數(shù)控機(jī)床在中國(guó)制造業(yè)迅速普及，數(shù)控編程技術(shù)也同步進(jìn)展；從應(yīng)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(dòng)的數(shù)控加工中心一定程度上變成了“半自動(dòng)”，對(duì)于大多數(shù)企業(yè)來(lái)說(shuō)，數(shù)控的優(yōu)勢(shì)充分體現(xiàn)在可以無(wú)干預(yù)的長(zhǎng)時(shí)間工作，至于加工效率難于進(jìn)行評(píng)價(jià)和評(píng)測(cè)，如果相對(duì)于非數(shù)控機(jī)床，通常效率有提高；對(duì)于一般數(shù)控加工和高效數(shù)控加工效率評(píng)價(jià)方式缺乏參照，對(duì)數(shù)控加工高效潛力挖掘較弱，本文基于Delcam先進(jìn)制造技術(shù)和工藝，對(duì)數(shù)控編程和加工效率潛力空間，列舉大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合公司最新專利技術(shù)和Vortex技術(shù)，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(dǎo)數(shù)控加工領(lǐng)域?qū)μ岣呒庸べ|(zhì)量的同時(shí)，能夠獲得較高的效率提升；使制造型企業(yè)能夠運(yùn)用高效加工先進(jìn)制造技術(shù)，形成知識(shí)積累。

　　什么是 MachineDNA ?

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

　　第一個(gè)問(wèn)題，什么是MachineDNA？很顯然MachineDNA中的DNA是借用遺傳學(xué)中的名詞遺傳基因的原意，同樣用到DNA復(fù)制、遺傳密碼、遺傳信息傳遞的中心法則，提取數(shù)控機(jī)床DNA傳遞到CAM軟件，CAM軟件根據(jù)此機(jī)床的DNA信息，生成最適合這臺(tái)機(jī)床的數(shù)控加工代碼；

　　第二個(gè)問(wèn)題如何獲得機(jī)床的MachineDNA信息，首先由Delcam Powermill生成一個(gè)特別的機(jī)床DNA提取NC代碼，在機(jī)床上按照程序規(guī)定運(yùn)行，獲得機(jī)床規(guī)定數(shù)量的速度段在機(jī)床不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和因素下，如：在直線運(yùn)行、不同直徑圓弧、最小點(diǎn)相應(yīng)時(shí)間、曲線、機(jī)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(jī)床的MachineDNA數(shù)據(jù)信息文件；

　　第三個(gè)問(wèn)題， MachineDNA程序的特征和運(yùn)用，作為Delcam開發(fā)的一項(xiàng)獨(dú)特加工技術(shù)，CAM系統(tǒng)根據(jù)提取的MachineDNA數(shù)據(jù)，自動(dòng)設(shè)定最有效的擺線尺寸，優(yōu)化點(diǎn)分布，自動(dòng)進(jìn)行圓弧和直線變換、速度處理， MachineDNA 結(jié)合Vortex技術(shù),可最大限度地發(fā)揮加工機(jī)床的潛能。

　　根據(jù)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)機(jī)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(bǔ)原理、逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理、最小偏差法、數(shù)字積分法、目標(biāo)點(diǎn)跟蹤法、單步追蹤法、高次曲線插補(bǔ)原理、加密判別和雙判別插補(bǔ)原理、插補(bǔ)方法的實(shí)際應(yīng)用、插補(bǔ)器的信息輸入、插補(bǔ)運(yùn)算的控制、偏差計(jì)算公式的實(shí)現(xiàn)；通過(guò)不同的方式把電信號(hào)、脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為位移信號(hào)，數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行，依賴CAM系統(tǒng)提供的CNC指令，這些指令由點(diǎn)信息和運(yùn)動(dòng)指令構(gòu)成；在點(diǎn)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(shí)，并不執(zhí)行F2000的速度，統(tǒng)常減少到設(shè)定值的70%運(yùn)行，不同的系統(tǒng)有一定差異，對(duì)一個(gè)包含圓?。ㄇ€）運(yùn)動(dòng)的數(shù)控加工程序，程序點(diǎn)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(diǎn)和圓弧指令編程：

　　2、公差逼近圓弧編程

　　3、均勻點(diǎn)分布

　　對(duì)于以上三種情況，以相同的幾何尺寸在DMU160P進(jìn)行測(cè)試分析，程序打開相應(yīng)的高速優(yōu)化（前瞻功能），通過(guò)測(cè)試效率以公差逼近運(yùn)行效率最高，但數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)過(guò)程中都存在不同程度的減速，試驗(yàn)中測(cè)試的系統(tǒng)和測(cè)試速度如下，限于篇幅試驗(yàn)數(shù)據(jù)不進(jìn)行羅列，關(guān)于設(shè)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(guò)程中，因?yàn)閿?shù)控機(jī)床和數(shù)控機(jī)床本身運(yùn)動(dòng)特性，不合理的NC程序，都會(huì)導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床在切削過(guò)程中，頻繁的交替加速減速；通過(guò)在數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)，并分析以上條件，都不能讓數(shù)控機(jī)床在切削過(guò)程中保持恒速；同時(shí)存在數(shù)控系統(tǒng)在不同的圓弧條件下的巨大差異，通過(guò)下圖可以看出，針對(duì)試驗(yàn)設(shè)備，采用PowerMILL提供的測(cè)試程序獲得以下數(shù)據(jù)；長(zhǎng)度2.8毫米采用擺線編程，擺線圓弧半徑4mm，理論時(shí)間16s, 數(shù)控機(jī)床實(shí)際運(yùn)行時(shí)間28s, 初步計(jì)算數(shù)控機(jī)床在當(dāng)前條件下減速比達(dá)到42.857%；同樣速度采用8mm擺線圓弧，接近實(shí)際時(shí)間；采用圓弧半徑為12.84mm，該機(jī)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(guò)對(duì)試驗(yàn)條件的設(shè)定和測(cè)試，推斷數(shù)控機(jī)床本身存在個(gè)體的運(yùn)動(dòng)特性，獲取機(jī)床最佳運(yùn)動(dòng)特性，通過(guò)包括以上及其他更多測(cè)試條件，獲得數(shù)控機(jī)床Delcam MachineDNA數(shù)據(jù)，適當(dāng)控制進(jìn)給率和采用恰當(dāng)?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(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理和多段緩沖，從而控制刀具按高速運(yùn)動(dòng)，而且誤差很小。對(duì)于機(jī)床平滑運(yùn)行的高精度輪廓控制，采用對(duì)指令形式的實(shí)時(shí)識(shí)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(dòng)，測(cè)試獲得數(shù)控機(jī)床的加速度、加加速度、最小點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間等重要MachineDNA參數(shù)，把MachineDNA數(shù)據(jù)植入CAM的仿真機(jī)床，編程系統(tǒng)PowerMILL讀入該仿真機(jī)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(jìn)行優(yōu)化；結(jié)合Delcam另外一項(xiàng)專利技術(shù)Vortex路徑，得到高效的加工程序。

　　關(guān)于Vortex技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控加工在切削過(guò)程中做到等體積切削，結(jié)合MachineDNA能夠做到恒速、等載荷切削的目的；在數(shù)控加工過(guò)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(jī)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(zhuǎn)角和銳角區(qū)域，切削包角會(huì)急劇變大，導(dǎo)致出現(xiàn)切削條件變化。

　　如下圖一個(gè)三角型型腔刀具路徑，路徑在90%的藍(lán)色區(qū)域都是正常的直線運(yùn)動(dòng)，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(zhǎng)度，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域占用的機(jī)床運(yùn)行時(shí)間是90%的切削時(shí)間；數(shù)控機(jī)床不斷的加速、減速，導(dǎo)致機(jī)床劇烈震動(dòng)，同時(shí)刀具在該區(qū)域會(huì)發(fā)出刺耳的聲音，切削條件非常惡劣，Vortex采用特殊的、結(jié)合MachineDNA數(shù)據(jù)的自動(dòng)擺線處理、以及路徑點(diǎn)分布等，來(lái)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(jī)床的潛能。

　　解決數(shù)控加工載荷和等體積切削的問(wèn)題，單位時(shí)間內(nèi)數(shù)控加工材料去除率的提升，可以基于以上技術(shù)，達(dá)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(shè)實(shí)際切削ae (Stepover) 設(shè)置為 75%刀具直徑；刀具切削負(fù)載計(jì)算中，切寬(ap)增加，機(jī)床負(fù)載同比增加，而大切深，在同樣切寬（ae）條件下，機(jī)床負(fù)載增加較少，通過(guò)數(shù)據(jù)，能夠清楚的認(rèn)識(shí)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(xué)精密儀器系，使用DMU60T 測(cè)試，材料因條件所限，采用Aluminium 6082 T6，零件大小250mm*250mm*80mm進(jìn)行測(cè)試，刀具選用12mm普通硬質(zhì)合金3刃鋁合金加工刀具，通過(guò)在機(jī)床運(yùn)行PowerMILL生成的MachineDNA程序（數(shù)控機(jī)床運(yùn)行約20分鐘），獲在得多種運(yùn)動(dòng)條件機(jī)床特性數(shù)據(jù)，其中機(jī)床最小點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間為0.098021ns。

　　如上圖中零件，一次切削深度達(dá)到2倍刀長(zhǎng)=24毫米，切削速度7878mm/min, 切削過(guò)程平穩(wěn)，觀察機(jī)床負(fù)載恒定，無(wú)震動(dòng)、切削聲音恒定一致，觀察數(shù)控系統(tǒng)實(shí)際速度保持在7878mm/min 浮動(dòng)5%以下范圍內(nèi)，每片切削都基本保持一致，實(shí)際切削時(shí)間4分40秒，單位時(shí)間材料去除率達(dá)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(shí)際測(cè)試工件和詳細(xì)參數(shù)

　　新技術(shù)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(shù)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(yīng)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(shí)間 >26分鐘,使用MachineDNA&Vortex 加工時(shí)間減少到4m 25s (同時(shí)大幅節(jié)約刀具費(fèi)用70%)，效率是原來(lái)的超過(guò)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(gè)零件，一次切削兩個(gè)零件，切削過(guò)程穩(wěn)定，零件質(zhì)量通過(guò)檢測(cè)也達(dá)到較高要求。

　　另外，在鈦合金加工領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外也存在眾多的待解難題，MachineDNA&Vortex技術(shù)在該領(lǐng)域，也為相應(yīng)廠商提供了相應(yīng)效率提升途徑，下圖是一個(gè)航空鈦合金空心齒輪的高效加工應(yīng)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(guò)去在加工該類零件時(shí)，一把鈦合金專用銑刀，不能完成單個(gè)工件的問(wèn)題，同時(shí)恒載切削，因產(chǎn)生較少的切削熱，零件性狀和表面質(zhì)量都非常好。

　　綜合上述，數(shù)控技術(shù)發(fā)展及研究深度出現(xiàn)非常細(xì)致的分工，由單一的幾何切削計(jì)算研究，深入到機(jī)床共振域、刀具共振域、切削過(guò)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(jìn)展；超硬刀具的發(fā)展也為高效加工提供了相應(yīng)的支持；熱脹刀柄也普遍被使用，直線電機(jī)和高速主軸也逐步成熟，數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展也基于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而提高，Delcam的MachineDNA和Vortex技術(shù)是在現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)整體發(fā)展的基礎(chǔ)上，能夠?yàn)槠髽I(yè)生產(chǎn)、數(shù)控加工技術(shù)研究等領(lǐng)域，提供優(yōu)化刀具路徑的先進(jìn)編程系統(tǒng)；數(shù)控切削技術(shù)的研究和應(yīng)用，也必須依賴先進(jìn)、優(yōu)化的刀具路徑。