CN113894443B - 一种牙套的激光切割装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种牙套的激光切割装置和方法。包括信息读入模块、激光标记模块、激光切割模块，模型夹持和传送模块以及协调各模块联动的控制系统；将吸附于牙模表面的牙胶片壳体放置于送料口，由信息读入模块识别三维打印模型上的唯一标识；机械手通过夹爪夹持牙胶片壳体后将牙胶片壳体传送至激光标记模块和激光切割模块分别进行打标和激光切割；在激光切割牙套时，将切割路径分割成若干段，利用机械手和激光三维振镜的联合运动控制，针对牙胶片壳体的不同区域，设置不同的切割速度和次数，在保证切穿牙套同时减少切割边缘的热效应。本发明切割牙套更为精准，且表面光滑无毛刺，减少了后续人工的修整、抛光，提高了效率。

Description

一种牙套的激光切割装置和方法

技术领域

本发明属于医疗器械生产领域，具体涉及一种牙套的激光切割装置和方法。

背景技术

口腔无托槽隐形矫治器(透明牙套)，相对于传统的托槽、钢丝的矫治技术，由于摘戴容易、美观、复诊方便等因素，市场逐年增长。口腔无托槽隐形矫治分为若干个矫治周期，每个矫治周期对应一副透明牙套，牙齿按照牙套的预设逐周期移动，直到最终目标位置。一般的，在生产透明牙套时，首先利用光固化成型技术(SLA)制作每一个矫治周期的牙颌模型；然后将矫治器的原材料(牙胶片)置于该牙颌模型之上，进行热塑成型操作，得到具有牙颌形状的牙胶片壳体；最后将牙套壳体沿着牙龈线切割一周，除去多余的部分并且将它从三维打印母模上脱下，修整抛光边缘即得到最终的牙套。

整个生产过程中，最为耗时的为牙套壳体的切割和抛光流程，传统切割方式借助钨钢刀头，以人工或者自动化设备按照切割路径完成切割。这种方式下，刀头极易磨损，造成切割边缘有毛刺或者不光滑，后续需要人工修整、抛光；另外，由于钨钢刀头必须具有一定直径大小(太细的刀头容易断裂，增加耗材和时间成本)，在特定角度切割时(如舌侧倾斜的后磨牙区域的切割)，极易剐蹭到邻接牙齿区域的牙套，因此在生成切割路径时，必须预留有足够多的空间，后续再由人工将预留的空间修整掉，降低了自动化设备的效率。

现有的针对牙套的激光切割主要以如下方式进行：激光聚焦在定点，然后通过3轴或者以上的运动装置，夹持牙套壳体匀速或者变速运动，完成激光对牙套壳体一周的切割。这种方式激光焦点的移动速度受限于运动装置，相对较慢，容易造成切割表面的过烧结；而且整个切割过程中激光的功率是不变的，由于牙套壳体的厚度会随着切割的路径发生较大的变化，容易造成部分牙套区域切割不断，而部分区域过切割。

因此需要新的激光切割牙套方式改善切割效果和提高切割效率。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种牙套的激光切割装置和方法，针对牙胶片壳体的不同区域，可设置不同的切割速度和次数，在保证切穿牙套同时，减少切割边缘的热效应。本发明相比于传统的刀头切割，该系统切割牙套更为精准，且表面光滑无毛刺，减少了后续人工的修整、抛光，提高了效率；并且切割过后三维打印模型不会被破坏，可被重复利用，降低了成本。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种牙套的激光切割装置

包括信息读入模块、激光切割模块、激光标记模块、模型夹持和传送模块以及联动各模块的控制系统；模型夹持和传送模块主要由载料托盘和安装有夹爪的机械手组成，载料托盘中心通过转动轴固定于工作台面上，载料托盘表面呈周向等间隔设置有多个工位，每个工位上放置有待切割的吸附于牙模表面的牙胶片壳体，在载料托盘上方安装有信息读入模块，通过转动载料托盘使其中一个工位对准信息读入模块；机械手通过夹爪夹持牙胶片壳体后将牙胶片壳体传送至激光标记模块和激光切割模块分别进行激光打标和激光切割。

所述的吸附于牙模表面的牙胶片壳体通过热塑成型制备得到，具体为：将牙胶片加热后置于三维打印的牙模上，利用正压或者负压压膜机完成吸塑；未吸附有牙胶片的牙模背面设置有三维信息码，三维信息码为将二维码上的图形沿垂直方向拉伸不同厚度获得。

载料托盘的每个工位边缘设置有多个凸起的定位销，每个工位上倒扣有吸附于牙模表面的牙胶片壳体，牙模背面的三维信息码朝上正对于信息读入模块；牙胶片壳体通过边缘设置的内凹槽与工位上的多个定位销相配合进行限位。

机械手的夹爪上设置有吸盘和固位槽；吸盘用于吸附牙胶片壳体；固位槽与载料托盘工位上的定位销位置对应，夹爪夹持牙胶片壳体时，通过夹爪上的固位槽与定位销相配合，确保夹持位置和方向唯一。

牙胶片的热塑成型在支撑底盘上完成：牙胶片加热后置于牙模表面，牙模位于支撑底盘上，牙模底部开有与支撑底盘表面凸块相配合的八字槽；

支撑底盘边缘开设有与载料托盘工位上的三个定位销位置对应的凹槽，热塑成型后的牙胶片壳体吸附于牙模表面且在牙胶片壳体边缘形成三个与支撑底盘上的凹槽形状一致的内凹槽。

所述信息读入模块主要由与控制系统连接的工业相机和光源组成。

激光标记模块采用二维振镜控制激光光束的移动，以实现在牙胶片壳体上进行用户信息标记；激光切割模块采用三维振镜控制激光光束移动，以实现牙胶片壳体的切割。

二、一种牙套激光切割装置的激光切割方法

包括以下步骤：

1)对于每个置于载料托盘上待切割的吸附于牙模表面的牙胶片壳体，建立牙胶片壳体的数字化模型，在模型上绘制切割路径，切割路径是按照牙齿和牙龈的交界线绕牙颌一周的一段三维曲线；根据牙齿生理形态，将切割路径分割成多个切割片段，包括舌侧切割路径上的五个部分、颊侧切割路径上的五个部分和尾部切割路径上的两个部分；

2)计算每个切割片段对应的切割位置和激光参数，并将每个切割片段的切割位置和激光参数通过控制系统储存至牙模的三维信息码；

切割位置包括切割片段中心移动至目标位置的变换向量和旋转矩阵，片段中心距离切割激光器的发射点为设定焦距；激光参数包括激光器切割次数、切割频率、切割功率和切割速度；

3)转动载料托盘使待切割的吸附于牙模表面的牙胶片壳体对准信息读入模块，工业相机读取牙模的三维信息码，并将三维信息码上的信息传输至控制系统；

4)机械手转动至载料托盘上方，吸附牙胶片壳体；机械手带动牙胶片壳体移动至激光标记模块的焦距范围内，通过打标激光器将用户信息烧结至牙胶片壳体上，用于不同牙胶片壳体的辨识；

5)牙胶片壳体的切割：

5.1)对于牙胶片壳体上的每个切割片段，机械手根据变换向量带动牙胶片壳体移动至目标位置，然后机械手根据旋转矩阵做旋转运动，完成当前切割片段的定位；切割激光器在当前切割片段对应的激光参数下，利用三维振镜控制激光焦点在切割片段上快速移动，完成当前片段的切割；

5.2)依次对每个切割片段进行步骤5.1)的操作，直至完成牙胶片壳体的一周切割。

所述步骤1)中，舌侧切割路径和颊侧切割路径上的五个部分为：切牙和尖牙部分，左侧前磨牙部分、右侧前磨牙部分、左侧后磨牙部分、右侧后磨牙部分；尾部切割路径上的两个部分为左侧后磨牙远中部分和右侧后磨牙远中部分。

所述步骤2)中切割片段的切割位置通过下述方法获得：

2.1)在机械手处于初始状态时构建绝对坐标系，绝对坐标系的原点为夹爪中心的位置，Z轴垂直于夹爪，X轴朝向激光器的发射点；机械手的初始状态为：机械手的夹爪中心距离激光器的发射点为设定焦距，夹爪表面与激光器的发射路径相平行；

2.2)将切割片段记为点集{P₀,P₁...P_n}，其中P₀和P_n分别为切割片段的起点和终点，M点表示线段P₀P_n的中点；根据M点和绝对坐标系原点的位置，计算将M点移动至坐标原点的变换向量(x₀,y₀,z₀)，即得切割片段中心移动至目标位置的变换向量(x₀,y₀,z₀)；

2.3)计算机械手绕Z轴旋转，使得线段LM垂直于P₀P_n的旋转角度r_z，其中L点为激光器上发射点的位置；

对于每个切割片段{P₀,P₁...P_n}，分别计算射线LP₀，LP₁...，LP_n是否和牙模有除P₀,P₁...P_n点外的交点(面片求交)；若存在交点，计算机械手绕Y轴旋转直至射线LP₀，LP₁...，LP_n与牙颌模型无交点时的旋转角度r_y；若不存在交点，机械手无需绕Y轴旋转；

根据旋转角度r_z，r_y得到机械手的旋转矩阵。

所述步骤2)中切割片段的激光参数通过下述方法获得：

对于不同厚度范围的牙胶片壳体，已通过实验获取防止牙胶片切割不透、切割边缘变脆、变黄的激光参数经验值；

对于当前切割片段，计算切割片段所处的牙胶片壳体的厚度平均值，根据厚度平均值所处的厚度范围获得对应的激光参数经验值作为当前切割片段的激光参数。

本发明的有益效果是：

1)本发明改进了传统牙套激光切割中，整个切割过程中激光功率和其他重要参数不可调的缺陷，大大增加了切割的灵活性，改善了切割的效果。

2)本发明集成激光切割和激光打标两个功能，在切割完成时，牙套部分已有唯一性标识，相对于独立人工打标系统，极大减少了后续牙套混淆的可能以及提高了效率；且可通过唯一性标识从数据库中读取对应牙套切割数据。

3)本发明优化了三维信息码位置，将其于三维打印牙颌模型背部(热塑成型的相反方向)，且凹于承载零件之内，避免了热塑成型后牙胶片对信息码识别的影响，从而可以实现信息码的不涂色识别。

4)本发明设计了连续载料的托盘，可实现不间断的连续切割，相对于单一的上料和下料工位，提升了效率。

附图说明

图1为本发明的工作流程；

图2为切割装置的俯视图；

图3为热塑成型过程示意图；

图4为热塑成型之后的打印母模的牙胶片壳体的示意图；

图5为三维打印牙模的俯视和仰视示意图；

图6为切割路径分段示意；

图7为夹取模块和激光切割模块的协作示意图；

图8为载料托盘示意图；

图9为热塑成型的支撑底盘

图10为夹爪的示意图；

图中：110为信息读入模块，130为激光切割模块，120为激光打标模块，140为模型夹持和传送模块；201为牙胶片，202为三维打印的牙模，203为三维信息码，204为切割路径，2041～2047分别表示将尾部和舌侧切割路径分割的7个片段，1403为载料工位，1404为定位销，1501为和定位销1404相对应的凹槽，1405为和定位销1404相对应的固位槽。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1展示了整个激光切割系统的工作流程。首先，进行切割路径的计算并将相关数据上传系统；然后将热塑成型的牙胶片壳体放置在上料位置，系统工作时会夹取牙胶片壳体依次完成打标、切割工作。

如图2所示，本发明的激光切割装置由信息读入模块110、激光切割模块，激光标记模块120、模型夹持和传送模块140以及协调各模块联动的控制系统组成。系统集成不同类型的激光设备，同时具有激光标记和激光切割两种功能。使用切割系统之前，将牙胶片置于光固化成型的牙颌模型之上，进行热塑成型操作，得到具有牙颌形状的牙胶片壳体。将牙胶片壳体放置在载料托盘的工位上，开始相关操作。

由于不同类型的激光控制板卡不能同时安装在一台工控电脑上，因此将打标激光和切割激光独立为两个模块，两个模块均包含相应的激光器、运动振镜工控电脑以及激光控制板卡等，两个激光模块通过控制系统控制。激光标记模块采用二维振镜控制激光光束的移动，以实现在牙胶片壳体特定位置进行用户信息标记；激光切割模块则采用三维振镜控制光束移动同时机械手夹持牙胶片壳体进行协同运动，实现绕牙胶片壳体一周的切割。

控制系统采用上位机控制激光器板卡，再由板卡控制激光器的出光，同时上位机与PLC通讯，给PLC传递信号来控制载料托盘、摄像头、光源、真空泵等其它装置。

图3展示了热塑成型的过程，将原材料牙胶片201加热后置于三维打印的牙模202之上，利用正压或者负压压膜机完成吸塑。得到图4所示的吸附于牙模表面的牙胶片壳体。

信息读取模块由光源、工业相机组成。信息读取时，由光源透过光固化成型设备制作的三维信息码，利用不同区域厚度不同进行成像。以实现三维信息码的无需辅助上色直接读取。三维信息码是对二维QR码或者Data Matrix码按照一定规则沿垂直方向拉伸获得。三维信息码的位置如图5所示，位于三维打印牙模的背面(热塑成型的相反方向)。在吸塑过程中，牙胶片201不会覆盖在三维信息码203之上，以免对识别造成干扰。为了使底面平整，三维信息码内凹嵌入在牙模底部。识别时，光源从牙胶片一侧透过三维信息码，利用信息码的厚度不同造成的明暗变化在相机处成像，可实现三维信息码的无需着色识别。其中，三维信息码的厚度需要根据所选相机和光源的参数进行调整。可选的，三维信息码底板厚度在2～3mm，凹陷深度在1.5～2mm。

如图8和图10所示，模型夹持和传送模块140由载料托盘和吸附夹爪组成。载料托盘包含4～8个工位。托盘为圆形，利用旋转，将工位输送至不同位置进行不同操作。每个工位包含三个定位销，定位销位置对于托盘平面凸出5～10mm，三个定位销1404位置组成的三角形为非等边三角形。每个工位上倒扣有吸附于牙模表面的牙胶片壳体，牙模背面的三维信息码朝上正对于信息读入模块110；牙胶片壳体通过边缘设置的内凹槽与工位上的多个定位销1404相配合进行限位。吸附夹爪组上有和定位销位置相对应的内凹曲面作为固位槽1405，热塑成型后的牙胶片壳体可按照唯一位置和方向放置在上料工位之上；当机械臂带动夹爪到位时，开启真空吸附装置，将物料吸附于夹爪之上。

如图9所示，牙胶片201的热塑成型在支撑底盘上完成：牙胶片201加热后置于牙模202表面，牙模202位于支撑底盘上，牙模202底部开有与支撑底盘表面凸块相配合的八字槽；支撑底盘边缘开设有与载料托盘工位上的三个定位销位置对应的凹槽1501，热塑成型后的牙胶片壳体吸附于牙模表面且在牙胶片壳体边缘形成三个与支撑底盘上的凹槽1501形状一致的内凹槽。

实施例：

1)建立牙胶片壳体的数字化模型，利用三维模型处理软件生成每个牙胶片壳体对应的切割路径，并根据牙齿生理形态，自动将路径分割成5～30个切割片段；

如图5所示，切割路径204是按照牙齿和牙龈的交界线绕牙颌一周的一段三维曲线。激光切割的角度应与所切割的牙胶片壳体平面垂直，使得切割的边缘比较平滑，没有“刃”。但是，由于受牙颌模型干扰，在切割部分区域时(如靠近舌侧的区域)，激光光线必须和牙胶片壳体表面成一定角度。为了实现最优的切割角度，可在生成切割路径204后，首先对切割路径进行分段。

根据牙齿生理形态对切割路径进行分割。成人一般单颌最多有16颗牙齿，可分为切牙(4颗)，尖牙(2颗)，前磨牙(4颗)，后磨牙(6颗)四种。如图6所示为舌侧切割路径，根据牙齿的分类，分成5个部分：切、尖牙部分(2044)，左、右侧前磨牙部分(2403，2405)，左、右侧后磨牙部分(2402、2406)。按相同规则，颊侧切割路径也可分割成5个部分，加上尾部的两部分：左、右侧后磨牙远中部分(2041、2047)，一共将切割路径分割成12部分。根据牙齿的形态不同，不同部分的切割片段可进行自动合并和拆分。保证统一切割片段中，路径的弧度变化尽量小，以及不同片段的长度尽量均匀。

2)对于每个切割片段，计算最佳切割位置，使得待切割路径和激光器之间没有遮挡、路径的前进方向和切割光线尽可能垂直，且使切割表面和切割光线成10～60度的夹角。然后，将切割片段转换到激光器的坐标系下，完成切割路径的计算；

2.1)如图7所示，在机械手处于初始状态时构建绝对坐标系1401，绝对坐标系的原点为夹爪中心的位置，Z轴垂直于夹爪表面，X轴朝向激光器的发射点；机械手的初始状态为：机械手的夹爪中心距离激光器的发射点为设定焦距，夹爪表面与激光器的发射路径相平行；

2.2)将切割片段记为点集{P₀,P₁...P_n}，点集{P₀,P₁...P_n}位于切割路径上，其中P₀和P_n分别为切割片段的起点和终点，M点表示线段P₀P_n的中点；根据M点和绝对坐标系原点的位置，计算将M点移动至坐标原点的变换向量(x₀,y₀,z₀)，即得切割片段中心移动至目标位置的变换向量(x₀,y₀,z₀)；

2.3)计算机械手绕Z轴旋转，使得线段LM垂直于P₀P_n的旋转角度r_z，其中L点为激光器上发射点的位置；

对于每个切割片段{P₀,P₁...P_n}，分别计算射线LP₀，LP₁...，LP_n是否和牙模有除P₀,P₁...P_n点外的交点(面片求交)；若存在交点，则证明到目标切割点的激光存在干涉，计算机械手绕Y轴旋转直至射线LP₀，LP₁...，LP_n与牙颌模型无交点时的旋转角度r_y；若不存在交点，机械手无需绕Y轴旋转；

根据旋转角度r_z，r_y得到机械手的旋转矩阵。

2.4)由于热塑成型工艺和牙颌模型形状本身的特点，成型后的牙胶片壳体不同区域之间厚度有较大的差异，对于每一个切割线段需要采用不同的激光器切割参数，以获得最优的切割效果。切割参数包括切割次数，频率，功率，切割速度等。

对于不同厚度范围的牙胶片壳体，通过前期实验分别获取最佳的切割参数作为激光参数经验值，不同的厚度采用不同的切割参数，避免了整条路径采用同一激光参数切割时，由于牙胶片壳体厚度的差异造成部分区域切割不透，部分区域切割过深导致边缘变脆、变黄。

对于当前切割片段，计算切割片段所处的牙胶片壳体的厚度平均值，根据厚度平均值所处的厚度范围获得对应的激光参数经验值作为当前切割片段的激光参数。

热塑过后的牙胶片壳体厚度还可利用计算热成型(ComputationalThermoforming)方法，对压膜过程进行计算机仿真以后，再进行估算。

3)在激光切割牙套时，利用机械手和激光三维振镜的联合运动控制，对每段路径实现低功率激光的快速、多次的切割，且针对牙胶片壳体的不同区域，设置不同的切割速度和次数，在保证切穿牙套同时，减少切割边缘的热效应。

3.1)对于牙胶片壳体上的每个切割片段，机械手根据变换向量带动牙胶片壳体移动至目标位置，然后根据旋转矩阵做旋转运动，完成当前切割片段的定位；切割激光器在当前切割片段对应的激光参数下，利用三维振镜控制激光焦点在切割片段上快速移动，完成当前片段的切割；

3.2)依次对每个切割片段进行步骤3.1)的操作，直至完成牙胶片壳体的一周切割。

Claims (3)

1.一种牙套的激光切割方法，所述方法采用激光切割装置，激光切割装置包括信息读入模块(110)、激光切割模块(130)、激光标记模块(120)、模型夹持和传送模块(140)以及联动各模块的控制系统；

模型夹持和传送模块(140)由载料托盘和安装有夹爪的机械手组成，载料托盘中心通过转动轴固定于工作台面上，载料托盘表面呈周向等间隔设置有多个工位，每个工位上放置有待切割的吸附于牙模表面的牙胶片壳体，在载料托盘上方安装有信息读入模块(110)，通过转动载料托盘使其中一个工位对准信息读入模块(110)；

机械手通过夹爪夹持牙胶片壳体后将牙胶片壳体传送至激光标记模块(120)和激光切割模块(130)分别进行激光打标和激光切割；

其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)对于每个置于载料托盘上待切割的吸附于牙模表面的牙胶片壳体，建立牙胶片壳体的数字化模型，在模型上绘制切割路径，切割路径(204)是按照牙齿和牙龈的交界线绕牙颌一周的一段三维曲线；根据牙齿生理形态，将切割路径(204)分割成多个切割片段，包括舌侧切割路径上的五个部分、颊侧切割路径上的五个部分和尾部切割路径上的两个部分；

2)计算每个切割片段对应的切割位置和激光参数，并将每个切割片段的切割位置和激光参数通过控制系统储存至牙模的三维信息码；

切割位置包括切割片段中心移动至目标位置的变换向量和旋转矩阵，片段中心距离切割激光器的发射点为设定焦距；激光参数包括激光器切割次数、切割频率、切割功率和切割速度；

3)转动载料托盘使待切割的吸附于牙模表面的牙胶片壳体对准信息读入模块(110)，工业相机读取牙模的三维信息码，并将三维信息码上的信息传输至控制系统；

4)机械手转动至载料托盘上方，吸附牙胶片壳体；机械手带动牙胶片壳体移动至激光标记模块(120)的焦距范围内，通过打标激光器将用户信息烧结至牙胶片壳体上，用于不同牙胶片壳体的辨识；

5)牙胶片壳体的切割：

5.1)对于牙胶片壳体上的每个切割片段，机械手根据变换向量带动牙胶片壳体移动至目标位置，然后机械手根据旋转矩阵做旋转运动，完成当前切割片段的定位；切割激光器在当前切割片段对应的激光参数下，利用三维振镜控制激光焦点在切割片段上快速移动，完成当前片段的切割；

5.2)依次对每个切割片段进行步骤5.1)的操作，直至完成牙胶片壳体的一周切割；

所述步骤2)中切割片段的切割位置通过下述方法获得：

2.1)在机械手处于初始状态时构建绝对坐标系，绝对坐标系的原点为夹爪中心的位置，Z轴垂直于夹爪，X轴朝向激光器的发射点；机械手的初始状态为：机械手的夹爪中心距离激光器的发射点为设定焦距，夹爪表面与激光器的发射路径相平行；

2.2)将切割片段记为点集{P₀,P₁...P_n}，其中P₀和P_n分别为切割片段的起点和终点，M点表示线段P₀P_n的中点；根据M点和绝对坐标系原点的位置，计算将M点移动至坐标原点的变换向量(x₀,y₀,z₀)，即得切割片段中心移动至目标位置的变换向量(x₀,y₀,z₀)；

2.3)计算机械手绕Z轴旋转，使得线段LM垂直于P₀P_n的旋转角度r_z，其中L点为激光器上发射点的位置；

对于每个切割片段{P₀,P₁...P_n}，分别计算射线LP₀，LP₁...，LP_n是否和牙模有除P₀,P₁...P_n点外的交点；若存在交点，计算机械手绕Y轴旋转直至射线LP₀，LP₁...，LP_n与牙颌模型无交点时的旋转角度r_y；若不存在交点，机械手无需绕Y轴旋转；

根据旋转角度r_z，r_y得到机械手的旋转矩阵。

2.根据权利要求1所述的激光切割方法，其特征在于，所述步骤1)中，舌侧切割路径和颊侧切割路径上的五个部分为：切牙和尖牙部分(2044)，左侧前磨牙部分(2043)、右侧前磨牙部分(2045)、左侧后磨牙部分(2042)、右侧后磨牙部分(2046)；尾部切割路径上的两个部分为左侧后磨牙远中部分(2041)和右侧后磨牙远中部分(2047)。

3.根据权利要求1所述的激光切割方法，其特征在于，所述步骤2)中切割片段的激光参数通过下述方法获得：

对于不同厚度范围的牙胶片壳体，已通过实验获取防止牙胶片切割不透、切割边缘变脆、变黄的激光参数经验值；

对于当前切割片段，计算切割片段所处的牙胶片壳体的厚度平均值，根据厚度平均值所处的厚度范围获得对应的激光参数经验值作为当前切割片段的激光参数。