CN115721431A - 一种齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及五轴联动义齿雕刻技术领域，尤其涉及一种齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机，包括PC机、CNC数控***、CNC控制器、X轴平移***、Y轴平移***、Z轴平移***、A轴旋转***、B轴旋转***和切削模块。本发明一次装夹、多面自动加工、复杂曲面一次成型，提高加工效率的同时，保证加工精度，实现义齿加工的数字化和智能化。

Description

一种齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机

技术领域

本发明涉及五轴联动义齿雕刻技术领域，尤其涉及一种齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机。

背景技术

目前口腔修复用义齿的传统制造一般采用手工、铸造等加工方法，制作一个舒适美观的活动牙齿，就要经过取模，模型修整，种钉等数十道手工制作工艺，这些方法加工效率低下、工艺过程烦琐、周期长、精度低，限制了义齿加工厂的生产效率，无法满足义齿的高效加工需求和患者的个性化需求。随着口腔修复CAD/CAM***的引入，高速数控加工成了义齿制作的发展方向，数字化义齿的制作流程则简化了其中手工的工序，只需取模，模型扫描仪/口内扫描，软件设计排版，义齿切削机床加工到烧结，数控加工具有精度高、周期短、直接成形、人工参与程度低等特点，在义齿修复领域得到了广泛应用。CAD/CAM方法制作义齿的材料主要有钛合金、氧化锆等高硬度加工材料。人的牙齿表面由沟、尖、窝等典型特征形态构成，采用一般数控技术加工类似人牙齿表面的薄壁件存在些问题。而运用高性能的高速加工机床，选用适合高速加工用的刀具，对义齿进行快速加工，其优势十分明显。在个性化数字建模的基础上，快速制作复杂牙齿的修复体，研发面向口腔修复专用的小型精密齿科修复数字化医疗设备的需求日益明显。

发明内容

本发明提供了一种齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机，一次装夹、多面自动加工、复杂曲面一次成型，提高加工效率的同时，保证加工精度，实现义齿加工的数字化和智能化。

为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机，包括PC机、CNC数控***、CNC控制器、X轴平移***、Y轴平移***、Z轴平移***、A轴旋转***、B轴旋转***和切削模块，PC机中的加工控制程序传输至CNC数控***，CNC数控***输出控制信号给CNC控制器，CNC控制器对控制信号进行处理，转换成脉冲信号，分别向X轴平移***、Y轴平移***、Z轴平移***、A轴旋转***、B轴旋转***发出驱动指令，X轴平移***、Y轴平移***、Z轴平移***分别带动切削模块沿X轴、Y轴和Z轴移动，A轴旋转***、B轴旋转***分别带动工件绕X轴、Y轴转动。

作为本发明的优化方案，X轴平移***包括丝杠、第一丝杠座、第二丝杠座、X伺服电机、电机安装座、膜片式联轴器、X丝杠固定座、滑块、X滑板、直线导轨、X感应片和X零位开关，丝杠固定在第一丝杠座和第二丝杠座之间，X伺服电机通过电机安装座固定，X伺服电机与丝杠通过膜片式联轴器连接，X丝杠固定座连接在丝杠上，X滑板与X丝杠固定座连接，滑块设置在X滑板的下方，滑块沿直线导轨移动，X感应片设置在X滑板的下方，X零位开关设置在直线导轨的端部。

为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：B轴旋转***包括B轴电机和B轴固定座，B轴电机固定在B轴固定座上，B轴电机带动A轴旋转***做±30°摆动。

作为本发明的优化方案，A轴旋转***包括A轴电机、A轴连接臂和料盘夹具，A轴电机通过A轴连接臂带动料盘夹具做360°旋转。

作为本发明的优化方案，A轴旋转***包括A轴电机、A轴连接臂和料盘夹具，A轴电机通过A轴连接臂带动料盘夹具做360°旋转。

作为本发明的优化方案，切削模块包括电主轴、电主轴安装抱夹和吹尘管，电主轴安装在电主轴安装抱夹上，吹尘管设置在电主轴安装抱夹的下方。

作为本发明的优化方案，电主轴的极限切削力F_Z＜50N；电主轴的切削扭矩M满足：M≤(F_Z×d)/(2×1000)，其中：d为电主轴安装刀具的直径；电主轴的切削功率P_m≤F_Z×v×1000，v为电主轴的切削速度。

作为本发明的优化方案，齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机还包括刀具、自动对刀仪和换刀电磁阀，刀具安装在电主轴上，自动对刀仪测出刀具刀尖的高度，自动对刀仪将测得的刀具刀尖的高度传输至CNC控制器，CNC控制器向换刀电磁阀发出信号，换刀电磁阀打开或关闭电主轴卸刀气压，进行刀具更换。

作为本发明的优化方案，齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机还包括冷却***，冷却***包括第一节流阀，第一节流阀接入电主轴，第一节流阀将压缩冷空气吹至电主轴。

作为本发明的优化方案，齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机还包括吹尘***，吹尘***包括第二节流阀，第二节流阀接入吹尘管，第二节流阀将切削模块产生的尘屑吹走。

作为本发明的优化方案，齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机整体安装在大理石基座上。

本发明具有积极的效果：1)本发明小型化，低成本，采用3+2的立式转台结构，整体结构简单；

2)本发明擅长形状复杂、精度高、交期短、小批量多品种加工，适用于义齿加工，主要雕刻陶瓷牙、美容贴片、嵌体、基台、牙冠、牙桥等；

3)本发明整体体积小、成本低、精度高、易操作，区别传统复杂的铸造工艺，五轴联动义齿雕刻技术一次装夹、多面自动加工、复杂曲面一次成型，提高加工效率的同时，保证加工精度，实现义齿加工的数字化和智能化。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的控制原理示意图；

图2是本发明的结构及运动示意图；

图3是本发明X轴平移***结构示意图；

图4是图3的A-A结构示意图；

图5是本发明的X轴平移***和Y轴平移***的结构示意图

图6是本发明电主轴的气路示意图；

图7是本发明的具体结构图。

其中：4、X轴平移***，5、Y轴平移***，6、Z轴平移***，7、A轴旋转***，8、B轴旋转***，9、切削模块，41、丝杠，42、第一丝杠座，43、第二丝杠座，44、X伺服电机，45、电机安装座，46、膜片式联轴器，47、X丝杠固定座，48、滑块，49、X滑板，410、直线导轨，411、X感应片，412、X零位开关，81、B轴电机，82、B轴固定座，71、A轴电机，72、A轴连接臂，73、料盘夹具，91、电主轴，92、电主轴安装抱夹，93、吹尘管，10、工件，111、第一节流阀，121、第二节流阀，13、大理石基座。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明公开了一种齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机，包括PC机、CNC数控***、CNC控制器、X轴平移***4、Y轴平移***5、Z轴平移***6、A轴旋转***7、B轴旋转***8和切削模块9，PC机中的加工控制程序传输至CNC数控***，CNC数控***输出控制信号给CNC控制器，CNC控制器对控制信号进行处理，转换成脉冲信号，分别向X轴平移***4、Y轴平移***5、Z轴平移***6、A轴旋转***7、B轴旋转***8发出驱动指令，X轴平移***4、Y轴平移***5、Z轴平移***6分别带动切削模块9沿X轴、Y轴和Z轴移动，A轴旋转***7、B轴旋转***8分别带动工件10绕X轴、Y轴转动。其中，CNC控制器向控制五轴运动的电机发出脉冲信号，电机带动运动部进行X轴、Y轴、Z轴平移，切削模块9中的电主轴91带动刀具运转，刀具对工件10进行切削，工件10做旋转轴运动，切削模块9做直线轴运动。在PC机上编制加工控制程序。

CNC数控***，一般由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成。CNC控制器的作用是把来自CNC数控***的控制信号，进行运算和处理，转换成脉冲信号，发送给控制五轴运动的电机，通过控制五轴运动的电机转换为机床移动部件的运动，使得精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图纸要求的工件10。

如图3-4所示，X轴平移***4包括丝杠41、第一丝杠座42、第二丝杠座43、X伺服电机44、电机安装座45、膜片式联轴器46、X丝杠固定座47、滑块48、X滑板49、直线导轨410、X感应片411和X零位开关412，丝杠41固定在第一丝杠座42和第二丝杠座43之间，X伺服电机44通过电机安装座45固定，X伺服电机44与丝杠41通过膜片式联轴器46连接，X丝杠固定座47连接在丝杠41上，X滑板49与X丝杠固定座47连接，滑块48设置在X滑板49的下方，滑块48沿直线导轨410移动，X感应片411设置在X滑板49的下方，X零位开关412设置在直线导轨410的端部。大理石基座13为X轴平移***4的安装基座。

工作时，X伺服电机44为运动源，X伺服电机44接到CNC数控***所发的脉冲信号后，驱动传导装置丝杠41旋转，丝杠41的丝杠螺母与X丝杠固定座47连接，运动部件X滑板49在丝杠41作用下，滑块48沿直线导轨410左右平移，X滑板49带动X感应片411移动，X感应片411移动至X零位开关412上方时，X轴平移***4为初始位置即归零状态。Y轴平移***5和Z轴平移***6的运动及控制原理与X轴平移***4相同。X轴平移***4、Y轴平移***5、Z轴平移***6的行程需包含加工距离和换刀距离，X轴平移***4设计行程为200mm，Z轴平移***6的设计行程为100mm，Y轴平移***5的设计行程为110mm。整体外形尺寸约为600mmx600mmx770mm，重量约70KG，体积小、质量轻、活动灵活、集成化程度高，适用于各种应用场所。

B轴旋转***8包括B轴电机81和B轴固定座82，B轴电机81固定在B轴固定座82上，B轴电机81带动A轴旋转***7做±30°摆动。B轴电机81接到CNC数控***所发的脉冲信号，B轴电机81带动A轴旋转***7做±30°摆动。

如图5所示，A轴旋转***7包括A轴电机71、A轴连接臂72和料盘夹具73，A轴电机71通过A轴连接臂72带动料盘夹具73做360°旋转。A轴电机71接受CNC数控***所发的脉冲信号。A轴旋转***7为料盘夹具73的旋转轴，B轴旋转***8为工件10的摆动轴，工件10为直径为100mm厚25mm的圆盘，工件10即毛坯料。

如图7所示，切削模块9包括电主轴91、电主轴安装抱夹92和吹尘管93，电主轴91安装在电主轴安装抱夹92上，吹尘管93设置在电主轴安装抱夹92的下方。因义齿尺寸较小，义齿加工采用的刀具尺寸小，分别为1号刀

2号刀

3号刀

4号刀

5号刀

为了提高义齿加工效率，同时减少刀具磨损，要求电主轴91具有很高的转速和切削精度。齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机选用了结构高度集成化的电主轴91，作为装备的切削执行部件。

电主轴91的极限切削力F_Z＜50N；电主轴91的切削扭矩M满足：

式中：d为刀具直径(mm)。

电主轴91的切削功率P_m≤F_Z×v×1000，v为电主轴91的切削速度(m/s)，电主轴91转速为20000r/min时的线速度值为2.1×1000m/s。综上所述，所选电主轴91参数表如下所示：

电主轴的参数表

主轴型号	SFG0405-40A	额定功率	500W
				额定电压	150V	额定电流	2.5A
额定频率	2000Hz	额定转速	60000rpm
				额定扭矩	0.08N·m	电机特征	4极3相

齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机还包括刀具、自动对刀仪和换刀电磁阀，刀具安装在电主轴91上，自动对刀仪测出刀具刀尖的高度，自动对刀仪将测得的刀具刀尖的高度传输至CNC控制器，CNC控制器向换刀电磁阀发出信号，换刀电磁阀打开或关闭电主轴卸刀气压，进行刀具更换。刀库14包含5把刀具和一个自动对刀仪，CNC控制器收到换刀的控制信号，向控制五轴运动的电机发脉冲信号，切削模块9在X轴平移***4、Y轴平移***5、Z轴平移***6、A轴旋转***7、B轴旋转***8控制下，到达自动对刀仪上方，测出刀尖高度，更新刀具寿命，再移动到自动换刀位置a刀具上方，CNC控制器向换刀电磁阀发信号，电磁阀打开电主轴卸刀气压，卸下a刀具，切削模块9在X轴平移***4、Y轴平移***5、Z轴平移***6、A轴旋转***7、B轴旋转***8控制下，到达自动换刀位置b刀具上方，电磁阀关闭电主轴卸刀气压，电主轴91锁紧刀具b，切削模块9再次移动至自动对刀仪上方，测出刀尖高度，完成一次换刀。

齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机还包括冷却***，冷却***包括第一节流阀111，第一节流阀111接入电主轴91，第一节流阀111将压缩冷空气吹至电主轴91。

齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机还包括吹尘***，吹尘***包括第二节流阀121，第二节流阀121接入吹尘管93，第二节流阀121将切削模块9产生的尘屑吹走。

电主轴91具有很高的转速，电主轴91切削时会产生一定的热量和尘屑，需配冷却和吹尘***，基于小型化需要，冷却和吹尘***应尽量简约，如图6所示，一组压缩空气，经过过滤调压，通过三通分两路，1路通过换刀电磁阀接入电主轴91，实现自动换刀功能，2路通过电磁阀2再分两路，2-1通过第一节流阀111接入电主轴91，确保电主轴91充分冷却，2-2通过第二节流阀121接入吹尘管93，将铣削过程中产生的尘屑吹走。

齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机整体安装在大理石基座13上。大理石基座13是用天然大理石加工而成的一种机械部件，稳定性好、强度大、硬度高，能在重负荷下保持高精度，吸振性利耐冲击性好，制作工艺简单、造价低，大理石基座3作为整机安装运动基础，确保五轴(XYZAB)安装的刚性支撑，有效保证床身的结构强度和刚性，确保机床动态加工时稳定性处于最佳状态。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机，其特征在于：包括PC机、CNC数控***、CNC控制器、X轴平移***(4)、Y轴平移***(5)、Z轴平移***(6)、A轴旋转***(7)、B轴旋转***(8)和切削模块(9)，PC机中的加工控制程序传输至CNC数控***，CNC数控***输出控制信号给CNC控制器，CNC控制器对控制信号进行处理，转换成脉冲信号，分别向X轴平移***(4)、Y轴平移***(5)、Z轴平移***(6)、A轴旋转***(7)、B轴旋转***(8)发出驱动指令，所述的X轴平移***(4)、Y轴平移***(5)、Z轴平移***(6)分别带动切削模块(9)沿X轴、Y轴和Z轴移动，所述的A轴旋转***(7)、B轴旋转***(8)分别带动工件(10)绕X轴、Y轴转动。

2.根据权利要求1所述的一种齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机，其特征在于：X轴平移***(4)包括丝杠(41)、第一丝杠座(42)、第二丝杠座(43)、X伺服电机(44)、电机安装座(45)、膜片式联轴器(46)、X丝杠固定座(47)、滑块(48)、X滑板(49)、直线导轨(410)、X感应片(411)和X零位开关(412)，所述的丝杠(41)固定在第一丝杠座(42)和第二丝杠座(43)之间，X伺服电机(44)通过电机安装座(45)固定，X伺服电机(44)与丝杠(41)通过膜片式联轴器(46)连接，X丝杠固定座(47)连接在丝杠(41)上，所述的X滑板(49)与X丝杠固定座(47)连接，所述的滑块(48)设置在X滑板(49)的下方，所述的滑块(48)沿直线导轨(410)移动，所述的X感应片(411)设置在X滑板(49)的下方，所述的X零位开关(412)设置在直线导轨(410)的端部。

3.根据权利要求1所述的一种齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机，其特征在于：所述的B轴旋转***(8)包括B轴电机(81)和B轴固定座(82)，所述的B轴电机(81)固定在B轴固定座(82)上，所述的B轴电机(81)带动A轴旋转***(7)做±30°摆动。

4.根据权利要求1所述的一种齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机，其特征在于：所述的A轴旋转***(7)包括A轴电机(71)、A轴连接臂(72)和料盘夹具(73)，A轴电机(71)通过A轴连接臂(72)带动料盘夹具(73)做360°旋转。

5.根据权利要求1所述的一种齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机，其特征在于：切削模块(9)包括电主轴(91)、电主轴安装抱夹(92)和吹尘管(93)，所述的电主轴(91)安装在电主轴安装抱夹(92)上，所述的吹尘管(93)设置在电主轴安装抱夹(92)的下方。

6.根据权利要求5所述的一种齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机，其特征在于：电主轴(91)的极限切削力F_Z＜50N；电主轴(91)的切削扭矩M满足：M≤(F_Z×d)/(2×1000)，其中：d为电主轴(91)安装刀具的直径；电主轴(91)的切削功率P_m≤F_Z×v×1000，v为电主轴(91)的切削速度。

7.根据权利要求5所述的一种齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机，其特征在于：齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机还包括刀具、自动对刀仪和换刀电磁阀，刀具安装在电主轴(91)上，自动对刀仪测出刀具刀尖的高度，自动对刀仪将测得的刀具刀尖的高度传输至CNC控制器，CNC控制器向换刀电磁阀发出信号，换刀电磁阀打开或关闭电主轴卸刀气压，进行刀具更换。

8.根据权利要求5所述的一种齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机，其特征在于：齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机还包括冷却***，冷却***包括第一节流阀(111)，所述的第一节流阀(111)接入电主轴(91)，所述的第一节流阀(111)将压缩冷空气吹至电主轴(91)。

9.根据权利要求8所述的一种齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机，其特征在于：齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机还包括吹尘***，吹尘***包括第二节流阀(121)，所述的第二节流阀(121)接入吹尘管(93)，所述的第二节流阀(121)将切削模块(9)产生的尘屑吹走。

10.根据权利要求1所述的一种齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机，其特征在于：齿科应用的桌面式五轴联动义齿雕铣机整体安装在大理石基座(13)上。

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