數控機床在中國制造業迅速普及，數控編程技術也同步進展；從應用現狀分析，數控加工效率、安全性仍然存在較多瓶頸，全自動的數控加工中心一定程度上變成了“半自動”，對于大多數企業來說，數控的優勢充分體現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，如果相對于非數控機床，通常效率有提高；對于一般數控加工和高效數控加工效率評價方式缺乏參照，對數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，對數控編程和加工效率潛力空間，列舉大量試驗數據，結合公司最新專利技術和Vortex技術，以大幅提高數控加工效率的方式、方法展開論述；旨在引導數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，并獲得最新國際專利的一項數控編程技術，該技術是目前CAM系統中，把數控機床“DNA信息”植入編程軟件的CAM系統，同時也是行業首創；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，提取數控機床DNA傳遞到CAM軟件，CAM軟件根據此機床的DNA信息，生成最適合這臺機床的數控加工代碼；

　　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定運行，獲得機床規定數量的速度段在機床不同的運動狀態和因素下，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、加速曲線、減速曲線等綜合綜合工況數據，生成數控機床的MachineDNA數據信息文件；

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

　　根據數控機床運動機理，不同的數控系統存在一些差異，原理包括數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；通過不同的方式把電信號、脈沖信號轉化為位移信號，數控系統的運行，依賴CAM系統提供的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，數控系統在執行這段代碼時，并不執行F2000的速度，統常減少到設定值的70%運行，不同的系統有一定差異，對一個包含圓弧（曲線）運動的數控加工程序，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化（前瞻功能），通過測試效率以公差逼近運行效率最高，但數控機床運動過程中都存在不同程度的減速，試驗中測試的系統和測試速度如下，限于篇幅試驗數據不進行羅列，關于設備、系統和切削速度，如下所示：

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

　　數控加工過程中，因為數控機床和數控機床本身運動特性，不合理的NC程序，都會導致數控機床在切削過程中，頻繁的交替加速減速；通過在數控機床試驗，并分析以上條件，都不能讓數控機床在切削過程中保持恒速；同時存在數控系統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據；長度2.8毫米采用擺線編程，擺線圓弧半徑4mm，理論時間16s, 數控機床實際運行時間28s, 初步計算數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，獲得數控機床Delcam MachineDNA數據，適當控制進給率和采用恰當的加減速曲線可以減少加減速滯后所產生的誤差。“前瞻”控制在程序執行前對運動數據進行計算、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。為了防止擾動，測試獲得數控機床的加速度、加加速度、最小點響應時間等重要MachineDNA參數，把MachineDNA數據植入CAM的仿真機床，編程系統PowerMILL讀入該仿真機床，在編程系統中選用MachineDNA功能有效，軟件生成刀具路徑將根據該數據進行優化；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，能夠實現數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，在正常切削區域，刀具和工件始終保持46度包角，在轉角和銳角區域，切削包角會急劇變大，導致出現切削條件變化。

　　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，紅色區域是切削出現不穩定的區域，僅僅10%的路徑長度，經過試驗發現，該區域占用的機床運行時間是90%的切削時間；數控機床不斷的加速、減速，導致機床劇烈震動，同時刀具在該區域會發出刺耳的聲音，切削條件非常惡劣，Vortex采用特殊的、結合MachineDNA數據的自動擺線處理、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；最大限度發揮刀具和機床的潛能。

　　解決數控加工載荷和等體積切削的問題，單位時間內數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據分析，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，通過數據，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（數控機床運行約20分鐘），獲在得多種運動條件機床特性數據，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，觀察機床負載恒定，無震動、切削聲音恒定一致，觀察數控系統實際速度保持在7878mm/min 浮動5%以下范圍內，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，是大多數企業切削該材料效率的2~3倍，下圖是實際測試工件和詳細參數

　　新技術存在的意義是為企業提高效率、節約成本、增加效益，本技術在為企業定制增效工程中，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 (同時大幅節約刀具費用70%)，效率是原來的超過6倍，傳統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，數控技術發展及研究深度出現非常細致的分工，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，數控加工技術的發展也基于相關技術的發展而提高，Delcam的MachineDNA和Vortex技術是在現代數控技術整體發展的基礎上，能夠為企業生產、數控加工技術研究等領域，提供優化刀具路徑的先進編程系統；數控切削技術的研究和應用，也必須依賴先進、優化的刀具路徑。