的，所述支撑立柱在扭矩传感器两侧对称布设；支撑立柱用于支撑整个装置的上部结构，对称设置保证对上部结构的支撑力均匀，避免支撑力不均对扭矩测试结果产生影响。

优选的，所述支撑立柱的上端和下端均设有凸台，支撑立柱上端的凸台与上板的通孔相配合，支撑立柱下端的凸台与支撑板的通孔相配合；凸台用于上板和支撑板的定位，以保证上板和支撑板的中心轴线与传感器及轴承的中心线重合，减小由定位引起的测量误差。

所述扭矩传感器与采集仪表相连，所述采集仪表与计算机相连，所述采集仪表的电源端口接有电源线。

所述轴承为圆锥滚子轴承，所述钻头为牙科医用钻头。

一种实时提取钻削扭矩信号的测试方法，包括以下步骤：

步骤1：制备规格相同的动物骨块；

步骤2：将钻头安装在机床主轴上；

步骤3：将扭矩测试装置安装并固定于刚性工作台上，使扭矩传感器中心线与钻头中心线重合；

步骤4：将扭矩传感器、采集仪表、计算机依次连接，通过采集仪表连接电源提供所需电压；

步骤5：通过钻头的向下进给及顺时针旋转运动对骨块进行孔加工，计算机记录扭矩传感器相应信号；

步骤6：对扭矩传感器信号进行数据处理后，最终得到不同进给速度、不同转速下的扭矩值。

所述步骤6中，对骨块在每组钻削参数下做三次及以上孔加工操作，取同一钻削参数下的平均值为该组参数的扭矩值。

本发明的工作原理为：

本发明将骨块置于骨块夹紧装置上，骨块夹紧装置底部通过阶梯轴与扭矩传感器连接，扭矩传感器的上部有一个卡槽，阶梯轴的下端直接插入卡槽中，但其底面不与卡槽底部接触，留出3～5mm的间隙，钻骨过程中产生的轴向力和径向力由阶梯轴和轴承承受，轴承通过上板及支撑立柱将其传递到工作台，不会传递给扭矩传感器，也就不会对扭矩传感器的测试结果造成影响。

本发明的有益效果为：

(1)本发明中的阶梯轴用于传递钻削时产生的轴向力和径向力，其几何形状简单，下部与扭矩传感器的卡槽直接相连，适用于静态扭矩测量，加工成本低，又能满足试验需求；

(2)圆锥滚子轴承承受钻削时产生的轴向力和径向力，并通过上板及支撑立柱将其传递到工作台，轴承既能承受较大的径向力又能承受轴向力，且摩擦较小，在一定程度上降低了测量误差；

(3)本发明中的扭矩测试装置安装简单，拆卸方便，只需一位操作人员即可完成扭矩的测量；

(4)采用本发明的扭矩测试装置及方法可以方便地得到任何范围内的钻削扭矩值，且轴承的使用将轴向力、径向力与圆周力(扭矩)分离，保证了测试结果不受轴向力和径向力的影响，从而提高了扭矩测量精度，为静态扭矩测量提供一种有效途径。

附图说明

图1为本发明扭矩测试装置的结构示意图；

图2为骨块夹紧装置的结构示意图；

图3为骨块夹紧装置中的U型支撑架的主视图；

图4为骨块夹紧装置中的U型支撑架的俯视图；

图5为骨块夹紧装置中的夹板的结构示意图；

图6为轴承端盖的结构示意图；

图7为支撑立柱的结构示意图；

图8为扭矩传感器的结构示意图；

图9为上板的主视图；

图10为上板的俯视图；

图11为支撑板的主视图；

图12为支撑板的俯视图；

图中，1.钻头、2.测试骨块、3.骨块夹紧装置、4.轴承端盖、5.支撑立柱、6.扭矩传感器、7.支撑板、8.刚性工作台、9.阶梯轴、10.上板、11.圆锥滚子轴承、12.紧定螺钉、13.U型支撑架、14.连接杆、15.紧固件、16.夹板、17.凸台、18.卡槽、19.通孔、20.阶梯孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，分离轴向力和径向力的扭矩测试装置由以下部分组成：钻头1、骨块夹紧装置3、轴承端盖4、支撑立柱5(2个)、扭矩传感器6、支撑板7、阶梯轴9、上板10、圆锥滚子轴承11、紧定螺钉12。其中钻头1安装在机床主轴上，骨块夹紧装置3通过紧定螺钉12固定在阶梯轴9上表面，测试骨块2则通过调节螺母位置与螺钉悬伸长度由夹紧装置3两侧的夹板夹紧。阶梯轴9与圆锥滚子轴承11之间形成过盈配合而连接在一起；圆锥滚子轴承11与上板10之间也通过过盈配合连接，再通过轴承端盖4将圆锥滚子轴承11紧紧压在上板10上，以防止圆锥滚子轴承11沿轴线上下窜动。

钻头1为牙科医用钻头。

如图2-图5所示，骨块夹紧装置包括U型支撑架13，U型支撑架13的两侧板上水平连接有连接杆14，连接杆14与U型支撑架13的侧板之间通过紧固件15锁紧；连接杆14穿过U型支撑架13的侧板，延伸至U型支撑架13内部并与夹板16连接；通过调节两端连接杆14的位置来控制骨块的位置，以便能在同一试样上加工多个孔，利于重复实验。

图3中，U型支撑架13的两侧板上均设置有螺纹孔，与连接杆14连接。

图4中，U型支撑架13的底板上设置4个沉孔，与阶梯轴9通过紧定螺钉12连接。

如图6所示，轴承端盖4通过紧定螺钉固定于上板10上表面，轴承端盖4将圆锥滚子轴承11紧紧压在上板10上，同时轴承端盖4与阶梯轴9之间有一定间隙，防止阶梯轴9转动过程中与轴承端盖4产生摩擦，不仅可以防止轴承在轴向的窜动，还可以防止钻削过程中的骨屑进入轴承内，从而增大摩擦，影响测量精度。

如图7所示，支撑立柱5对称放置，位于上板10与支撑板7之间，上板10通过紧定螺钉固定在支撑立柱5上，而支撑立柱5则通过紧定螺钉固定在支撑板7上，用于支撑整个装置的上部结构，在支撑立柱5的上下两端分别有一个圆形凸台17，用于上板10与支撑板7的定位，以保两板的中心轴线与传感器及轴承的中心线重合，减小由定位引起的测量误差。

如图8所示，扭矩传感器6的下端底座上有法兰孔，通过法兰连接固定在支撑板7上。当压板将支撑板7压紧在刚性工作台8上时，整个测试装置就会固定在工作台上。扭矩传感器6的上部有一个卡槽18，阶梯轴9的下端直接插入卡槽18中，但其底面不与卡槽18底部接触，要留出3～5mm的间隙，以防止钻骨时阶梯轴所受轴向力和径向力传递给扭矩传感器。阶梯轴9下端与卡槽18配合的两侧面为平面。

如图9-图10所示，上板10中心处设有阶梯孔20，阶梯轴9的轴间压于圆锥滚子轴承11的内圈，而圆锥滚子轴承11的外圈则置于上板10的阶梯孔20内，圆锥滚子轴承11内圈与阶梯轴9、外圈与阶梯孔20均形成过盈配合，以防止轴承在轴向的移动。

上板10在阶梯孔20两侧对称设置通孔19，支撑立柱5上端的凸台17与上板10的通孔19相配合。

如图11-12所示，支撑板7中心处与扭矩传感器6法兰连接配合，支撑板7在两侧对称设置通孔19，支撑立柱5下端的凸台17与支撑板7的通孔19相配合。

安装时，先将扭矩传感器6固定在支撑板7上，再分别安装两侧支撑立柱5，然后将组装好的阶梯轴9、轴承11、轴承端盖4整体安装在上板10上，再将上板10固定在支撑立柱5上，而后将骨块夹紧装置3固定在阶梯轴9上，将牙科医用钻头安装在机床主轴上，将支撑板7在刚性工作台8上安装与固定，最后再将测试骨块2夹紧。

使用时，要使钻头中心轴线与阶梯轴(扭矩传感器)的中心轴线重合，可通过调节工作台的位置来实现。通过调节夹紧装置两侧螺钉可实现骨块不同位置的钻孔，有利于重复实验。通过钻头的向下进给及顺时针旋转运动对骨块进行孔加工，计算机记录传感器相应信号；骨块在每组钻削参数下做重复实验(三次及以上)，对得到的扭矩值进行滤波、平滑、等数据处理后，取同一参数下的平均值，最终得到不同进给速度、不同转速下的扭矩值。

扭矩传感器为电阻应变式静态扭矩传感器，与采集仪表相连，而采集仪表与计算机相连；所述采集仪表的电源端口接有电源线，用于提供所需电压，标定电压信号与传感器所受扭矩成正比关系，从而实现扭矩测量。

分离轴向力和径向力的扭矩测试装置使用方法包括以下步骤：

(1)首先制备规格相同的新鲜骨块；

(2)制作所述的U型夹紧装置，要保证两侧滑块在一定距离范围的移动，实现骨块指定位置上的孔加工；

(3)制作所述阶梯轴、轴承端盖、上板、支撑板、支撑立柱等零件，按图纸保证所要求的精度；

(4)由下至上安装扭矩测试装置，首先完成扭矩传感器、支撑立柱在支撑板上的固定，然后将组装好的阶梯轴、轴承、轴承端盖整体安装在上板上，其次将上板安装在支撑立柱上(在进行阶梯轴安装的同时，注意阶梯轴与扭矩传感器的安装)，最后通过螺钉将U型夹紧装置固定在阶梯轴上，在安装过程中要保证阶梯轴、轴承、上板的中心线/中心轴线与扭矩传感器的中心线重合；

(5)将牙科医用钻头安装在机床主轴上；

(6)完成支撑板在刚性工作台的安装与固定以及测试骨块的夹紧，使传感器中心线与钻头中心线重合；

(7)将扭矩传感器、采集仪表、计算机依次连接，通过采集仪表连接电源提供所需电压；

(8)通过钻头的向下进给及顺时针旋转运动对骨块进行孔加工，计算机实时记录传感器相应信号；

(9)骨块在每组钻削参数下做重复实验(三次及以上)，对得到的扭矩值进行滤波、平滑、等数据处理后，取同一参数下的平均值，最终得到不同进给速度、不同转速下的扭矩值。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种实时提取钻削扭矩信号的测试装置，其特征是，包括骨块夹紧装置，骨块夹紧装置的夹紧区域上方配合有钻头；所述骨块夹紧装置固定于阶梯轴上，阶梯轴底部两侧面与扭矩传感器连接，扭矩传感器底部固定于支撑板中心处，扭矩传感器的两侧均设有底部固定于支撑板上的支撑立柱，所述支撑立柱顶部支撑上板，所述上板中心处设有阶梯孔，阶梯轴穿过阶梯孔。

2.如权利要求1所述的实时提取钻削扭矩信号的测试装置，其特征是，所述阶梯轴与上板之间通过轴承连接，阶梯轴的轴间压于轴承的内圈，轴承的外圈置于上板的阶梯孔内，轴承的内圈与阶梯轴形成过盈配合，轴承的外圈与阶梯孔也形成过盈配合。

3.如权利要求1所述的实时提取钻削扭矩信号的测试装置，其特征是，所述扭矩传感器顶部设有一卡槽，所述阶梯轴下端插入卡槽，阶梯轴与卡槽过盈配合。

4.如权利要求3所述的实时提取钻削扭矩信号的测试装置，其特征是，所述阶梯轴下端与卡槽底部之间具有3～5mm的间隙；所述阶梯轴下端的两侧面为平面。

5.如权利要求2所述的实时提取钻削扭矩信号的测试装置，其特征是，所述轴承外部套装有轴承端盖，所述轴承端盖固定于上板上表面，轴承端盖与阶梯轴之间具有设定间隙，所述轴承为圆锥滚子轴承。

6.如权利要求1或2或3所述的实时提取钻削扭矩信号的测试装置，其特征是，所述骨块夹紧装置包括U型支撑架，所述U型支撑架的两侧板上水平连接有连接杆，连接杆与U型支撑架的侧板之间通过紧固件锁紧；连接杆穿过U型支撑架的侧板，延伸至U型支撑架内部并与夹板连接。

7.如权利要求1所述的实时提取钻削扭矩信号的测试装置，其特征是，所述支撑立柱在扭矩传感器两侧对称布设；所述支撑立柱的上端和下端均设有凸台，支撑立柱上端的凸台与上板的通孔相配合，支撑立柱下端的凸台与支撑板的通孔相配合。

8.如权利要求1所述的实时提取钻削扭矩信号的测试装置，其特征是，所述扭矩传感器与采集仪表相连，所述采集仪表与计算机相连，所述采集仪表的电源端口接有电源线；所述钻头为牙科医用钻头。

9.利用权利要求1-8任一项所述的实时提取钻削扭矩信号的测试装置的测试方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：制备规格相同的动物骨块；

步骤2：将钻头安装在机床主轴上；

步骤3：将扭矩测试装置安装并固定于刚性工作台上，使扭矩传感器中心线与钻头中心线重合；

步骤4：将扭矩传感器、采集仪表、计算机依次连接，通过采集仪表连接电源提供所需电压；

步骤5：通过钻头的向下进给及顺时针旋转运动对骨块进行孔加工，计算机记录扭矩传感器相应信号；

步骤6：对扭矩传感器信号进行数据处理后，最终得到不同进给速度、不同转速下的钻削扭矩值。

10.如权利要求9所述的实时提取钻削扭矩信号的测试装置的测试方法，其特征是，所述步骤6中，对骨块在每组钻削参数下做三次及以上孔加工操作，取同一钻削参数下的平均值为该组钻削参数的扭矩值。