多自由度顱骨外科手術(shù)磨削實驗平臺的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種多自由度顱骨外科手術(shù)磨削實驗平臺，可精確測量磨削溫度及磨削力，以給臨床實踐提供指導(dǎo)。它包括：三自由度平臺，工件置于其上，并由磨削力測量裝置在另外三個自由度上固定；磨削力測量裝置將采集的磨削力信息送入數(shù)據(jù)采集裝置；磨削溫度測量裝置與工件連接，將采集的溫度信息送入另一數(shù)據(jù)采集裝置；磨削系統(tǒng)包括電主軸和與電主軸連接的磨頭，電主軸外殼與角度調(diào)整裝置連接，以調(diào)整磨削角度，同時角度調(diào)整裝置也安裝在三自由度平臺上；微量潤滑系統(tǒng)將壓縮空氣和生理鹽水冷卻后混合，以噴霧的形式通過噴嘴對磨頭與工件的磨削區(qū)域提供潤滑；三自由度平臺、各信息采集裝置、數(shù)據(jù)分析裝置、微量潤滑系統(tǒng)以及電主軸均由控制裝置控制。
【專利說明】多自由度顱骨外科手術(shù)磨削實驗平臺

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種顱骨外科手術(shù)磨削加工領(lǐng)域的實驗裝置及其磨削溫度和磨削力測量裝置，具體的為一種多自由度顱骨外科手術(shù)磨削實驗平臺。

【背景技術(shù)】
[0002]磨骨是神經(jīng)和骨科手術(shù)的一個必不可少的程序，臨床上常用高速微型砂輪去除骨病理。神經(jīng)外科醫(yī)生通常使用內(nèi)窺鏡擴大鼻內(nèi)的方法，通過鼻孔作為通道來治療顱底病變的病人。然而，高速磨削產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致骨壞死和周圍組織的熱損傷，對組織的凝血功能也有一定的影響，臨床上常用生理鹽水做冷卻液減少熱量的產(chǎn)生。磨削熱損傷得到臨床上公認的關(guān)注，因為在磨削過程中不能確定溫度從而不能控制熱損傷的程度。Kondo等人指出，在澆注式生理鹽水冷卻方式下，熱損傷的最高臨界溫度是43°C，高于43°C時，視神經(jīng)就會受到損傷，嚴重時會導(dǎo)致失明。涉及到骨磨削，面部癱瘓和股骨頭壞死也是骨科手術(shù)中普遍存在的一個問題。因此，在磨骨手術(shù)中，對溫度的控制直接關(guān)系到手術(shù)的成敗。
[0003]磨削力也是磨削過程中重要的磨削參數(shù)，磨頭磨削顱骨時就會產(chǎn)生磨削力。磨削力過小時，不能有效將病理骨去除，因而達不到理想的手術(shù)效果；磨削力過大時，又會對周圍組織造成不必要的傷害和導(dǎo)致磨削溫度過高。因此，磨削力同樣是決定手術(shù)成功與否的關(guān)鍵因素。目前外科顱骨磨削的器械為手持式磨削裝置，手術(shù)時須憑借醫(yī)師個人豐富的臨床經(jīng)驗與手部感覺來判斷磨削力及磨削溫度，若是經(jīng)由缺乏豐富經(jīng)驗的醫(yī)師執(zhí)行時，稍有不慎有可能在外科顱骨磨削時磨削力超過周圍組織的臨界承受力和臨界磨削溫度而傷及頭骨下方的腦膜及神經(jīng)組織。
[0004]經(jīng)檢索，已有專利號為ZL201310277636.6的醫(yī)用外科手術(shù)六自由度自動調(diào)節(jié)機械臂磨削夾持裝置，該裝置公開了一種控制精確度高，可有效避免對腦組織的機械損傷的技術(shù)。該機械臂磨削夾持裝置具有3個旋轉(zhuǎn)、3個移動共計6個自由度，可實現(xiàn)任意位姿的顱骨外科手術(shù)操作，解決了傳統(tǒng)的手持式手術(shù)裝置工作空間大、手術(shù)操作難度高、手術(shù)效率低、會給患者帶來不必要的附加損傷的問題。該裝置主要借助先進的手術(shù)器械來操作，用六自由度自動調(diào)節(jié)機械臂以及安裝在機械臂前端的夾持裝置，在治療效果、減輕痛苦、恢復(fù)周期、醫(yī)療成本等方面具有明顯優(yōu)勢。但是該裝置沒有磨削溫度和磨削力的檢測裝置，從而不能控制磨削過程中溫度和力的變化，而磨削溫度和磨削力又是決定手術(shù)成功與否的關(guān)鍵因素，因此，該裝置尚有值得改進之處。
[0005]專利號為ZL201310030327.9的外科手術(shù)顱骨磨削溫度在線檢測及可控手持式磨削裝置，公開了一種通過監(jiān)測骨磨削的聲發(fā)射信號來調(diào)整砂輪轉(zhuǎn)速，降低磨削骨過程中的磨削溫度，從而有效避免對腦組織的熱損傷的技術(shù)。它包括殼體，殼體前端安裝砂輪，砂輪通過傳動裝置與直流電機連接，在砂輪與殼體連接處設(shè)有聲發(fā)射傳感器，它通過導(dǎo)線與殼體內(nèi)設(shè)置的信號分析處理模塊連接，信號分析處理模塊分別與反饋裝置和顯示及報警裝置連接，直流電機通過反饋裝置經(jīng)控制開關(guān)與直流電源連接；信號分析處理模接收聲發(fā)射傳感器檢測的骨磨削時的聲發(fā)射信號，判斷是否出現(xiàn)過熱情況，通過反饋裝置控制直流電機的轉(zhuǎn)速。但是該裝置沒有磨削力的檢測裝置，同樣值得改進。
[0006]但已公開的專利都沒有解決輸入?yún)?shù)，比如磨頭轉(zhuǎn)速、進給量、冷卻方式在實際外科臨床手術(shù)中對磨削力和磨削溫度的影響，不能很好的預(yù)測輸入?yún)?shù)和磨削結(jié)果的數(shù)學(xué)關(guān)系，不能對臨床實踐具有實際的指導(dǎo)意義。
實用新型內(nèi)容
[0007]本實用新型的目的就是解決在顱骨磨削過程中顱骨溫度和所受磨削力的不可知問題，通過搭建多自由度顱骨外科手術(shù)磨削實驗平臺，精確測量磨削溫度及磨削力，以給臨床實踐提供指導(dǎo)。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案:
[0009]一種多自由度顱骨外科手術(shù)磨削實驗平臺，它包括:
[0010]三自由度平臺，工件置于三自由度平臺上，并由磨削力測量裝置在另外三個自由度上固定；
[0011]磨削力測量裝置將采集的磨削力信息送入信息采集裝置；
[0012]磨削溫度測量裝置也與工件連接，將采集的溫度信息送入另一信息采集裝置；
[0013]磨削系統(tǒng)包括電主軸和與電主軸連接的磨頭，電主軸的外殼與角度調(diào)整裝置連接，以調(diào)整磨削角度，同時角度調(diào)整裝置也安裝在三自由度平臺上，并在Y、Z方向運動；
[0014]微量潤滑系統(tǒng)將壓縮空氣和生理鹽水冷卻后混合，以噴霧的形式通過噴嘴對磨頭與工件的磨削區(qū)域提供潤滑；
[0015]三自由度平臺、各信息采集裝置、數(shù)據(jù)分析裝置、微量潤滑系統(tǒng)以及電主軸均由控制裝置控制。
[0016]所述三自由度平臺包括三自由度平臺底座，在三自由度平臺底座兩側(cè)分別安裝三自由度平臺支座，在兩個三自由度支座的同側(cè)端分別安裝立桿導(dǎo)軌；
[0017]在三自由度平臺底座安裝有X向運動裝置，工作盤安裝在X向運動裝置上并在X方向運動；工作盤上安裝有可充放磁的工作臺，工件置于工作臺上；
[0018]在三自由度平臺兩立桿導(dǎo)軌上安裝有Y向運動裝置；
[0019]在Y向運動裝置上還安裝有Z向運動裝置。
[0020]所述X向運動裝置包括一對X軸導(dǎo)桿，兩X軸導(dǎo)桿的兩端分別固定在三自由度平臺底座上；兩X軸導(dǎo)桿之間還布置有X軸絲杠，X軸絲杠一端與深溝球軸承連接，深溝球軸承安裝在三自由度平臺底座上，X軸絲杠另一端與減速器III連接，減速器III與電機III連接；工作盤套裝在兩X軸導(dǎo)桿及X軸絲杠上，通過X軸絲杠完成X向運動；
[0021]Y向運動裝置包括一對Y軸導(dǎo)桿，兩Y軸導(dǎo)桿按照上下布置的方式分別安裝在立桿導(dǎo)軌上；兩Y軸導(dǎo)桿之間還布置Y軸絲杠，Y軸絲杠一端與軸承連接，軸承安裝在立桿導(dǎo)軌上，另一端與減速器II連接，減速器II與電機II連接；Y軸盒子套裝在兩Y軸導(dǎo)桿及Y軸絲杠上,并由Y軸絲杠驅(qū)動完成Y向運動；
[0022]Z向運動裝置包括一對Z軸導(dǎo)桿，Z軸導(dǎo)桿安裝在Y軸盒子內(nèi)，在兩Z軸導(dǎo)桿之間布置Z軸絲杠，Z軸絲杠一端與軸承連接，軸承與Y軸盒子連接，另一端與減速器I連接，減速器I與電機I連接，Z軸法蘭套裝在兩Z軸導(dǎo)桿及Z軸絲杠上，由Z軸絲杠驅(qū)動完成Z向運動；角度調(diào)整裝置與Z軸法蘭連接；
[0023]所述各電機均由控制裝置控制運行。
[0024]所述電主軸包括電主軸外殼，在電主軸外殼前端設(shè)有前端蓋，后端設(shè)有后端蓋；主軸安裝在電主軸外殼內(nèi)，并有部分露出電主軸外殼；在電主軸外殼前端和后端均設(shè)有一組角接觸軸承I,主軸由這兩組角接觸軸承I支撐；
[0025]在電主軸外殼中部設(shè)有定子繞組，在主軸中部與定子繞組對應(yīng)的位置設(shè)有轉(zhuǎn)子繞組；
[0026]電主軸外殼上還設(shè)有電源接口，電源線穿過電源接口與定子繞組連接；
[0027]主軸露出電主軸外殼的部分通過聯(lián)軸器與磨頭連接。
[0028]所述前端蓋與電主軸外殼間，以及后端蓋與電主軸外殼間分別設(shè)有墊片II ;主軸與前端蓋間設(shè)有密封圈。
[0029]所述微量潤滑系統(tǒng)包括生理鹽水容器，生理鹽水容器中的生理鹽水經(jīng)調(diào)速閥、流量調(diào)節(jié)器流入冷卻室，壓縮空氣直接進入冷卻室，二者在冷卻室內(nèi)冷卻后分別經(jīng)軟管1、軟管II進入混合室，在混合室內(nèi)混合后，二者的混合物從軟管III流出，經(jīng)噴嘴供給磨削系統(tǒng)的磨頭。
[0030]所述角度調(diào)整裝置包括固定座，固定座設(shè)有凸臺，凸臺與蝸輪連接，同時凸臺穿過蝸輪后與角接觸球軸承II過盈配合；蝸輪與蝸桿連接，蝸桿一端設(shè)有轉(zhuǎn)盤，通過蝸桿轉(zhuǎn)動帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，進而帶動固定座轉(zhuǎn)動；電主軸外殼通過卡座與固定座連接，卡座與電主軸外殼間設(shè)有橡膠圈。
[0031]所述磨削力測量裝置包括兩個底座,用以固定磨削測力儀,兩底座為可導(dǎo)磁性金屬；磨削測力儀中部設(shè)有環(huán)形塊，工件置于環(huán)形塊內(nèi)，工件在X方向由至少一個螺栓定位；在Y方向利用擋塊和另外的至少一個螺栓進行定位；在Z方向采用至少一個壓緊組件進行定位；磨削測力儀的測量信號經(jīng)放大器放大后傳給信息采集儀I，最后傳到數(shù)據(jù)分析儀I并顯示磨削力的大小。
[0032]所述磨削溫度測量裝置為三根熱電偶，其工作端分別位于距工件上表面以下0.5mm、1mm、1.5mm處；測量信號經(jīng)信息采集儀II傳到數(shù)據(jù)分析儀II，并由數(shù)據(jù)分析儀II顯示熱電偶工作端即工件的溫度。
[0033]所述壓緊組件有三個，它們結(jié)構(gòu)相同，其中兩個在工件的一側(cè)，另一個則在工件的另一側(cè)；每個壓緊組件均包括一個壓板，螺栓穿過壓板與一個平板連接，平板安裝在環(huán)形塊上，螺栓與壓板間設(shè)有墊片。
[0034]本實用新型的實驗平臺，包括微量潤滑系統(tǒng)、三自由度平臺、電主軸旋轉(zhuǎn)裝置、電主軸、磨削力測量裝置和磨削溫度測量裝置。三自由度平臺由三自由度平臺底座、三自由度平臺支座、立桿導(dǎo)軌、保護盒、工作盤、端面法蘭及X、Y、Z、三軸的減速器、電機、絲杠和導(dǎo)桿構(gòu)成。三自由度平臺的工作原理為:電機III (X軸)的輸出軸經(jīng)減速器III (X軸)減速后帶動X軸絲杠轉(zhuǎn)動，X軸絲杠將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，帶動工作盤在X軸方向運動，X軸導(dǎo)桿可以防止工作盤的偏移，同理可得Y軸盒子在Y軸方向的運動、Z軸法蘭在Z軸方向的運動，從而實現(xiàn)三自由度平臺在三個自由度的控制。
[0035]在微量潤滑系統(tǒng)中，生理鹽水經(jīng)調(diào)速閥、流量調(diào)節(jié)器流入冷卻室，壓縮空氣直接進入冷卻室，二者在冷卻室內(nèi)冷卻后分別經(jīng)軟管1、軟管II進入混合室，在混合室內(nèi)混合后，二者的混合物從軟管III流出，經(jīng)噴嘴供給磨削系統(tǒng)，在磨削運動中主要起潤滑和冷卻的作用。
[0036]電主軸的工作原理為:電源接口接通三相電源時，在電源線的傳導(dǎo)作用下，電動機定子繞組通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子繞組中有電流通過并受磁場的作用而旋轉(zhuǎn)，由于主軸與轉(zhuǎn)子繞組是一體的，從而主軸也會旋轉(zhuǎn)。與傳統(tǒng)的機床主軸相比，電主軸的主軸由內(nèi)裝式電機直接驅(qū)動，省去了電機與主軸之間的變速裝置，具有較好的穩(wěn)定性和動態(tài)性能，使電主軸更容易實現(xiàn)聞速化，可以更好的滿足聞速、聞效、聞精加工的要求。
[0037]電主軸除了在X、Y、Z三個自由度上可以精確控制外，還可以繞固定點旋轉(zhuǎn)，以使磨削達到最佳的磨削角度。本實驗平臺采用手動方式對電主軸的旋轉(zhuǎn)固定進行控制，結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，成本也較低。蝸桿一端加工有轉(zhuǎn)盤，當用手轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤時，蝸桿便會轉(zhuǎn)動，從而帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，蝸輪與固定座通過鍵II連接，從而固定座也會轉(zhuǎn)動，由于電主軸是固定在固定座上的，因此電主軸便會發(fā)生一定角度的旋轉(zhuǎn)，由此便可實現(xiàn)電主軸任意角度的旋轉(zhuǎn)。
[0038]本實驗平臺采用磨削測力儀對磨削力進行測量。前后兩底座的材料屬性為可導(dǎo)磁性金屬，可使其與磨削測力儀吸附在三自由度平臺的工作臺上。工件的六個自由度通過環(huán)形塊和磨削測力儀的工作臺便可實現(xiàn)完全定位，工件的X軸方向使用兩個螺栓珊進行夾緊，在工件的Y方向，使用螺栓V對工件進行夾緊，工件在Z方向上采用三個壓板夾緊，三個壓板借助平板1、平板I1、墊片I和螺栓II1、螺母I構(gòu)成自調(diào)節(jié)壓板，當工件長寬高三個尺寸發(fā)生變化時，可通過兩個螺栓V、兩個螺栓珊、和三個壓板實現(xiàn)裝備可調(diào)，滿足工件的尺寸變化要求。工件受到磨削力時，側(cè)量信號經(jīng)放大器放大后傳給信息采集儀I，最后傳到數(shù)據(jù)分析儀I并顯示磨削力的大小。
[0039]本實驗平臺用三根階梯狀分布的熱電偶實現(xiàn)用同一裝置得到兩組測量結(jié)果。三根熱電偶的工作端分別位于距工件上表面以下0.5mm、1mm、1.5mm處。當磨頭按一定方向第一次磨削時，首先磨破的熱電偶的工作端為第一測量端，距離第一測量端較近的熱電偶的工作端為第二測量端；磨頭按原來方向第二次磨削時，原來的第二測量端被磨破，成為第一測量端，第三根熱電偶的工作端成為第二測量端。因此，用同一裝置，用磨頭兩次磨削便可得到兩組測量數(shù)據(jù)，既節(jié)省了時間，又避免了因每次安裝差異而引起的誤差。測量信號經(jīng)信息采集儀II傳到數(shù)據(jù)分析儀II，并由數(shù)據(jù)分析儀II顯示熱電偶工作端的溫度。
[0040]本實用新型的有益效果是:所建實驗平臺包括六部分:第一部分是微量潤滑系統(tǒng)，把壓縮空氣和生理鹽水冷卻后混合，以噴霧的形式供給給磨削系統(tǒng)，在磨削運動中起預(yù)冷、冷卻和潤滑的作用；第二部分是三自由度平臺，精確實現(xiàn)磨頭X、Y、Z三個方向的移動；第三部分是電主軸旋轉(zhuǎn)裝置，利用蝸桿副實現(xiàn)電主軸在任意角度的固定；第四部分是電主軸，利用電磁場原理使磨頭高速旋轉(zhuǎn)；第五部分是磨削力測量裝置，對磨骨過程中顱骨所受磨削力進行精確測量；第六部分是磨削溫度測量裝置，用三根階梯狀分布的熱電偶實現(xiàn)用同一裝置得到兩組測量結(jié)果，即簡化了實驗，節(jié)省了時間，又避免了因多次裝配實驗儀器而引起的實驗誤差。磨削溫度和磨削力是顱骨外科手術(shù)的關(guān)鍵因素，但鼻腔內(nèi)狹隘的空間使得醫(yī)生很難檢測并控制磨削溫度和磨削力。在本裝置中，既能用三根階梯狀分布的熱電偶對磨削溫度進行精確地測量，又能利用磨削測力儀對磨削力進行測量，通過分析實驗數(shù)據(jù)給臨床實踐提供指導(dǎo)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]圖1四自由度顱骨外科手術(shù)磨削實驗平臺正二測視圖；
[0042]圖2三自由度平臺正二測視圖；
[0043]圖3三自由度平臺X、Y、Z三軸裝配正二測視圖；
[0044]圖4三自由度平臺之X軸正二測視圖；
[0045]圖5三自由度平臺之Y軸正二測視圖；
[0046]圖6三自由度平臺之Z軸正二測視圖；
[0047]圖7三自由度平臺之工作盤正視圖；
[0048]圖8電主軸剖視圖；
[0049]圖9聯(lián)軸器裝配圖之爆炸圖；
[0050]圖10電主軸裝夾圖之俯視圖；
[0051]圖11微量潤滑系統(tǒng)正二測視圖；
[0052]圖12微量潤滑系統(tǒng)之冷卻室內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；
[0053]圖13蝸桿副正二測視圖；
[0054]圖14固定座與Z軸法蘭裝配圖之爆炸圖；
[0055]圖15固定座與Z軸法蘭裝配圖之剖視圖；
[0056]圖16磨削測力儀安裝與工件定位和夾緊裝備示意圖；
[0057]圖17工件的定位示意圖；
[0058]圖18磨削測力儀正二測視圖；
[0059]圖19測溫裝置正二測視圖；
[0060]圖20工件剖視圖。
[0061]其中，1-生理鹽水容器，2-調(diào)速閥，3-流量調(diào)節(jié)器，4-螺栓I，5-卡座，6-固定座，7-螺栓II，8-電主軸外殼，9-冷卻室，10-軟管I，11-軟管II，12-軟管III，13-混合室，14-工作盤，15-三自由度平臺支座，16-拐角連接件I，17-緊固螺釘I，18-三自由度平臺底座，19-端面法蘭,20-緊固螺釘II, 21-工作臺，22-緊固螺釘III，23-緊固螺釘IV，24-深溝球軸承，25-軸承座，26-X軸絲杠，27-壓板，28-螺栓III，29-螺母I，30-平板I，31-X軸導(dǎo)桿，32-放大器，33-信息采集儀I，34_數(shù)據(jù)分析儀I，35-數(shù)據(jù)分析儀II，36-信息采集儀II，37-熱電偶，38-螺栓IV，39-螺栓V，40-底座，41-螺栓VI，42-拐角連接件II，43-緊固螺釘V，44-磨削測力儀，45-環(huán)形塊，46-平板II，47-擋塊，48-螺栓VL 49-螺栓VDI，50-噴嘴，51-墊片I，52-工件，53-磨頭，54-緊固螺釘VI，55-Y軸絲杠，56-保護盒，57-螺母II，58-螺栓IX，59-聯(lián)軸器，60-Y軸導(dǎo)桿，61-Y軸盒子，62-蝸桿，63-減速器I，64_電機I，65-Z軸法蘭，66-蝸輪，67-Z軸絲杠，68-Z軸導(dǎo)桿，69-立桿導(dǎo)軌，70-減速器II，71-電機II，72-減速器III，73-電機III，74-主軸，75-鍵I ’76-前端蓋，77-墊片II，78-密封圈，79-角接觸球軸承I，80-定子繞組，81-轉(zhuǎn)子繞組，82-電源接口，83-電源線，84-后端蓋，85-緊固螺釘VL 86-螺母III，87-螺母IV，88-橡膠圈，89-鍵II，90-角接觸球軸承II。

【具體實施方式】
[0062]下面結(jié)合附圖對本實用新型做進一步說明。
[0063]如圖1所示，四自由度顱骨外科手術(shù)磨削實驗平臺主要由微量潤滑系統(tǒng)、三自由度平臺、電主軸旋轉(zhuǎn)裝置、電主軸、磨削力測量裝置和磨削溫度測量裝置構(gòu)成；三自由度平臺由三自由度平臺底座18、三自由度平臺支座15、立桿導(dǎo)軌69、保護盒56、工作盤14、端面法蘭19及X、Y、Z、三軸的減速器、電機、絲杠和導(dǎo)桿構(gòu)成。
[0064]如圖2所示，三自由度平臺底座18和三自由度平臺支座15、立桿導(dǎo)軌69和三自由度平臺支座15依次用拐角連接件I 16、拐角連接件II 42連接，用緊固螺釘I 17、緊固螺釘
V43固定。X軸導(dǎo)桿31和三自由度平臺底座18用端面法蘭19連接，用緊固螺釘II 20固定(圖3)。由于X、Y、Z三軸的絲杠是轉(zhuǎn)動的，因此三軸的絲杠兩端都有深溝球軸承24，三個軸承的軸承座分別固定在三自由度平臺底座18、立桿導(dǎo)軌69、Y軸盒子61上，軸承座25用緊固螺釘IV 23固定在三自由度平臺底座18上。保護盒56可以防止灰塵和鐵屑對三自由度平臺的損壞，從而延長其壽命，同時給三自由度平臺帶來美感，保護盒56用緊固螺釘
VI54固定在立桿導(dǎo)軌69上。電機III 73 (X軸)的輸出軸經(jīng)減速器III 72 (X軸)減速后帶動X軸絲杠26轉(zhuǎn)動，絲杠將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，帶動工作盤14在X軸方向運動，X軸導(dǎo)桿31可以防止工作盤14的偏移。如圖7所示，X軸導(dǎo)桿31和X軸絲杠26分別在工作盤14左右兩邊和中間的孔里。71是Y軸電機11，70是Y軸減速器11，64是Z軸電機I，63是Z軸減速器I，55、60分別是Y軸絲杠、Y軸導(dǎo)桿，67、68分別是Z軸絲杠、Z軸導(dǎo)桿，同理得Y軸盒子61在Y軸方向的運動、Z軸法蘭65在Z軸方向的運動.，從而實現(xiàn)三自由度平臺在三個自由度的控制，這就是三自由度平臺的工作原理。
[0065]圖4、圖5、圖6分別是三自由度平臺的X、Y、Z軸的正二測視圖。開啟三自由度平臺的工作臺21后，工作臺21充磁可使磨削測力儀44的底座40吸附在上面。工作臺21用緊固螺釘III 22固定在工作盤14上。工作盤14的側(cè)視圖如圖7所示。
[0066]圖8為電主軸剖視圖。主軸74用軸肩定位，角接觸球軸承I 79成對使用以提高承載能力。定子繞組80與電主軸外殼8是一體的，電源接口 82接通三相電源時，在電源線83的傳導(dǎo)作用下電動機定子繞組80通電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子繞組81中有電流通過并受磁場的作用而旋轉(zhuǎn)，由于主軸74與轉(zhuǎn)子繞組81是一體的，從而主軸74也會旋轉(zhuǎn)。這就是電主軸的工作原理。主軸74用鍵I 75與聯(lián)軸器59連接。
[0067]如圖9所示，主軸74通過聯(lián)軸器59與磨頭53連接，帶動磨頭53轉(zhuǎn)動以完成磨削運動。兩聯(lián)軸器59用螺栓IX 58、螺母II 57連接并固定。前端蓋76和后端蓋84主要起對軸承軸向定位、防塵和密封的作用，用緊固螺釘VII 85固定在電主軸外殼8上。密封圈78主要防止?jié)櫥屯庑?，同時還能防止外界灰塵進入電主軸中，此外密封圈還可以減少摩擦。主軸74在轉(zhuǎn)動過程中生熱膨脹，通過墊片II 77來調(diào)整主軸74的熱伸長。
[0068]如圖10所示，電主軸用前后兩個卡座5與固定座6連接，用螺栓II 7、螺母III86夾緊，卡座5用螺栓I 4和螺母IV 87固定在固定座6上?？ㄗ?和電主軸之間有橡膠圈88，可以避免電主軸在轉(zhuǎn)動過程中因受力而竄動。
[0069]在微量潤滑系統(tǒng)(圖11)中，生理鹽水容器I中的生理鹽水經(jīng)調(diào)速閥2、流量調(diào)節(jié)器3流入冷卻室9，壓縮空氣直接進入冷卻室9，二者在冷卻室9內(nèi)冷卻后分別經(jīng)軟管I 10、軟管II 11進入混合室13，在混合室13內(nèi)混合后，二者的混合物從軟管III 12流出，經(jīng)噴嘴50供給磨削系統(tǒng)，在磨削運動中主要起潤滑和冷卻的作用。調(diào)速閥2用來調(diào)節(jié)生理鹽水的流速，流量調(diào)節(jié)器3可以調(diào)節(jié)生理鹽水的流量并防止生理鹽水的凍結(jié)。
[0070]冷卻室9內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖12所示，在冰塊中加了鹽，以維持低溫環(huán)境。在混合室13中，由于壓縮空氣的作用，使生理鹽水沿著管道內(nèi)壁波浪形地向前移動，并逐漸形成一層薄薄的連續(xù)薄膜，最后以一股極其精細的連續(xù)霧滴流噴射到潤滑點。
[0071]圖13是蝸桿副正二測視圖，蝸桿一端加工有轉(zhuǎn)盤，當用手轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤時，蝸桿62便會轉(zhuǎn)動，從而帶動蝸輪66轉(zhuǎn)動。
[0072]如圖14所示，蝸輪66與固定座6通過鍵II 89連接，從而帶動固定座6的轉(zhuǎn)動，由于電主軸是固定在固定座6上的，因此電主軸便會發(fā)生一定角度的旋轉(zhuǎn)。
[0073]在圖15中，因為電主軸不只受軸向力，還受徑向力的作用，因此應(yīng)選用角接觸球軸承以提高承載力，電主軸重量較輕，蝸桿62也會承受一部分徑向力。Z軸法蘭65與角接觸球軸承II 90、角接觸球軸承II 90與固定座6均為過盈配合，Z軸法蘭65加工有軸肩，固定座6也加工有凸臺，兩者給軸承定位。Z軸法蘭65只能沿X、Y、Z三個方向直線移動，是不能旋轉(zhuǎn)的，固定座6繞Z軸法蘭65轉(zhuǎn)動，由此便可實現(xiàn)電主軸任意角度的旋轉(zhuǎn)。該裝置采用手動，轉(zhuǎn)速很小，傳遞的功率不大，因此采用阿基米德圓柱蝸桿。對于蝸桿副，當當量摩擦角α大于導(dǎo)程角Y時，蝸桿62便有自鎖能力且蝸桿只能帶動蝸輪，而不能由蝸輪帶動蝸桿。所用蝸桿62頭數(shù)為1，當導(dǎo)程角Y Z 3° 30'且選用摩擦系數(shù)f較大的蝸桿副材料時，當量摩擦系數(shù)(a =arctan(f))便會遠遠大于導(dǎo)程角，大大提高蝸桿副的自鎖能力，使蝸桿自鎖能力可靠。
[0074]圖16所示為磨削力測量裝置。前后兩個底座40固定磨削測力儀44并用螺栓VI41和螺栓IV 38夾緊，兩底座40的材料屬性為可導(dǎo)磁性金屬，開啟三自由度平臺的工作臺21后，工作臺21充磁可使磨削測力儀44的底座40吸附在上面。環(huán)形塊45固定在磨削測力儀44的工作臺上，將工件52放在磨削測力儀44的工作臺上，工件52的六個自由度通過環(huán)形塊45和磨削測力儀44的工作臺便可實現(xiàn)完全定位，如圖17所示為工件的定位示意圖。工件52的X軸方向使用兩個螺栓珊49進行夾緊，在工件的Y方向，使用螺栓V 39對工件52進行夾緊。擋塊47 —面與工件52側(cè)面接觸，一面與兩個螺栓珊49接觸，擰緊螺栓珊49使擋塊47在工件52的X方向上夾緊。工件52在Z方向上采用三個壓板27夾緊，三個壓板27借助平板I 30、平板II 46、墊片I 51和螺栓III 28、螺母I 29構(gòu)成自調(diào)節(jié)壓板，當工件52長寬高三個尺寸發(fā)生變化時，可通過兩個螺栓V 39、兩個螺栓珊49、和三個壓板27實現(xiàn)裝備可調(diào)，滿足工件52的尺寸變化要求。擋塊47用螺栓VII 48和螺栓VDI 49進行夾緊。
[0075]圖18所示為磨削測力儀。工件52受到磨削力時，測量信號經(jīng)放大器32放大后傳給信息采集儀I 33，最后傳到數(shù)據(jù)分析儀I 34并顯示磨削力的大小。
[0076]圖19為測溫裝置圖，測量信號經(jīng)信息采集儀II 36傳到數(shù)據(jù)分析儀II 35，并由數(shù)據(jù)分析儀II 35顯示熱電偶37工作端即工件52的溫度。如圖20所示，工件52底部有槽，以使三根熱電偶37通出。三根熱電偶37分別標記為TCl、TC2、TC3，其工作端分別位于距工件52上表面以下0.5mm、1mm、1.5mm處,靠近TCl的工件52表面標記為a面，靠近TC3的一面標記為b面。當磨頭53按箭頭方向(a —b)第一次磨削時，TCl首先磨破，為第一測量端，TC2為第二測量端；磨頭53按箭頭方向第二次磨削時，TC2磨破，為第一測量端，TC3為第二測量端。因此，用同一裝置，用磨頭53兩次磨削便可得到兩組測量數(shù)據(jù)，既節(jié)省了時間，又避免了因每次安裝差異而引起的誤差。。
[0077]本實用新型的工作過程如下:
[0078]結(jié)合圖1至圖20可知，首先用聯(lián)軸器59將電主軸和磨頭53連接，再用兩個卡座5和螺栓I 4、螺母IV 87將電主軸安裝固定在固定座6上，放入橡膠圈88后再用螺栓II 7、螺母III 86將卡座5擰緊。然后用鍵II 89將蝸輪66和固定座6連接，將角接觸球軸承II 90的內(nèi)圈套在Z軸法蘭65上，二者為過盈配合，最后把固定座6套在角接觸球軸承II 90的外圈上，二者也是過盈配合。
[0079]將三根熱電偶37的工作端分別插入工件52底部打好的三個盲孔里，用環(huán)形塊45和磨削測力儀44的工作臺對工件52定位(a面靠近放大器32)，再用螺栓VDI 49、螺栓V 39和壓板27對工件52夾緊后，將磨削力測量裝置放在三自由度平臺的適當位置，并連接好信息采集儀I 33、數(shù)據(jù)分析儀I 34、放大器32、信息采集儀II 36、數(shù)據(jù)分析儀II 35?？刂迫杂啥绕脚_，使磨頭53工作端距離工件52表面以下0.5mm并多出a面適當距離，旋轉(zhuǎn)蝸桿62的轉(zhuǎn)盤，使電主軸位于適當角度(臨床上多為30° )。將微量潤滑系統(tǒng)的噴嘴50適當折彎使其靠近磨頭53。
[0080]接下來進行磨削溫度及磨削力的測量實驗。待實驗完成后，三自由度平臺工作臺21消磁，磨削測力儀44的兩底座40及整個裝備即可卸下。
【權(quán)利要求】
1.一種多自由度顱骨外科手術(shù)磨削實驗平臺，其特征是，它包括: 三自由度平臺，工件置于三自由度平臺上，并由磨削力測量裝置在另外三個自由度上固定； 磨削力測量裝置將采集的磨削力信息送入數(shù)據(jù)采集裝置； 磨削溫度測量裝置也與工件連接，將采集的溫度信息送入另一數(shù)據(jù)采集裝置； 磨削系統(tǒng)包括電主軸和與電主軸連接的磨頭，電主軸的外殼與角度調(diào)整裝置連接，以調(diào)整磨削角度，同時角度調(diào)整裝置也安裝在三自由度平臺上，并在Y、Z方向運動； 微量潤滑系統(tǒng)將壓縮空氣和生理鹽水冷卻后混合，以噴霧的形式通過噴嘴對磨頭與工件的磨削區(qū)域提供潤滑； 三自由度平臺、各信息采集裝置、數(shù)據(jù)分析裝置、微量潤滑系統(tǒng)以及電主軸均由控制裝置控制。
2.如權(quán)利要求1所述的多自由度顱骨外科手術(shù)磨削實驗平臺，其特征是，所述三自由度平臺包括三自由度平臺底座，在三自由度平臺底座兩側(cè)分別安裝三自由度平臺支座，在兩個三自由度支座的同側(cè)端分別安裝立桿導(dǎo)軌； 在三自由度平臺底座安裝有X向運動裝置，工作盤安裝在X向運動裝置上并在X方向運動；工作盤上安裝有可充放磁的工作臺，工件置于工作臺上； 在三自由度平臺兩立桿導(dǎo)軌上安裝有Y向運動裝置； 在Y向運動裝置上還安裝有Z向運動裝置。
3.如權(quán)利要求2所述的多自由度顱骨外科手術(shù)磨削實驗平臺，其特征是，所述X向運動裝置包括一對X軸導(dǎo)桿，兩X軸導(dǎo)桿的兩端分別固定在三自由度平臺底座上；兩X軸導(dǎo)桿之間還布置有X軸絲杠，X軸絲杠一端與深溝球軸承連接，深溝球軸承安裝在三自由度平臺底座上，X軸絲杠另一端與減速器III連接，減速器III與電機III連接；工作盤套裝在兩X軸導(dǎo)桿及X軸絲杠上，通過X軸絲杠完成X向運動； Y向運動裝置包括一對Y軸導(dǎo)桿，兩Y軸導(dǎo)桿按照上下布置的方式分別安裝在立桿導(dǎo)軌上；兩Y軸導(dǎo)桿之間還布置Y軸絲杠，Y軸絲杠一端與軸承連接，軸承安裝在立桿導(dǎo)軌上，另一端與減速器II連接，減速器II與電機II連接；Y軸盒子套裝在兩Y軸導(dǎo)桿及Y軸絲杠上，并由Y軸絲杠驅(qū)動完成Y向運動； Z向運動裝置包括一對Z軸導(dǎo)桿，Z軸導(dǎo)桿安裝在Y軸盒子內(nèi)，在兩Z軸導(dǎo)桿之間布置Z軸絲杠，Z軸絲杠一端與軸承連接，軸承與Y軸盒子連接，另一端與減速器I連接，減速器I與電機I連接，Z軸法蘭套裝在兩Z軸導(dǎo)桿及Z軸絲杠上，由Z軸絲杠驅(qū)動完成Z向運動；角度調(diào)整裝置與Z軸法蘭連接； 所述各電機均由控制裝置控制運行。
4.如權(quán)利要求1所述的多自由度顱骨外科手術(shù)磨削實驗平臺，其特征是，所述電主軸包括電主軸外殼，在電主軸外殼前端設(shè)有前端蓋，后端設(shè)有后端蓋；主軸安裝在電主軸外殼內(nèi)，并有部分露出電主軸外殼；在電主軸外殼前端和后端均設(shè)有一組角接觸軸承I，主軸由這兩組角接觸軸承I支撐； 在電主軸外殼中部設(shè)有定子繞組，在主軸中部與定子繞組對應(yīng)的位置設(shè)有轉(zhuǎn)子繞組； 電主軸外殼上還設(shè)有電源接口，電源線穿過電源接口與定子繞組連接； 主軸露出電主軸外殼的部分通過聯(lián)軸器與磨頭連接。
5.如權(quán)利要求4所述的多自由度顱骨外科手術(shù)磨削實驗平臺，其特征是，所述前端蓋與電主軸外殼間，以及后端蓋與電主軸外殼間分別設(shè)有墊片II ;主軸與前端蓋間設(shè)有密封圈。
6.如權(quán)利要求1所述的多自由度顱骨外科手術(shù)磨削實驗平臺，其特征是，所述微量潤滑系統(tǒng)包括生理鹽水容器，生理鹽水容器中的生理鹽水經(jīng)調(diào)速閥、流量調(diào)節(jié)器流入冷卻室，壓縮空氣直接進入冷卻室，二者在冷卻室內(nèi)冷卻后分別經(jīng)軟管1、軟管II進入混合室，在混合室內(nèi)混合后，二者的混合物從軟管III流出，經(jīng)噴嘴供給磨削系統(tǒng)的磨頭。
7.如權(quán)利要求1或3所述的多自由度顱骨外科手術(shù)磨削實驗平臺，其特征是，所述角度調(diào)整裝置包括固定座，固定座設(shè)有凸臺，凸臺與蝸輪連接，同時凸臺穿過蝸輪后與角接觸球軸承II過盈配合；蝸輪與蝸桿連接，蝸桿一端設(shè)有轉(zhuǎn)盤，通過蝸桿轉(zhuǎn)動帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，進而帶動固定座轉(zhuǎn)動；電主軸外殼通過卡座與固定座連接，卡座與電主軸外殼間設(shè)有橡膠圈。
8.如權(quán)利要求1所述的多自由度顱骨外科手術(shù)磨削實驗平臺，其特征是，所述磨削力測量裝置包括兩個底座，用以固定磨削測力儀，兩底座為可導(dǎo)磁性金屬；磨削測力儀中部設(shè)有環(huán)形塊，工件置于環(huán)形塊內(nèi)，工件在X方向由至少一個螺栓定位；在Y方向利用擋塊和另外的至少一個螺栓進行定位；在Z方向采用至少一個壓緊組件進行定位；磨削測力儀的測量信號經(jīng)放大器放大后傳給信息采集儀I，最后傳到數(shù)據(jù)分析儀I并顯示磨削力的大小。
9.如權(quán)利要求1所述的多自由度顱骨外科手術(shù)磨削實驗平臺，其特征是，所述磨削溫度測量裝置為三根熱電偶，其工作端分別位于距工件上表面以下0.5mm、1mm、1.5mm處；測量信號經(jīng)信息采集儀II傳到數(shù)據(jù)分析儀II，并由數(shù)據(jù)分析儀II顯示熱電偶工作端即工件的溫度。
10.如權(quán)利要求8所述的多自由度顱骨外科手術(shù)磨削實驗平臺，其特征是，所述壓緊組件有三個，它們結(jié)構(gòu)相同，其中兩個在工件的一側(cè)，另一個則在工件的另一側(cè)；每個壓緊組件均包括一個壓板，螺栓穿過壓板與一個平板連接，平板安裝在環(huán)形塊上，螺栓與壓板間設(shè)有墊片。
【文檔編號】A61B19/00GK204092202SQ201420565334
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】楊敏, 李長河, 張彥彬, 李本凱, 王要剛 申請人:青島理工大學(xué)