Математическое моделирование бедренного элемента эндопротеза коленного сустава как элемента высшей кинематической пары

Для управляющих модулей программного обеспечения CAD/CAM станков с ЧПУ разработаны модели рабочих поверхностей эндопротеза коленного сустава человека. При моделировании поверхностей использовали кинематический метод....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автор:	Возный, В.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України 2011
Назва видання:	Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
Теми:	Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/63310
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Математическое моделирование бедренного элемента эндопротеза коленного сустава как элемента высшей кинематической пары / В.В. Возный // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2011. — Вип. 14. — С. 579-583. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-63310
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-633102014-06-01T03:01:53Z Математическое моделирование бедренного элемента эндопротеза коленного сустава как элемента высшей кинематической пары Возный, В.В. Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности Для управляющих модулей программного обеспечения CAD/CAM станков с ЧПУ разработаны модели рабочих поверхностей эндопротеза коленного сустава человека. При моделировании поверхностей использовали кинематический метод. Для розробки керуючих модулів програмного забезпечення CAD/CAM верстатів із ЧПУ розроблені моделі робочих поверхонь ендопротеза колінного суглоба людини. При моделюванні поверхонь використовували кінематичний метод. Models of working surfaces are developed for working out of operating modules of software CAD/CAM of machine tools a knee joint of the person. At modelling of surfaces used a kinematic method. 2011 Article Математическое моделирование бедренного элемента эндопротеза коленного сустава как элемента высшей кинематической пары / В.В. Возный // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2011. — Вип. 14. — С. 579-583. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 2223-3938 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/63310 621.7 ru Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности
spellingShingle	Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности Возный, В.В. Математическое моделирование бедренного элемента эндопротеза коленного сустава как элемента высшей кинематической пары Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
description	Для управляющих модулей программного обеспечения CAD/CAM станков с ЧПУ разработаны модели рабочих поверхностей эндопротеза коленного сустава человека. При моделировании поверхностей использовали кинематический метод.
format	Article
author	Возный, В.В.
author_facet	Возный, В.В.
author_sort	Возный, В.В.
title	Математическое моделирование бедренного элемента эндопротеза коленного сустава как элемента высшей кинематической пары
title_short	Математическое моделирование бедренного элемента эндопротеза коленного сустава как элемента высшей кинематической пары
title_full	Математическое моделирование бедренного элемента эндопротеза коленного сустава как элемента высшей кинематической пары
title_fullStr	Математическое моделирование бедренного элемента эндопротеза коленного сустава как элемента высшей кинематической пары
title_full_unstemmed	Математическое моделирование бедренного элемента эндопротеза коленного сустава как элемента высшей кинематической пары
title_sort	математическое моделирование бедренного элемента эндопротеза коленного сустава как элемента высшей кинематической пары
publisher	Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/63310
citation_txt	Математическое моделирование бедренного элемента эндопротеза коленного сустава как элемента высшей кинематической пары / В.В. Возный // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2011. — Вип. 14. — С. 579-583. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
series	Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
work_keys_str_mv	AT voznyjvv matematičeskoemodelirovaniebedrennogoélementaéndoprotezakolennogosustavakakélementavysšejkinematičeskojpary
first_indexed	2025-07-05T14:07:08Z
last_indexed	2025-07-05T14:07:08Z
_version_	1836816195268902912
fulltext	РАЗДЕЛ 3. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ИНСТРУМЕНТЕ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 579 7. Технологическое исследование закономерностей инжекционного формования изделий сложной формы из технической керамики и компьютерная оптимизация процесса: Отчет о НИР / ИСМ НАН Украины. – № ГР 0101U006189. – К., 2005. – 153 с. 8. Разработка системы оборудования для инжекционного литья изделий из материалов на основе тугоплавких соединений /Н.В. Новиков, В.В. Ивженко, В.А. Попов, Г.Ф. Сарнавская // Междунар. конф. «Материаловедение тугоплавких соединений: достижения и проблемы»: Тр. конф., 27–29 мая 2008 г. – К., 2008 – С. 104. Поступила 02.06.11 УДК 621.7 В. В. Возный, канд. техн. наук Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БЕДРЕННОГО ЭЛЕМЕНТА ЭНДОПРОТЕЗА КОЛЕННОГО СУСТАВА КАК ЭЛЕМЕНТА ВЫСШЕЙ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ПАРЫ Для управляющих модулей программного обеспечения CAD/CAM станков с ЧПУ разработаны модели рабочих поверхностей эндопротеза коленного сустава человека. При моделировании поверх- ностей использовали кинематический метод. Ключевые слова: бедренный элемент, математическая модель, коэффициент, эндопротез коленного сустава, лекальная кусочнозаданная кривая. Мировой финансовый кризис 2008-2009 гг. негативно повлиял на фирмы, производящие режущие инструменты. Некоторые из них сократили производство на 50-80%. Экономической спад заставил мно- гие компании искать пути диверсификации с целью смягчить воздействие колебаний экономической ак- тивности. При диверсификации, инвестируют в направления, дающие значительные прибыли в период стремительного развития рынка, сохраняющие при спаде экономической активности. В этой связи для компаний, действующих или начинающих деятельность в области затачива- ния инструментов на станках с ЧПУ, шлифование медицинских имплантов стало привлекательным вариантом диверсификации. Основное направление современной реконструктивной хирургии – про- тезирование тазобедренных, плечевых и коленных суставов. Импланты для этих суставов и связан- ные с ними инструменты требуют затачивания в процессе изготовления. Исторический и прогнозируемый рост рассматриваемого рынка, а также быстрое развитие технологий открывают новые возможности для компаний, занимающихся шлифованием. Рынок на- ходится на стадии становления, поэтому инвестиции в правильно выбранную технологию имеют особое значение. Правильно выбранное оборудование в сочетании с новейшим программным обеспе- чением CAD/CAM позволяет быстро реагировать на изменяющиеся потребности этого рынка [1]. Эффективность запуска нового изделия в производство в равной степени зависит от продол- жительности его разработки и подготовки вторичных средств производства (оснастки). Нерацио- нальные временные затраты на любой из этих стадий могут обернуться для предприятия либо поте- рей доли рынка, либо привести к ситуации, когда изделие окажется вне рамок потребительского спроса [2], поэтому моделирование таких сложных изделий, как элементы эндопротезов коленного сустава человека, является актуальной проблемой. Математическое моделирование производили кинематическим методом. При построении рабочей поверхности использовали данные об анатомическом строении коленного сустава человека, а также мно- голетний опыт ведущих мировых производителей эндопротезов коленных суставов человека. Для задания параметрических поверхностей необходимо описать координаты ,x ,y z , как функции параметров u и v [3]. Сначала необходимо задать векторы значений параметров iц и jш . При необходимости за- дания разности между соседними параметрами const= , можно использовать формулы (1): Выпуск 14. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 580 ( ) ( ),шшшш ,цццц minmaxmin minmaxmin ++= ++= N i N i i i .0 ;0 Nj Ni K K = = (1) После определения вспомогательных функций ( )цR и ( )цr , представляющих собой пере- менные радиусы, необходимо найти матрицы значений координат (2): ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )( )ï ï ï î ï ï ï í ì ´= ´´+= ´´+= ,шsinц ;цsinшcosцц ;цcosшcosцц ;ц ;ц , , , jiji ijiiji ijiiji rz rRy rRx r R ; (2) где N - количество значений параметров – 1; i , j - индексные переменные; iц , iш - значения параметров. Например, параметрическое представление «раковины улитки» имеет следующий вид (3): ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ï ï ï ï î ï ï ï ï í ì ×= ××+= ××+= ×= ×= - - .шsinц ;цsinшcosцц ;цcosшcosцц ;4ц ;8ц , , , 5 ц 5 ц jiji ijiiji ijiiji rz rRy rRx er eR . (3) В данном случае координаты x , y , z должны быть определены как матрицы. При этом jix , зависит от iц и iш , это же относится к jiy , и jiz , . При построении указанных зависимостей в среде MathCAD получили трехмерное изображе- ние (рис. 1). При математическом моделировании поверхностей эндопротеза коленного сустава человека модель «раковина улитки» может быть принята как исходная математическая. При замене параметра ( )цr описывающего радиус окружности «Раковина улитки» на параметр F1(х) -а – лекальную ку- сочнозаданную функцию - получим математическую модель рабочей поверхности элемента эндопро- теза коленного сустава человека (4): ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )ï ï î ï ï í ì = ×+×-= ×+×-= ×= - ;иcos ;цsinиcos1 ;цcos)иsin(1 ;15 , , , 5 ц xmx mxmx mxmx z mRxFy mRxFx emR m (4) Графическое изображение математической модели рабочей поверхности элемента эндопроте- за коленного сустава человека показано на рис. 2. РАЗДЕЛ 3. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ИНСТРУМЕНТЕ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 581 Рис. 1. Трехмерное изображение спира- ли Архимеда «Раковина улитки» Рис. 2. Графическое изображение мате- матической модели рабочей поверхности эле- мента эндопротеза коленного сустава человека Разработанная математическая модель рабочей поверхности элемента эндопротеза коленного сустава человека требует доработки. При ее адаптации получили математическая модель рабочей поверхности эндопротеза коленного сустава (5): ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )ï ï î ï ï í ì ×++±= ×+×-= ×+×-= ×= - ,иcos ;цsinиcos1 ;цcos)иsin(1 ;15 321, , , 5 ц xmx mxmx mxmx KKKz mRxFy mRxFx emR m (5) где F1(х) – лекальная кусочнозадання функция; R(m) – радиус-вектор спирали Архимеда; К1, К2, К3 – коэффициенты, учитывающие анатомические особенности при построении математической модели рабочей поверхности элементов эндопротеза коленного сустава человека. В конкретном случае управление формой поверхности сводится к выбору коэффициентов К1, К2, К3 и знака перед коэффициентом К1. Так, при изменении знака перед коэффициенте К1 с отрицательного на положительный на- правление смещения оси спирали Архимеда изменяется в перпендикулярно к плоскости ее вращения. Можно утверждать, что знак перед коэффициентом К1 указывает на то, что при использовании раз- работанной математической модели рабочей поверхности элементов эндопротеза коленного сустава человека будет получен шарнир для ног пациента. Гомотетия рабочей поверхности элемента эндопротеза коленного сустава. Значение коэффициента К1 описывает величину смещения оси спирали Архимеда, в направ- лении, перпендикулярном к плоскости ее вращения. К1 отвечает за габаритные размеры элемента эндопротеза сустава человека. ""± - анатомическая принадлежность рабочей поверхности элемента эндопротеза коленного сустава: 1K+ - левый, 1K- - правый. Коэффициент 1K - смещение спирали Архимеда в направлении, перпендикулярном к плос- кости ее вращения 2K выбирают согласно анатомическим параметрам коленного сустава пациента. К2 – отве- чает за масштабирование профиля. 3K выбирают согласно анатомическим параметрам коленного сустава пациента. Результаты моделирования бедренной и большеберцовой поверхности приведены на рис. 13. Выпуск 14. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 582 Кривые, проходящие через геометриче- ское место точек, на каждом из мыщелков имею- щих максимальное удаление от геометрического центра вращения, являются параллельными Кривые, проходящие через геометриче- ское место точек, на каждом из мыщелков имею- щих максимальное удаление от геометрического центра вращения, сближаются Формообразующая – лекальная кусоч- нозаданная кривая при перемещении ее вдоль направляющей кривой на заданный угол (» 155-172°) постепенно пропорционально изменяет свои геометрические размеры Кривые, проходящие через геометриче- ское место точек, на каждом из мыщелков имею- щих максимальное удаление от геометрического центра вращения, сближаются с уклоном в одну из сторон Рис. 13. Моделирование бедренной поверхности элемента эндопротеза коленного сустава Геометрические параметры режущей части обрабатывающего инструмента учтены при расчете лекальной кусочнозаданной функции )(1 xF [4] В результате введения в математическую модель рабочей поверхности элемента эндопротеза ко- ленного сустава человека коэффициентов К1, К2, К3 обеспечивается индивидуальный подход к каждому пациенту при проектировании эндопротеза коленного сустава человека на стадии его проектирования. Для розробки керуючих модулів програмного забезпечення CAD/CAM верстатів із ЧПУ роз- роблені моделі робочих поверхонь ендопротеза колінного суглоба людини. При моделюванні поверхонь використовували кінематичний метод. Ключові слова: стегновий елемент, математична модель, коефіцієнт, ендопротез колінного суглоба, лекальна кусковозадана крива. Models of working surfaces are developed for working out of operating modules of software CAD/CAM of machine tools a knee joint of the person. At modelling of surfaces used a kinematic method. Key words: femoral element, mathematical model, factor, knee joint, curve. РАЗДЕЛ 3. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ИНСТРУМЕНТЕ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 583 Литература 1. http://www.anca.com/Applications/Articles/Medical-Applications/Knees-Please-Orthopedic- Implant-Grinding (Колени Пожалуйста - Шлифование ортопедических имплантатов) 2. http://www.sapr.ru/Article.aspx?id=6964 (Опыт использования Power Solution в инструменталь- ном производстве). 3. http://detc.usu.ru/assets/amath0021/l3_3.htm 3.3 (Графики в трехмерном пространстве). 4. Возный В.В. Построение лекальных кривых для моделирования рабочих поверхностей эндо- протеза коленного сустава человека: Зб. науч. работ. - Харків НТУ «ХПИ».: 2007. – Вып. 2. -C. 64-71. Поступила 06.05.11 УДК 66.933 Я. О. Подоба Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, м. Київ СИСТЕМА МОНІТОРИНГУ І УПРАВЛІННЯ ПРОЦЕСОМ ЕЛЕКТРОСПІКАННЯ КАМ НА МЕТАЛЕВІЙ ЗВ’ЯЗЦІ Розроблена комп’ютеризована система моніторингу та керування процесом інтенсивного еле- ктроспікання, за допомогою якої було досліджено процеси ущільнення та консолідації порошкових композитів. Досліджено вплив тиску та щільності електричного струму на кінетику усадки компо- зитних алмазовмістних матеріалів. Ключові слова: Система моніторингу, ущільнення, консолідація, порошкові композити. Як альтернатива традиційним технологіям спікання композиційних алмазовмісних матеріалів (КАМ) з металевою матрицею, і насамперед гарячого пресування, в Інституті надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України розроблюють метод інтенсивного електроспікання під тиском до 500 МПа [1–4]. Відомий ще з тридцятих років минулого століття як «спікання опором», цей метод остан- нім часом набув широкого застосування (наприклад, [5–9]) завдяки малій енергомісткості, відсутнос- ті, на відміну від вільного спікання, зростання зерен та пор, що сприяє формуванню однорідної стру- ктури матеріалу. Технологія інтенсивного електроспікання за підвищеного тиску забезпечує виготов- лення готового виробу за час від одиниць або десятків секунд. Короткотривалість інтенсивного елек- троспікання робить його перспективним зокрема для виготовлення виробів з алмазовмісних компози- тних матеріалів, забезпечуючи повніше порівняно з іншими методами збереження цілісності алмазів, а отже, підвищену працездатність і стійкість оснащеного ними інструмента. Втім, зауважемо, що на- лежна якість виробів досягається лише за певної комбінації технологічних параметрів, зокрема сили струму і зумовленої нею потужності тепловиділення, тиску і тривалості процесу. Для забезпечення дотримання технологічних параметрів та реакції на їх зміну розроблено комп’ютеризовану систему моніторингу та управління інтенсивним електроспіканням. Опис системи Апаратні засоби системи моніторингу. Передбачено два основних режими роботи установки інтенсивного електроспікання. Згідно з першим жорстко задаються режим роботи і максимальні зна- чення параметрів (сили струму, часу, енергії або усадки), після досягнення чого система моніторингу видає керуючий сигнал про вимкнення електричного струму. Як варіант передбачено двоетапний режим нагрівання, що реалізується шляхом відповідної комутації регуляторів R1 і R2, включених в електричну схему установки (рис. 1). http://www.anca.com/Applications/Articles/Medical-Applications/Knees-Please-Orthopedic-Implant-Grinding http://www.anca.com/Applications/Articles/Medical-Applications/Knees-Please-Orthopedic-Implant-Grinding

Математическое моделирование бедренного элемента эндопротеза коленного сустава как элемента высшей кинематической пары

Репозитарії

Схожі ресурси