淺析數控銑床仿真加工全息再現的可行性

黃　麗

（廣東工貿職業技術學院，廣東廣州510510）

淺析數控銑床仿真加工全息再現的可行性

黃麗

（廣東工貿職業技術學院，廣東廣州510510）

數控銑床仿真加工是一種利用計算機模擬數控銑床加工的方法，對檢驗加工刀路的設置方法及分析機床各部件的加工性能有很好的輔助作用，但仿真加工只能在計算機中實現。分析了將全息技術應用到數控銑床加工的可行性，利用計算機及光電技術，操作者直接在機床再現影像上進行操作和實時分析機床加工狀態，該方法對了解和研究數控加工技術有很好的促進作用。

數控；仿真加工；全息技術；M atlab

近日，以色列將3D全息投影技術應用在醫學上，醫生可以進行模擬操刀，非常逼真，且可實現使用者與影像之間的互動，大大提高手術治療成功率［1］。全息技術在醫學上的成功應用，為其在其它領域的發展也提供了技術上的可能性。全息投影技術也稱為虛擬成像技術，是利用干涉和衍射原理記錄并再現物體真實的三維圖像的記錄和再現的技術［2］。其基本方法是利用干涉原理得到或生成記錄物體信息的全息圖，再利用衍射原理再現物體。當前常用的全息圖的獲取方法有：（1）數字全息，利用計算機對CCD（數字光敏元件）數碼相機進行全息圖數據處理和波前信息的提取；（2）計算全息，屬于廣義上的數字全息，是隨著計算機技術的迅速發展，使用計算機編碼模擬、運算和處理各種光學信息，把無波的數學描述輸入數字計算機處理后，直接產生全息圖，而隨著光電技術的發展和相關理論的研究，真彩色3D物體的全息光電再現也基本實現。

數控銑床加工技術是結合機械加工和計算機控制技術的加工技術，隨著計算機技術的發展，能夠完成多種形狀復雜零件的全自動加工，在工業生產中的作用日益重要，如果能將加工的過程進行全息投影，可以通過投影觀察工件加工過程中機床各零部件的運行狀態和工件的加工狀態，對提高機床的安全性和分析機床各部件運行性能，及對進一步提高加工工件的質量有很好的參考作用。為此，本文主要分析了利用計算全息方法生成數控銑床虛擬加工過程的全息圖及三維再現的可行性。

1　總體方案

基于計算全息的原理和數控銑床的功能特點，本文認為數控銑床仿真加工全息再現可采用圖1所示的方案，即整個過程涉及數控銑床仿真加工建模，生成全息圖和光學全息再現三個階段。

圖1　設計方案

2　數控銑床虛擬仿真加工建模

數控銑床的虛擬仿真加工建模包括兩部分內容，銑床結構建模和運動控制建模，銑床結構建模與機床的組成有關，如圖2所示，運動控制建模與機床系統相關，如圖3所示。

圖2　數控立式銑床的組成

圖3　數控立式銑床系統

隨著計算機技術的發展，很多機械軟件或專業的加工軟件都可以直接實現仿真加工建模的這兩部分內容，如機械軟件UG、Pro/E和Solidworks和專業加工軟件Vericut，可以檢測到是否過切、損壞夾具、折斷刀具或碰撞機床等，但考慮到與計算全息圖的生成方法相結合，可以直接選用Matlab軟件，該軟件中的Simuscape模塊可以進行整個數控系統的建模和仿真。Simscape的建模庫包括電氣建模單元、液壓建模單元和機械建模單元，利用Simulink的支持，可以通過將這些單元聯合組建，構成數控機床，不僅能直觀地表現出系統的組成結構，且能夠根據數控機床組成關系，自動生成表現系統動態參數特性的數學方程，這些數據作為生成計算全息圖的物波數據。若是用SolidWorks和ProEngineer軟件建模，用戶可以將文件形為XML格式，SimMechanics可以通過格式轉換打開該文件。用其它的CAD軟件建模，則可以利用SimMechanicsLink的API函數進行轉換［3］，所以，數控機床的仿真建模可以通過Matlab直接實現。如圖4所示。

圖4　數控銑床建模

3　生成數控銑床仿真加工全息再現計算全息圖（CGH）

制作計算全息圖就是要將物體的信息完整準確地反映在圖中，由于數控機床仿真加工的3D結構復雜，不能直接用具體函數描述其物光波的分布，故大多數都是從二維物體的全息計算方法衍生而來，適用于數控機床仿真加工的計算方法有如多視角投影合成法、菲涅耳波帶法（如圖5所示）等.多視角投影合成法相當于對空間物波函數進行傅立葉變換，將物體的不同視角的二維投影圖，加入傾斜因子后進行積分運算，并將其積分值作為該視角投影圖在全息圖中對應點的像素值［4］，應用Matlab強大的三維圖像處理功能和數學計算功能，獲得全息圖。另外也可獲取數控機床的點云數據，并將這些點云數據按相對于全息面的深度不同進行規整，最后計算出相應深度軸上點的菲涅耳波帶，同深度各點的菲涅耳波帶可通過平移，再將所有點的波帶圖疊加，即獲得全息圖［4］，這就是菲涅耳波帶法，計算量較大。由于數控銑床在Matlab的Simuscape模塊中建模，依據Simuscape的特點，可以自動生成數控系統動態特性的數學方程，并利用Matlab強大的數學處理功能進行抽樣、編碼，繼而生成計算全息圖，計算全息圖的制作過程采用數字定量計算，精度高，抗干擾能力強，噪聲小，易于復制，且隨著計算機容量和計算速度的不斷提高，要制作一張高空間帶寬積的全息圖，也就不難了。如圖6所示。

圖5　菲涅耳波帶法[6]

圖6　計算全息圖(CGH)的制作流程

數控機床仿真加工計算全息圖的再現如圖7所示。

圖7　光學再現光路圖

通過各種方法生成的計算全息圖進行再現，可通過圖6的光路圖實現，理論依據是菲涅耳衍射公式：

其中：F代表傅立葉變換，是輸入面復振幅，是輸出面復振幅，是兩平面的距離；k為光波波矢；λ為光波波長，透鏡的投射系數公式為：

其中f為透鏡的焦距。

在計算機中模擬出再現圖像，基于傅立葉變換全息圖的數字再現過程圖如8圖示。

圖8　數字再現過程圖[5]

計算全息圖的數字再現主要用計算機對全息圖進行模擬顯示，檢驗全息圖再現的質量，而不能實現真正的物體虛擬像的再現，也就是光學再現。光學再現由于是用感光膠片記錄，需要繁瑣的物理、化學處理制作，故全息圖的制作質量和重復性就成為了最主要的問題。1967年Goodman提出的數字全息技術，棄感光膠片而采用電荷耦合器件CCD（數字光敏元件）充當記錄介質，避免了環境干擾，可重復性強，但仍很難實現再現技術。Thomas Kreis等提出了實時數字全息，就是用一個數字設備光學再現全息圖，來縮短全息操作時間，現在常用的是DMD，DMD是美國德州儀器公司基于DLP（digital light processing，數字光處理）技術的空間光調制器，具有高分辨率、高亮度、高對比度、高可靠性、數字控制、響應時間短等優點，是一種很適合于波前再現的衍射元件，將全息圖輸入至DMD中，一束激光勻滑準直后作為參考光照射到DMD上，其衍射后形成的光場分布可以用菲涅耳衍射公式表示，其原理圖如9圖示［6］。

圖9　計算全息圖的DMD光學再現原理圖

最后就是再現的承載介質，最理想的介質是空氣，如美國麻省的ChadDyne發明的空氣投影和交互技術，日本公司Scienceand Technology的用激光束來投射實體的3D影像的技術等［2］。

4　數控銑床全息過程的其他關鍵技術問題

（1）數控銑床仿真加工的計算全息算法問題，即獲取準確和完整的仿真加工的動態信息的全息圖，由于涉及的信息量很大，全息圖的算法也很多，但也存在不同程度的局限性，故需要進一步研究；

（2）SLM的性能問題，研究不同的SLM結構和調制特性，很大程度上影響全息圖再現效果的提高；

（3）RGB真彩色全息再現中的問題；

（4）3D立體影像的承載問題，承載介質間的串擾、不穩定（不均勻性）直接影響了影像效果［6］。

5　結束語

機床仿真加工過程的動態性能分析通過軟件在計算機中已實現，隨著光電顯示技術的發展，也能如電影中一樣，能對一臺虛擬的機床進行操作，不用擔心安全性，噪音干擾和對切削液的處理，并能實時顯示機床工作各零部件的運動狀態，受力分析的動態信息就在眼前。本文通過對全息再現技術理論的分析，說明了將數控銑床仿真加工過實現全息再現是可行的。提出的方案設想可供具體實現參考。

［1］以色列夢幻3D全息投影.醫生模擬操刀練習［EB/OL］.http:// world.kankanews.com/w/2014-01-08/0014049275.

［2］全息投影［EB/OL］.http://www.baike.com/wiki/，2016-04-04.

［3］Mathlab中的simulink和simMechanics做仿真［EB/OL］.http: //www.doc88.com/p-2435589811386.htm l，2016-04-03.

［4］鄭華東.數字全息三維立體顯示關鍵技術研究［D］.上海：上海大學博士學位論文，2009.

［5］計算全息圖的制作及其數字再現.［EB/OL］.http://course. baidu.com/view/ae49751c964bcf84b9d57b0c.htm l，2016-3-25.

［6］宋佼，郭小偉，陳銘勇，等.用DMD光學再現全息圖的研究［J］.四川大學學報（自然科學版），2008，（6）:577-578.

Analysis of the Feasibility of the NumericalControlMilling Machine to Simulate the Holographic Reconstruction

HUANG Li
（Guangdong College of Industry and Commerce，Guangzhou Guangdong 510510，Chiina）

Milling simulation is amethod of simulation of NCmillingmachine using computer，itaids us tomaster the processing performance inspection ofmachining tool path settingmethod and analysis of themachine parts，but it can only be realized in the computer，this paper analyzes the feasibility of holographic technology is applied to the NCmillingmachine，using the computer the operator and photoelectric technology，direct operation and realtime analysis ofmachine tool in machine tool reproducing images，themethod to understand and Research on NC machining technology has a very good role in promoting.

numerical control；simulation processing；holographic technology；matlab

TH164

A

1672-545X（2016）06-0198-03

2016-03-04

黃麗（1975-），女，湖南常德人，工學碩士，講師，研究方向：數控加工。