專利名稱：口腔修復體的五軸聯(lián)動仿真加工方法
技術領域：
本發(fā)明涉及口腔義齒的制造方法，按國際專利分類表(IPC)劃分屬人類生活必需 部，保健分部，牙科，口腔或牙齒衛(wèi)生大類，牙外科小類，牙冠，制造牙冠在口腔中固定牙冠 組的技術領域，具體涉及一種口腔修復體的五軸聯(lián)動仿真加工方法。
背景技術：
自從20世紀80年代法國教授Duret運用工業(yè)CAD/CAM技術制作出第一顆金屬全 冠以來，口腔修復體即口腔義齒，俗稱假牙的設計制作技術發(fā)生了革命性的變化，在口腔修 復領域，國外先后出現(xiàn)了 10多種口腔義齒CAD/CAM系統(tǒng)，如德國Sirona公司的Cerec3D系 統(tǒng)、美國DDS公司的Procera系統(tǒng)、加拿大CYN0VAD公司的dental CAD/CAM、德國KaVo公司 的Everest系統(tǒng)等?？谇恍迯腕w的CAD/CAM系統(tǒng)由三維數(shù)據采集、修復體的計算機輔助設計、加工制 作三大部分組成。在修復體的加工制作過程中，這些系統(tǒng)大部分是基于磨削加工技術和電 加工技術的，很少采用銑削加工技術。如目前商品化口腔修復CAD/CAM系統(tǒng)中可設計加工 全系列修復體的Cerec系統(tǒng)，就是采用金剛砂來磨削修復體，另一典型系統(tǒng)Celay系統(tǒng)則采 用八軸的磨切機，Everest系統(tǒng)則采用五軸高速加工機床進行氧化鋯等材料的修復體的制 作。上述系統(tǒng)在制作口腔修復體過程中都沒有考慮到原始牙齒所具有的如下特性 (1) 口腔修復體不同于一般工業(yè)產品，其上分布著眾多尖、嵴、窩和溝復雜特征，如圖1所 示，而這些特征在咬合運動中將發(fā)揮不同的作用；傳統(tǒng)制作技術沒有考慮這些特征，如手工 制作方法，采用了蠟型包埋鑄造技術，粗制口腔修復體，然后再通過手工打磨，精度的好壞 取決于技工的技藝，患者試戴周期長，增加了患者的痛苦，也降低了期間的生活質量；國內 外部分醫(yī)療機構采用數(shù)控磨削加工技術、電加工技術以及銑削加工技術，也沒考慮到口腔 修復體特征的加工精度和原始形貌，而是把口腔修復體與工業(yè)零件加工一樣來看待，總體 加工精度滿足佩戴要求，但是其光面的咬合精度以及碾磨機理沒有充分考慮，需要進一步 試戴修磨，勢必也增加了患者的就診時間，給患者帶來不必要的痛苦；(2) 口腔修復體的咬 合面類似于傳統(tǒng)的磨，如圖2所示，既能實現(xiàn)碾磨又能便于飯泥的順利流出，利用這些系統(tǒng) 所制作的口腔修復體很難保證精準的磨切軌跡，不僅不能反映出牙齒的原始形貌，也不能 充分發(fā)揮其咬合機能，磨削精度低，磨削成本高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種口腔修復體的五軸聯(lián)動仿真加工方法，以解決口腔修復體的加工精度低、加工形貌差、制作周期長、咬合機能低、飯泥容易滯留的問題，提高口 腔修復體的加工速度和精度，有效降低制作成本。本發(fā)明的技術解決方案是對口腔修復體的尖、嵴、窩、溝特征面進行自動識別和提取，根據患牙咬合面的原始形貌以及各特征面上各點法向矢量的變化規(guī)律確定五軸聯(lián)動高速銑削加工刀軌，微徑球頭刀在樣條插補加工數(shù)控代碼的指揮下沿加工刀軌運動，銑削得口腔修復體。該方法包括以下幾個步驟(1)基于STL格式口腔修復體造型，提取出尖、嵴、窩、 溝特征面；(2)根據尖、嵴、窩、溝在咬合運動中的不同功用，確定反映口腔修復體形貌特征 又滿足其工作要求的刀位點軌跡；(3)優(yōu)化刀軸方向以便適應高速切削，刀軸與Z坐標軸的 偏擺角控制在10° -30°，刀具的運動包絡面為可展成規(guī)則曲面的P(u，v) =Cs(u)+vLs(u)； (4)采用樣條插補，生成支持多種高效數(shù)控加工系統(tǒng)的樣條插補加工數(shù)控代碼；(5)微徑球 頭刀在樣條插補加工數(shù)控代碼的指揮下沿加工刀軌運動，銑削得口腔修復體。其中，在牙齒修復體CAD/CAM系統(tǒng)中，采集患者牙列上對稱牙和其咬合牙的原始 特征，重構患牙的數(shù)字化模型，數(shù)字化模型為三角網格模型，即STL模型，它由一系列的三 角片來逼近實際牙齒咬合面，只要三角片足夠小，其逼近實際咬合面的特征誤差就可以足 夠小，精度就可以足夠高，形貌就越逼近真實的咬合面。其中，根據修復體上各點法向矢量的分布規(guī)律，即STL模型中各三角片的法向矢 量的分布規(guī)律，將修復體的咬合面劃分為尖、嵴、窩和溝特征面，對修復體的尖、嵴、窩和溝 特征面進行自動識別和提取，為口腔修復體的仿真加工提供信息。其中，在修復體的尖、嵴、窩和溝特征面的每個局部區(qū)域內，根據各點法向矢量的 分布規(guī)律，確定刀軌，刀軌與咬合面的形貌相一致。本發(fā)明的加工方法的具體步驟如下(1) 口腔修復體尖、嵴、窩和溝特征面的自動識別和提取(a)特征面類型的判別當溝的長度縮短到一定程度時，它就退化成窩，當嵴的長度縮短到一定程度時，它 就退化成尖，僅憑目測無法嚴格區(qū)分溝與窩、嵴與尖，溝與窩、嵴與尖的判別方法如下首 先，根據目測確定其“溝底線”或“窩底”的大致所在；同樣，對于嵴或尖，根據目測確定其 “嵴頂線”或“尖頂”的大致所在；然后，在目測獲得的“溝底線”、“窩底”、“嵴頂線”、“尖頂” 區(qū)域選取某一點，考察該點處沿不同方向的法矢量的變化情況，法矢量在不同方向上的變 化量的差值的最大值，即在變化最大的方向與變化最小的方向的差值，超過預設的閾值，則 該面域屬于溝或嵴；反之則為窩或尖；(b)特征面的識別和邊界的確定以磨牙冠光面“尖”特征為例，其“尖頂”位于最高點處，自“尖頂”向下同一高度上 的各點的法矢量雖然方向各異，但與“尖頂”處法矢量的夾角相同，形成一個環(huán)，稱之為“等 夾角環(huán)”，整個面域就由這一系列的環(huán)形區(qū)域構成；對于一個“尖”型面域，以“尖頂”所在 面片的法矢量為基準，其余面片的法矢量與該矢量的夾角位于一定范圍內，記為
， η α彡U，U為特征閾值，將該區(qū)間劃分為η個子區(qū)間
、(α，2α]、(2α，3α]，……， ((η-1) α,ηα],夾角位于每一子區(qū)間內的面片形成一個“環(huán)”形區(qū)域，這η個環(huán)形區(qū)域合在 一起就構成整個“尖”特征面；利用同樣方法實現(xiàn)“窩”特征面的提??；對于“溝”和“嵴”型面域來講，同樣認為是由一系列環(huán)形區(qū)域組成，但與“尖”和 “窩”型面域不同的是，其環(huán)形面域不再是以一點為基準，而是以一條線即溝底線或嵴頂線 為基準；以“溝”特征面為例，其面域具體提取方法如下st印1從總體上觀察磨牙修復體的 STL模型，目測溝型面域的大致形狀及“溝”底所在區(qū)域；Step2根據目測結果，在“溝”底所在區(qū)域選取一基準面片P，使得P基本位于“溝”底線中部；Step3以P為基準，沿“溝”底方向向兩側擴展“溝”底線，擴展所得“溝”底線由一系列STL面片組成，記為集合Cb。tt。m ；Step4 將區(qū)間
等分為η個子區(qū)間Q1, Q2,……，Qn ;St印5對磨牙修復體的STL模型中的 每一個STL面片Ttl，在Cb。tt。m中確定距Ttl最近的面片，記為T1 ；St印6計算STL面片TtlJ1的 法矢量nQ、Ii1的夾角，記為θ ；St印7根據θ值所在的區(qū)間QiG = 1，2，……，η)，將STL 面片T0歸入相應的集合Ci ；StepSn個集合C1, C2,……，Cn中的面片構成了 η個環(huán)形區(qū)域； St印9這η個集合C1,C2,……，Cn中的面片的合集構成了溝型區(qū)域；上述步驟St印3中，需 要由基準面片P分別向兩側擴展“溝”底線，可分兩步完成；由“溝”底上的基準面片P向一 側擴展“溝”底線的算法如下①將磨牙修復體的STL模型向六個基本投影面中“最平行于” 溝底線的投影面投影；②以當前基準面片P的中心P。為圓心、以R為半徑的圓CirK所包含 的面片組成的集合記為C ；③將圓CirK等分為2η個扇形；相互間夾角為180°的兩個扇形 位于同一直線上，稱為某一方向；則從P。出發(fā)有η個方向，而集合C也被劃分為η個子集合 C1, C2,……，Cn;④對子集合Ci,計算其內所有面片的法矢與面片P的法矢的夾角，并求平 均值，記為ai ；⑤取步驟④中所得η個平均值中的最小值，記為ak，其所在方向即為該點處溝 底線的方向；⑥將Ck內的面片放入集合Cb。tt。m ；⑦取Ck內距P為r的面片T2，計算T2的法矢 與P的法矢的夾角，若該夾角大于U特征閾值，則轉⑧；否則，將T2作為當前基準面片P，轉 ②；⑧結束；類似地，可得到由基準面片P向另一側擴展所得的“溝”底線，這兩段“溝”底線 合起來就構成完整的“溝”底；(2) 口腔修復體尖、嵴、窩和溝特征面的刀位軌跡的確定基于特征面的五軸聯(lián)動加工刀軌生成法Stepl特征提取，采用上述(1)中技術，提取口腔修復體中的尖、窩和溝、嵴特征區(qū) 域；St印2特征區(qū)域等距，運用三角網格頂點等距技術，以加工刀具半徑與加工余量的 和為等距長度，對各特征區(qū)域STL模型等距，獲取相應的等距模型，并存入特征鏈表；St印3單一特征刀軌生成，從特征鏈表中按索引先后調出第k個特征(k= 1， 2，…，K)；該特征為尖或窩，獲取它的邊界線和法矢量最接近該特征法矢量均值的點P，按 精度要求和邊界曲線每段曲率的大小，分段密化邊界點Q」(j = 1,2,…，Μ)，依次連接PQp 構造M個垂直平面，讓這M個垂直平面分別與尖或窩特征面求交，得M條曲線段，生成尖 或窩特征刀軌并紀錄相應點處的面法矢量；該特征為嵴或溝，獲取沿溝或嵴方向的左右邊 界線和嵴線或溝線，構造包含嵴線或溝線的中間垂直平面，計算左右邊界線上各點到中間 垂直平面的距離dl和d2，根據精度要求，以iX (dl/h)和jX(d2/h)為等距長度，i = 1， 2，…，NQ;j = l，2，…，Mtl ;h為加工刀軌行距，向內分別等距左右邊界線上各點，各點依次 連成曲線，左右邊界線經過Ntl和M0次等距，得NfMtl條曲線段，沿Z向拉伸這NfMtl條曲線段 成NfMtl個規(guī)則曲面，分別與嵴或溝特征面求交，生成嵴或溝特征刀軌并并紀錄相應點處的 面法矢量；St印4插入特征間加工過渡刀軌，判斷k<K ，否，令k = k+1，跳轉St印3 ；是， 進入下一步；St印5添加切入切出刀軌，結束；(3)刀具運動包絡面的確定
(a)刀軸矢量優(yōu)化口腔修復體屬于復雜薄壁件微小體，尤其磨牙冠修復體，其外形似鼓形，采用規(guī)則 曲面P(u，v) =Cs(u)+vLs(ν)作為加工刀具的包絡面，并對刀軸矢量的擺動幅度進行優(yōu)化， 步驟如下Stepl假定原刀軸矢量N(xN，yN，ζΝ)為STL模型上某三角平面 片的法向矢量，加工 該三角平面片的刀位點為A(xA，yA，zA)；St印2優(yōu)化原刀軸矢量，取原刀軸矢量與Z坐標正方向的夾角(0/2、1 = 1，2，···， N)的平分線為臨時刀軸矢量Tj,它的直角坐標(xTj，yTJ, zTJ)按下式計算，然后把這些刀軸 矢量順序添加到子刀軸矢量鏈表中，接著計算每相鄰刀軸矢量的平均值作為臨時最終的刀 軸矢量并添加到臨時最終的刀軸矢量鏈表中，
<formula>formula see original document page 8</formula>St印3對臨時最終的刀軸矢量作干涉檢查，以口腔修復體的三維實體作為毛坯體， 刀具的三維實體作為刀具體，進行兩實體的布爾求交運算，如果交集為空，則進入Step4 ； 否則跳轉St印5 ；St印4刀軸矢量進一步優(yōu)化，清空子刀軸矢量鏈表，把St印2中的臨時最終的刀軸 矢量值添加到這個鏈表中，ifi < N，i = i+1跳轉St印2 ；否則，進入St印5 ；St印5確定最終的刀軸矢量，把子刀軸矢量鏈表中的值作為最終的刀軸矢量并添 加到最終的刀軸矢量中；(b)加工軌跡點簡化磨牙的咬合就如同磨的碾壓，其上的尖、嵴、溝也相似于磨的溝、嵴錯落有致，各特 征面的加工刀軌方向按既利于碾磨又便于飯泥流出確定，采用樣條刀軌曲線簡化點到點刀 軌曲線，方法如下St印1尖、嵴、窩、溝特征軌跡規(guī)劃，針對嵴、溝特征，根據其在牙列中位置和功能進 行變間距變方向3維Zigzag軌跡規(guī)劃，針對尖、窩特征，根據其在牙列中的位置和功能進行 3維太陽光芒式軌跡規(guī)劃；St印2密集的刀位點和刀軸矢量點簡化，獲取所有刀位點和刀軸矢量點，采用樣條 曲線擬合所有刀位點和刀軸矢量點為光順刀位曲線和刀軸矢量曲線，然后按口腔修復體精 度要求給定弦差S對生成的刀位曲線和刀軸矢量曲線進行等點數(shù)離散，離散點暫時添加 到刀位離散點鏈表和刀軸矢量離散點鏈表；St印3五軸聯(lián)動高速加工軌跡G代碼生成；(4)樣條格式高速加工數(shù)控代碼優(yōu)化Stepl讀取已簡化的五軸聯(lián)動高速加工軌跡G代碼；Step2G代碼的樣條代碼優(yōu)化，按G06. 2、G845以及SPL樣條格式轉換G代碼；(5)加工制作
微徑球頭刀，在樣條插補加工數(shù)控代碼的指揮下沿加工刀軌運動，銑削得口腔修復體。本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、在修復體的尖、嵴、窩和溝特征面的每個局部區(qū)域內，根 據各點處法向矢量的分布規(guī)律，確定刀軌，刀軌與咬合面的形貌相一致，提高特征區(qū)域的精 確性；2、目前國外內臨床通常采用手工，少部分大醫(yī)院采用進口雙三軸聯(lián)動機床磨削加工 制作，相對雙三軸磨削加工技術，五軸聯(lián)動加工技術具有加工修復體精度高、表面質量好的 優(yōu)點；3、五軸聯(lián)動仿真加工方法不僅提高加工精度、降低加工成本，而且體現(xiàn)口腔修復體的 原始形貌，便于碾磨食物；4、它用一系列的三角片來逼近實際牙齒咬合面，只要三角片足夠 小，其逼近實際咬合面的誤差就可以足夠小，精度就可以足夠高，形貌就越逼近真實的咬合 面；5、在每個局部區(qū)域內，根據各點處法向矢量的分布規(guī)律，進行刀軌規(guī)劃，以保證刀軌與 咬合面的形貌相一致，并使得加工中的刀軸矢量與正加工的三角片面成微小的角度，以避 開刀尖零切削態(tài)的擠壓變形，提高加工精度、延長刀具壽命；6、口腔修復體咬合面上有尖、 嵴、窩、溝，提高了特征面區(qū)域的加工精度和咬合質量，減少甚至避免試戴時間；7、建立在數(shù) 字化STL格式模型的基礎上，提取尖、嵴、窩、溝特征面，根據其位置和作用確定五軸加工刀 軌，在切入切出過渡段均采用樣條曲線，以保證切削的過程連續(xù)性和刀具運行的平穩(wěn)性，從 而避免顫振、刀具崩刃以及修復體因脆裂而報廢情況的發(fā)生；8、刀軸矢量最小擺幅算法優(yōu) 化，提高了刀具加工過程的平穩(wěn)性；9、對傳統(tǒng)數(shù)控加工點到點刀軌進行簡化并采用樣條擬 合，不僅使得刀位曲線達到了 C2連續(xù)性，而且數(shù)控代碼的數(shù)據量也減少了 1/3 1/4 ；10、提 出了基于口腔修復體特征面的五軸高速加工刀軌，實現(xiàn)多種高速加工數(shù)控系統(tǒng)的樣條插補 后處理技術，配合高速加工機床，加工出高精度的口腔修復體；11、本發(fā)明的加工方法不僅 適用于口腔修復體的高速加工，也可推廣于骨骼修復體的計算機輔助制作，材料涉及不銹 鋼、鈦合金、生物陶瓷等難加工材料；12、本發(fā)明不僅提高了口腔修復體的加工精度，有效降 低制作成本，而且大大推動了計算機輔助診療技術的發(fā)展，社會效益非常明顯，經濟效益也 前景廣闊。


附圖給出本發(fā)明口腔修復體特征面的標識、石磨的特征與工作原理、五軸聯(lián)動加 工刀軌矢量優(yōu)化圖、刀位點樣條擬合優(yōu)化以及高速加工SPL樣條格式數(shù)控代碼示意圖。圖1為磨牙冠光面尖、嵴、窩、溝特征面標識示意2為石磨的工作原理示意3為三角網格模型示意4為口腔修復體的某一垂直面與特征面求交形成尖或窩特征面的加工刀軌生 成過程示意5為口腔修復體的NfMtl個規(guī)則面與特征面求交形成嵴或溝特征面的加工刀軌 生成過程示意6為STL模型中三角片面的五軸聯(lián)動加工刀軸矢量優(yōu)化示意7為微直線段加工刀軌刀位點簡化示意8為尖特征面加工刀軌的示意9為嵴特征面加工刀軌的示意圖
圖10為窩特征面加工刀軌的示意11為溝特征面加工刀軌的示意12為五軸聯(lián)動高速加工刀軌的示意圖
圖13為磨牙咬合面加工刀軌的示意14為HEIDENHAIN數(shù)控系統(tǒng)SPL樣條格式數(shù)控代碼示意中1尖，2嵴，3窩，4溝，5下磨，6上磨，7磨牙溝，8磨牙嵴，9特征面與某一垂 直平面的交線，10尖特征面，11窩特征面矢量均值點的某一個垂直平面，12沿嵴或溝方向 左右邊界線的等距線的Z向拉伸規(guī)則曲面，13嵴特征面，14構成口腔修復體的三角片，15微 直線段刀軌，16三角片的法矢量，17優(yōu)化的刀軸矢量，18在樣條刀位軌跡上原點到點刀位 軌跡上被去除的點R。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發(fā)明的口腔修復體的方法作進一步說明。實施例依以下具體步驟加工口腔修復體(1)重構患牙的數(shù)字化模型在牙齒修復體CAD/CAM系統(tǒng)中，采集患者牙列上對稱牙和其咬合牙的原始特征， 重構患牙的數(shù)字化模型，數(shù)字化模型為三角網格模型，即STL模型，如圖3所示，由一系列的 三角片來逼近實際牙齒咬合面；(2)特征面類型的判別當溝的長度縮短到一定程度時，它就退化成窩，當嵴的長度縮短到一定程度時，它 就退化成尖，僅憑目測無法嚴格區(qū)分溝與窩、嵴與尖，溝與窩、嵴與尖的判別方法如下首 先，根據目測確定其“溝底線”或“窩底”的大致所在；同樣，對于嵴或尖，根據目測確定其 “嵴頂線”或“尖頂”的大致所在；然后，在目測獲得的“溝底線”、“窩底”、“嵴頂線”、“尖頂” 區(qū)域選取某一點，考察該點處沿不同方向的法矢量的變化情況，法矢量在不同方向上的變 化量的差值的最大值，即在變化最大的方向與變化最小的方向的差值，超過預設的閾值，則 該面域屬于溝或嵴；反之則為窩或尖；(3)特征面的識別和邊界的確定以磨牙冠光面“尖”特征面為例，其“尖頂”位于最高點處，自“尖頂”向下同一高 度上的各點的法矢量雖然方向各異，但與“尖頂”處法矢量的夾角相同，形成一個環(huán)，稱之為 “等夾角環(huán)”，整個面域就由這一系列的環(huán)形區(qū)域構成；對于一個“尖”型面域，以“尖頂”所在 面片的法矢量為基準，其余面片的法矢量與該矢量的夾角位于一定范圍內，記為
, η α彡U，U為特征閾值，將該區(qū)間劃分為η個子區(qū)間
、(α，2α ]、(2α，3α ]，……， ((η-1) α,ηα],夾角位于每一子區(qū)間內的面片形成一個“環(huán)”形區(qū)域，這η個環(huán)形區(qū)域合在 一起就構成整個“尖”特征面；利用同樣方法實現(xiàn)“窩”特征面的提??；對于“溝”和“嵴”型面域來講，同樣認為是由一系列環(huán)形區(qū)域組成，但與“尖”和 “窩”型面域不同的是，其環(huán)形面域不再是以一點為基準，而是以一條線即溝底線或嵴頂線 為基準；以“溝”特征面為例，其面域具體提取方法如下st印1從總體上觀察磨牙修復體的 STL模型，目測溝型面域的大致形狀及“溝”底所在區(qū)域；Step2根據目測結果，在“溝”底所 在區(qū)域選取一基準面片P，使得P基本位于“溝”底線中部；Step3以P為基準，沿“溝”底方向向兩側擴展“溝”底線，擴展所得“溝”底線由一系列STL面片組成，記為集合Cb。tt。m;Step4 將區(qū)間
等分為η個子區(qū)間Q1, Q2,……，Qn ;St印5對磨牙修復體的STL模型中的 每一個STL面片Ttl，在Cb。tt。m中確定距Ttl最近的面片，記為T1 ；St印6計算STL面片TtlJ1的 法矢量nQ、Ii1的夾角，記為θ ；St印7根據θ值所在的區(qū)間QiG = 1，2，……，η)，將STL 面片T0歸入相應的集合Ci ；StepSn個集合C1, C2,……，Cn中的面片構成了 η個環(huán)形區(qū)域； St印9這η個集合C1,C2,……，Cn中的面片的合集構成了溝型區(qū)域；上述步驟St印3中，需 要由基準面片P分別向兩側擴展“溝”底線，可分兩步完成；由“溝”底上的基準面片P向一 側擴展“溝”底線的算法如下①將磨牙修復體的STL模型向六個基本投影面中“最平行于” 溝底線的投影面投影；②以當前基準面片P的中心P。為圓心、以R為半徑的圓CirK所包含 的面片組成的集合記為C ；③將圓CirK等分為2η個扇形；相互間夾角為180°的兩個扇形 位于同一直線上，稱為某一方向；則從P。出發(fā)有η個方向，而集合C也被劃分為η個子集 合 C1, C2,……，Cn;④對子集合Ci,計算其內所有面片的法矢與面片P的法矢的夾角，并求平 均值，記為ai ；⑤取步驟④中所得η個平均值中的最小值，記為ak，其所在方向即為該點處溝 底線的方向；⑥將Ck內的面片放入集合Cb。tt。m ；⑦取Ck內距P為r的面片T2，計算T2的法矢 與P的法矢的夾角，若該夾角大于U特征閾值，則轉⑧；否則，將T2作為當前基準面片P，轉 ②；⑧結束；類似地，可得到由基準面片P向另一側擴展所得的“溝”底線，這兩段“溝”底線 合起來就構成完整的“溝”底；(4)基于特征面的五軸聯(lián)動加工刀軌生成Stepl特征面提取采用上述(3)中技術，提取口腔修復體中的尖、窩和溝、嵴特征 區(qū)域；St印2特征區(qū)域等距，運用三角網格頂點等距技術，以加工刀具半徑與加工余量的 和為等距長度，對各特征區(qū)域STL模型等距，獲取相應的等距模型，并存入特征鏈表；St印3單一特征刀軌生成，從特征鏈表中按索引先后調出第k個特征(k= 1， 2，…，K)；該特征為尖或窩，獲取它的邊界線和法矢量最接近該特征法矢量均值的點P，按 精度要求和邊界曲線每段曲率的大小，分段密化邊界點Q」(j = 1,2,…，Μ)，依次連接PQp 構造M個垂直平面，讓這M個垂直平面分別與尖或窩特征面求交，得M條曲線段，如圖4所 示，生成尖或窩特征刀軌并紀錄相應點處的面法矢量；該特征為嵴或溝，獲取沿溝或嵴方向 的左右邊界線和嵴線或溝線，構造包含嵴線或溝線的中間垂直平面，計算左右邊界線上各 點到中間垂直平面的距離dl和d2，根據精度要求，以iX (dl/h)和jX (d2/h)為等距長度， i = 1,2, ...，N0;j = l，2，…，Mtl ;h為加工刀軌行距，向內分別等距左右邊界線上各點，各 點依次連成曲線，左右邊界線經過Ntl和M0次等距，得Nq+Mq條曲線段，沿Z向拉伸這Nq+Mq條 曲線段成NfMtl個規(guī)則曲面，分別與嵴或溝特征面求交，如圖5所示，生成嵴或溝特征刀軌并 并紀錄相應點處的面法矢量。；St印4插入特征間加工過渡刀軌，判斷k<K ，否，令k = k+1，跳轉St印3 ；是， 進入下一步；St印5添加切入切出刀軌，結束；(5)刀軸矢量優(yōu)化口腔修復體屬于復雜薄壁件微小體，尤其磨牙冠修復體，其外形似鼓形，采用規(guī)則 曲面P(u，v) =Cs(u)+vLs(ν)作為加工刀具的包絡面，并對刀軸矢量的擺動幅度進行優(yōu)化，步驟如下Stepl假定原刀軸矢量N(xN，yN，zN)為STL模型上某三角平面片的法向矢量，加工該三角平面片的刀位點為A(xA，yA，zA)；St印2優(yōu)化原刀軸矢量，取原刀軸矢量與Z坐標正方向的夾角(0/2、1 = 1，2，···， N)的平分線為臨時刀軸矢量Ir如圖6所示，它的直角坐標(X ，y ，z )按下式計算，然后 把這些刀軸矢量順序添加到子刀軸矢量鏈表中，接著計算每相鄰刀軸矢量的平均值作為臨 時最終的刀軸矢量并添加到臨時最終的刀軸矢量鏈表中，<formula>formula see original document page 12</formula>
St印3對臨時最終的刀軸矢量作干涉檢查，以口腔修復體的三維實體作為毛坯體， 刀具的三維實體作為刀具體，進行兩實體的布爾求交運算，如果交集為空，則進入Step4 ； 否則跳轉St印5 ；St印4刀軸矢量進一步優(yōu)化，清空子刀軸矢量鏈表，把St印2中的臨時最終的刀軸 矢量值添加到這個鏈表中，ifi < N，i = i+1跳轉St印2 ；否則，進入Step5 ；Step5確定最終的刀軸矢量，把子刀軸矢量鏈表中的值作為最終的刀軸矢量并添 加到最終的刀軸矢量中；(6)加工軌跡點簡化磨牙的咬合就如同磨的碾壓，其上的尖、嵴、溝也相似于磨的溝、嵴錯落有致，各特 征面的加工刀軌方向按既利于碾磨又便于飯泥流出確定，采用樣條刀軌曲線簡化點到點刀 軌曲線，如圖7所示，方法如下Step1尖、嵴、窩、溝特征面軌跡規(guī)劃，針對嵴、溝特征，根據其在牙列中位置和功能 進行變間距變方向3維Zigzag軌跡規(guī)劃，針對尖、窩特征，根據其在牙列中的位置和功能進 行3維太陽光芒式軌跡規(guī)劃；Step2密集的刀位點和刀軸矢量點簡化，獲取所有刀位點和刀軸矢量點，采用樣條 曲線擬合所有刀位點和刀軸矢量點為光順刀位曲線和刀軸矢量曲線，然后按口腔修復體精 度要求給定弦差S對生成的刀位曲線和刀軸矢量曲線進行等點數(shù)離散，離散點暫時添加 到刀位離散點鏈表和刀軸矢量離散點鏈表；Step3五軸聯(lián)動高速加工軌跡G代碼生成；(7)樣條格式高速加工數(shù)控代碼優(yōu)化Stepl讀取已簡化的五軸聯(lián)動高速加工軌跡G代碼；Step2G代碼的樣條代碼優(yōu)化，按G06. 2、G845以及SPL樣條格式轉換G代碼，如圖14所示；(8)加工制作微徑球頭刀，在樣條插補加工數(shù)控代碼的指揮下沿加工刀軌運動，如圖8-13所 示，銑削得口腔修復體。
權利要求
口腔修復體的五軸聯(lián)動仿真加工方法，對口腔修復體的尖、嵴、窩、溝特征面進行自動識別和提取，其特征在于根據患牙咬合面的原始形貌以及各特征面上各點法向矢量的變化規(guī)律確定五軸聯(lián)動高速銑削加工刀軌，微徑球頭刀在樣條插補加工數(shù)控代碼的指揮下沿加工刀軌運動，銑削得口腔修復體。
2.根據權利要求1所述的口腔修復體的五軸聯(lián)動仿真加工方法，其特征在于該方法 包括以下幾個步驟(1)基于STL格式口腔修復體造型，提取出尖、嵴、窩、溝特征面；(2) 根據尖、嵴、窩、溝在咬合運動中的不同功用，確定反映口腔修復體形貌特征又滿足其工 作要求的刀位點軌跡；(3)優(yōu)化刀軸方向適應高速切削，刀軸與Z坐標軸的偏擺角控制在 10° -30°，刀具的運動包絡面為可展成規(guī)則曲面的P(u，v) =Cs(u)+vLs(u) ;(4)采用樣條 插補，生成支持多種高效數(shù)控加工系統(tǒng)的樣條插補加工數(shù)控代碼；(5)微徑球頭刀在樣條 插補加工數(shù)控代碼的指揮下沿加工刀軌運動，銑削得口腔修復體。
3.根據權利要求2所述的口腔修復體的五軸聯(lián)動仿真加工方法，其特征在于其中，在 牙齒修復體CAD/CAM系統(tǒng)中，采集患者牙列上對稱牙和其咬合牙的原始特征，重構患牙的 數(shù)字化模型，數(shù)字化模型為三角網格模型，即STL模型，它由一系列的三角片來逼近實際牙 齒咬合面。
4.根據權利要求2所述的口腔修復體的五軸聯(lián)動仿真加工方法，其特征在于其中，在 修復體的尖、嵴、窩和溝特征面的每個局部區(qū)域內，根據各點處法向矢量的分布規(guī)律，確定 刀軌，刀軌與咬合面的形貌相一致。
5.根據權利要求2所述的口腔修復體的五軸聯(lián)動仿真加工方法，其特征在于該加工 方法的具體步驟如下(1) 口腔修復體尖、嵴、窩和溝特征面的自動識別和提取(a)特征面類型的判別當溝的長度縮短到一定程度時，它就退化成窩，當嵴的長度縮短到一定程度時，它就退 化成尖，僅憑目測無法嚴格區(qū)分溝與窩、嵴與尖，溝與窩、嵴與尖的判別方法如下首先，根 據目測確定其“溝底線”或“窩底”的大致所在；同樣，對于嵴或尖，根據目測確定其“嵴頂 線”或“尖頂”的大致所在；然后，在目測獲得的“溝底線”、“窩底”、“嵴頂線”、“尖頂”區(qū)域選 取某一點，考察該點處沿不同方向的法矢量的變化情況，法矢量在不同方向上的變化量的 差值的最大值，即在變化最大的方向與變化最小的方向的差值，超過預設的閾值，則該面域 屬于溝或嵴；反之則為窩或尖；(b)特征面的識別和邊界的確定以磨牙冠光面“尖”特征為例，其“尖頂”位于最高點處，自“尖頂”向下同一高度上的 各點的法矢量雖然方向各異，但與“尖頂”處法矢量的夾角相同，形成一個環(huán)，稱之為“等 夾角環(huán)”，整個面域就由這一系列的環(huán)形區(qū)域構成；對于一個“尖”型面域，以“尖頂”所在 面片的法矢量為基準，其余面片的法矢量與該矢量的夾角位于一定范圍內，記為
, na彡U，U為特征閾值，將該區(qū)間劃分為n個子區(qū)間
、(a，2a ]、(2a，3a ]，……， ((n-1) a,na],夾角位于每一子區(qū)間內的面片形成一個“環(huán)”形區(qū)域，這n個環(huán)形區(qū)域合在 一起就構成整個“尖”特征面；利用同樣方法實現(xiàn)“窩”特征面的提??；對于“溝”和“嵴”型面域來講，同樣認為是由一系列環(huán)形區(qū)域組成，但與“尖”和“窩” 型面域不同的是，其環(huán)形面域不再是以一點為基準，而是以一條線即溝底線或嵴頂線為基準；以“溝”特征面為例，其面域具體提取方法如下St印1從總體上觀察磨牙修復體的STL 模型，目測溝型面域的大致形狀及“溝”底所在區(qū)域；Step2根據目測結果，在“溝”底所在區(qū) 域選取一基準面片P，使得P基本位于“溝”底線中部Step3以P為基準，沿“溝”底方向向 兩側擴展“溝”底線，擴展所得“溝”底線由一系列STL面片組成，記為集合Cb。tt。m ；Step4將 區(qū)間
等分為n個子區(qū)間仏，Q2，……，Qn ;St印5對磨牙修復體的STL模型中的每 一個STL面片1；，在(；。 。 1中確定距1；最近的面片，記為1\ ；St印6計算STL面片T0、的 法矢量nQ、ni的夾角，記為0 ；St印7根據0值所在的區(qū)間Qji = 1，2，……，n)，將STL 面片T0歸入相應的集合Q ；StepSn個集合C” C2，……，Cn中的面片構成了 n個環(huán)形區(qū)域； Step9這n個集合‘‘……，Cn中的面片的合集構成了溝型區(qū)域；上述步驟St印3中，需 要由基準面片P分別向兩側擴展“溝”底線，可分兩步完成；由“溝”底上的基準面片P向一 側擴展“溝”底線的算法如下①將磨牙修復體的STL模型向六個基本投影面中“最平行于” 溝底線的投影面投影；②以當前基準面片P的中心P。為圓心、以R為半徑的圓CirK所包含 的面片組成的集合記為C ；③將圓CirK等分為2n個扇形；相互間夾角為180°的兩個扇形 位于同一直線上，稱為某一方向；則從P。出發(fā)有n個方向，而集合C也被劃分為n個子集合 C2，……，Cn;④對子集合Ci，計算其內所有面片的法矢與面片P的法矢的夾角，并求平 均值，記為ai ；⑤取步驟④中所得n個平均值中的最小值，記為ak，其所在方向即為該點處溝 底線的方向；⑥將Ck內的面片放入集合Cb。tt。m ；⑦取Ck內距P為r的面片T2，計算T2的法矢 與P的法矢的夾角，若該夾角大于U特征閾值，則轉⑧；否則，將1~2作為當前基準面片P，轉 ②；⑧結束；類似地，可得到由基準面片P向另一側擴展所得的“溝”底線，這兩段“溝”底線 合起來就構成完整的“溝”底；(2)口腔修復體尖、嵴、窩和溝特征面的刀位軌跡的確定Step1采用上述(1)中技術，提取口腔修復體中的尖、窩和溝、嵴特征區(qū)域； Step2特征區(qū)域等距，運用三角網格頂點等距技術，以加工刀具半徑與加工余量的和為 等距長度，對各特征區(qū)域STL模型等距，獲取相應的等距模型，并存入特征鏈表；Step3單一特征刀軌生成，從特征鏈表中按索引先后調出第k個特征(k= 1，2，…，K)； 該特征為尖或窩，獲取它的邊界線和法矢量最接近該特征法矢量均值的點P，按精度要求和 邊界曲線每段曲率的大小，分段密化邊界點Qj(j = 1,2,…，M)，依次連接PQj，構造M個垂 直平面，讓這M個垂直平面分別與尖或窩特征面求交，得M條曲線段，生成尖或窩特征刀軌 并紀錄相應點處的面法矢量；該特征為嵴或溝，獲取沿溝或嵴方向的左右邊界線和嵴線或 溝線，構造包含嵴線或溝線的中間垂直平面，計算左右邊界線上各點到中間垂直平面的距 離dl和d2，根據精度要求，以iX (dl/h)和j X (d2/h)為等距長度，i = 1,2,…，N0 ； j = 1,2,…，Mq ；h為加工刀軌行距，向內分別等距左右邊界線上各點，各點依次連成曲線，左右 邊界線經過Nq和M0次等距，得隊+M。條曲線段，沿Z向拉伸這隊+M。條曲線段成No+M。個規(guī) 則曲面，分別與嵴或溝特征面求交，生成嵴或溝特征刀軌并并紀錄相應點處的面法矢量。；Step4插入特征間加工過渡刀軌，判斷k < K ？，否，令k = k+1，跳轉St印3 ；是，進入 下一步；Step5添加切入切出刀軌，結束；(3)刀具運動包絡面的確定 (a)刀軸矢量優(yōu)化口腔修復體屬于復雜薄壁件微小體，尤其磨牙冠修復體，其外形似鼓形，采用規(guī)則曲面 P(u, v) = Cs(u)+vLs(v)作為加工刀具的包絡面，并對刀軸矢量的擺動幅度進行優(yōu)化，步驟 如下Stepl假定原刀軸矢量N(xN，yN，zN)為STL模型上某三角平面片的法向矢量，加工該三 角平面片的刀位點為A(xA，yA，zA)；St印2優(yōu)化原刀軸矢量，取原刀軸矢量與Z坐標正方向的夾角(e/2i，i = 1,2,…，N) 的平分線為臨時刀軸矢量Tj，它的直角坐標(xTj，yTj，zTj)按下式計算，然后把這些刀軸矢量 順序添加到子刀軸矢量鏈表中，接著計算每相鄰刀軸矢量的平均值作為臨時最終的刀軸矢量并添加到臨時最終的刀軸矢量鏈表中， ‘<formula>formula see original document page 4</formula>St印3對臨時最終的刀軸矢量作干涉檢查，以口腔修復體的三維實體作為毛坯體，刀具 的三維實體作為刀具體，進行兩實體的布爾求交運算，如果交集為空，則進入Step4 ；否則 跳轉St印5 ；St印4刀軸矢量進一步優(yōu)化，清空子刀軸矢量鏈表，把Step2中的臨時最終的刀軸矢量 值添加到這個鏈表中，ifi < N，i = i+1跳轉St印2 ；否則，進入St印5 ；St印5確定最終的刀軸矢量，把子刀軸矢量鏈表中的值作為最終的刀軸矢量并添加到 最終的刀軸矢量中；(b)加工軌跡點簡化磨牙的咬合就如同磨的碾壓，其上的尖、嵴、溝也相似于磨的溝、嵴錯落有致，各特征面 的加工刀軌方向按既利于碾磨又便于飯泥流出確定，采用樣條刀軌曲線簡化點到點刀軌曲 線，方法如下Stepl尖、嵴、窩、溝特征軌跡規(guī)劃，針對嵴、溝特征，根據其在牙列中位置和功能進行變 間距變方向3維Zigzag軌跡規(guī)劃，針對尖、窩特征，根據其在牙列中的位置和功能進行3維 太陽光芒式軌跡規(guī)劃；St印2密集的刀位點和刀軸矢量點簡化，獲取所有刀位點和刀軸矢量點，采用樣條曲線 擬合所有刀位點和刀軸矢量點為光順刀位曲線和刀軸矢量曲線，然后按口腔修復體精度要 求給定弦差S對生成的刀位曲線和刀軸矢量曲線進行等點數(shù)離散，離散點暫時添加到刀 位離散點鏈表和刀軸矢量離散點鏈表；St印3五軸聯(lián)動高速加工軌跡G代碼生成；(4)樣條格式高速加工數(shù)控代碼優(yōu)化Stepl讀取已簡化的五軸聯(lián)動高速加工軌跡G代碼；Step2G代碼的樣條代碼優(yōu)化，按G06. 2、G845以及SPL樣條格式轉換G代碼；(5)加工制作微徑球頭刀，在樣條插補加工數(shù)控代碼的指揮下沿加工刀軌運動，銑削得口腔修復體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種口腔修復體的五軸聯(lián)動仿真加工方法，首先，對口腔修復體的尖、嵴、窩、溝特征面進行自動識別和提取；然后，根據患牙咬合面的原始形貌以及各特征面上各點法向矢量的變化規(guī)律，確定五軸聯(lián)動高速銑削加工刀軌；最后，微徑球頭刀在樣條插補加工數(shù)控代碼的指揮下沿加工刀軌運動，銑削得口腔修復體。本發(fā)明的仿真加工方法解決現(xiàn)有口腔修復體的加工精度低、加工形貌差、制作周期長、咬合機能低、飯泥容易滯留的問題，提高口腔修復體的加工速度和精度，有效降低制作成本。
文檔編號B23C3/00GK101829801SQ20101012465
公開日2010年9月15日 申請日期2010年3月8日 優(yōu)先權日2010年3月8日
發(fā)明者孫全平, 陳小崗 申請人:淮陰工學院