0028-義齒雕刻機設計【SW三維模型+說明書】

0028-義齒雕刻機設計【SW三維模型+說明書】,SW三維模型+說明書,義齒,雕刻,設計,sw,三維,模型,說明書,仿單 目錄 摘要 2 ABSTRACT 2 第一章 緒論 3 1.1選題的意義 3 1.2國內外研究綜述 3 1.2.1國內狀況 3 1.2.2國外狀況 4 1.3主要研究內容 5 1.4本章小結 5 第二章 義齒雕刻機方案設計 6 2.1設計原則 6 2.2運動方案 6 2.3電機選擇 8 2.4機床結構設計 9 2.5本章小結 9 第三章 零部件的選用及校核 10 3.1齒輪的選用及校核 10 3.1.1齒輪傳動的特點 10 3.1.3齒輪材料的選用原則 11 3.1.4本設計中齒輪的選用及校核 11 3.2一些部件的設計選用說明 19 3.2.1雙片薄齒輪消除側隙 19 3.2.2滾珠絲杠螺母與主軸的配合 19 3.2.3主軸與大齒輪的配合 20 3.3本章小結 23 第四章 結論與展望 24 4.1結論 24 4.2展望 24 致謝 25 參考文獻 26 26 摘要 傳統的口腔修復技術比較落后,制作出的義齒不僅不美觀，而且精度差，反復修復次數多，給患者帶來諸多不便。CAD/CAM 技術在口腔修復領域的應用將逐漸取代傳統手工修復技術，而義齒雕刻系統在國內的應用還寥寥無幾。在這種背景下，本文對適合我國國情的義齒雕刻系統的數控加工部分進行了總體設計。全文主要研究內容可概括如下： 1、對國外兩種典型義齒雕刻系統進行了分析和借鑒，并根據國內實際情況提出了系統設計所應遵循的四項原則，并在此基礎上完成了義齒雕刻系統的總體設計。 2、對修復體的加工運動進行了分析，并在此基礎上進行了義齒加工機床的總體方案設計。 3、對義齒加工機床進行具體的設計。 4、對具體零件進行強度校核，檢驗方案的可行性。 關鍵詞：義齒 CAD/CAM 系統，數控機床，義齒雕刻機，義齒加工,口腔修復 ABSTRACT The traditional dental restoration technology is relatively backword.The denture it made is not only unsightly , but the accuracy of it is poor,and it is also needed to be repeatedly repaired,which bring a lot of inconvenience to the patients.In the field of dental restoration, the application of the traditional manual repairing technology will be gradually replace by the CAD/CAM technology ,but,the application of denture engraving system in China is still scanty. In this context, the paper make an overall design of the CNC machining parts of denture engraving system which is suitable for China’s situation.The major content of this paper is summed as follows: 1. Analyzed and referenced to the two representative dental CAD/CAM systems. According to domestic fact, this paper put forward four principles for design of the dental CAD/CAM systems, and made the integral planning of the system on this basis. 2. Analyzed the machining movement, and made the integral planning of the numerical control machine tool. 3. Made specific design of the denture processing machines 4.Made some strength check,and examined the feasibility of the design Keywords：Dental CAD/CAM system .CNC machine tool . Denture engraving machine .False tooth carving .Dental restoration. 第一章 緒論 1.1選題的意義 牙體缺損是口腔科的常見病和多發(fā)病，我國牙齒疾病的發(fā)病率極高。 固定義齒鑲嵌是口腔醫(yī)學中應用頻率最高的一種治療，而義齒的制作又是義齒鑲嵌手術中最關鍵的環(huán)節(jié)。傳統的義齒制作雖然對技術要求不高，但工序繁瑣，制作周期長，消耗人力資源多，而且不能滿足臨床一次性就診的要求，病人需要多次就診才能達到滿意效果。 隨著計算機圖形學的不斷完善，計算機輔助設計（CAD）已廣泛用于各個領域，20 世紀 70 年代初期，法國學者 Francois Duret 開創(chuàng)性地將計算機輔助設計和計算機輔助制造(CAD/CAM)技術引入到口腔固定修復體的設計與制作中，引發(fā)了口腔修復學界一場重大的技術革命。90 年代中期，國際市場開始出現 CAD/CAM 技術制作義齒，極大地縮短了義齒的制作周期，同時可以制作出生物相融性很好的全陶瓷義齒，受到人們的廣泛歡迎。 在這種形勢下，天津醫(yī)科大學口腔醫(yī)學院于 99 年在國內率先引進了德國的CerecⅡ義齒 CAD/CAM 系統，然而由于引進的系統價格昂貴，齒修復費用過高，難以大面積用于臨床。雖然我國對義齒加工機床的研究已有多年，但由于數控技術難度大和國外對這一關鍵技術的封鎖，使得我國在這一領域的進展非常緩慢。 本次選題旨在為國內義齒加工設備的進一步研發(fā)提供技術支持，設計出符合國人消費水平的具有自主知識產權的義齒雕刻機。設計時考慮精確性，經濟性，快速性，簡便性原則。 1.2國內外研究綜述 1.2.1國內狀況 我國口腔醫(yī)療水平與發(fā)達國家,尤其是歐美等國家相比存在較大差距。目前，國內絕大多數口腔醫(yī)院仍采用傳統的烤瓷義齒制作方法制作義齒，這種方法工序繁瑣，加工時間長，制作成的修復體精度低，病人戴用后需要再經過數次復診調磨后才能適應，這無疑延長了患者的痛苦與治療時間。而且，在義齒制作期間，患者還需佩戴臨時性的修復體，加大了治療成本。 國內對義齒CAD/CAM系統的研究仍處于起步階段，局限于基礎理論和基本方法的探討階段。我國對于義齒CAD/CAM技術的研究主要集中在各高校和科研院所。 天津大學設計了四軸聯動的義齒修復機床，并且針對該機床CAD/CAM系統專門研究了從CAD模塊向CAM模塊進行數據交換的接口標準技術，選用了初始圖形交換標準IGEs作為兩個系統之間數據傳輸的標準。 哈爾濱工業(yè)大學開發(fā)了五軸義齒修復系統l.4，在刀位點數據獲得方面，采用對SOLIDWORKS軟件二次開發(fā)的方式對義齒三維模型進行分割,離散,然后得到刀位點數據,再進行干涉檢查,得到無干涉刀位點,加工出義齒模型。 武漢大學口腔醫(yī)院開發(fā)了全口義齒CAD/CAM系統。該系統使用三維坐標測量儀獲取牙齒點云數據,然后運用B樣條曲線擬合方法對點云文件進行曲面重構,為后期從CAD系統向CAM系統進行數據傳輸創(chuàng)造了條件。 南京航空航天大學主要對義齒CAD系統進行了研究和開發(fā)。提出了使用三角網格來描述和構造義齒三維模型的方法,并對網格曲面等距，自交，裁剪，縫合及參數化等方面進行了研究。建立了具有中國人牙齒特點的標準牙體數據庫模塊，為修復體外表面形態(tài)設計提供了技術支持。 中國海洋大學對基于逆向工程的義齒CAD/CAM系統的關鍵技術進行了研究。利用VC++軟件平臺和OPENGL圖形庫設計了CAD/CAM系統中的部分模塊，包括文件模塊視圖功能模塊，重構模塊及數據接口模塊等等。使用Delaunay三角網格算法完成了義齒曲面重構，并確定以STL文件作為數據傳輸接口文件。 北方工業(yè)大學數控中心開發(fā)了五軸義齒雕刻機，主要在CAM系統方面進行了深入研究，結合POWERMILL強大的后處理平臺加工出單顆磨牙牙冠，并使用VERYCUT軟件對整個義齒加工過程進行了仿真。 但是各高校的研究都還處于試驗階段，都還不能滿足臨床實際需要然而經過多年的的研究和不懈的努力，北京大學口腔醫(yī)學院、衛(wèi)生部口腔醫(yī)學計算機應用工程技術研究中心呂培軍教授領導的課題組初步開發(fā)出第一個具有自主知識產權的用于口腔修復體制作的計算機輔助設計與輔助制造實驗系統，并且成功的用其設計制造出人工冠修復體。這雖然不是首創(chuàng)，但表明我國口腔修復醫(yī)學界已掌握了有關口腔修復CAD- CAM 系統的相關理論、技術和制造工藝。是我國口腔醫(yī)學界取得的重大進展， 對推動我國口腔修復學的發(fā)展具有重要意義。但此試驗系統僅僅是在實驗室環(huán)境下開發(fā)成功，若要進入臨床實際應用還需進行進一步的研究，總而言之，在義齒cad/CAM方面，我們和國外相比還有很大差距。 1.2.2國外狀況 國外對于義齒加工機床的研發(fā)己有四十余年的歷史。法國牙科醫(yī)生Duret于1973年發(fā)表了第一篇關于義齒修復系統的論文，首次將計算機輔助設計(CAD)和計算機輔助制造(CAM)技術引入到口腔修復領域。1975年，隨著Altschulcr教授解決了義齒印模的數據化問題后，義齒修復CAD/CAM系統才成為現實。1983年，第一臺義齒加工機床在法國誕生。1985年，Duret首次使用義齒加工機床制作出一個磨牙修復體。1986年由西門子和西諾德公司共同研發(fā)的義齒修義系統——CEREC系統問世。直到20世紀90年代，國外相繼開發(fā)了幾十套義齒修復系統。而技術最先進、應用最廣泛的義齒CAD／CAM系統當屬由德國西門子和西諾德公司共同開發(fā)的CEREC系統。世界各地60多個國家有近20 000套CEREC系統，平均每10 s就有一個由CEREC系統為患者制造的全瓷修復體產生。20多年的臨床經驗及CEREC系統的廣泛使用，充分證實了其技術的可靠性，也使它成為世界上最受歡迎的義齒修復設備。 ⑴ CEREC 系統 該系統是由瑞士蘇黎世大學牙科學院 Mormanu 博士和 Brandestini 博士研究開發(fā)的，并由德國西門子公司生產制造。CEREC 分為Ⅰ型和Ⅱ型，最近 CEREC—Ⅲ型系統已經問世。CEREC—Ⅰ型只能制作嵌體和貼面，嵌體的咬合面形態(tài)需修復醫(yī)生用手工磨制。在Ⅰ型的基礎上，對其軟件即 CAD 部分改進后形成Ⅱ型，增加了牙冠及基面制作的功能。而 CEREC—Ⅲ型又在Ⅱ型的基礎上采用了Windows 2000 作為操作系統，是操作方便友好，并將加工設備分離出來。CEREC系統采用集光學印模、修復體設計（CAD）、制作（CAM）為一體的專利外型設計。 通過使用口腔視頻相機，醫(yī)生可以從病人口中直接攝取經預備好的牙體圖像。獲取的圖像在監(jiān)視器上顯示，醫(yī)生在屏幕上通過人機交互程序進行修復體 的設計。醫(yī)生首先用鼠標確定并標出窩洞的肩臺部、鄰接面形態(tài)、牙尖高度、軸角、線角等嵌體洞型的解剖形態(tài)邊界，根據這些輸入的結果，計算機會自動計算并設計出修復體的三維空間數據，并顯示出修復體的三維形態(tài)或截面形態(tài)，醫(yī)生還可再對其進行潤色和形態(tài)修正。因此，醫(yī)生對該系統的使用熟練程度將直接影響修復體的制作精度。 ⑵ Sopha 系統 該系統是由法國里昂大學牙醫(yī)學院的 Francois Doret 教授與美國 SophaBioconcept 公司合作開發(fā)制造的，由相對獨立的“光學印?！毕到y、CAD（WAX3100 工作站）和 CAM（六自由度數控加工中心）三部分組成，可用于 嵌體、冠、橋、種植體、貼面等口腔固定修復體。Sopha 系統采用激光干涉式照相機，對石膏工作模型進行間接“光學印?！敝迫。〝底只李M模型），也可在口內直接制取“光學印?！?；將印模數據傳送到 WAX—3100 工作站上，并建立顯示基牙及鄰牙和對頜牙的三維立體圖形，由醫(yī)生對屏幕上的三維圖形進行調整和設計；當修復體的設計完成以后，各種參數將自動傳送到 CAM 系統，并開始修復體的自動加工和制作。該系統具有很高的精度，在牙冠頸緣精度為 0-50 μ m，牙冠內側為 80 μ m左右。 ⑶ Titan 系統（DCS 系統） 該系統是由以色列研究，并由瑞士巴塞爾的 DCS productionAG 公司生產制 造，該系統主要用于烤瓷冠或橋的鈦合金基底冠的設計與制造。它由三部分組成：基牙代型表面形態(tài)的數據采集（數字化印模）、計算機輔助基底冠設計（CAD）、加工制作基底冠的數控銑床（CAM）。 該系統采用的基牙形態(tài)數據采集是采用一種小型接觸式的機械化三維坐標測量儀，最終形成數字化的工作模型圖形；醫(yī)生對計算機屏幕上的三維立體圖形進行觀察、修改，再將生成的基底冠外形最終加工數據傳至數控銑床，并控制完成最終加工。 1.3主要研究內容 本論文研究對象是義齒雕刻機，通過借鑒國外著名義齒雕刻機設計思想，總結它們的優(yōu)缺點，并在此基礎上取長補短，結合我國國情，設計一套具有自主知識產權的義齒雕刻機。本文的研究重點是義齒雕刻機的設計。主要研究內容如下： 1． 提出義齒加工設備的主要設計依據及設計原則。 2． 分析義齒加工的運動形式及分配。 3． 進行義齒雕刻機整體整體外形設計。 4． 對需要校核的零件進行校核 1.4本章小結 本章主要介紹了義齒制作在社會生活中的重要意義及義齒雕刻機在國內外的發(fā)展現狀，并說明了本次設計中的主要內容。 第二章 義齒雕刻機方案設計 2.1設計原則 根據一些口腔醫(yī)院提供的信息，大面積采用國外義齒雕刻機系統的可能性不大，主要因為制作成本太高，制作一顆全陶瓷義齒牙冠，需要花費千元左右，是目前手工制作義齒的4倍，不能為大多數人所接受。所以，想要使自主開發(fā)的義齒雕刻系統能夠被廣大的消費者所接受，必須大幅度降低成本。然而，降低整個系統的成本，不能以犧牲系統的功能或者精度為代價，要做到價廉物美。此外，還應該能夠在短時間內完成修復體的最終制作，立即為患者所使用，這樣可以省去患者往返復診的寶貴時間，也減少了醫(yī)生的工作時間，提高了義齒修復的效率。另外，該系統還應該在市場競爭中，具有一定的優(yōu)勢。 綜上所述，開發(fā)一套適合于我國國情的義齒雕刻機，在借鑒國外產品優(yōu)點的同時，應該重點考慮了以下四項原則： ⑴ 精確性原則 精確性原則是開發(fā)義齒雕刻系統的最重要原則，是使其具備市場競爭力的重要條件。它貫穿于整個系統之中，主要取決于原始數據的準確獲取，修復體外形設計的科學性，以及加工制作的精確程度。任何一個環(huán)節(jié)的誤差都將導致整個系統制作精度的下降。 ⑵ 經濟性原則 這也是很重要的一個原則，它是指義齒的制作費用應能符合國人的消費水平。它要求系統的設計應盡量采用比較經濟的方案，降低成本。 ⑶ 快速性原則 快速的修復體制作，可以提高義齒修復的效率，盡快解除患者痛苦，也是能提高義齒雕刻機市場競爭力的主要優(yōu)勢。與精確性原則相同，快速性也體現在原始數據獲取，修復體的設計和制作三個方面。 ⑷ 簡便性原則 簡便性原則的提出，目的是使系統整體的操作過程更加簡單直觀、便于掌握。這一原則也是對系統的整體設計要求，貫穿于系統各環(huán)節(jié)始終，但主要是針對于醫(yī)生使用計算機進行輔助設計的操作而提出的。 2.2運動方案 根據單顆牙冠加工表面的情況來看，加工表面可分為牙冠內表面和外表面，其中磨牙的外表面形狀最為復雜。常見的齲齒主要發(fā)生于兩側的第一磨牙，從它的表面特征來看（如圖2.1 所示），牙冠外表面上有多個凸起的嵴，以及不規(guī)則的窩和溝，牙冠內表面也不同于簡單的型腔。 圖2.1 根據這些表面特征，可以看出，如果采用三坐標機床，只使用一次裝夾是無法完成加工的。這表明，要完成整顆牙冠的加工，在排除二次裝夾的情況下，至少還要采用一個旋轉軸，也就是說，至少要采用三軸半或者四軸的運動方式。在加工的運動方面，Cercon 系統正是采用了三軸半的運動方式，先加工修復體外表面的頂端，然后由翻轉裝置將修復體翻轉180°，再進行修復體外表面的底端和內表面的加工。 圖2.2 而 CEREC—Ⅱ型系統，則采用了較為復雜的運動形式，如圖2.2所示，左右兩邊的球頭銑刀可以在Z 方向上作平動，還可以在 X —Y 平面內做旋轉運動，而修復體毛坯可以在 X 方向上作平動，也可以繞自身的回轉軸，即 X 軸轉動。通過銑刀在 X —Y 平面內的旋轉運動，和毛坯在 X 方向上的平動的組合，可以使刀具到達毛坯上 X —Y 平面內的任意一點，這樣，CEREC—Ⅱ型系統實際上應用了六軸聯動的方式對修復體進行加工。 通過以上分析，本設計采用和CEREC—Ⅲ類似的六軸聯動系統加工，兩把球頭銑刀分別既可進行旋轉運動也可進行軸向的移動，工件即可進行轉動，也可進行軸向移動。其運動圖2.3所示 圖2.3 軸 功能 X1 實現左側刀具的直線運動 X2 實現右側刀具的直線運動 Y 實現工件的直線運動 A 實現左側刀具的旋轉運動 U 實現右側刀具的旋轉運動 B 實現工件的旋轉 表2.1 2.3電機選擇 根據云母玻璃陶瓷材料的加工性能實驗得到的數據以及臨床經驗，主軸電機轉速應在每分鐘 10000～15000 轉左右，進給速度大約在每分鐘 50～100 毫米 左右，法向切削力 Fn＜40N，切向切削力 Fe＜40 N。按照公式（2—1）可估算 出主軸電機以及進給電機的功率。 （2—1） 式中：P為電機功率（瓦），F 為切削力（牛），v為進給速度（米/分）。 顯然所需電機功率很小，因此選擇電機時主要考慮了精度和結構緊湊。經查，可選用安川伺服電機SGMAV A5A電機，功率為50w，額定扭矩0.15Nm 以上主要電機的選用均以經濟實用為原則，在保證加工精度的前提下，盡可能降低成本和減小機床的開發(fā)周期。 2.4機床結構設計 注意到臨床上使用CAD/ CAM制作的最大修復體，不過是3～4單位牙橋，其毛坯的尺寸約為40×18×18，并不需要很大的運動空間，可以盡量減小機床體積，減輕重量。按照上述所選用電機的尺寸和運動分配形式，設計機床如圖2.4所示，其外形尺寸約為680×460×190。 圖2.4 動力機構由六個安川伺服電機SGMAV A5A組成,分別分配給各個運動軸,負責工件加工時的動力輸出。傳動時通過滾珠絲杠螺母副將電機轉動轉換為主軸的軸向移動，通過大小齒輪的嚙合將電機的轉動轉換成主軸的旋轉。刀具主軸的端部由轉臂，氣動馬達，球頭銑刀組成。氣動馬達的轉速達30000r/min，有助于提高牙齒的精度。 2.5本章小結 本章主要提出了義齒雕刻機在設計時所需遵循的原則，以這些原則為前提，提出了本次設計所選用的運動方案，根據加工情況，選定了電機，確定了機床的大致尺寸，完成了對機床粗略的設計。 第三章 零部件的選用及校核 3.1齒輪的選用及校核 3.1.1齒輪傳動的特點 齒輪傳動的特點是：瞬時傳動比恒定、傳動比范圍大、可用于減速或加速；速度和傳遞功率的范圍大，傳動效率高，結構緊湊，適用于近距離傳動；制造成本較高；精度不高的齒輪，傳動時噪聲、振動和沖擊大，污染環(huán)境；無過載保護作用。 3.1.2漸開線齒輪傳動主要參數的選用原則 1. 壓力角α的選擇 由機械原理可知，增大壓力角α，輪齒的齒厚及節(jié)點處的齒廓曲率半徑亦皆隨之增加，有利于提高齒輪傳動的彎曲強度及接觸強度。我國對一般用途的齒輪傳動規(guī)定的標準壓力角為α=20°。對重合度接近2的高速齒輪傳動，推薦采用齒頂高系數為1～1.2，壓力角為16°～18°的齒輪，這樣做可增加輪齒的柔性，降低噪聲和動載荷。 2. 齒數比u 齒數比。對于一般的減速傳動，取。開式傳動或手動傳動，有時u可達8-20。 3. 齒數z 當中心距一定時，齒數取多，則重合度增大，改善了傳動的平穩(wěn)性。同時，齒數多則模數小、齒頂圓直徑小，可使滑動比減小，因而磨損小、膠合的危險性也??；并且又能減小金屬切削量，節(jié)省材料，降低加工成本。但是齒數增多則模數減小，齒輪的抗彎強度降低，因此，在滿足抗彎強度的條件下，易取較多的齒數.通常取，閉式傳動，硬度小于350HBS，過載不大，易取較大值；硬度大于350HBS，過載大，易取較小值；開式傳動易取較小值。一般減速器中常取。當齒輪的齒數時，為了便于加工，盡量不使齒輪z為質數。在滿足傳動要求的前提下，盡量使、互為質數，以便消散和消除齒輪制造誤差對傳動的影響。 4. 模數m 模數由強度計算或結構設計確定，要求圓整為標準值，傳遞動力的齒輪傳動。初步確定模數時，一般對于軟齒面齒輪外嚙合傳動；對于硬齒面齒輪外嚙合傳動；載荷平穩(wěn)，中心距大時取小值，反之取大值。開始齒輪傳動左右。 3.1.3齒輪材料的選用原則 設計齒輪傳動時，應使齒面具有較高的抗磨損、抗點蝕、抗膠合及抗塑性變形的能力，而齒根要有較高的抗折斷的能力。因此，對齒輪材料性能的基本要求為：齒面要硬、齒芯要韌。齒輪材料的種類很多，在選用過程中，可考慮以下幾點： 1. 齒輪材料必須滿足工作條件的要求。例如，礦山機械中的齒輪傳動，一般功率很大、工作速度較低、周圍環(huán)境中的粉塵含量極高，因此往往選擇鑄鋼和鑄鐵等材料。 2. 應考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成型方法及熱處理和制造工藝。大尺寸的齒輪一般采用鑄造毛坯，可采用鑄鋼或鑄鐵作為齒輪材料。中等或中等以下尺寸要求較高的齒輪常選用鍛造毛坯，可選擇鍛鋼制作。尺寸較小而又要求不高時，可選用圓鋼毛坯。 3. 正火碳鋼，不論毛坯的制作方法如何，只能用于制作在載荷平穩(wěn)或輕度沖擊下工作的齒輪，不能承受大的沖擊載荷；調質碳鋼可用于制作在中等沖擊載荷下工作的齒輪。 4. 合金鋼常用于制造高速、重載并在沖擊載荷下工作的齒輪。 5. 飛行器中的齒輪傳動，要求齒輪尺寸盡可能小，應采用表面硬化處理的高強度合金鋼。 6. 金屬制的軟齒面齒輪，配對兩輪齒面的硬度差應保持在30-50HBS或更多。 3.1.4本設計中齒輪的選用及校核 工件主軸齒輪參數 因為轉軸轉動速度不高，故選用7級精度（GB 10095─88) 小齒輪材料為40Cr（調質）硬度為280HBS 大齒輪采用45鋼（調質）硬度為240HBS 二者材料硬度差為40HBS 模數m=0.5 齒數 大=270 小=36 小齒輪分度圓直徑=m=0.5×36=18mm 大齒輪分度圓直徑=m=0.5×270=135mm 傳動比u=7.5 壓力角 工作齒寬b1=b2=5 齒頂高系數Ha*=1 齒頂隙系數C*=0.25 齒高h=1.125 其嚙合如圖3.1所示 圖3.1 齒輪的強度校核 根據醫(yī)療研究，當切削刀具轉速達10000r/min時，切削時的切向力 F≤40N 本設計中工件尺寸為10×10×20mm 齒面接觸皮料強度校核 校核公式 所需參數如下 按齒面硬度查的小齒輪的接觸疲勞強度極限σ=600MPa 大齒輪的接觸疲勞強度極限σ=350MPa 查的材料的彈性影響系數Z=189.8MPa 機器的工作次數定為每加工一顆牙齒工件主軸轉動20次，每臺機器壽命是加工10萬顆牙齒。則其應力循環(huán)次數 N=20×100000×7.5=1.5×10 N=20x100000=2×10 由此查得接觸疲勞壽命系數K=1.1，K=1.35 計算其接觸疲勞許用應力 取安全系數S=2，得 [σ]==M Pa=330MPa []==M Pa=371.25MPa 故主軸上所受轉矩T=F×=40×=200 大齒輪上轉矩T=T=200 小齒輪上轉矩===26.7 計算載荷系數K K= 根據加工時的載荷狀態(tài)查得使用系數=1.25 根據所選用的精度等級7級查得動載系數=1.1 根據所用齒輪為直齒輪查得齒間載荷分配系數 ==1 計算接觸疲勞強度時用。 計算彎曲疲勞強度時用。 查得齒向載荷分布系數=1.1 故有K==1.25×1.1×1×1.1=1.5125 為區(qū)域系數（標準值齒輪時，α=，=2.5） =189.8×2.5×M Pa =112.8MPa =112.8≤[σ]=330MPa =189.8×2.5×M Pa =41.16MPa =41.16MPa≤[]=371.25MPa 故接觸疲勞強度滿足條件，合格。 彎曲疲勞強度校核 齒根彎曲疲勞強度校核公式 計算載荷系數K= 由上可知 使用系數=1.25 動載系數=1.1 齒間載荷分配系數=1 齒高h=2.25m=2.25×0.5=1.125mm 齒寬b=5mm 由=4.44及=1.1查得=1.07 故K==1.25×1.1×1×1.07=1.47125 查得齒形系數， 查得應力校正系數， 計算彎曲疲勞許用應力 查得彎曲疲勞壽命系數=0.98，=1.08 查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限=500MPa 大齒輪的彎曲疲勞強度極限=380MPa 取彎曲疲勞安全系數S=2 得小齒輪彎曲疲勞許用應力 []=M Pa=245MPa []==M Pa=205.2MPa 彎曲疲勞應力 =M Pa =7.1MPa =M Pa =6.96MPa 有=7.1MPa≤[]=245MPa =6.96MPa≦[]=205.2MPa 故齒輪滿足彎曲強度要求，齒輪選用合格。 通過以上對齒輪的校核，證明齒輪能夠滿足條件。 刀具主軸齒輪參數 因為轉軸轉動速度不高，故選用7級精度（GB 10095─88) 小齒輪材料為40Cr（調質）硬度為280HBS 大齒輪采用45鋼（調質）硬度為240HBS 二者材料硬度差為40HBS 模數m=0.5 齒數 大齒輪=270 小齒輪=18 小齒輪分度圓直徑=m=0.5×18=9mm 大齒輪分度圓直徑=m=0.5×270=135mm 傳動比u=15 壓力角20 齒頂高系數Ha*=1 齒頂隙系數C*=0.25 齒高h=1.125 工作齒寬b1=b2=5 其嚙合如圖3.2所示 根據醫(yī)療研究，當切削刀具轉速達10000r/min時，切削時的切向力 F≤40N 本設計中球頭銑刀距主軸中心的距離為L=40mm 圖3.2 齒輪強度校核 齒面接觸皮料強度校核 校核公式 所需參數如下 按齒面硬度查的小齒輪的接觸疲勞強度極限σ=600MPa 大齒輪的接觸疲勞強度極限σ=350MPa 查的材料的彈性影響系數Z=189.8MPa 機器的工作次數定為每加工一顆牙齒刀具主軸轉動20次，每臺機器壽命是加工10萬顆牙齒。則其應力循環(huán)次數 N=20×100000×15=3×10 N=20x100000=2×10 由此查得接觸疲勞壽命系數K=1.05，K=1.35 計算其接觸疲勞許用應力 取安全系數S=1.2，得 [σ]==M Pa=525MPa []==M Pa=618.7MPa 故主軸上所受轉矩T=F×L=40×40=1600 大齒輪上轉矩T=T=1600 小齒輪上轉矩===106.7 計算載荷系數K K= 根據加工時的載荷狀態(tài)查得使用系數=1.25 根據所選用的精度等級7級查得動載系數=1.1 根據所用齒輪為直齒輪查得齒間載荷分配系數 ==1 計算接觸疲勞強度時用 計算彎曲疲勞強度時用 查得齒向載荷分布系數=1.18 故有K==1.25×1.1×1×1.18=1.6225 為區(qū)域系數（標準值齒輪時，α=，=2.5） =189.8×2.5×M Pa =453.1MPa =453.1MPa≤[σ]=525MPa =189.8×2.5×M Pa =117MPa =117MPa≤[]=618.7MPa 故接觸疲勞強度滿足條件，合格。 彎曲疲勞強度校核 齒根彎曲疲勞強度校核公式 計算載荷系數K= 由上可知 使用系數=1.25 動載系數=1.1 齒間載荷分配系數=1 齒高h=2.25m=2.25×0.5=1.125mm 齒寬b=5mm 由=4.44及=1.18查得=1.1 故K==1.25×1.1×1×1.1=1.5125 查得齒形系數， 查得應力校正系數， 計算彎曲疲勞許用應力 查得彎曲疲勞壽命系數=0.94，=1.08 查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限=500MPa 大齒輪的彎曲疲勞強度極限=380MPa 取彎曲疲勞安全系數S=2 得小齒輪彎曲疲勞許用應力 []=M Pa=235MPa []==M Pa=205.2MPa 彎曲疲勞應力 =M Pa =63.9MPa =M Pa =57.2MPa 有=63.9MPa≤[]=235MPa =57.2MPa≦[]=205.2MPa 故齒輪滿足彎曲強度要求，齒輪選用合格。 通過以上對齒輪的校核，表明所選用齒輪均符合要求。 3.2一些部件的設計選用說明 3.2.1雙片薄齒輪消除側隙 本設計中的數控機床進給系統由于經常處于自動變向狀態(tài)，數控機床反向時如果傳動鏈中的齒輪存在間隙,就會使進給運動的反向滯后于指令信號，從而影響其驅動精度數控機床，因此必須采取措施消除齒輪傳動中的間隙，提高加工精度。本設計中采用的消除側隙的方法是雙片薄齒輪錯齒消隙法。雙片薄齒輪錯齒消隙法關鍵是計算彈簧的拉力。一方面，使它能夠克服最大轉矩，數控機床否則將失去消除間隙的作用；另一方面轉矩又不能太大，其目的是減少齒面的摩擦和磨損，減少傳動損耗。本設計中轉矩非常小，故彈簧無需校核。本設計中消側隙薄齒輪如下圖3.3所示 圖3.3 該齒輪由兩個傳動參數相同的圓柱齒輪組成,齒輪2用拉簧4與固定齒輪相連接,在齒輪1上呈浮動狀態(tài)。當與其它齒輪嚙合時,先將浮動齒輪2相對于齒輪1轉過幾齒,彈簧被拉開,使消隙齒輪齒部與嚙合齒產生夾緊作用,消除了齒側間隙。 通過使用雙片薄齒輪消隙法，數控機床的加工精度得到進一步提高。 3.2.2滾珠絲杠螺母與主軸的配合 在數控進給傳動系統中一般采用滾珠絲杠螺母副來改善摩擦特性。滾珠絲杠副的優(yōu)點是: (1)傳動效率高，滾動摩擦的摩擦損失小。 (2)摩擦力小，因靜、動摩擦因數小，故而傳動靈敏、運動平穩(wěn)、低速不易“爬行”、隨動精 度和定位精度高。 (3)可預緊經預緊后可消除軸向間隙，有助于定位精度和剛度提高，既使反向也沒有空行程，反向定位精度高，且傳動平穩(wěn)。 (4)有可逆性因摩擦因數小，所以不僅可將旋轉運動轉換成直線運動，也可將直線運動 轉換為旋轉運動，絲杠和螺母既可作為主動件，也可作為從動件。 (5)使用壽命長，滾珠絲杠副采用優(yōu)質合金鋼制成，其滾道表面摔火硬度達HRC60- 62，表面粗糙度值小，而且是滾動摩擦，故磨損很小、使用壽命長。 因為滾珠絲杠副具有這些優(yōu)點，所以在各類中、小型數控沖床的直線進結系統中得到普遍應用。 考慮到滾珠絲杠副的這些優(yōu)點，本設計中的各軸的軸向進給，均是通過滾珠絲杠副實現的，并且由于受到機床尺寸及空間位置的限制，本設計中，滾珠絲杠螺母與主軸均采通過螺紋連接在一起。 3.2.3主軸與大齒輪的配合 由于主軸壁厚較小，不適合開鍵槽，故本設計中主軸與大齒輪均采用過盈配合，過盈配合連接結構簡單，對中性好，承載能力達，承受沖擊能力強，對周消弱少。此過盈配合在加工過程中時，主要受到轉矩的作用。由上計算可知，所受轉矩的最大值=1600。 過盈連接的設計計算 過盈聯接是利用零件間的配合過盈實現聯接的。由于配合直徑間有過盈量，在裝配后的配合面上，產生了一定的徑向壓力。當連接承受軸向力F或扭矩T時，配合面上產生摩擦阻力或摩擦阻力矩來抵抗和傳遞外載荷。 為了保證過盈連接的工作能力，強度計算必須包含兩個方面：一方面是在已知載荷的條件下，計算過盈面所需產生的壓力和產生這個壓力所需的最小過盈量；另一方面是在選定的標準過盈配合下，校核連接的各零件在最大過盈量時的強度。 本設計中主要承受轉矩=1600，則應保證在此轉矩作用下不產生周向滑移。亦及當徑向壓力為時，在轉矩T的作用下，配合面所能產生的摩擦阻力矩應大于或等于轉矩T。 設配合面上的摩擦系數為,則 因需保證，故得 其中，T為所傳遞的轉矩，d為配合的公稱直徑，為配合長度。 本設計中 T=1600 d=34mm =30mm 根據大齒輪材料45鋼，主軸材料HT250，采用壓入法有潤滑裝配查得=0.08. 則≥M Pa=0.367MPa 確定最小有效過盈量，選定配合種類 1） 求滿足上述p值所需的最小過盈量 ,──分別為被包容件與包容件材料的彈性模量，M Pa； ──被包容件的剛性系數 ， ； ──包容件的剛性系數，； ,──分別為別包容件的內徑和包容件的外徑，mm； ，──分別為被包容件與包容件材料的泊松比。對于剛，=0.3；對于鑄鐵=0.25。 經查表得 =0.25，=0.3；=1.3×10M Pa，=2.1×10M Pa；=26mm，=44mm； ==3.57； ==4.26 將以上各值代入得 =0.367×34××10=0.60 選擇標準配合確定標準過盈量。確定配合孔的表面粗糙度為孔為根據下表選取=6.3;=10 表3.1 則=[0.6+0.8(6.3+10)]≈14 由于齒輪傳遞轉矩較小，有公差配合表選配合，其孔公差為34；軸公差為34，此標準配合可能產生的最大過盈量=（59-0）=59；最小過盈量為（43-25）=18≥=14，合用。 計算過盈連接的強度 因所選標準配合可以產生足夠的徑向壓力，故連接強度已保證?，F只需校核連接零件本身的強度。已知所選配合的最大過盈量=59，但因采用壓入法裝配，考慮配合表面微觀峰尖被擦去2=0.8()，故裝配后可能產生的最大徑向壓力 =M Pa=28.3MPa 有手冊查處包容件齒輪材料45鋼的屈服強度=280MPa 則有=2617MPa 因 =28.3MPa遠小于2617MPa，故齒輪套圈強度足夠，而被包容件材料為HT250，具有很高的抗壓強度，無需經行校核，故連接零件本身強度均已足夠。 經計算，齒輪套圈與主軸選用配合可以滿足要求，且刀具主軸所受轉矩大于工件主軸，故本設計中三根軸均采用此配合，滿足要求。 3.3本章小結 本章主要是對齒輪進行設計并進行強度校核，并且對齒輪與主軸的過盈配合進行設計并進行強度校核，提出了齒輪嚙合時消除側隙提高加工精度的一些方法，以及滾珠絲杠副在本設計中的使用，從而對義齒雕刻機做了一個整體的設計。 第四章 結論與展望 4.1結論 牙齒缺失或破損是常見的口腔疾病之一。傳統的口腔修復技術比較落后，加工周期長，精度差，制作出的義齒需要經過多次試戴和修改，無法滿足患者要求。義齒雕刻系統在國外的研究已有近四十年的歷史，其優(yōu)良的性能得到了國內外廣大消費者的認可，但其價格昂貴，不能夠大量引進。所以，研制出具有自主知識產權的義齒修復系統意義深遠。本文正是在這種背景下，在借鑒國外著名義齒雕刻系統設計方法的基礎上，結合我國國情對義齒雕刻系統進行了初步的設計，并得出以下結論： 1.提出了建立義齒雕刻系統應該遵守的四個基本原則，并對義齒雕刻系統的總體結構進行了初步設計，為以后義齒 CAD/CAM 系統的建立奠定了基礎。 2.對修復體的加工運動進行了分析，并在此基礎上設計了義齒加工機床的 總體方案。 3.設計出體積小，加工精度高的數控義齒雕刻機床機加工部分。 4.采用雙側球頭銑刀加工，大大提高了加工效率，縮短口腔修復周期。 5.球頭銑刀安裝在高速馬達上，轉速超過10000r/min，提高了加工精度 6.采用雙薄齒輪消除側隙，進一步提高了加工精度。 4.2展望 開發(fā)一套完整的義齒雕刻系統需要做大量的工作，本課題的研究內容僅是其中的一部分，對義齒雕刻機床的加工部分做了初步的設計，為以后讓人們對義齒雕刻機的研究打下一個基礎。由于國內在該領域的研究還有很長的路要走，還有很多難題有待深入研究和突破。 1.本課題只研究設計了義齒雕刻系統的加工板塊，其數控板塊仍然是一個難題，有待我們進一步的研究設計。 2.義齒模型數據的采集在整個義齒雕刻系統中占有重要地位，如果數據采集不精確，加工精度再高，也無法制造出患者所需要的義齒，因此，我們要對牙齒數據的采集做進一步研究 3.義齒 CAD/CAM 系統的軟件開發(fā)和集成也是亟待解決的問題之一，這也是義齒 CAD/CAM 系統設計過程中的重點與難點。 致謝 參考文獻 [1] 濮良貴，紀名剛. 機械設計. 8版. 北京：高等教育出版社，2006. 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