淺析數(shù)控銑床仿真加工全息再現(xiàn)的可行性

黃　麗

（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510510）

淺析數(shù)控銑床仿真加工全息再現(xiàn)的可行性

黃麗

（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510510）

數(shù)控銑床仿真加工是一種利用計(jì)算機(jī)模擬數(shù)控銑床加工的方法，對(duì)檢驗(yàn)加工刀路的設(shè)置方法及分析機(jī)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(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)。分析了將全息技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控銑床加工的可行性，利用計(jì)算機(jī)及光電技術(shù)，操作者直接在機(jī)床再現(xiàn)影像上進(jìn)行操作和實(shí)時(shí)分析機(jī)床加工狀態(tài)，該方法對(duì)了解和研究數(shù)控加工技術(shù)有很好的促進(jìn)作用。

數(shù)控；仿真加工；全息技術(shù)；M atlab

近日，以色列將3D全息投影技術(shù)應(yīng)用在醫(yī)學(xué)上，醫(yī)生可以進(jìn)行模擬操刀，非常逼真，且可實(shí)現(xiàn)使用者與影像之間的互動(dòng)，大大提高手術(shù)治療成功率［1］。全息技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的成功應(yīng)用，為其在其它領(lǐng)域的發(fā)展也提供了技術(shù)上的可能性。全息投影技術(shù)也稱為虛擬成像技術(shù)，是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像的記錄和再現(xiàn)的技術(shù)［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(xiàn)物體。當(dāng)前常用的全息圖的獲取方法有：（1）數(shù)字全息，利用計(jì)算機(jī)對(duì)CCD（數(shù)字光敏元件）數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行全息圖數(shù)據(jù)處理和波前信息的提??；（2）計(jì)算全息，屬于廣義上的數(shù)字全息，是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使用計(jì)算機(jī)編碼模擬、運(yùn)算和處理各種光學(xué)信息，把無波的數(shù)學(xué)描述輸入數(shù)字計(jì)算機(jī)處理后，直接產(chǎn)生全息圖，而隨著光電技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)理論的研究，真彩色3D物體的全息光電再現(xiàn)也基本實(shí)現(xiàn)。

數(shù)控銑床加工技術(shù)是結(jié)合機(jī)械加工和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的加工技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，能夠完成多種形狀復(fù)雜零件的全自動(dòng)加工，在工業(yè)生產(chǎn)中的作用日益重要，如果能將加工的過程進(jìn)行全息投影，可以通過投影觀察工件加工過程中機(jī)床各零部件的運(yùn)行狀態(tài)和工件的加工狀態(tài)，對(duì)提高機(jī)床的安全性和分析機(jī)床各部件運(yùn)行性能，及對(duì)進(jìn)一步提高加工工件的質(zhì)量有很好的參考作用。為此，本文主要分析了利用計(jì)算全息方法生成數(shù)控銑床虛擬加工過程的全息圖及三維再現(xiàn)的可行性。

1　總體方案

基于計(jì)算全息的原理和數(shù)控銑床的功能特點(diǎn)，本文認(rèn)為數(shù)控銑床仿真加工全息再現(xiàn)可采用圖1所示的方案，即整個(gè)過程涉及數(shù)控銑床仿真加工建模，生成全息圖和光學(xué)全息再現(xiàn)三個(gè)階段。

圖1　設(shè)計(jì)方案

2　數(shù)控銑床虛擬仿真加工建模

數(shù)控銑床的虛擬仿真加工建模包括兩部分內(nèi)容，銑床結(jié)構(gòu)建模和運(yùn)動(dòng)控制建模，銑床結(jié)構(gòu)建模與機(jī)床的組成有關(guān)，如圖2所示，運(yùn)動(dòng)控制建模與機(jī)床系統(tǒng)相關(guān)，如圖3所示。

圖2　數(shù)控立式銑床的組成

圖3　數(shù)控立式銑床系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，很多機(jī)械軟件或?qū)I(yè)的加工軟件都可以直接實(shí)現(xiàn)仿真加工建模的這兩部分內(nèi)容，如機(jī)械軟件UG、Pro/E和Solidworks和專業(yè)加工軟件Vericut，可以檢測(cè)到是否過切、損壞夾具、折斷刀具或碰撞機(jī)床等，但考慮到與計(jì)算全息圖的生成方法相結(jié)合，可以直接選用Matlab軟件，該軟件中的Simuscape模塊可以進(jìn)行整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)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(jī)械建模單元，利用Simulink的支持，可以通過將這些單元聯(lián)合組建，構(gòu)成數(shù)控機(jī)床，不僅能直觀地表現(xiàn)出系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，且能夠根據(jù)數(shù)控機(jī)床組成關(guān)系，自動(dòng)生成表現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)特性的數(shù)學(xué)方程，這些數(shù)據(jù)作為生成計(jì)算全息圖的物波數(shù)據(jù)。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(zhuǎn)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(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換［3］，所以，數(shù)控機(jī)床的仿真建?？梢酝ㄟ^Matlab直接實(shí)現(xiàn)。如圖4所示。

圖4　數(shù)控銑床建模

3　生成數(shù)控銑床仿真加工全息再現(xiàn)計(jì)算全息圖（CGH）

制作計(jì)算全息圖就是要將物體的信息完整準(zhǔn)確地反映在圖中，由于數(shù)控機(jī)床仿真加工的3D結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能直接用具體函數(shù)描述其物光波的分布，故大多數(shù)都是從二維物體的全息計(jì)算方法衍生而來，適用于數(shù)控機(jī)床仿真加工的計(jì)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(dāng)于對(duì)空間物波函數(shù)進(jìn)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(jìn)行積分運(yùn)算，并將其積分值作為該視角投影圖在全息圖中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的像素值［4］，應(yīng)用Matlab強(qiáng)大的三維圖像處理功能和數(shù)學(xué)計(jì)算功能，獲得全息圖。另外也可獲取數(shù)控機(jī)床的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)按相對(duì)于全息面的深度不同進(jìn)行規(guī)整，最后計(jì)算出相應(yīng)深度軸上點(diǎn)的菲涅耳波帶，同深度各點(diǎn)的菲涅耳波帶可通過平移，再將所有點(diǎn)的波帶圖疊加，即獲得全息圖［4］，這就是菲涅耳波帶法，計(jì)算量較大。由于數(shù)控銑床在Matlab的Simuscape模塊中建模，依據(jù)Simuscape的特點(diǎn)，可以自動(dòng)生成數(shù)控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)方程，并利用Matlab強(qiáng)大的數(shù)學(xué)處理功能進(jìn)行抽樣、編碼，繼而生成計(jì)算全息圖，計(jì)算全息圖的制作過程采用數(shù)字定量計(jì)算，精度高，抗干擾能力強(qiáng)，噪聲小，易于復(fù)制，且隨著計(jì)算機(jī)容量和計(jì)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(jì)算全息圖(CGH)的制作流程

數(shù)控機(jī)床仿真加工計(jì)算全息圖的再現(xiàn)如圖7所示。

圖7　光學(xué)再現(xiàn)光路圖

通過各種方法生成的計(jì)算全息圖進(jìn)行再現(xiàn)，可通過圖6的光路圖實(shí)現(xiàn)，理論依據(jù)是菲涅耳衍射公式：

其中：F代表傅立葉變換，是輸入面復(fù)振幅，是輸出面復(fù)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(shù)公式為：

其中f為透鏡的焦距。

在計(jì)算機(jī)中模擬出再現(xiàn)圖像，基于傅立葉變換全息圖的數(shù)字再現(xiàn)過程圖如8圖示。

圖8　數(shù)字再現(xiàn)過程圖[5]

計(jì)算全息圖的數(shù)字再現(xiàn)主要用計(jì)算機(jī)對(duì)全息圖進(jìn)行模擬顯示，檢驗(yàn)全息圖再現(xiàn)的質(zhì)量，而不能實(shí)現(xiàn)真正的物體虛擬像的再現(xiàn)，也就是光學(xué)再現(xiàn)。光學(xué)再現(xiàn)由于是用感光膠片記錄，需要繁瑣的物理、化學(xué)處理制作，故全息圖的制作質(zhì)量和重復(fù)性就成為了最主要的問題。1967年Goodman提出的數(shù)字全息技術(shù)，棄感光膠片而采用電荷耦合器件CCD（數(shù)字光敏元件）充當(dāng)記錄介質(zhì)，避免了環(huán)境干擾，可重復(fù)性強(qiáng)，但仍很難實(shí)現(xiàn)再現(xiàn)技術(shù)。Thomas Kreis等提出了實(shí)時(shí)數(shù)字全息，就是用一個(gè)數(shù)字設(shè)備光學(xué)再現(xiàn)全息圖，來縮短全息操作時(shí)間，現(xiàn)在常用的是DMD，DMD是美國德州儀器公司基于DLP（digital light processing，數(shù)字光處理）技術(shù)的空間光調(diào)制器，具有高分辨率、高亮度、高對(duì)比度、高可靠性、數(shù)字控制、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，是一種很適合于波前再現(xiàn)的衍射元件，將全息圖輸入至DMD中，一束激光勻滑準(zhǔn)直后作為參考光照射到DMD上，其衍射后形成的光場(chǎng)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(jì)算全息圖的DMD光學(xué)再現(xiàn)原理圖

最后就是再現(xiàn)的承載介質(zhì)，最理想的介質(zhì)是空氣，如美國麻省的ChadDyne發(fā)明的空氣投影和交互技術(shù)，日本公司Scienceand Technology的用激光束來投射實(shí)體的3D影像的技術(shù)等［2］。

4　數(shù)控銑床全息過程的其他關(guān)鍵技術(shù)問題

（1）數(shù)控銑床仿真加工的計(jì)算全息算法問題，即獲取準(zhǔn)確和完整的仿真加工的動(dòng)態(tài)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(jìn)一步研究；

（2）SLM的性能問題，研究不同的SLM結(jié)構(gòu)和調(diào)制特性，很大程度上影響全息圖再現(xiàn)效果的提高；

（3）RGB真彩色全息再現(xiàn)中的問題；

（4）3D立體影像的承載問題，承載介質(zhì)間的串?dāng)_、不穩(wěn)定（不均勻性）直接影響了影像效果［6］。

5　結(jié)束語

機(jī)床仿真加工過程的動(dòng)態(tài)性能分析通過軟件在計(jì)算機(jī)中已實(shí)現(xiàn)，隨著光電顯示技術(shù)的發(fā)展，也能如電影中一樣，能對(duì)一臺(tái)虛擬的機(jī)床進(jìn)行操作，不用擔(dān)心安全性，噪音干擾和對(duì)切削液的處理，并能實(shí)時(shí)顯示機(jī)床工作各零部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，受力分析的動(dòng)態(tài)信息就在眼前。本文通過對(duì)全息再現(xiàn)技術(shù)理論的分析，說明了將數(shù)控銑床仿真加工過實(shí)現(xiàn)全息再現(xiàn)是可行的。提出的方案設(shè)想可供具體實(shí)現(xiàn)參考。

［1］以色列夢(mèng)幻3D全息投影.醫(yī)生模擬操刀練習(xí)［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(shù)字全息三維立體顯示關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.上海：上海大學(xué)博士學(xué)位論文，2009.

［5］計(jì)算全息圖的制作及其數(shù)字再現(xiàn).［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(xué)再現(xiàn)全息圖的研究［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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(xué)碩士，講師，研究方向：數(shù)控加工。