[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】在开放CAM牙科系统基础上的国产5轴联动轮廓加工数控机床和工业CAM软件-中文翻译

1 在开放 CAM 牙科系统基础上的国产 5 轴联动轮廓加工 数控机床和工业 CAM 软件 鲁莉，刘树生，施生根，杨建中 1， 北京朝阳医院口腔科，首都医科大学，北京 100000，中国 2， 北京胜维弘技数控设备有限公司，北京 100002，中国 3， 中国人民解放军 306 医院，北京 10000，中国 4， 华中科技大学科学与技术学院工程研究中心，武汉 430060，中国 华中科技大学科技出版社与柏林海德堡施普林格出版社 2011 摘要 ： 中国制造的 5 轴联动轮廓加工数控机床与国内发达的工业计算机辅助制造技术（ CAM）被用于全冠的制作和冠的精度测量，试图建立一个开放的牙科 CAM系统以处理和推进国内牙科引进计算机辅助设计 CAD/ CAM 系统。市售的扫描设备是用于制备冠后做一个基本的数字牙模型，与 CAD 软件自带的扫描装置设计冠采用国产工业 CAM 软件为冠数据的过程中产生固体模型，然后国产五轴联动轮廓数控机床来完成整个树冠的加工，采用三维 CT 测量的树冠内部的内部精度。测量结果表明 ,中国实现了五轴联动轮廓数控机床与工业 CAM 技术对于冠制作的结合运用，而且冠可在模具内很好的定位。利用三维 CT 测量内部精度的结论是一个在开放的牙科 CAM 系统的基础上，中国制造的 5 轴联动轮廓加工数控机床和国内工业 CAM 软件已经建立。该系统的发展将推动牙科 CAD /CAM 系统的国产进程。 关键词 ： 牙科计算机辅助设计与制造；五轴联动轮廓数控机床； CAM 软件；开放牙科 CAM 系统 随着生活标准的提高，中国对假牙的需求一直在上升。计算机辅助设计（ CAD）和计算机辅助制造（ CAM）技术，统称为 CAD CAM 可广泛应用于工业自2 动化、航空航天领域。在 20 世纪 70 年代，被成功地引入到假牙制作。上世纪80 年代以来，该技术的应用在临床实践中大大缩短了处理时间，降低了口腔修复体的价格，并美化了牙齿修复结果的外观，精度及适用性。 与 CAD / CAM 技术在其他工业领域中的应用相比，到目前为止， CAD / CAM技术的牙科发展保持在一个过渡阶段，仍然有很长的路要走，以满足临床医生和患者的需求。此外，在中国大多数医院都买不起进口的 CAD / CAM 系统，可行的解决方案是引进国内开发的系统。如 Lu et al 等一些中国学者一直致力于研究和开发的 CAD/ CAM 而且已取得了一些令人鼓舞的成就。然而到目前为止，在中国还没有 CAD / CAM 系统的工业化。 在这项研究中，我们研究组与中国武汉数控工程中心和北京胜维弘技数控设备有限公司合作，采用了国产工业 CAM 系统和五轴联动轮廓加工数控机床处理人工冠并测试人造冠与微型 CT 的适应。试图在中国国内的 CAD / CAM 系统中引进推广。 1材料和方法 1.1 材料 3Shape 的牙科系统扫描仪 2009，内置口腔 CAD 软件， 3shape A / S 丹麦有限公司产。 CAM 软件包（中国多轴同步轮廓编程系统， 2.0 版） ，由华中科技大学工程研究中心，武汉，中国。五轴数控机床（ TX-5/2200 五轴联动叶片加工中心） ，由北京胜维弘技数控设备有限公司制造。三维微型电脑（ XM-TRACER-225）由中国科学院高能物理研究所提供。 1.2 CAD / CAM 制备牙冠 1.2.1 牙体预备 临床上提取自然上颌牙冠修复和常规治疗。 1.2.2 模具制造 选择一个完整的牙列和咬合正常的右上颌第一磨牙全冠修复可动模具。然后模具被取下，并取代前述的天然齿。 1.2.3 制作数字印模 天然齿进行粉末喷涂（西诺德公司，德国） ，和石膏模具被扫描，以获得数3 字模型，在模具和目标齿咬合面。 1.2.4 计算机辅助设计 CAD 软件，它与扫描仪被用来生成的数字化模型的表冠进行处理。在保存STL 格式的文件。 1.2.5 计算机辅助制造 上述国内 CAM 软件，用于处理数字冠模型的 STL 文件。由此，在 IGES 格式文件的基础上生成和保存处理冠模型。通用机床是用来处理 IGES 文件从而评级的刀具路径文件的机器（ CAM） 。 TX-5/2200 五轴联动叶片加工中心机树脂块（也称为工业胶木）完成冠的生产。 为提高模型的准确性一个逆处理应用于 STL 格式模型转换成 IGES。此外，IGES 格式模型是兼容与所有的 CAD / CAM，可用于生成刀具路径文件，之后可用任何 5 轴联动轮廓加工机床处理。 1.3 冠的精度测验 天然牙的替换模型和 3D-微型电脑扫描仪用于选择测量点（图 1）和表冠计算出和模具之间的公差投入处理树脂冠。 图 1 冠间隙测量示意图： A1， A2 制备体边缘； B1， B2：肩轴平面的交点； C1， C2， D1， D2：轴平面三等分点； E1， E2：轴的壁和咬合平面的交点； G1， G2：咬合平面的三节点 2.结果 通过使用国产 5 轴联动轮廓加工数控机床和国产 CAM 系统制作完整的冠，数字冠模型在经审核后被证明是非常吻合的。冠内部精度由三维 CT 测量（图4 2）表 1 中给出。 表 1 冠内部的三维 CT 精度检测结果 位置 A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D2 E1 E2 G1 G2 距离 147.6 120.8 270.2 192.4 100.0 198.0 86.0 169.7 158.1 172.6 311.4 320.1 图 2 三维 CT 检测后得到的冠内部精度的剖视图 3.讨论 3.1 牙科修复处理工业机床和 CAM 软件的优点 传统牙科 CAD / CAM 系统主要有两种类型：厂房生产和实验室生产。他们大多是封闭的系统：同一品牌的设备进行数据传输的文件只能被读取，在某些系统中，即使是金属和陶瓷材料的使用也是系统特定的。电池技术的进步和互联网的发展带来了一个新的牙科 CAD/ CAM 模式 集中生产和制造业中心，这是一个由 Beuer 等为代表的开放的系统。在这种模式下， CAD 为专业人士在牙科技工室完成设计论文，这样产生的数字文件发送到一个生产中心。冠修复部分将被生产制造中心加工，之后除了修复所有的其他部分将在牙科实验室进行。一个牙科实验室可以处理多个生产中心，反之亦然。随着越来越多先进的扫描和处理细胞技术领域的口腔修复体被引入， STRUB 等人认为，这种开放的模式将得到更广泛的应用前景。 5 CAD / CAM 在装备制造业是一个普遍的概念，牙科 CAD / CAM 加工系统有着广阔的前景，已经吸引了许多的机床制造商和软件供应商。而牙科 CAD / CAM 系统继续开放，促进更多的牙科 CAD / CAM 系统中使用工业机床和 CAM 软件。德国软件供应商 OPENMIND 已经开发出一种开放的智能编程系统称为 Hyper-DENT TM，这也使数字牙科模型与数字高精密加工密切结合起来。该公司还开发了一种牙科修复过程中使用的特殊高性能刀具。世界领先的专业 CAD / CAM 软件公司英国 Delcam 公司也推出了其最新版本的牙科软件 DentCAD 和 DentMILL 的系统。世界著名的工业机床制造商， Roeders（德国）和 DMG 已经开发出先进的加工技术，如超声波处理技术的牙科工业机床等更专业的牙科 CAD / CAM 数控加工机床。 航空业的出现使多轴工业机床有更高的功率，效率，精度和适应性强等优点。与传统的牙科 CAM 系统处理的单元相比，工业机床加工的材料和工艺工范围更广，包括目前假牙制作使用的所有材料。此外，他们更灵活，不仅可以做冠和假体的固定桥接而且也可植入一些对象，假牙冠内冠外精密附着体以及其他不能由传统 CAM 加工的部位。 牙科修复工业机床 CAM 系统的应用还可以使牙修复处理工业化，从而提高了牙科修复处理的工作效率，减少加工设备的使用降低相关的成本，更有效地挖掘社会资源。 3.2 五轴联动轮廓加工牙科 CAD / CAM 系统拥有的高级功能 尽管引进了牙科 CAD / CAM 系统的材料加工快速成形技术，但目前主流的加工形式仍然是 CNC 多轴联动轮廓切割。 三轴联动轮廓加工系统的代表是 inLab（德国西诺德），它是可以仅沿一个轴向切割的机器，所以其切刀轴线的曲率不对准一致矢量方向，并且由于切割器的内径尺寸，所以有些工件部分切下，一些过切。因此，由三轴加工的成品表面只是形成近似曲面。该系统用于修复的简单形式是高效的，它是昂贵的和易于使用的。但是，只沿一个方向其切刀精度较低。四轴联动轮廓加工以芝诺（维兰德 -IMES，德国）为代表，它配备了三轴联动轮廓系统，它允许整个冠在一个夹紧加工的基础上附加一个旋转的轴。此外， 4 轴联动轮廓加工通过旋6 转工件可以实现更好的切削条件和内部的一些表面处理，从而减少齿形误差。然而，与五轴联动轮廓加工相比刀具轴方向在大多数情况下与弯曲表面的矢量方向不一致，并且处理仍然是一个近似值。相对于 3 轴联动轮廓加工， 4 轴联动轮廓加工节省材料和辅助时间，而其剖面轮廓加工精度不高，这导致无法处理凹表面。五轴加工的代表是珠穆朗玛峰的 Everest Engine of KaVo 和 ESPE KaVo 熔岩数控 500 3M，它在四轴的基础上增加了一个摆动轴系统。刀具轴在弯曲表面加工过程中的参考矢量是在任何点上的，所以它可以精确地计算更新，通过选择适当直径的切削工具以改善的机械加工精度以及弯曲表面的加工效率和加工质量 10， 11。因此，它可以具有更宽的加工范围，并达到较高的加工效率和加工精度 12-14。目前很少有牙科 CAD / CAM 系统使用 5 轴联动轮廓加工技术，可牙科 CAD / CAM 系统的五轴联动加工技术有许多先进的功能。事实上，当一些五轴机床用于假牙的加工时，采用三轴粗加工可实现更高的加工效率，同时为了获得更高的加工精度和加工质量，五轴加工过程通常在收尾阶段。 3.3 使用微型电脑和改进的刀具准确评估冠的精度 假牙加工要求的精度为 0.05 毫米，而目前大多数数控机床的定位精度（行程范围在 500 毫米）的机械制造精度是 0.012 毫米，重复性 0.008 毫米（根据ISO230/ 2 标准），他们可以充分满足假牙加工的要求。重要的是该精度是指静态精度，不是加工精度也不是轮廓精度 15。 到现在为止机床工具行业的曲面轮廓精度没有评价标准。这是因为还没有有效的测量装置对小尺寸自由曲面进行精确测量。与传统的测量装置相比接触式探针可实现的测量精度高得多，一般为 0.002 毫米。但是探头直径超过 1 毫米，这使得它不适合牙冠内部的测量。另一方面，非接触式测量一般采用线性激光扫描，其测量精度为 0.015 毫米，这是在相同的精度等级的测量对象，是不正确的测量 16 。 假牙加工精度难以测量的另一个原因是，冠只能处理后进行测量，而它被设置在天然牙之间。测量的目的是评估适应，这是不同于机械行业相对于基准的测量。所以，常规测量评价标准是不适用的。 7 冠内部检测精度的常用方法包括印象的复制和剖面的方法，印象复制技术具有很多版本。近年来一些学者采用硅橡胶印模结合 Photoshop 软件的方法封装，以评估假体的适应性。这个方法是具有局限性，因为它不能够提供一个精确确定的间隙尺寸 17。用剖面的方法，假体被固定在（通过胶合）基模后从不同的方向测量的边缘吻合度与水泥的厚度，在立体显微镜下包裹和嵌入18,19。其缺点在于：该方法可能破坏铸件和模具，并可能会导致假体的变形。 显微 CT 技术基于微焦点 X 射线成像，三维成像技术是一种新型的超高分辨率技术。高精度的 3D 图像显示样品内的详细信息，可以得到不损坏样品 20。在这项研究中，三维微型电脑来衡量适应的冠，冠后的模具投入到剖开的横截面。这种方法不仅解决了假牙与模具之间的测量问题，而且还提供了冠横截面特征尺寸，使机床设计轮廓精度更高。 McLean 等人提出，临床上可接受的的边缘间隙应为 120 微米。但一些研究人员认为，可接受的内部间隙在 200-300 微米的范围内。不过到目前为止，还没有科学证据支持这些假设 21,22。研究表明，全冠边缘的 Cerec3 的差距是 27-162 微米 23-26，内冠的差距是 73-320 微米。在这个实验中测得的冠的边缘间隙和内间隙均略高于现有的商用牙科 CAD / CAM 系统所测得结果 27，这种差异可能归因于机床设计的不同，切削工具和加工过程中的使用问题等。 参考文献： 1 Duret F, Preston JD. CAD/CAM imaging in dentistry.CurrOpin Dent,1991,1(2):150-154 2 Miyazaki T, Hotta Y, Kunii J, et al . A review of dental CAD/CAM: current status and future perspectives from 20 years of experience. Dent Mater J, 2009,28(1):44-56 3 Uzun G. An Overview of dental CAD/CAM systems. Biotechnol Biotechnol Equip,2008, 22(1):530-535 4 Lu PJ， Li YS, Wang Y, et al . The research and development of CAD-CAM system in restorative dentistry. Chin J Stomatol (Chinese), 2002,37(5):367-370 5 Wang Y, Lu PJ, Wu L, et al . A preliminary study on the design of removable partia l denture framework using CAD method. J Pract Stomat ol (Chinese), 2007,23(3): 321-324 6 Strub JR, Rekow ED, Witkowski S. Computer-aided design and fabrication of dent al restorations. J Am Dent Assoc, 2006,137(9):1289-1296 8 7 Witkowski S, Bannuscher R. 3D-workstation for design-ing dental restorations. Chicago: 51st Annual Meeting of the American Academy of Fixed Prosthodontics, 2002 8 Beuer F, Schweiger J, D. Edelhoff D. Digital dentistry: an overview of recent developments for CAD/CAM gener-ated restorations. Br Den J, 2008,204(9):505-511 9 Strub JR, Rekow ED, Witkowski S. Dianne Rekow et al . Computer-aided design and fabrication of dental restora-tions: Current systems and futu re possibilities. J Am Dent Assoc, 2006,137:1289-1296 10 Choi YK, Banerjee A, Lee JW. Tool path generation for free form surfaces using Bzier curves/surfaces. Comput Ind Eng, 2007,52(4):486-501 11 Lee RS, Lee JN. A new tool-path generation method using a cylindrical end mill for 5-axis machining of a spatial cam with a conical meshing element. Adv Manufacturing Technol, 2001,615-623 12 Lin S. Developing of NC machine with simultaneously movement of five machine axis and application in industry. Aviation Precision Manufacturing Technology (Chinese), 2005,41(4):1-6 13 Liang C, Liu JQ. Technology status and developing trends of five-axis CNC machine tools. Machinery (Chinese), 2010,48(1):5-7 14 Lu L, Liu SS, Yang JZ, et al . Preliminary study of fabri-cating metal crown using general available CAM tech-nique. Chin J Prosthodont (Chinese), 2010,11(3):191- 193 15 Deng ZH, Zhou HL, Wan LL. Investigation of positioning accuracy of CNC machine tools. Manufacturing Technol Machine Tool (Chinese), 2008,6:107-110 16 Cao YJ, Fu JZ. Comparison of linear positioning accuracy measurement methods in machine tools. Modular Machine Tool Automatic Manufacturing Tech (Chinese), 2006,11:60-63 17 Giannetopoulos S, van Noort R, Tsitrou E. Evaluation of the marginal integrity of ce ramic copings with different marginal angles using two different CAD/CAM systems. J Dent, 2010,38(12):980-986 18 Arnold HN, Aquilino SA. et al . Marginal adaptation of porcelain margins in ceramometal restorations. J Prosthet Dent, 1988,59(4):409-417 19 Wu WL, Zhang XY. Study on the marginal adaptation of all-ceramic crown. Chin J Dent Mater Devices (Chinese), 2007,16(4):200-204 20 Seo D, Yi Y, Roh B. The effect of preparation designs on the marginal and internal gaps in Cerec3 partial ceramic crowns. J Dent, 2009,37( 5):374-382 21 Mclean JW, Von Fraunhofer JA. The estimation of cement film thickness by an in vivo technique. Br Dent J, 1971, 131(3):107-111 22 Hickel R, Da