數(shù)控機床在中國制造業(yè)迅速普及，數(shù)控編程技術也同步進展；從應用現(xiàn)狀分析，數(shù)控加工效率、安全性仍然存在較多瓶頸，全自動的數(shù)控加工中心一定程度上變成了“半自動”，對于大多數(shù)企業(yè)來說，數(shù)控的優(yōu)勢充分體現(xiàn)在可以無干預的長時間工作，至于加工效率難于進行評價和評測，如果相對于非數(shù)控機床，通常效率有提高；對于一般數(shù)控加工和高效數(shù)控加工效率評價方式缺乏參照，對數(shù)控加工高效潛力挖掘較弱，本文基于Delcam先進制造技術和工藝，對數(shù)控編程和加工效率潛力空間，列舉大量試驗數(shù)據(jù)，結合公司最新專利技術和Vortex技術，以大幅提高數(shù)控加工效率的方式、方法展開論述；旨在引導數(shù)控加工領域對提高加工質量的同時，能夠獲得較高的效率提升；使制造型企業(yè)能夠運用高效加工先進制造技術，形成知識積累。

　　什么是 MachineDNA ?

　　MachineDNA是英國Delcam公司開發(fā)，并獲得最新國際專利的一項數(shù)控編程技術，該技術是目前CAM系統(tǒng)中，把數(shù)控機床“DNA信息”植入編程軟件的CAM系統(tǒng)，同時也是行業(yè)首創(chuàng)；下面把MachineDNA的原理和形成機制進行分析和闡述；

　　第一個問題，什么是MachineDNA？很顯然MachineDNA中的DNA是借用遺傳學中的名詞遺傳基因的原意，同樣用到DNA復制、遺傳密碼、遺傳信息傳遞的中心法則，提取數(shù)控機床DNA傳遞到CAM軟件，CAM軟件根據(jù)此機床的DNA信息，生成最適合這臺機床的數(shù)控加工代碼；

　　第二個問題如何獲得機床的MachineDNA信息，首先由Delcam Powermill生成一個特別的機床DNA提取NC代碼，在機床上按照程序規(guī)定運行，獲得機床規(guī)定數(shù)量的速度段在機床不同的運動狀態(tài)和因素下，如：在直線運行、不同直徑圓弧、最小點相應時間、曲線、機床前瞻功能、加減速參數(shù)、加速曲線、減速曲線等綜合綜合工況數(shù)據(jù)，生成數(shù)控機床的MachineDNA數(shù)據(jù)信息文件；

　　第三個問題， MachineDNA程序的特征和運用，作為Delcam開發(fā)的一項獨特加工技術，CAM系統(tǒng)根據(jù)提取的MachineDNA數(shù)據(jù)，自動設定最有效的擺線尺寸，優(yōu)化點分布，自動進行圓弧和直線變換、速度處理， MachineDNA 結合Vortex技術,可最大限度地發(fā)揮加工機床的潛能。

　　根據(jù)數(shù)控機床運動機理，不同的數(shù)控系統(tǒng)存在一些差異，原理包括數(shù)字脈沖相乘法插補原理、逐點比較法插補原理、最小偏差法、數(shù)字積分法、目標點跟蹤法、單步追蹤法、高次曲線插補原理、加密判別和雙判別插補原理、插補方法的實際應用、插補器的信息輸入、插補運算的控制、偏差計算公式的實現(xiàn)；通過不同的方式把電信號、脈沖信號轉化為位移信號，數(shù)控系統(tǒng)的運行，依賴CAM系統(tǒng)提供的CNC指令，這些指令由點信息和運動指令構成；在點分布原則方面，有非常廣闊的研究空間；例如：采用ISO代碼，編寫一段圓弧程序：

　　G02 X60 Z50 R20 F2000

　　那么，數(shù)控系統(tǒng)在執(zhí)行這段代碼時，并不執(zhí)行F2000的速度，統(tǒng)常減少到設定值的70%運行，不同的系統(tǒng)有一定差異，對一個包含圓弧（曲線）運動的數(shù)控加工程序，程序點的處理方式通常包含以下幾種情況：

　　1、采用正常幾何節(jié)點和圓弧指令編程：

　　2、公差逼近圓弧編程

　　3、均勻點分布

　　對于以上三種情況，以相同的幾何尺寸在DMU160P進行測試分析，程序打開相應的高速優(yōu)化（前瞻功能），通過測試效率以公差逼近運行效率最高，但數(shù)控機床運動過程中都存在不同程度的減速，試驗中測試的系統(tǒng)和測試速度如下，限于篇幅試驗數(shù)據(jù)不進行羅列，關于設備、系統(tǒng)和切削速度，如下所示：

　　Machine = DMG DMU160P　　Feedrate = 10000mm/min　　Control = HEIDENHAIN IT530

　　數(shù)控加工過程中，因為數(shù)控機床和數(shù)控機床本身運動特性，不合理的NC程序，都會導致數(shù)控機床在切削過程中，頻繁的交替加速減速；通過在數(shù)控機床試驗，并分析以上條件，都不能讓數(shù)控機床在切削過程中保持恒速；同時存在數(shù)控系統(tǒng)在不同的圓弧條件下的巨大差異，通過下圖可以看出，針對試驗設備，采用PowerMILL提供的測試程序獲得以下數(shù)據(jù)；長度2.8毫米采用擺線編程，擺線圓弧半徑4mm，理論時間16s, 數(shù)控機床實際運行時間28s, 初步計算數(shù)控機床在當前條件下減速比達到42.857%；同樣速度采用8mm擺線圓弧，接近實際時間；采用圓弧半徑為12.84mm，該機床在Feedrate = 10000mm/min條件下，能夠保持不減速加工完成所有刀具路徑；

　　通過對試驗條件的設定和測試，推斷數(shù)控機床本身存在個體的運動特性，獲取機床最佳運動特性，通過包括以上及其他更多測試條件，獲得數(shù)控機床Delcam MachineDNA數(shù)據(jù)，適當控制進給率和采用恰當?shù)募訙p速曲線可以減少加減速滯后所產(chǎn)生的誤差。“前瞻”控制在程序執(zhí)行前對運動數(shù)據(jù)進行計算、處理和多段緩沖，從而控制刀具按高速運動，而且誤差很小。對于機床平滑運行的高精度輪廓控制，采用對指令形式的實時識別，可以最佳地控制速度、加速度和加加速度，因而使加工總是保持在最佳狀態(tài)。為了防止擾動，測試獲得數(shù)控機床的加速度、加加速度、最小點響應時間等重要MachineDNA參數(shù)，把MachineDNA數(shù)據(jù)植入CAM的仿真機床，編程系統(tǒng)PowerMILL讀入該仿真機床，在編程系統(tǒng)中選用MachineDNA功能有效，軟件生成刀具路徑將根據(jù)該數(shù)據(jù)進行優(yōu)化；結合Delcam另外一項專利技術Vortex路徑，得到高效的加工程序。

　　關于Vortex技術，能夠實現(xiàn)數(shù)控加工在切削過程中做到等體積切削，結合MachineDNA能夠做到恒速、等載荷切削的目的；在數(shù)控加工過程中，制約加工效率的主要因素包含載荷不恒定、路徑突變等不利因素；切削在角落區(qū)域，刀具的切削角度急劇增大，切削條件急劇惡化，刀具壽命受到較大影響，切削力增大、切削熱迅速累積、排削困難、精密機床受到較大沖擊；如上圖，在正常切削區(qū)域，刀具和工件始終保持46度包角，在轉角和銳角區(qū)域，切削包角會急劇變大，導致出現(xiàn)切削條件變化。

　　如下圖一個三角型型腔刀具路徑，路徑在90%的藍色區(qū)域都是正常的直線運動，在角落部位大約有10%的刀具路徑用紅色表示，紅色區(qū)域是切削出現(xiàn)不穩(wěn)定的區(qū)域，僅僅10%的路徑長度，經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域占用的機床運行時間是90%的切削時間；數(shù)控機床不斷的加速、減速，導致機床劇烈震動，同時刀具在該區(qū)域會發(fā)出刺耳的聲音，切削條件非常惡劣，Vortex采用特殊的、結合MachineDNA數(shù)據(jù)的自動擺線處理、以及路徑點分布等，來處理刀具路徑，讓路徑在所有區(qū)域都保持恒定的切削包角，恒定的切削速度，也保證切削能夠在恒體積、恒載荷的理想切削狀態(tài)；最大限度發(fā)揮刀具和機床的潛能。

　　解決數(shù)控加工載荷和等體積切削的問題，單位時間內(nèi)數(shù)控加工材料去除率的提升，可以基于以上技術，達到驚人的效果，在案例分析階段，我們能夠看到提高加工效率5~10倍的特殊案例；下面我們分析大切寬和大切深材料去除率的數(shù)據(jù)分析，假設實際切削ae (Stepover) 設置為 75%刀具直徑；刀具切削負載計算中，切寬(ap)增加，機床負載同比增加，而大切深，在同樣切寬（ae）條件下，機床負載增加較少，通過數(shù)據(jù)，能夠清楚的認識到，在合適條件下，采用大切深，能夠有效提高材料去除率。

　　在清華大學精密儀器系，使用DMU60T 測試，材料因條件所限，采用Aluminium 6082 T6，零件大小250mm*250mm*80mm進行測試，刀具選用12mm普通硬質合金3刃鋁合金加工刀具，通過在機床運行PowerMILL生成的MachineDNA程序（數(shù)控機床運行約20分鐘），獲在得多種運動條件機床特性數(shù)據(jù)，其中機床最小點響應時間為0.098021ns。

　　如上圖中零件，一次切削深度達到2倍刀長=24毫米，切削速度7878mm/min, 切削過程平穩(wěn)，觀察機床負載恒定，無震動、切削聲音恒定一致，觀察數(shù)控系統(tǒng)實際速度保持在7878mm/min 浮動5%以下范圍內(nèi)，每片切削都基本保持一致，實際切削時間4分40秒，單位時間材料去除率達到1008 cm3/min，同等條件下，是大多數(shù)企業(yè)切削該材料效率的2~3倍，下圖是實際測試工件和詳細參數(shù)

　　新技術存在的意義是為企業(yè)提高效率、節(jié)約成本、增加效益，本技術在為企業(yè)定制增效工程中，能夠起到非常重要的作用，某汽車零部件供應商，加工齒輪箱部件，每月大于500 件/工具鋼/54-59 HRc,使用傳統(tǒng)CAM軟件加工時間 >26分鐘,使用MachineDNA&Vortex 加工時間減少到4m 25s (同時大幅節(jié)約刀具費用70%)，效率是原來的超過6倍，傳統(tǒng)方式采用層切小切深方式，刀具磨損快，新的方式，每次裝夾2個零件，一次切削兩個零件，切削過程穩(wěn)定，零件質量通過檢測也達到較高要求。

　　另外，在鈦合金加工領域，國內(nèi)外也存在眾多的待解難題，MachineDNA&Vortex技術在該領域，也為相應廠商提供了相應效率提升途徑，下圖是一個航空鈦合金空心齒輪的高效加工應用，材料為Ti6AI4V，冷卻方式采用高壓冷空氣，刀具采用12mm鈦合金專用銑刀，刀具線速度100m/min，可有效解決客戶過去在加工該類零件時，一把鈦合金專用銑刀，不能完成單個工件的問題，同時恒載切削，因產(chǎn)生較少的切削熱，零件性狀和表面質量都非常好。

　　綜合上述，數(shù)控技術發(fā)展及研究深度出現(xiàn)非常細致的分工，由單一的幾何切削計算研究，深入到機床共振域、刀具共振域、切削過程金屬形變、性變；刀具與加工材料共滲的研究，并取得一定進展；超硬刀具的發(fā)展也為高效加工提供了相應的支持；熱脹刀柄也普遍被使用，直線電機和高速主軸也逐步成熟，數(shù)控加工技術的發(fā)展也基于相關技術的發(fā)展而提高，Delcam的MachineDNA和Vortex技術是在現(xiàn)代數(shù)控技術整體發(fā)展的基礎上，能夠為企業(yè)生產(chǎn)、數(shù)控加工技術研究等領域，提供優(yōu)化刀具路徑的先進編程系統(tǒng)；數(shù)控切削技術的研究和應用，也必須依賴先進、優(yōu)化的刀具路徑。