基于总线DSP牙齿修复CAD/CAM系统
基于总线DSP牙齿修复CAD/CAM系统
1.1 本课题研究的实用价值和理论意义
目前国内外口腔传统固定修复体的主要制作方法为金属精密铸造或精密铸造后烤瓷，必须采用手工个别制作，加工工艺繁琐，速度慢，制作效率低，病人就诊次数多，周期长。而本课题设计的口腔修复CAD/CAM系统是专门制作修复牙齿的精美瓷修复体的高精密仪器，一次就诊即可完成牙齿精美修复体。它打破过去磨牙、取模、刻腊、烧瓷等传统假牙制造程序，当牙医将牙齿磨小修整后，即以 3D 摄影机直接取像，立即传入计算机至自动瓷块研磨机上，数分钟后即制造一个新的全瓷牙冠，或陶瓷贴面等。该系统在口腔修复领域的应用，可以大大提高修复体制作的质量和加工效率，减轻病人的痛苦和医生的工作强度。
1.2本课题国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
计算机辅助设计和制作技术最早是应用于工业自动化的高科技技术，经过口腔医师和科技人员的长期研究，CAD/CAM系统得以迅速发展，形成商品化，并应用于临床。20世纪70年代主要停留在理论研究上，1973年法国牙医师Duret首次发表了CAD/CAM在口腔应用的论文。此后，研究范围逐渐扩大，研究人员也逐渐增多，1983年，第一台用CAD/CAM技术制作修复体的样机在法国问世。1985年Duret采用CAD/CAM技术制作修复体的样机在法国问世。1985年Duret采用CAD/CAM修复制作系统展示制作了一个后牙全冠修复体。迄今为止，全球已有超过10余种口腔CAD/CAM系统。下面介绍几种有代表性的系统（着重介绍本课题学习的CEREC系统）。
（1）Duret系统（法国系统）
该系统是由Duret领衔的研究小组研制的，是最早开发出的牙齿修复CAD/CAM 系统, 由摄像部分、数据处理部分和修复体加工部分组成。该系统最早由法国Sopha Bioconcept公司开发完善，又称Sopha Duret系统。已在美国南加州大学和法国30多个研究所使用。该系统使用方便，一般的牙医可在一周内学会操作。
（2）Cerec系统
Cerec（chariside economical restoration of esthetic ceramics）是“美学陶瓷的椅旁修复”的简称，该系统由牙医师Mormann和工程师Brandetini共同设计和研制完成，1986年首次在瑞士苏黎士展出，由德国西门子公司(Siemens)牙科部、即现在的德国西诺德(SIRONA)牙科设备有限公司开发完善。系统由三维数据摄取部分、计算机辅助设计部分、修复体数控加工部分，主要用于加工陶瓷。
1994年CEREC2型具有更快的微处理器和更高更高分辨率的摄像头，研磨系统增加了研磨车针，之后由于软件的发展，使CEREC2可以制作全瓷基底冠和颌面形态完整的全瓷冠[15]
2000年诞生的CEREC3（如图1-1、图1-2、图1-3），是基于windows平台，研磨系统与可移动系统的图像采集系统各自独立工作，可以制作嵌体、高嵌体、全冠、部分冠和贴面。但此时软件只能展现修复体的平面效果，不能整体观察修复体。Sirona公司2002年推出CEREC inLab是针对口腔科技工作室所设计，采用间接方法制作修复体，不使用口内照相设备。数控加工单元完成石膏模型三维测量取像和圆锥形车针。磨切获得的修复体根据情况往往还需要在技工室进一步加工。如以Vita Mark II等预成瓷块为坯体制作的修复体由于颜色均一，需进行个性化处理，可进行不同颜色的染色、上釉；而使用Vita-Ceram系列预成陶瓷坯体制作的全瓷冠、桥底冠或支架，需经玻璃渗透、表面饰瓷、上釉等工序才可以完成修复体。
图1-1 CEREC 3系统
2003年推出的CEREC 3D解决了以前机型的许多问题，在设计修复体时引入了多维视角、高度直观界面，用户可以冲三维角度观察和评估所设计的修复体，并借助虚拟工具对计算机屏幕上显示的对象进行编辑、修改。CEREC 3D 系统除在全瓷嵌体、贴面、全冠的制作功能上进一步强化以外，随着新的3D设计软件如FrameWork的加入以及新材料如二氧化锆陶瓷的应用，实现了全瓷固定桥的制作。
2010年11月，在前三代CEREC技术基础上创新研发而成的第四代技术——“西门子齿雕机器人”（即CEREC AC）的问世，创立了光学印模及临床与技工制作室数字化传输的结合模式的理念，减少了中间环节，使CAD/CAM 椅旁修复更精准、更可靠、更高效，再一次走在了数字光学印模的最前沿，引领了牙科前进的方向。
图1-2 CEREC 3系统数控机床部分
图1-3 系统数控机床主轴
Cerec系统是目前发展最为完善的口腔CAD/CAM系统之一，目前全球估计有近20000台Cerec系统应用与临床，临床资料显示，Cerec系统制作的全瓷修复体具有较高的成功率，修复效果良好。
（3）Celay系统
Celay系统是由一个接触式数字仪和一个微型铣床组成，其工作原理类似于配钥匙，本质上并不是完全意义上的CAD/CAM系统，数字化仪“读”取在口内或代型上制作的树脂嵌体、冠的表面形态，将形态状信息直接传递到铣床上进行复制加工，故又称“复制磨切系统”。 由其组成可见，该系统较为简单，只能制作嵌体，所需材料为陶瓷。该系统如图1-4。
图1-4 Celay系统
（4）Cicero系统
Cicero为Computer-integrated crown reconstruction的缩写，为荷兰系统，由Elephant公司研制。 三部分组成：获取数据的光学摄像部分；设计修复体的CAD部分；数控精密铣床，另外尚需烤瓷炉。该系统的突出特点是它能够模仿真牙的牙本质、牙釉质分层结构的特点制作分层冠，并能够取得更高的强度和更好的美学效果。这一特点的实现是通过不同于上述系统的铣削过程来完成的。
1.2.2 国内研究现状[14]
近20年来，国内许多医院引进了国外的口腔修复CAD/CAM系统，开展了大量的的临床应用研究。与此同时在自主研究开发方面也做了很多工作，口腔修复CAD/CAM的概念和特点已被广大口腔医生所熟知。但口腔修复CAD/CAM系统在我国的临床应用情况差强人意，究其原因是多方面的。
我国口腔修复CAD/CAM系统的自主研究开发工作也开展了很多年，由于各方面的原因，进展也还未能满足目前的临床实际要求。与国外同类研究项目水平相比，我国此方面的研究至少落后十余年之多。我国开发的某型口腔修复设备如图1-5。
图1-5 国内某牙齿修复CAD/CAM系统
1.3 本毕业设计课题的任务及需要解决的问题
本课题研究目标是研制一台口腔修复体专用数控加工设备，通过与合作单位开发的牙颌模型三维扫描仪和口腔修复体CAD/CAM软件集成，构成一套具有自主知识产权的口腔修复系统。本毕业设计主要进行控制系统的设计，需完成的工作内容和要求如下：
（1）本系统设计应能满足生产实践要求，系统方案合理、简单。
（2）完成课题设计的相关材料的收集和整理。
（3）完成系统主电路的设计。
（4）完成数控系统的I/O信号处理。
（5）完成伺服驱动器与伺服电机的驱动电路的设计
1.4 完成课题设计拟采取的方法与步骤
（1）把以前学习的机电一体化、数控加工技术、PLC及电气控制等课程好好温习一下，了解大概所需做的工作，并为下面的设计打下一定的基础 。
（2）学习和借鉴国内外的牙齿修复CAD/CAM系统，主要是CEREC 3D系统，了解其工作原理。
（3）根据课题设计要求和原始资料进行初步设计,在老师的指导下进行设计，避免自己走上错误的设计方向。
（4）查找相关资料，从多面进行考虑确定多种方案，并对各个方案进行多方面的比较确定最终最优化的方案。
（5）设计牙齿修复仪控制系统主电路，由于这与机电一体化知识密切相关，要将所学的机电一体化知识好好温习，弄懂其原理。
（6）根据系统设计要求选择伺服电机，通过一系列计算，严格按照工艺性能参数的要求选择符合要求的伺服电机并进行调试。
（7）利用软件完成数控系统I/O信号处理，查找关于牙齿修复CAD/CAM系统中的PLC资料。
（8）鉴于本毕业设计小组课题都是有关机电一体化系统设计的知识，所以要经常和本小组的同学交流，取他人之长。
（9）查找资料的时候积极听取老师的建议，借阅有关书籍，并上网检索有关资料。
1.1 本课题研究的实用价值和理论意义
目前国内外口腔传统固定修复体的主要制作方法为金属精密铸造或精密铸造后烤瓷，必须采用手工个别制作，加工工艺繁琐，速度慢，制作效率低，病人就诊次数多，周期长。而本课题设计的口腔修复CAD/CAM系统是专门制作修复牙齿的精美瓷修复体的高精密仪器，一次就诊即可完成牙齿精美修复体。它打破过去磨牙、取模、刻腊、烧瓷等传统假牙制造程序，当牙医将牙齿磨小修整后，即以 3D 摄影机直接取像，立即传入计算机至自动瓷块研磨机上，数分钟后即制造一个新的全瓷牙冠，或陶瓷贴面等。该系统在口腔修复领域的应用，可以大大提高修复体制作的质量和加工效率，减轻病人的痛苦和医生的工作强度。
1.2本课题国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
计算机辅助设计和制作技术最早是应用于工业自动化的高科技技术，经过口腔医师和科技人员的长期研究，CAD/CAM系统得以迅速发展，形成商品化，并应用于临床。20世纪70年代主要停留在理论研究上，1973年法国牙医师Duret首次发表了CAD/CAM在口腔应用的论文。此后，研究范围逐渐扩大，研究人员也逐渐增多，1983年，第一台用CAD/CAM技术制作修复体的样机在法国问世。1985年Duret采用CAD/CAM技术制作修复体的样机在法国问世。1985年Duret采用CAD/CAM修复制作系统展示制作了一个后牙全冠修复体。迄今为止，全球已有超过10余种口腔CAD/CAM系统。下面介绍几种有代表性的系统（着重介绍本课题学习的CEREC系统）。
（1）Duret系统（法国系统）
该系统是由Duret领衔的研究小组研制的，是最早开发出的牙齿修复CAD/CAM 系统, 由摄像部分、数据处理部分和修复体加工部分组成。该系统最早由法国Sopha Bioconcept公司开发完善，又称Sopha Duret系统。已在美国南加州大学和法国30多个研究所使用。该系统使用方便，一般的牙医可在一周内学会操作。
（2）Cerec系统
Cerec（chariside economical restoration of esthetic ceramics）是“美学陶瓷的椅旁修复”的简称，该系统由牙医师Mormann和工程师Brandetini共同设计和研制完成，1986年首次在瑞士苏黎士展出，由德国西门子公司(Siemens)牙科部、即现在的德国西诺德(SIRONA)牙科设备有限公司开发完善。系统由三维数据摄取部分、计算机辅助设计部分、修复体数控加工部分，主要用于加工陶瓷。
1994年CEREC2型具有更快的微处理器和更高更高分辨率的摄像头，研磨系统增加了研磨车针，之后由于软件的发展，使CEREC2可以制作全瓷基底冠和颌面形态完整的全瓷冠[15]
2000年诞生的CEREC3（如图1-1、图1-2、图1-3），是基于windows平台，研磨系统与可移动系统的图像采集系统各自独立工作，可以制作嵌体、高嵌体、全冠、部分冠和贴面。但此时软件只能展现修复体的平面效果，不能整体观察修复体。Sirona公司2002年推出CEREC inLab是针对口腔科技工作室所设计，采用间接方法制作修复体，不使用口内照相设备。数控加工单元完成石膏模型三维测量取像和圆锥形车针。磨切获得的修复体根据情况往往还需要在技工室进一步加工。如以Vita Mark II等预成瓷块为坯体制作的修复体由于颜色均一，需进行个性化处理，可进行不同颜色的染色、上釉；而使用Vita-Ceram系列预成陶瓷坯体制作的全瓷冠、桥底冠或支架，需经玻璃渗透、表面饰瓷、上釉等工序才可以完成修复体。
图1-1 CEREC 3系统
2003年推出的CEREC 3D解决了以前机型的许多问题，在设计修复体时引入了多维视角、高度直观界面，用户可以冲三维角度观察和评估所设计的修复体，并借助虚拟工具对计算机屏幕上显示的对象进行编辑、修改。CEREC 3D 系统除在全瓷嵌体、贴面、全冠的制作功能上进一步强化以外，随着新的3D设计软件如FrameWork的加入以及新材料如二氧化锆陶瓷的应用，实现了全瓷固定桥的制作。
2010年11月，在前三代CEREC技术基础上创新研发而成的第四代技术——“西门子齿雕机器人”（即CEREC AC）的问世，创立了光学印模及临床与技工制作室数字化传输的结合模式的理念，减少了中间环节，使CAD/CAM 椅旁修复更精准、更可靠、更高效，再一次走在了数字光学印模的最前沿，引领了牙科前进的方向。
图1-2 CEREC 3系统数控机床部分
图1-3 系统数控机床主轴
Cerec系统是目前发展最为完善的口腔CAD/CAM系统之一，目前全球估计有近20000台Cerec系统应用与临床，临床资料显示，Cerec系统制作的全瓷修复体具有较高的成功率，修复效果良好。
（3）Celay系统
Celay系统是由一个接触式数字仪和一个微型铣床组成，其工作原理类似于配钥匙，本质上并不是完全意义上的CAD/CAM系统，数字化仪“读”取在口内或代型上制作的树脂嵌体、冠的表面形态，将形态状信息直接传递到铣床上进行复制加工，故又称“复制磨切系统”。 由其组成可见，该系统较为简单，只能制作嵌体，所需材料为陶瓷。该系统如图1-4。
图1-4 Celay系统
（4）Cicero系统
Cicero为Computer-integrated crown reconstruction的缩写，为荷兰系统，由Elephant公司研制。 三部分组成：获取数据的光学摄像部分；设计修复体的CAD部分；数控精密铣床，另外尚需烤瓷炉。该系统的突出特点是它能够模仿真牙的牙本质、牙釉质分层结构的特点制作分层冠，并能够取得更高的强度和更好的美学效果。这一特点的实现是通过不同于上述系统的铣削过程来完成的。
1.2.2 国内研究现状[14]
近20年来，国内许多医院引进了国外的口腔修复CAD/CAM系统，开展了大量的的临床应用研究。与此同时在自主研究开发方面也做了很多工作，口腔修复CAD/CAM的概念和特点已被广大口腔医生所熟知。但口腔修复CAD/CAM系统在我国的临床应用情况差强人意，究其原因是多方面的。
我国口腔修复CAD/CAM系统的自主研究开发工作也开展了很多年，由于各方面的原因，进展也还未能满足目前的临床实际要求。与国外同类研究项目水平相比，我国此方面的研究至少落后十余年之多。我国开发的某型口腔修复设备如图1-5。
图1-5 国内某牙齿修复CAD/CAM系统
1.3 本毕业设计课题的任务及需要解决的问题
本课题研究目标是研制一台口腔修复体专用数控加工设备，通过与合作单位开发的牙颌模型三维扫描仪和口腔修复体CAD/CAM软件集成，构成一套具有自主知识产权的口腔修复系统。本毕业设计主要进行控制系统的设计，需完成的工作内容和要求如下：
（1）本系统设计应能满足生产实践要求，系统方案合理、简单。
（2）完成课题设计的相关材料的收集和整理。
（3）完成系统主电路的设计。
（4）完成数控系统的I/O信号处理。
（5）完成伺服驱动器与伺服电机的驱动电路的设计
1.4 完成课题设计拟采取的方法与步骤
（1）把以前学习的机电一体化、数控加工技术、PLC及电气控制等课程好好温习一下，了解大概所需做的工作，并为下面的设计打下一定的基础 。
（2）学习和借鉴国内外的牙齿修复CAD/CAM系统，主要是CEREC 3D系统，了解其工作原理。
（3）根据课题设计要求和原始资料进行初步设计,在老师的指导下进行设计，避免自己走上错误的设计方向。
（4）查找相关资料，从多面进行考虑确定多种方案，并对各个方案进行多方面的比较确定最终最优化的方案。
（5）设计牙齿修复仪控制系统主电路，由于这与机电一体化知识密切相关，要将所学的机电一体化知识好好温习，弄懂其原理。
（6）根据系统设计要求选择伺服电机，通过一系列计算，严格按照工艺性能参数的要求选择符合要求的伺服电机并进行调试。
（7）利用软件完成数控系统I/O信号处理，查找关于牙齿修复CAD/CAM系统中的PLC资料。
（8）鉴于本毕业设计小组课题都是有关机电一体化系统设计的知识，所以要经常和本小组的同学交流，取他人之长。
（9）查找资料的时候积极听取老师的建议，借阅有关书籍，并上网检索有关资料。
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