CN110186795B - 一种方弓丝与托槽摩擦装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方弓丝与托槽摩擦装置及测试方法，包括有用于牙齿正畸矫正的方弓丝，水平放置的实验台面，固定连接在实验台面上的角度位移台，固定连接在角度位移台上并拉直预紧方弓丝的固定预紧机构，位于固定预紧机构的一侧并固定安装在实验台面上且带有悬臂梁并通过悬臂梁给所述方弓丝施加载荷的摩擦测试机构，以及连接所述悬臂梁并通过悬臂梁的受力反馈后用于测量数据的数据采集系统；本发明通过所述固定预紧机构实现方弓丝的装夹和预紧，角度位移台实现方弓丝角度的自由调节，能模拟方弓丝和托槽在不同旋转角度下的配合摩擦状态，并通过高精度的激光位移传感器在实验过程中实时测量方弓丝所受预紧力，使实验结果更为可靠有效。

Description

一种方弓丝与托槽摩擦装置及测试方法

技术领域

本发明涉及口腔正畸学研究设备领域，尤其涉及的是一种方弓丝与托槽摩擦装置及测试方法。

背景技术

现代社会口腔牙齿的整齐与否不仅影响个人的咀嚼、语言表达等功能，而且很大程度上对一个人的社交和自信心建立产生影响，因此人们对牙齿的整齐健康和美观问题越来越重视。

口腔正畸是对牙齿施加一定的矫正力，使其发生生理性移动，最终实现错颌畸形的矫治。在牙齿正畸矫正中常用的牙齿矫正器由弓丝和托槽组成。正畸力一般是通过弓丝的预定形状与牙齿的实际形状之间的差异引起的弓丝变形回复力实现。弓丝的形状、矫治力的大小和矫治扭矩的大小由正畸医师根据口腔牙齿实际排列情况进行判断选择。矫治过程中弓丝和托槽之间滑动产生的摩擦力对于矫治力的大小具有显著影响，降低弓丝托槽的摩擦力成为研究的主要目标。弓丝托槽间的摩擦力受弓丝的材料、形状、尺寸，托槽的类型和形状，托槽和弓丝的角度，结扎方式以及结扎力的大小和滑动速度等各方面因素影响，目前测试数据尚未完成。因此，模拟方弓丝托槽实际工作状态时的相对滑动情况，并准确测量方弓丝托槽间的摩擦力大小，可以为方弓丝托槽的设计制造、口腔医生的正畸治疗与正畸学相关研究提供有力的依据。

在方弓丝和托槽摩擦磨损研究中，现有的摩擦实验装置大多只能对方弓丝与托槽正对着摩擦时的摩擦情况进行测量。然而方弓丝和托槽在口腔内使用过程中，方弓丝会不可避免地发生扭转或与托槽错位，形成一定的旋转角，导致现有测量设备测量不准确。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种方弓丝与托槽摩擦装置及测试方法，旨在解决现有实验设备中无法准确模拟方弓丝与托槽在不同旋转角度下摩擦的问题。

本发明的技术方案如下：

一种方弓丝与托槽摩擦装置，包括有用于牙齿正畸矫正的方弓丝，水平放置的实验台面，其特征在于，还包括有固定连接在实验台面上的角度位移台，固定连接在角度位移台上并拉直预紧方弓丝的固定预紧机构，位于固定预紧机构的一侧并固定安装在实验台面上且带有悬臂梁并通过悬臂梁给所述方弓丝施加载荷的摩擦测试机构，以及连接所述悬臂梁并通过悬臂梁的受力反馈后用于测量数据的数据采集系统；

所述角度位移台的旋转轴心与方弓丝长度方向平行，所述角度位移台带动固定预紧机构转动；

所述摩擦测试机构驱动悬臂梁沿方弓丝长度方向往复摩擦方弓丝。

进一步，所述固定预紧机构包括有底座，固定连接在底座一端的固定块，开设在底座中间位置的丝杠安装槽，位于丝杠安装槽内并带有丝杠螺母的丝杠系统，安装在丝杠螺母上并通过丝杠转动在丝杠安装槽内移动的活动块，以及分别固定连接在固定块上表面和活动块上表面的方弓丝固定板；

所述方弓丝两端通过方弓丝固定板分别压紧固定在固定块和活动块上。

进一步，所述固定块上连接有2个方弓丝固定板，2个方弓丝固定板沿方弓丝长度方向排列；所述活动块上连接有2个方弓丝固定板，2个方弓丝固定板沿方弓丝长度方向排列。

进一步，在固定块和活动块上位于固定方弓丝的表面开设有弓丝通槽，所述方弓丝固定在弓丝通槽内。

进一步，所述固定预紧机构还包括有固定安装在活动块侧面上并用于测量活动块与固定块之间距离的激光位移传感器，以及与激光位移传感器配套电性连接的数据采集卡。

进一步，所述摩擦测试机构包括有固定在实验台面上的摩擦三轴位移台，固定连接在摩擦三轴位移台的位移输出端上的悬臂梁，固定连接在悬臂梁的末端且带有凹槽并呈“凹”形的放置台，固定连接在放置台的凹槽内的托槽固定块，位于放置台凹槽内部且固定连接在托槽固定块上的托槽；

所述托槽表面与所述方弓丝接触并沿方弓丝长度方向上往复摩擦。

进一步，所述摩擦三轴位移台上控制位移输出端沿方弓丝长度方向上移动的移动轴上固定连接有电动机，在电动机上电性连接有用于控制电动机的电机控制器。

进一步，所述数据采集系统包括有在悬臂梁上固定安装的若干力传感器，与力传感器电性连接的电桥盒，与电桥盒电性连接的应变放大器，与应变放大器电性连接的数据采集器，以及与数据采集器电性连接的计算机。

一种如上述的方弓丝与托槽摩擦装置的测试方法，包括有以下步骤：

对方弓丝进行装夹和固定，并施加预紧力；

对托槽进行装夹和固定；

调节角度位移台，使方弓丝和托槽之间实现预定旋转角度的配合；

调节摩擦测试机构，使正畸托槽与方弓丝摩擦面接触，并进行载荷施加；

启动摩擦测试机构对方弓丝与托槽往复摩擦；

数据采集系统采集载荷信息和摩擦力信息并通过软件计算获取摩擦系数。

与现有技术相比，本发明通过所述固定预紧机构实现方弓丝的装夹和预紧，角度位移台实现方弓丝角度的自由调节，能模拟方弓丝和托槽在不同旋转角度下的配合摩擦状态，并通过高精度的激光位移传感器在实验过程中实时测量方弓丝所受预紧力，使实验结果更为可靠有效，对深入研究不同旋转角度以及预紧力的变化对方弓丝托槽摩擦磨损性能的影响有很大的帮助，为弓丝和托槽摩擦磨损性能研究提供了一种更为可靠有效的模拟实验方法。

附图说明

图1为本发明实施例一种方弓丝与托槽摩擦装置的结构示意图。

图2为图1的A部放大图。

图3为本发明实施例中固定预紧机构的结构示意图。

图4为本发明实施例中固定预紧机构的局部结构示意图。

图5为本发明实施例中摩擦测试机构的结构示意图。

图6为本实施例一种方弓丝与托槽摩擦装置的实验方法的流程图。

图中：1、方弓丝；2、角度位移台；3、固定预紧机构；5、摩擦测试机构；6、数据采集系统；31、底座；32、固定块；33、丝杠安装槽；34、丝杠系统；35、活动块；36、方弓丝固定板；37、手轮；38、弓丝通槽；39、激光位移传感器；310、数据采集卡；51、摩擦三轴位移台；512、电动机；513、电机控制器；52、悬臂梁；53、放置台；54、销钉；55、托槽固定块；56、托槽；61、力传感器；62、电桥盒；63、应变放大器；64、数据采集器；65、计算机。

具体实施方式

本发明提供了一种方弓丝与托槽摩擦装置以及测试方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供了一种方弓丝与托槽摩擦装置，包括有用于牙齿正畸矫正的方弓丝1，水平放置的实验台面（图示中未画出），通过螺钉固定连接在实验台面上的角度位移台2，角度位移台2是用来在小角度范围内精确旋转物体的装置，它绕着空间中的一个固定轴线进行旋转。角度位移台2与线性位移台相似，但它不是提供线性移动，而是绕着位移台安装面下方的一个固定轴旋转，使安装台翻转一点角度。现有角度位移台2已经实现标准化生产，属于机械领域的常规技术，具体结构不作详细说明。在角度位移台2上固定连接有固定预紧机构3，固定预紧机构3固定并预紧方弓丝1，角度位移台2的旋转轴心与方弓丝1长度方向平行，角度位移台2带动固定预紧机构3转动，进而预紧的方弓丝1跟随转动，位于固定预紧机构3的一侧设置有摩擦测试机构5，摩擦测试机构5带有悬臂梁52并通过悬臂梁52给方弓丝1施加载荷，以及设置有通过悬臂梁52的受力反馈并用于测量数据的数据采集系统6。

如图1、图3所示，固定预紧机构3包括有通过螺钉固定连接在角度位移台2上的底座31，在底座31上沿方弓丝1长度方向的一端焊接有固定块32，固定块32垂直于底座31表面，在底座31中间位置的丝杠安装槽33，丝杠安装槽33沿方弓丝1的长度方向设置，在丝杠安装槽33内安装有丝杠系统34，丝杠系统34是通过丝杠的转动带动丝杠螺母在丝杠上轴上移动，使转动转化为移动，丝杠系统34是本领域的常规技术，具体结构和原理不做叙述。在丝杠螺母上通过螺钉固定连接有活动块35，活动块35的下部卡嵌在丝杠安装槽33内，活动块35通过丝杠转动在丝杠安装槽33内轴向移动。在固定块32上表面和活动块35上表面分别固定连接有方弓丝固定板36，方弓丝1两端通过方弓丝固定板36分别压紧固定在固定块32和活动块35上，在丝杠系统34的丝杠露出底座31端固定连接有手轮37，通过转动手轮37从而带动活动块35靠近或者远离固定块32，当活动块35远离固定块32时，能使方弓丝1逐渐拉紧，从而实现方弓丝1的预紧，另外也可用自动电机代替手轮37，从而可通过自动电机控制实现对方弓丝1的自动预紧。

如图4所示，在固定块32和活动块35上位于固定方弓丝1的表面开设有弓丝通槽38，所述方弓丝1固定在弓丝通槽38内，通过弓丝通槽38放置方弓丝1，方弓丝1在固定后不会产生偏移，弓丝通槽38中的方弓丝1凸出弓丝通槽38槽口，便于方弓丝1的压紧，在固定块32上方弓丝1的固定位置通过螺钉固定连接有2个方弓丝固定板36，2个方弓丝固定板36沿方弓丝1长度方向排列；在活动块35上方弓丝1的固定位置通过螺钉连接有2个方弓丝固定板36，2个方弓丝固定板36沿方弓丝1长度方向排列，当方弓丝1尾端分别位于固定块32和活动块35上时，通过并排2个方弓丝固定板36可使方弓丝1牢固固定，防止在实验过程中方弓丝1脱离。

如图2所示，在活动块35的侧面上通过螺钉固定连接有激光位移传感器39，激光位移传感器39用于测量活动块35与固定块32之间的距离，与激光位移传感器39电性连接有配套的数据采集卡310，实验过程中通过激光位移传感器39能通过测量活动块35与固定块32之间的距离，从而实时计算出方弓丝1所受预紧力，实现对预紧力的实时监测。

如图1、图2、图5所示，摩擦测试机构5包括有通过螺钉固定在实验台面上的摩擦三轴位移台51，摩擦三轴位移台51为常规三轴位移台组件，三轴位移台组件已经实现标准化生产，是本领域常规技术。在摩擦三轴位移台51的移动输出端通过螺钉固定连接有悬臂梁52，如图1、图4所示，悬臂梁52位于固定块32与活动块35之间并与方弓丝1垂直，在摩擦三轴位移台51上的控制位移输出端沿方弓丝1长度方向上移动的移动轴上固定连接有电动机512，在电动机512上电性连接有电机控制器513，电动机512采用三相步进电机，通过三相步进电机控制器513可以实现对电动机512的速度的精准控制，并使连接在摩擦三轴位移台51上的悬臂梁52在沿方弓丝1长度方向上实现自动平移，避免人工操作，对后续摩擦过程实现精准控制；在摩擦三轴位移台51上通过分厘卡手动控制另外两个方向的运动。

悬臂梁52的一端通过螺钉固定连接在摩擦三轴位移台51上，且另一端凸出摩擦三轴位移台51，为悬臂梁52的末端，悬臂梁52末端通过螺钉固定连接有放置台53，放置台53中间开设有凹槽，外轮廓呈“凹”形，在放置台53的凹槽内通过销钉54固定连接有托槽固定块55，销钉54贯穿凹槽两侧壁和托槽固定块55，使托槽固定块55卡嵌在放置台53的凹槽中，在托槽固定块55上中间位置粘接有托槽56，托槽56位于方弓丝1的下方并与方弓丝1相接触，在正常工况模拟情况下，方弓丝1长度方向与悬臂梁52垂直，保证方弓丝1抵靠在托槽56的安装位上；在实际的牙齿矫正过程中，托槽56是粘接在牙齿面上，并通过方弓丝1箍紧在托槽56安装位，使牙齿矫正。

当摩擦三轴位移台51启动工作，驱动悬臂梁52沿方弓丝1长度方向往复运动，进而带动托槽56摩擦方弓丝1，模拟摩擦环境，该工作状态下为正常工况模拟。

当角度位移台2带动固定预紧机构3转动，进而预紧后的方弓丝1跟随转动，从而使方弓丝1与正常工况模拟情况下方弓丝1会转动一定的旋转角，通过角度位移台2上的刻度，可计算出旋转角大小，该工作状态下为旋转角工况模拟，从而实现对方弓丝1与托槽56产生旋转角的模拟。

如图1所示，数据采集系统6包括有在悬臂梁52上粘贴固定安装的若干力传感器61，本实施例中力传感器61设置有个，力传感器61分布位于悬臂梁52的上、下两个表面和两侧的侧面，与力传感器61电性连接有电桥盒62，电桥盒62主要用于测量力传感器61的直流电阻值的变化，电桥盒62电性连接有应变放大器63，应变放大器63用于将电桥盒62送来的调幅电压进行不失真放大，与应变放大器63电性连接有数据采集器64，数据采集器64用于将模拟信号转换为数字信号，数据采集器64电性连接有计算机65，并通过计算机65对数据处理和分析，得到载荷、摩擦力和摩擦系数。计算机65电性连接并控制电机控制器513，从而可以通过计算机65对电动机512实现精确操控，根据数据采集系统6的需求精确控制悬臂梁52的往复运动与方弓丝1产生摩擦，精确控制方弓丝1与托槽56的相对位置及相对压力。如图3所示，计算机65与数据采集卡310电性连接，可以计算数据采集卡310采集的数据，从而准确计算预紧力的数值。

调节固定预紧机构3实现方弓丝1预紧，通过激光位移传感器39实时监测方弓丝1的预紧力，并通过调节角度位移台2使调节固定预紧机构3带动方弓丝1转动一定旋转角，调节摩擦三轴位移台51控制悬臂梁52向上接触并顶动方弓丝1，使方弓丝1和托槽56之间施加一定载荷，设置电动机512的运动参数后启动，由电动机512带动摩擦三轴位移台51的沿方弓丝1长度方向的轴开始正反转动，从而通过摩擦三轴位移台51带动悬臂梁52驱动托槽56相对于方弓丝1作低速往复摩擦运动。数据采集系统6通过力传感器61上的应变片实时将悬臂梁52的受力值以电压值形式显示并记录，计算得到相应的方弓丝1和托槽56间载荷、摩擦力和摩擦系数。

如图6所示，本发明实施例还提供一种基于上文所述的方弓丝与托槽摩擦装置的测试方法，步骤如下：

S10、对方弓丝进行装夹和固定，并施加预紧力。具体过程为将方弓丝嵌入安装于活动块和固定块的弓丝通槽中，并使用弓丝压板和螺丝固定。转动手轮，驱动活动块在丝杠安装槽方向上移动，使方弓丝拉紧绷直。同时观察激光位移传感器示数，当预紧力大小达到指定值后，停止转动手轮，完成方弓丝的预紧与固定。

S20、对托槽进行装夹和固定。具体过程为，销钉将托槽固定块固定在放置台的凹槽中，托槽放置于托槽固定块上，然后调节摩擦三轴位移台，使方弓丝与托槽完成正确接触，此时用镊子夹持托槽并调节摩擦三轴位移台使托槽固定块下降至与托槽底部存在一定距离，在托槽固定块上滴1~2滴胶水后调节摩擦三轴位移台，使托槽固定块与托槽底部重新接触并保持方弓丝和托槽的正确接触，等待胶水凝固，完成托槽固定。

S30、调节角度位移台，使方弓丝和托槽之间实现预定旋转角度的配合。具体过程为调节角度位移台，使固定预紧机构转动预定角度，从而带动方弓丝转动预定角度，使方弓丝与托槽之间产生旋转角。

S40、调节摩擦测试机构，使正畸托槽与方弓丝摩擦面接触，并进行载荷施加。具体过程为调节摩擦三轴位移台，从而控制悬臂梁向上接触并顶动方弓丝，使方弓丝和托槽之间的正压力达到某一指定值。

S50、启动摩擦测试机构对方弓丝与托槽往复摩擦。设置电动机的运动参数后启动，由电动机带动摩擦三轴位移台的位移输出端的沿方弓丝长度方向的轴运动，从而带动悬臂梁驱动托槽相对于方弓丝作低速往复摩擦运动。

S60、数据采集系统采集载荷信息和摩擦力信息并通过软件计算获取摩擦系数。数据采集系统通过力传感器上的应变片实时将悬臂梁的受力值以电压值形式显示并记录，并通过软件分析计算得到相应的方弓丝和托槽间的载荷、摩擦力和摩擦系数。

与现有技术相比，本发明通过所述固定预紧机构实现方弓丝的装夹和预紧，角度位移台实现方弓丝角度的自由调节，能模拟方弓丝和托槽在不同旋转角度下的配合摩擦状态，并通过高精度的激光位移传感器在实验过程中实时测量方弓丝所受预紧力，使实验结果更为可靠有效，对深入研究不同旋转角度以及预紧力的变化对方弓丝托槽摩擦磨损性能的影响有很大的帮助，为弓丝和托槽摩擦磨损性能研究提供了一种更为可靠有效的模拟实验方法。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种方弓丝与托槽摩擦装置，包括有用于牙齿正畸矫正的方弓丝，水平放置的实验台面，其特征在于，还包括有固定连接在实验台面上的角度位移台，固定连接在角度位移台上并拉直预紧方弓丝的固定预紧机构，位于固定预紧机构的一侧并固定安装在实验台面上且带有悬臂梁并通过悬臂梁给所述方弓丝施加载荷的摩擦测试机构，以及连接所述悬臂梁并通过悬臂梁的受力反馈后用于测量数据的数据采集系统；

所述角度位移台的旋转轴心与方弓丝长度方向平行，所述角度位移台带动固定预紧机构转动；

所述摩擦测试机构驱动悬臂梁沿方弓丝长度方向往复摩擦方弓丝；

所述摩擦测试机构包括有固定在实验台面上的摩擦三轴位移台，固定连接在摩擦三轴位移台的位移输出端上的悬臂梁，固定连接在悬臂梁的末端且带有凹槽并呈“凹”形的放置台，固定连接在放置台的凹槽内的托槽固定块，位于放置台凹槽内部且固定连接在托槽固定块上的托槽；

所述托槽表面与所述方弓丝接触并沿方弓丝长度方向上往复摩擦；

所述摩擦三轴位移台上控制位移输出端沿方弓丝长度方向上移动的移动轴上固定连接有电动机，在电动机上电性连接有用于控制电动机的电机控制器；

当所述角度位移台带动所述固定预紧机构转动，使预紧后的所述方弓丝跟随转动，从而使所述方弓丝转动一定的旋转角，通过角度位移台上的刻度，可计算出旋转角大小，从而实现对所述方弓丝与所述托槽产生旋转角的模拟；

当所述摩擦三轴位移台启动工作，驱动所述悬臂梁沿所述方弓丝的长度方向往复运动，进而带动所述托槽摩擦所述方弓丝，模拟摩擦环境，该工作状态下为正常工况模拟。

2.根据权利要求1所述的方弓丝与托槽摩擦装置，其特征在于，所述固定预紧机构包括有底座，固定连接在底座一端的固定块，开设在底座中间位置的丝杠安装槽，位于丝杠安装槽内并带有丝杠螺母的丝杠系统，安装在丝杠螺母上并通过丝杠转动在丝杠安装槽内移动的活动块，以及分别固定连接在固定块上表面和活动块上表面的方弓丝固定板；

所述方弓丝两端通过方弓丝固定板分别压紧固定在固定块和活动块上。

3.根据权利要求2所述的方弓丝与托槽摩擦装置，其特征在于，所述固定块上连接有2个方弓丝固定板，2个方弓丝固定板沿方弓丝长度方向排列；所述活动块上连接有2个方弓丝固定板，2个方弓丝固定板沿方弓丝长度方向排列。

4.根据权利要求3所述的方弓丝与托槽摩擦装置，其特征在于，在固定块和活动块上位于固定方弓丝的表面开设有弓丝通槽，所述方弓丝固定在弓丝通槽内。

5.根据权利要求2所述的方弓丝与托槽摩擦装置，其特征在于，所述固定预紧机构还包括有固定安装在活动块侧面上并用于测量活动块与固定块之间距离的激光位移传感器，以及与激光位移传感器配套电性连接的数据采集卡。

6.根据权利要求1所述的方弓丝与托槽摩擦装置，其特征在于，所述数据采集系统包括有在悬臂梁上固定安装的若干力传感器，与力传感器电性连接的电桥盒，与电桥盒电性连接的应变放大器，与应变放大器电性连接的数据采集器，以及与数据采集器电性连接的计算机。

7.一种如权利要求1-6任一所述的方弓丝与托槽摩擦装置的测试方法，其特征在于，包括有以下步骤：

对方弓丝进行装夹和固定，并施加预紧力；

对托槽进行装夹和固定；

调节角度位移台，使方弓丝和托槽之间实现预定旋转角度的配合；

调节摩擦测试机构，使正畸托槽与方弓丝摩擦面接触，并进行载荷施加；

启动摩擦测试机构对方弓丝与托槽往复摩擦；

数据采集系统采集载荷信息和摩擦力信息并通过软件计算获取摩擦系数。