基于虚拟仪器的皮质骨钻削温度测量系统设计

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1、２０１７年第５１卷Ｎｏ．３１０５基于虚拟仪器的皮质骨钻削温度测量系统设计王洪生，胡亚辉，郑清春，张善青天津理工大学摘要：对皮质骨在钻削过程中产生的钻削热进行测量和研究，提出一种基于ＬａｂＶＩＥＷ平台与亚为数据采集卡相结合的钻削温度动态测量系统。该系统采用人工热电偶作为温度传感器，芯片ＡＤ５９５作为信号放大元件，对钻削过程中的温度进行采集和处理，并通过计算机对所采集的数据进行实时显示、存储和查询，以及实现对热电偶的标定等功能，开发出一个相对完整的虚拟仪器温度测量系统。关键词：ＬａｂＶＩＥＷ；骨钻削；钻削温度；人工热电偶中图分类号：

2、ＴＧ５２；ＴＨ１６４文献标志码：ＡＤｅｓｉｇｎｏｆＣｏｒｔｉｃａｌＢｏｎｅＤｒｉｌｌｉｎｇＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＶｉｒｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＷａｎｇＨｏｎｇｓｈｅｎｇ，ＨｕＹａｈｕｉ，ＺｈｅｎｇＱｉｎｇｃｈｕｎ，ＺｈａｎｇＳｈａｎｑｉｎｇＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｒｍａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｎｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｏｒｔｉｃａｌｂｏｎｅ，ａｋｉｎｄｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｙｎａｍｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｏｎ

3、ＬａｂＶＩＥＷｐｌａｔｆｏｒｍａｎｄＹＡＶｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃａｒｄｈａｓｂｅｅｎｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｄｏｐｔｓａｒｔｉｆｉｃｉａｌｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅａｓｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒ，ｔｈｅｃｈｉｐＡＤ５９５ａｓｔｈｅｓｉｇｎａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｆｏｒｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇ．Ａｎｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｒｅａｌｔｉｍｅｄｉｓｐｌａｙｆｏｒｃｏｌｌｅ

4、ｃｔｅｄｄａｔａ，ｓｔｏｒａｇｅａｎｄｑｕｅｒｙ，ｔｈｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅａｎｄｏｔｈｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎｓｔｈｒｏｕｇｈｃｏｍｐｕｔｅｒａｒｅｒｅａｌｉｓｅｄｔｏｄｅｖｅｌｏｐａｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｃｏｍｐｌｅｔｅｖｉｒｔｕａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬａｂＶＩＥＷ；ｂｏｎｅｄｒｉｌｌｉｎｇ；ｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ够测量切削刃上各点瞬时温度和工件表面的平均温!引言度，但不能测

5、量工件指定点的瞬时温度。随着机械工程学在医学领域的应用日益加深，本文的研究对象是皮质骨。由于其材料的各向骨钻削已经成为骨外科手术中一个必不可少的步异性和低导电率，加之所研究的测量对象是皮质骨骤，一旦骨钻孔周围的组织被加热到高于临界温度各个指定点的内部温度。因此本文采用人工热电偶５０℃时就会引起骨细胞坏死，导致骨细胞的永久性方法对皮质骨的钻削温度进行测量研究，将虚拟仪［１］死亡。一方面钻削热传入到骨组织，使之温度升器ＬａｂＶＩＥＷ与人工热电偶测量技术相结合。利用高，产生热变形及损伤；另一方面，它传入刀具，使刀软件实现硬件功能，不仅

6、可以减少资金和时间的投［２］具温度升高，加剧其磨损。因此有必要充分了解入，而且可以开发出功能更强、性能更高的虚拟仪器钻削过程中钻削温度的变化趋势，将其严格控制在测控系统。安全极限温度范围内。［３］"皮质骨钻削测温原理长期以来钻削温度的测量比较困难。钻头的切削刃相当复杂，其温度的测量研究的成熟度远"!人工热电偶法测温原理［４］不及车削温度的测量研究。航天材料及工艺研在皮质骨上距离钻头钻削点的一定位置ｌ处打究所的赵建设采用热像仪法对碳纤维复合材料进行入小孔，插入一对标准Ｋ型热电偶，并使之与孔壁了钻削温度的测量研究。由于热像仪不能测

7、量孔内保持绝缘。当钻削过程进行时，该指定点作为热电温度，但该研究使用的材料导热性大且孔壁薄，所以偶热端感受钻削热，通过串联到信号调理电路形成测量结果贴近真实值。湖南大学徐慧蓉等人采用半冷端构成闭合回路，该回路产生的电压量经采集和人工热电偶方法对钻削温度进行了测量。该方法能处理最终转化为温度量，其原理见图１。""热电偶的安装基金项目：国家自然科学基金（１１４０２１７２）；天津市自然科学基金重本文采用预埋法即提前钻一个小孔把热电偶粘点基金（１５ＪＣＺＤＪＣ３２８００）收稿日期：２０１６年８月结在里面进行安装。为测量钻削处切削温度，

8、应尽１０６工具技术可能使孔靠近切削刃位置。由于钻孔破坏了骨的温过来的电压信号调理成适合ＤＡＱ卡采集的信号，使度场，因此需保证孔径小于０．５ｍｍ以减小误差。此得输出电压信号每１０毫伏为１℃。外，为了不浪费试验标本，在每个标本上钻尽可能多ＡＤ５９５是利用硅集成电路对