外文翻譯--在開放cam牙科系統(tǒng)基礎(chǔ)上的國產(chǎn)5軸聯(lián)動輪廓加工數(shù)控機(jī)床和工業(yè)cam軟件 中文版

1、<p>　　在開放CAM牙科系統(tǒng)基礎(chǔ)上的國產(chǎn)5軸聯(lián)動輪廓加工</p><p>　　數(shù)控機(jī)床和工業(yè)CAM軟件</p><p>　　魯莉，劉樹生，施生根，楊建中</p><p>　　北京朝陽醫(yī)院口腔科，首都醫(yī)科大學(xué)，北京100000，中國</p><p>　　北京勝維弘技數(shù)控設(shè)備有限公司，北京100002，中國</p>&

2、lt;p>　　中國人民解放軍306醫(yī)院，北京10000，中國</p><p>　　華中科技大學(xué)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院工程研究中心，武漢430060，中國</p><p>　　華中科技大學(xué)科技出版社與柏林海德堡施普林格出版社2011</p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　中國制造的5軸聯(lián)動輪廓加工數(shù)

3、控機(jī)床與國內(nèi)發(fā)達(dá)的工業(yè)計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)（CAM）被用于全冠的制作和冠的精度測量，試圖建立一個(gè)開放的牙科CAM系統(tǒng)以處理和推進(jìn)國內(nèi)牙科引進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD/ CAM系統(tǒng)。市售的掃描設(shè)備是用于制備冠后做一個(gè)基本的數(shù)字牙模型，與CAD軟件自帶的掃描裝置設(shè)計(jì)冠采用國產(chǎn)工業(yè)CAM軟件為冠數(shù)據(jù)的過程中產(chǎn)生固體模型，然后國產(chǎn)五軸聯(lián)動輪廓數(shù)控機(jī)床來完成整個(gè)樹冠的加工，采用三維CT測量的樹冠內(nèi)部的內(nèi)部精度。測量結(jié)果表明,中國實(shí)現(xiàn)了五軸聯(lián)動輪廓數(shù)控機(jī)

4、床與工業(yè)CAM技術(shù)對于冠制作的結(jié)合運(yùn)用，而且冠可在模具內(nèi)很好的定位。利用三維CT測量內(nèi)部精度的結(jié)論是一個(gè)在開放的牙科CAM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，中國制造的5軸聯(lián)動輪廓加工數(shù)控機(jī)床和國內(nèi)工業(yè)CAM軟件已經(jīng)建立。該系統(tǒng)的發(fā)展將推動牙科CAD /CAM系統(tǒng)的國產(chǎn)進(jìn)程。</p><p><b>　　關(guān)鍵詞：</b></p><p>　　牙科計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造；五軸聯(lián)動輪廓數(shù)控機(jī)床；

5、CAM軟件；開放牙科CAM系統(tǒng)</p><p>　　隨著生活標(biāo)準(zhǔn)的提高，中國對假牙的需求一直在上升。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）技術(shù)，統(tǒng)稱為CAD／CAM可廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、航空航天領(lǐng)域。在20世紀(jì)70年代，被成功地引入到假牙制作。上世紀(jì)80年代以來，該技術(shù)的應(yīng)用在臨床實(shí)踐中大大縮短了處理時(shí)間，降低了口腔修復(fù)體的價(jià)格，并美化了牙齒修復(fù)結(jié)果的外觀，精度及適用性。</p>&l

6、t;p>　　與CAD / CAM技術(shù)在其他工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用相比，到目前為止，CAD / CAM技術(shù)的牙科發(fā)展保持在一個(gè)過渡階段，仍然有很長的路要走，以滿足臨床醫(yī)生和患者的需求。此外，在中國大多數(shù)醫(yī)院都買不起進(jìn)口的CAD / CAM系統(tǒng)，可行的解決方案是引進(jìn)國內(nèi)開發(fā)的系統(tǒng)。如Lu et al等一些中國學(xué)者一直致力于研究和開發(fā)的CAD/ CAM而且已取得了一些令人鼓舞的成就。然而到目前為止，在中國還沒有CAD / CAM系統(tǒng)的工業(yè)化。

7、</p><p>　　在這項(xiàng)研究中，我們研究組與中國武漢數(shù)控工程中心和北京勝維弘技數(shù)控設(shè)備有限公司合作，采用了國產(chǎn)工業(yè)CAM系統(tǒng)和五軸聯(lián)動輪廓加工數(shù)控機(jī)床處理人工冠并測試人造冠與微型CT的適應(yīng)。試圖在中國國內(nèi)的CAD / CAM系統(tǒng)中引進(jìn)推廣。</p><p><b>　　1．材料和方法</b></p><p><b>　　1.1材料

8、</b></p><p>　　3Shape的牙科系統(tǒng)掃描儀2009，內(nèi)置口腔CAD軟件，3shape A / S丹麥有限公司產(chǎn)。 CAM軟件包（中國多軸同步輪廓編程系統(tǒng)，2.0版），由華中科技大學(xué)工程研究中心，武漢，中國。五軸數(shù)控機(jī)床（TX-5/2200五軸聯(lián)動葉片加工中心），由北京勝維弘技數(shù)控設(shè)備有限公司制造。三維微型電腦（XM-TRACER-225）由中國科學(xué)院高能物理研究所提供。</p&g

9、t;<p>　　1.2 CAD / CAM制備牙冠</p><p>　　1.2.1牙體預(yù)備 </p><p>　　臨床上提取自然上頜牙冠修復(fù)和常規(guī)治療。</p><p>　　1.2.2模具制造 </p><p>　　選擇一個(gè)完整的牙列和咬合正常的右上頜第一磨牙全冠修復(fù)可動模具。然后模具被取下，并取代前述的天然齒。</p&g

10、t;<p>　　1.2.3制作數(shù)字印模 </p><p>　　天然齒進(jìn)行粉末噴涂（西諾德公司，德國），和石膏模具被掃描，以獲得數(shù)字模型，在模具和目標(biāo)齒咬合面。</p><p>　　1.2.4計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)</p><p>　　CAD軟件，它與掃描儀被用來生成的數(shù)字化模型的表冠進(jìn)行處理。在保存STL格式的文件。</p><p>　

11、　1.2.5計(jì)算機(jī)輔助制造</p><p>　　上述國內(nèi)CAM軟件，用于處理數(shù)字冠模型的STL文件。由此，在IGES格式文件的基礎(chǔ)上生成和保存處理冠模型。通用機(jī)床是用來處理IGES文件從而評級的刀具路徑文件的機(jī)器（CAM）。 TX-5/2200五軸聯(lián)動葉片加工中心機(jī)樹脂塊（也稱為工業(yè)膠木）完成冠的生產(chǎn)。</p><p>　　為提高模型的準(zhǔn)確性一個(gè)逆處理應(yīng)用于STL格式模型轉(zhuǎn)換成IGES。此

12、外，IGES格式模型是兼容與所有的CAD / CAM，可用于生成刀具路徑文件，之后可用任何5軸聯(lián)動輪廓加工機(jī)床處理。</p><p><b>　　1.3冠的精度測驗(yàn)</b></p><p>　　天然牙的替換模型和3D-微型電腦掃描儀用于選擇測量點(diǎn)（圖1）和表冠計(jì)算出和模具之間的公差投入處理樹脂冠。</p><p>　　圖1冠間隙測量示意圖：&l

13、t;/p><p>　　A1，A2制備體邊緣；B1，B2：肩軸平面的交點(diǎn)；C1，C2，D1，D2：軸平面三等分點(diǎn)；E1，E2：軸的壁和咬合平面的交點(diǎn)；G1，G2：咬合平面的三節(jié)點(diǎn)</p><p><b>　　2.結(jié)果</b></p><p>　　通過使用國產(chǎn)5軸聯(lián)動輪廓加工數(shù)控機(jī)床和國產(chǎn)CAM系統(tǒng)制作完整的冠，數(shù)字冠模型在經(jīng)審核后被證明是非常吻合的。

14、冠內(nèi)部精度由三維CT測量（圖2）表1中給出。</p><p>　　表1冠內(nèi)部的三維CT精度檢測結(jié)果</p><p>　　圖2三維CT檢測后得到的冠內(nèi)部精度的剖視圖</p><p><b>　　3.討論</b></p><p>　　3.1牙科修復(fù)處理工業(yè)機(jī)床和CAM軟件的優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　傳

15、統(tǒng)牙科CAD / CAM系統(tǒng)主要有兩種類型：廠房生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)。他們大多是封閉的系統(tǒng)：同一品牌的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈募荒鼙蛔x取，在某些系統(tǒng)中，即使是金屬和陶瓷材料的使用也是系統(tǒng)特定的。電池技術(shù)的進(jìn)步和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來了一個(gè)新的牙科CAD/ CAM模式——集中生產(chǎn)和制造業(yè)中心，這是一個(gè)由Beuer等為代表的開放的系統(tǒng)。在這種模式下，CAD為專業(yè)人士在牙科技工室完成設(shè)計(jì)論文，這樣產(chǎn)生的數(shù)字文件發(fā)送到一個(gè)生產(chǎn)中心。冠修復(fù)部分將被生產(chǎn)制造中

16、心加工，之后除了修復(fù)所有的其他部分將在牙科實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。一個(gè)牙科實(shí)驗(yàn)室可以處理多個(gè)生產(chǎn)中心，反之亦然。隨著越來越多先進(jìn)的掃描和處理細(xì)胞技術(shù)領(lǐng)域的口腔修復(fù)體被引入，STRUB等人認(rèn)為，這種開放的模式將得到更廣泛的應(yīng)用前景。</p><p>　　CAD / CAM在裝備制造業(yè)是一個(gè)普遍的概念，牙科CAD / CAM加工系統(tǒng)有著廣闊的前景，已經(jīng)吸引了許多的機(jī)床制造商和軟件供應(yīng)商。而牙科CAD / CAM系統(tǒng)繼續(xù)開放，促進(jìn)

17、更多的牙科CAD / CAM系統(tǒng)中使用工業(yè)機(jī)床和CAM軟件。德國軟件供應(yīng)商OPENMIND已經(jīng)開發(fā)出一種開放的智能編程系統(tǒng)稱為Hyper-DENT TM，這也使數(shù)字牙科模型與數(shù)字高精密加工密切結(jié)合起來。該公司還開發(fā)了一種牙科修復(fù)過程中使用的特殊高性能刀具。世界領(lǐng)先的專業(yè)CAD / CAM軟件公司英國Delcam公司也推出了其最新版本的牙科軟件DentCAD和DentMILL的系統(tǒng)。世界著名的工業(yè)機(jī)床制造商，Roeders（德國）和DMG

18、已經(jīng)開發(fā)出先進(jìn)的加工技術(shù)，如超聲波處理技術(shù)的牙科工業(yè)機(jī)床等更專業(yè)的牙科CAD / CAM數(shù)控加工機(jī)床。</p><p>　　航空業(yè)的出現(xiàn)使多軸工業(yè)機(jī)床有更高的功率，效率，精度和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的牙科CAM系統(tǒng)處理的單元相比，工業(yè)機(jī)床加工的材料和工藝工范圍更廣，包括目前假牙制作使用的所有材料。此外，他們更靈活，不僅可以做冠和假體的固定橋接而且也可植入一些對象，假牙冠內(nèi)冠外精密附著體以及其他不能由傳統(tǒng)CAM加工

19、的部位。</p><p>　　牙科修復(fù)工業(yè)機(jī)床CAM系統(tǒng)的應(yīng)用還可以使牙修復(fù)處理工業(yè)化，從而提高了牙科修復(fù)處理的工作效率，減少加工設(shè)備的使用降低相關(guān)的成本，更有效地挖掘社會資源。</p><p>　　3.2 五軸聯(lián)動輪廓加工牙科CAD / CAM系統(tǒng)擁有的高級功能</p><p>　　盡管引進(jìn)了牙科CAD / CAM系統(tǒng)的材料加工快速成形技術(shù)，但目前主流的加工形式仍

20、然是CNC多軸聯(lián)動輪廓切割。</p><p>　　三軸聯(lián)動輪廓加工系統(tǒng)的代表是inLab（德國西諾德），它是可以僅沿一個(gè)軸向切割的機(jī)器，所以其切刀軸線的曲率不對準(zhǔn)一致矢量方向，并且由于切割器的內(nèi)徑尺寸，所以有些工件部分切下，一些過切。因此，由三軸加工的成品表面只是形成近似曲面。該系統(tǒng)用于修復(fù)的簡單形式是高效的，它是昂貴的和易于使用的。但是，只沿一個(gè)方向其切刀精度較低。四軸聯(lián)動輪廓加工以芝諾（維蘭德-IMES，德國

21、）為代表，它配備了三軸聯(lián)動輪廓系統(tǒng)，它允許整個(gè)冠在一個(gè)夾緊加工的基礎(chǔ)上附加一個(gè)旋轉(zhuǎn)的軸。此外，4軸聯(lián)動輪廓加工通過旋轉(zhuǎn)工件可以實(shí)現(xiàn)更好的切削條件和內(nèi)部的一些表面處理，從而減少齒形誤差。然而，與五軸聯(lián)動輪廓加工相比刀具軸方向在大多數(shù)情況下與彎曲表面的矢量方向不一致，并且處理仍然是一個(gè)近似值。相對于3軸聯(lián)動輪廓加工，4軸聯(lián)動輪廓加工節(jié)省材料和輔助時(shí)間，而其剖面輪廓加工精度不高，這導(dǎo)致無法處理凹表面。五軸加工的代表是珠穆朗瑪峰的Everest

22、 Engine of KaVo和ESPE KaVo熔巖數(shù)控500 3M，它在四軸的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)擺動軸系統(tǒng)。刀具軸在彎曲表面加工過程中的參考矢量是在任何點(diǎn)上的，所以它可以精確地計(jì)算更新，通過選</p><p>　　3.3使用微型電腦和改進(jìn)的刀具準(zhǔn)確評估冠的精度</p><p>　　假牙加工要求的精度為0.05毫米，而目前大多數(shù)數(shù)控機(jī)床的定位精度（行程范圍在500毫米）的機(jī)械制造精度是0.

23、012毫米，重復(fù)性0.008毫米（根據(jù)ISO230/ 2標(biāo)準(zhǔn)），他們可以充分滿足假牙加工的要求。重要的是該精度是指靜態(tài)精度，不是加工精度也不是輪廓精度﹝15﹞。</p><p>　　到現(xiàn)在為止機(jī)床工具行業(yè)的曲面輪廓精度沒有評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)檫€沒有有效的測量裝置對小尺寸自由曲面進(jìn)行精確測量。與傳統(tǒng)的測量裝置相比接觸式探針可實(shí)現(xiàn)的測量精度高得多，一般為0.002毫米。但是探頭直徑超過1毫米，這使得它不適合牙冠內(nèi)部的測

24、量。另一方面，非接觸式測量一般采用線性激光掃描，其測量精度為0.015毫米，這是在相同的精度等級的測量對象，是不正確的測量﹝16﹞。</p><p>　　假牙加工精度難以測量的另一個(gè)原因是，冠只能處理后進(jìn)行測量，而它被設(shè)置在天然牙之間。測量的目的是評估適應(yīng)，這是不同于機(jī)械行業(yè)相對于基準(zhǔn)的測量。所以，常規(guī)測量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是不適用的。</p><p>　　冠內(nèi)部檢測精度的常用方法包括印象的復(fù)制和剖

25、面的方法，印象復(fù)制技術(shù)具有很多版本。近年來一些學(xué)者采用硅橡膠印模結(jié)合Photoshop軟件的方法封裝，以評估假體的適應(yīng)性。這個(gè)方法是具有局限性，因?yàn)樗荒軌蛱峁┮粋€(gè)精確確定的間隙尺寸﹝17﹞。用剖面的方法，假體被固定在（通過膠合）基模后從不同的方向測量的邊緣吻合度與水泥的厚度，在立體顯微鏡下包裹和嵌入﹝18,19﹞。其缺點(diǎn)在于：該方法可能破壞鑄件和模具，并可能會導(dǎo)致假體的變形。</p><p>　　顯微CT技術(shù)基

26、于微焦點(diǎn)X射線成像，三維成像技術(shù)是一種新型的超高分辨率技術(shù)。高精度的3D圖像顯示樣品內(nèi)的詳細(xì)信息，可以得到不損壞樣品﹝20﹞。在這項(xiàng)研究中，三維微型電腦來衡量適應(yīng)的冠，冠后的模具投入到剖開的橫截面。這種方法不僅解決了假牙與模具之間的測量問題，而且還提供了冠橫截面特征尺寸，使機(jī)床設(shè)計(jì)輪廓精度更高。</p><p>　　McLean等人提出，臨床上可接受的的邊緣間隙應(yīng)為120微米。但一些研究人員認(rèn)為，可接受的內(nèi)部間隙

27、在200-300微米的范圍內(nèi)。不過到目前為止，還沒有科學(xué)證據(jù)支持這些假設(shè)﹝21,22﹞。研究表明，全冠邊緣的Cerec3的差距是27-162微米﹝23-26﹞，內(nèi)冠的差距是73-320微米。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中測得的冠的邊緣間隙和內(nèi)間隙均略高于現(xiàn)有的商用牙科CAD / CAM系統(tǒng)所測得結(jié)果﹝27﹞，這種差異可能歸因于機(jī)床設(shè)計(jì)的不同，切削工具和加工過程中的使用問題等。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：<

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