义齿数控加工刀具轨迹生成及其CAM实现研究

发布时间：2020-10-09 23:25

　　在传统的口腔修复体制作过程中,几乎每道工序都会涉及人工操作。因此,其义齿制作周期较长,精度也难以保证。自20世纪末以来,CAD/CAM技术已被广泛应用于口腔修复体的设计、加工和制作过程。CAD技术主要采用计算机技术和数字图像处理技术辅助进行修复体的设计;而CAM则是先利用软件计算生成数控代码,再控制机床进行修复体的成型加工。与传统方法相比,数字化口腔修复CAD/CAM技术自动化程度较高,在1小时内即可获得质量较高的修复体。本课题主要研究口腔修复体数控加工过程中的刀具轨迹生成策略及其CAM算法功能实现的问题。主要目标是为修复体粗加工、精加工过程生成光滑连续且加工效率较高的刀具轨迹。本文利用C++程序实现所提出的刀轨生成算法,具体研究内容如下:(1)三角网格曲面模型几何拓扑信息建模。为便于进行后续的刀具轨迹规划工作,选取半边数据结构对网格曲面进行拓扑重建,并去除冗余的顶点信息。针对网格曲面法矢、曲率不连续的情况,引入一种形状面积权重法估算刀触点处的法矢量。基于最小二乘原理对网格曲面进行局部二次拟合,得到相关的微分几何信息。(2)修复体加工刀具轨迹生成及其后处理。以磨牙冠修复体为研究对象,在粗加工刀具轨迹生成中,采用改进的截平面法,并充分利用网格曲面的拓扑邻域信息,提高了刀具轨迹的求解效率。在精加工刀具轨迹生成中,基于调和映射理论,利用等参数环螺旋线法生成初始的单环螺旋轨迹,并通过等残留高度法对其进行迭代计算,最终生成了光滑连续且加工效率较高的等残高复合螺旋刀具轨迹。同时,在上述的刀轨生成过程中,都需要对初始生成的刀具轨迹进行必要的自交、干涉及冗余后处理,以保证所生成的刀具轨迹具备良好的加工性能。(3)刀轨规划软件开发及加工实验验证。在Qt开发环境下,完成了刀轨规划软件DentalCAM的主要功能模块的开发工作。同时,将本文刀轨生成算法与WorkNC软件在计算时间、加工效率上进行对比、分析,并通过实验验证本文方法的可行性及有效性。结果表明本文中的刀轨生成方法能够在保证加工表面质量的前提下尽可能地提高加工效率,所得磨牙冠满足口腔修复的临床应用需求。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TG659;TH787.1
【部分图文】：

形貌,口腔修复体

随着我国经济水平的提高和医疗技术的应用普及，理论上人们的口腔状况应该可以得到逐步改善。但是，由于生活方式和饮食结构的改变，普通民众发生口腔疾病的可能性仍然较高。国家卫计委于 2017 年 9 月公布了第四次全国口腔健康流行病学调查结果。其中，12 岁以下儿童患龋齿的比例达到 34.5%，相比第三次调查提高约 8%，且农村高于城市，情况不容乐观。中年人检出牙石和牙龈出血的比率仍然较高，口腔健康状况有待提高。老年人口腔健康状况在向好发展，65-74 岁老年人存留牙数为 22.5 颗，比十年前平均增加 1.5 颗，修复比例上升了 29.5%。不过整体上来看，与 2007 年第三次全国口腔健康调查结果相比，国民普遍更加重视口腔健康问题，并在日常的生活习惯上做出改变，但仍有较大的提升空间。而在口腔修复方面，随着口腔医疗水平的逐步提高，这十年间，我国口腔修复的比率平均提高了35%。尤其是老年人牙齿缺损修复的比例提高到63.2%，全口无牙的比例下降了33.8%，可以说义齿修复技术极大地改善了老年人群的口腔状况。一般而言，用于牙体缺损的口腔修复体是指人造冠、嵌体和贴面（如图 1-1 所示），制作完成的修复体要求能够恢复缺损牙体原来的外观、形貌和生理功能。

印模,技术,口腔修复体,工程硕士学位

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文对经过预处理的点云数据进行三维数字化模型重建。目前，普遍使用离散三角网格曲面来近似表达修复体的表面轮廓，其一般为 STL（stereo lithography）文件格式[3]。此外，也可以使用 Bezier 曲面和 NURBS 等参数曲面进行表达，但后两者在表示复杂三维结构时往往不够充分，处理也较繁琐，故较少采用。如图 1-4 所示为上述数字化印模过程生成的 3 个数据模型，它们在之后也将作为口腔修复体CAD/CAM 系统的输入文件。

研磨系统,修复体

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文（德国 Kavo 公司）及 E4D 系统（美国 E4D 公司）等都是较为常见而成熟的系统。其中，应用最多的、最成熟的成套椅旁数字化修复系统仍然是 CEREC 系统。CEREC 的 CAD 软件部分可以自动识别现有模型特征及其颈缘线，能为病患的不同牙齿形态构建咬合面，并根据需要提供对标准修复体模型的参数化设计和自由曲面级别的变形操作。CEREC 的 CAM单元根据功能不同有所区别。CEREC-3 系统简单实用，机床使用两支车针三维打磨并精修修复体，其末端分别为圆锥头和平头状。CEREC-3 性价比较高，但通常仅限于对单颗口腔修复体的设计制作。CEREC-MC 系统（如图 1-5 所示）则能够完成单牙或桥体的制作，其配有四支车针，具备修复体多面同时加工和自动换刀能力，系统功能更趋完善。

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