(天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 天津 300380)

一、引言

骨細(xì)胞對(duì)溫度異常敏感，高溫會(huì)使骨細(xì)胞失去生物活性，發(fā)生脫水死亡，失去恢復(fù)再生的能力。骨細(xì)胞承受高溫的能力是非常弱的，當(dāng)溫度達(dá)到70℃時(shí)，骨細(xì)胞幾乎瞬間發(fā)生了死亡，溫度降低，骨細(xì)胞承受高溫的時(shí)間延長。骨科手術(shù)中如圖1.1所示，骨的銑削是必不可少的，骨銑削表面質(zhì)量的好壞直接影響人工假體與骨的配合，稍有失誤就有可能損傷脊髓和神經(jīng)根，造成肢體功能障礙。骨切削過程中產(chǎn)生的熱量，會(huì)導(dǎo)致刀具與切削表面的溫度升高，從而導(dǎo)致周圍骨細(xì)胞脫水死亡。切削溫度是銑削操作過程中影響切削質(zhì)量其中一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)手術(shù)成功與否有著至關(guān)重要的作用。為了減少骨細(xì)胞和周圍組織的損傷，獲得良好的切削表面質(zhì)量，應(yīng)該找出切削參數(shù)與切削溫度的影響關(guān)系，便于確定合理的切削參數(shù)，實(shí)驗(yàn)中，選取精確測量出切削溫度的方式具有重要意義。

圖1.1 骨頭鉆削示意圖

二、骨銑削過程中切削溫度測量方法

切削溫度的測量可分為接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量，傳感器與被測部位直接接觸。熱電偶法是典型的接觸式測量方法。它是基于“熱電效應(yīng)”原理制成的，如圖2.1所示。兩種不同成分的導(dǎo)電材質(zhì)接連在一起形成閉合回路時(shí)，材質(zhì)表層會(huì)有電子溢出，由于不同材質(zhì)產(chǎn)生電子的能力不同，所以，在兩種材質(zhì)接觸界面間會(huì)形成電位差，回路中就會(huì)產(chǎn)生電流。由于特定材質(zhì)構(gòu)成的材料副在一定溫度條件下產(chǎn)生的電位差是一定的，所以，經(jīng)過標(biāo)定后，可通過電位差的大小來判斷溫度的高低。

圖2.1 熱電偶工作原理示意圖

非接觸式測量，感溫元件與被測物體不直接接觸，主要是基于物體的熱輻射原理設(shè)計(jì)的，通過檢查熱輻射強(qiáng)度的大小來判斷溫度的高低，溫度越高，輻射強(qiáng)度越大，溫度越低，輻射強(qiáng)度越小。

(一)自然熱電偶法

將刀具、骨頭，毫伏計(jì)首尾串聯(lián)起來，利用能量轉(zhuǎn)換來測量出切削加工中的溫度值。其具體操作為：在毫伏計(jì)的一端接口處連接由骨頭引出的導(dǎo)線，而另一端接口處則連接由刀具引出的導(dǎo)線。在整個(gè)金屬切削過程中，隨著切削加工的開始，骨頭與刀具勢必會(huì)產(chǎn)生熱量，而與之相連接的毫伏計(jì)兩端由于處于常溫狀態(tài)，則在接口處勢必會(huì)產(chǎn)生溫差。通過冷端與熱端之間的溫差引發(fā)熱電勢，由此會(huì)引發(fā)毫伏計(jì)指針發(fā)生變化。而毫伏值的記錄可以達(dá)到測量金屬切削溫度的目的。

(二)人工熱電偶法

人工熱電偶法解決了自然熱電偶法只能測切削區(qū)平均溫度這一限制，其能夠測得切削區(qū)刀、屑、骨頭某一具體點(diǎn)的溫度。人工熱電偶是由2種絕緣的金屬絲構(gòu)成的，而且金屬絲事先已進(jìn)行標(biāo)定，金屬絲焊接于刀具或骨頭的測溫點(diǎn)上或埋進(jìn)測溫點(diǎn)開的小孔內(nèi)(小孔會(huì)影響刀具里熱流及溫度分布，甚至減弱刀具強(qiáng)度，所以孔的直徑在滿足要求的情況下應(yīng)盡可能的小)，形成熱端。冷端通過導(dǎo)線串聯(lián)毫伏計(jì)，與自然熱電偶法同理，冷熱端之間因?yàn)闇夭顚?dǎo)致熱電勢，根據(jù)記錄的毫伏值和標(biāo)定曲線得到熱端溫度，如圖2.2所示。

1. 骨頭 2. 刀具 3. 豪伏計(jì)

有學(xué)者研究了主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和鉆削深度對(duì)溫度分布的影響。通過在鉆孔周圍不等距離處安放熱電偶，以檢測溫度在骨骼中的分布情況。

(三)熱電偶與LabVIEW相結(jié)合的溫度測量系統(tǒng)

在切削溫度測量中，鉆削溫度是比較難測得的，單純采用熱電偶法會(huì)有許多局限，測量不便利，誤差較大。采用軟件與熱電偶等硬件相結(jié)合的方法是鉆削溫度測量的新渠道。軟件采用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)，利用LabVIEW軟件模塊化、層次化軟件結(jié)構(gòu)，建立鉆削溫度測試信號(hào)的界面系統(tǒng)。硬件部分由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、放大電路和電耦回路組成。系統(tǒng)以半人工熱電偶作為傳感器，獲取信號(hào)后由數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)，在虛擬儀器界面獲取鉆削溫度相關(guān)數(shù)據(jù)或所需圖形，系統(tǒng)示意圖如圖2.3所示。

1. 夾具;2. 墊板;3. 骨頭;4. 刀具;5. 卡具;6. 主軸;7. 計(jì)算機(jī);

(四)紅外測溫法

紅外測溫法是輻射式測溫的一種利用物體的熱輻射現(xiàn)象來測量物體溫度，裝置示意圖見圖2.4。紅外測溫儀主要包括光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分。在鉆削加工中，針對(duì)筒壁內(nèi)表面溫度難以直接測得的情況，采用響應(yīng)速度快、靈敏度高、體積小的紅外傳感器對(duì)鉆削溫度進(jìn)行間接測試的方法。無論密封與非密封狀態(tài)，被測物體內(nèi)部溫度場會(huì)隨著所處環(huán)境溫度場的變化而變化，其間存在著某一對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)傳熱學(xué)理論，如果被測介質(zhì)隨環(huán)境溫度的變化關(guān)系是已知的，通過測定被測體外表面的溫度，所需點(diǎn)的溫度便可間接獲得。

1. 步進(jìn)電機(jī);2. 蝸輪蝸桿減速機(jī);3. 主軸;4. 鉆頭;5. 紅外傳感器

有學(xué)者采用紅外測溫儀來檢測骨銑削表面的溫度，但是由于切削刀具的干擾，很難直接測得切削刃與骨骼接觸處的溫度，只能記錄已切削表面的溫度，檢測到的溫度不是最大溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在較大誤差。陶媛等對(duì)紅外熱像儀測量切削溫度的方法進(jìn)行了誤差來源分析與實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果對(duì)于紅外熱像儀現(xiàn)場監(jiān)測切削溫度，具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

三、結(jié)語

骨切削過程中產(chǎn)生的熱量，會(huì)導(dǎo)致刀具與切削表面的溫度升高，從而導(dǎo)致周圍骨細(xì)胞脫水死亡。骨銑削過程中，選擇合適的切削溫度測量方法，研究切削參數(shù)與切削溫度的影響關(guān)系，有助于優(yōu)化切削參數(shù)，減少切削熱的產(chǎn)生。

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