【文章內容簡介】 進給伺服裝置。這種驅動裝置能自動識別電機及負載的轉動慣量，并自動對控制系統(tǒng)參數進行優(yōu)化和調整，使驅動系統(tǒng)獲得最佳運行； （6）智能 4M 數控系統(tǒng)：在制造過程中，加工、檢測一體化是實現快速制造、快速檢測和快速響應的有效途徑，將測量（Measurement） 、建模（Modelling） 、加工（Manufacturing） 、機器操作（Manipulator）四者（即4M）融合在一個系統(tǒng)中，實現信息共享，促進測量、建模、加工、裝夾、操作的一體化 [11]。XII / 53 本課題設計的可行性 市場發(fā)展前景分析 數控機床的市場前景分析如圖 11 所示：圖中反映了數控機床的市場需求關系，從市場概況，市場供需，價格關系，進出口結論預測等角度反映了數控機床的發(fā)展趨勢，以及未來發(fā)展前景。圖 11 市場前景分析 根據 11 的圖表顯示影響機床市場占有率的因素用價格，材質，色彩，創(chuàng)新性等等，為了設計出更好的機床我們應該重以上幾個方面進行改進和完善 [12]。 相關技術分析現有數控機床的相關技術如下：（1） 電主軸技術 電主軸的軸承：軸承是決定主軸壽命和承載能力的關鍵部件，其性能對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。XIII / 53 陶瓷球軸承是應用廣泛且經濟的軸承，它的陶瓷滾珠質量輕、硬度高，可大幅度減小軸承離心力和內部載荷，減少磨損，從而提高軸承壽命。德國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、回轉精度高、振動小等優(yōu)點，用于電主軸上，可延長刀具壽命、提高加工質量和加工效率。美國Ingersoll 公司在其生產的電主軸單元中主要采用其擁有專利技術的流體靜壓軸承。磁懸浮軸承依靠多對在圓周上互為 180o 的磁極產生徑向吸力（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。當承受載荷后，主軸空間位置會產生微小變化，控制裝置根據位置傳感器檢測出的主軸位置變化值改變相應磁極的吸力（或斥力）值，使主軸迅速恢復到原來的位置，從而保證主軸始終繞其慣性軸作高速回轉，因此其高速性能好、精度高，但由于價格昂貴，至今沒有得到廣泛應用 [13]。 電主軸的冷卻：由于電主軸將電機集成于主軸單元中，且其轉速很高，運轉時會產生大量熱量，引起電主軸溫升，使電主軸的熱態(tài)特性和動態(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。目前一般采取強制循環(huán)油冷卻的方式對電主軸的定子及主軸軸承進行冷卻，即將經過油冷卻裝置的冷卻油強制性地在主軸定子外和主軸軸承外循環(huán)，帶走主軸高速旋轉產生的熱量。另外，為了減少主軸軸承的發(fā)熱，還必須對主軸軸承進行合理的潤滑 [14]。 電主軸的驅動：當前，電主軸的電動機均采用交流異步感應電動機，由于是用在高速加工機床上，啟動時要從靜止迅速升速至每分鐘數萬轉乃至數十萬轉，啟動轉矩大，因而啟動電流要超出普通電機額定電流 5～7 倍。其驅動方式有變頻器驅動和矢量控制驅動器驅動兩種。變頻器的驅動控制特性為恒轉矩驅動，輸出功率與轉矩成正比。最新變頻器采用先進的晶體管技術可實現主軸的無級變速。矢量控制驅動器的驅動控制為：低速端為恒轉矩驅動，中、高速端為恒功率驅動 [15]。 電主軸的基本參數：電主軸的基本參數包括：套筒直徑、最高轉速、輸出功率、轉矩和刀具接口等，其中套筒直徑為電主軸的主要參數。 在國外，電主軸已成為一種機電一體化的高科技產品，由一些技術水平很XIV / 53高的專業(yè)工廠生產，如瑞士的 FISCHER 公司、德國的 GMN 公司、美國的PRECISE 公司、意大利的 GAMFIOR 公司、日本的 NSK 公司等 [16]。（2）直接驅動技術 直接驅動就是將直接驅動旋轉電機（DDR）或直接驅動直線電機（DDL ）直接耦合或連接到從動負載上，從而實現與負載的剛性耦合。全新直接驅動技術使得電機可直接連接被驅動負載，而無須像常規(guī)伺服電機那樣需要通過機械傳動部件（如滾珠螺桿/導螺桿、齒條與齒輪、傳動帶 /皮帶輪、以及減速器） ，從而可為客戶的機械傳動系統(tǒng)帶來零維護和清潔的機械組件、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 [17]。 直接驅動旋轉電機：有時也稱作轉矩電機，可將負載直接連接到電機上，能在相對較低的速度時產生較高轉矩。DDR 能夠為客戶帶來的好處有：（1）DDR 可以減少零部件數量，縮短組裝時間。（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 既沒有需要張緊和調節(jié)的皮帶，也沒有會發(fā)生泄漏并需要潤滑的齒輪，所以幾乎不需要維護；（4）DDR 的精度和重復性不會像機械分度器那樣隨時間而下降；（5）DDR 不存在會斷裂的機械傳輸部件；（6）運行噪音可降低高達 20db。 直線電機驅動：v 直線電機的工作原理：直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉電機按徑向剖開，并展成平面而成， 由定子演變而來的一側稱為初級，由轉子演變而來的一側稱為次級。在實際應用時，將初級和次級制造成不同長度，以保證在所需行程范圍內初級與次級之間的耦合保持不變。直線電機可以是短初級長次級，也可以是長初級短次級。考慮到制造成本、運行費用，目前一般均采用短初級長次級。 近幾年直線電動機在機床進給伺服系統(tǒng)中的應用在世界機床行業(yè)得到重視，并在西歐工業(yè)發(fā)達地區(qū)掀起“直線電動機熱” 。 在機床進給系統(tǒng)中，采用直線電動機直接驅動帶來了原旋轉電動機驅動方式無法達到的優(yōu)點：高速響應、高精度、動剛度高、速度快、加減速過程短、行程長度不受限制、運動安靜、噪音低以及效率高。 直接驅動技術是高速高精數控機床的理想驅動模式，受到機床廠家的重視，技術發(fā)展迅速。近年來，國際上幾十家公司展出了直線電動機驅動的高速機床，一些制造廠商已將機床運動加速度提高到 2～3g，快速移動速度提高到XV / 53150～240m/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，主軸最高轉速 80000r/min,快速移動速 500m/min, 加速度6g。這標志著，以直線伺服為代表的第二代高速機床，已克服了直線電機的發(fā)熱、防護和成本高的缺點，逐步走向實用 [18]。 本機床設計的目的，意義，主要思想本機床設計的主要目的是設計出造型更加美觀，使用更加人機，價格更加合理，更加節(jié)能環(huán)保的數控機床，方便更好地為人服務。本課題的主要設計思想是始終保持人性化設計思念，注重產品使用過程的人機交互，方便使用中與使用后的操作 [19]。而且在外觀上進行突破，力求在造型上面有所創(chuàng)新，適合新一代的個性消費需求，另外在工作原理進行突破，依照目前技術進行適當的概念設計，開發(fā)出一款新型實用的現在化機床。 XVI / 53第 2 章 方案設計 市場調查分析 用戶深度訪談(1) 數控機床在生活中重要性數控機床是我們工業(yè)生產中重要的生產加工工具，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代數控機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和人機方面的要求。(2) 現有數控機床最大的問題據了解，現有數控機床在在加工精度問題上還是很令人不滿意，設計者應從加工精度和技術改善的角度來提高機床的加工精度，這就需要從機床的材質，形態(tài)，和相關技術上面解決此類問題。(3) 現有的數控機床還存在的問題現有數控機床除了加工精度不盡人意之外還存在一些問題，如：顏色單調，造型單一，技術不完善等等。(4) 數控機床的顏色數控機床的顏色以黑白灰為主。傳統(tǒng)的數控機床一般顏色都比較單一，不太符合現代人的審美觀點，所以，現代機床的顏色急需改變，來適應現代人的審美觀點。(5) 現有的數控機床急需解決的問題樣式新穎，性價比高，不能存在很大的安全隱患。(6) 數控機床在外觀設計上還需要的改進造型美觀、突出個性，色彩鮮艷、華麗而不俗。(7) 數控機床可用材料鑄 鐵 、 合 金 鋼 、 碳 素 鋼 、 有 機 玻 璃 、 鎳 鎘 合 金 等 等 。(8) 數 控 機 床 的系統(tǒng)組成加工平臺、操作面板、維修系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、輔助部分。(9) 數控機床的安全性能XVII / 53數控機床的安全性能是個至關重要問題，我國規(guī)定數控機床的操作標準如下：①編程員在編程時設定的工件坐標系原點應在工件毛坯以外，至少應在工件表面上②編程員和操作者在書寫程序時，對小數點要倍加小心。③操作者在調整工件坐標系時，應把基準點設在所有刀具物理（幾何）長度以外，至少應在最長刀具的刀位點上。 ④操作者在調整刀具長度偏置時，應保證其偏置值為負值。 (10) 數控機床使用過程中存在的問題操作者必須按照數控機床使用說明才操作機床，而且定期為機床檢查和維修，潤滑和除塵等操作。(11) 數控機床的輔助部分數控機床的輔助部分包括標志，警示牌，散熱片等等。 （12）數控機床的著名品牌按照來源分的話分國產和進口的，國產的一半是沈陽機床，江蘇，廣州生產的機床，國外向美國，日本，德國的機床比較先進(13) 使用數控機床的理想效果加工精度高，使用安全，操作簡單，噪聲小，材料利用率高，節(jié)能環(huán)保， 價格合理(14) 受大眾歡迎的數控機床特點性價比高、安全、操作簡單，美觀。(15) 數控機床的技術性能使用性能、安全性能、耐用性能，加工性能。(16) 數控機床對環(huán)境的要求低排放，低污染，節(jié)約能源等等。(17) 數控機床適用的人群？機械工程師，機床操作人員扥等。(18) 數控機床最新技術電主軸技術，直接驅動技術等(19) 數控機床需要著重考慮的因素對使用者的安全考慮以及使用過程中人機安全問題等等。XVIII / 53(20) 使用數控機床的注意事項①謹守操作準則 ②注意安全 ③非專業(yè)人員必須在專業(yè)人員的監(jiān)護下方可進行操作(21) 數控機床的操作面板操作面板的設計必須簡單，便于操作，使用的時候符合人機。他的編程和輸入系統(tǒng)必須設定好，不能隨意改動，而且發(fā)生錯誤是能夠立即停止加工，阻止錯誤繼續(xù)發(fā)生。(22) 數控機床的維修系統(tǒng)數控機床的維修系統(tǒng)要定期的為機床進行檢查，維護，潤滑等等。當機床發(fā)生故障時，要通過維修系統(tǒng)來檢查維修，定期為機床保養(yǎng)，延長機床的使用壽命。(23) 對現有設計可以突破創(chuàng)新的地方在哪里？結合上面的訪談內容，新的設計突破可以關注在造型、材料、功能、結構方式、安全性能及環(huán)保可行性等多方面。特別是可以針對不同人群，通過顏色、材料、組合方式來制作出不同以往的新型設計。 用戶需求分析(1) 加工精度有待提高，加工誤差范圍越來越小(2) 進一步改善機床的人際關系，例如：機床的高度，大小。如何上下料，如何維修等等。(3) 應用最先進的科學技術水平，使機床能夠加工出來形狀復雜，更有用的產品。(4) 改善外觀結構，增強抗震性，即便在高速與運轉下仍然能保持平穩(wěn)，減少震動。(5) 改善材料，增強耐磨性，最大化使用新型材料，采用無毒，耐磨，緩沖，吸震的非金屬材料，減輕重量。(6) 造型簡潔時尚，美觀大方，既符合傳統(tǒng)又融入未來元素(7) 輔助功能明確，機床的輔助系統(tǒng)作用很大，比如標志，警示燈，操作牌等具有重要的提示作用(8) 安全使用，時時刻刻應該注意機床本身的安全問題和使用操作中的安XIX / 53全問題。(9) 符合人機工學，使用時不會造成疲勞，注重產品在方便、舒適、可靠、價值、安全和效率等方面的評價 使用群體特征調查分析通過觀察城市使用群體（主要操作人員）總結出特征，為數控機床設計提供合理方向。（1）購買理由：①用于機械加工②提高加工效率精度③加工出更復雜的產品（2）使用需求：①安全、環(huán)保②實用，美觀③造型吸引人④節(jié)約材料⑤使用方便（3）在整體調查中，國內的數控機床實用性強但不注重造型顏色材質等方面內容，國外的數控機床注重技術和藝術的結合，造型美觀大方，如圖 21所示： 圖 21 國內外數控機床 數控機床創(chuàng)新設計指標分析 安全性與尺寸參數性（1）安全性 安全性包括數控機床本身的安全性和操作過程中的安全性。機床本身的安全性主要是指機床的安全維護和檢測，操作過程中的安全性主要是針對操作人XX / 53員的，主要要求有：編程員在編程時設定的工件坐標系原點應在工件毛坯以外，至少應在工件外表上。 操作者在調停工件坐標系時，應把基準點設在悉數刀具物理(多少)長度以外，至少應在最長刀具的刀位點上。 操作者在調停刀具長度偏置時，應保證其偏置值為負值 [20]。（2）尺寸參數性數控機床，要根據人體工程學原理進行設計與制作。機床高度要與人體的高度互相配合。此外，還要人的視覺角度相結合，這樣才會使用者感覺舒服，有益于他們的操作與加工。設計的數控機床操作面板，最好具有能夠按照身高的變化進行調整的功能。這樣是夠適應更多的人群使用，有一定的變化范圍。數控機床設計應符合 GB/T 39762022《數控機床設計手冊 》 （見表 21） 。一半臥式高度大概在 米左右，長達大概在 3 米左右。立式機床高度大概在 米左右，長度在 米左右 [21]。表 21 數控機床尺寸表機床類型 長度（mm) 高度（mm） 最大加工直徑（mm）立式 2100 2