非均质骨组织安全高效铣削机理研究

非均质骨组织安全高效铣削机理研究摘要随着机器人辅助骨切削手术的应用逐渐广泛，骨科手术中的切削问题受到了越来越多的关注和研究。然而，目前对骨切削过程的研究还比较少。而切削的表面质量直接影响人工假体的固定与骨的再生，很大程度上决定着手术能否成功。因此，为了能够在骨科手术中顺利地得到好的切削表面，在骨切削过程中，应该使切削力的波动应尽可能的小，此外，还要使切削温度应尽可能低。本文对牛股骨铣削过程中切削力和切削温度的波动进行了研究，分析和总结了切削力和切削温度的变化规律，为铣削参数的优化以及铣削过程的动态控制提供了一定的理论依据。本文设计并搭建了骨铣削实验平台，并以保鲜牛股骨作为对象，采用单一变量法以及正交实验法进行了实验，检测了转速、进给速度、轴向切削深度、径向切削深度和铣削方向等切削参数条件下的切削力和切削温度的数值。关键字：骨铣削；切削力；切削温度；AbstractWiththewideapplicationofrobot-assistedbonecuttingsurgery,thecuttingprobleminorthopedicsurgeryhasattractedmoreandmoreattentionandresearch.However,therearefewstudiesonthebonecuttingprocess.Thesurfacequalityofcuttingdirectlyaffectsthefixationofartificialprosthesisandboneregeneration,whichlargelydeterminesthesuccessofsurgery.Therefore,inordertoobtainagoodcuttingsurfaceinorthopedicsurgery,duringthebonecuttingprocess,thefluctuationofcuttingforceshouldbekeptassmallaspossible,inaddition,thecuttingtemperatureshouldbekeptaslowaspossible.Thispaperstudiesthefluctuationofcuttingforceandcuttingtemperatureintheprocessofbovinefemurmilling,analyzesandsummarizesthechangingrulesofcuttingforceandcuttingtemperature,andprovidessometheoreticalbasisfortheoptimizationofmillingparametersandthedynamiccontrolofmillingprocess.Inthispaper,anexperimentalplatformforbonemillingwasdesignedandconstructed.Withthefreshbovinefemurastheobject,theexperimentwascarriedoutbyusingthesinglevariablemethodandtheorthogonalexperimentmethod.Thecuttingforceandcuttingtemperaturevaluesunderthecuttingparameterssuchasrotationalspeed,feedspeed,axialcuttingdepth,radialcuttingdepthandmillingdirectionweremeasured.Keywords:bonemilling;Cuttingforce;Cuttingtemperature;

目录摘要 2Abstract 3第1章绪论 61.1课题的背景 61.2课题的目的和意义 71.3骨材料铣削变形机理的国内外研究现状 81.3.1骨材料特性的研究现状 81.3.2切削力研究现状. 91.3.3切削温度研究现状 111.4本文的主要研究内容 12第2章实验设计 132.1引言 132.2骨骼铣削过程分析 132.2.1铣削过程的简化与模型建立 错误!未定义书签。2.2.2铣削力的产生 132.2.3切削热的产生和传导 142.3实验平台设计 142.3.1铣刀控制部分 152.3.2铣削力测量部分 162.3.3铣削温度测量部分 172.4实验预处理 192.5实验方案和流程 202.6本章小结 22第3章实验结果及分析 233.1单因素实验结果及分析 233.1.1主轴转速对铣削力的影响 243.1.2进给速度对铣削力的影响 253.1.3径向切深对铣削力的影响 263.1.4轴向切深对铣削力的影响 273.1.5铣削方向与骨单位方向对铣削力的影响 273.2正交实验结果及分析 283.3铣削温度实验结果分析 313.3.1转速对铣削温度的影响 323.3.2进给速度对铣削温度的影响 323.3.3径向切深对铣削温度的影响 333.3.4轴向切深对铣削温度的影响 343.4本章小结 35结论 36参考文献 37致谢 39附录部分EPSON的操作程序 40第1章绪论1.1课题的背景随着人类社会的不断发展和医疗条件的改善，一些以前难以治疗的疾病也逐渐得到了解决，例如人们日常生活中较为常见的退行性关节炎、股骨头坏死等骨关节病变。处理这些骨科疾病主要是通过手术的方法，曾经的骨科切削手术严重依赖于医生的个人经验，这意味着能够得到良好治疗的患者数量并不多。而近几十年来得益于计算机、图像处理、手术导航以及材料科学等学科在这几十年中的不断进步，机器人已经可以参与到临床手术当中[1]，协助医生完成骨科手术，尽管仍在一定程度上依赖医生的经验，但确实地让手术的门槛下降了不少，同时也使得手术的质量也得以保证。例如在关节置换手术中，目前已经有了比较成熟的辅助人工手术的关节置换手术机器人系统——ROBODOC系统[2]。如图1.1所示，该机器人系统由美国IBM研究中心和加利福尼亚大学于1992年研发完成，并由美国IntegratedSurgicalSystems公司推出，经过多次改进之后，该系统已经能够较好地协助医生完成全膝关节置换手术（TKA）、全髋关节置换手术（THA）和全膝关节置换翻修术（RTKA）等等。机器人的出现使得人工假体移植手术变得更加方便简单，也大大提高了关节置换和脊椎肿瘤等常见骨科疾病的手术成功率。图1.1ROBODOC手术系统但是，在骨科手术中还有非常严峻的问题亟待解决：对骨头材料的（下称骨材料）切削机理问题。这个问题广泛地存在于整形外科、关节外科和脊椎外科手术当中，例如，在TKA手术当中，为了实现人工假体与骨头之间的良好配合，不仅需要对骨头中坏死的部分进行切除，还必须对两者的对接部分实现精密加工。若切削的质量不达标，一方面会导致术后疼痛的出现，缩短人工假体的使用寿命以及引起骨细胞的坏死，大大降低术后质量。[3]另一方面，骨切削过程中会不可避免地对骨组织和神经组织等造成机械损伤以及热损伤。如图1.2所示，不成功的手术切削会对骨组织带来致命性损伤。也就是说，为了进一步提高手术的效率和质量，搞清楚骨材料的切削机理问题十分有必要。a)切削手术后一天b)切削手术后六个月图1.2骨材料不当切削带来的损害1.2课题的目的和意义骨材料铣削是一种减材制造式加工，考虑到骨材料是一种生物材料，加工的时候应尽量保持骨材料组织结构的完整性以利于术后骨细胞再生长以及伤口恢复。而且骨材料是一种半脆性材料，这意味着一旦在铣削过程中因为切削力的问题出现骨组织的破裂损伤，将很容易传播至骨内层，给骨组织细胞及周边组织带来机械式损伤及破坏，延长病人的术后康复时间。另一方面，在骨材料铣削过程中不可避免地会产生铣削热，这些热量会部分地停留在骨组织细胞上，使骨头表层的温度迅速升温，导致不可逆的骨细胞热损伤。实验研究表明[4]，当铣削温度维持在55℃以上且达到三十秒时，骨组织细胞及周边组织会发生严重的细胞坏死，使骨细胞丧失再生功能甚至引发骨疽等病变，给患者带来二次伤害。而在铣削过程中产生的切削力和切削热等物理现象主要产生于材料的切削变形。因此，本课题旨在确定工艺参数、铣刀几何参数以及骨组织材料特性对铣削力和铣削温度的影响，了解切削应力和切削温度的分布，为机器人辅助骨切削手术中动态控制系统的设计提供一定的理论参考。1.3骨材料铣削变形机理的国内外研究现状1.3.1骨材料特性的研究现状骨材料和普通的金属材料相比有很多不同的特性，因此为了提升骨科手术的质量和效率，自从骨科手术出现以来，对骨材料特质的研究一直是研究的热点，许多国内外专家都探究了骨的结构以及建造了人类骨骼的模型。骨材料主要由密质骨和松质骨组成。密质骨位于骨骼的外层，一般厚越4~6mm致密而坚硬，可以看成是一种较高机械强度的纤维加强复合材料，由骨单位（纤维部分）和间骨板（基质）组成，在骨结构中主要起到支撑和保护作用。而松质骨是一种多孔状结构的高密度结缔组织，一般被密质骨包围在骨内环，在骨结构中主要起到提供营养和水分的作用。骨单位的显微照片如图所示。[5]a)骨材料组织结构b)骨单位图1.3骨材料结构及骨单位图同时，骨材料作为一种生物材料，在骨的周围存在着大量的肌肉组织、神经组织等等，这些都对力和温度等载荷较为敏感。EkaterinaNovitskaya等人[5]指出骨材料明显地表现出各向异性的力学性能，是一种各项异性材料，也就是说，骨材料各方向的剪切强度、杨氏模量都不一致，因此切削力和切削热的数值和变化会跟切削方向以及骨单位方向相关。此外，由于骨材料的导热性能很差，切削过程中产生的切削热会停留并集中于表层并导致较高的切削温度而引起骨细胞的热坏死。这会延长病人的术后恢复时间，甚至可能会造成严重的二次损伤。[6]另一方面，对于一些特殊手术，例如整形外科手术、TKA等，要求骨材料的切削在复杂形状的情况下仍然能够达到较高切削精度以满足植入物与骨组织的配合。这不仅意味着执刀医生需要拥有丰厚的手术经验，而且也对切削骨材料的设备、刀具及切削方式方法等也提出了较高的要求。1.3.2切削力研究现状.切削力在改善切削表面质量以及减小骨材料切削损伤方面，起着至关重要的作用。为了降低骨骼切削过程中的切削力，许多研究者对影响切削力升高的因素进行了分析。1983年，ITOH等人[7]展开了对高速钢刀具以及不锈钢刀具在不同刀具前角和不同切削深度条件下切削猪股骨的研究实验，并通过分析实验数据，指出减小切削过程中的刀具前角可以有效地降低切削力；此外，骨材料与金属材料在切削过程不同的是，工艺参数的改变不会引起摩擦系数的变化，骨与不锈钢刀具之间的摩擦系数始终保持在0.4至0.6之间。2005年，M.Mitsuishi等人[8]分别从骨密度、刀具前角和切削深度等角度，对骨微切削过程中切削力的变化情况进行了研究，并指出骨的密度与切削力之间呈指数关系，因此切削力受骨密度的变化影响较大；而另一方面，切削力与切削深度和刀具前角密切相关，减小切削深度或增大刀具的前角都能有效降低切削力。在实验中，测量切削力的实验装置以及切削力随时间的变化关系如图1.4所示。图1.4骨微切削实验装置及结果2008年，SharifF等人[9]通过实验发现并阐述了牛股骨正交切削机理，分析实验数据后指出切削过程的切削力和切削热与骨髓挤压密切相关，而骨髓挤压的程度又和骨材料结构的被破坏程度有着密不可分的关系。通过在不同切削参数的实验条件下对骨髓挤压程度的观察和分析，指出当切削深度控制在1mm以下，同时刀具前角控制为60°时，可以有效地减小切削过程对骨材料结构的破坏，从而有效降低切削过程中的切削力和切削热。在2011年，清华大学的于德栋等人[10]用猪的下颌骨作为实验材料，研究了直径分别为1.0mm、1.5mm和2.0mm时，在不同钻削参数条件下，轴向切削力的变化，并采用回归方法得到了轴向力的经验模型。2014年，哈尔滨工业大学的刘森[11]用猪的股骨作为实验材料，进行了有限元仿真并建立了骨切削力预测模型，检测了不同工艺参数下的切削力和切削温度的变化情况。并采用最小二乘回归算法计算了误差。2016年，殷杰[12]通过正交微窄槽实验获得了骨骼的微细切削本构方程，指出微观切削本构方程中应变率敏感系数远大于宏观切削。并用建立的有限元模型研究了工艺参数、刀具几何参数对切削力和切削温度的影响，发现切削深度对切削力和切削温度的影响最大，而切削速度对切削力的影响极小，最后通过方差分析比较了刀具各因素对切削力的影响大小，指出钻头直径是影响切削力最大的因素，而主轴转速对切削力没有明显影响。1.3.3切削温度研究现状切削温度和切削力一样，极大地影响切削表面质量以及骨材料表面的损伤程度，如何控制切削温度在安全范围内一直是研究者们关心的事情，国内外有不少学者都对影响切削温度升高的因素进行了分析。1947年，Moritz等人[13]通过研究发现，骨细胞在44℃到100℃之间都有可能发生热坏死，且受到的温度越高，发生热坏死所需要的时间越短。作为生物材料，骨材料无法抵抗过高的温度，当温度超过70℃时骨细胞几乎瞬时失活坏死，而在47℃到55℃之间骨细胞大约能存活几分钟到数十秒。在44℃以下时，骨细胞能够长期地保持活性，不会发生热坏死。1984年，Methews和Green等人[14]在直径为4mm的钻孔周围埋入孔径为0.7mm的热电偶丝，经钻削之后测量了钻孔周围的温度。分析实验数据之后发现当切削温度达到55℃之后，切削速度对切削温度变化的影响可以忽略不计，但刀具的轴向力的大小对温度升高有很大影响。骨材料切削过程中产生的的切削热主要来自于切削区的材料变形及刀具摩擦，并通过接触热传导的方式在工件中传递，并因为骨材料的导热性能差，所以会在骨材料表层形成温度梯度场。目前，骨材料切削过程中的温度采集测量方法主要有两种，即采用植入热电偶的方式或者利用红外热成像技术。然而在实际切削过程中，由于传感器种类的不同以及传感器的设置、摆放以及使用方法的不同，采集到的切削温度数据准确性也会随之变化。2008年，Franssen等人[15]通过研究测量同一骨组织的切削后切片在不同时间段的温度，指出骨材料切削过程中的切削热一般影响范围为以切削区为中心的200~600μm，因此倘若将热电偶至于距离切削区较远位置，测量出来的骨材料切削温度值将与实际有较大出入。2016年，殷杰12在牛股骨微钻削加工实验中，使用了热成像仪观测了钻头在不同钻削深度下的最高温度，指出通过降低钻头在钻削开始时的温度，能够使得骨骼的表面温度初始温度从而降低了骨坏死的风险，并验证了钻头的“冷却效应”。2017年，哈尔滨工业大学的廖志荣[16]针对骨材料切削过程中的切削温度难以测量这一问题，在骨材料切削区域优化了热电偶的配置，较好地观察了在不同的工艺条件下，骨材料铣削过程中的温度分布，并建立了一个温度场分布解析模型。1.4本文的主要研究内容本文为探究非均质骨组织安全高效的切削机理，采用了实验的方法对牛股骨铣削过程中的切削力和温度进行了研究，并通过分析实验结果，为进一步揭示骨铣削机理提供数据基础和一定的理论支持。具体的研究内容如下：（1）骨铣削过程中切削力的实验研究首先确定了实验平台的布置方式以及铣削力的测量方法。随后以冷冻牛股骨作为实验材料，采用单因素实验以及正交实验对铣削过程进行了研究，探究铣削力在不同转速、进给速度、切深和切削方向的情况下的变化特点，并根据得出来的实验数据进行总结分析规律。（2）骨铣削过程中切削温度的实验研究分析确定了测量铣削温度的可行方法之后，同样以冷冻牛股骨作为实验材料，采用了单因素实验展开了研究实验，研究铣削温度在不同转速、进给速度、轴向切深和径向切深下的变化规律，并对手术中如何降低铣削温度提供了建议。第2章实验设计2.1引言骨骼铣削是一个复杂的材料加工过程，铣削过程中产生的铣削力和铣削温度将会直接影响切削表面的结果，合理控制铣削过程中的工艺参数以及准确地测量出骨骼铣削过程中铣削力和铣削温度数据是本课题中非常重要的一步。因为本课题采用的实验材料为近圆柱状的冷冻牛股骨，为了确保对工艺参数的控制以及实验的方便性，有必要对牛股骨进行预处理以获得一个平整的骨平台。本章首先对骨骼铣削过程进行了抽象化，直观地描述了铣削过程中的骨正交铣削模型，随后介绍了本次课题中实验平台的组成和布置，随后分析了在骨骼铣削实验中常见的几种测量切削力和切削温度的方法的利弊，确定了本次实验将使用的测量方法。紧接着，详细介绍了牛股骨的预处理方法，并明确了本课题的三个实验的具体方案。2.2骨骼铣削过程分析2.2.1铣削力的产生实际上，铣削过程是一种被加工材料在铣刀刀具的挤压之下，发生了剪切滑移变形的过程。铣削力主要产生自材料的变形阻力和刀具与材料之间的摩擦阻力。在正交铣削过程中，主要存在三个变形区，分别是：第Ⅰ变形区、第Ⅱ变形区、第Ⅲ变形区，如图2.2所示。图2.2骨骼正交切削模型其中，第Ⅰ变形区也被称为剪切滑移变形区，线OA称为初始滑移线，标志着滑移变形过程的开始，随后被加工材料开始从弹性变形向塑形变形进行过渡，并且产生的应力和应变越来越大，当达到OM线时，所产生的应力和应变达到了最大值，而切屑也开始从被加工材料上脱落。从OA过渡到OM的过程就是剪切滑移变形过程。第Ⅱ变形区又称为纤维化变形区，在这个区域上主要发生的是切削在前刀面上的滑移，同时，因为存在着一定的切削速度，刀具和前刀面之间会存在不小的压力，因此会产生平行于前刀面的摩擦力。而摩擦力的存在又会导致切屑下材料的流动速度低于其他未挤压部分，也就是滞留现象。第Ⅲ变形区也被称作是纤维化与加工硬化变形区。我们一般假设刀具的刀刃是绝对锋利的，是不存在磨损的。而实际上，无论刀具有多锋利，在微观下都是呈圆钝状的。在切削过程中，已加工表面和刀具的后刀面之间存在着较大的正压力和摩擦力，也因此导致了已加工表面会发生弹塑性变形，并产生一定的残余应力。这几个变形区之间并不是孤立的，而是相互联系并共同影响着铣削力的变化。2.2.2切削热的产生和传导切削热主要来源于切削过程中材料变形所产生的热量以及摩擦产生的热量。而热量的传导方式主要有三种，分别是热传导、热对流和热辐射。热传导过程的实质是热量在固体之中进行传递的过程，热量会从温度较高的区域传递到温度较低的区域；热对流过程是指热量通过一定的介质，由空间中的某一处传递到另一处；热辐射过程是指热能通过电磁波对流的方式不断地向外进行扩散，任何物体都会发出热辐射。在铣削过程当中，热传导是主要的热量传递手段，而热对流和热辐射散发出来的热能相对要低很多，因此可以忽略。热传导涉及到的对象包括但并不限于切屑、骨骼以及刀具。2.3实验平台设计本课题的实验一共有三个，分别是测量铣削力的单因素实验、测量铣削力的正交实验以及测量铣削温度的单因素实验。因此，本节将分别叙述上述实验所对应的实验平台组成和布置。本次实验的实验平台主要包括以下几个部分：铣刀控制部分、铣削力（铣削温度）测量部分和骨材料装夹部分等。铣刀控制部分主要负责完成对铣削参数的控制，实现相应的转速以及控制刀具的切削路径，在本次实验中，由EPSON机械臂来控制铣刀的运行路径，由电机来控制铣刀的转速；铣削力测量部分主要负责铣削力数据的采集，由Kistler测力仪来完成；铣削温度测量部分主要负责温度数据的采集，由美国OMEGA公司生产的HYP2-21-1-1/2-T-G-48-OST-M型热电偶来完成；骨材料装夹部分主要负责保证骨材料在铣削过程中的稳定，以及将骨材料置于一个合理的角度以便实现实验设计中的条件。实验平台的布置图如2.1所示，接下来将对各个部分进行详细的阐述。a)全局图b)局部图图2.1实验布置图2.3.1铣刀控制部分因为本次实验主要的一个研究点在于探究不同工艺条件对铣削力以及铣削温度的影响，因此在本次实验当中，准确地控制好每一次的工艺参数是成功实验的重要保证，本文采用了易于控制的机械臂EPSON来完成本次实验。实验所选用的铣刀为普通铣刀（图2.2），四刃，前角和后角分别为18°和15°，刀头外径共有2mm，3mm，4mm三种。选用钻头的直径为1mm。a)铣刀b)钻头图2.2铣刀以及钻头图2.3.2铣削力测量部分切削力的大小是评价加工质量的重要标准，除了决定着切削表面的质量的好坏之外，切削力还是工件所需夹紧力的重要参考因素；另一方面，在实现工件切削加工过程中自适应控制和自动化目标的过程中，切削力也是重要的参数。因此，对铣削过程切削力的准确测量非常重要。切削力的测量方法主要分为两种：直接测量法和间接测量法。以下分别简要介绍两种方法的原理和特点。直接测量法是通过力传感器来直接捕捉采集力信号的，当力传感器受到外力作用时，会引起电压的上升沿和下降沿，随后通过放大器滤波器等对输出的电信号进行滤波放大、A/D转换等处理并按照厂家事先标定好的电压或电流信号与力信号之间的关系进行变换，即可得到对应的力学信号，从而在记录仪、计算机等显示设备中显示出来。而按照电信号和力学信号的转换原理，又可再细分出两种力传感器：压电式测力传感器和应变式测力传感器。压电式测力传感器始于二十世纪七十年代中后期，它基于“压电效应”原理，即压电材料在受到外力作用时，在其表面会产生一定的电荷，相应的外在表现为电信号的起伏变化。通过标定电荷与外力的变化关系，即可通过测量输出电信号的变化来求出所受的外力。尽管压电式传感器对温度、湿度等环境条件的要求较高，也容易受到外在干扰的影响，但这种传感器的频带宽，具有较高的灵敏度和信噪比，而且结构简单、工作可靠，故也有不小的应用范围。应变式测力传感器的工作原理是“应变效应”，即半导体或者导体材料在受到外力作用时，会发生一定的机械形变，这将引发其电阻值的变化，进而引起外接电路电信号的变化。通过标定外力与电信号之间的函数关系，即可获得相应的外力值。应变式测力传感器最早出现于二十世纪五十年代，由美国麻省理工大学研制而成，其特点是分辨率高、误差较小、结构紧凑，而且可以通过电补偿原理来消除各个分力之间的影响。另一方面，间接测量法是指不通过力传感器来采集信号，而是通过中间变量的变化情况来间接地获得力信号。相比于直接测量法，间接测量法的测量精度较低，故本课题将采用直接测量法来进行测量。为了获得骨骼铣削过程中的铣削力数值，测力传感器需要满足以下特征：反应迅速、便于安装、结构紧凑等。因此，本文选用瑞士Kistler公司生产的9129AA紧凑型多分量测力计。该传感器为压电式测力传感器，灵敏度高且经久耐用，而且具有一定的过载保护能力。可以在空间笛卡尔坐标系内测量出三个轴向的力以及力矩的数值，X、Y、Z轴向的量程均为500N。该传感器通过USB连接方式与电脑进行连接。图2.3为本实验采用的传感器图以及安装位置。a)Kistler5080机身图b)骨头位置及加持情况图2.3测力传感器图以及安装情况图2.3.3铣削温度测量部分铣削温度是另一个衡量铣削效果好坏的标准，因为这不仅会影响到加工质量，而且也影响着刀具的使用寿命，特别是在骨骼铣削过程当中，为了避免高温对骨细胞的烧伤，必须保证铣削温度低于骨细胞的坏死的临界温度，严格控制铣削过程当中的铣削热，有着很重要的现实意义。类似的，铣削温度的测量方法也可以分为两种，分别是接触式测量和非接触式测量。[17]接触式测量是指通过传感器与被测位置直接接触来测量铣削温度的。热电偶法是接触式测量中常见的一个方法，它基于“热点效应”原理，即当两种不同成分的导电材质通过接触形成闭合电路的时候，材料表面会有电子溢出，进而导致电位的变化。这是因为不同材料产生电子的能力不尽相同，因此在两种材料的接触表面会产生一定的电位差，回路也就会产生电流。与此同时，特定材质所构成的材料副在相同温度条件下所产生的电流以及电位差是一定的，因此经过标定特定材料副在某个温度所产生的电位差之后，就可以通过电位差的大小来判断温度的高低。可以按照组成热电偶丝的材质来对其进行分类：K型（镍铬-镍硅）、T型（纯铜-铜镍）E型（镍铬-铜镍）、J型（铁-铜镍）等。而不同热电偶的主要区别体现在其测温范围上。总体来说，热电偶法响应快，测量精度高，测量仪器便于携带，是一种常用而且成熟的测温手段。在实际使用过程中，倘若按照电偶极的组成以及不同要求来进行分类，热电偶法还可细分为三种：以工件和刀具作为热电偶两极的自然热电偶法，以热电敏感材料作为热电偶两极的人工热电偶法，以热电敏感材料和工件或者刀具组成热电偶两极的半人工热电偶法。另一方面，非接触式测量是指感温元件与被测量物体不直接发生接触。它基于热辐射原理，即通过检查热辐射强度的大小来检测出温度的高低，物体温度越高，所发出热辐射就越强，反之亦然。应用热辐射原理检测温度的方法主要有红外照相法、红外热成像法、辐射高温计法等等。其中红外热成像法应用最广，但其所测得的温度具有一定的滞后性，而且极易受到环境的影响，对实验条件要求苛刻。同时考虑到设备成本较高，本实验将不采取非接触式测量方法。综上所述，因为人工热电偶法安装方便、应用技术成熟，反应灵敏而且能够确实的记录并跟踪物体内部指定点的温度，本课题将选用美国Omega公司生产的HYP2-21-1-1/2-T-G-48-OST-M型热电偶来进行测量。实验中热电偶的安装以及布置位置如图2.4所示，热电偶探头距离铣削区1mm。a）数据采集系统b)热电偶图b）安装以及布置情况c)局部放大图图2.4热电偶图以及安装布置位置2.4实验预处理本课题采用的骨头为近圆柱状的牛股骨，为了要探究工艺参数对切削力以及切削温度的影响，必须要能够控制每一次的切削用量，因此，本课题决定将骨头预处理，如图2.5，在牛股骨的表层铣削出一个长方体状的平台。具体的预处理流程如下：选取保鲜的牛股骨，根据股骨长度利用切骨机将其切为两段或者三段，并将牛股骨表层的肉以及组织清理干净，掏干净骨髓，以防实验过程中变质从而对实验结果产生影响。将牛股骨固定在虎钳中之后，调整好各部件的位置，使直径为4mm的铣刀与牛股骨发生接触，进行多次走刀，以保证得到一个平整的上平面，待平面的最小宽度达到8~12mm时，开始铣削平面两侧，以得到两个相对竖直的侧面，为后续轴向切削深度以及纵向切削深度的控制提供可靠的保证。对于测温用的牛股骨，还必须用钻头进行打孔以便安装热电偶。将阻碍打孔的多余骨头铣去之后，利用1mm钻头进行打孔，孔与孔之间距离根据铣削过程调整，但保证每次铣削区距离孔的距离均为1mm以确保测量的统一性。打孔深度均为8mm，孔的z轴位置为该次实验所对应的轴向切深的一半。图2.5完成预处理的骨头2.5实验方案和流程本课题的实验材料采用与人骨特性相近的牛股骨。关于铣削力研究的实验共有两个，分别为单因素实验以及正交实验。其中，单因素实验探究了转速、进给速度、径向切深、轴向切深以及骨方向对铣削力的影响，关于骨方向中“交叉”以及“垂直”的说明如图2.6所示。a)平行铣削方向b)交叉铣削方向c)垂直铣削方向图2.6骨材料正交铣削方向在得到每一变量对铣削力的影响之后，还需明确各个因素的重要程度，以及这几个因素之间是否存在一定的耦合关系。因此本课题还针对铣削力安排了正交实验，正交实验彻底探查了转速、进给速度、径向切深、轴向切深这四个因素之间可能存在的耦合因素。因为受到实验时间以及实验材料数量的限制，本课题针对铣削温度只进行了单因素实验，探究了转速、进给速度、径向切深、轴向切深四个因素对铣削温度的影响。以上三个实验的具体实验参数见于第三章。以上三个实验均使用EPSON机器臂中内置的编程功能协助完成。程序所对应的具体的铣削力测量实验流程如下：固定好牛股骨后，将转速调整至该次实验所需数值。进行XYZ三个方向的对刀。准备铣削，启动测力仪以实时采集和记录铣削力数据。将铣刀沿X轴方向撤至安全范围，随后根据轴向切深和纵向切深分别调整Y轴和Z轴的数值。铣削参数调整完毕后沿X轴方向进行铣削，每次进给3mm以便在测力仪上得到稳定的数值。本次铣削完毕之后，将铣刀沿Y轴和Z轴撤到安全位置，移动的量与本次Y轴和Z轴的进给量一致，以便自动完成下一次对刀。重复上述步骤直至完成实验。具体的铣削温度测量实验流程如下：第一步同铣削力测量实验，第二步准备好启动热电偶测量程序，完成铣削前准备工作。启动铣削程序，同时启动热电偶测量程序。铣刀沿X轴撤至安全范围，随后根据切深进行Y轴和Z轴的调整。调整完毕后按照X轴方向进行铣削，每次铣削均进给足够的量将对应位置的骨骼铣削完毕。本次铣削完成后，铣刀撤至安全位置，自动前进到下一次所需的对刀位置。重复上述步骤直至完成实验。2.6本章小结本章简要分析了骨骼铣削过程中铣削力和铣削温度的产生原因。随后，对本次实验所用到的测量仪器进行了介绍，确定了实验所需的预处理方案以及具体的实验流程。第3章实验结果及分析3.1单因素实验结果及分析骨骼铣削过程中，通过测力仪一共可以得到xyz三个方向上的分力以及三个转矩。考虑到在骨骼铣削过程中，切削力是由垂直铣刀主轴的进给方向（X向）分力和径向（Y向）分力组合而成的平面合力，因此，按照力的合成法则，由式可计算出平面分力的大小F合=Fx此外，因为Z方向的分力变化幅度相对于X轴以及Y轴较小，在研究中大多不予考虑，因此，本课题尽管会列出相应的Z轴铣削力数值，但将不进行相关的分析。铣削实验参数如表3.1所示。表3.1铣削实验参数参数名称数值转速(r/min)进给速度(mm/s)径向切深(mm)轴向切深(mm)3000,4000,5000,6000,70000.5,1.0,1.5,2.0,2.50.3,0.5,0.8,1.0,1.21,2,3,4为了保证实验数据的可靠性，排除偶然因素的干扰，本课题按照第2章所示实验步骤，参照各次实验条件的设置分别进行了三次重复实验。实验的原始数据图样如图3.1所示（选用的为单因素第一组实验）。图3.1原始数据3.1.1主轴转速对铣削力的影响按照表3.1中设置的铣削参数进行实验。保持进给速度为1mm/s，径向切削切深为0.5mm，轴向切深为2mm时，可获得转速对铣削力的影响。在骨头经过两个小时的自然解冻之后进行铣削。进行数值比较时采用的为三组重复实验得出平面铣削力的平均值。图3.2为铣削力大小随转速大小的变化而变化的折线图。图3.2铣削力随转速变化图如图3.2所示，平面铣削力随着铣刀转速的增加，起初呈下降趋势，可随后均为上升趋势。另一方面，铣削力的变化实际上非常的小，最小的为2.558N，而最大的仅为3.549N，二者相差不到1N，其余各个铣削力也大多集中于3.4N。通过计算，得知这五组数据的标准差仅为0.370，这表明转速的变化对铣削力大小的影响较小。而在实际实验过程中，发现随着转速的提升，铣刀的稳定性将有所提高，因此，较高的转速能够减少铣刀的波动从而减少铣削力的波动，在实际手术过程中，若不会带来其他的负面影响，而且在设备允许的情况下，可以考虑选用较高的转速。而至于本次实验铣削力的总体数值呈现出随着转速的增大而增大这一现象，原因应为骨头本身是非均质材料，各个位置的力学性能、密度等等因素不尽一致，因此，随着这些因素的波动，切削力本身有一定的变化是十分正常的表现。3.1.2进给速度对铣削力的影响在按照表3.1中设置的铣削参数进行实验。保持转速为4000rpm，径向切削切深为0.5mm，轴向切深为2mm时，可获得进给速度对铣削力的影响。进行数值比较时采用的为三组重复实验得出平面铣削力的平均值。图3.3为铣削力大小随进给速度大小的变化而变化的折线图。图3.3铣削力随进给速度变化图如图3.3所示，平面铣削力随着进给速度的增大而逐渐增大。一开始铣削力的增幅较大，随着进给速度的不断增大，铣削力逐渐趋于平缓。这五个数据基本符合铣削力随着进给速度的增大而增大的规律。进给速度越大，单位时间内切削的骨头就越多，因此会引起发生弹塑性变形的区域增大，从而导致变形阻力增大，铣削力增大。因此，在手术过程中为了避免铣削力的过度增大，应当在合理范围内选用较小的进给速度。与此同时，相关医务人员应该在术前做好切削三要素的规划，并且手术时间的延长会引起病人的体力的衰减以及痛苦的增加，进给速度的选择必须综合铣削力大小以及总手术时长两个因素进行考虑。其变化逐渐平缓的原因可能是选用的径向切深和轴向切深都较小，因此得出来的铣削力都比较小，其变化自然也较小。参考图3.2的结果，发现得出来的铣削力普遍较小，这很可能是因为本次实验所选用的径向切深稍微偏小。3.1.3径向切深对铣削力的影响按照表3.1中设置的铣削参数进行实验。保持转速为4000rpm，进给速度为1mm/s，轴向切深为2mm时，可获得径向切深对铣削力的影响。进行数值比较时采用的为三组重复实验得出平面铣削力的平均值。图3.4为铣削力大小随径向切深大小的变化而变化的折线图。图3.4铣削力随径向切深变化图如图3.4所示，铣削力随着径向切深的加深而单调增大。在本次实验中，铣削力基本与径向切深呈正比关系。这是因为随着径向切深的增大，铣刀在单位时间内接触的骨骼材料也会随之增大，也就是说，铣刀的受力面积会随之增大，单位时间内切除的骨骼材料将增大，消耗的功率也增加，从而引起了铣削力的增大。径向切深的增大会使单位时间内切除的骨材料增多，这可能会引起铣刀的不稳定，从而导致铣削力的波动。但是与进给速度类似，径向切深过小的话会导致手术时间的延长，医务人员应当在患者能够承受的范围内尽可能地选取较小的径向切深，以提高骨铣削的质量。3.1.4轴向切深对铣削力的影响按照表3.1中设置的铣削参数进行实验。保持转速为4000rpm，进给速度为1mm/s，径向切削切深为0.5mm时，可获得轴向切深对铣削力的影响。进行数值比较时采用的为三组重复实验得出平面铣削力的平均值。图3.5为铣削力大小随径向切深大小的变化而变化的折线图。图3.5铣削力随轴向切深变化图如图3.5所示，与上一组实验类似的，铣削力随着轴向切深的加深而单调增大。并且，可以认为铣削力与轴向切深存在着正比关系，相应的正比系数与骨材料参数等因素有关。而铣削力增大的原因与上一组实验的原因类似，于此不再赘述。3.1.5铣削方向与骨单位方向对铣削力的影响在探究完基本的工艺参数对铣削力的影响之后，考虑到骨材料为非均质材料，而且具有骨单位方向这一性质。因此，有必要探讨骨方向与铣削方向的关系是否会影响铣削力。这种关系一共有三种，分别是平行方向，交叉方向，以及垂直方向。详情参照图2.6。在这一组实验当中，转速保持为4000rpm，进给速度保持为1mm/s，径向切深保持为0.5mm，轴向切深保持为2mm。图3.7为铣削力大小随铣削方向的变化而变化的折线图。图3.7铣削力随铣削方向变化图如图3.7所示，尽管选用的工艺参数相同，倘若选用不同的铣削方向，切削力会有较大的差距。其中，垂直的铣削方向会产生特别大的铣削力，远远超过平行方向以及交叉方向。而平行方向的铣削力又比交叉方向的铣削力再小些。因此，在实际手术当中，倘若不会带来其他的负面影响，医务人员应当优先考虑平行方向的铣削方法，以图将铣削力降到最低。3.2正交实验结果及分析通过单因素实验，我们已经得知了转速、进给速度、轴向切深、径向切深以及铣削方向这几个参数对铣削力大小的影响，但我们不知道这几个因素之间哪个是主要影响因素，哪个是次要影响因素，以及它们之间是否存在耦合关系。因此，有必要进行正交实验以探究这两个问题。本次正交实验的设计以及结果分析都在正交实验助手的帮助下完成。表3.2为本次实验所选用的正交表。表3.3为各组实验的具体参数以及对应的结果，结果采用的是三次重复实验得到的结果的平均值。表3.2L16(215)正交实验表表3.3正交实验表在本次正交实验中不考虑铣削方向的影响，所以一共有四个影响因素。此外，为了稍后进一步探究因素之间可能存在的耦合关系，本次实验选用了两水平十五因素的正交表，其中，十一个因素为耦合因素。具体因素所在列可以参照表3.1，其中，a为轴向切深，b为径向切深，c为转速，d为进给速度。首先进行直观分析以探究转速、进给速度以及轴向切深和径向切深这四个因素中，哪个因素为主要影响因素，哪个因素为次要影响因素。实验分析结果如表3.4所示。表3.4直观分析结果首先针对四个因素本身进行直观分析，根据直观分析法的原则，极差越大，所对应的因素越重要；极差越小，所对应的因素越不重要。因此，可以明显地从表中看出，影响最大的为轴向切深，紧接着是径向切深，然后是进给速度，最后才是转速，其中转速的影响作用大约只有切深影响作用的一半。两个切深的极差相距很小，考虑到实验误差，可以认为两个因素的权重是一样的。在实际手术中，如果较低的进给速度以及切深不能满足较短的手术时间的要求，可以在适当范围内优先选择提升进给速度，如果仍然不能满足，再考虑增大切深，这样可以将铣削力控制在尽可能小的范围内。此外，直观分析法还能得到两个水平所对应的两个均值。其中，如果要求结果越小越好，则取较小均值所对应的水平；如果要求结果越大越好，则取较大均值所对应的水平。从结果我们可以明显地看出，较高的转速、较小的进给速度、较小的轴向以及径向切深能够带来较小的铣削力，换句话说，正交实验印证了单因素实验得出来的实验结果。同时，因为正交实验中两个水平的数值差距相较于单因素实验中两两水平的数值差距要大得多，因此实验结果也相对明确，减少了实验误差所带来的干扰，这也证明了在单因素实验中，转速和进给速度的影响不太明显的结果是由轴向和径向切深不足所带来的铣削力较小引起的。在分析完四个因素本身的影响权重之后，本文将继续分析因素之间可能存在的耦合关系。从表3.4可以明显看出，不存在某一组耦合关系的影响水平能够达到轴向切深以及径向切深的影响水平。因此不存在重要的耦合关系。但轴向切深×径向切深，以及轴向切深×转速这两个耦合关系的影响水平接近于进给速度的影响水平，因此同为较重要耦合关系。而轴向切深×进给速度，转速×进给速度以及轴向切深×转速×进给速度的极差也在本次实验中达到了5，可以认为是次重要耦合关系。其余可以认为是次要因素。3.3铣削温度实验结果分析铣削温度测试实验采取单因素法进行，铣削实验参数如表3.5所示。表3.5铣削实验参数参数名称数值转速(r/min)进给速度(mm/s)径向切深(mm)轴向切深(mm)3000,4000,5000,6000,70000.5,1.0,1.5,2.0,2.50.3,0.5,0.8,1.0,1.24,5,6实验室通过空调进行温度调节，环境温度基本稳定在21℃，铣刀采用直径为4mm的普通铣刀，铣削方向固定为平行。图3.8为其中一次实验所测得数据的折线图。测量频率为一秒测量十五个数据点。图3.8铣削温度随时间变化图3.3.1转速对铣削温度的影响按照表3.5中设置的铣削参数进行实验。保持进给速度为2mm/s，径向切削切深为1mm，轴向切深为5mm时，可获得转速对铣削温度的影响。图3.9为铣削温度随转速高低的变化而变化的折线图。图3.9铣削温度随转速变化图如图3.9所示，铣削温度随着转速的增大而上升。其原因可能是，更高的转速导致了铣刀与骨骼材料之间更加激烈的摩擦，从而导致了更多切削热的产生。此外，因为骨骼材料的导热性能十分地差，大量的铣削热来不及散失，从而大量地堆积在骨骼表层，这直接引起了温度的升高。在转速达到了6000rpm的时候，骨材料的温度已经接近了45℃，这个温度已经对骨组织细胞造成了非常大的威胁。因此，尽管提高转速能稍微地降低铣削力，但很可能会带来铣削温度的急剧升高。在实际手术当中，为了防止温升太快，应当考虑采取提升铣刀转速以外的方法为主要降低铣削力的手段。3.3.2进给速度对铣削温度的影响按照表3.5中设置的铣削参数进行实验。保持转速为5000rpm，径向切削切深为1mm，轴向切深为5mm时，可获得进给速度对铣削温度的影响。图3.10为铣削温度随进给速度快慢的变化而变化的折线图。图3.10铣削温度随进给速度变化图如图3.10所示，铣削温度随着进给速度的增加而逐渐降低，在进给速度从0.5mm/s提升到1mm/s时特别明显，随后变得相对平缓。这可能是因为在较大进给速度的条件下，铣刀在各个部分的停留时间较短，再加上骨骼材料较差的导热性能，大量的铣削热并来不及传导到骨骼内部，而是随着骨屑一起被带走，剩下一部分热量则停留在铣刀上，或者散失到空气当中。进给速度越大，骨骼材料内部的温度就越低，但过高的进给速度不仅仅会带来铣削力的上升和铣刀的不稳定，也会导致骨骼材料的铣削表面质量下降，这可能会不利于手术后续的治疗。因此，在实际手术当中，通过大幅提高进给速度来降低铣削温度的方法也不可取。3.3.3径向切深对铣削温度的影响按照表3.5中设置的铣削参数进行实验。保持转速为5000rpm，进给速度为2mm/s，轴向切深为5mm时，可获得径向切深对铣削温度的影响。图3.11为铣削温度随径向切深大小的变化而变化的折线图。图3.11铣削温度随径向切深变化图如图3.11所示，铣削温度随着径向切深的加深而逐渐增大。这是因为径向切深越大，单位时间内骨骼的切除量就越大，变形和摩擦生热也越多，而进给速度不变，也就是说，铣削过程中产生的铣削热增多了，可是铣削热的传导时间是一样的，因此骨骼材料的温升也随之增大。实际手术当中，倘若手术时间充裕，可以考虑减小径向切深来降低铣削温度，因为与此同时也会减小手术中产生的铣削力，可以作为一种控制温度的主要方法进行考虑。3.3.4轴向切深对铣削温度的影响按照表3.5中设置的铣削参数进行实验。保持转速为5000rpm，进给速度为2mm/s，径向切深为1mm时，可获得轴向切深对铣削温度的影响。图3.12为铣削温度随轴向切深大小的变化而变化的折线图。图3..12铣削温度随轴向切深变化图如图3.12所示，铣削温度随着轴向切深的加深有着明显地上升，原因与加大径向切深带来铣削温度的提升类似。考虑到本组实验只取了三个较大的轴向切深，因此可以考虑在低轴向切深的时候，温升曲线可能会较为平缓的可能性。但因为实际手术当中，轴向切深取值一般不会太小，本次实验并没有展开这方面的研究。与径向切深类似的，因为轴向切深对铣削力的影响也十分明显，所以轴向切深也可以作为降低铣削温度的主要手段来进行考虑。3.4本章小结本章以保鲜牛股骨作为实验材料进行了实验，利用压电式测力传感器和人工热电偶温度计完成了铣削力和铣削温度的检测。实验结果表明，铣削力受进给速度、轴向切深和径向切削深影响显著。而铣削温度受转速、进给速度、轴向切深和径向切深影响显著。此外，本章还分析了不同因素对铣削力的影响权重，对手术中如何降低铣削力以及铣削温度提出了一些颇具可行性的建议。结论本文对骨铣削过程的铣削力和铣削温度进行了实验研究，并为骨铣削手术中如何优化铣削参数、降低铣削过程中的铣削力和铣削温度提供了理论依据。主要的研究工作和成果如下：根据骨的材质特性和组成，建立了骨铣削平面模型，分析了骨铣削过程中铣削力和铣削温度的产生原因，分析了工艺参数对切削应力和切削温度的影响。设计并搭建了骨铣削实验平台。以保鲜牛股骨作为实验材料，采用单因素变量法以及正交实验法进行了铣削实验，利用压电式测力传感器和人工热电偶法完成了骨骼铣削过程中铣削力和铣削温度的检测。实验发现，铣削力受转速的影响较小，随进给速度和轴向切深以及径向切深的增大而增大；而铣削温度随进给速度的增大而降低，随转速和轴向切深以及径向切深的增大而增大。未来有待进一步研究的内容：深入研究分析骨骼表面的微观组织结构，确定最佳的铣削参数。以人的骨头作为实验对象进行研究，使实验结果更加接近临床应用。参考文献[]杜志江,孙立宁,富历新.外科手术机器人技术发展现状及关键技术分析[J].哈尔滨工业大学学报,2003(07)：773-777.[2]PaulH.A,MittlestadtB.,argarW.L.,MusitsB.,TaylorR.H.etal.Asurgicalrobotfortotalhipreplacementsurgery.InProc.OfICRA’99,1992,pp.606-611.[3]ChristieJ.Surgicalheatinjuryofbone[J].Injury,1981,13(3):188-190.[4]HilleryMT,ShuaibI.Temperatureeffectsinthedrillingofhumanandbovinebone[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology1999,92-93:302–8.[5]NovitskayaE,ChenPY,LeeS,etal.Anisotropyinthecompressivemechanicalpropertiesofbovinecorticalboneandthemineralandproteinconstituents[J].ActaBiomaterialia,2011,7(8):3170-3177.[6]YeagerC,NazariA,ArolaD.Machiningofcorticalbone:surfacetexture,surfaceintegrityandcuttingforces[J].MachiningScienceandTechnology,2008,12(1):100-118.[7]ITOHS,ITOY,SHIKITAT.BasicStudyonBoneCuttingForcesforDevelopingSurgicalInstruments[J].BulletinofJSME,1983,26(222):2295-2301.[8]MitsuishiM,KuramotoK,NakashimaY,etal.AStudyofBoneMicro-CuttingCharacteristicsUsingaNewlyDevelopedAdvancedBoneCuttingMachineToolforTotalKneeArthroplasty[J].CIRPAnnals-ManufacturingTechnology,2005,54(1):41-46.[9]MalakSF.Orthogonalcuttingofcancellousbonewithapplicationtotheharvestingofboneautograft[J].Medicalengineering&physics,2008,30(6):717-724.[0]于德栋,郑小虎,陈明,等.皮质骨钻削力模型