数控车床作为制造业的主要装备之一,其使用范围广,数量大,能量效率直接影响到整个机床行业能量消耗水平。而主传动系统作为数控车床最主要的能量流部件,其能耗大小直接决定整机的能量效率。现有的关于数控车床能耗优化问题大多关注使用过程,无法充分提升数控车床的能量效率。如何从设计阶段考虑数控车床能耗因素,从源头减小数控车床的能耗,提升其能量效率,是一个值得深入研究的问题。本文针对数控车床主传动系统,综合考虑数控车床的能耗、加工能力和加工质量,对其电机驱动单元参数和主轴单元结构进行节能设计优化研究,在保证数控车床的加工能力和加工质量的基础上,减小主传动系统能耗,提升数控车床能量效率。分析数控车床主传动系统能耗构成特性,建立主传动系统能耗模型;基于此,研究主传动系统中电机驱动单元参数和主轴单元结构对能耗的影响,阐述主传动系统中电机驱动单元参数优化和主轴单元结构轻量化的节能设计机理,说明数控车床主传动系统的优化设计节能潜力;然后,综合考虑电机驱动单元中主轴电机和传动系统参数对能耗的影响,提出主传动系统电机驱动单元的节能设计优化框架。在此基础上,根据主传动系统的能量流构建基于主轴电机效率的电机驱动单元的能耗函数。针对数控车床常用的切削参数范围,提出以电机驱动单元最小能耗和最小体积为目标的电机驱动单元参数多目标优化模型,采用多目标改进教与学算法对模型进行求解,获得较优的设计参数组合,降低电机驱动单元的运行能耗;其次,在主轴单元动力学方程的基础上构建主轴单元的能耗函数,并对主轴部件的结构性能指标进行分析。基于此,以主轴单元能耗和主轴单元结构性能指标为优化目标,结合均匀设计法、灵敏度分析、响应面法和主成分分析四种方法建立主轴单元结构轻量化的优化模型。并提出一种模拟退火和粒子群优化相结合的混合算法对模型进行求解,在保证主轴部件结构性能的基础上减小主轴单元的能耗。最后,利用MATLAB和ANSYS分别建立数控车床主传动系统能耗仿真模型和主轴单元有限元分析模型。以实际加工工况为基础,对优化前后的主传动系统能耗和主轴单元结构性能进行对比分析,结果表明优化后的主传动系统在保证其加工能力和加工质量的条件下能有效减小能量消耗,提高数控机床的能量效率。