【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的發(fā)展趨勢(shì)，以及未來(lái)發(fā)展前景。圖11 市場(chǎng)前景分析 根據(jù)11的圖表顯示影響機(jī)床市場(chǎng)占有率的因素用價(jià)格，材質(zhì)，色彩，創(chuàng)新性等等，為了設(shè)計(jì)出更好的機(jī)床我們應(yīng)該重以上幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)和完善 [12]。 相關(guān)技術(shù)分析現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的相關(guān)技術(shù)如下：（1） 電主軸技術(shù) 電主軸的軸承：軸承是決定主軸壽命和承載能力的關(guān)鍵部件，其性能對(duì)電主軸的使用功能極為重要。目前電主軸采用的軸承主要有陶瓷球軸承、流體靜壓軸承和磁懸浮軸承。 陶瓷球軸承是應(yīng)用廣泛且經(jīng)濟(jì)的軸承，它的陶瓷滾珠質(zhì)量輕、硬度高，可大幅度減小軸承離心力和內(nèi)部載荷，減少磨損，從而提高軸承壽命。德國(guó)GMN公司和瑞士STEPTEC公司用于加工中心和銑床的電主軸全部采用了陶瓷球軸承。流體靜壓軸承為非直接接觸式軸承，具有磨損小、壽命長(zhǎng)、回轉(zhuǎn)精度高、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，用于電主軸上，可延長(zhǎng)刀具壽命、提高加工質(zhì)量和加工效率。美國(guó)Ingersoll公司在其生產(chǎn)的電主軸單元中主要采用其擁有專利技術(shù)的流體靜壓軸承。磁懸浮軸承依靠多對(duì)在圓周上互為180o的磁極產(chǎn)生徑向吸力（或斥力）而將主軸懸浮在空氣中，使軸頸與軸承不接觸，徑向間隙為1mm左右。當(dāng)承受載荷后，主軸空間位置會(huì)產(chǎn)生微小變化，控制裝置根據(jù)位置傳感器檢測(cè)出的主軸位置變化值改變相應(yīng)磁極的吸力（或斥力）值，使主軸迅速恢復(fù)到原來(lái)的位置，從而保證主軸始終繞其慣性軸作高速回轉(zhuǎn)，因此其高速性能好、精度高，但由于價(jià)格昂貴，至今沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用 [13]。 電主軸的冷卻：由于電主軸將電機(jī)集成于主軸單元中，且其轉(zhuǎn)速很高，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，引起電主軸溫升，使電主軸的熱態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性變差，從而影響電主軸的正常工作。因此，必須采取一定措施控制電主軸的溫度，使其恒定在一定值內(nèi)。目前一般采取強(qiáng)制循環(huán)油冷卻的方式對(duì)電主軸的定子及主軸軸承進(jìn)行冷卻，即將經(jīng)過(guò)油冷卻裝置的冷卻油強(qiáng)制性地在主軸定子外和主軸軸承外循環(huán)，帶走主軸高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量。另外，為了減少主軸軸承的發(fā)熱，還必須對(duì)主軸軸承進(jìn)行合理的潤(rùn)滑 [14]。 電主軸的驅(qū)動(dòng)：當(dāng)前，電主軸的電動(dòng)機(jī)均采用交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，由于是用在高速加工機(jī)床上，啟動(dòng)時(shí)要從靜止迅速升速至每分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)乃至數(shù)十萬(wàn)轉(zhuǎn)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，因而啟動(dòng)電流要超出普通電機(jī)額定電流5～7倍。其驅(qū)動(dòng)方式有變頻器驅(qū)動(dòng)和矢量控制驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩種。變頻器的驅(qū)動(dòng)控制特性為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，輸出功率與轉(zhuǎn)矩成正比。最新變頻器采用先進(jìn)的晶體管技術(shù)可實(shí)現(xiàn)主軸的無(wú)級(jí)變速。矢量控制驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)控制為：低速端為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，中、高速端為恒功率驅(qū)動(dòng) [15]。 電主軸的基本參數(shù)：電主軸的基本參數(shù)包括：套筒直徑、最高轉(zhuǎn)速、輸出功率、轉(zhuǎn)矩和刀具接口等，其中套筒直徑為電主軸的主要參數(shù)。 在國(guó)外，電主軸已成為一種機(jī)電一體化的高科技產(chǎn)品，由一些技術(shù)水平很高的專業(yè)工廠生產(chǎn)，如瑞士的FISCHER 公司、德國(guó)的GMN公司、美國(guó)的PRECISE公司、意大利的GAMFIOR 公司、日本的 NSK公司等 [16]。（2）直接驅(qū)動(dòng)技術(shù) 直接驅(qū)動(dòng)就是將直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)（DDR）或直接驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)（DDL）直接耦合或連接到從動(dòng)負(fù)載上，從而實(shí)現(xiàn)與負(fù)載的剛性耦合。全新直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)使得電機(jī)可直接連接被驅(qū)動(dòng)負(fù)載，而無(wú)須像常規(guī)伺服電機(jī)那樣需要通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)部件（如滾珠螺桿/導(dǎo)螺桿、齒條與齒輪、傳動(dòng)帶/皮帶輪、以及減速器），從而可為客戶的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)零維護(hù)和清潔的機(jī)械組件、更高的精度、更高的可靠性、以及平穩(wěn)安靜的操作等諸多優(yōu)勢(shì) [17]。 直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)：有時(shí)也稱作轉(zhuǎn)矩電機(jī)，可將負(fù)載直接連接到電機(jī)上，能在相對(duì)較低的速度時(shí)產(chǎn)生較高轉(zhuǎn)矩。DDR能夠?yàn)榭蛻魩?lái)的好處有：（1）DDR可以減少零部件數(shù)量，縮短組裝時(shí)間。（2）DDR可將精度提高 50倍，具備更高的伺服性能和更大的帶寬，不需要慣量“匹配” ；（ 3）DDR既沒(méi)有需要張緊和調(diào)節(jié)的皮帶，也沒(méi)有會(huì)發(fā)生泄漏并需要潤(rùn)滑的齒輪，所以幾乎不需要維護(hù)；（4）DDR的精度和重復(fù)性不會(huì)像機(jī)械分度器那樣隨時(shí)間而下降；（5）DDR不存在會(huì)斷裂的機(jī)械傳輸部件；（6）運(yùn)行噪音可降低高達(dá)20db。 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)：v直線電機(jī)的工作原理：直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。它可以看成是一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)按徑向剖開，并展成平面而成， 由定子演變而來(lái)的一側(cè)稱為初級(jí)，由轉(zhuǎn)子演變而來(lái)的一側(cè)稱為次級(jí)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將初級(jí)和次級(jí)制造成不同長(zhǎng)度，以保證在所需行程范圍內(nèi)初級(jí)與次級(jí)之間的耦合保持不變。直線電機(jī)可以是短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)，也可以是長(zhǎng)初級(jí)短次級(jí)?？紤]到制造成本、運(yùn)行費(fèi)用，目前一般均采用短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)。 近幾年直線電動(dòng)機(jī)在機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用在世界機(jī)床行業(yè)得到重視，并在西歐工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)掀起“直線電動(dòng)機(jī)熱” 。 在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)帶來(lái)了原旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法達(dá)到的優(yōu)點(diǎn)：高速響應(yīng)、高精度、動(dòng)剛度高、速度快、加減速過(guò)程短、行程長(zhǎng)度不受限制、運(yùn)動(dòng)安靜、噪音低以及效率高。 直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)是高速高精數(shù)控機(jī)床的理想驅(qū)動(dòng)模式，受到機(jī)床廠家的重視，技術(shù)發(fā)展迅速。近年來(lái)，國(guó)際上幾十家公司展出了直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速機(jī)床，一些制造廠商已將機(jī)床運(yùn)動(dòng)加速度提高到2～3g，快速移動(dòng)速度提高到150～240m/min。MAZAK公司將推出基于直線伺服系統(tǒng)的超音速加工中心，切削速度 8馬赫，主軸最高轉(zhuǎn)速80000r/min,快速移動(dòng)速500m/min, 加速度6g。這標(biāo)志著，以直線伺服為代表的第二代高速機(jī)床，已克服了直線電機(jī)的發(fā)熱、防護(hù)和成本高的缺點(diǎn)，逐步走向?qū)嵱?[18]。 本機(jī)床設(shè)計(jì)的目的，意義，主要思想本機(jī)床設(shè)計(jì)的主要目的是設(shè)計(jì)出造型更加美觀，使用更加人機(jī)，價(jià)格更加合理，更加節(jié)能環(huán)保的數(shù)控機(jī)床，方便更好地為人服務(wù)。本課題的主要設(shè)計(jì)思想是始終保持人性化設(shè)計(jì)思念，注重產(chǎn)品使用過(guò)程的人機(jī)交互，方便使用中與使用后的操作 [19]。而且在外觀上進(jìn)行突破，力求在造型上面有所創(chuàng)新，適合新一代的個(gè)性消費(fèi)需求，另外在工作原理進(jìn)行突破，依照目前技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母拍钤O(shè)計(jì)，開發(fā)出一款新型實(shí)用的現(xiàn)在化機(jī)床。 第2章 方案設(shè)計(jì) 市場(chǎng)調(diào)查分析(1) 數(shù)控機(jī)床在生活中重要性數(shù)控機(jī)床是我們工業(yè)生產(chǎn)中重要的生產(chǎn)加工工具，它高效、省力、加工精度高，在工業(yè)加工行業(yè)的起著不可代替作用?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床不僅追求能夠滿足使用功能要求，而且更加注重美觀材質(zhì)和人機(jī)方面的要求。(2) 現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床最大的問(wèn)題據(jù)了解，現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床在在加工精度問(wèn)題上還是很令人不滿意，設(shè)計(jì)者應(yīng)從加工精度和技術(shù)改善的角度來(lái)提高機(jī)床的加工精度，這就需要從機(jī)床的材質(zhì)，形態(tài)，和相關(guān)技術(shù)上面解決此類問(wèn)題。(3) 現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床還存在的問(wèn)題現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床除了加工精度不盡人意之外還存在一些問(wèn)題，如：顏色單調(diào)，造型單一，技術(shù)不完善等等。(4) 數(shù)控機(jī)床的顏色數(shù)控機(jī)床的顏色以黑白灰為主。傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床一般顏色都比較單一，不太符合現(xiàn)代人的審美觀點(diǎn)，所以，現(xiàn)代機(jī)床的顏色急需改變，來(lái)適應(yīng)現(xiàn)代人的審美觀點(diǎn)。(5) 現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床急需解決的問(wèn)題樣式新穎，性價(jià)比高，不能存在很大的安全隱患。(6) 數(shù)控機(jī)床在外觀設(shè)計(jì)上還需要的改進(jìn)造型美觀、突出個(gè)性，色彩鮮艷、華麗而不俗。(7) 數(shù)控機(jī)床可用材料鑄 鐵 、 合 金 鋼 、 碳 素 鋼 、 有 機(jī) 玻 璃 、 鎳 鎘 合 金 等 等 。(8) 數(shù) 控 機(jī) 床 的系統(tǒng)組成加工平臺(tái)、操作面板、維修系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、輔助部分。(9) 數(shù)控機(jī)床的安全性能數(shù)控機(jī)床的安全性能是個(gè)至關(guān)重要問(wèn)題，我國(guó)規(guī)定數(shù)控機(jī)床的操作標(biāo)準(zhǔn)如下：①編程員在編程時(shí)設(shè)定的工件坐標(biāo)系原點(diǎn)應(yīng)在工件毛坯以外，至少應(yīng)在工件表面上②編程員和操作者在書寫程序時(shí)，對(duì)小數(shù)點(diǎn)要倍加小心。③操作者在調(diào)整工件坐標(biāo)系時(shí)，應(yīng)把基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)在所有刀具物理（幾何）長(zhǎng)度以外，至少應(yīng)在最長(zhǎng)刀具的刀位點(diǎn)上。 ④操作者在調(diào)整刀具長(zhǎng)度偏置時(shí)，應(yīng)保證其偏置值為負(fù)值。 (10) 數(shù)控機(jī)床使用過(guò)程中存在的問(wèn)題操作者必須按照數(shù)控機(jī)床使用說(shuō)明才操作機(jī)床，而且定期為機(jī)床檢查和維修，潤(rùn)滑和除塵等操作。(11) 數(shù)控機(jī)床的輔助部分?jǐn)?shù)控機(jī)床的輔助部分包括標(biāo)志，警示牌，散熱片等等。 （12）數(shù)控機(jī)床的著名品牌按照來(lái)源分的話分國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口的，國(guó)產(chǎn)的一半是沈陽(yáng)機(jī)床，江蘇，廣州生產(chǎn)的機(jī)床，國(guó)外向美國(guó)，日本，德國(guó)的機(jī)床比較先進(jìn)(13) 使用數(shù)控機(jī)床的理想效果加工精度高，使用安全，操作簡(jiǎn)單，噪聲小，材料利用率高，節(jié)能環(huán)保， 價(jià)格合理(14) 受大眾歡迎的數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)性價(jià)比高、安全、操作簡(jiǎn)單，美觀。(15) 數(shù)控機(jī)床的技術(shù)性能使用性能、安全性能、耐用性能，加工性能。(16) 數(shù)控機(jī)床對(duì)環(huán)境的要求低排放，低污染，節(jié)約能源等等。(17) 數(shù)控機(jī)床適用的人群？機(jī)械工程師，機(jī)床操作人員扥等。(18) 數(shù)控機(jī)床最新技術(shù)電主軸技術(shù)，直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)等(19) 數(shù)控機(jī)床需要著重考慮的因素對(duì)使用者的安全考慮以及使用過(guò)程中人機(jī)安全問(wèn)題等等。(20) 使用數(shù)控機(jī)床的注意事項(xiàng)①謹(jǐn)守操作準(zhǔn)則 ②注意安全 ③非專業(yè)人員必須在專業(yè)人員的監(jiān)護(hù)下方可進(jìn)行操作(21) 數(shù)控機(jī)床的操作面板操作面板的設(shè)計(jì)必須簡(jiǎn)單，便于操作，使用的時(shí)候符合人機(jī)。他的編程和輸入系統(tǒng)必須設(shè)定好，不能隨意改動(dòng)，而且發(fā)生錯(cuò)誤是能夠立即停止加工，阻止錯(cuò)誤繼續(xù)發(fā)生。(22) 數(shù)控機(jī)床的維修系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的維修系統(tǒng)要定期的為機(jī)床進(jìn)行檢查，維護(hù)，潤(rùn)滑等等。當(dāng)機(jī)床發(fā)生故障時(shí)，要通過(guò)維修系統(tǒng)來(lái)檢查維修，定期為機(jī)床保養(yǎng)，延長(zhǎng)機(jī)床的使用壽命。(23) 對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)可以突破創(chuàng)新的地方在哪里？結(jié)合上面的訪談內(nèi)容，新的設(shè)計(jì)突破可以關(guān)注在造型、材料、功能、結(jié)構(gòu)方式、安全性能及環(huán)?？尚行缘榷喾矫?。特別是可以針對(duì)不同人群，通過(guò)顏色、材料、組合方式來(lái)制作出不同以往的新型設(shè)計(jì)。(1) 加工精度有待提高，加工誤差范圍越來(lái)越小(2) 進(jìn)一步改善機(jī)床的人際關(guān)系，例如：機(jī)床的高度，大小。如何上下料，如何維修等等。(3) 應(yīng)用最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)水平，使機(jī)床能夠加工出來(lái)形狀復(fù)雜，更有用的產(chǎn)品。(4) 改善外觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)抗震性，即便在高速與運(yùn)轉(zhuǎn)下仍然能保持平穩(wěn)，減少震動(dòng)。(5) 改善材料，增強(qiáng)耐磨性，最大化使用新型材料，采用無(wú)毒，耐磨，緩沖，吸震的非金屬材料，減輕重量。(6) 造型簡(jiǎn)潔時(shí)尚，美觀大方，既符合傳統(tǒng)又融入未來(lái)元素(7) 輔助功能明確，機(jī)床的輔助系統(tǒng)作用很大，比如標(biāo)志，警示燈，操作牌等具有重要的提示作用(8) 安全使用，時(shí)時(shí)刻刻應(yīng)該注意機(jī)床本身的安全問(wèn)題和使用操作中的安全問(wèn)題。(9) 符合人機(jī)工學(xué)，使用時(shí)不會(huì)造成疲勞，注重產(chǎn)品在方便、舒適、可靠、價(jià)值、安全和效率等方面的評(píng)價(jià)通過(guò)觀察城市使用群體（主要操作人員）總結(jié)出特征，為數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)提供合理方向。（1）購(gòu)買理由：①用于機(jī)械加工②提高加工效率精度③加工出更復(fù)雜的產(chǎn)品（2）使用需求：①安全、環(huán)保②實(shí)用，美觀③造型吸引人④節(jié)約材料⑤使用方便（3）在整體調(diào)查中，國(guó)內(nèi)的數(shù)控機(jī)床實(shí)用性強(qiáng)但不注重造型顏色材質(zhì)等方面內(nèi)容，國(guó)外的數(shù)控機(jī)床注重技術(shù)和藝術(shù)的結(jié)合，造型美觀大方，如圖21所示： 圖21 國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床 數(shù)控機(jī)床創(chuàng)新設(shè)計(jì)指標(biāo)分析（1）安全性 安全性包括數(shù)控機(jī)床本身的安全性和操作過(guò)程中的安全性。機(jī)床本身的安全性主要是指機(jī)床的安全維護(hù)和檢測(cè)，操作過(guò)程中的安全性主要是針對(duì)操作人員的，主要要求有：編程員在編程時(shí)設(shè)定的工件坐標(biāo)系原點(diǎn)應(yīng)在工件毛坯以外，至少應(yīng)在工件外表上。 操作者在調(diào)停工件坐標(biāo)系時(shí)，應(yīng)把基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)在悉數(shù)刀具物理(多少)長(zhǎng)度以外，至少應(yīng)在最長(zhǎng)刀具的刀位點(diǎn)上。 操作者在調(diào)停刀具長(zhǎng)度偏置時(shí)，應(yīng)保證其偏置值為負(fù)值 [20]。（2）尺寸參數(shù)性數(shù)控機(jī)床，要根據(jù)人體工程學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作。機(jī)床高度要與人體的高度互相配合。此外，還要人的視覺(jué)角度相結(jié)合，這樣才會(huì)使用者感覺(jué)舒服，有益于他們的操作與加工。設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床操作面板，最好具有能夠按照身高的變化進(jìn)行調(diào)整的功能。這樣是夠適應(yīng)更多的人群使用，有一定的變化范圍。數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)應(yīng)符合GB/T 39762022《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 》（見(jiàn)表21）。，長(zhǎng)達(dá)大概在3米左右。立式機(jī)床高度大概， [21]。表21數(shù)控機(jī)床尺寸表機(jī)床類型 長(zhǎng)度（mm) 高度（mm） 最大加工直徑（mm）立式 2100 2800 400臥式 3000 270 300 材料主要是有機(jī)玻璃，還有一些是不銹鋼等等。有機(jī)玻璃具有如下的特性： （1）高度透明性。有機(jī)玻璃是目前最優(yōu)良的高分子透明材料，透光率達(dá)到92％比玻璃的透光度高。稱為人造小太陽(yáng)的太陽(yáng)燈的燈管是石英做的，這是因?yàn)槭⒛芡耆高^(guò)紫外線。％的紫外線，但有機(jī)玻璃卻能透過(guò)73％ [22]。 （2）機(jī)械強(qiáng)度高。有機(jī)玻璃的相對(duì)分子質(zhì)量大約為200萬(wàn)，是長(zhǎng)鏈的高分子化合物，而且形成分子的鏈很柔軟，因此，有機(jī)玻璃的強(qiáng)度比較高，抗拉伸和抗沖的能力比普通玻璃高7～18倍。有一種經(jīng)過(guò)加熱和拉伸處理過(guò)的有機(jī)玻璃，其中的分子鏈段排列得非常有次序，使材料的韌性有顯著提高。用釘子釘進(jìn)這種有機(jī)玻璃，即使釘子穿透了，有機(jī)玻璃上也不產(chǎn)生裂紋。這種有機(jī)玻璃被子彈擊穿后同樣不會(huì)破成碎片。因此，拉伸處理的有機(jī)玻璃可用作防彈玻璃，也用作軍用飛機(jī)上的座艙蓋 [23]。 （3）重量輕。，同樣大小的材料，其重量只有普通玻璃的一半，金屬鋁（屬于輕金屬）的43％ [24]。 （4）易于加工。有機(jī)玻