牙科手机和马达测试系统设计展望

齐丽晶 张赟 国家食品药品监督管理局天津医疗器械质量监督检验中心 （天津 300384）

1.引言

牙科治疗设备主要包括牙科治疗机（以及口腔灯、病人椅、压缩机等）、各种气动、电动马达、高速气涡轮手机、直手机和弯手机、吸引系统、光固化机等。其中马达、手机等小部件的通用性很强，生产企业、产品系列众多，性能指标主要是转速、夹持力、径向跳动等。

随着产品的迅速发展，牙科手机转速大幅提高，相应的径向跳动大幅下降，这些变化使得牙科手机的切削性能得到大幅改善，很大程度上降低了治疗中对周边组织的损伤，使得齿科治疗更趋精细化。从标准发展可以看出，牙科手机（马达）的转速从早期的8000 转每分发展到现在常见的数万转每分至数十万转每分以上，径向跳动从0.1mm 降低到0.03mm 以下，产品性能的改善和提高，同时对测试的实施和精度提出了极高的要求。

2.测试难点

2.1 工作条件

牙科手机、马达和主机之间具有相互独立性，除电动马达和主机之间的软轴连接器没有标准规定外，其他手机与马达、马达与主机之间的连接器均为标准接口，这就要求测试实验室为独立送检的手机（马达）配套相应的主机和马达（手机）。同时，这些接口又具有多样性，根据驱动气、雾化气、排气、冷却水和电气连接的不同需要，接口存在4 种类型至少6 种以上的不同设计5，配备能够满足所有要求的牙科治疗台是不现实的，而且牙科治疗台的供水、供气压力不可控，也无法实时监测，不能够满足标准测试方法的要求。

2.2 转速测试

牙科高速气涡轮手机的转速远高于骨科或其他设备的转速，按照YY 1045.1-2009《牙科手机 第一部分 高速气涡轮手机》第4 章“分类”的说明：“高速气涡轮手机是指最小空载转速为160000r/min的牙科手机。”在实际应用中，高速气涡轮手机的转速甚至可高达500000r/min。即便是低速手机，根据其配套使用的马达性能，转速通常也可达数万转每分，例如YY 0837-2011《牙科手机 牙科气动马达》中4.1“空载速度范围”规定的3 类马达转速可达40000r/min， YY 0836-2011《牙科手机 牙科低压电动马达》中4.1“空载速度范围”规定的3 类马达转速可达40000r/min 以上。而通常的转速仪的测量范围30000r/min～100000r/min 之间，难以响应牙科手机如此高的转速变化，并且测试中手机和转速计的任何一点抖动都会导致转速不可测量。

2.3 夹持力测试

标准规定了手机夹头的夹持力需要在动态条件下测试1，4，这就要求在手机运转的情况下，同时完成对测试棒的稳定径向加载和转速监测，并且对高速旋转的测试棒施加轴向拉力。虽然径向加载、转速监测和拉力测试都分别有常规的测试设备或装置能够完成，但同时在直径不过2.4mm、长度不过44mm 的测试棒4 上实施操作，不仅理论上需要多人协同操作，而且在实际上也是不具有可操作性的。

3.测试系统设想及测试难点解决方案

3.1 总体设计思路

齿科设备中的治疗机主机、马达、手机、车针等部件需要配合在一起才能运行，测试系统中包含了适合所有类型齿科设备接口的驱动系统、马达、手机和工作头，能够对齿科设备中任意组件实施独立的针对性测试，而无需生产商为测试进行额外的配套工作，同时也保证各项指标测试能够顺利进行。

设计研制专用测试系统可以减少配套工作组件和测试仪器的连接过程，使得牙科手机和马达的大部分检测项目能够实现半自动化，以达到提高齿科类产品的检测效率目的。同时也可提高检测精度，减少检测过程中的相对位移、振动等带来的影响，使得测试结果更加科学、准确。

3.2 集成化、小型化的供水供气驱动系统

将驱动气路、冷却气路、冷却水路、低压照明电路集成在一起，每一路气（电）均配有独立的开关、调节阀和监测仪表，能够根据不同产品的需要和标准的规定，选择不同的气源（电源）供应，供气压力能在100kPa～700kPa 范围内可调并能够提供至少70L/min 的稳定气流，供水压力能在100kPa～400kPa 范围内可调并能够提供至少100mL/min 的稳定水流，气路和水路均应配备压力、流量监测仪表。其中供水供气流量是标准要求的测试项目1，2，3，因此流量监测仪表是可拆卸的，以便单独计量和校准。驱动系统提供3路输出，连接器分别为YY/T 0514-2009 标准中规定的A 型、C 型和D 型接口（B 型接口的驱动部分与C 型相同，可由C 型接口驱动），这样就能够驱动所有类型标准接口高速气涡轮手机和气动马达工作。另外，为了配合牙科手机（马达）工作，系统中也提供了连轴节符合YY 1012-2004 标准的气动马达和手机。

测试系统中包含了气路、水路的调节、监控和测量装置，相比于牙科治疗机，广泛适应各种类型接头马达和手机的工作需要，能够精确地按照产品设计和标准规定，提供各种常规测试条件和极限测试条件，并且实现压力、流量的实时监测，符合标准的测试要求。

3.3 转速测试装置

为了测试马达和高速气涡轮手机的转速，特别制备了2 种类型的测试棒：一种带有磁性，测试棒沿一个轴平面分为两半，分别是N 极和S 极，在旋转时形成磁场交替，与磁性转速计配合，能够测量（5～999）千转每分的转速；另外一种没有磁性，同样沿一个轴平面分为两半，一半为金属银色，另外一半镀黑，在旋转时形成反射率交替，与激光转速计配合，能够测量（1～1000000）转每分的转速。需要注意的是，由于牙科手机用测试棒直径均较小（最大仅2.4mm4），因此激光转速计光斑必须会聚，普通的发散型光斑会受到测试棒以外背景光的严重干扰而无法响应，特别是对于数十万转每分的高速气涡轮手机而言。

每种测试棒分别有3 种规格，能与所有高速手机和低速直手机、弯手机相配合。为了消除测试过程中测试棒的振动，专门设计了适用于高速气涡轮手机、直手机和弯手机的固定座，在测试过程中手机能够牢固地固定在固定座中。若使用激光转速计，则激光探头也应使用专用支架充分固定，以消除相对位移和振动对测试结果的影响。

3.4 夹持力测试装置

该测试装置由一个固定在支架上的拉力测试仪和手机固定底座构成，底座有3 种型式，分别对应高速气涡轮手机、直手机和弯手机。底座的角度能够保证手机固定后其夹头能够与拉力测试仪同轴，拉力测试仪的测试杆装有活动夹头，能够与手机夹头中的测试棒牢固连接。测试棒径向装有一个气压驱动的压簧和一个转速监测探头，按照规定的驱动条件使手机稳定空载运转之后，逐渐增加压簧的驱动气压，使压簧接触测试棒并在径向施加一定的负荷，直到监测到的转速降至空载转速的50%，这时通过拉力测试仪对测试棒施加轴向拉力，测量测试棒松动时的拉力，即手机夹头对测试棒的夹持力。

3.5 其他测试装置

根据满足现行标准的要求，测试系统中另外配备了一些辅助测试装置，例如带有手机固定底座和百分表的径向跳动测试仪等。径向跳动等测试项目也能够通过其他测试设备完成，但根据牙科手机的外形特点设计的测试装置能够方便的完成手机的固定和测试，提高测试效率，也减少其他固定方式带来的振动。上述测试系统配合常规的表面温度测试仪、扭力仪、声级计等检测仪器，就可以完成牙科手机和马达主要测试项目的测试要求。

4.总结

该测试系统能够提供所有类型牙科手机和马达的测试条件（其中电动马达由于没有标准接口，需要制造商提供配套的供电主机），能够完成现行有效标准规定的主要测试项目，构建了完整的牙科手机和马达专用测试平台，解决了多个测试难点，并将有助于提高此类医疗器械的检测效率，降低测试误差和时间成本。

[1] YY 1045.1-2009 牙科手机 第1 部分：高速气涡轮手机

[2] YY 0837-2011 牙科手机 牙科气动马达

[3] YY 0836-2011 牙科手机 牙科低压电动马达

[4] YY 1045.2-2010 牙科手机 第2 部分：直手机和弯手机

[5] YY/T 0514-2009 牙科手机 软管连接件