1、 工業(yè)母機：高端裝備制造的基石

機床是對金屬、其他材料的坯料或工件進行加工，使之獲得所要求的幾何形狀、 尺寸精度和表面質量的機器。機床是制造機器的機器，這是機床區(qū)別于其他機器 的主要特點，故機床又稱為工業(yè)母機。 數控機床是用數字化信息對機床的運動及其加工過程進行控制的機床，是高效 率、高精度、高柔性和高自動化的現(xiàn)代機電一體化設備。 數控機床按照材料加工方式，工業(yè)母機可分為金屬切削機床、金屬成形機床、特 種加工機床。其中金屬切削機床包括車床、銑床、磨床等單功能性機床以及帶有 刀庫和自動換刀裝置，從而可以實現(xiàn)多種不同加工操作的加工中心。

數控機床上游行業(yè)主要供應鈑焊件、鑄件、精密件、功能部件、數控系統(tǒng)、電氣 元件等。精密件主要包括主軸單元和絲杠、線軌、軸承等傳動部件等，功能部件 主要包括數控回轉工作臺、刀庫、機械手、齒輪箱、銑頭、刀架等。數控系統(tǒng)包 括驅動裝置，以及控制和檢測裝置等。數控機床的下游用途十分廣泛，涵蓋國民 經濟的多個重要領域，如航空航天、機械設備等。

目前我國低端數控機床基本達到自給自足，中端數控機床基本實現(xiàn)國產替代，但 高端數控機床國產化率仍處于較低水平。根據科德數控公告，截至 2022 年底國內高端機床國產化率不足 10%。 據中國機床工具工業(yè)協(xié)會數據，2023 年金屬切削機床數控化率為 45.5%。在發(fā)達國家中，日本機床數控化率維持在 80%以上，美國和德國機床數控化率均超 過 70%，與之相比國內機床數控化率提升空間較大。

當前國內機床行業(yè)大致可分為三大梯隊，其中： 第一梯隊：歷史悠久，實力雄厚的外資企業(yè)，主營業(yè)務是高端數控機床，如日本 山崎馬扎克，德國通快，德馬吉森精機，美國馬格等。目前大多數都通過在中國 投資或合資建廠； 第二梯隊：國內最先起步，并具有一定技術實力，資金實力和品牌影響力的民企 和國企。從最早的國營企業(yè)“十八羅漢”，到現(xiàn)在如海天精工，創(chuàng)世紀，紐威數 控等新主力軍民營企業(yè)； 第三梯隊：規(guī)模較小，技術含量較低的主營低端數控機床的小型民營企業(yè)。產品 價格便宜，產品加工精度要求不高，主要應用于一般民用產品，汽車零部件粗加 工等領域。

2、 工業(yè)母機市場：聚焦頭部國家

2.1、 全球市場：中國穩(wěn)居全球生產、消費第一

生產： 根據德國 VDW 數據，2022 年全球機床產值 803 億歐元，同比+12%。其中金屬 切削機床 566 億歐元，金屬成形機床 235 億歐元（過去 5 年比例約為 7:3）。2022 年全球機床產值排名前十的國家和地區(qū)依次為：中國（不包含中國臺灣地區(qū)，下 同）（257 億歐元）、日本（99 億歐元）、德國（97 億歐元）、意大利（65 億歐元）、美國（56 億歐元）、韓國（43 億歐元）、中國臺灣地區(qū)（39 億歐元）、 瑞士（28 億歐元）、印度（13 億歐元）、奧地利（12 億歐元）。

中國目前是全球最大的機床生產國，2022 年產值占全球 32%，其次為日本 （12%）、德國（12%）、意大利（8%）、美國（7%）。

消費： 中國目前是全球最大的機床消費國，2022 年機床消費占全球 34%，其次為美國 （12%）、意大利（7%）、德國（7%）、日本（5%）。

出口： 作為老牌機床強國，德國與日本的機床出口額位居前列，2022 年全球出口份額 分別為 17%、17%。2020-2022 年，中國機床出口額快速增長，2022 年中國機 床全球出口份額已提升至 14%，且在全球機床出口額前 5 名中，僅中國的機床 出口額超過了 2018 年水平。 值得一提的是，根據 VDW 口徑，有相當一部分出口額來自于德國、日本、瑞士 等機床制造商在中國生產的頂級機床。

進口： 中國和美國是全球排名前二的機床進口國，隨著國產替代的推進，中國的機床進 口額穩(wěn)中有降，2022 年為 62.6 億歐元，較 2021 年微降 0.4%；美國 2022 年機 床進口額 59.0 億歐元，較 2021 年增加 36.2%。

主要國家和地區(qū)機床供需平衡： 作為全球最大的機床消費國，中國基本實現(xiàn)自給自足，2022 年機床進口額與出 口額基本持平，大部分國內消費由本土供應。德國、日本機床出口額遠大于機床 進口額，2022 年貿易順差分別達到 45、63 億歐元。美國機床進口額遠大于機 床出口額，2022 年貿易逆差達到 41 億歐元。而韓國、中國臺灣地區(qū)、瑞士 2022 年機床貿易順差分別達到 13、20、18 億歐元。

出口比例： 2022 年，日本、德國、中國臺灣地區(qū)、瑞士機床出口占生產比例均超 70%，為 典型的出口導向型經濟；意大利、韓國機床出口占生產比例在 50%附近，內外 需較為均衡；中國、美國機床出口占生產比例分別為 23%、33%，隨著國內機 床出口額不斷增長，國內機床出口比例仍有較大提升空間。

進口比例： 2022 年，墨西哥、土耳其、美國、印度機床進口占消費比例均超 50%，其中墨 西哥、土耳其機床消費中進口依賴度分別達到 98%、89%；而德國機床消費中 進口依賴度亦達到 49%；中國機床消費中進口依賴度為 24%。

2.2、 國內市場：進口依賴度下降，出口快速提升

中國數控機床產業(yè)經歷了起步、擴產、整合、高速發(fā)展與轉型升級，目前已形成 了品類完善、功能齊全的制造格局。

根據中國機床工具工業(yè)協(xié)會，2023 年我國金屬加工機床生產額為 1935 億元， 同比增長 1.1%。消費額為 1816 億元，同比下降 6.2%。 根據 VDW 數據，我國機床消費中進口依賴度從 2018 年的 33%下降至 2022 年 的 24%。

從產業(yè)周期來看，機床呈現(xiàn)約 10 年的更換周期。2009 年，“04 專項”的實施 為我國機床行業(yè)注入新的動力，我國金屬切削機床在 2011/2014 年形成產量高 峰。隨著 10 年更換周期的到來，預計我國機床行業(yè)將迎來大規(guī)模替換需求。 根據日本機床工業(yè)協(xié)會，日本來自中國的機床訂單基本呈現(xiàn) 3 年一個小周期的規(guī) 律。

從月度數據來看，中國金屬切削機床產量與日本來自中國的機床訂單呈現(xiàn)同步狀 態(tài)。2023 年 1-12 月，中國制造業(yè)固定資產投資完成額累計同比增長 6.5%，較 2023 年 1-11 月提升 0.2pct。目前國內金屬切削機床產量及日本對華機床訂單 均有底部回暖趨勢，隨著新質生產力發(fā)展，中高端機床的市場需求或將企穩(wěn)回升。

從進出口情況來看，2021-2023 年，我國金屬切削機床出口金額逐年提升，進口 金額逐年下降，在 2023 年完成貿易順差 3.9 億美元；2021-2023 年，我國金屬 成形機床出口金額提升較快，貿易順差逐步擴大，在 2023 年達到 12.9 億美元。

從進口機床種類來看，我國對外進口的機床主要是加工中心、特種加工機床、磨 床、齒輪加工機床、車床；從出口機床種類來看，我國對外出口的機床主要是特 種加工機床、車床、加工中心、成形折彎機、金屬冷加工壓力機。

3、 工業(yè)母機產業(yè)鏈：國產替代任務艱巨

從機床的發(fā)展來看，金屬切削的基本工作原理是借助高硬度材料的刀具從硬度較 低的工件毛坯上切除多余的金屬，從而獲得具有一定形位精度和表面質量的特定 形狀的零件。因此，工件和刀具的機床內部一對相互對抗的矛盾體。 從機床結構來看，可分為主傳動系統(tǒng)、進給傳動系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、數控系統(tǒng)。其 中主傳動系統(tǒng)是由主軸電動機經一系列傳動元件和主軸構成的具有運動、傳動聯(lián) 系的系統(tǒng)；進給傳動系統(tǒng)以保證刀具與工件相對位置關系為目的，其作用是將伺 服電動機的旋轉運動轉變?yōu)閳?zhí)行件的直線運動或旋轉運動；檢測系統(tǒng)負責將機床 運動部件的實際位移量隨時檢測出來，與給定的控制值（指令信號）進行比較， 從而控制驅動元件正確運轉，實現(xiàn)閉環(huán)控制；而數控系統(tǒng)是數控機床的核心，是 實現(xiàn)機床精確加工功能的關鍵。

3.1、 數控系統(tǒng)：工業(yè)母機之“腦”

數字控制（Numerical Control-NC）技術是近代發(fā)展起來的一種自動控制技術。 國家標準 GB 8129-87 將其定義為“用數字化信號對機床運動及其加工過程進行 控制的一種方法”。 數控機床是用數字信息進行控制的機床，借助輸入控制器中的數字信息來控制機 床部件的運動，自動地將零件加工出來?，F(xiàn)代數控系統(tǒng)普遍采用微機技術，成為 計算機數控（Computer Numerical Control-CNC）。 伴隨數控機床的發(fā)展，機床數字控制器也從最初的機床研制單位自行設計制造轉 變?yōu)閷I(yè)的制造商批量生產，形成了專門的產品——數控系統(tǒng)及其產業(yè)。

從全球數控系統(tǒng)的發(fā)展來看，主要經歷了五個時期： 1）第 1 階段：研究開發(fā)期(1952-1970)，系統(tǒng)組成以電子管、晶體管小規(guī)模集成 電路為主； 2）第 2 階段：推廣應用期(1970-1980)，使用專用 CPU 芯片，實現(xiàn)全數字控制 刀具自動交換； 3）第 3 階段：系統(tǒng)化(1980-1990)，使用多 CPU 處理器，完成多軸聯(lián)動控制且 人機界面友好； 4）第 4 階段：集成化 (1990-2000)，使用模塊化多處理器，實現(xiàn)復合多任務加 工； 5）第 5 階段：網絡化 (2000-2015)，使用開放體系結構工業(yè)微機，從而達到開 放式數控系統(tǒng)網絡化和智能化。

數控系統(tǒng)一般分為高、中、低端三種類型： 1）低端（普及型）數控：一般采用 32 位中央處理器(CPU)芯片，以模擬量或脈 信號控制伺服驅動系統(tǒng)，以實現(xiàn)運動控制，可完成基本的直線和圓弧插補功能， 實現(xiàn)軸或 3 軸控制。系統(tǒng)分辨率大于 1μm，定位精度 0.03mm。典型產品有廣 州數控的 GSK928 系統(tǒng)、華中數控 HNC-808 系列、西門子的 808D 系統(tǒng)等； 2）中端數控：通常稱為全功能數控系統(tǒng)，可實現(xiàn)主要的插補功能，具有豐富的 圖形化界面和數據交換功能，實現(xiàn)三軸或四軸聯(lián)動。系統(tǒng)分辨率 1μm，定位精 度 0.03mm-0.005mm。典型產品有廣州數控 980 系列，華中數控 HNC-818 系 列，西門子 828D 系統(tǒng)，發(fā)那科 0i 系統(tǒng)等； 3）高端數控：具有 5 軸以上的控制能力，多通道、全數字總線，豐富的插補及 運動控制功能，智能化的編程和遠程維護診斷。主軸轉速 10000r/min 以上，系 統(tǒng)分辨率亞微米或納米級，定位精度 0.01mm-0.001mm。典型產品有西門子 840Dsl、發(fā)那科 30i、華中數控 HNC-848、沈陽機床 i5 等。

20 世紀 50 年代以來，全球數控系統(tǒng)技術經歷 2 個階段，實現(xiàn)從硬線控制到計算 機數控階段的進步。從 1952 年世界上第一臺數控機床在美國誕生，數字計算機 技術開始應用于機床行業(yè)，自此數控技術的發(fā)展與電子和計算機技術的發(fā)展緊密 相關。隨著數控系統(tǒng)的發(fā)展，其功能持續(xù)增多、可靠性與精度不斷提高，價格也 逐漸下降。 中國數控系統(tǒng)發(fā)展經歷 4 個階段，目前國產數控系統(tǒng)應用多集中在低端市場，高 端市場有待發(fā)展，主要原因是由于數控系統(tǒng)技術壁壘高，同時需要大量實際應用 進行升級迭代。

3.1.1、數控系統(tǒng)關鍵技術

數控系統(tǒng)中的關鍵技術包括： 1）譯碼及刀具補償：譯碼指從零件加工程序的文本文件中提取出插補種類及相 關參數、速度信息、刀具信息以及輔助信息；而刀具補償已成為 ISO 中定義的 標準功能，在編制工件粗、精加工程序的過程中，合理運用刀具補償功能，可以 極大減少計算工作量及編程工作，提高加工效率； 2）插補方法：數控編程時將零件上要加工的平面、凸臺、型腔及曲面等規(guī)劃成 相應的刀具加工軌跡，這些軌跡通常由直線、圓弧、曲線組成。插補就是根據給 定曲線的起點和終點、進給速度、軌跡線形和插補周期計算軌跡上中間點的方法；3）速度前瞻：速度前瞻處理功能預先獲得待加工零件輪廓上的速度突變點，使 得數控機床進入這些突變點之前，能及時修調進給速度，避免加工表面質量變差， 有效抑制機床在突變點產生振動； 4）坐標變換及誤差補償：坐標變換負責將編程坐標系轉換成機床的物理坐標系。 誤差補償指的是數控系統(tǒng)通過對加工過程的誤差源分析、測量、建模，實時地計 算出位置誤差、熱誤差等，將該誤差反饋到控制系統(tǒng)中,改變實際坐標指令來實 現(xiàn)誤差修正，從而使工件獲得理想的加工精度。

3.1.2、數控市場格局

自 2017 年中國科技專項后，數控系統(tǒng)國產化率實現(xiàn)提升，打破高端市場外資壟 斷局面，但目前中高端市場仍以外資為主，這主要是由于數控系統(tǒng)的技術壁壘與 較高的用戶粘性。 目前中國數控系統(tǒng)市場中： 高端市場以外資企業(yè)為主，其中第一梯隊代表為日本發(fā)那科、德國西門子，第二 梯隊代表為德國海德漢、日本三菱、德國馬扎克； 中端市場面臨外資企業(yè)與國產廠商的激烈競爭，其中國產品牌華中數控主要以加 工中心數控系統(tǒng)為主、技術積累深厚，科德數控以五軸數控系統(tǒng)為主，技術積累 深厚，以自用為主； 低端市場以國產廠商為主，如廣州數控（以車床數控系統(tǒng)為主，中低端市占率第一，商務性強）、蘇州新代（以車銑復合數控系統(tǒng)為主，銷售模式具有優(yōu)勢，技 術較強）、凱恩帝（以車床數控系統(tǒng)為主，產品性能較好，銷售能力較弱）。

2022 年，中國數控系統(tǒng)市占率前三均為外資企業(yè)，分別為發(fā)那科、三菱、西門 子，銷售額市占率分別為 37%、17%、12%，合計占比 66%。 數控系統(tǒng)占數控機床成本比例約在 15%左右。據頭豹產業(yè)研究院數據，2022 年 全國數控系統(tǒng)市場規(guī)模約在 135.2 億元。未來隨著我國機床數控率提升，數控系 統(tǒng)市場規(guī)模增速預計將高于機床行業(yè)整體增速。

3.2、 主軸：工業(yè)母機之“左手”

3.2.1、從機械主軸到電主軸

主軸部件是主運動的執(zhí)行件，它夾持刀具或工件，并帶動其旋轉。數控機床主軸 部件的精度、剛度、抗振性和熱變形對加工質量和生產率等有著直接的影響。數 控機床的主軸部件包括主軸、主軸支承、裝在主軸上的傳動件和密封件等。 主軸的發(fā)展經歷了三個階段： 1）齒輪/帶傳動。傳統(tǒng)機床主軸的驅動方式是電機軸線和主軸的軸線互相平行， 電機通過皮帶或齒輪間接地驅動主軸。由于當主軸轉速提高到一定水平后，傳動 皮帶開始受離心力的作用而膨脹，傳動效率急劇下降，傳動齒輪的發(fā)熱和噪音問 題也開始變得嚴重。 2）聯(lián)軸器傳動。為了解決間接傳動的轉速瓶頸，機床設計人員開始研究將電機 和主軸同軸配置，由電機通過聯(lián)軸節(jié)直接驅動主軸。這種驅動方式盡管取消了皮 帶和齒輪等中間傳動帶來的問題，但又為刀具夾緊機構的配置帶來新的問題。 3）電主軸。電主軸的出現(xiàn)，從根本上解決了主軸直接驅動的問題。電主軸是將 電機的轉子和主軸集成為一個整體。中空的、直徑較大的轉子軸同時也是機床的 主軸，它有足夠的空間容納刀具夾緊機構或送料機構。

從不同領域對機床主軸的要求來看，主軸的選擇與機床類型、加工工藝、刀具. 工件材料和加工精度都有密切的關系。 復合加工中心的愿景是在一臺機床上進行鏜銑、車、鉆、磨等不同工序，其進步 完善的主要瓶頸就是主軸，沒有一種主軸可以滿足不同加工情況的要求，達到同 樣優(yōu)良的性能?？芍貥嫏C床、模塊化機床則往往需要具有機械、液壓、氣動和電 氣標準化接口的可交換主軸。

不同類型主軸傳動的性能各異，可根據應用場合的需求加以選用和設計。電主軸 在速度、精度、噪聲和更換方便性方面，皆優(yōu)于其他傳動形式，是高端數控銑床、 加工中心和復合加工機床的首選方案。

電主軸作為一種機電一體化系統(tǒng)，機床的核心部件，越來越多地集成各種傳感器 和軟件，對其工作狀態(tài)的進行監(jiān)控、預警、可視化和補償。裝上各種傳感器的電 主軸能產生海量數據，各大電主軸制造商和機床制造商，目前正努力合作開發(fā)專 家系統(tǒng)，將這些數據綜合后用簡明的方式向用戶報告。

3.2.2、主軸軸承

主軸軸承是主軸部件的重要組成部分。它的類型、結構、配置、精度、安裝、調 整、潤滑和冷卻都直接影響主軸的工作性能。在數控機床上，常用的主軸軸承有 滾動軸承和靜壓滑動軸承。 在液體靜壓軸承中，供油裝置在一定初始壓力下使得潤滑油流經節(jié)流孔，在軸承 和主軸間隙間形成壓力油膜，油膜上下存在壓差從而承受載荷。 液體靜壓軸承的特點： （1）主軸在轉動前會先被浮起，軸承不會與主軸接觸，因此摩擦力損耗較小； （2）所適應的轉速范圍廣，在靜止和相對運動狀態(tài)下都具有承載能力； （3）壓力油膜的支承剛度大，具有較好的吸振性； （4）使用壽命長，精度保持性好； （5）油膜具有均化誤差的作用，這樣可以減小主軸和軸承自身精度造成的影響； （6）對軸承的材料要求不高。

機床應用領域的不同，對主軸軸承系統(tǒng)的要求是不一樣的。例如，鋁合金的高速 切削需要高轉速而剛度較低的軸承系統(tǒng)，而欽合金或鎳基合金的重切削則需要能 承受大切削力和低轉速的軸承系統(tǒng)。合理選擇軸承類型和配置軸承以及軸承系統(tǒng) 的設計優(yōu)化對機床主軸的性能和壽命有很大影響。 主軸軸承的類型有：1) 滾動軸承，包括球軸承和圓柱滾子軸承；2) 液體動壓軸 承；3)液體靜壓軸承；4)空氣軸承；5) 磁浮軸承。滾動軸承具有明顯的綜合優(yōu) 勢，應用最為廣泛。

3.3、 進給驅動工業(yè)母機之“右手”

數控機床的進給驅動系統(tǒng)是在數控系統(tǒng)的指揮下，將機床的執(zhí)行部件（如工作臺、 滑座、立柱等）移動到預定位置，主要由以下部分組成： 1）位置控制指令生成。待加工的零件通過數控編程后生成刀具軌跡并分解為各 軸的位移，發(fā)出位置控制指令。 2）伺服驅動。將位置指令的電信號通過速度控制、電流控制和功率放大后，借 助伺服電動機轉換成機械運動。伺服電動機可以是旋轉電動機，也可以是直線電 動機。速度反饋和電流反饋回路用以保證系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。 3）機械傳動。伺服電動機的回轉運動通過機械傳動機構轉換成直線運動，驅動 諸如工作臺、滑座等執(zhí)行部件實現(xiàn)所要求的位移。采用直線電動機等直接驅動方 式可簡化機械傳動。 4）位置檢測與反饋。由直線或回轉位移測量裝置檢測實際的直線位移和角位移 并將誤差反饋給位置控制環(huán)，加以補償。

數控程序的插補功能，生成進給運動的路徑規(guī)劃。在刀軌規(guī)劃中不僅要考慮刀具 的位移和進給速度，還要考慮其加速度和加加速度，然后向驅動系統(tǒng)輸出參考軌 跡的位移、速度、加速度和加加速度 4 個參數，進行各軸運動軌跡的控制。在進 給驅動系統(tǒng)動力特性的影響下獲得真實的位移，并將其反饋給位置信號的輸入 端，形成一個閉環(huán)回路。

機床進給驅動的任務是完成刀具和工件之間的復雜空間運動。按照運動的形式， 可以分為直線進給驅動和回轉進給驅動兩大類。按照驅動動力和執(zhí)行部件之間是 否有中間機械傳動環(huán)節(jié)，可分為間接驅動和直接驅動。 1）實現(xiàn)間接直線驅動的機械傳動機構有絲杠螺母、齒輪齒條和蝸桿齒條； 2）能完成直接直線驅動的有直線電動機和電液伺服作動器； 3）實現(xiàn)間接回轉驅動的機械傳動機構有蝸輪蝸桿、滾柱凸輪傳動； 4）能完成直接回轉驅動的有力矩電動機、伺服作動器和混合驅動裝置等。

3.3.1、直線進給

滾珠絲杠： 滾珠絲杠的傳動效率高，具有高載荷下發(fā)熱量較小、磨損小、壽命長和無爬行以 及驅動力矩大等一系列優(yōu)點，應用廣泛，是高性能數控機床不可或缺的功能部件。 滾珠絲杠副廣泛用于各種機床中行程小于 5m 的水平和垂直進給驅動系統(tǒng)，也有 10m 以上行程的個別案例。機床上所采用的滾珠絲杠的直徑和導程多在 12mm~160mm 和 5mm~40mm 范圍之間。根據 NSK 披露，數控機床中車床、 銑床、鏜床、鉆床、沖床等常用精度等級為 C5，磨床、電火花加工機械、線切 割機等常用精度等級為 C3。

由于滾珠需要無限循環(huán)，所有滾珠絲杠至少由絲杠軸、螺母、滾珠、循環(huán)部件四 大零部件構成。 按照滾珠循環(huán)方式，可分為內循環(huán)、外循環(huán)兩大類型： （1）內循環(huán)在相鄰的導程間通過馬蹄狀導流器循環(huán)，適合小導程； （2）外循環(huán)又分為端部導流式、管循環(huán)式、端蓋式。其中端部導流式在螺母端 部沿絲杠螺紋槽切線方向平滑地將滾珠掬起，并通過設在螺母內部的貫通孔循 環(huán)，適合高速靜音傳送；管循環(huán)式在適合滾珠大小的循環(huán)管內使?jié)L珠通過始點、 終點間往復循環(huán)，規(guī)格(軸徑、導程)的對應范圍廣；端蓋式在螺母端部配置拉升 滾珠的端蓋，在螺母內設置的貫通孔循環(huán)，適合大導程。

從市場空間來看，全球滾珠絲杠市場規(guī)模穩(wěn)健增長，中國已成為最重要的消費市 場之一，長期成長空間可觀。根據秦川機床公告，2016-2021 年全球滾珠絲杠市 場規(guī)模從 13.1 億美元增長至17.5 億美元；同期我國滾珠絲杠市場規(guī)模從 16.8 億元增長至25.6 億元。中國已成為滾珠絲杠產品重要的消費市場之一，約占全 球規(guī)?？偭康?20%左右。 從市場競爭格局看，目前全球主要的滾珠絲杠廠商有 NSK、THK、SKF 等，根 據華經產業(yè)研究院統(tǒng)計，2021 年 CR5 銷售額市占率達到約 46%，其中主要來自 歐洲和日本，日本和歐洲滾珠絲杠企業(yè)占據了全球約 70%的市場份額。

國內滾珠絲杠高端市場基本被德國力士樂、日本 THK、NSK 占據，中端市場則 由德國、日本品牌（力士樂、THK、NSK），中國臺灣地區(qū)品牌（上銀、銀泰）， 中國大陸品牌（漢江、南工藝）占據。

直線電機： 直接進給驅動是依靠直線電動機初級和次級間的磁力移動工作臺，中間沒有機械 傳動元件，導軌一般與滾珠絲杠驅動裝置一樣。由于沒有絲杠、螺母、聯(lián)軸節(jié)、 電機軸和軸承的柔度，切削載荷和運動質量直接作用在直線電動機上。 與滾珠絲杠驅動相較，直線驅動的加速度較高，移動速度快，能快速定位，伺服 帶寬大等優(yōu)點。此外，由于直線電動機無接觸傳遞力，機械摩擦損耗和爬行現(xiàn)象 幾乎為零，能達到比滾珠絲杠更高的精度和可靠性。 直線電動機分為同步直線電動機和感應直線電動機兩類，感應電動機的定子由金 屬條構成，同步電動機的定子由永磁材料構成。商品化的同步電動機產生的最大 推力達15～20 kN，額定推力 6～8 kN，遠比感應電動機的最大推力 5～10 kN， 額定推力 0.8～2 kN 為高，適用于重切削的機床。而商品化的感應直線電動機由 于推重比高（小型感應直線電動機重量僅 1.5kg），因此較適合中小型要求高加 速度的機床使用。

目前，直線電機的主要應用領域包括電子、半導體、醫(yī)療等領域，隨著下游應用 場景的增加、技術的逐漸成熟，直線電機有望成為性價比更高的選擇，行業(yè)規(guī)模 也將隨之快速增長。 據 Transparency Market Research 數據，2022 年全球直線電機行業(yè)市場規(guī)模 約為 18 億美元，到 2031 年預計增長至 31 億美元。 目前我國直線電機市場 60%以上的市場份額由中國大陸以外的品牌壟斷，這些 品牌主要集中在新加坡、中國臺灣地區(qū)、日本以及歐美地區(qū)，而中國大陸品牌競 爭力較弱，在中國大陸僅有少數企業(yè)能夠系統(tǒng)地完成工藝要求。具體來看，目前 中國大陸直線電機行業(yè)領先企業(yè)主要包括雅科貝思、大族電機、德康威爾、東莞 智贏、泰科貝爾等。

與滾珠絲杠驅動相較，直線驅動的加速度較高，移動速度快，能快速定位，伺服 帶寬大等優(yōu)點。此外，由于直線電動機無接觸傳遞力，機械摩擦損耗和爬行現(xiàn)象 幾乎為零，能達到比滾珠絲杠更高的精度和可靠性。但是，直線電動機的加速性 與運動的總質量成反比，與電動機驅動力成正比。其加速性并非在所有情況下都 優(yōu)于滾珠絲杠螺母系統(tǒng)。 直線電動機只有在承載量較小時達到高加速度，而滾珠絲杠驅動卻在大范圍內保 持其加速能力，因為運動慣性經過減速比才反映到回轉電動機上。

3.3.2、圓周進給

機床在加工負責形狀表面時，為了提高加工效率、保證加工質量和防止干涉，除 了笛卡爾坐標系 X、Y、Z 軸的直線進給外，還需要控制刀具與工件相對姿態(tài)的 回轉坐標系 A、B、C 軸的圓周進給。 第 4 和第 5 軸的圓周進給是 5 軸聯(lián)動加工機床的關鍵技術之一。它可以是 AC 軸 聯(lián)動、AB 軸聯(lián)動或 BC 軸聯(lián)動。這兩種圓周進給可由安裝工件的工作臺完成， 也可以由裝有刀具的主軸系統(tǒng)來完成，或者由兩者共同完成。 對各類機床以及復雜的加工中心來說，回轉工作臺是其圓周進給運動功能實現(xiàn)最 為關鍵的部分，在各類機床和加工中心上廣泛應用的回轉工作臺可以如下劃分， 分度工作臺、數控回轉工作臺以及直驅回轉工作臺。

間接驅動

間接驅動包括蝸輪蝸桿轉臺、凸輪滾子轉臺以及諧波轉臺。 蝸輪蝸桿副是傳統(tǒng)的分度和圓周進給機構，廣泛用于鏜銑床和齒輪加工機床。通 常作為分度裝置，對于 100mm 到 500mm 直徑的工作臺分度精度一般為±20″ 左右。 滾柱驅動（RollerDrive）是一種新型的無間隙傳動機構，可用于構建新型數控 回轉工作臺。 滾柱驅動的工作臺的靜態(tài)和動態(tài)性能皆明顯高于傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿驅動的工作臺。

中小型雕刻機的雕刻、鉆銑、車削、打孔等工藝中，數控回轉工作臺不僅需要高 速輸出，也需要低速高精度輸出。蝸輪蝸桿轉臺扭矩高，但是精度難以保證，且 采購及維護成本較高。 諧波轉臺主要由諧波減速器和伺服電機組成，具有精度高、體積小、傳遞扭矩大、 成本低等優(yōu)點，能夠適應于各種機床的生產需求，近年來在市場上的占比也越來 越大。諧波轉臺主要應用于如筆記本電腦、手機殼、手表后蓋類 3C 產品、珠寶 首飾等行業(yè)零件加工，可以一次裝夾完成多面加工，大幅度提升設備加工效率和 加工能力范圍。

直接驅動

采用伺服電動機配合蝸輪蝸桿傳動副驅動的工作臺的缺點是體積大，電主軸和轉 臺之間的干涉位置多，導致可用回轉半徑小，工件裝夾和機床操作不便。直接驅 動的回轉工作臺是一項新技術，工作臺由專門設計的力矩電動機直接驅動，電動 機的轉子與工作臺主軸直接連接在一起，中間沒有任何機械傳動機構。 直接驅動回轉工作臺結構非常緊湊，動態(tài)性能好，慣性小，轉速高，除圓周進給 外，還可用于車削。由于沒有機械傳動的背隙和磨損問題，維修方便，輔以直接 測量系統(tǒng)，可獲得很高的回轉精度（約±5"），使用壽命遠比機械傳動回轉工作 臺長。

大陸及中國臺灣地區(qū)生產廠家生產的中低檔數控轉臺占據了我國大部分的轉臺 市場；少部分市場由美國、德國、日本等國家公司生產的高端產品所占據。內地 最具競爭力的數控轉臺生產廠家是煙臺環(huán)球機床附件集團有限公司，該廠家的產 品體系完備，規(guī)格齊全，種類繁多，且設計開發(fā)和制造方面具備豐富的經驗。中 國臺灣地區(qū)的德川機械股份有限公司是專業(yè)數控轉臺生產廠商之一。國外有日本 的 NIKKEN（日研）、德國 Peiseler、美國 HASS 公司等專業(yè)的生產廠家。國內 生產的數控轉臺產品與國外的產品相比，在精度、速度及可靠性等參數上仍與國 外數控轉臺存在一定差距。 2021 年中國數控轉臺市場銷售收入達到了 5.43 億美元，據 QYResearch 預計， 2028 年可以達到 11.17 億美元。 從產品類型及技術方面來看，單軸占有重要地位，2021 年份額達到 89.43%， 銷量達到 58678 臺，而雙軸由于價格較貴，從 2021 年銷量上來看僅為單軸的 1/9，達到 6935 臺，但銷售額超過單軸的 1/3，達到 1.44 億美元。預計未來單 軸和雙軸的比例穩(wěn)定，在 2028 年，單軸的銷量將達到 104280 臺，而雙軸達到 13671 臺。 從產品市場應用情況來看，與立式數控機床配套使用的數控轉臺最多，接近 60%，在 2021 年達到 38816 臺，而臥式和龍門分別達到 19330 臺與 7467 臺。 未來增長速度最快的為龍門數控機床，2022-2028 年的 CAGR 達到 9.69%。目 前中國主要廠商包括旭陽國際精機、寶嘉誠、德川機械、潭佳精密科技和潭興精 工等，2021 年 Top5 廠商份額占比超過 50%。

3.4、 測量系統(tǒng)：工業(yè)母機之“眼”

數控機床檢測元件的作用是檢測位移和速度，發(fā)送反饋信號，構成閉環(huán)控制。 位置檢測裝置的分類按照不同的分類標志，可以分為不同的類型。 根據測量方法，可分為增量式和絕對式；根據檢測信號的類型，可分為模擬式和 數字式；根據安裝的位置及耦合方式，可分為直接測量和間接測量；根據運動形式，可分為回轉型和直線型檢測裝置。

3.4.1、編碼器

編碼器是一種旋轉式測量元件，通常裝在被測軸上，隨被測軸一起轉動，可將被 測軸的角位移轉換成增量脈沖或絕對式的數字代碼。在數控機床上，通常與驅動 電動機同軸連接，屬間接式測量元件。 編碼器根據內部結構和檢測方式分類，可分為接觸式、光電式和電磁式三種。按 照編碼方式可分為絕對式編碼和增量式編碼兩種。 在數控機床上，大多采用光電式增量脈沖編碼器。

從編碼器在機床各部分的使用來看，編碼器可以分類為：主軸編碼器，手持脈沖 發(fā)生器，分度頭編碼器（角度編碼器），刀架編碼器，伺服進給編碼器。

根據 MMR 數據，全球編碼器市場規(guī)模將從 2022 年的 25.2 億美元提升至 2029 年的 49.6 億美元，CAGR 為 10.1%。

美國是編碼器解決方案銷售的主要國家之一。美國擁有主要的編碼器制造商，包 括霍尼韋爾國際公司、羅克韋爾自動化公司、海德漢公司等。

中國是編碼器消費的重要國家。這歸因于汽車和其他制造業(yè)對編碼器的需求大幅 增長，以及該國最終用途行業(yè)的增長。由于市場參與者的大量存在以及工業(yè)革命 4.0 在該國的不斷發(fā)展，多年來對編碼器的需求不斷增加。

3.4.2、光柵尺

光柵尺是光柵線位移傳感器的簡稱，是一種利用光柵原理實現(xiàn)線位移測量的傳感 器。光柵線位移傳感器主要應用于直線移動導軌機構，可實現(xiàn)移動量的精確顯示 和自動控制，廣泛應用于金屬切削機床加工量的數字顯示和 CNC 加工中心位置 環(huán)的控制。 按照材質不同，可分為玻璃光柵和鋼光柵；按照測量原理可分為絕對式和增量式； 按照掃描方式可分為成像掃描和干涉掃描；按照防護性能不同，可分為封閉式光 柵尺和開放式光柵尺。 從產品類型及技術方面來看，目前增量式光柵尺由于較低的成本和技術要求，占 有超過 80%的份額。預計未來幾年，絕對式光柵尺將保持更快的增長速度。

光柵是實現(xiàn)高精度測量的基礎，其由一系列等間距排列的刻線和狹縫組成，其間 距誤差極小，刻線邊緣整齊清晰。根據海德漢公司產品手冊，公司通過光刻、鍍 膜等工藝制造的光柵包括 DIADUR 精密光柵、METALLUR 光柵、相位光柵、SUPRADUR 光柵、OPTODUR 光柵、MAGNODUR 光柵等，度可達到微米級或 亞微米級。

成像掃描原理

成像掃描原理是用透射光生成信號，兩個柵距相同或相近的光柵與掃描掩膜彼此 相對運動。在狹縫對齊時，光線通過。如果一條光柵的柵線與另一條光柵上的狹 縫對齊，光線無法通過。光電池組將光強變化轉化成電信號。掃描掩膜的特殊柵 狀結構將光強調制為近正弦輸出信號。

干涉掃描原理

干涉掃描原理是用精細柵狀結構的光衍射和光干涉生成位移信號，測量運動。光 波穿過掃描掩膜時，將光波衍射為光強近似的三束光：+1、0 和-1。光柵尺所衍 射的光波是反射的衍射光+1 和–1 中光強最強的光束。這兩束光波在掃描掩膜的 相位光柵處再次相遇，再一次被衍射和干涉。也形成三束光，并以不同的角度離 開掃描掩膜。光電池將這些交變的光強轉化成電信號。掃描信號基本沒有高次諧 波，能進行高倍頻細分。因此，這些光柵尺特別適用于小測量步距和高精度應用。

增量式光柵尺的測量原理是將光通過兩個相對運動的光柵調制成摩爾條紋，通過 對摩爾條紋進行計數、細分后得到位移變化量，并通過在標尺光柵上設定一個或 是多個參考點來確定絕對位置；絕對式光柵尺的測量原理是在標尺光柵上刻劃一 條帶有絕對位置編碼的碼道，讀數頭通過讀取當前位置的編碼可以得到絕對位置。絕對式光柵尺的優(yōu)點是開電后直接得到當前位置信息，無需“歸零”操作， 簡化控制系統(tǒng)設計。 絕對式光柵尺可以從上一次停機的地方開始繼續(xù)原來的加工工作，提高了工作效 率，并且可以隨時監(jiān)控光柵尺所處的位置，使得機床或儀器有一永遠不變的參考 坐標，使機床或儀器的誤差修正等工作變得非常容易和可靠。因此，絕對式光柵 尺是未來光柵尺發(fā)展的一個趨勢，會逐步取代增量式光柵尺被廣泛的應用到精密 數控機床上。

根據 Global Info Research ，2020 年，中國光柵尺市場規(guī)模達到了 10.3 億元， 預計 2027 年將達到 19.7 億元，年復合增長率（CAGR）為 9.7%。2020 年全球 光柵尺收入大約 6.18 億美元，預計 2026 年達到 7.16 億美元，2020 至 2026 期 間，年復合增長率為 2.5%。

光柵尺常用于數控機床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中。在機床中用于檢測刀具和工件的坐標，觀察和跟蹤走刀誤差，起到補償刀具運動誤差的作用。中國市場，光柵尺主 要用在高性能機床、磨床、車床、銑床和加工中心等。其他領域及其他設備包括 半導體行業(yè)的生產和測量設備、電路組裝設備、測量顯微鏡和其他精密設備等。 從產品市場應用情況來看，目前，數控機床是最大的下游應用領域，占有 67% 的份額（2021 年），預計接下來幾年該領域依然是最大的下游市場，尤其是其 中的高端類型。 目前中國光柵尺市場，主要由德國的海德漢 Heidenhain、西班牙發(fā)格、英國雷 尼紹、和三豐 Mitutoyo 等歐洲和日本品牌主導，尤其是在中高端領域，這幾個品牌占有接近 90%的市場份額。國內本土廠商主要是長春光機數顯技術有限責 任公司（長春禹衡光學）、廣州市諾信數字測控設備有限公司（信和）和東莞市 索信測量儀器有限公司等。目前國內廠商主要產品是增量式光柵尺，不過長春光 機已經突破了絕對式光柵尺的相關技術，預計未來幾年，本土品牌將扮演更重要 的角色。