五軸義齒數(shù)字化雕銑機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

林麗君 李儉 袁德鋒 鄭開彬 劉帥

摘要：針對義齒加工高效、精確的功能需求，設(shè)計了一種滿足醫(yī)學(xué)口腔修復(fù)領(lǐng)域?qū)Ｓ玫奈遢S義齒數(shù)字化雕銑機。采用功能分析方法，對義齒加工特點進(jìn)行研究，明確義齒雕銑機需具備的功能，對雕銑機的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。為了滿足多維度、高精度的義齒加工需求，設(shè)計了相應(yīng)的進(jìn)給結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)精度測試結(jié)果表明，該雕銑機達(dá)到了高效、精確加工義齒的功能要求。

關(guān)鍵詞：義齒;五軸雕銑機;數(shù)控機床;高速切削

0 引言

目前口腔修復(fù)用義齒的傳統(tǒng)制造一般采用手工、鑄造等加工方法，這些方法加工效率低下、工藝過程煩瑣、周期長、精度低，無法滿足義齒的高效加工需求和患者的個性化需求[1-2]。隨著口腔修復(fù)CAD/CAM系統(tǒng)的引入，高速數(shù)控加工成了義齒制作的發(fā)展方向，數(shù)控加工具有精度高、周期短、直接成形、人工參與程度低等特點，在義齒修復(fù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。CAD/CAM方法制作義齒的材料主要有鈦合金、氧化鋯等高硬度加工材料。人的牙齒表面由溝、尖、窩等典型特征形態(tài)構(gòu)成，采用一般數(shù)控技術(shù)加工類似人牙齒表面的薄壁件存在一些問題[3-4]。而運用高性能的高速加工機床，選用適合高速加工用的刀具，對義齒進(jìn)行快速加工，其優(yōu)勢十分明顯。在個性化數(shù)字建模的基礎(chǔ)上，快速制作復(fù)雜牙齒的修復(fù)體，研發(fā)面向口腔修復(fù)專用的小型精密齒科修復(fù)數(shù)字化醫(yī)療設(shè)備的需求日益凸顯。

本文基于義齒加工這一獨特應(yīng)用需求的分析，對義齒加工機床的傳動系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，研發(fā)出了一款滿足加工需求且結(jié)構(gòu)新穎的五軸聯(lián)動義齒雕銑機，其主軸最高轉(zhuǎn)速為60 000 r/min，定位精度可達(dá)6 μm。

1 義齒雕銑機功能分析

本文所研究的義齒雕銑機主要用于加工醫(yī)用的可切削陶瓷材料，加工出的陶瓷修復(fù)體經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后可以直接給患者佩戴。因為所需加工的修復(fù)體形狀復(fù)雜，且上下兩面均需加工，所以本設(shè)計從義齒加工這一應(yīng)用功能需求出發(fā)，研發(fā)了一種3個移動軸（X軸、Y軸、Z軸）和2個旋轉(zhuǎn)軸（A軸為夾具的旋轉(zhuǎn)軸，B軸為料盤的擺動軸）聯(lián)動的五軸義齒雕銑機，能自動、連續(xù)地加工出形狀特異的義齒，如圖1所示。五軸義齒雕銑機功能需求模型如圖2所示。

2 五軸義齒雕銑機結(jié)構(gòu)設(shè)計

五軸義齒雕銑機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足非移動部件剛性好以及移動部件在保證其具有良好剛性的前提下，盡可能輕巧、靈活性好的要求。其總體結(jié)構(gòu)布局如圖3所示。

機架采用了龍門架式銑床結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了較寬的立柱和橫梁，以增強雕銑機的穩(wěn)定性。為確保較大的驅(qū)動力矩和制動力矩，盡量加寬X、Y、Z三向的兩根直線滾動導(dǎo)軌之間的跨距，從整體布局上保證了機床的剛性。為有效提高床身的結(jié)構(gòu)強度和剛性，雕銑機床身底座采用具有良好的穩(wěn)定性、吸振性和耐沖擊性的孕育鑄鐵鑄造而成，內(nèi)部筋板使用米子筋配合的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，確保對Y軸工作臺和立柱的剛性支撐，保證機床動態(tài)加工時其穩(wěn)定性處于最佳狀態(tài)。

在五軸義齒雕銑機上設(shè)置空壓機、冷卻液箱，空壓機通過真空發(fā)生器、電動調(diào)壓閥后與萬向冷卻液管相連，真空發(fā)生器的低壓介質(zhì)進(jìn)口通過電動開關(guān)閥與冷卻液箱相連，這樣能夠通過控制器控制，根據(jù)所加工的義齒材料，選擇相應(yīng)的冷卻方式，并配合旋轉(zhuǎn)刀庫，一臺設(shè)備能適用于所有常用的義齒加工材料;在加工過程中，五軸義齒雕銑機能夠?qū)Φ毒哌M(jìn)行充分冷卻，確保加工精度，延長刀具使用壽命，并降低刀具打磨、維護(hù)的頻次。因此，本文所設(shè)計的五軸義齒雕銑機具有適用范圍廣、加工精度高、維護(hù)成本低的特點。

3 五軸義齒雕銑機電主軸傳動系統(tǒng)設(shè)計

對于義齒加工而言，其尺寸較小，導(dǎo)致加工時采用的刀具尺寸也受到相應(yīng)制約。為了提高義齒加工效率，同時減少刀具磨損，要求主軸具有很高的轉(zhuǎn)速和切削精度。雕銑機結(jié)構(gòu)高度集成化，采用電主軸作為裝備的切削執(zhí)行部件[5]。

電主軸選型計算如下：

（1）極限切削力：通過前期大量針對義齒材料的銑削實驗，極限切削力Fz<50 N。

（2）所需主軸切削扭矩：

（3）所需主軸切削功率：

式中：v為切削線速度（m/s），主軸轉(zhuǎn)速為20 000 r/min時的線速度值為2.1×10-3 m/s。

結(jié)合上述要求，所選電主軸實物如圖4所示，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

4 五軸義齒雕銑機進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計

瓷塊加工過程中，對主軸的速度及刀具的進(jìn)給量大小要求非常高，并且因為牙科雕銑加工義齒形狀不規(guī)則，需要從不同角度對瓷塊進(jìn)行加工，對雕銑機上主軸的傳動和位移的精度要求也非常高。現(xiàn)有的傳動、位移系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝置笨重，占用空間較大。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)造成設(shè)備安裝不方便，傳動過程中的精度和平穩(wěn)性也受到限制。基于多維度運動、易拆裝、運行精度高等特點，所設(shè)計的雕銑機進(jìn)給結(jié)構(gòu)如圖5所示。該結(jié)構(gòu)能方便地將料盤及料盤蓋整體取下，再安裝瓷塊，且加工主軸能夠多方位、高精度地對瓷塊進(jìn)行加工。

雕銑機系統(tǒng)各直線運動軸均采用精密滾珠絲桿，導(dǎo)軌采用精密交叉滾柱支撐，剛性好，動作靈敏，不易引起振動，適用于空間尺寸小、承受顛覆力矩的場合，該導(dǎo)軌直線度為±1 μm/25 mm。

5 五軸義齒雕銑機精度測試

雕銑機采用5軸聯(lián)動工作，主軸電機功率4 kW，主軸最大轉(zhuǎn)速能達(dá)到60 000 r/min。X軸、Y軸、Z軸最大運行速度均能達(dá)到15 m/min，最高定位精度為6 μm，內(nèi)置刀具12把，能進(jìn)行義齒加工，對于氧化鋯等義齒材料可進(jìn)行高速切削，樣機如圖6所示。為檢驗機床定位精度，采用英國產(chǎn)RenishawXL-80激光干涉儀進(jìn)行測量。選取一臺BM-520W型義齒雕銑機測量其X軸定位精度，讓其在正常工作速度下運行磨合0.5 h，安裝一臺RenishawXL-80激光干涉儀，將溫度補償系統(tǒng)的溫度傳感器調(diào)整到合適位置，通過調(diào)整激光頭位置，確保反射光光強符合監(jiān)測要求，激光干涉儀歸零后進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，測量方法為等間距（間距值為40 mm）測量法，誤差補償為增量型補償。激光干涉儀測試精度現(xiàn)場如圖7所示。

利用RenishawXL-80激光干涉儀測試其定位精度，補償前定位精度數(shù)據(jù)是30.420 μm，如圖8所示。補償后定位精度數(shù)據(jù)為5.102 μm，如圖9所示，滿足精度設(shè)計要求。

6 結(jié)語

本文針對義齒溝、尖、窩等典型形態(tài)的特殊加工需求，研制出了一種五軸義齒數(shù)字化雕銑機，其龍門架式的銑床結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證了設(shè)備工作時的高穩(wěn)定性;進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保雕銑機可多維度、高精度加工義齒。系統(tǒng)精度測試結(jié)果表明，該五軸義齒雕銑機具有定位精度高和剛性好的特點，驗證了所研制的五軸義齒雕銑機滿足高效、精確加工義齒的設(shè)計需求。

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收稿日期：2020-07-03

作者簡介：林麗君（1985—），女，四川成都人，工學(xué)博士，講師，研究方向：數(shù)字化設(shè)計與仿真、智能控制技術(shù)研究。