CN113601031A - 一种适用于无托槽隐形矫治器的激光切割方法 - Google Patents

一种适用于无托槽隐形矫治器的激光切割方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及无托槽隐形矫治器自动化生产领域，尤其是涉及一种适用于无托槽隐形矫治器的激光切割方法，其技术方案要点是，一种适用于无托槽隐形矫治器的激光切割方法包括以下步骤：S1、颊侧表面激光加工：采用颊侧激光器沿着待加工模型的颊侧切割线对颊侧表面进行逐段加工，直至激光束完全掠过颊侧表面；S2、舌侧表面激光加工：采用折射透镜将舌侧激光器所发出的激光束折射至待加工模型的舌侧表面，舌侧激光器射出的激光束经过折射后沿着舌侧切割线移动，直至经过折射后的激光束完全掠过舌侧表面；步骤S1和步骤S2不做先后顺序上的限制；达到了减少加工过程的人工投入，并减少加工过程中影响环境的颗粒灰尘的产生的目的。

Description

一种适用于无托槽隐形矫治器的激光切割方法
技术领域
本申请涉及无托槽隐形矫治器自动化生产领域，尤其是涉及一种适用于无托槽隐形矫治器的激光切割方法。
背景技术
随着人民生活水平日益的提高，人们对牙齿健康及牙齿美观越来越重视，无托槽隐形正畸技术正在随之迅速兴起和发展，产品生产商需要提供解决方案并压制出每个适合患者不同阶段的隐形矫治器，因此隐形矫治器的需求量也在不断的增加，增加隐形矫治器的产能进而成为必须解决的问题。
相关技术中记载的一种增加产能的方式为使用自动化生产线生产，采用铣刀自动切削的方式实现对隐形矫治器的待加工模型进行加工，即预先确定待加工模型的虚拟/真实存在的舌侧切割线以及颊侧切割线，分别对待加工模型的颊侧表面和待加工模型的舌侧表面进行铣削加工。
铣刀切割生产矫治器的方式虽然短期成本较低，但是切割完成后的后续抛光工作较繁琐，同样占用大量人工和时间成本，长期铣刀损耗更换的累积、抛光材料的更换反而使成本增加，且产生的颗粒灰尘严重影响环境。
发明内容
为了减少加工过程的人工投入，并减少加工过程中影响环境的颗粒灰尘的产生，本申请提供一种适用于无托槽隐形矫治器的激光切割方法。
本申请提供的一种适用于无托槽隐形矫治器的激光切割方法采用如下的技术方案：
一种适用于无托槽隐形矫治器的激光切割方法，包括以下步骤：S1、颊侧表面激光加工：采用颊侧激光器沿着待加工模型的颊侧切割线对颊侧表面进行逐段加工，直至激光束完全掠过颊侧表面；S2、舌侧表面激光加工：采用折射透镜将舌侧激光器所发出的激光束折射至待加工模型的舌侧表面，舌侧激光器射出的激光束经过折射后沿着舌侧切割线移动，直至经过折射后的激光束完全掠过舌侧表面；步骤S1和步骤S2不做先后顺序上的限制。
通过采用上述技术方案，相比于相关技术中的铣刀切割生产矫治器的方式，颊侧表面激光加工以及舌侧表面激光加工后不需要对矫治器进行后续的抛光打磨，即省去了后续复杂繁琐的抛光工序，降低了人工和时间成本；此外，在激光切割的过程中不会产生对环境造成污染的颗粒灰尘，即降低了对环境的危害；此外，本申请还克服了激光切割过程中舌侧表面由于存在激光照射的死角遮挡问题而难以加工的难题。
可选的，步骤S1包括以下步骤：S11、划分单位切割线段：将颊侧切割线划分成多条连续且首尾相接的单位切割线段；S12、颊侧激光切割：颊侧激光器射出的激光束依次扫掠每条单位切割线段。
通过采用上述技术方案，通过逐段对单位切割线段对应的颊侧表面部分进行激光切割，实现了对完整颊侧表面的激光切割。
可选的，在步骤S12中，固定颊侧激光器并使颊侧激光器朝向颊侧表面，将待加工模型安装在机械手上；每加工完成一段单位切割线段后，机械手动作并使待加工模型转动一个角度，以使颊侧激光器对准下一段单位切割线段。
通过采用上述技术方案，当进行颊侧表面加工时，使颊侧激光器射出的激光束发射至颊侧表面上，在完成一条单位切割线段的扫掠后，机械手动作进而带动颊侧激光器转动一个角度并对准下一条单位切割线段以进行激光切割；直至完整颊侧表面的激光切割。
可选的，折射透镜具有入射面和折射面，折射面为平面，入射面为朝向折射面凹陷的圆锥面且入射面的轴线垂直于折射面。
通过采用上述技术方案，当激光束发射至入射面上时，经过折射透镜的两次折射从折射面上射出，仅需要使经过折射后的激光束照射至舌侧表面即可，进而能够对舌侧表面的任意位置进行激光切割，有效克服了激光切割过程中舌侧表面由于存在激光照射的死角遮挡问题而难以加工的难题。
可选的，步骤S2包括以下步骤：S21、预设舌侧激光器射出的激光束的入射角度，根据舌侧切割线、折射透镜的折射率、入射面的锥度以及入射角度，反推舌侧激光器射出的激光束的运行轨迹；S22、使舌侧激光器射出的激光束以入射角度发射在入射面上；S23、舌侧激光切割：舌侧激光器射出的激光束沿运行轨迹移动，直至经过折射后的激光束完全掠过舌侧表面。
通过采用上述技术方案，在实际切割过程中，若使得待加工模型水平放置，则舌侧表面竖直延伸，经过折射后的激光束与舌侧表面之间的夹角为定值，若已知舌侧切割线后，根据折射后的激光束与舌侧表面之间的夹角即可反推出折射面上激光束的路径，进而反推出入射面上激光束的运行路径。
可选的，在所述步骤S21中，使舌侧表面与折射面垂直放置，经过折射透镜折射后的激光束与舌侧表面的法线之间存在入切角度，确定入射角后，根据公式
Figure DEST_PATH_IMAGE001
计算出入切角度，式中，
Figure 812056DEST_PATH_IMAGE002
为入切角度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
为激光束发生第二次折射后与折射面 之间的夹角，
Figure 929048DEST_PATH_IMAGE004
为折射透镜的折射率，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
为入射角；接着根据入切角度将舌侧切割线映射至 折射面上并形成折射面上的激光束轨迹；最后根据激光束发生第一次折射后与折射面之间 的夹角将折射面上的激光束轨迹映射至反射面上，并形成运行轨迹。
通过采用上述技术方案，实现了根据舌侧切割线确定运行轨迹。
可选的，入射角度为入射面与折射面之间夹角的角度。
通过采用上述技术方案，提供了一种激光束的入射方式。
综上所述，本申请具有以下技术效果：
1.本申请通过颊侧表面激光加工以及舌侧表面激光加工实现对完整的隐形矫治器的加工，省去了后续复杂繁琐的抛光工序，降低了人工和时间成本；此外，在激光切割的过程中不会产生对环境造成污染的颗粒灰尘，即降低了对环境的危害；
2.通过应用折射透镜，并反推出激光束的运行轨迹，实现了对舌侧表面的任意位置进行激光切割，有效克服了激光切割过程中舌侧表面由于存在激光照射的死角遮挡问题而难以加工的难题。
附图说明
图1是本申请实施例中的颊侧表面激光加工步骤的原理示意图，图中仅示出部分单位切割线段；
图2是采用颊侧表面加工的方式对舌侧表面进行加工时产生激光照射的死角遮挡问题的原理示意图；
图3是本申请实施例中的折射透镜的剖视结构示意图；
图4是本申请实施例中的舌侧激光器射出的激光束在折射透镜上的折射路径图；
图5是本申请实施例中的舌侧表面激光加工步骤的原理示意图，图中示出了经过 折射透镜折射后的激光束对舌侧表面进行切割时的入切角度
Figure 79537DEST_PATH_IMAGE002
；
图6是本申请实施例中的舌侧表面激光加工步骤的原理示意图，图中示出了折射面上的激光束轨迹与舌侧切割线之间的映射关系；
图7是本申请实施例中的舌侧表面激光加工步骤的原理示意图，图中示出了激光束的运行轨迹与折射面上的激光束轨迹之间的映射关系。
图中，1、颊侧表面；2、舌侧表面；3、颊侧切割线；31、单位切割线段；4、舌侧切割线；5、折射透镜；51、入射面；52、折射面；6、运行轨迹。
具体实施方式
以下结合附图对本申请作进一步详细说明。
参照图1，在进行无托槽隐形矫治器加工之前，根据患者的牙齿形状和矫治需求预先确定待加工模型的虚拟/真实存在的颊侧切割线3以及舌侧切割线4。
本申请提供了一种适用于无托槽隐形矫治器的激光切割方法，包括以下切割步骤：
S1、颊侧表面1激光加工：参照图1，采用颊侧激光器对待加工模型的颊侧表面1进行加工，即通过使颊侧激光器射出的激光束沿着颊侧切割线3移动，直至激光束完全掠过颊侧表面1，进而实现颊侧表面1的激光加工；其中，颊侧激光器采用可以根据加工距离进行功率变焦并可在一定范围内进行激光扫掠的激光器。
具体的，步骤S1包括以下操作步骤：
S11、划分单位切割线段31：由于激光幅面较小，因此将较长的颊侧切割线3划分成多条连续且首尾相连的单位切割线段31，这些单位切割线段31进而连接成一条满足加工需求的颊侧切割线3。
S12、颊侧激光切割：使待加工模型水平放置，将颊侧激光器固定在待加工模型的一侧，并使颊侧激光器朝向颊侧表面1；将待加工模型安装在机械手上，使得待加工模型能够随着机械手进行转动和位移。
当进行颊侧表面1加工时，使颊侧激光器射出的激光束发射至颊侧表面1上，并使颊侧激光器射出的激光束在颊侧激光器的激光幅面范围内沿其中一条单位切割线段31进行扫掠，进而完成该单位切割线段31所对应部分颊侧表面1的激光切割；接着，通过机械手动作以使待加工模型转动一个角度，直至颊侧激光器对准下一条单位切割线段31，颊侧激光机调焦并完成该单位切割线段31所对应部分颊侧表面1的激光切割。
重复上述的颊侧激光器的激光发射过程以及机械手的动作过程，直至所有的单位切割线段31均被颊侧激光器射出的激光束掠过，进而完成激光束沿颊侧切割线3对待加工模型所进行的激光切割。
参照图2，若采用步骤S1中颊侧表面1激光加工的方法对舌侧表面2进行加工，待加工模型的两端部分会对激光束进行遮挡，即当激光束欲发射至其中一侧的舌侧表面2上时，会被待加工模型另一侧的颊侧表面1遮挡，且舌侧表面2本身存在死角位置，继而使得舌侧表面2在激光切割过程中存在激光照射的死角遮挡问题。
为此，一种适用于无托槽隐形矫治器的激光切割方法，还包括以下切割步骤：
S2、舌侧表面2激光加工：采用折射透镜5将舌侧激光器所发出的激光束折射至待加工模型的舌侧表面2；当舌侧激光器射出的激光束在振镜的作用下做三维空间的运动时，经过折射透镜5折射后的激光束随之发生移动。
据此，使舌侧激光器射出的激光束连续移动以使经过折射后的激光束能够沿着舌侧切割线4移动，直至经过折射后的激光束完全掠过舌侧表面2，进而实现舌侧表面2的激光加工；其中，舌侧激光器采用可以根据加工距离进行功率变焦并可在一定范围内进行激光扫掠的激光器。
参照图3，折射透镜5具有入射面51以及折射面52，折射面52为平面，入射面51为朝向折射面52凹陷的圆锥面且入射面51的轴线垂直于折射面52；在本实施例中，折射透镜5整体呈圆柱形，折射面52即为折射透镜5一端的端面，折射透镜5的另一端同轴开设一个圆锥形凹槽，入射面51即为该圆锥形凹槽的槽壁。
具体的，步骤S2包括以下操作步骤：
S21、预设舌侧激光器射出的激光束的入射角度，即激光束与入射面51的法线之间的夹角；根据舌侧切割线4、折射透镜5的折射率、入射面51的锥度以及入射角度，反推舌侧激光器射出的激光束的运行轨迹6。
舌侧激光器射出的激光束的运行轨迹6反推原理如下：
参照图4和图5，使舌侧表面2与折射面52垂直放置；现定义，入射角度为
Figure 723008DEST_PATH_IMAGE005
，入射 面51与折射面52之间形成的夹角角度为
Figure 930611DEST_PATH_IMAGE006
，在本实施例中，入射角度等于入射面51与折射 面52之间形成的夹角角度，即
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；根据折射透镜5的固有光学特性，折射透镜5的折 射率为
Figure 410265DEST_PATH_IMAGE004
，经过折射透镜5折射后的激光束对舌侧表面2进行切割时的入切角度为
Figure 489080DEST_PATH_IMAGE002
。
当激光束经过入射面51射入折射透镜5内时，将经过折射透镜5的两次折射作用从 折射面52上射出；其中，发生第一次折射且折射角为
Figure 862423DEST_PATH_IMAGE008
；当激光束从折射透镜5内通过折射 面52射出时，发生第二次折射后激光束与折射面52之间的夹角为
Figure 634070DEST_PATH_IMAGE003
。
折射率
Figure 584709DEST_PATH_IMAGE004
、第一次折射的折射角
Figure 345510DEST_PATH_IMAGE008
以及经过折射后的激光束与折射面52之间的夹 角
Figure 448726DEST_PATH_IMAGE003
之间的关系如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
Figure 139077DEST_PATH_IMAGE010
进一步的，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
Figure 452378DEST_PATH_IMAGE012
若使折射面52与舌侧表面2垂直，在本实施例中，舌侧表面2竖直设置且折射面52 水平设置，则入切角度
Figure 872995DEST_PATH_IMAGE002
、入射角度
Figure 220931DEST_PATH_IMAGE005
、入射面51与折射面52之间形成的夹角
Figure 334381DEST_PATH_IMAGE006
以及折 射率
Figure 259611DEST_PATH_IMAGE004
之间具有如下关系：
Figure 359285DEST_PATH_IMAGE001
即：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
参照图5、图6和图7，根据舌侧切割线4上的各个点位置并依据上述入切角度的关系式即可反推出激光束在折射面52上的轨迹，进而反推出激光束在入射面51上的入射位置，当舌侧切割线4上的各个点相互连续时，即可得到激光束在入射面51上的完整的运行轨迹6。
S22、固定待加工模型以及舌侧激光器，并使待加工模型水平放置，即舌侧表面2竖直放置；将折射透镜5置于舌侧表面2远离颊侧表面1的一侧，并使折射透镜5的轴线竖直设置，即折射面52水平放置。
使舌侧激光器射出的激光束以入射角度发射在入射面51上，经过折射透镜5后的激光束进而射在舌侧表面2上且与舌侧表面2之间的夹角为入切角度的余角。
S23、舌侧激光切割：舌侧激光器射出的激光束运动，在此期间使经过折射后的激光束在舌侧表面2上沿舌侧切割线4移动，直至经过折射后的激光束完全掠过舌侧表面2，进而完成激光束沿颊侧切割线3对待加工模型进行激光切割。
需要说明的是，步骤S1和步骤S2不做先后顺序上的限制，即可先进行颊侧表面1激光加工也可先进行舌侧表面2激光加工；颊侧激光器以及舌侧激光器不做功能上的区分，可采用同一或两个不同的激光器，其依据实际生产条件而定。
相比于铣刀切割生产矫治器的方式，本申请提供的一种适用于无托槽隐形矫治器的激光切割方法则不需要进行后续的抛光工作，且不需要更换刀具，进而减少加工过程的人共投入；激光切割的过程中无颗粒灰尘的产生，进而减少了对环境的污染；此外，本申请还克服了激光切割过程中舌侧表面2由于存在激光照射的死角遮挡问题而难以加工的难题。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1.一种适用于无托槽隐形矫治器的激光切割方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、颊侧表面(1)激光加工：采用颊侧激光器沿着待加工模型的颊侧切割线(3)对颊侧表面(1)进行逐段加工，直至激光束完全掠过颊侧表面(1)；
S2、舌侧表面(2)激光加工：采用折射透镜(5)将舌侧激光器所发出的激光束折射至待加工模型的舌侧表面(2)，舌侧激光器射出的激光束经过折射后沿着舌侧切割线(4)移动，直至经过折射后的激光束完全掠过舌侧表面(2)；
步骤S1和步骤S2不做先后顺序上的限制。
2.根据权利要求1所述的一种适用于无托槽隐形矫治器的激光切割方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
S11、划分单位切割线段(31)：将颊侧切割线(3)划分成多条连续且首尾相接的单位切割线段(31)；
S12、颊侧激光切割：颊侧激光器射出的激光束依次扫掠每条单位切割线段(31)。
3.根据权利要求2所述的一种适用于无托槽隐形矫治器的激光切割方法，其特征在于：在步骤S12中，固定颊侧激光器并使颊侧激光器朝向颊侧表面(1)，将待加工模型安装在机械手上；每加工完成一段单位切割线段(31)后，机械手动作并使待加工模型转动一个角度，以使颊侧激光器对准下一段单位切割线段(31)。
4.根据权利要求1所述的一种适用于无托槽隐形矫治器的激光切割方法，其特征在于：所述折射透镜(5)具有入射面(51)和折射面(52)，折射面(52)为平面，入射面(51)为朝向折射面(52)凹陷的圆锥面且入射面(51)的轴线垂直于折射面(52)。
5.根据权利要求4所述的一种适用于无托槽隐形矫治器的激光切割方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
S21、预设舌侧激光器射出的激光束的入射角度，根据舌侧切割线(4)、折射透镜(5)的折射率、入射面(51)的锥度以及入射角度，反推舌侧激光器射出的激光束的运行轨迹(6)；
S22、使舌侧激光器射出的激光束以入射角度发射在入射面(51)上；
S23、舌侧激光切割：舌侧激光器射出的激光束沿运行轨迹(6)移动，直至经过折射后的激光束完全掠过舌侧表面(2)。
6.根据权利要求5所述的一种适用于无托槽隐形矫治器的激光切割方法，其特征在于：在所述步骤S21中，使舌侧表面(2)与折射面(52)垂直放置，经过折射透镜(5)折射后的激光束与舌侧表面(2)的法线之间存在入切角度，确定入射角后，根据公式
Figure 720572DEST_PATH_IMAGE002
计算出入切角度，式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为入切角度，
Figure 614709DEST_PATH_IMAGE004
为激光束发生第二次折射后与折射面(52) 之间的夹角，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为折射透镜(5)的折射率，
Figure 165252DEST_PATH_IMAGE006
为入射角；
接着根据入切角度将舌侧切割线(4)映射至折射面(52)上并形成折射面(52)上的激光束轨迹；
最后根据激光束发生第一次折射后与折射面(52)之间的夹角将折射面(52)上的激光束轨迹映射至反射面(51)上，并形成运行轨迹(6)。
7.根据权利要求6所述的一种适用于无托槽隐形矫治器的激光切割方法，其特征在于：所述入射角度为入射面(51)与折射面(52)之间夹角的角度。
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