开放式数控系统在六轴义齿雕刻机上的应用

0 引言

　　国外对于义齿修复设备的研发已有20多年的历史，而技术最先进、应用最广泛的义齿CAD/CAM系统当属由德国西门子和西诺德公司共同开发的CEREC系统。世界各地60多个国家有近20 000套CEREC系统，平均每10 s就有一个由CEREC系统为患者制造的全瓷修复体产生。20多年的临床经验及CEREC系统的广泛使用，充分证实了其技术的可靠性，也使它成为世界上最受欢迎的义齿修复设备。

　　目前，国内口腔患者的数量非常庞大，根据全国牙病防治指导小组办公室统计的数据，我国目前约有十亿颗病牙需要医治。而国内传统义齿加工技术落后，加工效率低，反复修复次数多，加工精度的高低取决于技师的经验，加工设备存在着无法克服的缺陷。尽管一些医院引进了国外的先进设备，但其价格十分昂贵，一般从几万至几十万美元不等，不能大量引进，无法满足广大患者的需求，这严重制约了我国口腔医疗水平的发展。

　　以此为出发点，北方工业大学对之前设计的五轴义齿雕刻机进行了结构改型，设计了结构新颖、方便快捷的。

1 机床运动设计

　　传统机床均采用立式或卧式加工方式，运动轴数取决于被加工物体表面形状以及加工精度的要求，为三到五轴不等。本文针对牙齿表面特点，从加工效率和精简机构两方面考虑，采用双刀两侧摆动磨削的方

　　轴及两个刀臂轴都可以进行两个轴的运动，一共为六个运动轴。各轴运动简图如图2所示，工件轴可进行平动轴Y和旋转轴B运动。刀臂轴可进行平动轴X₁(X₂)和摆动轴A(U)运动。左、右刀臂为对称结构布置。由于牙齿表面为不规则曲面，牙根部分曲面相对平整一些，为此，左刀臂装夹平底磨针，对牙根部分进行加工；而牙冠表面比较复杂，上面有许多的沟和脊，如果使用平底刀进行加工，会产生过切，无法满足精度要求，所以，本文采取在右刀臂上装夹球头磨针，对牙冠部分进行加工。左、右刀同时加工，提高了加工效率。两把刀具都装夹在高速气动马达上，转速可达30000 r/min，提高了加工精度。A(U)轴的运动方式为绕X₁(X₂)轴摆动运动，取代了以往需要两个平动轴才能实现的效果，这样两个轴简化为一个轴，精简了机床的结构。

2 数控系统搭建

　　开放式数控系统具有低成本、扩展升级容易、便于二次开发和可以引用最新的PC软硬件技术等诸多优点，是CNC技术发展的必然趋势。

　　2.1硬件设计

　　六轴义齿雕刻机控制系统采用“IPC+UMAC运动控制器”组成的开放式数控系统，其硬件组成如图3所示。

　　UMAC(Universal Motion and AutomationController)运动控制器由美国Delta Tau公司生产，也属于PMAC家族，是一个模块化的PMAC系统，其PMAC类型为TURBO PMAC，使用了最新一代的数字信号处理器(DSP)，因此功能要强于一般的PMAC，也有人称它为增强型PMAC。UMAC与上位机可以通过ISA、Serial Port、USB、PCI和Ethernet等多种方式进行通讯。由于网线具有适用于远距离传输、方便、稳定等优点，本系统选择以太网与上位机进行通信。

　　UMAC中的一块轴卡可以控制4个轴，本系统一共有6个运动轴，所以需要两块轴卡，型号为ACC-24E2S。I/O卡选择ACC一11E光隔离24In/240ut卡，它可以进行宽范围的配置来满足不同的使用要求。