專利名稱：數(shù)字化口腔修復(fù)體制作裝備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于CAD/CAM技術(shù)的口腔修復(fù)體的制作設(shè)備,具 體涉及一種數(shù)字化口腔修復(fù)體制作裝備。
背景技術(shù)：
牙體缺損、牙列缺損及其畸形和牙列缺失是人類的常見病、多發(fā) 病，其病因主要是由齲病、牙周病、外傷、腫瘤和先天畸形等引起的。 齲病是危害人類健康的三大疾病之一，也是形成牙體、牙列缺損和缺 失的主要原因。目前我囯口腔醫(yī)學(xué)修復(fù)體的制作方式絕大部分是延續(xù) 了傳統(tǒng)手工制造工藝方法，首先醫(yī)生對患者待修復(fù)牙體進(jìn)行制備，然 后用印模料取陰模，翻制石膏模型。接著在技工中心由專職的技工完 成切割代型、涂抹間隙劑、雕刻蠟型等各項(xiàng)復(fù)雜的工序。最后包埋鑄 造成金屬修復(fù)體，在烤瓷爐上均勻烤上瓷層，透色美化，完成修復(fù)體 的制作，因此，口腔醫(yī)院要設(shè)置一個(gè)龐大的技工中心負(fù)責(zé)患者修復(fù)體 的加工制作。而且上述制作步驟幾乎每一步都是手工操作，效率低、 精度不高，延長了治療的周期，無法滿足患者快速恢復(fù)牙體功能的要 求。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供 一種操作簡單、 效率高、制作精度高的數(shù)字化口腔修復(fù)體制作裝備，從而使得傳統(tǒng)的 以周、月計(jì)量的治療時(shí)間，改為以小時(shí)、分鐘為單位，明顯地縮短治 療周期，極大地提高了工作效率，減輕了患者痛苦，同時(shí)還提高了口 腔修復(fù)體的質(zhì)量。(二)技術(shù)方案
本發(fā)明的數(shù)字化口腔修復(fù)體制作裝備，包括用于采集牙頜模型及 咬合記錄三維數(shù)據(jù)的激光三維掃描系統(tǒng)、用于快速制作口腔修復(fù)體的
口腔修復(fù)CAD/CAM設(shè)計(jì)系統(tǒng)、用于加工口腔修復(fù)體的專用數(shù)控裝備， 所述激光三維掃描系統(tǒng)與口腔修復(fù)CAD/CAM設(shè)計(jì)系統(tǒng)連通，口腔修復(fù) CAD/CAM設(shè)計(jì)系統(tǒng)與專用數(shù)控裝備連通。
其中，所述口腔修復(fù)CAD/CAM設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括造型系統(tǒng)輸入單元、 造型系統(tǒng)輸出單元、造型系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元，造型系統(tǒng)輸入單元 與造型系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元的輸入接口連通，造型系統(tǒng)輸出單元與 系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)部單元的輸出接口連通。
其中，所述造型系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元包括拓?fù)鋽?shù)據(jù)流單元， ACIS幾何造型平臺單元、HOOPS圖形顯示平臺單元、口腔修復(fù)體造型 的功能模塊單元，其中，拓?fù)鋽?shù)據(jù)流單元分別與ACIS幾何造型平臺 單元和HOOPS圖形顯示平臺單元連接，ACIS幾何造型平臺單元和 HOOPS圖形顯示平臺單元與口腔修復(fù)體造型的功能模塊單元連接。
其中，所述口腔修復(fù)體造型的功能模塊單元包括修復(fù)體網(wǎng)格重建 單元、修復(fù)體網(wǎng)格求交等距單元、數(shù)據(jù)庫管理單元、標(biāo)準(zhǔn)冠數(shù)據(jù)庫、 特征線提取單元、修復(fù)體內(nèi)表面構(gòu)造單元、修復(fù)體外表面構(gòu)造單元、 基于約束變形設(shè)計(jì)單元、輪廓加工單元、螺旋線加工單元、邊緣補(bǔ)加 工單元、修復(fù)體工藝規(guī)劃單元、修復(fù)體模型單元、制造工藝分析單元、 錯(cuò)誤處理單元、加工過程仿真單元、加工軌跡生成單元、后處理單元， 其中，修復(fù)體網(wǎng)格重建單元分別與標(biāo)準(zhǔn)冠數(shù)據(jù)庫、特征線提取單元連 接，數(shù)據(jù)庫管理單元與標(biāo)準(zhǔn)冠數(shù)據(jù)庫連接，特征線提取單元與修復(fù)體 內(nèi)表面構(gòu)造單元連接，修復(fù)體內(nèi)表面構(gòu)造單元連接與修復(fù)體外表面構(gòu) 造單元、修復(fù)體模型單元連接，修復(fù)體外表面構(gòu)造單元與標(biāo)準(zhǔn)冠數(shù)據(jù) 庫、修復(fù)體模型單元、基于約東變形設(shè)計(jì)單元連接，修復(fù)體網(wǎng)格求交 等距單元與輪廓加工單元、螺旋線加工單元、邊緣補(bǔ)加工單元連接，輪廓加工單元、螺旋線加工單元、邊緣補(bǔ)加工單元與修復(fù)體工藝規(guī)劃 單元連接，修復(fù)體工藝規(guī)劃單元與制造工藝分析單元連接，制造工藝 分析單元與修復(fù)體模型單元、錯(cuò)誤處理單元、加工軌跡生成單元連接， 錯(cuò)誤處理單元與加工過程仿真單元連接，加工過程仿真單元連接與加 工軌跡生成單元連接，加工軌跡生成單元與后處理單元連接。
其中，所述激光三維掃描系統(tǒng)包括數(shù)字?jǐn)z像頭、支撐數(shù)字?jǐn)z像頭 的攝像頭架、激光器、支撐激光器的激光器架、水平轉(zhuǎn)臺、平移臺、 垂直轉(zhuǎn)臺、連接支撐裝置、電機(jī)系統(tǒng)、臺式計(jì)算機(jī)，其中，數(shù)字?jǐn)z像 頭、激光器位于水平轉(zhuǎn)臺的上方，平移臺在水平轉(zhuǎn)臺之下，垂直轉(zhuǎn)臺 在水平轉(zhuǎn)臺的側(cè)面，電機(jī)系統(tǒng)分別與垂直轉(zhuǎn)臺、平移臺連接，連接支 撐裝置分別與激光器、數(shù)字?jǐn)z像頭、垂直轉(zhuǎn)臺、平移臺、電機(jī)系統(tǒng)連
接，臺式計(jì)算機(jī)通過RS323接口與電機(jī)系統(tǒng)連接。
其中，所述連接支撐裝置包括大連接板、小連接板、水平底板、 垂直底板、側(cè)支撐板，水平底板位于平移臺之下，大連接板與小連接 板連接，垂直底板與側(cè)支撐板連接。
其中，所述電機(jī)系統(tǒng)包括垂直傳動電機(jī)、平動電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)控 制器，其中，步進(jìn)電機(jī)控制器分別與垂直傳動電機(jī)、平動電機(jī)連接。
其中，所述專用數(shù)控裝備包括主機(jī)總成、冷卻液系統(tǒng)、主軸冷卻 系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、箱體，主機(jī)總成放置在箱體的上部，冷卻液系統(tǒng)、 主軸冷卻系統(tǒng)放置于下箱體前面、電氣系統(tǒng)置于下箱體的后面，控制 系統(tǒng)用于控制主機(jī)總成、冷卻液系統(tǒng)、主軸冷卻系統(tǒng)。
其中，所述主機(jī)總成包括X軸、帶動X軸沿X方向移動的X軸電 機(jī)、Y軸、帶動Y軸沿Y方向移動的Y軸電機(jī)、Z軸、帶動Z軸沿Z 方向移動的Z軸電機(jī)、B軸、帶動B軸作直線方向傳動的B軸電機(jī)、
電主軸電機(jī)、電主軸罩、刀具、固定刀具的刀具夾頭、工件夾頭，所 述Z軸垂直于地面，X軸、Y軸互相垂直，且X軸、Y軸與Z軸垂直， 所述B軸與Y軸平行，且與X軸、Z軸垂直，工件夾頭在刀具下方，
7電主軸電機(jī)、電主軸罩位于刀具的上方。
其中，所述控制系統(tǒng)包括硬件控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)，所述硬 件控制系統(tǒng)包括工控機(jī)、運(yùn)動控制器、伺服信號轉(zhuǎn)接板、驅(qū)動器、伺 服電機(jī)、變頻器、激光傳感器，工控機(jī)與運(yùn)動控制器連接，運(yùn)動控制 器與伺服信號轉(zhuǎn)接板連接，伺服信號轉(zhuǎn)接板與變頻器、驅(qū)動器、激光 傳感器連接，驅(qū)動器與伺服電機(jī)連接；所述電氣控制系統(tǒng)包括交流電 源、開關(guān)電源、變壓器、驅(qū)動器，交流電源分別與開關(guān)電源、變壓器、 伺服驅(qū)動器連接。
(三)有益效果
1由于釆取上述技術(shù)方案，本發(fā)明搡作方便，效率高，制作精度
髙；2本發(fā)明從激光三維掃描系統(tǒng)對牙頜模型及咬合記錄的數(shù)據(jù)釆集 到CAD/DAM設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，再到專用數(shù)控裝備對口腔修復(fù)體的加 工，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化，使得傳統(tǒng)的以周、月計(jì)量的治療時(shí)間，改為以 小時(shí)、分鐘為單位，明顯地縮短了治療周期，減輕了患者痛苦，實(shí)現(xiàn) 了 口腔修復(fù)的"半小時(shí)工程"；3本發(fā)明以內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)牙冠三維數(shù)據(jù)
庫為中間對象，以三維掃描數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合口腔修復(fù)體設(shè)計(jì)的醫(yī)學(xué) 要求在空間幾何的量化表示為條件，交互式所見即所得完成三維口腔
修復(fù)體的設(shè)計(jì)過程，極大地提高了口腔修復(fù)體的質(zhì)量和仿真要求；4 減輕了制作口腔修復(fù)體的勞動強(qiáng)度，降低了制作成本；5本發(fā)明全套 系統(tǒng)擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)，為打破國外口腔修復(fù)體的價(jià)格壟斷和技 術(shù)壁壘建立了基礎(chǔ)。


圖l是本發(fā)明的系統(tǒng)方框示意圖2是本發(fā)明CAD/CAM設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方框示意圖； 圖3是本發(fā)明激光三維掃描系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是圖3的俯視圖5是本發(fā)明激光三維掃描系統(tǒng)的方框示意圖；圖6是本發(fā)明專用數(shù)控裝備的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7是本發(fā)明專用數(shù)控裝備主機(jī)總成結(jié)構(gòu)放大的示意圖； 圖8是本發(fā)明專用數(shù)控裝備硬件控制系統(tǒng)的方框示意圖； 圖9是本發(fā)明專用數(shù)控裝備電氣控制系統(tǒng)的接線原理圖； 圖IO是本發(fā)明專用數(shù)控裝備軟件模塊的示意圖。 圖中，1、數(shù)字?jǐn)z像頭、2、攝像頭架、3、大連接板，、4、水平 轉(zhuǎn)臺，5、激光器，6、激光器架，7、平移臺，8、小連接板，9、垂 直轉(zhuǎn)臺，10、水平底板，11、垂直底板，12、側(cè)支撐板，13、箱體， 14、 X軸，15、 Y軸，16、 Z軸，18、 Y軸電機(jī)，19、 Z軸電機(jī)，20、 B軸，21、 B軸電機(jī)，23、電主軸罩，24、電主軸電機(jī)，25刀具，26、 刀具夾頭，27、工件，28、工件夾頭，29、控制系統(tǒng)，30、冷卻系統(tǒng)， 31、主機(jī)總成，32、柜門，l《交流電源，2\ 24V開關(guān)電源，、 12/24V開關(guān)電源，4\變壓器，5\驅(qū)動器。
具體實(shí)施例方式
以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。 如圖1所示，本發(fā)明由激光三維掃描系統(tǒng)、口腔修復(fù)CAD/CAM設(shè) 計(jì)系統(tǒng)、用于加工口腔修復(fù)體的專用數(shù)控裝備組成。本發(fā)明的工作過 程首先由臨床醫(yī)生進(jìn)行牙體預(yù)備，嚴(yán)格按照口腔修復(fù)CAD/CAM設(shè) 計(jì)系統(tǒng)的要求進(jìn)行，在實(shí)際患者的口內(nèi)制取牙頜模型及咬合記錄后， 使用激光三維掃描系統(tǒng)對患者牙頜模型及咬合記錄進(jìn)行三維數(shù)據(jù)釆 集，為下一步的修復(fù)體設(shè)計(jì)提供依據(jù)?？谇恍迯?fù)CAD/CAM設(shè)計(jì)系統(tǒng)， 由醫(yī)生為使用對象，按照該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程完成修復(fù)體的設(shè)計(jì)，其原 理是以內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)牙冠三維數(shù)據(jù)庫為中間對象，以三維掃描數(shù)據(jù)為 基礎(chǔ)，結(jié)合口腔修復(fù)體設(shè)計(jì)的醫(yī)學(xué)要求在空間幾何的量化表示為條 件，交互式所見即所得完成三維修復(fù)體的設(shè)計(jì)過程，最后獲得三維修 復(fù)體的幾何設(shè)計(jì)結(jié)果?？谇恍迯?fù)體專用數(shù)控裝備，基于前級CAD/CAM 設(shè)計(jì)系統(tǒng)產(chǎn)生的口腔修復(fù)體加工信息，釆用金屬、復(fù)合樹脂、有機(jī)玻璃等加工材料，最終完成口腔修復(fù)體(主要包括基底冠、全冠、嵌體、 基底橋、全橋、貼面)的制作，提高了修復(fù)體制作的質(zhì)量，減輕患者 的痛苦和就診時(shí)間，且具有設(shè)備體積小，加工精度高等特點(diǎn)。
I 、如圖2所示，本發(fā)明的口腔修復(fù)CAD/CAM設(shè)計(jì)系統(tǒng)由造型系
統(tǒng)輸入單元、造型系統(tǒng)輸出單元、造型系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元組成， 其中
造型系統(tǒng)輸入單元造型系統(tǒng)輸入單元是銜接三維掃描數(shù)據(jù)的接 口，負(fù)責(zé)將掃描數(shù)據(jù)解析后讀入系統(tǒng)，并進(jìn)行拓?fù)渲亟?，為后續(xù)系統(tǒng) 功能的實(shí)現(xiàn)提供支持。本發(fā)明造型系統(tǒng)輸入單元針對不同格式的數(shù)據(jù) 文件設(shè)計(jì)了不同的輸入數(shù)據(jù)處理模塊，并在程序內(nèi)部存儲到統(tǒng)一的數(shù) 據(jù)結(jié)構(gòu)中，利用快速拓?fù)渲亟ㄋ惴?，完成拓?fù)潼c(diǎn)、拓?fù)淙瞧臉?gòu)建。 目前主要接受的輸入數(shù)據(jù)格式包括STL、 PLY和VF,并支持其他數(shù)據(jù) 格式的動態(tài)擴(kuò)充。造型設(shè)計(jì)完成后的修復(fù)體模型可以按照PLY、 STL 等離散數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存，然后輸入到CAM系統(tǒng)進(jìn)行加工，還可以保存為 支持網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腍SF、 HMF等壓縮的幾何數(shù)據(jù)格式。
造型系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元造型系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元包含了 面向口腔修復(fù)體造型設(shè)計(jì)流程全部的功能模塊。模型拓?fù)鋽?shù)據(jù)流單元 是系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行的主線，以ACIS幾何造型平臺單元和H00PS圖形顯 示平臺單元為支撐，設(shè)計(jì)了面向口腔修復(fù)體造型的相關(guān)功能模塊?？?腔修復(fù)體造型的流程
1. 對原始網(wǎng)格模型進(jìn)行重新網(wǎng)格化，獲得具有統(tǒng)一細(xì)分連通性 的光順網(wǎng)格模型；
2. 提取醫(yī)學(xué)特征線(頸緣線或洞緣線)，裁剪構(gòu)造修復(fù)體冠內(nèi)表 面網(wǎng)格模型；
3. 參照待修復(fù)類型、模型表面形態(tài)特征，從標(biāo)準(zhǔn)冠數(shù)據(jù)庫篩選 出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)冠模版；
4. 基于特征約束對修復(fù)體外表面進(jìn)行變形設(shè)計(jì)；5. 將修復(fù)體內(nèi)、外表面過渡、縫合形成修復(fù)體實(shí)體模型；
6. 基于修復(fù)體網(wǎng)格的求交、等距算法用于支持輪廓加工、螺旋 線加工、邊緣補(bǔ)加工方式；
7. 對修復(fù)體實(shí)體模型加工工藝進(jìn)行分析，編制工藝流程；
8. 計(jì)算加工刀軌路徑，并通過加工過程仿真單元模塊驗(yàn)證刀軌 路徑的正確性，并將結(jié)果反饋，重新編排加工工藝。通過在系統(tǒng)內(nèi)部 按照上述操作流程對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成修復(fù)體模型的設(shè)計(jì)，并通過 制造工藝分析單元完成加工軌跡數(shù)據(jù)的生成。
造型系統(tǒng)輸出單元造型系統(tǒng)輸出單元主要負(fù)責(zé)對生成的刀軌數(shù) 據(jù)進(jìn)行后置處理，對于不同的加工設(shè)備匹配相應(yīng)的機(jī)床配置信息，輸 出不同的NC加工代碼。
n、如圖3、圖4、圖5所示，本發(fā)明的激光三維掃描系統(tǒng)由數(shù) 字?jǐn)z像頭l、攝像頭架2、激光器5、支撐激光器5的激光器架6、水 平轉(zhuǎn)臺4、平移臺7、垂直轉(zhuǎn)臺9、大連接板3、小連接板8、水平底 板10、垂直底板ll、側(cè)支撐板12、垂直傳動電機(jī)、平動電機(jī)、步進(jìn) 電機(jī)控制器、RS323接口、臺式計(jì)算機(jī)組成。針對口腔修復(fù)的特點(diǎn)和 需求，本發(fā)明的激光三維掃描系統(tǒng)激光器形成的光刀與模型表面的交 線被數(shù)字?jǐn)z象頭拾取，通過1394接口送到臺式計(jì)算機(jī)，圖象處理軟 件識別并提取圖象上亮帶的中心象素坐標(biāo)集合，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被用來 實(shí)現(xiàn)由象素坐標(biāo)到實(shí)際坐標(biāo)的映射，獲得光刀與模型表面交線的實(shí)際 坐標(biāo)，再結(jié)合機(jī)械的轉(zhuǎn)動或平移，讓光刀與模型相對運(yùn)動，從而完成 模型表面的三維數(shù)字化。本發(fā)明的激光三維掃描系統(tǒng)針對口腔修復(fù)的 需求，可對單頜石膏模型及具有一定空間位置關(guān)系的上、下頜模型的
感興趣區(qū)域進(jìn)行三維數(shù)字化。
本發(fā)明的激光三維掃描系統(tǒng)采用基于光學(xué)三角測量原理的光刀 掃描方案，面陣數(shù)字?jǐn)z像機(jī)在光刀兩側(cè)對稱布置，可以減少測量盲區(qū)， 簡化掃描測量過程。高精度機(jī)械轉(zhuǎn)動和高精度機(jī)械平移部件與光學(xué)測量配合，可以實(shí)現(xiàn)模型的轉(zhuǎn)動掃描測量和平移掃描測量。
本發(fā)明的激光三維掃描系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括掃描系統(tǒng)嵌入式控制 軟件、上位機(jī)掃描控制軟件、數(shù)據(jù)整理軟件和儀器標(biāo)定用軟件。掃描 系統(tǒng)嵌入式控制軟件處理臺式計(jì)算機(jī)發(fā)來的命令，對命令進(jìn)行判斷并 作出相應(yīng)處理，命令包括電機(jī)運(yùn)行、信號釆集、連續(xù)掃描等。上位機(jī) 掃描控制軟件向掃描系統(tǒng)發(fā)出命令，接收掃描系統(tǒng)發(fā)回的測量數(shù)據(jù)和 電機(jī)位置信息，對掃描過程進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)整理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、 融合、修補(bǔ)等操作。儀器標(biāo)定用軟件包含一組程序，用來獲取標(biāo)定圖 象，獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練矢量集合，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。
本發(fā)明的激光三維掃描系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)
光學(xué)成像物方范圍 30x40fflm
光學(xué)測量分辨率 30 w 數(shù)字?jǐn)z象機(jī)象素陣列 1280x1024
轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動范圍 ±700
轉(zhuǎn)動重復(fù)定位精度 <0. 0050
轉(zhuǎn)動分辨率 0.001250
平移機(jī)構(gòu)平移范圍 50mm
平移重復(fù)定位精度 <5y
激光器中心波長 0. 650 nm
激光器功率 <0. 2mW
一次掃描時(shí)間 lmin
一次掃描范圍 30x40x50mm3
本發(fā)明的激光三維掃描系統(tǒng)的有益效果
1. 針對牙頜模型的機(jī)械設(shè)計(jì)可使一次掃描過程減少測量盲區(qū)
50%。
2. 能獲得修復(fù)所需要的上、下頜咬合面的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。
3. 避免激光散斑效應(yīng)的光刀設(shè)計(jì)。通常光刀由激光準(zhǔn)直光束經(jīng)
12柱面透鏡擴(kuò)束后獲得，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)激光在石膏材質(zhì)的模型表面有很 強(qiáng)的散斑效應(yīng)，使圖象質(zhì)量變差，為避免散斑效應(yīng)，采用了半導(dǎo)體激 光器，使激光二極管工作在激活點(diǎn)以下，僅發(fā)出紅色熒光，既利用了 激光二極管發(fā)光面小，有利于減小光刀厚度的特點(diǎn)，又避免了激光散 斑效應(yīng)。
4. 獲得雙攝象機(jī)一致的標(biāo)定圖象的方法。設(shè)計(jì)了升降表尺結(jié)構(gòu)， 可使兩攝象機(jī)同時(shí)獲得同一內(nèi)容的標(biāo)定圖象，且標(biāo)定圖象的性質(zhì)與掃 描模型時(shí)獲得的圖象性質(zhì)相同，保證了標(biāo)定方法在理論上的正確性。
5. 應(yīng)用前饋型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)由圖象坐標(biāo)到真實(shí)坐標(biāo)的變換。 此方法同幾何方法相比，減少了求取攝象機(jī)內(nèi)外參數(shù)的困難，同插值 方法相比，不必存儲樣本點(diǎn)表格，僅使用一個(gè)統(tǒng)一的變換公式，且當(dāng) 數(shù)據(jù)點(diǎn)在標(biāo)定區(qū)域以外時(shí)也能保證相當(dāng)?shù)淖儞Q精度。
6. 軟件設(shè)計(jì)中，開發(fā)的下標(biāo)算法可進(jìn)行快速的雙路數(shù)據(jù)融合和 重新有序化。重心加局部預(yù)測算法可使光帶中心識別分辨率達(dá)亞象素 級，加快重心算法執(zhí)行速度。
m、如圖6所示，本發(fā)明專用數(shù)控裝備由主機(jī)總成31、冷卻液 系統(tǒng)30、主軸冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)29、箱體13組成，其中，主機(jī)總 成31放置在箱體13的上部；冷卻液系統(tǒng)30、主軸冷卻系統(tǒng)放置于 下箱體13前面，電氣系統(tǒng)置于下箱體13的后面，中間用鋼板與冷卻 液系統(tǒng)30、主軸冷卻系統(tǒng)隔離，采用密封、引流的方法防止液體意 外損害配電系統(tǒng)。
本發(fā)明專用數(shù)控裝備釆用基于PC開放式數(shù)控系統(tǒng)，結(jié)合口腔修 復(fù)體的特殊加工工藝要求，實(shí)現(xiàn)4軸(X、 Y、 Z、旋轉(zhuǎn)B軸)控制3軸 聯(lián)動，達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)
1) .主軸最高轉(zhuǎn)速30000rpm;
2) .行程150mrax 100咖x 70腦，B軸360度;
3) .力口工范圍80mm x 75mm x 50mm;4).定位精度G. G2imn， 3D型面加工精度0.02,; 5 ).最快加工進(jìn)給速度6000mm/min。 1、如圖7所示，主機(jī)總成31
主機(jī)總成31釆用4軸的結(jié)構(gòu)(X軸、Y軸、Z軸、B軸)，為一體 式四軸三聯(lián)動裝置。
根據(jù)口腔修復(fù)體制作專用數(shù)控裝備的設(shè)計(jì)目標(biāo)，X軸14的行程 150mm,加工范圍80mm,最快加工進(jìn)給速度6000mm/min,全行程定位 精度(mm): ± 0. 02mm，重復(fù)定位精度± 0. Olmm。這種機(jī)械傳動部件 的設(shè)計(jì)步驟是先根據(jù)靜態(tài)設(shè)計(jì)和動態(tài)設(shè)計(jì)的要求來設(shè)計(jì)絲杠螺母傳 動裝置和減速機(jī)構(gòu)，然后再根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇電機(jī)。
以口腔修復(fù)體制作專用數(shù)控裝備的X軸14設(shè)計(jì)為例
在參考同類設(shè)備的前提下，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定了相關(guān)參數(shù)，工 作臺質(zhì)量附7=60紐，最大加工受力 FW=100(W， 工作行禾呈 =0.15w , 絲杠傳動效率/75;)=0.9，軸承到自由端距Z = 195w 離，軸承支承 方式雙推-自由。
口腔修復(fù)體制作專用數(shù)控裝備在工作時(shí)，按照加速_工進(jìn)-減速 -反向加速-工進(jìn)-減速-加速這樣一個(gè)過程循環(huán)。
絲杠螺母靜態(tài)設(shè)計(jì)
計(jì)算以下參數(shù)包括動載荷、靜載荷、軸向壓力、最大轉(zhuǎn)速、臨 界轉(zhuǎn)速，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，初選諾和科技有限公司生產(chǎn)的滾珠絲杠，直 《圣c/^ 二 16mm 。
絲杠螺母動態(tài)設(shè)計(jì)
計(jì)算以下參數(shù)包括絲杠螺母傳動的總剛度、機(jī)械諧振頻率，最 終確定諾和科技有限公司生產(chǎn)的滾珠絲杠，直徑《為16mm,導(dǎo)程為 3mm。變速機(jī)構(gòu)采用同步齒形帶，且減速比i為l: 2。經(jīng)電機(jī)的靜態(tài) 設(shè)計(jì)，X軸選擇的電機(jī)型號為HC-KFS23，輸出功率200W，轉(zhuǎn)速3000rpm。按照以上相似的方法，分別進(jìn)行口腔修復(fù)體制作專用數(shù)控裝備Y
軸15、 Z軸16、 B軸20的設(shè)計(jì)工作。
2、控制系統(tǒng)由硬件控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成，其中 1)如圖8所示，硬件控制系統(tǒng)由工控機(jī)、運(yùn)動控制器、伺服信
號轉(zhuǎn)接板、驅(qū)動器、伺服電機(jī)、變頻器組成，其中，
工控機(jī)采用Windows2000操作系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面、數(shù)控
代碼處理、數(shù)控插補(bǔ)、位置伺服控制、位置控制指令平滑處理、運(yùn)動 控制補(bǔ)償以及PLC控制都通過工控機(jī)和運(yùn)動控制器來實(shí)現(xiàn)。
系統(tǒng)的位置控制信息、位置反饋信息、I/O輸入輸出信息、其它 傳感信息通過伺服信號接口板實(shí)現(xiàn)主機(jī)與伺服接口模塊、I/O接口模 塊以及數(shù)據(jù)采集模塊之間的信息交換。
運(yùn)動控制器將從工控機(jī)傳過來的位置控制命令(速度指令)解碼 后進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，送到各坐標(biāo)軸的伺服驅(qū)動器，同時(shí)，伺服接口模塊 '還要將各坐標(biāo)軸的位置反饋信息通過伺服信號轉(zhuǎn)接板送到運(yùn)動控制 器中，提供給數(shù)控系統(tǒng)的位置伺服模塊進(jìn)行位置伺服控制。
控制系統(tǒng)的部分控制功能由工控機(jī)控制軟件來實(shí)現(xiàn)，減少了控制 系統(tǒng)對硬件的依賴，有利于提高系統(tǒng)的開放性，簡化了控制系統(tǒng)的接 引線，提高了控制系統(tǒng)的可靠性，也使得系統(tǒng)的維護(hù)更為方便。
選用高檔運(yùn)動控制器，該板卡可作為運(yùn)動控制器單獨(dú)工作，亦可 通過總線與上位機(jī)相連并由其控制?？商峁?軸或8軸的控制(±10V 模擬量，數(shù)字量，或脈沖加方向)信號?？煽刂齐姍C(jī)類型包括交流伺 月艮、直流電機(jī)(有刷、無刷、直線)、交流異步電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等。 可以滿足數(shù)字化口腔修復(fù)體制作裝備的控制任務(wù)。
運(yùn)動控制器的軟硬雙重限位處理以及加工過程中的門衛(wèi)監(jiān)控，大 大提高了設(shè)備的安全性能。運(yùn)動控制器除了響應(yīng)限位開關(guān)的信號實(shí)現(xiàn) 設(shè)備在超工作行程情況下的急停外，在工作行程內(nèi)限位開關(guān)附件設(shè)定 了軟件限位，這樣就可以實(shí)現(xiàn)工作過程中超行程時(shí)的雙重保護(hù)。2)如圖9所示，所述電氣控制系統(tǒng)由交流電源1: 24V開關(guān)電 源2\ 12/24V開關(guān)電源3\變壓器47、伺服驅(qū)動器5l且成，交流電 源l'分別與24V開關(guān)電源2\ 12/24V開關(guān)電源3~變壓器V、伺服 驅(qū)動器57連接。所設(shè)計(jì)的口腔修復(fù)體專用數(shù)控裝備需實(shí)現(xiàn)4軸(X、 Y、 Z、 B軸)控制3軸聯(lián)動，B軸實(shí)現(xiàn)360度旋轉(zhuǎn)，電主軸選用型號為 ADX62-42Z/0. 5，最高轉(zhuǎn)速42000rpm，功率0. 5KW。
3、用于本發(fā)明專用數(shù)控裝備的軟件部分如下
如圖IO所示，所設(shè)計(jì)的口腔修復(fù)體專用數(shù)控裝備控制軟件定位 在患者的基本信息管理和四軸數(shù)控銑床的加工。對患者的基本信息管 理包括病人的姓名、性別、年齡、牙齒修復(fù)體的數(shù)控代碼文件、牙齒 修復(fù)體的加工狀態(tài)字段等的錄入、患者記錄的增刪、記錄查詢、記錄 的編輯修改等；數(shù)控裝備的管理包括對患者牙齒修復(fù)體的數(shù)控代碼文 件的語法檢查、建立工控機(jī)與運(yùn)動控制卡之間的通訊、系統(tǒng)初始化、 機(jī)床單步調(diào)試、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、加工進(jìn)度管理等。
本系統(tǒng)的控制軟件應(yīng)具備下列主要功能
1. 患者的基本信息管理；
2. 數(shù)控裝備的管理。
根據(jù)前面對需求的分析，應(yīng)首先進(jìn)行系統(tǒng)的概要設(shè)計(jì)。在這一步 將主要完成系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃各功能模塊及其之間的相互關(guān) 系等工作。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要原則是實(shí)用性原則，即開發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)能 夠在保證效率的前提下，最大可能地增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性，盡量使用戶 界面友好、操作簡便，提供一個(gè)能夠穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的安全環(huán)境。另 外，本系統(tǒng)還應(yīng)具有較好的寬容性和可反饋性。寬容性指的是系統(tǒng)允 許用戶已多種條件進(jìn)行不同目的的患者信息查詢；可反饋性指系統(tǒng)能 夠系統(tǒng)能夠及時(shí)向用戶反饋口腔修復(fù)體專用多軸數(shù)控裝備的搡作結(jié) 果。
鑒于上述原則，本系統(tǒng)擬采用Windows XP Professional作為操作平臺，以Microsoft Visual C++ 6. 0作為患者信息管理系統(tǒng)和數(shù) 控裝備的管理系統(tǒng)的前端開發(fā)軟件，以Microsoft Access 2000作為 數(shù)據(jù)源。
所述患者的基本信息管理釆用了 MFC DAO(數(shù)據(jù)訪問對象)編程方 式進(jìn)行了患者基本信息管理的開發(fā)工作。
口腔修復(fù)體專用數(shù)控裝備軟件從結(jié)構(gòu)上可以劃分為位于上層的 框架界面層，負(fù)責(zé)程序整體框架的創(chuàng)建、管理，用戶通過該層提供的 用戶界面接口完成對本系統(tǒng)軟件的操作和使用。所有的搡作結(jié)果都是
通過該層將信息反饋給用戶；位于程序底層的是數(shù)據(jù)訪問層和數(shù)控裝
備管理層，負(fù)責(zé)建立應(yīng)用程序到數(shù)據(jù)庫源的數(shù)據(jù)連接，應(yīng)用程序?qū)⑼?br> 過該層向數(shù)據(jù)庫發(fā)出各種操作請求，并接收由數(shù)據(jù)庫源返回的操作結(jié)
果，完成數(shù)控裝備的通訊和控制任務(wù)。
如圖11所示，口腔修復(fù)體專用數(shù)控裝備軟件模塊的說明如下 增加記錄添加患者的基本信息，患者信息包括兩個(gè)方面一一病
人就診的基本信息(如姓名、病歷號和就診時(shí)間等)和病人義齒的加
工信息(如刀具號，材料以及加工代碼等)。
刪除記錄刪除存在于記錄列表中的患者記錄。
編輯記錄對處于非加工狀態(tài)(包括未加工和已完成加工)的患
者記錄各項(xiàng)信息進(jìn)行修改。
記錄檢索通過輸入指定條件，檢索存在于記錄列表中的相關(guān)患
者記錄。
數(shù)控代碼文件的語法檢查保證C細(xì)系統(tǒng)生成的數(shù)控代碼的正確 性，可加工性。
建立工控機(jī)與運(yùn)動控制卡之間的通訊建立工控機(jī)和運(yùn)動控制卡 之間加工參數(shù)以及控制指令的傳輸通道。 系統(tǒng)初始化完成控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。 機(jī)床單步調(diào)試用于機(jī)床功能、性能的調(diào)試。系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控監(jiān)控系統(tǒng)的冷卻、潤滑、切削狀態(tài)。
加工進(jìn)度管理提示工件的加工時(shí)間、剩余加工時(shí)間。
本發(fā)明口腔修復(fù)體專用數(shù)控裝備，能用于口腔修復(fù)體主要包括基 底冠、全冠、嵌體、基底橋、全橋、貼面等口腔修復(fù)體的制作。該裝 置具備銑削、磨削功能，同時(shí)針對口腔修復(fù)體的特殊要求，具有自動 對刀及刀具磨損補(bǔ)償。適合口腔醫(yī)學(xué)界的人機(jī)界面管理，按鈕式操作, 且安全、衛(wèi)生。
權(quán)利要求
1、一種數(shù)字化口腔修復(fù)體制作裝備，其特征在于包括用于采集牙頜模型及咬合記錄三維數(shù)據(jù)的激光三維掃描系統(tǒng)、用于快速制作口腔修復(fù)體的口腔修復(fù)CAD/CAM設(shè)計(jì)系統(tǒng)、用于加工口腔修復(fù)體的專用數(shù)控裝備，所述激光三維掃描系統(tǒng)與口腔修復(fù)CAD/CAM設(shè)計(jì)系統(tǒng)連通，口腔修復(fù)CAD/CAM設(shè)計(jì)系統(tǒng)與專用數(shù)控裝備連通。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字化口腔修復(fù)體制作裝備，其特 征在于所述口腔修復(fù)CAD/CAM設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括造型系統(tǒng)輸入單元、造型系統(tǒng)輸出單元、造型系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元，造型系統(tǒng)輸入單元與 造型系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元的輸入接口連通，造型系統(tǒng)輸出單元與系 統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)部單元的輸出接口連通。
3、 如權(quán)利要求2所述的一種數(shù)字化口腔修復(fù)體制作裝備，其特征在于所述造型系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元包括拓?fù)鋽?shù)據(jù)流單元，ACIS 幾何造型平臺單元、HOOPS圖形顯示平臺單元、口腔修復(fù)體造型的功 能模塊單元，其中，拓?fù)鋽?shù)據(jù)流單元分別與ACIS幾何造型平臺單元 和HOOPS圖形顯示平臺單元連接，ACIS幾何造型平臺單元和HOOPS 圖形顯示平臺單元與口腔修復(fù)體造型的功能模塊單元連接。
4、 如權(quán)利要求3所述的一種數(shù)字化口腔修復(fù)體制作裝備，其特 征在于所述口腔修復(fù)體造型的功能模塊單元包括修復(fù)體網(wǎng)格重建單 元、修復(fù)體網(wǎng)格求交等距單元、數(shù)據(jù)庫管理單元、標(biāo)準(zhǔn)冠數(shù)據(jù)庫、特 征線提取單元、修復(fù)體內(nèi)表面構(gòu)造單元、修復(fù)體外表面構(gòu)造單元、基 于約東變形設(shè)計(jì)單元、輪廓加工單元、螺旋線加工單元、邊緣補(bǔ)加工 單元、修復(fù)體工藝規(guī)劃單元、修復(fù)體模型單元、制造工藝分析單元、 錯(cuò)誤處理單元、加工過程仿真單元、加工軌跡生成單元、后處理單元， 其中，修復(fù)體網(wǎng)格重建單元分別與標(biāo)準(zhǔn)冠數(shù)據(jù)庫、特征線提取單元連 接，數(shù)據(jù)庫管理單元與標(biāo)準(zhǔn)冠數(shù)據(jù)庫連接，特征線提取單元與修復(fù)體 內(nèi)表面構(gòu)造單元連接，修復(fù)體內(nèi)表面構(gòu)造單元連接與修復(fù)體外表面構(gòu)造單元、修復(fù)體模型單元連接，修復(fù)體外表面構(gòu)造單元與標(biāo)準(zhǔn)冠數(shù)據(jù) 庫、修復(fù)體模型單元、基于約東變形設(shè)計(jì)單元連接，修復(fù)體網(wǎng)格求交 等距單元與輪廓加工單元、螺旋線加工單元、邊緣補(bǔ)加工單元連接， 輪廓加工單元、螺旋線加工單元、邊緣補(bǔ)加工單元與修復(fù)體工藝規(guī)劃 單元連接，修復(fù)體工藝規(guī)劃單元與制造工藝分析單元連接，制造工藝 分析單元與修復(fù)體模型單元、錯(cuò)誤處理單元、加工軌跡生成單元連接， 錯(cuò)誤處理單元與加工過程仿真單元連接，加工過程仿真單元連接與加 工軌跡生成單元連接，加工軌跡生成單元與后處理單元連接。
5、 如權(quán)利要求1所迷的一種數(shù)字化口腔修復(fù)體制作裝備，其特征在于所述激光三維掃描系統(tǒng)包括數(shù)字?jǐn)z像頭、支撐數(shù)字?jǐn)z像頭的攝像頭架、激光器、支撐激光器的激光器架、水平轉(zhuǎn)臺、平移臺、垂 直轉(zhuǎn)臺、連接支撐裝置、電機(jī)系統(tǒng)、臺式計(jì)算機(jī)，其中，數(shù)字?jǐn)z像頭、 激光器位于水平轉(zhuǎn)臺的上方，平移臺在水平轉(zhuǎn)臺之下，垂直轉(zhuǎn)臺在水 平轉(zhuǎn)臺的側(cè)面，電機(jī)系統(tǒng)分別與垂直轉(zhuǎn)臺、平移臺連接，連接支撐裝 置分別與激光器架、數(shù)字?jǐn)z像頭架、垂直轉(zhuǎn)臺、平移臺、電機(jī)系統(tǒng)連接，臺式計(jì)算機(jī)通過RS323接口與電機(jī)系統(tǒng)連接。
6、 如權(quán)利要求5所述的一種數(shù)字化口腔修復(fù)體制作裝備，其特 征在于所述連接支撐裝置包括大連接板、小連接板、水平底板、垂 直底板、側(cè)支撐板，水平底板位于平移臺之下，大連接板與小連接板 連接，垂直底板與側(cè)支撐板連接。
7、 如權(quán)利要求5所述的一種數(shù)字化口腔修復(fù)體制作裝備，其特征在于所述電機(jī)系統(tǒng)包括垂直傳動電機(jī)、平動電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)控制 器，其中，步進(jìn)電機(jī)控制器分別與垂直傳動電機(jī)、平動電機(jī)連接。
8、 如權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字化口腔修復(fù)體制作裝備，其特 征在于所述專用數(shù)控裝備包括主機(jī)總成、冷卻液系統(tǒng)、主軸冷卻系 統(tǒng)、控制系統(tǒng)、箱體，主機(jī)總成放置在箱體的上部，冷卻液系統(tǒng)、主 軸冷卻系統(tǒng)放置于下箱體前面、電氣系統(tǒng)置于下箱體的后面，控制系統(tǒng)用于控制主機(jī)總成、冷卻液系統(tǒng)、主軸冷卻系統(tǒng)。
9、 如權(quán)利要求8所述的一種數(shù)字化口腔修復(fù)體制作裝備，其特征在于所述主機(jī)總成包括X軸、帶動X軸沿X方向移動的X軸電機(jī)、 Y軸、帶動Y軸沿Y方向移動的Y軸電機(jī)、Z軸、帶動Z軸沿Z方向 移動的Z軸電機(jī)、B軸、帶動B軸作直線方向轉(zhuǎn)動的B軸電機(jī)、電主 軸電機(jī)、電主軸罩、刀具、固定刀具的刀具夾頭、工件夾頭，所述Z 軸垂直于地面，X軸、Y軸互相垂直，且X軸、Y軸與Z軸垂直，所 述B軸與Y軸平行，且與X軸、Z軸垂直，工件夾頭在刀具下方，電 主軸電機(jī)、電主軸罩位于刀具的上方。
10、 如權(quán)利要求8所述的一種數(shù)字化口腔修復(fù)體制作裝備，其特 征在于所述控制系統(tǒng)包括硬件控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)，所述硬件 控制系統(tǒng)包括工控機(jī)、運(yùn)動控制器、伺服信號轉(zhuǎn)接板、驅(qū)動器、伺服 電機(jī)、變頻器、激光傳感器，工控機(jī)與運(yùn)動控制器連接，運(yùn)動控制器 與伺服信號轉(zhuǎn)接板連接，伺服信號轉(zhuǎn)接板與變頻器、驅(qū)動器、激光傳 感器連接，驅(qū)動器與伺服電機(jī)連接；所述電氣控制系統(tǒng)包括交流電源、 開關(guān)電源、變壓器、驅(qū)動器，交流電源分別與開關(guān)電源、變壓器、伺 服驅(qū)動器連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于CAD/CAM技術(shù)的口腔修復(fù)體制作裝備，本發(fā)明公開了一種數(shù)字化口腔修復(fù)體制作裝備，包括用于采集牙頜模型及咬合記錄三維數(shù)據(jù)的激光三維掃描系統(tǒng)、用于快速制作口腔修復(fù)體的口腔修復(fù)CAD/CAM設(shè)計(jì)系統(tǒng)、用于加工口腔修復(fù)體的專用數(shù)控裝備，所述激光三維掃描系統(tǒng)與口腔修復(fù)CAD/CAM設(shè)計(jì)系統(tǒng)連通，口腔修復(fù)CAD/CAM設(shè)計(jì)系統(tǒng)與專用數(shù)控裝備連通。本發(fā)明操作簡單、效率高、制作精度高，明顯地縮短了治療周期，提高了工作效率，減輕了患者痛苦，同時(shí)還提高了口腔修復(fù)體的質(zhì)量。
文檔編號A61C13/00GK101450010SQ20071017883
公開日2009年6月10日 申請日期2007年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月6日
發(fā)明者葉佩青, 呂培軍, 廖文和, 寧 戴, 李忠科, 勇 王 申請人:北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院