本發(fā)明涉及一種測試裝置，涉及一種實時提取鉆削扭矩信號的測試裝置及方法，具體的是分離軸向力和徑向力、并對扭矩進行實時監(jiān)測的扭矩測試裝置及方法。

背景技術：

眾所周知，牙齒是人體的重要組成部分，缺失后無法自身修復和再生。臨床上牙列缺失的主要修復方式有可摘局部義齒、固定局部義齒和種植義齒修復。種植義齒修復集中了前兩種方法的優(yōu)點，已成為常規(guī)的口腔修復技術，它是指通過種植手術在患者缺牙區(qū)再造“牙根”，再在缺牙區(qū)的牙槽嵴上重造“基牙”，最后在頜弓上設計固位體。傳統(tǒng)的種植義齒修復包括術前準備、剝開黏骨膜瓣、預備種植窩洞(用醫(yī)用鉆頭在種植受區(qū)鉆孔)、植入種植釘、種植義齒的上部結構制作和戴入等過程。

種植受區(qū)植入扭矩值的確認一直以來是種植成功與否的關鍵之一，而植入扭矩值的大小又與骨硬度密切相關，骨硬度又直接反映在鉆牙槽骨時產(chǎn)生的扭矩的大小。由于口腔的特殊環(huán)境，目前對牙種植手術過程的鉆骨扭矩還沒有直接的測定方法，一般是通過體外實驗測定的。通過體外實驗測定鉆骨扭矩的方法主要有三種：一是通過功率計算扭矩；二是通過有限元仿真分析得出扭矩；三是直接在測試骨樣下面放置扭矩傳感器測得扭矩。第一種方法計算出的扭矩誤差較大；而有限元分析在很大程度上依賴于建立的材料本構模型，由于骨材料的特殊性，建立與實際相符的骨本構模型比較困難，因此有限元分析有一定的局限性；第三種方法比較常用，但在鉆骨過程中同時產(chǎn)生軸向力、徑向力和圓周力，其中圓周力使測試骨試樣產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，構成扭矩。軸向力和徑向力通過骨樣作用在扭矩傳感器上，使其產(chǎn)生壓縮變形和彎曲變形，影響扭矩信號的準確提取，使測量結果產(chǎn)生較大誤差；另外，傳統(tǒng)的切削用扭矩傳感器量程大、成本高，一般測量動態(tài)扭矩，需要安裝在機床主軸上，而在進行種植牙手術時醫(yī)師使用的是手持電鉆，且產(chǎn)生的扭矩較小，因此，在使用扭矩傳感器時應選用小量程的專用靜態(tài)扭矩傳感器。

所以設計能分離軸向力和徑向力、并對扭矩進行實時監(jiān)測的測試裝置是得到準確扭矩值的首要任務，同時也是建立真實、精確有限元模型的基礎，為后續(xù)有限元模型的修正提供依據(jù)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種實時提取鉆削扭矩信號的測試裝置及方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案：

一種實時提取鉆削扭矩信號的測試裝置，包括骨塊夾緊裝置，骨塊夾緊裝置的夾緊區(qū)域上方配合有鉆頭；所述骨塊夾緊裝置固定于階梯軸上，階梯軸底部與扭矩傳感器連接，扭矩傳感器底部固定于支撐板中心處，扭矩傳感器的兩側均設有底部固定于支撐板上的支撐立柱，所述支撐立柱頂部支撐上板，所述上板中心處設有階梯孔，階梯軸穿過階梯孔。

優(yōu)選的，所述階梯軸與上板之間通過軸承連接，階梯軸的軸間壓于軸承的內(nèi)圈，軸承的外圈置于上板的階梯孔內(nèi)，軸承的內(nèi)圈與階梯軸形成過盈配合，軸承的外圈與階梯孔也形成過盈配合；以防止軸承在軸向的移動。

所述扭矩傳感器頂部設有一卡槽，所述階梯軸下端插入卡槽，階梯軸與卡槽過盈配合。

優(yōu)選的，所述階梯軸下端與卡槽底部之間具有3～5mm的間隙；以防止階梯軸所受軸向力和徑向力傳遞給扭矩傳感器。

所述階梯軸下端的兩側面為平面；便于與扭矩傳感器頂部的卡槽相配合連接。

優(yōu)選的，所述軸承外部套裝有軸承端蓋，所述軸承端蓋固定于上板上表面，軸承端蓋與階梯軸之間具有設定間隙；不僅可以防止軸承在軸向的竄動，還可以防止鉆削過程中的骨屑進入軸承內(nèi)，從而增大摩擦，影響測量精度。

所述骨塊夾緊裝置包括U型支撐架，所述U型支撐架的兩側板上水平連接有連接桿，連接桿與U型支撐架的側板之間通過緊固件鎖緊；連接桿穿過U型支撐架的側板，延伸至U型支撐架內(nèi)部并與夾板連接；通過調(diào)節(jié)兩端連接桿的位置來控制骨塊的位置，以便能在同一試樣上加工多個孔，利于重復實驗。

優(yōu)選的，所述支撐立柱在扭矩傳感器兩側對稱布設；支撐立柱用于支撐整個裝置的上部結構，對稱設置保證對上部結構的支撐力均勻，避免支撐力不均對扭矩測試結果產(chǎn)生影響。

優(yōu)選的，所述支撐立柱的上端和下端均設有凸臺，支撐立柱上端的凸臺與上板的通孔相配合，支撐立柱下端的凸臺與支撐板的通孔相配合；凸臺用于上板和支撐板的定位，以保證上板和支撐板的中心軸線與傳感器及軸承的中心線重合，減小由定位引起的測量誤差。

所述扭矩傳感器與采集儀表相連，所述采集儀表與計算機相連，所述采集儀表的電源端口接有電源線。

所述軸承為圓錐滾子軸承，所述鉆頭為牙科醫(yī)用鉆頭。

一種實時提取鉆削扭矩信號的測試方法，包括以下步驟：

步驟1：制備規(guī)格相同的動物骨塊；

步驟2：將鉆頭安裝在機床主軸上；

步驟3：將扭矩測試裝置安裝并固定于剛性工作臺上，使扭矩傳感器中心線與鉆頭中心線重合；

步驟4：將扭矩傳感器、采集儀表、計算機依次連接，通過采集儀表連接電源提供所需電壓；

步驟5：通過鉆頭的向下進給及順時針旋轉(zhuǎn)運動對骨塊進行孔加工，計算機記錄扭矩傳感器相應信號；

步驟6：對扭矩傳感器信號進行數(shù)據(jù)處理后，最終得到不同進給速度、不同轉(zhuǎn)速下的扭矩值。

所述步驟6中，對骨塊在每組鉆削參數(shù)下做三次及以上孔加工操作，取同一鉆削參數(shù)下的平均值為該組參數(shù)的扭矩值。

本發(fā)明的工作原理為：

本發(fā)明將骨塊置于骨塊夾緊裝置上，骨塊夾緊裝置底部通過階梯軸與扭矩傳感器連接，扭矩傳感器的上部有一個卡槽，階梯軸的下端直接插入卡槽中，但其底面不與卡槽底部接觸，留出3～5mm的間隙，鉆骨過程中產(chǎn)生的軸向力和徑向力由階梯軸和軸承承受，軸承通過上板及支撐立柱將其傳遞到工作臺，不會傳遞給扭矩傳感器，也就不會對扭矩傳感器的測試結果造成影響。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明中的階梯軸用于傳遞鉆削時產(chǎn)生的軸向力和徑向力，其幾何形狀簡單，下部與扭矩傳感器的卡槽直接相連，適用于靜態(tài)扭矩測量，加工成本低，又能滿足試驗需求；

(2)圓錐滾子軸承承受鉆削時產(chǎn)生的軸向力和徑向力，并通過上板及支撐立柱將其傳遞到工作臺，軸承既能承受較大的徑向力又能承受軸向力，且摩擦較小，在一定程度上降低了測量誤差；

(3)本發(fā)明中的扭矩測試裝置安裝簡單，拆卸方便，只需一位操作人員即可完成扭矩的測量；

(4)采用本發(fā)明的扭矩測試裝置及方法可以方便地得到任何范圍內(nèi)的鉆削扭矩值，且軸承的使用將軸向力、徑向力與圓周力(扭矩)分離，保證了測試結果不受軸向力和徑向力的影響，從而提高了扭矩測量精度，為靜態(tài)扭矩測量提供一種有效途徑。

附圖說明

圖1為本發(fā)明扭矩測試裝置的結構示意圖；

圖2為骨塊夾緊裝置的結構示意圖；

圖3為骨塊夾緊裝置中的U型支撐架的主視圖；

圖4為骨塊夾緊裝置中的U型支撐架的俯視圖；

圖5為骨塊夾緊裝置中的夾板的結構示意圖；

圖6為軸承端蓋的結構示意圖；

圖7為支撐立柱的結構示意圖；

圖8為扭矩傳感器的結構示意圖；

圖9為上板的主視圖；

圖10為上板的俯視圖；

圖11為支撐板的主視圖；

圖12為支撐板的俯視圖；

圖中，1.鉆頭、2.測試骨塊、3.骨塊夾緊裝置、4.軸承端蓋、5.支撐立柱、6.扭矩傳感器、7.支撐板、8.剛性工作臺、9.階梯軸、10.上板、11.圓錐滾子軸承、12.緊定螺釘、13.U型支撐架、14.連接桿、15.緊固件、16.夾板、17.凸臺、18.卡槽、19.通孔、20.階梯孔。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

如圖1所示，分離軸向力和徑向力的扭矩測試裝置由以下部分組成：鉆頭1、骨塊夾緊裝置3、軸承端蓋4、支撐立柱5(2個)、扭矩傳感器6、支撐板7、階梯軸9、上板10、圓錐滾子軸承11、緊定螺釘12。其中鉆頭1安裝在機床主軸上，骨塊夾緊裝置3通過緊定螺釘12固定在階梯軸9上表面，測試骨塊2則通過調(diào)節(jié)螺母位置與螺釘懸伸長度由夾緊裝置3兩側的夾板夾緊。階梯軸9與圓錐滾子軸承11之間形成過盈配合而連接在一起；圓錐滾子軸承11與上板10之間也通過過盈配合連接，再通過軸承端蓋4將圓錐滾子軸承11緊緊壓在上板10上，以防止圓錐滾子軸承11沿軸線上下竄動。

鉆頭1為牙科醫(yī)用鉆頭。

如圖2-圖5所示，骨塊夾緊裝置包括U型支撐架13，U型支撐架13的兩側板上水平連接有連接桿14，連接桿14與U型支撐架13的側板之間通過緊固件15鎖緊；連接桿14穿過U型支撐架13的側板，延伸至U型支撐架13內(nèi)部并與夾板16連接；通過調(diào)節(jié)兩端連接桿14的位置來控制骨塊的位置，以便能在同一試樣上加工多個孔，利于重復實驗。

圖3中，U型支撐架13的兩側板上均設置有螺紋孔，與連接桿14連接。

圖4中，U型支撐架13的底板上設置4個沉孔，與階梯軸9通過緊定螺釘12連接。

如圖6所示，軸承端蓋4通過緊定螺釘固定于上板10上表面，軸承端蓋4將圓錐滾子軸承11緊緊壓在上板10上，同時軸承端蓋4與階梯軸9之間有一定間隙，防止階梯軸9 轉(zhuǎn)動過程中與軸承端蓋4產(chǎn)生摩擦，不僅可以防止軸承在軸向的竄動，還可以防止鉆削過程中的骨屑進入軸承內(nèi)，從而增大摩擦，影響測量精度。

如圖7所示，支撐立柱5對稱放置，位于上板10與支撐板7之間，上板10通過緊定螺釘固定在支撐立柱5上，而支撐立柱5則通過緊定螺釘固定在支撐板7上，用于支撐整個裝置的上部結構，在支撐立柱5的上下兩端分別有一個圓形凸臺17，用于上板10與支撐板7的定位，以保兩板的中心軸線與傳感器及軸承的中心線重合，減小由定位引起的測量誤差。

如圖8所示，扭矩傳感器6的下端底座上有法蘭孔，通過法蘭連接固定在支撐板7上。當壓板將支撐板7壓緊在剛性工作臺8上時，整個測試裝置就會固定在工作臺上。扭矩傳感器6的上部有一個卡槽18，階梯軸9的下端直接插入卡槽18中，但其底面不與卡槽18底部接觸，要留出3～5mm的間隙，以防止鉆骨時階梯軸所受軸向力和徑向力傳遞給扭矩傳感器。階梯軸9下端與卡槽18配合的兩側面為平面。

如圖9-圖10所示，上板10中心處設有階梯孔20，階梯軸9的軸間壓于圓錐滾子軸承11的內(nèi)圈，而圓錐滾子軸承11的外圈則置于上板10的階梯孔20內(nèi)，圓錐滾子軸承11內(nèi)圈與階梯軸9、外圈與階梯孔20均形成過盈配合，以防止軸承在軸向的移動。

上板10在階梯孔20兩側對稱設置通孔19，支撐立柱5上端的凸臺17與上板10的通孔19相配合。

如圖11-12所示，支撐板7中心處與扭矩傳感器6法蘭連接配合，支撐板7在兩側對稱設置通孔19，支撐立柱5下端的凸臺17與支撐板7的通孔19相配合。

安裝時，先將扭矩傳感器6固定在支撐板7上，再分別安裝兩側支撐立柱5，然后將組裝好的階梯軸9、軸承11、軸承端蓋4整體安裝在上板10上，再將上板10固定在支撐立柱5上，而后將骨塊夾緊裝置3固定在階梯軸9上，將牙科醫(yī)用鉆頭安裝在機床主軸上，將支撐板7在剛性工作臺8上安裝與固定，最后再將測試骨塊2夾緊。

使用時，要使鉆頭中心軸線與階梯軸(扭矩傳感器)的中心軸線重合，可通過調(diào)節(jié)工作臺的位置來實現(xiàn)。通過調(diào)節(jié)夾緊裝置兩側螺釘可實現(xiàn)骨塊不同位置的鉆孔，有利于重復實驗。通過鉆頭的向下進給及順時針旋轉(zhuǎn)運動對骨塊進行孔加工，計算機記錄傳感器相應信號；骨塊在每組鉆削參數(shù)下做重復實驗(三次及以上)，對得到的扭矩值進行濾波、平滑、等數(shù)據(jù)處理后，取同一參數(shù)下的平均值，最終得到不同進給速度、不同轉(zhuǎn)速下的扭矩值。

扭矩傳感器為電阻應變式靜態(tài)扭矩傳感器，與采集儀表相連，而采集儀表與計算機相連；所述采集儀表的電源端口接有電源線，用于提供所需電壓，標定電壓信號與傳感器所受扭矩成正比關系，從而實現(xiàn)扭矩測量。

分離軸向力和徑向力的扭矩測試裝置使用方法包括以下步驟：

(1)首先制備規(guī)格相同的新鮮骨塊；

(2)制作所述的U型夾緊裝置，要保證兩側滑塊在一定距離范圍的移動，實現(xiàn)骨塊指定位置上的孔加工；

(3)制作所述階梯軸、軸承端蓋、上板、支撐板、支撐立柱等零件，按圖紙保證所要求的精度；

(4)由下至上安裝扭矩測試裝置，首先完成扭矩傳感器、支撐立柱在支撐板上的固定，然后將組裝好的階梯軸、軸承、軸承端蓋整體安裝在上板上，其次將上板安裝在支撐立柱上(在進行階梯軸安裝的同時，注意階梯軸與扭矩傳感器的安裝)，最后通過螺釘將U型夾緊裝置固定在階梯軸上，在安裝過程中要保證階梯軸、軸承、上板的中心線/中心軸線與扭矩傳感器的中心線重合；

(5)將牙科醫(yī)用鉆頭安裝在機床主軸上；

(6)完成支撐板在剛性工作臺的安裝與固定以及測試骨塊的夾緊，使傳感器中心線與鉆頭中心線重合；

(7)將扭矩傳感器、采集儀表、計算機依次連接，通過采集儀表連接電源提供所需電壓；

(8)通過鉆頭的向下進給及順時針旋轉(zhuǎn)運動對骨塊進行孔加工，計算機實時記錄傳感器相應信號；

(9)骨塊在每組鉆削參數(shù)下做重復實驗(三次及以上)，對得到的扭矩值進行濾波、平滑、等數(shù)據(jù)處理后，取同一參數(shù)下的平均值，最終得到不同進給速度、不同轉(zhuǎn)速下的扭矩值。

上述雖然結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。