【正文】 從2022年開始，中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進口第一大國，70%以上的此類設備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進口。針對這些問題，我們一方面要加強一些科學技術的創(chuàng)新和開發(fā)，另一方面也要多向國外學習和借鑒，取長補短，這樣才能使國內的數(shù)控機床更加完善，更加全面的發(fā)展，以下是一些發(fā)展的趨勢和方向：(1) 造型上面要符合現(xiàn)代人的審美和時尚的觀點。(2) 功能上面要全面滿足數(shù)控機床的使用功能，功能是機床存在的根本之所在，如果功能不滿足要求那么其他一些將無從談起。(4) 價格上面要做到盡量合情合理，既能夠讓人接受，也體現(xiàn)了機床本身的使用價值。(6) 安全性問題：安全問題是現(xiàn)代安全生產(chǎn)的首要問題，每年機械傷人的事例不勝枚舉，在現(xiàn)代各個行業(yè)的運作中人身安全永遠是第一位的，所以機床的安全不容忽視，要足夠重視。發(fā)展趨勢。s world, industrial developed countries attach great importance to, the race to the development of electromechanical integration, high precision, high efficiency, high automated advanced machine tools, to accelerate the development of industry and national economy. For a long time, Europe, America, and peting each other in the international market, and has formed an invisible front, especially along with the progress of microelectronics, puter technology, numerical control machine tool in the 1980 s after the accelerated development, has bee the big four international machine tool show in machine tool manufacturers from all over the world pete to show the focus of the advanced technology, for the user, expanding the market.Has been developing rapidly in recent years, our country numerical control industry, however, import machine of momentum remains strong, starting in 2022, China39。Development trend。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2022年國%%。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機床特別是中高檔數(shù)控機床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務意識與能力欠缺、數(shù)控,系統(tǒng)生產(chǎn)應用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等 [3]。 國外機床的發(fā)展狀況 在國外，數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀可以概括如下幾點： （1）高速高精與多軸加工成為數(shù)控機床的主流，納米控制已經(jīng)成為高速高精加工的潮流。 （3）機床與機器人的集成應用日趨普及，且結構形式多樣化，應用范圍擴大化，運動速度高速化，多傳感器融合技術實用化，控制功能智能化，多機器人協(xié)同普及化 [5]。 （5）最新的機床誤差檢測與補償技術能夠在較短的時間內完成對機床的補償測量，與傳統(tǒng)的激光干涉儀相比，對機床誤差的補償精度能夠提高3～4倍，同時效率得到大幅度提升 [6]。 刀具技術發(fā)展迅速，眾多刀具的設計涵蓋了整個加工過程，并且新型刀具能夠滿足平穩(wěn)加工以及抗振性能的要求。表11 數(shù)控機床SET因素表數(shù)控機床設計 SET因素分析列表社會的（S） 經(jīng)濟的(E) 技術的(T)工業(yè)社會的發(fā)展 企業(yè)的投資 科技技術的前進追求高效的理念 國家的投資 新型材料出現(xiàn)與合成機械加工的要求 自己本身價值 先進的制造行業(yè)綜合以上情況分析表明，（見表11） 社會需要一些新型實用創(chuàng)新的機床，來滿足機械加工和工業(yè)行業(yè)的需求。 （1）主軸轉速：機床采用電主軸（內裝式主軸電機），主軸最高轉速達200000r/min； （2）進給率：，最大進給率達到240m/min且可獲得復雜型面的精確加工； （3）運算速度：微處理器的迅速發(fā)展為數(shù)控系統(tǒng)向高速、高精度方向發(fā)展提供了保障，開發(fā)出CPU 已發(fā)展到32位以及64位的數(shù)控系統(tǒng)，頻率提高到幾百兆赫、上千兆赫。德國Chiron公司將刀庫設計成籃子樣式，以主軸為軸心，刀具在圓周布置， [8]. 數(shù)控機床精度的要求現(xiàn)在已經(jīng)不局限于靜態(tài)的幾何精度，機床的運動精度、熱變形以及對振動的監(jiān)測和補償越來越獲得重視。研究結果表明，綜合誤差補償技術的應用可將加工誤差減少60%～80%； （3）采用網(wǎng)格解碼器檢查和提高加工中心的運動軌跡精度，并通過仿真預測機床的加工精度，以保證機床的定位精度和重復定位精度，使其性能長期穩(wěn)定，能夠在不同運行條件下完成多種加工任務，并保證零件的加工質量 [9]。根據(jù)其結構特點可分為工藝復合型和工序復合型兩類。采用復合機床進行加工，減少了工件裝卸、更換和調整刀具的輔助時間以及中間過程中產(chǎn)生的誤差，提高了零件加工精度，縮短了產(chǎn)品制造周期，提高了生產(chǎn)效率和制造商的市場反應能力，相對于傳統(tǒng)的工序分散的生產(chǎn)方法具有明顯的優(yōu)勢。德國Index公司最新推出的車削加工中心是模塊化結構，該加工中心能夠完成車削、銑削、鉆削、滾齒、磨削、激光熱處理等多種工序，可完成復雜零件的全部加工。 在2022年中國國際機床展覽會（CIMT2022）上，國內外制造商展出了形式各異的多軸加工機床（包括雙主軸、雙刀架、9軸控制等）以及可實現(xiàn)4～5軸聯(lián)動的五軸高速門式加工中心、五軸聯(lián)動高速銑削中心等 [10]。具體體現(xiàn)在以下幾個方面： （1）加工過程自適應控制技術：通過監(jiān)測加工過程中的切削力、主軸和進給電機的功率、電流、電壓等信息，利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算法進行識別，以辯識出刀具的受力、磨損、破損狀態(tài)及機床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)，并根據(jù)這些狀態(tài)實時調整加工參數(shù)（主軸轉速、進給速度）和加工指令，使設備處于最佳運行狀態(tài)，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高設備運行的安全性； （2）加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇：將工藝專家或技師的經(jīng)驗、零件加工的一般與特殊規(guī)律，用現(xiàn)代智能方法，構造基于專家系統(tǒng)或基于模型的“加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇器” ，利用它獲得優(yōu)化的加工參數(shù)，從而達到提高編程效率和加工工藝水平、縮短生產(chǎn)準備時間的目的； （3）智能故障自診斷與自修復技術：根據(jù)已有的故障信息，應用現(xiàn)代智能方法實現(xiàn)故障的快速準確定位； （4）智能故障回放和故障仿真技術：能夠完整記錄系統(tǒng)的各種信息，對數(shù)控機床發(fā)生的各種錯誤和事故進行回放和仿真，用以確定錯誤引起的原因，找出解決問題的辦法，積累生產(chǎn)經(jīng)驗； （5）智能化交流伺服驅動裝置：能自動識別負載，并自動調整參數(shù)的智能化伺服系統(tǒng)，包括智能主軸交流驅動裝置和智能化進給伺服裝置。 本課題設計的可行性 市場發(fā)展前景分析 數(shù)控機床的市場前景分析如圖11所示：圖中反映了數(shù)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(shù)控機床的發(fā)展趨勢，以及未來發(fā)展前景。 相關技術分析現(xiàn)有數(shù)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。 陶瓷球軸承是應用廣泛且經(jīng)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。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。磁懸浮軸承依靠多對在圓周上互為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。 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(chǎn)生大量熱量，引起電主軸溫升，使電主軸的熱態(tài)特性和動態(tài)特性變差，從而影響電主軸的正常工作。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(jīng)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(chǎn)生的熱量。 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(shù)萬轉乃至數(shù)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。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。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]。 在國外，電主軸已成為一種機電一體化的高科技產(chǎn)品，由一些技術水平很高的專業(yè)工廠生產(chǎn)，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]。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]。DDR能夠為客戶帶來的好處有：（1）DDR可以減少零部件數(shù)量，縮短組裝時間。 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。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?？紤]到制造成本、運行費用，目前一般均采用短初級長次級。 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。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150～240m/min。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]。本課題的主要設計思想是始終保持人性化設計思念，注重產(chǎn)品使用過程的人機交互，方便使用中與使用后的操作 [19]。 第2章 方案設計 市場調查分析(1) 數(shù)控機床在生活中重要性數(shù)控機床是我們工業(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。(2) 現(xiàn)有數(shù)控機床最大的問題據(jù)了解，現(xiàn)有數(shù)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。(4) 數(shù)控機床的顏色數(shù)控機床的顏色以黑白灰為主。(5) 現(xiàn)有的數(shù)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。(7) 數(shù)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 。(9) 數(shù)控機床的安全性能數(shù)控機床的安全性能是個至關重要問題，我國規(guī)定數(shù)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(shù)點要倍加小心。 ④操作者在調整刀具長度偏置時，應保證其偏置值為負值。(11) 數(shù)控機床的輔助部分數(shù)控機床的輔助部分包括標志，警示牌，散熱片等等。(15) 數(shù)控機床的技術性能使用性能、安全性能、耐用性能，加工性能。(17) 數(shù)控機床適用的人群？機械工程師，機床操作人員扥等。(20) 使用數(shù)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(shù)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。(22) 數(shù)控機床的維修系統(tǒng)數(shù)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。(23) 對現(xiàn)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。(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。(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(chǎn)品。(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。(9) 符合人機工學，使用時不會造成疲勞，注重產(chǎn)品在方便、舒適、可靠、價值、安全和效率等方面的評價通過觀察城市使用群體（主要操作人員）總結出特征，為數(shù)控機床設計提供合理方向。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。 操作者在調停刀具長度偏置時，應保證其偏置值為負值 [20]。機床高