多自由度颅骨外科手术磨削实验平台的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种多自由度颅骨外科手术磨削实验平台，可精确测量磨削温度及磨削力，以给临床实践提供指导。它包括：三自由度平台，工件置于其上，并由磨削力测量装置在另外三个自由度上固定；磨削力测量装置将采集的磨削力信息送入数据采集装置；磨削温度测量装置与工件连接，将采集的温度信息送入另一数据采集装置；磨削系统包括电主轴和与电主轴连接的磨头，电主轴外壳与角度调整装置连接，以调整磨削角度，同时角度调整装置也安装在三自由度平台上；微量润滑系统将压缩空气和生理盐水冷却后混合，以喷雾的形式通过喷嘴对磨头与工件的磨削区域提供润滑；三自由度平台、各信息采集装置、数据分析装置、微量润滑系统以及电主轴均由控制装置控制。
【专利说明】多自由度颅骨外科手术磨削实验平台
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种颅骨外科手术磨削加工领域的实验装置及其磨削温度和磨削力测量装置，具体的为一种多自由度颅骨外科手术磨削实验平台。
【背景技术】
[0002]磨骨是神经和骨科手术的一个必不可少的程序，临床上常用高速微型砂轮去除骨病理。神经外科医生通常使用内窥镜扩大鼻内的方法，通过鼻孔作为通道来治疗颅底病变的病人。然而，高速磨削产生大量的热，导致骨坏死和周围组织的热损伤，对组织的凝血功能也有一定的影响，临床上常用生理盐水做冷却液减少热量的产生。磨削热损伤得到临床上公认的关注，因为在磨削过程中不能确定温度从而不能控制热损伤的程度。Kondo等人指出，在浇注式生理盐水冷却方式下，热损伤的最高临界温度是43°C，高于43°C时，视神经就会受到损伤，严重时会导致失明。涉及到骨磨削，面部瘫痪和股骨头坏死也是骨科手术中普遍存在的一个问题。因此，在磨骨手术中，对温度的控制直接关系到手术的成败。
[0003]磨削力也是磨削过程中重要的磨削参数，磨头磨削颅骨时就会产生磨削力。磨削力过小时，不能有效将病理骨去除，因而达不到理想的手术效果；磨削力过大时，又会对周围组织造成不必要的伤害和导致磨削温度过高。因此，磨削力同样是决定手术成功与否的关键因素。目前外科颅骨磨削的器械为手持式磨削装置，手术时须凭借医师个人丰富的临床经验与手部感觉来判断磨削力及磨削温度，若是经由缺乏丰富经验的医师执行时，稍有不慎有可能在外科颅骨磨削时磨削力超过周围组织的临界承受力和临界磨削温度而伤及头骨下方的脑膜及神经组织。
[0004]经检索，已有专利号为ZL201310277636.6的医用外科手术六自由度自动调节机械臂磨削夹持装置，该装置公开了一种控制精确度高，可有效避免对脑组织的机械损伤的技术。该机械臂磨削夹持装置具有3个旋转、3个移动共计6个自由度，可实现任意位姿的颅骨外科手术操作，解决了传统的手持式手术装置工作空间大、手术操作难度高、手术效率低、会给患者带来不必要的附加损伤的问题。该装置主要借助先进的手术器械来操作，用六自由度自动调节机械臂以及安装在机械臂前端的夹持装置，在治疗效果、减轻痛苦、恢复周期、医疗成本等方面具有明显优势。但是该装置没有磨削温度和磨削力的检测装置，从而不能控制磨削过程中温度和力的变化，而磨削温度和磨削力又是决定手术成功与否的关键因素，因此，该装置尚有值得改进之处。
[0005]专利号为ZL201310030327.9的外科手术颅骨磨削温度在线检测及可控手持式磨削装置，公开了一种通过监测骨磨削的声发射信号来调整砂轮转速，降低磨削骨过程中的磨削温度，从而有效避免对脑组织的热损伤的技术。它包括壳体，壳体前端安装砂轮，砂轮通过传动装置与直流电机连接，在砂轮与壳体连接处设有声发射传感器，它通过导线与壳体内设置的信号分析处理模块连接，信号分析处理模块分别与反馈装置和显示及报警装置连接，直流电机通过反馈装置经控制开关与直流电源连接；信号分析处理模接收声发射传感器检测的骨磨削时的声发射信号，判断是否出现过热情况，通过反馈装置控制直流电机的转速。但是该装置没有磨削力的检测装置，同样值得改进。
[0006]但已公开的专利都没有解决输入参数，比如磨头转速、进给量、冷却方式在实际外科临床手术中对磨削力和磨削温度的影响，不能很好的预测输入参数和磨削结果的数学关系，不能对临床实践具有实际的指导意义。
实用新型内容
[0007]本实用新型的目的就是解决在颅骨磨削过程中颅骨温度和所受磨削力的不可知问题，通过搭建多自由度颅骨外科手术磨削实验平台，精确测量磨削温度及磨削力，以给临床实践提供指导。
[0008]为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:
[0009]一种多自由度颅骨外科手术磨削实验平台，它包括:
[0010]三自由度平台，工件置于三自由度平台上，并由磨削力测量装置在另外三个自由度上固定；
[0011]磨削力测量装置将采集的磨削力信息送入信息采集装置；
[0012]磨削温度测量装置也与工件连接，将采集的温度信息送入另一信息采集装置；
[0013]磨削系统包括电主轴和与电主轴连接的磨头，电主轴的外壳与角度调整装置连接，以调整磨削角度，同时角度调整装置也安装在三自由度平台上，并在Y、Z方向运动；
[0014]微量润滑系统将压缩空气和生理盐水冷却后混合，以喷雾的形式通过喷嘴对磨头与工件的磨削区域提供润滑；
[0015]三自由度平台、各信息采集装置、数据分析装置、微量润滑系统以及电主轴均由控制装置控制。
[0016]所述三自由度平台包括三自由度平台底座，在三自由度平台底座两侧分别安装三自由度平台支座，在两个三自由度支座的同侧端分别安装立杆导轨；
[0017]在三自由度平台底座安装有X向运动装置，工作盘安装在X向运动装置上并在X方向运动；工作盘上安装有可充放磁的工作台，工件置于工作台上；
[0018]在三自由度平台两立杆导轨上安装有Y向运动装置；
[0019]在Y向运动装置上还安装有Z向运动装置。
[0020]所述X向运动装置包括一对X轴导杆，两X轴导杆的两端分别固定在三自由度平台底座上；两X轴导杆之间还布置有X轴丝杠，X轴丝杠一端与深沟球轴承连接，深沟球轴承安装在三自由度平台底座上，X轴丝杠另一端与减速器III连接，减速器III与电机III连接；工作盘套装在两X轴导杆及X轴丝杠上，通过X轴丝杠完成X向运动；
[0021]Y向运动装置包括一对Y轴导杆，两Y轴导杆按照上下布置的方式分别安装在立杆导轨上；两Y轴导杆之间还布置Y轴丝杠，Y轴丝杠一端与轴承连接，轴承安装在立杆导轨上，另一端与减速器II连接，减速器II与电机II连接；Y轴盒子套装在两Y轴导杆及Y轴丝杠上,并由Y轴丝杠驱动完成Y向运动；
[0022]Z向运动装置包括一对Z轴导杆，Z轴导杆安装在Y轴盒子内，在两Z轴导杆之间布置Z轴丝杠，Z轴丝杠一端与轴承连接，轴承与Y轴盒子连接，另一端与减速器I连接，减速器I与电机I连接，Z轴法兰套装在两Z轴导杆及Z轴丝杠上，由Z轴丝杠驱动完成Z向运动；角度调整装置与Z轴法兰连接；
[0023]所述各电机均由控制装置控制运行。
[0024]所述电主轴包括电主轴外壳，在电主轴外壳前端设有前端盖，后端设有后端盖；主轴安装在电主轴外壳内，并有部分露出电主轴外壳；在电主轴外壳前端和后端均设有一组角接触轴承I,主轴由这两组角接触轴承I支撑；
[0025]在电主轴外壳中部设有定子绕组，在主轴中部与定子绕组对应的位置设有转子绕组；
[0026]电主轴外壳上还设有电源接口，电源线穿过电源接口与定子绕组连接；
[0027]主轴露出电主轴外壳的部分通过联轴器与磨头连接。
[0028]所述前端盖与电主轴外壳间，以及后端盖与电主轴外壳间分别设有垫片II ;主轴与前端盖间设有密封圈。
[0029]所述微量润滑系统包括生理盐水容器，生理盐水容器中的生理盐水经调速阀、流量调节器流入冷却室，压缩空气直接进入冷却室，二者在冷却室内冷却后分别经软管1、软管II进入混合室，在混合室内混合后，二者的混合物从软管III流出，经喷嘴供给磨削系统的磨头。
[0030]所述角度调整装置包括固定座，固定座设有凸台，凸台与蜗轮连接，同时凸台穿过蜗轮后与角接触球轴承II过盈配合；蜗轮与蜗杆连接，蜗杆一端设有转盘，通过蜗杆转动带动蜗轮转动，进而带动固定座转动；电主轴外壳通过卡座与固定座连接，卡座与电主轴外壳间设有橡胶圈。
[0031]所述磨削力测量装置包括两个底座,用以固定磨削测力仪,两底座为可导磁性金属；磨削测力仪中部设有环形块，工件置于环形块内，工件在X方向由至少一个螺栓定位；在Y方向利用挡块和另外的至少一个螺栓进行定位；在Z方向采用至少一个压紧组件进行定位；磨削测力仪的测量信号经放大器放大后传给信息采集仪I，最后传到数据分析仪I并显示磨削力的大小。
[0032]所述磨削温度测量装置为三根热电偶，其工作端分别位于距工件上表面以下0.5mm、1mm、1.5mm处；测量信号经信息采集仪II传到数据分析仪II，并由数据分析仪II显示热电偶工作端即工件的温度。
[0033]所述压紧组件有三个，它们结构相同，其中两个在工件的一侧，另一个则在工件的另一侧；每个压紧组件均包括一个压板，螺栓穿过压板与一个平板连接，平板安装在环形块上，螺栓与压板间设有垫片。
[0034]本实用新型的实验平台，包括微量润滑系统、三自由度平台、电主轴旋转装置、电主轴、磨削力测量装置和磨削温度测量装置。三自由度平台由三自由度平台底座、三自由度平台支座、立杆导轨、保护盒、工作盘、端面法兰及X、Y、Z、三轴的减速器、电机、丝杠和导杆构成。三自由度平台的工作原理为:电机III (X轴)的输出轴经减速器III (X轴)减速后带动X轴丝杠转动，X轴丝杠将旋转运动转化为直线运动，带动工作盘在X轴方向运动，X轴导杆可以防止工作盘的偏移，同理可得Y轴盒子在Y轴方向的运动、Z轴法兰在Z轴方向的运动，从而实现三自由度平台在三个自由度的控制。
[0035]在微量润滑系统中，生理盐水经调速阀、流量调节器流入冷却室，压缩空气直接进入冷却室，二者在冷却室内冷却后分别经软管1、软管II进入混合室，在混合室内混合后，二者的混合物从软管III流出，经喷嘴供给磨削系统，在磨削运动中主要起润滑和冷却的作用。
[0036]电主轴的工作原理为:电源接口接通三相电源时，在电源线的传导作用下，电动机定子绕组通电产生旋转磁场，转子绕组中有电流通过并受磁场的作用而旋转，由于主轴与转子绕组是一体的，从而主轴也会旋转。与传统的机床主轴相比，电主轴的主轴由内装式电机直接驱动，省去了电机与主轴之间的变速装置，具有较好的稳定性和动态性能，使电主轴更容易实现闻速化，可以更好的满足闻速、闻效、闻精加工的要求。
[0037]电主轴除了在X、Y、Z三个自由度上可以精确控制外，还可以绕固定点旋转，以使磨削达到最佳的磨削角度。本实验平台采用手动方式对电主轴的旋转固定进行控制，结构简单，易于操作，成本也较低。蜗杆一端加工有转盘，当用手转动转盘时，蜗杆便会转动，从而带动蜗轮转动，蜗轮与固定座通过键II连接，从而固定座也会转动，由于电主轴是固定在固定座上的，因此电主轴便会发生一定角度的旋转，由此便可实现电主轴任意角度的旋转。
[0038]本实验平台采用磨削测力仪对磨削力进行测量。前后两底座的材料属性为可导磁性金属，可使其与磨削测力仪吸附在三自由度平台的工作台上。工件的六个自由度通过环形块和磨削测力仪的工作台便可实现完全定位，工件的X轴方向使用两个螺栓珊进行夹紧，在工件的Y方向，使用螺栓V对工件进行夹紧，工件在Z方向上采用三个压板夹紧，三个压板借助平板1、平板I1、垫片I和螺栓II1、螺母I构成自调节压板，当工件长宽高三个尺寸发生变化时，可通过两个螺栓V、两个螺栓珊、和三个压板实现装备可调，满足工件的尺寸变化要求。工件受到磨削力时，侧量信号经放大器放大后传给信息采集仪I，最后传到数据分析仪I并显示磨削力的大小。
[0039]本实验平台用三根阶梯状分布的热电偶实现用同一装置得到两组测量结果。三根热电偶的工作端分别位于距工件上表面以下0.5mm、1mm、1.5mm处。当磨头按一定方向第一次磨削时，首先磨破的热电偶的工作端为第一测量端，距离第一测量端较近的热电偶的工作端为第二测量端；磨头按原来方向第二次磨削时，原来的第二测量端被磨破，成为第一测量端，第三根热电偶的工作端成为第二测量端。因此，用同一装置，用磨头两次磨削便可得到两组测量数据，既节省了时间，又避免了因每次安装差异而引起的误差。测量信号经信息采集仪II传到数据分析仪II，并由数据分析仪II显示热电偶工作端的温度。
[0040]本实用新型的有益效果是:所建实验平台包括六部分:第一部分是微量润滑系统，把压缩空气和生理盐水冷却后混合，以喷雾的形式供给给磨削系统，在磨削运动中起预冷、冷却和润滑的作用；第二部分是三自由度平台，精确实现磨头X、Y、Z三个方向的移动；第三部分是电主轴旋转装置，利用蜗杆副实现电主轴在任意角度的固定；第四部分是电主轴，利用电磁场原理使磨头高速旋转；第五部分是磨削力测量装置，对磨骨过程中颅骨所受磨削力进行精确测量；第六部分是磨削温度测量装置，用三根阶梯状分布的热电偶实现用同一装置得到两组测量结果，即简化了实验，节省了时间，又避免了因多次装配实验仪器而引起的实验误差。磨削温度和磨削力是颅骨外科手术的关键因素，但鼻腔内狭隘的空间使得医生很难检测并控制磨削温度和磨削力。在本装置中，既能用三根阶梯状分布的热电偶对磨削温度进行精确地测量，又能利用磨削测力仪对磨削力进行测量，通过分析实验数据给临床实践提供指导。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]图1四自由度颅骨外科手术磨削实验平台正二测视图；
[0042]图2三自由度平台正二测视图；
[0043]图3三自由度平台X、Y、Z三轴装配正二测视图；
[0044]图4三自由度平台之X轴正二测视图；
[0045]图5三自由度平台之Y轴正二测视图；
[0046]图6三自由度平台之Z轴正二测视图；
[0047]图7三自由度平台之工作盘正视图；
[0048]图8电主轴剖视图；
[0049]图9联轴器装配图之爆炸图；
[0050]图10电主轴装夹图之俯视图；
[0051]图11微量润滑系统正二测视图；
[0052]图12微量润滑系统之冷却室内部结构图；
[0053]图13蜗杆副正二测视图；
[0054]图14固定座与Z轴法兰装配图之爆炸图；
[0055]图15固定座与Z轴法兰装配图之剖视图；
[0056]图16磨削测力仪安装与工件定位和夹紧装备示意图；
[0057]图17工件的定位示意图；
[0058]图18磨削测力仪正二测视图；
[0059]图19测温装置正二测视图；
[0060]图20工件剖视图。
[0061]其中，1-生理盐水容器，2-调速阀，3-流量调节器，4-螺栓I，5-卡座，6-固定座，7-螺栓II，8-电主轴外壳，9-冷却室，10-软管I，11-软管II，12-软管III，13-混合室，14-工作盘，15-三自由度平台支座，16-拐角连接件I，17-紧固螺钉I，18-三自由度平台底座，19-端面法兰,20-紧固螺钉II, 21-工作台，22-紧固螺钉III，23-紧固螺钉IV，24-深沟球轴承，25-轴承座，26-X轴丝杠，27-压板，28-螺栓III，29-螺母I，30-平板I，31-X轴导杆，32-放大器，33-信息采集仪I，34_数据分析仪I，35-数据分析仪II，36-信息采集仪II，37-热电偶，38-螺栓IV，39-螺栓V，40-底座，41-螺栓VI，42-拐角连接件II，43-紧固螺钉V，44-磨削测力仪，45-环形块，46-平板II，47-挡块，48-螺栓VL 49-螺栓VDI，50-喷嘴，51-垫片I，52-工件，53-磨头，54-紧固螺钉VI，55-Y轴丝杠，56-保护盒，57-螺母II，58-螺栓IX，59-联轴器，60-Y轴导杆，61-Y轴盒子，62-蜗杆，63-减速器I，64_电机I，65-Z轴法兰，66-蜗轮，67-Z轴丝杠，68-Z轴导杆，69-立杆导轨，70-减速器II，71-电机II，72-减速器III，73-电机III，74-主轴，75-键I ’76-前端盖，77-垫片II，78-密封圈，79-角接触球轴承I，80-定子绕组，81-转子绕组，82-电源接口，83-电源线，84-后端盖，85-紧固螺钉VL 86-螺母III，87-螺母IV，88-橡胶圈，89-键II，90-角接触球轴承II。
【具体实施方式】
[0062]下面结合附图对本实用新型做进一步说明。
[0063]如图1所示，四自由度颅骨外科手术磨削实验平台主要由微量润滑系统、三自由度平台、电主轴旋转装置、电主轴、磨削力测量装置和磨削温度测量装置构成；三自由度平台由三自由度平台底座18、三自由度平台支座15、立杆导轨69、保护盒56、工作盘14、端面法兰19及X、Y、Z、三轴的减速器、电机、丝杠和导杆构成。
[0064]如图2所示，三自由度平台底座18和三自由度平台支座15、立杆导轨69和三自由度平台支座15依次用拐角连接件I 16、拐角连接件II 42连接，用紧固螺钉I 17、紧固螺钉
V43固定。X轴导杆31和三自由度平台底座18用端面法兰19连接，用紧固螺钉II 20固定(图3)。由于X、Y、Z三轴的丝杠是转动的，因此三轴的丝杠两端都有深沟球轴承24，三个轴承的轴承座分别固定在三自由度平台底座18、立杆导轨69、Y轴盒子61上，轴承座25用紧固螺钉IV 23固定在三自由度平台底座18上。保护盒56可以防止灰尘和铁屑对三自由度平台的损坏，从而延长其寿命，同时给三自由度平台带来美感，保护盒56用紧固螺钉
VI54固定在立杆导轨69上。电机III 73 (X轴)的输出轴经减速器III 72 (X轴)减速后带动X轴丝杠26转动，丝杠将旋转运动转化为直线运动，带动工作盘14在X轴方向运动，X轴导杆31可以防止工作盘14的偏移。如图7所示，X轴导杆31和X轴丝杠26分别在工作盘14左右两边和中间的孔里。71是Y轴电机11，70是Y轴减速器11，64是Z轴电机I，63是Z轴减速器I，55、60分别是Y轴丝杠、Y轴导杆，67、68分别是Z轴丝杠、Z轴导杆，同理得Y轴盒子61在Y轴方向的运动、Z轴法兰65在Z轴方向的运动.，从而实现三自由度平台在三个自由度的控制，这就是三自由度平台的工作原理。
[0065]图4、图5、图6分别是三自由度平台的X、Y、Z轴的正二测视图。开启三自由度平台的工作台21后，工作台21充磁可使磨削测力仪44的底座40吸附在上面。工作台21用紧固螺钉III 22固定在工作盘14上。工作盘14的侧视图如图7所示。
[0066]图8为电主轴剖视图。主轴74用轴肩定位，角接触球轴承I 79成对使用以提高承载能力。定子绕组80与电主轴外壳8是一体的，电源接口 82接通三相电源时，在电源线83的传导作用下电动机定子绕组80通电产生旋转磁场，转子绕组81中有电流通过并受磁场的作用而旋转，由于主轴74与转子绕组81是一体的，从而主轴74也会旋转。这就是电主轴的工作原理。主轴74用键I 75与联轴器59连接。
[0067]如图9所示，主轴74通过联轴器59与磨头53连接，带动磨头53转动以完成磨削运动。两联轴器59用螺栓IX 58、螺母II 57连接并固定。前端盖76和后端盖84主要起对轴承轴向定位、防尘和密封的作用，用紧固螺钉VII 85固定在电主轴外壳8上。密封圈78主要防止润滑油外泄，同时还能防止外界灰尘进入电主轴中，此外密封圈还可以减少摩擦。主轴74在转动过程中生热膨胀，通过垫片II 77来调整主轴74的热伸长。
[0068]如图10所示，电主轴用前后两个卡座5与固定座6连接，用螺栓II 7、螺母III86夹紧，卡座5用螺栓I 4和螺母IV 87固定在固定座6上。卡座5和电主轴之间有橡胶圈88，可以避免电主轴在转动过程中因受力而窜动。
[0069]在微量润滑系统(图11)中，生理盐水容器I中的生理盐水经调速阀2、流量调节器3流入冷却室9，压缩空气直接进入冷却室9，二者在冷却室9内冷却后分别经软管I 10、软管II 11进入混合室13，在混合室13内混合后，二者的混合物从软管III 12流出，经喷嘴50供给磨削系统，在磨削运动中主要起润滑和冷却的作用。调速阀2用来调节生理盐水的流速，流量调节器3可以调节生理盐水的流量并防止生理盐水的冻结。
[0070]冷却室9内部结构如图12所示，在冰块中加了盐，以维持低温环境。在混合室13中，由于压缩空气的作用，使生理盐水沿着管道内壁波浪形地向前移动，并逐渐形成一层薄薄的连续薄膜，最后以一股极其精细的连续雾滴流喷射到润滑点。
[0071]图13是蜗杆副正二测视图，蜗杆一端加工有转盘，当用手转动转盘时，蜗杆62便会转动，从而带动蜗轮66转动。
[0072]如图14所示，蜗轮66与固定座6通过键II 89连接，从而带动固定座6的转动，由于电主轴是固定在固定座6上的，因此电主轴便会发生一定角度的旋转。
[0073]在图15中，因为电主轴不只受轴向力，还受径向力的作用，因此应选用角接触球轴承以提高承载力，电主轴重量较轻，蜗杆62也会承受一部分径向力。Z轴法兰65与角接触球轴承II 90、角接触球轴承II 90与固定座6均为过盈配合，Z轴法兰65加工有轴肩，固定座6也加工有凸台，两者给轴承定位。Z轴法兰65只能沿X、Y、Z三个方向直线移动，是不能旋转的，固定座6绕Z轴法兰65转动，由此便可实现电主轴任意角度的旋转。该装置采用手动，转速很小，传递的功率不大，因此采用阿基米德圆柱蜗杆。对于蜗杆副，当当量摩擦角α大于导程角Y时，蜗杆62便有自锁能力且蜗杆只能带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。所用蜗杆62头数为1，当导程角Y Z 3° 30'且选用摩擦系数f较大的蜗杆副材料时，当量摩擦系数(a =arctan(f))便会远远大于导程角，大大提高蜗杆副的自锁能力，使蜗杆自锁能力可靠。
[0074]图16所示为磨削力测量装置。前后两个底座40固定磨削测力仪44并用螺栓VI41和螺栓IV 38夹紧，两底座40的材料属性为可导磁性金属，开启三自由度平台的工作台21后，工作台21充磁可使磨削测力仪44的底座40吸附在上面。环形块45固定在磨削测力仪44的工作台上，将工件52放在磨削测力仪44的工作台上，工件52的六个自由度通过环形块45和磨削测力仪44的工作台便可实现完全定位，如图17所示为工件的定位示意图。工件52的X轴方向使用两个螺栓珊49进行夹紧，在工件的Y方向，使用螺栓V 39对工件52进行夹紧。挡块47 —面与工件52侧面接触，一面与两个螺栓珊49接触，拧紧螺栓珊49使挡块47在工件52的X方向上夹紧。工件52在Z方向上采用三个压板27夹紧，三个压板27借助平板I 30、平板II 46、垫片I 51和螺栓III 28、螺母I 29构成自调节压板，当工件52长宽高三个尺寸发生变化时，可通过两个螺栓V 39、两个螺栓珊49、和三个压板27实现装备可调，满足工件52的尺寸变化要求。挡块47用螺栓VII 48和螺栓VDI 49进行夹紧。
[0075]图18所示为磨削测力仪。工件52受到磨削力时，测量信号经放大器32放大后传给信息采集仪I 33，最后传到数据分析仪I 34并显示磨削力的大小。
[0076]图19为测温装置图，测量信号经信息采集仪II 36传到数据分析仪II 35，并由数据分析仪II 35显示热电偶37工作端即工件52的温度。如图20所示，工件52底部有槽，以使三根热电偶37通出。三根热电偶37分别标记为TCl、TC2、TC3，其工作端分别位于距工件52上表面以下0.5mm、1mm、1.5mm处,靠近TCl的工件52表面标记为a面，靠近TC3的一面标记为b面。当磨头53按箭头方向(a —b)第一次磨削时，TCl首先磨破，为第一测量端，TC2为第二测量端；磨头53按箭头方向第二次磨削时，TC2磨破，为第一测量端，TC3为第二测量端。因此，用同一装置，用磨头53两次磨削便可得到两组测量数据，既节省了时间，又避免了因每次安装差异而引起的误差。。
[0077]本实用新型的工作过程如下:
[0078]结合图1至图20可知，首先用联轴器59将电主轴和磨头53连接，再用两个卡座5和螺栓I 4、螺母IV 87将电主轴安装固定在固定座6上，放入橡胶圈88后再用螺栓II 7、螺母III 86将卡座5拧紧。然后用键II 89将蜗轮66和固定座6连接，将角接触球轴承II 90的内圈套在Z轴法兰65上，二者为过盈配合，最后把固定座6套在角接触球轴承II 90的外圈上，二者也是过盈配合。
[0079]将三根热电偶37的工作端分别插入工件52底部打好的三个盲孔里，用环形块45和磨削测力仪44的工作台对工件52定位(a面靠近放大器32)，再用螺栓VDI 49、螺栓V 39和压板27对工件52夹紧后，将磨削力测量装置放在三自由度平台的适当位置，并连接好信息采集仪I 33、数据分析仪I 34、放大器32、信息采集仪II 36、数据分析仪II 35。控制三自由度平台，使磨头53工作端距离工件52表面以下0.5mm并多出a面适当距离，旋转蜗杆62的转盘，使电主轴位于适当角度(临床上多为30° )。将微量润滑系统的喷嘴50适当折弯使其靠近磨头53。
[0080]接下来进行磨削温度及磨削力的测量实验。待实验完成后，三自由度平台工作台21消磁，磨削测力仪44的两底座40及整个装备即可卸下。
【权利要求】
1.一种多自由度颅骨外科手术磨削实验平台，其特征是，它包括: 三自由度平台，工件置于三自由度平台上，并由磨削力测量装置在另外三个自由度上固定； 磨削力测量装置将采集的磨削力信息送入数据采集装置； 磨削温度测量装置也与工件连接，将采集的温度信息送入另一数据采集装置； 磨削系统包括电主轴和与电主轴连接的磨头，电主轴的外壳与角度调整装置连接，以调整磨削角度，同时角度调整装置也安装在三自由度平台上，并在Y、Z方向运动； 微量润滑系统将压缩空气和生理盐水冷却后混合，以喷雾的形式通过喷嘴对磨头与工件的磨削区域提供润滑； 三自由度平台、各信息采集装置、数据分析装置、微量润滑系统以及电主轴均由控制装置控制。
2.如权利要求1所述的多自由度颅骨外科手术磨削实验平台，其特征是，所述三自由度平台包括三自由度平台底座，在三自由度平台底座两侧分别安装三自由度平台支座，在两个三自由度支座的同侧端分别安装立杆导轨； 在三自由度平台底座安装有X向运动装置，工作盘安装在X向运动装置上并在X方向运动；工作盘上安装有可充放磁的工作台，工件置于工作台上； 在三自由度平台两立杆导轨上安装有Y向运动装置； 在Y向运动装置上还安装有Z向运动装置。
3.如权利要求2所述的多自由度颅骨外科手术磨削实验平台，其特征是，所述X向运动装置包括一对X轴导杆，两X轴导杆的两端分别固定在三自由度平台底座上；两X轴导杆之间还布置有X轴丝杠，X轴丝杠一端与深沟球轴承连接，深沟球轴承安装在三自由度平台底座上，X轴丝杠另一端与减速器III连接，减速器III与电机III连接；工作盘套装在两X轴导杆及X轴丝杠上，通过X轴丝杠完成X向运动； Y向运动装置包括一对Y轴导杆，两Y轴导杆按照上下布置的方式分别安装在立杆导轨上；两Y轴导杆之间还布置Y轴丝杠，Y轴丝杠一端与轴承连接，轴承安装在立杆导轨上，另一端与减速器II连接，减速器II与电机II连接；Y轴盒子套装在两Y轴导杆及Y轴丝杠上，并由Y轴丝杠驱动完成Y向运动； Z向运动装置包括一对Z轴导杆，Z轴导杆安装在Y轴盒子内，在两Z轴导杆之间布置Z轴丝杠，Z轴丝杠一端与轴承连接，轴承与Y轴盒子连接，另一端与减速器I连接，减速器I与电机I连接，Z轴法兰套装在两Z轴导杆及Z轴丝杠上，由Z轴丝杠驱动完成Z向运动；角度调整装置与Z轴法兰连接； 所述各电机均由控制装置控制运行。
4.如权利要求1所述的多自由度颅骨外科手术磨削实验平台，其特征是，所述电主轴包括电主轴外壳，在电主轴外壳前端设有前端盖，后端设有后端盖；主轴安装在电主轴外壳内，并有部分露出电主轴外壳；在电主轴外壳前端和后端均设有一组角接触轴承I，主轴由这两组角接触轴承I支撑； 在电主轴外壳中部设有定子绕组，在主轴中部与定子绕组对应的位置设有转子绕组； 电主轴外壳上还设有电源接口，电源线穿过电源接口与定子绕组连接； 主轴露出电主轴外壳的部分通过联轴器与磨头连接。
5.如权利要求4所述的多自由度颅骨外科手术磨削实验平台，其特征是，所述前端盖与电主轴外壳间，以及后端盖与电主轴外壳间分别设有垫片II ;主轴与前端盖间设有密封圈。
6.如权利要求1所述的多自由度颅骨外科手术磨削实验平台，其特征是，所述微量润滑系统包括生理盐水容器，生理盐水容器中的生理盐水经调速阀、流量调节器流入冷却室，压缩空气直接进入冷却室，二者在冷却室内冷却后分别经软管1、软管II进入混合室，在混合室内混合后，二者的混合物从软管III流出，经喷嘴供给磨削系统的磨头。
7.如权利要求1或3所述的多自由度颅骨外科手术磨削实验平台，其特征是，所述角度调整装置包括固定座，固定座设有凸台，凸台与蜗轮连接，同时凸台穿过蜗轮后与角接触球轴承II过盈配合；蜗轮与蜗杆连接，蜗杆一端设有转盘，通过蜗杆转动带动蜗轮转动，进而带动固定座转动；电主轴外壳通过卡座与固定座连接，卡座与电主轴外壳间设有橡胶圈。
8.如权利要求1所述的多自由度颅骨外科手术磨削实验平台，其特征是，所述磨削力测量装置包括两个底座，用以固定磨削测力仪，两底座为可导磁性金属；磨削测力仪中部设有环形块，工件置于环形块内，工件在X方向由至少一个螺栓定位；在Y方向利用挡块和另外的至少一个螺栓进行定位；在Z方向采用至少一个压紧组件进行定位；磨削测力仪的测量信号经放大器放大后传给信息采集仪I，最后传到数据分析仪I并显示磨削力的大小。
9.如权利要求1所述的多自由度颅骨外科手术磨削实验平台，其特征是，所述磨削温度测量装置为三根热电偶，其工作端分别位于距工件上表面以下0.5mm、1mm、1.5mm处；测量信号经信息采集仪II传到数据分析仪II，并由数据分析仪II显示热电偶工作端即工件的温度。
10.如权利要求8所述的多自由度颅骨外科手术磨削实验平台，其特征是，所述压紧组件有三个，它们结构相同，其中两个在工件的一侧，另一个则在工件的另一侧；每个压紧组件均包括一个压板，螺栓穿过压板与一个平板连接，平板安装在环形块上，螺栓与压板间设有垫片。
【文档编号】A61B19/00GK204092202SQ201420565334
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月28日 优先权日:2014年9月28日
【发明者】杨敏, 李长河, 张彦彬, 李本凯, 王要刚 申请人:青岛理工大学