专利名称：一种具有参数测量功能的骨骼振动钻削平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及骨科、医疗、机械等各种领域，更具体地说是涉及一种具有参数测量功 能的骨骼振动钻削平台。
背景技术：
随着微创概念在骨科手术中的不断推广和深入，在保障手术效果的前提下尽量减 小手术操作对患者的损伤已成为未来骨科手术发展的重要方向。骨骼钻削是骨科手术中最 基本、最常见的手术操作方式之一，钻削过程中产生的切削热会对骨骼造成不可逆的损伤。 热损伤会导致骨骼坏疽甚至引发骨髓炎，这不仅会影响术后恢复还会直接影响手术效果。
振动钻削是在钻头上附加轴向高频振动的新型钻削方式。通过附加振动而带来的 脉冲作用能有效地改善钻削效果，并能显著降低钻削过程中的切削热。
利用这种具有参数测量功能的骨骼振动钻削平台，能够开展骨骼振动钻削实验研 究，并且能够容易地调整振动的频率和振幅，同时能够对振动钻削过程中的切削热和切削 力进行实时在线测量。本发明对于研究新型的骨骼钻削方式，改善手术效果，促进患者术后 恢复具有重要的意义。发明内容
本发明提供了一种具有参数测量功能的骨骼振动钻削平台。由于振动钻削理论证 明钻削时钻头振动和工件振动是等效的，因此本发明使用了使工件(即骨骼)振动的方案。
本发明中的振动平台能够固定骨骼样本，同时能够带动骨骼样本在垂直于底座的 方向进行频率和振幅可控的振动。所述振动平台有一转盘，转盘上沿圆周等间隔安装4块 永磁铁，南北极互相间隔。与转盘相对的振动板底面也同样安装4块永磁铁，南北极互相间 隔。电机带动转盘转动，使转盘上永磁铁与振动板底面永磁铁循环发生同极相斥-异极相 吸作用，使振动板垂直运动，从而带动骨样本上下振动。通过调整电机转速能够控制振动频 率，通过调整转盘与振动板之间的间距能够控制振幅。
进行振动钻削时，钻头由手持式电钻通过柔性传动轴驱动,钻头由钻削进给平台 带动实现匀速进给。通过调整钻削进给平台的运动速度，能够控制钻削的进给速度，通过控 制进给平台的运动距离，能够设定钻孔的深度。
参数测量系统采用激光微距传感器实时测量振动平台的振幅和频率，采用压力传 感器在线测量钻削过程中的钻削力，通过将小型热电偶测温单元预埋在钻孔处附近，实时 测量骨样本钻孔处的温度。每个测量装置都与计算机相连，从而实现对测量数据的实时显 示和记录。
本发明设计的具有参数测量功能的骨骼振动钻削平台的优点包括
1、能够实现对骨骼样本的振动钻削，且能够容易地调整振动的频率和振幅，以方 便骨骼振动钻削的实验研究。
2、能够对骨骼振动钻削过程中的切削热、进给力、振动频率和振幅进行实时在线测量。
3、本发明结构简单、使用方便、成本较低，具有较好的使用和推广价值。
图1是本发明的一种具有参数测量功能的骨骼振动钻削平台的结构示意图2是本发明的振动平台的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示的，本发明提出的具有参数测量功能的骨骼振动钻削平台包括底座1、 支架2、进给平台3、压力传感器4、连杆5、连接板6、柔性传动轴7、手持式电钻8、钻头9、小 型热电偶测温单元10、样本夹具11、振动平台12、激光微距传感器13、传感器支撑架14、数 据采集盒15。
底座I固定在水平桌面上，两根支架2垂直固定在底座I的上表面，进给平台3两 端与支架2连接，并且能够沿垂直于底座I的方向匀速运动。进给平台3和支架2构成龙 门型结构。进给平台下面安装力传感器4，用于钻削过程进给力的实时测量。传感器下面固 定有连杆5，且连杆5与连接板6固定，连接板6上同时还固定有柔性传动轴7。所述柔性 传动轴7的末端安装钻头9，另一端与手持式电钻8的主轴相连。当手持式电钻8开动后， 通过柔性传动轴7可带动钻头9旋转。而且通过连杆5和连接板6，进给平台3能够带动钻 头9进行上升或下降，同时钻削时的反作用力也通过连杆5和连接板6传递到压力传感器 4上。
振动平台12放置在底座I的上表面，样本夹具11安装在振动平台12上部的振动 板上。钻削时骨骼样本安装在样本夹具11上，小型热电偶测温单元10预埋在骨骼样本钻 孔处附近。传感器支撑架14放置在底座I上表面，激光微距传感器13安装座传感器支撑 架14上，且调整到合适的位置，其测量点对准振动平台12上部的振动板，因此能够测量振 动的频率和振幅。压力传感器4、小型热电偶测温单元10和激光微距传感器13的都连接到 数据采集盒15，所述数据采集盒15再通过串口与计算机连接，因此测量的力、温度、频率、 振幅数据都能够实时传输到计算机进行存储和处理。
如图2所示，本发明提出的振动平台包括底座201、支柱202、水平板203、振动板 204、直流电机205、转盘206、转盘永磁铁207、振动板永磁铁208、支撑柱209、连杆210、橡 胶垫211。
底座201作为振动平台的基础、四个支柱202垂直固定在底座201的四个角上。支 柱202上端固定水平板203，构成振动平台的基础框架结构。水平板203下表面的中央位置 安装有直流电机205，所述直流电机205的输出轴与转盘206相连，因此能够带到转盘206 旋转。转盘206上沿圆周等间隔安装4块转盘永磁铁207，南北极互相间隔(即为NSNS)。水 平板203上表面有四个连杆210，且水平板203与连杆210之间有橡胶垫211。连杆210上 端连接振动板204，且连杆210上与振动板204之间也有橡胶垫211。由于橡胶垫211能够 压缩变形，使得振动板204能够在垂直方向进行小幅的运动。振动板204下表面同样沿圆 周等间隔安装4块振动板永磁铁208，且同为南北极互相间隔。因此转盘永磁铁207与振动 板永磁铁208两两相对，当转盘206转动时，转盘永磁铁207与振动板永磁铁208会交替出现同极相斥/异极相吸的现象，从而带动振动板204上下运动。通过改变直流电机205的 转速，能够调整振动的频率。在转盘206与振动板204之间有支撑柱209，用于调整转盘永 磁铁207与振动板永磁铁208之间的初始距离。改变支撑柱209的高度，能够调整振动的 振幅。支撑柱209用聚四氟乙烯制成，因此具有耐磨和自润滑的特性。
权利要求
1.一种具有参数测量功能的骨骼振动钻削平台，其特征在于骨骼振动钻削平台包括用于固定骨样本并提供可控振动的振动平台，以及用于控制钻头高度与进给速度的钻削平台；参数测量系统包括用于测量振动平台振幅和频率的激光微距传感器，用于测量进给力的压力传感器，以及用于测量骨样本钻孔处温度的小型热电偶测温单元；所述的一种具有参数测量功能的骨骼振动钻削平台包括底座(I)、支架(2)、进给平台(3)、压力传感器(4)、连杆(5)、连接板(6)、柔性传动轴(7)、手持式电钻(8)、钻头(9)、小型热电偶测温单元(10)、样本夹具(11)、振动平台(12)、激光微距传感器(13)、传感器支撑架(14)、数据采集盒(15);底座(I)固定在水平桌面上，两根支架(2)垂直固定在底座(I)的上表面，进给平台(3)两端与支架(2)连接，并且能够沿垂直于底座(I)的方向匀速运动；进给平台(3)和支架(2)构成龙门型结构；进给平台(3)下面安装压力传感器(4)，用于对钻削过程进给力的实时测量；传感器下面固定有连杆(5 )，且连杆(5 )与连接板(6 )固定，连接板(6 )上同时还固定有柔性传动轴(7)，所述柔性传动轴(7)的末端安装钻头(9)，另一端与手持式电钻(8)的主轴相连；当手持式电钻(8)开动后，通过柔性传动轴(7)可带动钻头(9)旋转，而且通过连杆(5)和连接板(6)，进给平台(3)能够带动钻头(9)进行上升或下降，同时钻削时的反作用力也通过连杆(5)和连接板(6)传递到压力传感器(4)上；振动平台(12)放置在底座(I)的上表面，样本夹具(11)安装在振动平台(12)上部的振动板上；钻削时骨骼样本安装在样本夹具(11)上，小型热电偶测温单元(10)预埋在骨骼样本钻孔处附近；传感器支撑架(14)放置在底座(I)上表面，激光微距传感器(13)安装在传感器支撑架(14)上，且调整到合适的位置，其测量点对准振动平台(12)上部的振动板，因此能够测量振动的频率和振幅；压力传感器(4)、小型热电偶测温单元(10)和激光微距传感器(13)的都连接到数据采集盒(15)，所述数据采集盒(15)再通过串口与计算机连接，因此测量的力、温度、频率、振幅数据都能够实时传输到计算机进行存储和处理。
2.根据权利要求1所述的具有参数测量功能的骨骼振动钻削平台，其特征在于本发明提出的振动平台包括底座(201)、支柱(202)、水平板(203)、振动板(204)、直流电机(205 )、转盘(206 )、转盘永磁铁(207 )、振动板永磁铁(208 )、支撑柱(209 )、连杆(210)、橡胶垫(211)。
3.根据权利要求1所述的振动平台，其特征在于底座(201)作为振动平台的基础、四个支柱(202)垂直固定在底座(201)的四个角上。支柱(202)上端固定水平板(203)，构成振动平台的基础框架结构。水平板(203 )下表面的中央位置安装有直流电机(205 )，所述直流电机205的输出轴与转盘(206)相连，因此能够带到转盘(206)旋转。转盘(206)上沿圆周等间隔安装4块转盘永磁铁(207 )，南北极互相间隔，即为NSNS。水平板(203 )上表面有四个连杆(210)，且水平板(203 )与连杆(210 )之间有橡胶垫(211)。连杆(210)上端连接振动板(204)，且连杆(210)上与振动板(204)之间也有橡胶垫(211)。由于橡胶垫(211)能够压缩变形，使得振动板(204)能够在垂直方向进行小幅的运动。振动板(204)下表面同样沿圆周等间隔安装4块振动板永磁铁(208)，且同为南北极互相间隔。因此转盘永磁铁(207)与振动板永磁铁(208)两两相对，当转盘(206)转动时，转盘永磁铁(207)与振动板永磁铁(208)会交替出现同极相斥/异极相吸的现象，从而带动振动板(204)上下运动。通过改变直流电机(205)的转速，能够调整振动的频率。在转盘(206)与振动板204之间有支撑柱(209 )，用于调整转盘永磁铁(207 )与振动板永磁铁(208 )之间的初始距离。改变支撑柱(209)的高度，能 够调整振动的振幅。支撑柱(209)用聚四氟乙烯制成，因此具有耐磨和自润滑的特性。
全文摘要
本发明提供了一种具有参数测量功能的骨骼振动钻削平台，包括骨骼振动钻削平台和参数测量系统两部分。骨骼振动钻削平台包括用于固定骨样本并提供可控振动的振动平台，以及用于控制钻头高度与进给速度的钻削平台。参数测量系统包括用于测量振动平台振幅和频率的激光微距传感器，用于测量进给力的压力传感器，以及用于测量骨样本钻孔处温度的小型热电偶测温单元。本发明能够实现骨骼振动钻削，并能对钻削过程中的切削热、进给力、振动频率和振幅四个参数进行实时在线测量，为骨骼钻削中切削热控制手段的研究提供硬件平台。本发明所采用的方法和设备简单，成本低，且有很强的鲁棒性。
文档编号G01N3/02GK103018121SQ201210483059
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者王豫, 曹萌, �：＞�, 朱罡, 董睿, 李晓斐, 牛永山 申请人:北京航空航天大学, 北京航空航天大学深圳研究院
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