浅析数控铣床仿真加工全息再现的可行性

黄　丽

（广东工贸职业技术学院，广东广州510510）

浅析数控铣床仿真加工全息再现的可行性

黄丽

（广东工贸职业技术学院，广东广州510510）

数控铣床仿真加工是一种利用计算机模拟数控铣床加工的方法，对检验加工刀路的设置方法及分析机床各部件的加工性能有很好的辅助作用，但仿真加工只能在计算机中实现。分析了将全息技术应用到数控铣床加工的可行性，利用计算机及光电技术，操作者直接在机床再现影像上进行操作和实时分析机床加工状态，该方法对了解和研究数控加工技术有很好的促进作用。

数控；仿真加工；全息技术；M atlab

近日，以色列将3D全息投影技术应用在医学上，医生可以进行模拟操刀，非常逼真，且可实现使用者与影像之间的互动，大大提高手术治疗成功率［1］。全息技术在医学上的成功应用，为其在其它领域的发展也提供了技术上的可能性。全息投影技术也称为虚拟成像技术，是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现的技术［2］。其基本方法是利用干涉原理得到或生成记录物体信息的全息图，再利用衍射原理再现物体。当前常用的全息图的获取方法有：（1）数字全息，利用计算机对CCD（数字光敏元件）数码相机进行全息图数据处理和波前信息的提取；（2）计算全息，属于广义上的数字全息，是随着计算机技术的迅速发展，使用计算机编码模拟、运算和处理各种光学信息，把无波的数学描述输入数字计算机处理后，直接产生全息图，而随着光电技术的发展和相关理论的研究，真彩色3D物体的全息光电再现也基本实现。

数控铣床加工技术是结合机械加工和计算机控制技术的加工技术，随着计算机技术的发展，能够完成多种形状复杂零件的全自动加工，在工业生产中的作用日益重要，如果能将加工的过程进行全息投影，可以通过投影观察工件加工过程中机床各零部件的运行状态和工件的加工状态，对提高机床的安全性和分析机床各部件运行性能，及对进一步提高加工工件的质量有很好的参考作用。为此，本文主要分析了利用计算全息方法生成数控铣床虚拟加工过程的全息图及三维再现的可行性。

1　总体方案

基于计算全息的原理和数控铣床的功能特点，本文认为数控铣床仿真加工全息再现可采用图1所示的方案，即整个过程涉及数控铣床仿真加工建模，生成全息图和光学全息再现三个阶段。

图1　设计方案

2　数控铣床虚拟仿真加工建模

数控铣床的虚拟仿真加工建模包括两部分内容，铣床结构建模和运动控制建模，铣床结构建模与机床的组成有关，如图2所示，运动控制建模与机床系统相关，如图3所示。

图2　数控立式铣床的组成

图3　数控立式铣床系统

随着计算机技术的发展，很多机械软件或专业的加工软件都可以直接实现仿真加工建模的这两部分内容，如机械软件UG、Pro/E和Solidworks和专业加工软件Vericut，可以检测到是否过切、损坏夹具、折断刀具或碰撞机床等，但考虑到与计算全息图的生成方法相结合，可以直接选用Matlab软件，该软件中的Simuscape模块可以进行整个数控系统的建模和仿真。Simscape的建模库包括电气建模单元、液压建模单元和机械建模单元，利用Simulink的支持，可以通过将这些单元联合组建，构成数控机床，不仅能直观地表现出系统的组成结构，且能够根据数控机床组成关系，自动生成表现系统动态参数特性的数学方程，这些数据作为生成计算全息图的物波数据。若是用SolidWorks和ProEngineer软件建模，用户可以将文件形为XML格式，SimMechanics可以通过格式转换打开该文件。用其它的CAD软件建模，则可以利用SimMechanicsLink的API函数进行转换［3］，所以，数控机床的仿真建模可以通过Matlab直接实现。如图4所示。

图4　数控铣床建模

3　生成数控铣床仿真加工全息再现计算全息图（CGH）

制作计算全息图就是要将物体的信息完整准确地反映在图中，由于数控机床仿真加工的3D结构复杂，不能直接用具体函数描述其物光波的分布，故大多数都是从二维物体的全息计算方法衍生而来，适用于数控机床仿真加工的计算方法有如多视角投影合成法、菲涅耳波带法（如图5所示）等.多视角投影合成法相当于对空间物波函数进行傅立叶变换，将物体的不同视角的二维投影图，加入倾斜因子后进行积分运算，并将其积分值作为该视角投影图在全息图中对应点的像素值［4］，应用Matlab强大的三维图像处理功能和数学计算功能，获得全息图。另外也可获取数控机床的点云数据，并将这些点云数据按相对于全息面的深度不同进行规整，最后计算出相应深度轴上点的菲涅耳波带，同深度各点的菲涅耳波带可通过平移，再将所有点的波带图叠加，即获得全息图［4］，这就是菲涅耳波带法，计算量较大。由于数控铣床在Matlab的Simuscape模块中建模，依据Simuscape的特点，可以自动生成数控系统动态特性的数学方程，并利用Matlab强大的数学处理功能进行抽样、编码，继而生成计算全息图，计算全息图的制作过程采用数字定量计算，精度高，抗干扰能力强，噪声小，易于复制，且随着计算机容量和计算速度的不断提高，要制作一张高空间带宽积的全息图，也就不难了。如图6所示。

图5　菲涅耳波带法[6]

图6　计算全息图(CGH)的制作流程

数控机床仿真加工计算全息图的再现如图7所示。

图7　光学再现光路图

通过各种方法生成的计算全息图进行再现，可通过图6的光路图实现，理论依据是菲涅耳衍射公式：

其中：F代表傅立叶变换，是输入面复振幅，是输出面复振幅，是两平面的距离；k为光波波矢；λ为光波波长，透镜的投射系数公式为：

其中f为透镜的焦距。

在计算机中模拟出再现图像，基于傅立叶变换全息图的数字再现过程图如8图示。

图8　数字再现过程图[5]

计算全息图的数字再现主要用计算机对全息图进行模拟显示，检验全息图再现的质量，而不能实现真正的物体虚拟像的再现，也就是光学再现。光学再现由于是用感光胶片记录，需要繁琐的物理、化学处理制作，故全息图的制作质量和重复性就成为了最主要的问题。1967年Goodman提出的数字全息技术，弃感光胶片而采用电荷耦合器件CCD（数字光敏元件）充当记录介质，避免了环境干扰，可重复性强，但仍很难实现再现技术。Thomas Kreis等提出了实时数字全息，就是用一个数字设备光学再现全息图，来缩短全息操作时间，现在常用的是DMD，DMD是美国德州仪器公司基于DLP（digital light processing，数字光处理）技术的空间光调制器，具有高分辨率、高亮度、高对比度、高可靠性、数字控制、响应时间短等优点，是一种很适合于波前再现的衍射元件，将全息图输入至DMD中，一束激光匀滑准直后作为参考光照射到DMD上，其衍射后形成的光场分布可以用菲涅耳衍射公式表示，其原理图如9图示［6］。

图9　计算全息图的DMD光学再现原理图

最后就是再现的承载介质，最理想的介质是空气，如美国麻省的ChadDyne发明的空气投影和交互技术，日本公司Scienceand Technology的用激光束来投射实体的3D影像的技术等［2］。

4　数控铣床全息过程的其他关键技术问题

（1）数控铣床仿真加工的计算全息算法问题，即获取准确和完整的仿真加工的动态信息的全息图，由于涉及的信息量很大，全息图的算法也很多，但也存在不同程度的局限性，故需要进一步研究；

（2）SLM的性能问题，研究不同的SLM结构和调制特性，很大程度上影响全息图再现效果的提高；

（3）RGB真彩色全息再现中的问题；

（4）3D立体影像的承载问题，承载介质间的串扰、不稳定（不均匀性）直接影响了影像效果［6］。

5　结束语

机床仿真加工过程的动态性能分析通过软件在计算机中已实现，随着光电显示技术的发展，也能如电影中一样，能对一台虚拟的机床进行操作，不用担心安全性，噪音干扰和对切削液的处理，并能实时显示机床工作各零部件的运动状态，受力分析的动态信息就在眼前。本文通过对全息再现技术理论的分析，说明了将数控铣床仿真加工过实现全息再现是可行的。提出的方案设想可供具体实现参考。

［1］以色列梦幻3D全息投影.医生模拟操刀练习［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］郑华东.数字全息三维立体显示关键技术研究［D］.上海：上海大学博士学位论文，2009.

［5］计算全息图的制作及其数字再现.［EB/OL］.http://course. baidu.com/view/ae49751c964bcf84b9d57b0c.htm l，2016-3-25.

［6］宋佼，郭小伟，陈铭勇，等.用DMD光学再现全息图的研究［J］.四川大学学报（自然科学版），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

黄丽（1975-），女，湖南常德人，工学硕士，讲师，研究方向：数控加工。