CN114469245B - 一种带有自适应旋转喷头的骨组织磨削装置 - Google Patents

一种带有自适应旋转喷头的骨组织磨削装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有自适应旋转喷头的骨组织磨削装置,包括铝型材、Y轴线性滑台、Y轴伺服电机、X轴线性滑台、电主轴、蜗轮蜗杆机构、Z轴伺服电机、Z轴线性滑台、自适应旋转喷头、磨头、工件夹具、X轴伺服电机、Y轴连接块、Y轴连接块、Z轴连接块和电主轴套筒;本发明提供了一种通过蜗轮蜗杆机构实现主轴倾角调节,通过自适应旋转机构实现不同进给方向上冷却的骨组织磨削装置,在实际外科手术过程中,磨具是由医生手持的,在磨削过程中由于骨组织结构的多样性,磨具相对于水平面的倾角和磨具进给方向是可变的,本发明可根据磨具进给方向自适应调整布置方向的冷却喷头,以实现不同进给方向上的有效冷却,提升骨材料磨削时的安全性。

Description

一种带有自适应旋转喷头的骨组织磨削装置
技术领域
本发明涉及医学领域,尤其涉及骨外科手术领域,更具体的说,尤其涉及一种带有自适应旋转喷头的骨组织磨削装置。
背景技术
磨削作为一种精密加工方法,在零件加工方面有着广泛的运用。骨外科手术已进入新兴的微创时代,骨组织磨削成为骨外科临床上常见和基本的应用之一,有关骨磨削特性的研究逐渐增多。相比于传统机械磨削,骨组织磨削通常采用表面有金刚石磨粒的微小球型磨头,磨粒在工件外表面切削材料,加工后工件表面的粗糙度可以很小,但磨削是能量密集型的加工方式,加工过程会产生很多磨削热,热量积聚会使得生物组织产生热损伤。本文设计的骨组织磨削装置可实现三维运动、主轴倾角可调和有效冷却的功能。磨具在XYZ三个方向进行运动,通过XYZ轴的线性滑台和伺服电机来实现,用来模拟医生手持磨具的运动方向;在实际临床过程中,医生手持磨具的角度是不确定的,多变的,故可调节主轴倾角使得模拟更加真实;设计一种能实现X、Y进给方向上自适应冷却结构是有必要的,若不能进行及时、有效地润滑,骨组织细胞会因为过高的磨削温度导致坏死。
目前市场上的骨组织磨削装置往往带有固定的冷却喷头,但固定的喷头只能保证一个方向上的有效冷却,当磨具往其它方向进给时无法对磨削弧区进行有效冷却,易造成磨削温度过高,使得骨组织细胞坏死。
发明内容
本发明的目的在于解决一般骨组织磨削装置固定冷却喷头在不同进给方向上冷却效果不同的问题,提出了一种带有自适应旋转喷头的骨组织磨削装置,附带的冷却喷头可随进给方向的变化而自适应旋转,满足在不同的工况下,磨削液都能进入到磨削弧区进行有效的冷却。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的:一种带有自适应旋转喷头的骨组织磨削装置,包括铝型材、Y轴线性滑台、Y轴伺服电机、X轴线性滑台、电主轴、蜗轮蜗杆机构、Z轴伺服电机、Z轴线性滑台、自适应旋转喷头、磨头、工件夹具、X轴伺服电机、Y轴连接块、X轴连接块、Z轴连接块和电主轴套筒;
所述Y轴线性滑台水平固定在铝型材上,Y轴伺服电机连接Y轴线性滑台的输出端,Y轴伺服电机驱动Y轴线性滑台的滑块沿着Y轴方向直线运动;Y轴连接块固定在Y轴线性滑台的滑块上,X轴线性滑台水平固定在Y轴连接块上,X轴线性滑台的方向与Y轴线性滑台的方向相互垂直,X轴伺服电机连接X轴线性滑台的输出端,X轴伺服电机驱动X轴线性滑台的滑块沿着X轴方向直线运动;所述X轴连接块固定在X轴线性滑台的滑块上,Z轴线性滑台竖直固定在X轴连接块上,Z轴伺服电机连接Z轴线性滑台的输出端,Z轴伺服电机驱动Z轴线性滑台的滑块沿着竖直方向直线运动;Z轴连接块固定在Z轴线性滑台的滑块上,蜗轮蜗杆机构固定在Z轴连接块上;自适应旋转喷头连接在电主轴上,磨头连接在电主轴的活动端,电主轴套筒套装在电主轴上且电主轴套筒的外侧固定连接蜗轮蜗杆机构的驱动端;工件夹具设置在自适应旋转喷头的下方;
所述涡轮蜗杆机构包括蜗轮蜗杆机构壳体、蜗杆驱动杆、蜗杆、涡轮、涡轮轴和连接板,蜗杆驱动杆穿过蜗杆并架在蜗轮蜗杆机构壳体上,使蜗杆位置固定;连接板设置在蜗轮蜗杆机构壳体内侧,Z轴连接块与连接板夹住蜗轮蜗杆机构壳体,连接板通过穿过蜗轮蜗杆机构壳体的螺栓固定在Z轴连接块上;
所述涡轮轴上依次套装有第一深沟球轴承、涡轮和电主轴套筒,第一深沟球轴承和涡轮均设置在蜗轮蜗杆机构壳体内部,第一深沟球轴承的外圈固定在蜗轮蜗杆机构壳体上,第一深沟球轴承的内圈套装在涡轮轴的一端,所述涡轮轴与涡轮和第一深沟球轴承均通过键连接;涡轮与蜗杆相啮合,涡轮轴的另一端伸出到蜗轮蜗杆机构壳体外并与电主轴套筒通过键固定连接;蜗杆驱动杆驱动蜗杆旋转时,蜗杆带动涡轮转动,进而通过涡轮轴带动电主轴套筒的转动,实现电主轴倾角的变化;
所述自适应旋转喷头包括电主轴、转子、定子、冷却喷头、第二深沟球轴承和第三深沟球轴承,所述电主轴包括主轴套壳和主轴,所述主轴套壳套装在主轴上且主轴套壳的一端与电主轴套筒固定连接,转子通过第二深沟球轴承和第三深沟球轴承安装在主轴套壳上,第二深沟球轴承和第三深沟球轴承的内圈固定在主轴套壳上,转子固定在第二深沟球轴承和第三深沟球轴承的外圈上,转子和主轴套壳之间通过第二深沟球轴承和第三深沟球轴实现相对转动;冷却喷头固定在转子的N极上并跟随转子进行运动;所述定子通过螺栓固定在主轴套壳上,定子上设置有沿圆周方向均布且依次设置的第一定子绕组、第二定子绕组、第三定子绕组和第四定子绕组;
所述第一定子绕组和第三定子绕组的通断与Y轴伺服电机进行协同控制,Y轴伺服电机驱动Y轴连接块往Y轴正方向运动时第一定子绕组和第三定子绕组通电且第一定子绕组通电后的相极性为正,第三定子绕组通电后的相极性为负,在第一定子绕组和第三定子绕组产生的磁场作用下冷却喷头转动到靠近第一定子绕组的位置;Y轴伺服电机驱动Y轴连接块往Y轴负方向运动时第一定子绕组和第三定子绕组通电且第一定子绕组通电后的相极性为负,第三定子绕组通电后的相极性为正,在第一定子绕组和第三定子绕组产生的磁场作用下冷却喷头转动到靠近第三定子绕组的位置;
所述第二定子绕组和第四定子绕组的通断与X轴伺服电机进行协同控制,X轴伺服电机驱动X轴连接块往X轴正方向运动时第二定子绕组和第四定子绕组通电且第二定子绕组通电后的相极性为正,第四定子绕组通电后的相极性为负,在第二定子绕组和第四定子绕组产生的磁场作用下冷却喷头转动到靠近第二定子绕组的位置;X轴伺服电机驱动X轴连接块往X轴负方向运动时第二定子绕组和第四定子绕组通电且第二定子绕组通电后的相极性为负,第四定子绕组通电后的相极性为正,在第二定子绕组和第四定子绕组产生的磁场作用下冷却喷头转动到靠近第四定子绕组的位置。
进一步的,所述蜗杆和涡轮的传动比i=90~180。
进一步的,Y轴伺服电机和X轴伺服电机同一时间内仅有一个工作。即保证第一定子绕组和第三定子绕组通电时第二定子绕组和第四定子绕组不通电,第二定子绕组和第四定子绕组通电时第一定子绕组和第三定子绕组不通电。
本发明的有益效果在于:
1、本发明提供了一种通过蜗轮蜗杆机构实现主轴倾角调节,通过自适应旋转机构实现不同进给方向上冷却的骨组织磨削装置,在实际外科手术过程中,磨具是由医生手持的,在磨削过程中由于骨组织结构的多样性,磨具相对于水平面的倾角和磨具进给方向是可变的,本发明可根据磨具进给方向自适应调整布置方向的冷却喷头,以实现不同进给方向上的有效冷却,提升骨材料磨削时的安全性。
2、本发明采用蜗轮蜗杆机构调节磨具的倾角,磨具的倾角需要改变时可不需要拆卸,通过蜗轮蜗杆机构直接进行调节,通过传动比为90的蜗轮蜗杆机构实现蜗杆转动一圈,蜗轮转动过4°的效果,便于调节电主轴的倾角,进而带动磨头的倾角改变。
3、本发明的冷却喷头采用自适应旋转喷头,利用定子转子机构实现随进给方向变化而变化的自适应旋转,当进给方向发生变化时,喷头的位置会旋转到进给方向处,提高冷却的效率;定子通过螺钉连接与轴固定,喷头固定在转子上,当进给方向变化时,定子上的绕组通电方向随之变化,产生的磁场使得转子转动,即喷头转到进给方向处,通过自适应的旋转冷却喷头提高了冷却的效率。
附图说明
图1是本发明一种带有自适应旋转喷头的骨组织磨削装置的主视图。
图2是本发明一种带有自适应旋转喷头的骨组织磨削装置的轴测图。
图3是本发明中蜗轮蜗杆机构、主轴套筒和冷却喷头的连接示意图。
图4是本发明蜗轮蜗杆机构的左视图。
图5是本发明蜗轮蜗杆机构的主视图。
图6是本发明蜗轮蜗杆机构与电主轴套筒的连接装配剖视示意图。
图7是本发明自适应旋转喷头的剖视结构示意图。
图8是本发明自适应旋转喷头的原理示意图。
图9是本发明Y轴伺服电机向Y轴正方向运动时自适应旋转喷头的工作原理图。
图10是本发明Y轴伺服电机向Y轴负方向运动时自适应旋转喷头的工作原理图。
图11是本发明X轴伺服电机向X轴正方向运动时自适应旋转喷头的工作原理图。
图12是本发明X轴伺服电机向X轴负方向运动时自适应旋转喷头的工作原理图。
图中, 10-铝型材、20-Y轴线性滑台、30-Y轴伺服电机、40-X轴线性滑台、50-电主轴、60-蜗轮蜗杆机构、70-Z轴伺服电机、80-Z轴线性滑台、90-自适应旋转喷头、100-磨头、110-工件夹具、120-X轴伺服电机、130-Y轴连接块、140-X轴连接块、150-Z轴连接块、160-电主轴套筒、170-冷却泵、601-蜗轮蜗杆机构壳体、602-蜗杆驱动杆、603-蜗杆、604-涡轮、605-连接板;181-第一深沟球轴承、182-第二深沟球轴承、183-第三深沟球轴承、501-主轴套壳、502-主轴、901-转子、902-定子、903-冷却喷头、9021-第一定子绕组、9022-第二定子绕组、9023-第三定子绕组、9024-第四定子绕组。
实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明:
如图1~8所示,一种带有自适应旋转喷头的骨组织磨削装置,包括铝型材10、Y轴线性滑台20、Y轴伺服电机30、X轴线性滑台40、电主轴50、蜗轮蜗杆机构60、Z轴伺服电机70、Z轴线性滑台80、自适应旋转喷头、磨头100、工件夹具110、X轴伺服电机120、Y轴连接块130、X轴连接块140、Z轴连接块150和电主轴套筒160。
所述Y轴线性滑台20水平固定在铝型材10上,Y轴伺服电机30连接Y轴线性滑台20的输出端,Y轴伺服电机30驱动Y轴线性滑台20的滑块沿着Y轴方向直线运动;Y轴连接块130固定在Y轴线性滑台20的滑块上,X轴线性滑台40水平固定在Y轴连接块130上,X轴线性滑台40的方向与Y轴线性滑台20的方向相互垂直,X轴伺服电机120连接X轴线性滑台40的输出端,X轴伺服电机120驱动X轴线性滑台40的滑块沿着X轴方向直线运动;所述X轴连接块140固定在X轴线性滑台40的滑块上,Z轴线性滑台80竖直固定在X轴连接块140上,Z轴伺服电机70连接Z轴线性滑台80的输出端,Z轴伺服电机70驱动Z轴线性滑台80的滑块沿着竖直方向直线运动;Z轴连接块150固定在Z轴线性滑台80的滑块上,蜗轮蜗杆机构60固定在Z轴连接块150上;自适应旋转喷头连接在电主轴50上,磨头100连接在电主轴50的活动端,电主轴套筒160套装在电主轴50上且电主轴套筒160的外侧固定连接蜗轮蜗杆机构60的驱动端;工件夹具110设置在自适应旋转喷头的下方。
所述涡轮蜗杆机构包括蜗轮蜗杆机构壳体601、蜗杆驱动杆602、蜗杆603、涡轮604、涡轮轴和连接板605,蜗杆驱动杆602穿过蜗杆603并架在蜗轮蜗杆机构壳体601上,使蜗杆603位置固定;连接板605设置在蜗轮蜗杆机构壳体601内侧,Z轴连接块150与连接板605夹住蜗轮蜗杆机构壳体601,连接板605通过穿过蜗轮蜗杆机构壳体601的螺栓固定在Z轴连接块150上。
所述涡轮轴上依次套装有第一深沟球轴承181、涡轮604和电主轴套筒160,第一深沟球轴承181和涡轮604均设置在蜗轮蜗杆机构壳体601内部,第一深沟球轴承181的外圈固定在蜗轮蜗杆机构壳体601上,第一深沟球轴承181的内圈套装在涡轮轴的一端,所述涡轮轴与涡轮604和第一深沟球轴承181均通过键连接;涡轮604与蜗杆603相啮合,涡轮轴的另一端伸出到蜗轮蜗杆机构壳体601外并与电主轴套筒160通过键固定连接;蜗杆驱动杆602驱动蜗杆603旋转时,蜗杆603带动涡轮604转动,进而通过涡轮轴带动电主轴套筒160的转动,实现电主轴50倾角的变化。
所述自适应旋转喷头包括电主轴50、转子901、定子902、冷却喷头903、第二深沟球轴承和第三深沟球轴承,所述电主轴50包括主轴套壳501和主轴502,所述主轴套壳501套装在主轴502上且主轴套壳501的一端与电主轴套筒160固定连接,转子901通过第二深沟球轴承和第三深沟球轴承安装在主轴套壳501上,第二深沟球轴承和第三深沟球轴承的内圈固定在主轴套壳501上,转子901固定在第二深沟球轴承和第三深沟球轴承的外圈上,转子901和主轴套壳501之间通过第二深沟球轴承和第三深沟球轴实现相对转动;冷却喷头903固定在转子901的N极上并跟随转子901进行运动;所述定子902通过螺栓固定在主轴套壳501上,定子902上设置有沿圆周方向均布且依次设置的第一定子绕组9021、第二定子绕组9022、第三定子绕组9023和第四定子绕组9024。
如图9~12所示,所述第一定子绕组9021和第三定子绕组9023的通断与Y轴伺服电机30进行协同控制,Y轴伺服电机30驱动Y轴连接块130往Y轴正方向运动时第一定子绕组9021和第三定子绕组9023通电且第一定子绕组9021通电后的相极性为正,第三定子绕组9023通电后的相极性为负,在第一定子绕组9021和第三定子绕组9023产生的磁场作用下冷却喷头903转动到靠近第一定子绕组9021的位置;Y轴伺服电机30驱动Y轴连接块130往Y轴负方向运动时第一定子绕组9021和第三定子绕组9023通电且第一定子绕组9021通电后的相极性为负,第三定子绕组9023通电后的相极性为正,在第一定子绕组9021和第三定子绕组9023产生的磁场作用下冷却喷头903转动到靠近第三定子绕组9023的位置。
所述第二定子绕组9022和第四定子绕组9024的通断与X轴伺服电机120进行协同控制,X轴伺服电机120驱动X轴连接块140往X轴正方向运动时第二定子绕组9022和第四定子绕组9024通电且第二定子绕组9022通电后的相极性为正,第四定子绕组9024通电后的相极性为负,在第二定子绕组9022和第四定子绕组9024产生的磁场作用下冷却喷头903转动到靠近第二定子绕组9022的位置;X轴伺服电机120驱动X轴连接块140往X轴负方向运动时第二定子绕组9022和第四定子绕组9024通电且第二定子绕组9022通电后的相极性为负,第四定子绕组9024通电后的相极性为正,在第二定子绕组9022和第四定子绕组9024产生的磁场作用下冷却喷头903转动到靠近第四定子绕组9024的位置。
所述蜗杆603和涡轮604的传动比i=90~180。
Y轴伺服电机30和X轴伺服电机120同一时间内仅有一个工作。
上述实施例只是本发明的较佳实施例,并不是对本发明技术方案的限制,只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案,均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (3)

1.一种带有自适应旋转喷头的骨组织磨削装置,其特征在于:包括铝型材(10)、Y轴线性滑台(20)、Y轴伺服电机(30)、X轴线性滑台(40)、电主轴(50)、蜗轮蜗杆机构(60)、Z轴伺服电机(70)、Z轴线性滑台(80)、自适应旋转喷头、磨头(100)、工件夹具(110)、X轴伺服电机(120)、Y轴连接块(130)、X轴连接块(140)、Z轴连接块(150)和电主轴套筒(160);
所述Y轴线性滑台(20)水平固定在铝型材(10)上,Y轴伺服电机(30)连接Y轴线性滑台(20)的输出端,Y轴伺服电机(30)驱动Y轴线性滑台(20)的滑块沿着Y轴方向直线运动;Y轴连接块(130)固定在Y轴线性滑台(20)的滑块上,X轴线性滑台(40)水平固定在Y轴连接块(130)上,X轴线性滑台(40)的方向与Y轴线性滑台(20)的方向相互垂直,X轴伺服电机(120)连接X轴线性滑台(40)的输出端,X轴伺服电机(120)驱动X轴线性滑台(40)的滑块沿着X轴方向直线运动;所述X轴连接块(140)固定在X轴线性滑台(40)的滑块上,Z轴线性滑台(80)竖直固定在X轴连接块(140)上,Z轴伺服电机(70)连接Z轴线性滑台(80)的输出端,Z轴伺服电机(70)驱动Z轴线性滑台(80)的滑块沿着竖直方向直线运动;Z轴连接块(150)固定在Z轴线性滑台(80)的滑块上,蜗轮蜗杆机构(60)固定在Z轴连接块(150)上;自适应旋转喷头连接在电主轴(50)上,磨头(100)连接在电主轴(50)的活动端,电主轴套筒(160)套装在电主轴(50)上且电主轴套筒(160)的外侧固定连接蜗轮蜗杆机构(60)的驱动端;工件夹具(110)设置在自适应旋转喷头的下方;
所述蜗轮蜗杆机构包括蜗轮蜗杆机构壳体(601)、蜗杆驱动杆(602)、蜗杆(603)、蜗轮(604)、蜗轮轴和连接板(605),蜗杆驱动杆(602)穿过蜗杆(603)并架在蜗轮蜗杆机构壳体(601)上,使蜗杆(603)位置固定;连接板(605)设置在蜗轮蜗杆机构壳体(601)内侧,Z轴连接块(150)与连接板(605)夹住蜗轮蜗杆机构壳体(601),连接板(605)通过穿过蜗轮蜗杆机构壳体(601)的螺栓固定在Z轴连接块(150)上;
所述蜗轮轴上依次套装有第一深沟球轴承(181)、蜗轮(604)和电主轴套筒(160),第一深沟球轴承(181)和蜗轮(604)均设置在蜗轮蜗杆机构壳体(601)内部,第一深沟球轴承(181)的外圈固定在蜗轮蜗杆机构壳体(601)上,第一深沟球轴承(181)的内圈套装在蜗轮轴的一端,所述蜗轮轴与蜗轮(604)和第一深沟球轴承(181)均通过键连接;蜗轮(604)与蜗杆(603)相啮合,蜗轮轴的另一端伸出到蜗轮蜗杆机构壳体(601)外并与电主轴套筒(160)通过键固定连接;蜗杆驱动杆(602)驱动蜗杆(603)旋转时,蜗杆(603)带动蜗轮(604)转动,进而通过蜗轮轴带动电主轴套筒(160)的转动,实现电主轴(50)倾角的变化;
所述自适应旋转喷头包括电主轴(50)、转子(901)、定子(902)、冷却喷头(903)、第二深沟球轴承和第三深沟球轴承,所述电主轴(50)包括主轴套壳(501)和主轴(502),所述主轴套壳(501)套装在主轴(502)上且主轴套壳(501)的一端与电主轴套筒(160)固定连接,转子(901)通过第二深沟球轴承和第三深沟球轴承安装在主轴套壳(501)上,第二深沟球轴承和第三深沟球轴承的内圈固定在主轴套壳(501)上,转子(901)固定在第二深沟球轴承和第三深沟球轴承的外圈上,转子(901)和主轴套壳(501)之间通过第二深沟球轴承和第三深沟球轴实现相对转动;冷却喷头(903)固定在转子(901)的N极上并跟随转子(901)进行运动;所述定子(902)通过螺栓固定在主轴套壳(501)上,定子(902)上设置有沿圆周方向均布且依次设置的第一定子绕组(9021)、第二定子绕组(9022)、第三定子绕组(9023)和第四定子绕组(9024);
所述第一定子绕组(9021)和第三定子绕组(9023)的通断与Y轴伺服电机(30)进行协同控制,Y轴伺服电机(30)驱动Y轴连接块(130)往Y轴正方向运动时第一定子绕组(9021)和第三定子绕组(9023)通电且第一定子绕组(9021)通电后的相极性为正,第三定子绕组(9023)通电后的相极性为负,在第一定子绕组(9021)和第三定子绕组(9023)产生的磁场作用下冷却喷头(903)转动到靠近第一定子绕组(9021)的位置;Y轴伺服电机(30)驱动Y轴连接块(130)往Y轴负方向运动时第一定子绕组(9021)和第三定子绕组(9023)通电且第一定子绕组(9021)通电后的相极性为负,第三定子绕组(9023)通电后的相极性为正,在第一定子绕组(9021)和第三定子绕组(9023)产生的磁场作用下冷却喷头(903)转动到靠近第三定子绕组(9023)的位置;
所述第二定子绕组(9022)和第四定子绕组(9024)的通断与X轴伺服电机(120)进行协同控制,X轴伺服电机(120)驱动X轴连接块(140)往X轴正方向运动时第二定子绕组(9022)和第四定子绕组(9024)通电且第二定子绕组(9022)通电后的相极性为正,第四定子绕组(9024)通电后的相极性为负,在第二定子绕组(9022)和第四定子绕组(9024)产生的磁场作用下冷却喷头(903)转动到靠近第二定子绕组(9022)的位置;X轴伺服电机(120)驱动X轴连接块(140)往X轴负方向运动时第二定子绕组(9022)和第四定子绕组(9024)通电且第二定子绕组(9022)通电后的相极性为负,第四定子绕组(9024)通电后的相极性为正,在第二定子绕组(9022)和第四定子绕组(9024)产生的磁场作用下冷却喷头(903)转动到靠近第四定子绕组(9024)的位置。
2.根据权利要求1所述的一种带有自适应旋转喷头的骨组织磨削装置,其特征在于:所述蜗杆(603)和蜗轮(604)的传动比i=90~180。
3.根据权利要求1所述的一种带有自适应旋转喷头的骨组织磨削装置,其特征在于:Y轴伺服电机(30)和X轴伺服电机(120)同一时间内仅有一个工作。
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