人工髋关节股骨柄建模及仿真加工

摘要

由于各种原因导致人的关节产生病变，影响正常的生产生活。对坏死关节病变治疗的有效手段是关节置换。目前，我国人工关节主要是一系列的标准件，这些标准件难以与成千上万病患的个体相匹配。因此，个体化的股骨柄的设计与制造得到关注。但是，由于股骨形状的复杂与多样，在假体模型建立与加工制造上，有许多问题待以解决。为了设计制造出更加符合个体病患的股骨柄，提出了“髋关节股骨柄的建模与加工仿真”这一问题。在模型的建立与仿真加工上进行研究，确定可行性。主要研究工作有：
　　第一，为减少后续工作的分析与处理量，需要针对所采集到 CT图像进行筛选及感兴趣区域的提取，略去在建模时无用的数据。完成筛选后将进行图像预处理，先采用中值滤波过滤掉图像上的干扰点；之后用拉普拉斯（Laplace）算子对图像进行锐化处理，提高图像轮廓的清晰度；最后是对所采集到的图像进行轮廓提取，采用边缘追踪法与灰度阈值法相结合的方式，将患者的生理结构数据转换为建模所需的轮廓数据。
　　第二，将计算机软件与人工智能相结合,重建股骨部位的轮廓形状。把CT图与X光片图结合，以Auto CAD软件和SolidWorks软件作为技术支撑。具体来说，就是在Auto CAD中以采集到的X光片图像为路径导向，依次从CT图上截取股骨截面轮廓的二维数据，将所截取的二位数据导入SolidWorks软件，用三维建模技术生成股骨内腔的轮廓形状，并建立针对于该病患的股骨柄三维模型。
　　第三，由于股骨柄为不连续的复杂曲面，在对仿真加工的刀具路径轨迹的规划上，基于球头铣刀铣削，对加工的行距和步长进行规划。由于球头铣刀具有编程简单，而且对不同对象的适应能力强等优点，在曲面铣削中得到应用。对行距进行计算时，本文采用等残留高度法，由于该方法的加工效率高，故可缩短切削时间。计算步长时，以满足设计精度为前提，尽量增大步长，来提高加工的效率。同时生成股骨柄加工的数控程序。
　　第四，股骨柄的仿真加工。采用VERICUT仿真软件，该软件功能完善，且通用性强，非常适合于对通用的数控系统进行建模和仿真加工。仿真过程是：建立机床模型、设定机床控制系统、建立刀具库、设定夹具、添加毛坯等。并将数控 NC程序调入，进行股骨柄的切削仿真加工。完成仿真后，利用VERICUT的分析与处理模块对所加工的零件进行分析，比较是否满足设计加工要求，生成比较报告。如发现问题及时修正。为实际加工奠定良好基础。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 研究意义

1.2研究现状

1.3本文研究的主要内容和解决的关键问题

第2章 股骨柄的图像预处理与轮廓提取

2.1 图像获取

2.2 数据筛选与感兴趣区域提取

2.3 CT图像预处理

2.4 图像尖锐化处理

2.5骨骼轮廓的分割与提取

2.6 股骨轮廓的提取过程

2.7 本章小结

第3章 股骨柄模型的建立

3.1 常见的几何建模方式

3.2 髋关节股骨柄建模的系统框架

3.3 CT图像的股骨柄二维建模

3.4 X光片的股骨柄三维建模

3.5 本章小结

第4章 髋关节股骨柄的铣削仿真加工的轨迹规划

4.1 刀具轨迹介绍

4.2四轴铣削加工刀具轨迹的生成

4.3本章小结

第5章 面向多轴加工机床的数控加工过程动态仿真

5.1 VERICUT数控仿真加工软件简介

5.2 VERICUT数控仿真加工基本过程

5.3 股骨柄的VERICUT仿真加工

5.4 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

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