本發(fā)明涉及一種測(cè)試裝置，涉及一種實(shí)時(shí)提取鉆削扭矩信號(hào)的測(cè)試裝置及方法，具體的是分離軸向力和徑向力、并對(duì)扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的扭矩測(cè)試裝置及方法。

背景技術(shù)：

眾所周知，牙齒是人體的重要組成部分，缺失后無(wú)法自身修復(fù)和再生。臨床上牙列缺失的主要修復(fù)方式有可摘局部義齒、固定局部義齒和種植義齒修復(fù)。種植義齒修復(fù)集中了前兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，已成為常規(guī)的口腔修復(fù)技術(shù)，它是指通過(guò)種植手術(shù)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(shè)計(jì)固位體。傳統(tǒng)的種植義齒修復(fù)包括術(shù)前準(zhǔn)備、剝開黏骨膜瓣、預(yù)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(jié)構(gòu)制作和戴入等過(guò)程。

種植受區(qū)植入扭矩值的確認(rèn)一直以來(lái)是種植成功與否的關(guān)鍵之一，而植入扭矩值的大小又與骨硬度密切相關(guān)，骨硬度又直接反映在鉆牙槽骨時(shí)產(chǎn)生的扭矩的大小。由于口腔的特殊環(huán)境，目前對(duì)牙種植手術(shù)過(guò)程的鉆骨扭矩還沒(méi)有直接的測(cè)定方法，一般是通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)測(cè)定的。通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)測(cè)定鉆骨扭矩的方法主要有三種：一是通過(guò)功率計(jì)算扭矩；二是通過(guò)有限元仿真分析得出扭矩；三是直接在測(cè)試骨樣下面放置扭矩傳感器測(cè)得扭矩。第一種方法計(jì)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(gòu)模型，由于骨材料的特殊性，建立與實(shí)際相符的骨本構(gòu)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(guò)程中同時(shí)產(chǎn)生軸向力、徑向力和圓周力，其中圓周力使測(cè)試骨試樣產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，構(gòu)成扭矩。軸向力和徑向力通過(guò)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(hào)的準(zhǔn)確提取，使測(cè)量結(jié)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(cè)量動(dòng)態(tài)扭矩，需要安裝在機(jī)床主軸上，而在進(jìn)行種植牙手術(shù)時(shí)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(shí)應(yīng)選用小量程的專用靜態(tài)扭矩傳感器。

所以設(shè)計(jì)能分離軸向力和徑向力、并對(duì)扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的測(cè)試裝置是得到準(zhǔn)確扭矩值的首要任務(wù)，同時(shí)也是建立真實(shí)、精確有限元模型的基礎(chǔ)，為后續(xù)有限元模型的修正提供依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種實(shí)時(shí)提取鉆削扭矩信號(hào)的測(cè)試裝置及方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種實(shí)時(shí)提取鉆削扭矩信號(hào)的測(cè)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(cè)均設(shè)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(shè)有階梯孔，階梯軸穿過(guò)階梯孔。

優(yōu)選的，所述階梯軸與上板之間通過(guò)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(guò)盈配合，軸承的外圈與階梯孔也形成過(guò)盈配合；以防止軸承在軸向的移動(dòng)。

所述扭矩傳感器頂部設(shè)有一卡槽，所述階梯軸下端插入卡槽，階梯軸與卡槽過(guò)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(cè)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(shè)定間隙；不僅可以防止軸承在軸向的竄動(dòng)，還可以防止鉆削過(guò)程中的骨屑進(jìn)入軸承內(nèi)，從而增大摩擦，影響測(cè)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(cè)板上水平連接有連接桿，連接桿與U型支撐架的側(cè)板之間通過(guò)緊固件鎖緊；連接桿穿過(guò)U型支撐架的側(cè)板，延伸至U型支撐架內(nèi)部并與夾板連接；通過(guò)調(diào)節(jié)兩端連接桿的位置來(lái)控制骨塊的位置，以便能在同一試樣上加工多個(gè)孔，利于重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

優(yōu)選的，所述支撐立柱在扭矩傳感器兩側(cè)對(duì)稱布設(shè)；支撐立柱用于支撐整個(gè)裝置的上部結(jié)構(gòu)，對(duì)稱設(shè)置保證對(duì)上部結(jié)構(gòu)的支撐力均勻，避免支撐力不均對(duì)扭矩測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。

優(yōu)選的，所述支撐立柱的上端和下端均設(shè)有凸臺(tái)，支撐立柱上端的凸臺(tái)與上板的通孔相配合，支撐立柱下端的凸臺(tái)與支撐板的通孔相配合；凸臺(tái)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(cè)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(jì)算機(jī)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(shí)時(shí)提取鉆削扭矩信號(hào)的測(cè)試方法，包括以下步驟：

步驟1：制備規(guī)格相同的動(dòng)物骨塊；

步驟2：將鉆頭安裝在機(jī)床主軸上；

步驟3：將扭矩測(cè)試裝置安裝并固定于剛性工作臺(tái)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(jì)算機(jī)依次連接，通過(guò)采集儀表連接電源提供所需電壓；

步驟5：通過(guò)鉆頭的向下進(jìn)給及順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)骨塊進(jìn)行孔加工，計(jì)算機(jī)記錄扭矩傳感器相應(yīng)信號(hào)；

步驟6：對(duì)扭矩傳感器信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，最終得到不同進(jìn)給速度、不同轉(zhuǎn)速下的扭矩值。

所述步驟6中，對(duì)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(guò)階梯軸與扭矩傳感器連接，扭矩傳感器的上部有一個(gè)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(guò)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(guò)上板及支撐立柱將其傳遞到工作臺(tái)，不會(huì)傳遞給扭矩傳感器，也就不會(huì)對(duì)扭矩傳感器的測(cè)試結(jié)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(shí)產(chǎn)生的軸向力和徑向力，其幾何形狀簡(jiǎn)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(cè)量，加工成本低，又能滿足試驗(yàn)需求；

(2)圓錐滾子軸承承受鉆削時(shí)產(chǎn)生的軸向力和徑向力，并通過(guò)上板及支撐立柱將其傳遞到工作臺(tái)，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(cè)量誤差；

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

(4)采用本發(fā)明的扭矩測(cè)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(cè)試結(jié)果不受軸向力和徑向力的影響，從而提高了扭矩測(cè)量精度，為靜態(tài)扭矩測(cè)量提供一種有效途徑。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明扭矩測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為骨塊夾緊裝置的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為軸承端蓋的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為支撐立柱的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)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(cè)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(tái)、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(tái)、18.卡槽、19.通孔、20.階梯孔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，分離軸向力和徑向力的扭矩測(cè)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(gè))、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(jī)床主軸上，骨塊夾緊裝置3通過(guò)緊定螺釘12固定在階梯軸9上表面，測(cè)試骨塊2則通過(guò)調(diào)節(jié)螺母位置與螺釘懸伸長(zhǎng)度由夾緊裝置3兩側(cè)的夾板夾緊。階梯軸9與圓錐滾子軸承11之間形成過(guò)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(guò)過(guò)盈配合連接，再通過(guò)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(dòng)。

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(cè)板上水平連接有連接桿14，連接桿14與U型支撐架13的側(cè)板之間通過(guò)緊固件15鎖緊；連接桿14穿過(guò)U型支撐架13的側(cè)板，延伸至U型支撐架13內(nèi)部并與夾板16連接；通過(guò)調(diào)節(jié)兩端連接桿14的位置來(lái)控制骨塊的位置，以便能在同一試樣上加工多個(gè)孔，利于重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

圖3中，U型支撐架13的兩側(cè)板上均設(shè)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(shè)置4個(gè)沉孔，與階梯軸9通過(guò)緊定螺釘12連接。

如圖6所示，軸承端蓋4通過(guò)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(shí)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(dòng)過(guò)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(dòng)，還可以防止鉆削過(guò)程中的骨屑進(jìn)入軸承內(nèi)，從而增大摩擦，影響測(cè)量精度。

如圖7所示，支撐立柱5對(duì)稱放置，位于上板10與支撐板7之間，上板10通過(guò)緊定螺釘固定在支撐立柱5上，而支撐立柱5則通過(guò)緊定螺釘固定在支撐板7上，用于支撐整個(gè)裝置的上部結(jié)構(gòu)，在支撐立柱5的上下兩端分別有一個(gè)圓形凸臺(tái)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(cè)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(guò)法蘭連接固定在支撐板7上。當(dāng)壓板將支撐板7壓緊在剛性工作臺(tái)8上時(shí)，整個(gè)測(cè)試裝置就會(huì)固定在工作臺(tái)上。扭矩傳感器6的上部有一個(gè)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(shí)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(cè)面為平面。

如圖9-圖10所示，上板10中心處設(shè)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(guò)盈配合，以防止軸承在軸向的移動(dòng)。

上板10在階梯孔20兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置通孔19，支撐立柱5上端的凸臺(tái)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(cè)對(duì)稱設(shè)置通孔19，支撐立柱5下端的凸臺(tái)17與支撐板7的通孔19相配合。

安裝時(shí)，先將扭矩傳感器6固定在支撐板7上，再分別安裝兩側(cè)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(jī)床主軸上，將支撐板7在剛性工作臺(tái)8上安裝與固定，最后再將測(cè)試骨塊2夾緊。

使用時(shí)，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(guò)調(diào)節(jié)工作臺(tái)的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)調(diào)節(jié)夾緊裝置兩側(cè)螺釘可實(shí)現(xiàn)骨塊不同位置的鉆孔，有利于重復(fù)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)鉆頭的向下進(jìn)給及順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)骨塊進(jìn)行孔加工，計(jì)算機(jī)記錄傳感器相應(yīng)信號(hào)；骨塊在每組鉆削參數(shù)下做重復(fù)實(shí)驗(yàn)(三次及以上)，對(duì)得到的扭矩值進(jìn)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(jìn)給速度、不同轉(zhuǎn)速下的扭矩值。

扭矩傳感器為電阻應(yīng)變式靜態(tài)扭矩傳感器，與采集儀表相連，而采集儀表與計(jì)算機(jī)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(biāo)定電壓信號(hào)與傳感器所受扭矩成正比關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)扭矩測(cè)量。

分離軸向力和徑向力的扭矩測(cè)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(cè)滑塊在一定距離范圍的移動(dòng)，實(shí)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(cè)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(jìn)行階梯軸安裝的同時(shí)，注意階梯軸與扭矩傳感器的安裝)，最后通過(guò)螺釘將U型夾緊裝置固定在階梯軸上，在安裝過(guò)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(jī)床主軸上；

(6)完成支撐板在剛性工作臺(tái)的安裝與固定以及測(cè)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(jì)算機(jī)依次連接，通過(guò)采集儀表連接電源提供所需電壓；

(8)通過(guò)鉆頭的向下進(jìn)給及順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)骨塊進(jìn)行孔加工，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄傳感器相應(yīng)信號(hào)；

(9)骨塊在每組鉆削參數(shù)下做重復(fù)實(shí)驗(yàn)(三次及以上)，對(duì)得到的扭矩值進(jìn)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(jìn)給速度、不同轉(zhuǎn)速下的扭矩值。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。