一种骨材料钻削状态监测的设备及使用方法技术

本发明专利技术公开了一种骨材料钻削状态监测的设备及使用方法，包括Z方向进给机构、XY方向移动机构、测力仪、骨材料夹持机构、位移传感器、工业相机、测力仪和声发射信号传感器。利用计算机控制工业相机移动至钻头正下方，采集刃口图像并测量后刀面磨损量，位移传感器测量钻头实际进给距离，测力仪实时对钻削过程XYZ三个方向力信号进行采集，利用安装于骨材料夹持机构的声发射信号传感器对钻削过程的声发射信号进行实时采集，并根据所采集的各类信号建立后刀面磨损量预测模型。本发明专利技术可以更精确地测量钻削力及钻削深度，实现骨材料钻削过程测量信号在计算机中的实时波形输出，并实现在计算机中实时显示刀具后刀面磨损量预测值。机中实时显示刀具后刀面磨损量预测值。机中实时显示刀具后刀面磨损量预测值。

【技术实现步骤摘要】
一种骨材料钻削状态监测的设备及使用方法


[0001]本专利技术涉及一种骨材料钻削状态监测的设备及使用方法，属于加工过程监测


技术介绍

[0002]目前，钻削作为外科手术骨组织去除方法之一，已经在骨科手术中被广泛使用，大部分刀具材料仍用易磨损的医用级不锈钢，且在术前通常需要对刀具进行高温及化学消毒杀菌，会加剧刀具磨损速度，在骨材料钻削过程中刀具磨损会加剧刀具与骨材料的摩擦，导致骨材料切削表面质量严重下降，切削力增大，切削温度上升，对骨组织及其周围组织造成严重伤害，甚至导致刀具破损或者断裂并残留在病人体内。
[0003]现有骨材料钻削过程为手持骨钻进行钻孔，在钻削过程中并未对钻削过程进行对应信号的监测，未在每次钻削前对刀具磨损量进行采集，无法对钻削深度及钻削力进行实时监测，无法对骨材料进行便捷的夹紧和固定且无法实现在钻削过程中对后刀面磨损量值做出预测。

技术实现思路

[0004]本专利技术的技术任务是针对上述存在的问题，设计出一种骨材料钻削状态监测的设备及使用方法。
[0005]本专利技术是通过如下的技术方案来实现：一种骨材料钻削状态监测的设备及使用方法，包括：Z方向进给机构、XY方向移动机构、测力仪及骨材料夹持机构，其特征在于，所述Z方向进给机构安装于XY方向移动机构正上方，所述XY方向移动机构上方安装有测力仪，所述测力仪上方安装有骨材料夹持机构；所述Z方向进给机构包括丝杠滑台、位移传感器、主轴电机安装板及钻头，所述位移传感器安装于丝杠滑台右侧主轴电机安装板上方；所述XY方向移动机构表面加工有工业相机放置凹槽，固定有工业相机；所述骨材料夹持机构，包含夹具底座；所述夹具底座通过固定螺孔固定于测力仪；通过调节装置使丝杠转动，驱动夹具进给滑块向前运动；所述骨材料夹持机构后端内部加工有滑道，限位滑块在滑道进行位置调节，通过螺栓紧固限位滑块位置；所述夹具底座加工有声发射信号传感器限位槽，安装有声发射信号传感器。
[0006]进一步地，在钻削开始前，将简单锯削后的骨材料工件置于所述骨材料夹持机构中进给滑块与限位滑块之间，通过调节装置使丝杠转动，驱动夹具进给滑块向前运动，通过调节限位滑块在滑道中的位置，最终使用夹具进给滑块及限位滑块对骨材料工件进行夹持。
[0007]进一步地，所述测力仪、位移传感器、工业相机通过数据线与计算机相连接。
[0008]进一步地，一种骨材料钻削状态监测的设备及使用方法的具体工作方法包括：设备初始化及准备阶段、钻削及数据采集阶段、数据保存阶段、判断是否需要更换材料阶段；确保各类传感器运行正常，准备钻削材料，在计算机内预置程序控制XY方向移动机构将工
业相机移动至钻头正下方，采集刀具刃口图像传入计算机，经计算机处理得到刀具后刀面磨损量，开始本次钻削；钻削开始，测力仪、位移传感器及声发射信号传感器同时开始工作；钻削过程中，采集钻削过程中XYZ三个方向力信号、钻削深度及钻削过程声发射信号，并在计算机中进行实时波形、后刀面磨损量、后刀面磨损量预测值及钻削深度的显示；钻削结束时，测力仪、位移传感器及声发射信号传感器同时停止工作，将所采集信号传入计算机进行保存；判断骨材料工件是否含有下一次钻孔位置，若有，则开始相同材料下次钻削数据采集，开始下一次数据采集；若无，则结束数据采集工作。
[0009]进一步地，当钻头触碰到本次钻削所用骨材料，测力仪Z方向力产生变化时，视为钻削开始。
[0010]进一步地，测力仪测量固定在骨材料夹持机构上装夹的骨材料工件XYZ三个方向力；钻削开始时位移传感器测量主轴电机安装板Z方向的实际进给距离，其视为钻削过程真实钻削深度；声发射信号传感器固定于骨材料夹持机构上且距离骨材料工件较近，使钻削过程的声发射信号测量更加准确。
[0011]进一步地，当计算机控制钻削设备不再向下进给，位移传感器无Z方向数据变化时，视为钻削结束。
[0012]进一步地，在数据采集结束后，将所采集到的声发射信号数据及XYZ三个方向力信号进行预处理及特征提取等操作后作为特征向量，将工业相机测量得到的后刀面磨损量作为数据集标签，作为模型训练的输入，进行模型的训练，使该模型能达到对刀具后刀面磨损量的预测。
[0013]本专利技术的有益效果：本专利技术的一种骨材料钻削状态监测的设备及使用方法，可以更高效和准确的对骨材料钻削过程进行实时监测；本专利技术满足不同形状和硬度骨材料的安装、定位和夹紧，保证钻削工件稳定；本专利技术优化了钻削过程中无法对钻削深度测量的问题；本专利技术通过所采集到的数据进行后刀面磨损量预测模型的构建，解决了无法在钻削过程中判断刀具磨损的问题。
附图说明
[0014]图1为本专利技术实例一种骨材料钻削状态监测的设备及使用方法的结构示意图。
[0015]图2为本专利技术实例一种骨材料钻削状态监测的设备及使用方法的骨材料夹持机构结构示。
[0016]图3为本专利技术所述一种骨材料钻削状态监测的设备及使用方法的工作流程图。
[0017]图4为本专利技术所述一种骨材料钻削状态监测的设备及使用方法中数据传输流程图。
[0018]图5为本专利技术所述一种骨材料钻削状态监测的设备及使用方法计算机具体监控界面。
[0019]图中标号：Z方向进给机构（10）、丝杠滑台（11）、位移传感器（12）、主轴电机安装板（13）、钻头（14）、XY方向移动机构（20）、工业相机放置凹槽（21）、工业相机（22）、测力仪（30）、骨材料夹持机构（40）、夹具底座（41）、固定螺孔（42）、调节装置（43）、丝杠（44）、夹具进给滑块（45）、滑道（46）、限位滑块（47）、声发射信号传感器限位槽（48）、声发射信号传感器（49）。
具体实施方式
[0020]为使本专利技术实现的技术手段易于明白了解，下面结合具体实施方式及附图，进一步阐述本专利技术，在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。
[0021]实施例一，数据集准备及模型训练过程。
[0022]作为本专利技术的一个实施例，如图3所示将各类传感器通过线缆连接至计算机，声发射信号传感器通过放大器及高速采集卡连接至计算机，将测力仪通过放大器及低速采集卡连接至计算机，工业相机直接连接到计算机。
[0023]数据采集过程如图4所示，在钻削开始前进行设备初始化及准备工作，确定各类传感器运行正常，在计算机内预置程序控制工作台将工业相机移动至钻头正下方，采集刀具刃口图像传入计算机，经计算机处理得到刀具后刀面磨损量，开始本次数据采集；钻削及数据采集阶段：钻削开始，测力仪、位移传感器及声发射信号传感器同时开始工作；钻削过程中，测力仪测量固定在骨材料夹持机构上装夹的骨材料工件XYZ三个方向力；钻削开始时位移传感器测量主轴电机安装板Z方向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种骨材料钻削状态监测的设备及使用方法，包括：Z方向进给机构（10）、XY方向移动机构（20）、测力仪（30）及骨材料夹持机构（40），其特征在于，所述Z方向进给机构（10）安装于XY方向移动机构（20）正上方，所述XY方向移动机构（20）上方安装有测力仪（30），所述测力仪（30）上方安装有骨材料夹持机构（40）。2.根据权利要求1所述的一种骨材料钻削状态监测的设备及使用方法，其特征在于：所述Z方向进给机构（10）包括丝杠滑台（11）、位移传感器（12）、主轴电机安装板（13）及钻头（14），所述位移传感器（12）安装于丝杠滑台（11）右侧且位于主轴电机安装板（13）上方。3.根据权利要求1所述的一种骨材料钻削状态监测的设备及使用方法，其特征在于：所述XY方向移动机构（20）表面加工有工业相机放置凹槽（21），其内部固定有工业相机（22）。4.根据权利要求1所述的一种骨材料钻削状态监测的设备及使用方法，其特征在于：所述骨材料夹持机构（40），包含夹具底座（41）；所述夹具底座（41）通过固定螺孔（42）固定于测力仪（30）；通过调节装置（43）使丝杠（44）转动，驱动夹具进给滑块（45）向前运动；所述骨材料夹持机构（40）后端内部加工有滑道（46），限位滑块（47）在滑道（46）进行位置调节，螺栓紧固限位滑块（47）位置；所述夹具底座（41）加工有声发射信号传感器限位槽（48），内部固定有声发射信号传感器（49）；在钻削开始前，将简单锯削后的骨材料工件置于所述骨材料夹持机构（40）中进给滑块（45）与限位滑块（47）之间，通过调节装置（43）使丝杠（44）转动，驱动夹具进给滑块（45）向前运动，通过调节限位滑块（47）在滑道（46）中位置，将骨材料工件进行夹持。5.根据权利要求1所述的一种骨材料钻削状态监测的设备及使用方法，其特征在于：设备初始化及准备阶段、钻削及数据采集...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘立佳，曾令晨，唐伟男，周长利，王义文，付鹏强，王锦澳，王志，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：