專利名稱：假牙加工軌跡生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)控加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種假牙加工軌跡生成方法
背景技術(shù)：
牙模的制備一般采用倒模法，在得到牙根的石膏陰模后，牙齒和頌部的模型就已經(jīng)獲得。根據(jù)石膏倒?？缮a(chǎn)出一陽模，該陽模反映了患者的口腔情況。在得到陽模后，采用基于點(diǎn)云或圖像的重建方法，用網(wǎng)格或樣條曲面描述出假牙和頌部的數(shù)字模型。在參考上下頌吻合關(guān)系及臨牙信息的基礎(chǔ)上，通過CAD局部改型設(shè)計(jì)，適合用于加工的假牙數(shù)字模型。專利號(hào)為00816582. 3的發(fā)明專利提供一種為牙科修補(bǔ)物制作基架結(jié)構(gòu)的機(jī)床， 其中論述了一種假牙仿型加工方法，該方法需要牙科專業(yè)人員用石蠟或是塑料手工制備出假牙的基模，然后采用該專利所述機(jī)床進(jìn)行仿型加工。該加工方法采用的是比例復(fù)制的方式，不涉及到假牙加工的軌跡規(guī)劃問題。且由于基模的設(shè)計(jì)及制備采用純手工的方式，自動(dòng)化程度不高，制備效率相對(duì)低下，假牙質(zhì)量依賴于牙科專業(yè)人員的水平，假牙質(zhì)量難以控制。美國(guó)專利us，A5184306公開了一種單件復(fù)雜物體的高精度生產(chǎn)方法，該方法可用于生物骨骼加工。該方法通過在模型庫(kù)中查找和實(shí)際模型相匹配的模型，從而找到適合實(shí)際模型的標(biāo)準(zhǔn)刀軌，進(jìn)而通過修改刀軌參數(shù)值的方式來得到實(shí)際加工刀軌。但該方法并未聲明針對(duì)假牙加工工藝流程的標(biāo)準(zhǔn)刀軌的生成方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種假牙加工軌跡生成方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明假牙加工軌跡生成方法，首先生成用于假牙粗加工的刀軌，再生成用于假牙精加工的刀軌，所述粗加工刀軌的生成分為Z向粗加工軌跡生成和-ζ向粗加工軌跡生成兩步，精加工刀軌的生成分為Z向精加工軌跡生成和-ζ向精加工軌跡生成兩步。本發(fā)明所述的粗加工軌跡生成方法步驟如下①確定材料去除區(qū)域；②獲取截交輪廓曲線集；③處理截交輪廓曲線集；④生成加工區(qū)域；⑤軌跡填充；⑥軌跡連接。所述確定材料去除區(qū)域步驟如下首先采用假牙2D限定盒毛胚Γ進(jìn)行布爾交運(yùn)算得出3D限定盒B3d，用B^1布爾減去假牙數(shù)字模型Μ，得到材料去除區(qū)域Ytotal ；用Yt。tal 布爾減去假牙連接支撐筋板Ψ，獲得Z向材料去除區(qū)域Yz和-Z向材料去除區(qū)域Ytotal = (B2d Π Τ)-M{yz, Y-J = γ 0 3 -Ψ其中在確定連接支撐筋板ψ的Z高度時(shí)，先確定假牙模型的側(cè)影輪廓線，以側(cè)影輪廓線的最小Z值作為連接支撐筋板的Z高度值。所述獲取截交輪廓曲線集步驟是采用和Z軸垂直的等間距的平面集與Z向材料去除區(qū)域Yz求交線，得出交線輪廓曲線集。
所述處理截交輪廓曲線集步驟如下位于側(cè)影輪廓最大和最小Z值之間的切片層中的非外層輪廓曲線，用最大輪廓線替換得到的輪廓曲線。所述的精加工軌跡生成方法步驟如下①確定精加工區(qū)域；②獲取截交輪廓曲線集；③獲取初始刀觸點(diǎn)集；④生成初始刀位點(diǎn)；⑤干涉檢查和處理；⑥軌跡連接。所述確定精加工加工區(qū)域是將假牙沿其側(cè)影輪廓線分割，得到Z向和-Z向分割曲面，Z向加工區(qū)域即為Z向分割曲面，實(shí)際的-ζ向精加工區(qū)域?yàn)?ζ向分割曲面除去連接支撐筋板所得的區(qū)域。所述獲取截交輪廓曲線集步驟是采用平行于Z軸或和Z軸成30-60角度的平面集，截得初始輪廓曲線集。所述的干涉檢查和處理方法如下計(jì)算初始刀位點(diǎn)ρ到假牙模型的最短距離d，如果最短距離小于球刀半徑r，則該初始刀位點(diǎn)發(fā)生干涉，發(fā)生干涉時(shí)的處理方法為在獲取最短距離的同時(shí)，獲得牙模上和初始刀位點(diǎn)具有最短距離的一點(diǎn)，計(jì)算該點(diǎn)處的曲面的法矢方向n，新的調(diào)整位置ρ*采用下述公式進(jìn)行調(diào)整令P*為P，重復(fù)上述過程，直到d等于球刀半徑r為止
, [廠 +|廠-斗《 (r < d) =[,
vp ~\r(f > d)其中r為球刀半徑，d為初始刀位點(diǎn)ρ到假牙模型的最短距離，rp為矢量半徑乂為新調(diào)整位置的矢量半徑，η為法矢方向。所述的獲取初始刀觸點(diǎn)集是采用直線或雙圓弧擬合的方法獲取離散后的刀觸點(diǎn)集；獲取初始刀位點(diǎn)是獲取刀觸點(diǎn)所在曲面處的法矢量，將刀觸點(diǎn)沿法矢量方向向外偏置一個(gè)球刀半徑，得到初始刀位點(diǎn)。本發(fā)明的有益效果是1.采用本發(fā)明方法完成了假牙的自動(dòng)高精度加工，減少了人的手工參與，提高了加工效率和質(zhì)量的可控性。2.本發(fā)明采用截平面法為主要軌跡生成方法，制定了適用于假牙加工工藝流程的標(biāo)準(zhǔn)化軌跡生成流程，生成了能加工假牙數(shù)字模型的標(biāo)準(zhǔn)軌跡。3.本發(fā)明中的加工區(qū)域自動(dòng)識(shí)別方法解決了假牙加工中加工區(qū)域的定義問題。從而避免了手動(dòng)定義加工曲面，提高了軌跡生成的自動(dòng)化程度。4.本發(fā)明精加工中采用了區(qū)別于傳統(tǒng)干涉處理方法，提高了干涉處理的效率。


圖1為本發(fā)明的流程圖，其中(a)為粗加工軌跡生成流程圖，(b)為精加工軌跡生成流程圖。圖2為本發(fā)明中確定加工區(qū)域應(yīng)用的圖形元素，其中(a)為2D限定盒，(b)為毛坯，(c)為3D限定盒，(d)為假牙數(shù)字模型，(e)為全材料移除區(qū)域，(f)為連接支撐筋板。圖3為本發(fā)明Z向材料去除區(qū)域。圖4為假牙的輪廓線，(a)為側(cè)影輪廓線，(b)為最大輪廓線。圖5為本發(fā)明截交輪廓曲線處理示意圖，其中(a)為初始輪廓曲線，(b)為需替換的輪廓曲線，(c)為替換后的輪廓曲線。
圖6為加工刀軌軌跡環(huán)樹示意圖，其中(a)為截交輪廓曲線環(huán)，(b)為輪廓環(huán)樹。圖7為加工區(qū)域示意圖，其中(a)為單層加工區(qū)域，(b)為多層加工區(qū)域。圖8為精加工區(qū)域示意圖，其中(a)為Z向分割曲面，(b)為-Z向分割曲面，(c) 為-Z向加工區(qū)域。圖9為粗加工軌跡示意圖，其中(a)為Z向粗加工軌跡，(b)為-Z向粗加工軌跡。圖10為精加工軌跡示意圖，其中(a)為Z向精加工軌跡，(b)為-Z向精加工軌跡。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。實(shí)施例本發(fā)明假牙加工刀軌生成方法主要由粗加工和精加工兩個(gè)步驟來完成， 所述粗加工刀軌的生成分為Z向粗加工軌跡生成和-Z向粗加工軌跡生成兩步，精加工刀軌的生成分為Z向精加工軌跡生成和-Z向精加工軌跡生成兩步。具體粗加工軌跡生成的方法步驟，如圖1 (a)所示1.確定粗加工材料去除區(qū)域Z向和-Z向材料去除區(qū)域采用如下公式確定首先采用圖2(a)所示的假牙2D限定盒(Z軸無窮長(zhǎng))和圖2(b)所示的毛胚Γ進(jìn)行布爾交運(yùn)算得出圖2 (c)所示的3D限定盒 B3d，用B3d布爾減去圖2(d)所示的假牙數(shù)字模型Μ，得到圖2(e)所示的材料去除區(qū)域Yt。tal。 用Ytotal布爾減去圖2(f)所示的連接支撐筋板Ψ，從而獲得圖2所示的假牙的Z向材料去除區(qū)域Y ζ和-Z向材料去除區(qū)域γ ζ Ytotal = (B2d η Τ)-M{yz, Y-J = Ytotal-W其中在確定連接支撐筋板ψ的Z高度時(shí)，先確定如圖4(a)所示的假牙模型的側(cè)影輪廓線，以側(cè)影輪廓線的最小Z值作為連接支撐筋板的Z高度值；2.獲取截交輪廓曲線采用和Z軸垂直的等間距的平面集與Z向材料去除區(qū)域Yz求交線，得出交線輪廓曲線集，得出的初始輪廓曲線如圖5(a)所示；3.處理截交輪廓曲線集如圖5(b)所示，位于側(cè)影輪廓最大和最小Z值之間的切片層中的非外層輪廓曲線，用圖4(b)所示的最大輪廓線替換，替換后的輪廓曲線如圖5(c)所示；4.生成加工區(qū)域在每層切片上，將輪廓曲線環(huán)按環(huán)的嵌套關(guān)系抽象成圖6(b)所示的輪廓環(huán)樹的形式，在樹中深度為偶數(shù)的節(jié)點(diǎn)及其子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的區(qū)域，即為每一層的材料去除區(qū)域，在獲得材料去除區(qū)域后，偏置材料去除區(qū)域的內(nèi)外邊界輪廓曲線，從而得到圖7(a)所示的加工區(qū)域，圖7(b)為計(jì)算所得的多層加工區(qū)域；5.軌跡填充在獲得加工區(qū)域后，用行切或環(huán)切的軌跡元素填充加工區(qū)域；6.連接軌跡將獲得的軌跡元素連接，即可獲得圖9(a)、(b)所示的分別用于去除材料去除區(qū)域Yz和￥_2的粗加工軌跡。所述精加工刀軌的生成方法步驟如下如圖1 (b)所示。1.確定精加工加工區(qū)域
將假牙沿圖4(a)所示的側(cè)影輪廓線分割，得到圖8(a)、(b)所示的Z向和-Z向分割曲面，Z向加工區(qū)域即為Z向分割曲面，考慮到連接支撐筋板，實(shí)際的-Z向精加工區(qū)域?yàn)?Z向分割曲面除去連接支撐筋板所得的區(qū)域，如圖8(c)所示；2.獲取截交輪廓曲線采用平行于Z軸或和Z軸成30-60角度的平面集，截得初始輪廓曲線集；3.獲取初始刀觸點(diǎn)集采用直線或雙圓弧擬合的方法獲取離散后的刀觸點(diǎn)集。4.獲取初始刀位點(diǎn)獲取刀觸點(diǎn)所在曲面處的法矢量，將刀觸點(diǎn)沿法矢量方向向外偏置一個(gè)球刀半徑，得到初始刀位點(diǎn)；5.干涉的檢測(cè)與處理若采用初始刀位點(diǎn)來驅(qū)動(dòng)刀具，則刀具在假牙模型的某些凹陷處會(huì)發(fā)生局部干涉，需要進(jìn)行干涉處理，具體的做法是計(jì)算初始刀位點(diǎn)P到假牙模型的最短距離山如果最短距離小于球刀半徑r，則該初始刀位點(diǎn)發(fā)生干涉，需進(jìn)行調(diào)整；本發(fā)明的調(diào)整方式為在獲取最短距離的同時(shí)，獲得牙模上和初始刀位點(diǎn)具有最短距離的一點(diǎn)，計(jì)算該點(diǎn)處的曲面的法矢方向n，新的調(diào)整位置ρ*可采用下述公式進(jìn)行調(diào)整令P*為P，重復(fù)上述過程，直到d 等于球刀半徑r為止
w \rn +|r-斗/7 (r < d) 剛 r^{rPp-\r-d[n (r>d)其中r為球刀半徑，d為初始刀位點(diǎn)ρ到假牙模型的最短距離，rp為矢量半徑乂為新調(diào)整位置的矢量半徑，η為法矢方向。6.連接軌跡將獲得的軌跡行連接，即可獲得圖10(a)、(b)所示的分別用于Z向和-ζ向精加工軌跡。本發(fā)明是一種符合假牙數(shù)控加工工藝流程的標(biāo)準(zhǔn)刀軌的生成方法。該方法有效地解決了假牙的加工問題，減少了人為的參與，提高了加工效率，改善了質(zhì)量穩(wěn)定性。本發(fā)明采用的數(shù)控機(jī)床為歐洲專利EP，A2090442。該裝置由兩個(gè)分離的機(jī)床組成，每個(gè)機(jī)床都有單獨(dú)的處理系統(tǒng)，一個(gè)裝置用于牙模的數(shù)字化重建，另一個(gè)用于牙模的數(shù)控加工。其中加工裝置包括三個(gè)平動(dòng)軸、一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸以及兩個(gè)刀具主軸，其中的平動(dòng)軸用于實(shí)現(xiàn)X、Y、Z方向的平動(dòng)。旋轉(zhuǎn)軸可以實(shí)現(xiàn)由Z到-Z加工方向的切換。主軸1用于粗加工， 主軸2用于精加工。按本發(fā)明生成的刀軌，驅(qū)動(dòng)刀具先在主軸1上對(duì)毛胚進(jìn)行粗加工，得到粗加工模型，然后將粗加工模型平移到主軸2上用球頭刀進(jìn)行精加工，得到精加工模型。由于假牙非2. 5維零件，因此假牙的粗精加工，均需要由刀具沿Z向加工和-Z向加工來共同完成。加工方向的變換，是依靠旋轉(zhuǎn)軸來實(shí)現(xiàn)的。
權(quán)利要求
1.一種假牙加工軌跡生成方法，其特征在于首先生成用于假牙粗加工的刀軌，再生成用于假牙精加工的刀軌，所述粗加工刀軌的生成分為Z向粗加工軌跡生成和-ζ向粗加工軌跡生成兩步，精加工刀軌的生成分為Z向精加工軌跡生成和-ζ向精加工軌跡生成兩步。
2.按照權(quán)利要求1所述假牙加工軌跡生成方法，其特征在于所述的粗加工軌跡生成方法步驟如下①確定材料去除區(qū)域；②獲取截交輪廓曲線集；③處理截交輪廓曲線集；④ 生成加工區(qū)域；⑤軌跡填充；⑥軌跡連接。
3.按照權(quán)利要求2所述假牙加工軌跡生成方法，其特征在于所述確定材料去除區(qū)域步驟如下首先采用假牙2D限定盒毛胚Γ進(jìn)行布爾交運(yùn)算得出3D限定盒B3d，用B3d布爾減去假牙數(shù)字模型Μ，得到材料去除區(qū)域Yttrtal ；用Yttrtal布爾減去假牙連接支撐筋板Ψ， 獲得Z向材料去除區(qū)域Y z和-Z向材料去除區(qū)域Y z YtOtal = (B2d η Τ)-M{ Y ζ，Y -ζ} — Y total 華其中在確定連接支撐筋板ψ的Z高度時(shí)，先確定假牙模型的側(cè)影輪廓線，以側(cè)影輪廓線的最小Z值作為連接支撐筋板的Z高度值。
4.按照權(quán)利要求2所述假牙加工軌跡生成方法，其特征在于所述獲取截交輪廓曲線集步驟是采用和Z軸垂直的等間距的平面集與Z向材料去除區(qū)域Yz求交線，得出交線輪廓曲線集。
5.按照權(quán)利要求2所述假牙加工軌跡生成方法，其特征在于所述處理截交輪廓曲線集步驟如下位于側(cè)影輪廓最大和最小Z值之間的切片層中的非外層輪廓曲線，用最大輪廓線替換得到的輪廓曲線。
6.按照權(quán)利要求1所述假牙加工軌跡生成方法，其特征在于所述的精加工軌跡生成方法步驟如下①確定精加工區(qū)域；②獲取截交輪廓曲線集；③獲取初始刀觸點(diǎn)集；④生成初始刀位點(diǎn)；⑤干涉檢查和處理；⑥軌跡連接。
7.按照權(quán)利要求6所述假牙加工軌跡生成方法，其特征在于所述確定精加工加工區(qū)域是將假牙沿其側(cè)影輪廓線分割，得到Z向和-Z向分割曲面，Z向加工區(qū)域即為Z向分割曲面，實(shí)際的-Z向精加工區(qū)域?yàn)?ζ向分割曲面除去連接支撐筋板所得的區(qū)域。
8.按照權(quán)利要求6所述假牙加工軌跡生成方法，其特征在于所述獲取截交輪廓曲線集步驟是采用平行于Z軸或和Z軸成30-60角度的平面集，截得初始輪廓曲線集。
9.按照權(quán)利要求6所述假牙加工軌跡生成方法，其特征在于所述的干涉檢查和處理方法如下計(jì)算初始刀位點(diǎn)ρ到假牙模型的最短距離d，如果最短距離小于球刀半徑r，則該初始刀位點(diǎn)發(fā)生干涉，發(fā)生干涉時(shí)的處理方法為在獲取最短距離的同時(shí)，獲得牙模上和初始刀位點(diǎn)具有最短距離的一點(diǎn)，計(jì)算該點(diǎn)處的曲面的法矢方向n，新的調(diào)整位置ρ*采用下述公式進(jìn)行調(diào)整令P*為P，重復(fù)上述過程，直到d等于球刀半徑r為止w Wv +|r_ 斗/7 (r < d)p ) _|r -斗/7 (r > d)其中r為球刀半徑，d為初始刀位點(diǎn)ρ到假牙模型的最短距離，rp為矢量半徑乂為新調(diào)整位置的矢量半徑，η為法矢方向。
10.按照權(quán)利要求6所述假牙加工軌跡生成方法，其特征在于所述的獲取初始刀觸點(diǎn)集是采用直線或雙圓弧擬合的方法獲取離散后的刀觸點(diǎn)集；獲取初始刀位點(diǎn)是獲取刀觸點(diǎn)所在曲面處的法矢量，將刀觸點(diǎn)沿法矢量方向向外偏置一個(gè)球刀半徑，得到初始刀位點(diǎn)。
全文摘要
一種假牙加工軌跡生成方法，屬于數(shù)控加工技術(shù)領(lǐng)域。首先生成用于假牙粗加工的刀軌，再生成用于假牙精加工的刀軌，所述粗加工刀軌的生成分為Z向粗加工軌跡生成和-Z向粗加工軌跡生成兩步，精加工刀軌的生成分為Z向精加工軌跡生成和-Z向精加工軌跡生成兩步。生成粗加工軌跡的步驟為①確定材料去除區(qū)域；②獲取截交輪廓曲線集；③處理截交輪廓曲線集；④生成加工區(qū)域；⑤軌跡填充；⑥軌跡連接。生成精加工軌跡的步驟為①確定材料去除區(qū)域；②獲取截交輪廓曲線集；③處理截交輪廓曲線集；④生成加工區(qū)域；⑤軌跡填充；⑥軌跡連接。本發(fā)明可以有效解決假牙數(shù)控加工刀具軌跡規(guī)劃問題，解決了手工制備假牙的效率問題和質(zhì)量穩(wěn)定性問題。
文檔編號(hào)G05B19/4097GK102486641SQ201010572599
公開日2012年6月6日 申請(qǐng)日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月3日
發(fā)明者劉偉軍, 卞宏友, 張鳴, 李論 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所