1、 工業(yè)母機(jī)：高端裝備制造的基石

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

數(shù)控機(jī)床上游行業(yè)主要供應(yīng)鈑焊件、鑄件、精密件、功能部件、數(shù)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(dòng)部件等，功能部件 主要包括數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、刀庫、機(jī)械手、齒輪箱、銑頭、刀架等。數(shù)控系統(tǒng)包 括驅(qū)動(dòng)裝置，以及控制和檢測(cè)裝置等。數(shù)控機(jī)床的下游用途十分廣泛，涵蓋國(guó)民 經(jīng)濟(jì)的多個(gè)重要領(lǐng)域，如航空航天、機(jī)械設(shè)備等。

目前我國(guó)低端數(shù)控機(jī)床基本達(dá)到自給自足，中端數(shù)控機(jī)床基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代，但 高端數(shù)控機(jī)床國(guó)產(chǎn)化率仍處于較低水平。根據(jù)科德數(shù)控公告，截至 2022 年底國(guó)內(nèi)高端機(jī)床國(guó)產(chǎn)化率不足 10%。 據(jù)中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2023 年金屬切削機(jī)床數(shù)控化率為 45.5%。在發(fā)達(dá)國(guó)家中，日本機(jī)床數(shù)控化率維持在 80%以上，美國(guó)和德國(guó)機(jī)床數(shù)控化率均超 過 70%，與之相比國(guó)內(nèi)機(jī)床數(shù)控化率提升空間較大。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)機(jī)床行業(yè)大致可分為三大梯隊(duì)，其中： 第一梯隊(duì)：歷史悠久，實(shí)力雄厚的外資企業(yè)，主營(yíng)業(yè)務(wù)是高端數(shù)控機(jī)床，如日本 山崎馬扎克，德國(guó)通快，德馬吉森精機(jī)，美國(guó)馬格等。目前大多數(shù)都通過在中國(guó) 投資或合資建廠； 第二梯隊(duì)：國(guó)內(nèi)最先起步，并具有一定技術(shù)實(shí)力，資金實(shí)力和品牌影響力的民企 和國(guó)企。從最早的國(guó)營(yíng)企業(yè)“十八羅漢”，到現(xiàn)在如海天精工，創(chuàng)世紀(jì)，紐威數(shù) 控等新主力軍民營(yíng)企業(yè)； 第三梯隊(duì)：規(guī)模較小，技術(shù)含量較低的主營(yíng)低端數(shù)控機(jī)床的小型民營(yíng)企業(yè)。產(chǎn)品 價(jià)格便宜，產(chǎn)品加工精度要求不高，主要應(yīng)用于一般民用產(chǎn)品，汽車零部件粗加 工等領(lǐng)域。

2、 工業(yè)母機(jī)市場(chǎng)：聚焦頭部國(guó)家

2.1、 全球市場(chǎng)：中國(guó)穩(wěn)居全球生產(chǎn)、消費(fèi)第一

生產(chǎn)： 根據(jù)德國(guó) VDW 數(shù)據(jù)，2022 年全球機(jī)床產(chǎn)值 803 億歐元，同比+12%。其中金屬 切削機(jī)床 566 億歐元，金屬成形機(jī)床 235 億歐元（過去 5 年比例約為 7:3）。2022 年全球機(jī)床產(chǎn)值排名前十的國(guó)家和地區(qū)依次為：中國(guó)（不包含中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，下 同）（257 億歐元）、日本（99 億歐元）、德國(guó)（97 億歐元）、意大利（65 億歐元）、美國(guó)（56 億歐元）、韓國(guó)（43 億歐元）、中國(guó)臺(tái)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(guó)目前是全球最大的機(jī)床生產(chǎn)國(guó)，2022 年產(chǎn)值占全球 32%，其次為日本 （12%）、德國(guó)（12%）、意大利（8%）、美國(guó)（7%）。

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

出口： 作為老牌機(jī)床強(qiáng)國(guó)，德國(guó)與日本的機(jī)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(guó)機(jī)床出口額快速增長(zhǎng)，2022 年中國(guó)機(jī) 床全球出口份額已提升至 14%，且在全球機(jī)床出口額前 5 名中，僅中國(guó)的機(jī)床 出口額超過了 2018 年水平。 值得一提的是，根據(jù) VDW 口徑，有相當(dāng)一部分出口額來自于德國(guó)、日本、瑞士 等機(jī)床制造商在中國(guó)生產(chǎn)的頂級(jí)機(jī)床。

進(jìn)口： 中國(guó)和美國(guó)是全球排名前二的機(jī)床進(jìn)口國(guó)，隨著國(guó)產(chǎn)替代的推進(jìn)，中國(guó)的機(jī)床進(jìn) 口額穩(wěn)中有降，2022 年為 62.6 億歐元，較 2021 年微降 0.4%；美國(guó) 2022 年機(jī) 床進(jìn)口額 59.0 億歐元，較 2021 年增加 36.2%。

主要國(guó)家和地區(qū)機(jī)床供需平衡： 作為全球最大的機(jī)床消費(fèi)國(guó)，中國(guó)基本實(shí)現(xiàn)自給自足，2022 年機(jī)床進(jìn)口額與出 口額基本持平，大部分國(guó)內(nèi)消費(fèi)由本土供應(yīng)。德國(guó)、日本機(jī)床出口額遠(yuǎn)大于機(jī)床 進(jìn)口額，2022 年貿(mào)易順差分別達(dá)到 45、63 億歐元。美國(guó)機(jī)床進(jìn)口額遠(yuǎn)大于機(jī) 床出口額，2022 年貿(mào)易逆差達(dá)到 41 億歐元。而韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)、瑞士 2022 年機(jī)床貿(mào)易順差分別達(dá)到 13、20、18 億歐元。

出口比例： 2022 年，日本、德國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)、瑞士機(jī)床出口占生產(chǎn)比例均超 70%，為 典型的出口導(dǎo)向型經(jīng)濟(jì)；意大利、韓國(guó)機(jī)床出口占生產(chǎn)比例在 50%附近，內(nèi)外 需較為均衡；中國(guó)、美國(guó)機(jī)床出口占生產(chǎn)比例分別為 23%、33%，隨著國(guó)內(nèi)機(jī) 床出口額不斷增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)機(jī)床出口比例仍有較大提升空間。

進(jìn)口比例： 2022 年，墨西哥、土耳其、美國(guó)、印度機(jī)床進(jìn)口占消費(fèi)比例均超 50%，其中墨 西哥、土耳其機(jī)床消費(fèi)中進(jìn)口依賴度分別達(dá)到 98%、89%；而德國(guó)機(jī)床消費(fèi)中 進(jìn)口依賴度亦達(dá)到 49%；中國(guó)機(jī)床消費(fèi)中進(jìn)口依賴度為 24%。

2.2、 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)：進(jìn)口依賴度下降，出口快速提升

中國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了起步、擴(kuò)產(chǎn)、整合、高速發(fā)展與轉(zhuǎn)型升級(jí)，目前已形成 了品類完善、功能齊全的制造格局。

根據(jù)中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)，2023 年我國(guó)金屬加工機(jī)床生產(chǎn)額為 1935 億元， 同比增長(zhǎng) 1.1%。消費(fèi)額為 1816 億元，同比下降 6.2%。 根據(jù) VDW 數(shù)據(jù)，我國(guó)機(jī)床消費(fèi)中進(jìn)口依賴度從 2018 年的 33%下降至 2022 年 的 24%。

從產(chǎn)業(yè)周期來看，機(jī)床呈現(xiàn)約 10 年的更換周期。2009 年，“04 專項(xiàng)”的實(shí)施 為我國(guó)機(jī)床行業(yè)注入新的動(dòng)力，我國(guó)金屬切削機(jī)床在 2011/2014 年形成產(chǎn)量高 峰。隨著 10 年更換周期的到來，預(yù)計(jì)我國(guó)機(jī)床行業(yè)將迎來大規(guī)模替換需求。 根據(jù)日本機(jī)床工業(yè)協(xié)會(huì)，日本來自中國(guó)的機(jī)床訂單基本呈現(xiàn) 3 年一個(gè)小周期的規(guī) 律。

從月度數(shù)據(jù)來看，中國(guó)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量與日本來自中國(guó)的機(jī)床訂單呈現(xiàn)同步狀 態(tài)。2023 年 1-12 月，中國(guó)制造業(yè)固定資產(chǎn)投資完成額累計(jì)同比增長(zhǎng) 6.5%，較 2023 年 1-11 月提升 0.2pct。目前國(guó)內(nèi)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量及日本對(duì)華機(jī)床訂單 均有底部回暖趨勢(shì)，隨著新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展，中高端機(jī)床的市場(chǎng)需求或?qū)⑵蠓€(wěn)回升。

從進(jìn)出口情況來看，2021-2023 年，我國(guó)金屬切削機(jī)床出口金額逐年提升，進(jìn)口 金額逐年下降，在 2023 年完成貿(mào)易順差 3.9 億美元；2021-2023 年，我國(guó)金屬 成形機(jī)床出口金額提升較快，貿(mào)易順差逐步擴(kuò)大，在 2023 年達(dá)到 12.9 億美元。

從進(jìn)口機(jī)床種類來看，我國(guó)對(duì)外進(jìn)口的機(jī)床主要是加工中心、特種加工機(jī)床、磨 床、齒輪加工機(jī)床、車床；從出口機(jī)床種類來看，我國(guó)對(duì)外出口的機(jī)床主要是特 種加工機(jī)床、車床、加工中心、成形折彎?rùn)C(jī)、金屬冷加工壓力機(jī)。

3、 工業(yè)母機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈：國(guó)產(chǎn)替代任務(wù)艱巨

從機(jī)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(zhì)量的特定 形狀的零件。因此，工件和刀具的機(jī)床內(nèi)部一對(duì)相互對(duì)抗的矛盾體。 從機(jī)床結(jié)構(gòu)來看，可分為主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)。其 中主傳動(dòng)系統(tǒng)是由主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)一系列傳動(dòng)元件和主軸構(gòu)成的具有運(yùn)動(dòng)、傳動(dòng)聯(lián) 系的系統(tǒng)；進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)以保證刀具與工件相對(duì)位置關(guān)系為目的，其作用是將伺 服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行件的直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；檢測(cè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將機(jī)床 運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位移量隨時(shí)檢測(cè)出來，與給定的控制值（指令信號(hào)）進(jìn)行比較， 從而控制驅(qū)動(dòng)元件正確運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；而數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，是 實(shí)現(xiàn)機(jī)床精確加工功能的關(guān)鍵。

3.1、 數(shù)控系統(tǒng)：工業(yè)母機(jī)之“腦”

數(shù)字控制（Numerical Control-NC）技術(shù)是近代發(fā)展起來的一種自動(dòng)控制技術(shù)。 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB 8129-87 將其定義為“用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過程進(jìn)行 控制的一種方法”。 數(shù)控機(jī)床是用數(shù)字信息進(jìn)行控制的機(jī)床，借助輸入控制器中的數(shù)字信息來控制機(jī) 床部件的運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)地將零件加工出來?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)普遍采用微機(jī)技術(shù)，成為 計(jì)算機(jī)數(shù)控（Computer Numerical Control-CNC）。 伴隨數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，機(jī)床數(shù)字控制器也從最初的機(jī)床研制單位自行設(shè)計(jì)制造轉(zhuǎn) 變?yōu)閷I(yè)的制造商批量生產(chǎn)，形成了專門的產(chǎn)品——數(shù)控系統(tǒng)及其產(chǎn)業(yè)。

從全球數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展來看，主要經(jīng)歷了五個(gè)時(shí)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(yīng)用期(1970-1980)，使用專用 CPU 芯片，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制 刀具自動(dòng)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(dòng)控制且 人機(jī)界面友好； 4）第 4 階段：集成化 (1990-2000)，使用模塊化多處理器，實(shí)現(xiàn)復(fù)合多任務(wù)加 工； 5）第 5 階段：網(wǎng)絡(luò)化 (2000-2015)，使用開放體系結(jié)構(gòu)工業(yè)微機(jī)，從而達(dá)到開 放式數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化和智能化。

數(shù)控系統(tǒng)一般分為高、中、低端三種類型： 1）低端（普及型）數(shù)控：一般采用 32 位中央處理器(CPU)芯片，以模擬量或脈 信號(hào)控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，可完成基本的直線和圓弧插補(bǔ)功能， 實(shí)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(chǎn)品有廣 州數(shù)控的 GSK928 系統(tǒng)、華中數(shù)控 HNC-808 系列、西門子的 808D 系統(tǒng)等； 2）中端數(shù)控：通常稱為全功能數(shù)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)主要的插補(bǔ)功能，具有豐富的 圖形化界面和數(shù)據(jù)交換功能，實(shí)現(xiàn)三軸或四軸聯(lián)動(dòng)。系統(tǒng)分辨率 1μm，定位精 度 0.03mm-0.005mm。典型產(chǎn)品有廣州數(shù)控 980 系列，華中數(shù)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(shù)控：具有 5 軸以上的控制能力，多通道、全數(shù)字總線，豐富的插補(bǔ)及 運(yùn)動(dòng)控制功能，智能化的編程和遠(yuǎn)程維護(hù)診斷。主軸轉(zhuǎn)速 10000r/min 以上，系 統(tǒng)分辨率亞微米或納米級(jí)，定位精度 0.01mm-0.001mm。典型產(chǎn)品有西門子 840Dsl、發(fā)那科 30i、華中數(shù)控 HNC-848、沈陽機(jī)床 i5 等。

20 世紀(jì) 50 年代以來，全球數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)歷 2 個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)從硬線控制到計(jì)算 機(jī)數(shù)控階段的進(jìn)步。從 1952 年世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床在美國(guó)誕生，數(shù)字計(jì)算機(jī) 技術(shù)開始應(yīng)用于機(jī)床行業(yè)，自此數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展緊密 相關(guān)。隨著數(shù)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(jià)格也 逐漸下降。 中國(guó)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷 4 個(gè)階段，目前國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用多集中在低端市場(chǎng)，高 端市場(chǎng)有待發(fā)展，主要原因是由于數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)壁壘高，同時(shí)需要大量實(shí)際應(yīng)用 進(jìn)行升級(jí)迭代。

3.1.1、數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)包括： 1）譯碼及刀具補(bǔ)償：譯碼指從零件加工程序的文本文件中提取出插補(bǔ)種類及相 關(guān)參數(shù)、速度信息、刀具信息以及輔助信息；而刀具補(bǔ)償已成為 ISO 中定義的 標(biāo)準(zhǔn)功能，在編制工件粗、精加工程序的過程中，合理運(yùn)用刀具補(bǔ)償功能，可以 極大減少計(jì)算工作量及編程工作，提高加工效率； 2）插補(bǔ)方法：數(shù)控編程時(shí)將零件上要加工的平面、凸臺(tái)、型腔及曲面等規(guī)劃成 相應(yīng)的刀具加工軌跡，這些軌跡通常由直線、圓弧、曲線組成。插補(bǔ)就是根據(jù)給 定曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)、進(jìn)給速度、軌跡線形和插補(bǔ)周期計(jì)算軌跡上中間點(diǎn)的方法；3）速度前瞻：速度前瞻處理功能預(yù)先獲得待加工零件輪廓上的速度突變點(diǎn)，使 得數(shù)控機(jī)床進(jìn)入這些突變點(diǎn)之前，能及時(shí)修調(diào)進(jìn)給速度，避免加工表面質(zhì)量變差， 有效抑制機(jī)床在突變點(diǎn)產(chǎn)生振動(dòng)； 4）坐標(biāo)變換及誤差補(bǔ)償：坐標(biāo)變換負(fù)責(zé)將編程坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成機(jī)床的物理坐標(biāo)系。 誤差補(bǔ)償指的是數(shù)控系統(tǒng)通過對(duì)加工過程的誤差源分析、測(cè)量、建模，實(shí)時(shí)地計(jì) 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(shí)際坐標(biāo)指令來實(shí) 現(xiàn)誤差修正，從而使工件獲得理想的加工精度。

3.1.2、數(shù)控市場(chǎng)格局

自 2017 年中國(guó)科技專項(xiàng)后，數(shù)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化率實(shí)現(xiàn)提升，打破高端市場(chǎng)外資壟 斷局面，但目前中高端市場(chǎng)仍以外資為主，這主要是由于數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)壁壘與 較高的用戶粘性。 目前中國(guó)數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)中： 高端市場(chǎng)以外資企業(yè)為主，其中第一梯隊(duì)代表為日本發(fā)那科、德國(guó)西門子，第二 梯隊(duì)代表為德國(guó)海德漢、日本三菱、德國(guó)馬扎克； 中端市場(chǎng)面臨外資企業(yè)與國(guó)產(chǎn)廠商的激烈競(jìng)爭(zhēng)，其中國(guó)產(chǎn)品牌華中數(shù)控主要以加 工中心數(shù)控系統(tǒng)為主、技術(shù)積累深厚，科德數(shù)控以五軸數(shù)控系統(tǒng)為主，技術(shù)積累 深厚，以自用為主； 低端市場(chǎng)以國(guó)產(chǎn)廠商為主，如廣州數(shù)控（以車床數(shù)控系統(tǒng)為主，中低端市占率第一，商務(wù)性強(qiáng)）、蘇州新代（以車銑復(fù)合數(shù)控系統(tǒng)為主，銷售模式具有優(yōu)勢(shì)，技 術(shù)較強(qiáng)）、凱恩帝（以車床數(shù)控系統(tǒng)為主，產(chǎn)品性能較好，銷售能力較弱）。

2022 年，中國(guó)數(shù)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(jì)占比 66%。 數(shù)控系統(tǒng)占數(shù)控機(jī)床成本比例約在 15%左右。據(jù)頭豹產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2022 年 全國(guó)數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模約在 135.2 億元。未來隨著我國(guó)機(jī)床數(shù)控率提升，數(shù)控系 統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模增速預(yù)計(jì)將高于機(jī)床行業(yè)整體增速。

3.2、 主軸：工業(yè)母機(jī)之“左手”

3.2.1、從機(jī)械主軸到電主軸

主軸部件是主運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行件，它夾持刀具或工件，并帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)。數(shù)控機(jī)床主軸 部件的精度、剛度、抗振性和熱變形對(duì)加工質(zhì)量和生產(chǎn)率等有著直接的影響。數(shù) 控機(jī)床的主軸部件包括主軸、主軸支承、裝在主軸上的傳動(dòng)件和密封件等。 主軸的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段： 1）齒輪/帶傳動(dòng)。傳統(tǒng)機(jī)床主軸的驅(qū)動(dòng)方式是電機(jī)軸線和主軸的軸線互相平行， 電機(jī)通過皮帶或齒輪間接地驅(qū)動(dòng)主軸。由于當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速提高到一定水平后，傳動(dòng) 皮帶開始受離心力的作用而膨脹，傳動(dòng)效率急劇下降，傳動(dòng)齒輪的發(fā)熱和噪音問 題也開始變得嚴(yán)重。 2）聯(lián)軸器傳動(dòng)。為了解決間接傳動(dòng)的轉(zhuǎn)速瓶頸，機(jī)床設(shè)計(jì)人員開始研究將電機(jī) 和主軸同軸配置，由電機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)直接驅(qū)動(dòng)主軸。這種驅(qū)動(dòng)方式盡管取消了皮 帶和齒輪等中間傳動(dòng)帶來的問題，但又為刀具夾緊機(jī)構(gòu)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(qū)動(dòng)的問題。電主軸是將 電機(jī)的轉(zhuǎn)子和主軸集成為一個(gè)整體。中空的、直徑較大的轉(zhuǎn)子軸同時(shí)也是機(jī)床的 主軸，它有足夠的空間容納刀具夾緊機(jī)構(gòu)或送料機(jī)構(gòu)。

從不同領(lǐng)域?qū)C(jī)床主軸的要求來看，主軸的選擇與機(jī)床類型、加工工藝、刀具. 工件材料和加工精度都有密切的關(guān)系。 復(fù)合加工中心的愿景是在一臺(tái)機(jī)床上進(jìn)行鏜銑、車、鉆、磨等不同工序，其進(jìn)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(dá)到同 樣優(yōu)良的性能。可重構(gòu)機(jī)床、模塊化機(jī)床則往往需要具有機(jī)械、液壓、氣動(dòng)和電 氣標(biāo)準(zhǔn)化接口的可交換主軸。

不同類型主軸傳動(dòng)的性能各異，可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的需求加以選用和設(shè)計(jì)。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(dòng)形式，是高端數(shù)控銑床、 加工中心和復(fù)合加工機(jī)床的首選方案。

電主軸作為一種機(jī)電一體化系統(tǒng)，機(jī)床的核心部件，越來越多地集成各種傳感器 和軟件，對(duì)其工作狀態(tài)的進(jìn)行監(jiān)控、預(yù)警、可視化和補(bǔ)償。裝上各種傳感器的電 主軸能產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，各大電主軸制造商和機(jī)床制造商，目前正努力合作開發(fā)專 家系統(tǒng)，將這些數(shù)據(jù)綜合后用簡(jiǎn)明的方式向用戶報(bào)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(jié)構(gòu)、配置、精度、安裝、調(diào) 整、潤(rùn)滑和冷卻都直接影響主軸的工作性能。在數(shù)控機(jī)床上，常用的主軸軸承有 滾動(dòng)軸承和靜壓滑動(dòng)軸承。 在液體靜壓軸承中，供油裝置在一定初始?jí)毫ο率沟脻?rùn)滑油流經(jīng)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(diǎn)： （1）主軸在轉(zhuǎn)動(dòng)前會(huì)先被浮起，軸承不會(huì)與主軸接觸，因此摩擦力損耗較小； （2）所適應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍廣，在靜止和相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)，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(duì)軸承的材料要求不高。

機(jī)床應(yīng)用領(lǐng)域的不同，對(duì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)機(jī)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(dòng)軸承，包括球軸承和圓柱滾子軸承；2) 液體動(dòng)壓軸 承；3)液體靜壓軸承；4)空氣軸承；5) 磁浮軸承。滾動(dòng)軸承具有明顯的綜合優(yōu) 勢(shì)，應(yīng)用最為廣泛。

3.3、 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)工業(yè)母機(jī)之“右手”

數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是在數(shù)控系統(tǒng)的指揮下，將機(jī)床的執(zhí)行部件（如工作臺(tái)、 滑座、立柱等）移動(dòng)到預(yù)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(shù)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(qū)動(dòng)。將位置指令的電信號(hào)通過速度控制、電流控制和功率放大后，借 助伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)可以是旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，也可以是直線電 動(dòng)機(jī)。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(jī)械傳動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng) 諸如工作臺(tái)、滑座等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)所要求的位移。采用直線電動(dòng)機(jī)等直接驅(qū)動(dòng)方 式可簡(jiǎn)化機(jī)械傳動(dòng)。 4）位置檢測(cè)與反饋。由直線或回轉(zhuǎn)位移測(cè)量裝置檢測(cè)實(shí)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(bǔ)償。

數(shù)控程序的插補(bǔ)功能，生成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(jìn)給速度，還要考慮其加速度和加加速度，然后向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出參考軌 跡的位移、速度、加速度和加加速度 4 個(gè)參數(shù)，進(jìn)行各軸運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。在進(jìn) 給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響下獲得真實(shí)的位移，并將其反饋給位置信號(hào)的輸入 端，形成一個(gè)閉環(huán)回路。

機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的任務(wù)是完成刀具和工件之間的復(fù)雜空間運(yùn)動(dòng)。按照運(yùn)動(dòng)的形式， 可以分為直線進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和回轉(zhuǎn)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)兩大類。按照驅(qū)動(dòng)動(dòng)力和執(zhí)行部件之間是 否有中間機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，可分為間接驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)。 1）實(shí)現(xiàn)間接直線驅(qū)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有絲杠螺母、齒輪齒條和蝸桿齒條； 2）能完成直接直線驅(qū)動(dòng)的有直線電動(dòng)機(jī)和電液伺服作動(dòng)器； 3）實(shí)現(xiàn)間接回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有蝸輪蝸桿、滾柱凸輪傳動(dòng)； 4）能完成直接回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的有力矩電動(dòng)機(jī)、伺服作動(dòng)器和混合驅(qū)動(dòng)裝置等。

3.3.1、直線進(jìn)給

滾珠絲杠： 滾珠絲杠的傳動(dòng)效率高，具有高載荷下發(fā)熱量較小、磨損小、壽命長(zhǎng)和無爬行以 及驅(qū)動(dòng)力矩大等一系列優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛，是高性能數(shù)控機(jī)床不可或缺的功能部件。 滾珠絲杠副廣泛用于各種機(jī)床中行程小于 5m 的水平和垂直進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，也有 10m 以上行程的個(gè)別案例。機(jī)床上所采用的滾珠絲杠的直徑和導(dǎo)程多在 12mm~160mm 和 5mm~40mm 范圍之間。根據(jù) NSK 披露，數(shù)控機(jī)床中車床、 銑床、鏜床、鉆床、沖床等常用精度等級(jí)為 C5，磨床、電火花加工機(jī)械、線切 割機(jī)等常用精度等級(jí)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(gòu)成。 按照滾珠循環(huán)方式，可分為內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)兩大類型： （1）內(nèi)循環(huán)在相鄰的導(dǎo)程間通過馬蹄狀導(dǎo)流器循環(huán)，適合小導(dǎo)程； （2）外循環(huán)又分為端部導(dǎo)流式、管循環(huán)式、端蓋式。其中端部導(dǎo)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(shè)在螺母內(nèi)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(nèi)使?jié)L珠通過始點(diǎn)、 終點(diǎn)間往復(fù)循環(huán)，規(guī)格(軸徑、導(dǎo)程)的對(duì)應(yīng)范圍廣；端蓋式在螺母端部配置拉升 滾珠的端蓋，在螺母內(nèi)設(shè)置的貫通孔循環(huán)，適合大導(dǎo)程。

從市場(chǎng)空間來看，全球滾珠絲杠市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)健增長(zhǎng)，中國(guó)已成為最重要的消費(fèi)市 場(chǎng)之一，長(zhǎng)期成長(zhǎng)空間可觀。根據(jù)秦川機(jī)床公告，2016-2021 年全球滾珠絲杠市 場(chǎng)規(guī)模從 13.1 億美元增長(zhǎng)至17.5 億美元；同期我國(guó)滾珠絲杠市場(chǎng)規(guī)模從 16.8 億元增長(zhǎng)至25.6 億元。中國(guó)已成為滾珠絲杠產(chǎn)品重要的消費(fèi)市場(chǎng)之一，約占全 球規(guī)模總量的 20%左右。 從市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局看，目前全球主要的滾珠絲杠廠商有 NSK、THK、SKF 等，根 據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計(jì)，2021 年 CR5 銷售額市占率達(dá)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(jù)了全球約 70%的市場(chǎng)份額。

國(guó)內(nèi)滾珠絲杠高端市場(chǎng)基本被德國(guó)力士樂、日本 THK、NSK 占據(jù)，中端市場(chǎng)則 由德國(guó)、日本品牌（力士樂、THK、NSK），中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)品牌（上銀、銀泰）， 中國(guó)大陸品牌（漢江、南工藝）占據(jù)。

直線電機(jī)： 直接進(jìn)給驅(qū)動(dòng)是依靠直線電動(dòng)機(jī)初級(jí)和次級(jí)間的磁力移動(dòng)工作臺(tái)，中間沒有機(jī)械 傳動(dòng)元件，導(dǎo)軌一般與滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)裝置一樣。由于沒有絲杠、螺母、聯(lián)軸節(jié)、 電機(jī)軸和軸承的柔度，切削載荷和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量直接作用在直線電動(dòng)機(jī)上。 與滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)相較，直線驅(qū)動(dòng)的加速度較高，移動(dòng)速度快，能快速定位，伺服 帶寬大等優(yōu)點(diǎn)。此外，由于直線電動(dòng)機(jī)無接觸傳遞力，機(jī)械摩擦損耗和爬行現(xiàn)象 幾乎為零，能達(dá)到比滾珠絲杠更高的精度和可靠性。 直線電動(dòng)機(jī)分為同步直線電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)直線電動(dòng)機(jī)兩類，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子由金 屬條構(gòu)成，同步電動(dòng)機(jī)的定子由永磁材料構(gòu)成。商品化的同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的最大 推力達(dá)15～20 kN，額定推力 6～8 kN，遠(yuǎn)比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)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(jī)床。而商品化的感應(yīng)直線電動(dòng)機(jī)由 于推重比高（小型感應(yīng)直線電動(dòng)機(jī)重量?jī)H 1.5kg），因此較適合中小型要求高加 速度的機(jī)床使用。

目前，直線電機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括電子、半導(dǎo)體、醫(yī)療等領(lǐng)域，隨著下游應(yīng)用 場(chǎng)景的增加、技術(shù)的逐漸成熟，直線電機(jī)有望成為性價(jià)比更高的選擇，行業(yè)規(guī)模 也將隨之快速增長(zhǎng)。 據(jù) Transparency Market Research 數(shù)據(jù)，2022 年全球直線電機(jī)行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模 約為 18 億美元，到 2031 年預(yù)計(jì)增長(zhǎng)至 31 億美元。 目前我國(guó)直線電機(jī)市場(chǎng) 60%以上的市場(chǎng)份額由中國(guó)大陸以外的品牌壟斷，這些 品牌主要集中在新加坡、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)、日本以及歐美地區(qū)，而中國(guó)大陸品牌競(jìng) 爭(zhēng)力較弱，在中國(guó)大陸僅有少數(shù)企業(yè)能夠系統(tǒng)地完成工藝要求。具體來看，目前 中國(guó)大陸直線電機(jī)行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)主要包括雅科貝思、大族電機(jī)、德康威爾、東莞 智贏、泰科貝爾等。

與滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)相較，直線驅(qū)動(dòng)的加速度較高，移動(dòng)速度快，能快速定位，伺服 帶寬大等優(yōu)點(diǎn)。此外，由于直線電動(dòng)機(jī)無接觸傳遞力，機(jī)械摩擦損耗和爬行現(xiàn)象 幾乎為零，能達(dá)到比滾珠絲杠更高的精度和可靠性。但是，直線電動(dòng)機(jī)的加速性 與運(yùn)動(dòng)的總質(zhì)量成反比，與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)只有在承載量較小時(shí)達(dá)到高加速度，而滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)卻在大范圍內(nèi)保 持其加速能力，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)慣性經(jīng)過減速比才反映到回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)上。

3.3.2、圓周進(jìn)給

機(jī)床在加工負(fù)責(zé)形狀表面時(shí)，為了提高加工效率、保證加工質(zhì)量和防止干涉，除 了笛卡爾坐標(biāo)系 X、Y、Z 軸的直線進(jìn)給外，還需要控制刀具與工件相對(duì)姿態(tài)的 回轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 A、B、C 軸的圓周進(jìn)給。 第 4 和第 5 軸的圓周進(jìn)給是 5 軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。它可以是 AC 軸 聯(lián)動(dòng)、AB 軸聯(lián)動(dòng)或 BC 軸聯(lián)動(dòng)。這兩種圓周進(jìn)給可由安裝工件的工作臺(tái)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(duì)各類機(jī)床以及復(fù)雜的加工中心來說，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是其圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)最 為關(guān)鍵的部分，在各類機(jī)床和加工中心上廣泛應(yīng)用的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)可以如下劃分， 分度工作臺(tái)、數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)以及直驅(qū)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。

間接驅(qū)動(dòng)

間接驅(qū)動(dòng)包括蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)臺(tái)、凸輪滾子轉(zhuǎn)臺(tái)以及諧波轉(zhuǎn)臺(tái)。 蝸輪蝸桿副是傳統(tǒng)的分度和圓周進(jìn)給機(jī)構(gòu)，廣泛用于鏜銑床和齒輪加工機(jī)床。通 常作為分度裝置，對(duì)于 100mm 到 500mm 直徑的工作臺(tái)分度精度一般為±20″ 左右。 滾柱驅(qū)動(dòng)（RollerDrive）是一種新型的無間隙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可用于構(gòu)建新型數(shù)控 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。 滾柱驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能皆明顯高于傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái)。

中小型雕刻機(jī)的雕刻、鉆銑、車削、打孔等工藝中，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)不僅需要高 速輸出，也需要低速高精度輸出。蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)臺(tái)扭矩高，但是精度難以保證，且 采購(gòu)及維護(hù)成本較高。 諧波轉(zhuǎn)臺(tái)主要由諧波減速器和伺服電機(jī)組成，具有精度高、體積小、傳遞扭矩大、 成本低等優(yōu)點(diǎn)，能夠適應(yīng)于各種機(jī)床的生產(chǎn)需求，近年來在市場(chǎng)上的占比也越來 越大。諧波轉(zhuǎn)臺(tái)主要應(yīng)用于如筆記本電腦、手機(jī)殼、手表后蓋類 3C 產(chǎn)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(shè)備加工效率和 加工能力范圍。

直接驅(qū)動(dòng)

采用伺服電動(dòng)機(jī)配合蝸輪蝸桿傳動(dòng)副驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái)的缺點(diǎn)是體積大，電主軸和轉(zhuǎn) 臺(tái)之間的干涉位置多，導(dǎo)致可用回轉(zhuǎn)半徑小，工件裝夾和機(jī)床操作不便。直接驅(qū) 動(dòng)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是一項(xiàng)新技術(shù)，工作臺(tái)由專門設(shè)計(jì)的力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)子與工作臺(tái)主軸直接連接在一起，中間沒有任何機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 直接驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)非常緊湊，動(dòng)態(tài)性能好，慣性小，轉(zhuǎn)速高，除圓周進(jìn)給 外，還可用于車削。由于沒有機(jī)械傳動(dòng)的背隙和磨損問題，維修方便，輔以直接 測(cè)量系統(tǒng)，可獲得很高的回轉(zhuǎn)精度（約±5"），使用壽命遠(yuǎn)比機(jī)械傳動(dòng)回轉(zhuǎn)工作 臺(tái)長(zhǎng)。

大陸及中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的中低檔數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)占據(jù)了我國(guó)大部分的轉(zhuǎn)臺(tái) 市場(chǎng)；少部分市場(chǎng)由美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家公司生產(chǎn)的高端產(chǎn)品所占據(jù)。內(nèi)地 最具競(jìng)爭(zhēng)力的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)生產(chǎn)廠家是煙臺(tái)環(huán)球機(jī)床附件集團(tuán)有限公司，該廠家的產(chǎn) 品體系完備，規(guī)格齊全，種類繁多，且設(shè)計(jì)開發(fā)和制造方面具備豐富的經(jīng)驗(yàn)。中 國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的德川機(jī)械股份有限公司是專業(yè)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)生產(chǎn)廠商之一。國(guó)外有日本 的 NIKKEN（日研）、德國(guó) Peiseler、美國(guó) HASS 公司等專業(yè)的生產(chǎn)廠家。國(guó)內(nèi) 生產(chǎn)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)品與國(guó)外的產(chǎn)品相比，在精度、速度及可靠性等參數(shù)上仍與國(guó) 外數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)存在一定差距。 2021 年中國(guó)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)市場(chǎng)銷售收入達(dá)到了 5.43 億美元，據(jù) QYResearch 預(yù)計(jì)， 2028 年可以達(dá)到 11.17 億美元。 從產(chǎn)品類型及技術(shù)方面來看，單軸占有重要地位，2021 年份額達(dá)到 89.43%， 銷量達(dá)到 58678 臺(tái)，而雙軸由于價(jià)格較貴，從 2021 年銷量上來看僅為單軸的 1/9，達(dá)到 6935 臺(tái)，但銷售額超過單軸的 1/3，達(dá)到 1.44 億美元。預(yù)計(jì)未來單 軸和雙軸的比例穩(wěn)定，在 2028 年，單軸的銷量將達(dá)到 104280 臺(tái)，而雙軸達(dá)到 13671 臺(tái)。 從產(chǎn)品市場(chǎng)應(yīng)用情況來看，與立式數(shù)控機(jī)床配套使用的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)最多，接近 60%，在 2021 年達(dá)到 38816 臺(tái)，而臥式和龍門分別達(dá)到 19330 臺(tái)與 7467 臺(tái)。 未來增長(zhǎng)速度最快的為龍門數(shù)控機(jī)床，2022-2028 年的 CAGR 達(dá)到 9.69%。目 前中國(guó)主要廠商包括旭陽國(guó)際精機(jī)、寶嘉誠(chéng)、德川機(jī)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(cè)量系統(tǒng)：工業(yè)母機(jī)之“眼”

數(shù)控機(jī)床檢測(cè)元件的作用是檢測(cè)位移和速度，發(fā)送反饋信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)控制。 位置檢測(cè)裝置的分類按照不同的分類標(biāo)志，可以分為不同的類型。 根據(jù)測(cè)量方法，可分為增量式和絕對(duì)式；根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的類型，可分為模擬式和 數(shù)字式；根據(jù)安裝的位置及耦合方式，可分為直接測(cè)量和間接測(cè)量；根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式，可分為回轉(zhuǎn)型和直線型檢測(cè)裝置。

3.4.1、編碼器

編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式測(cè)量元件，通常裝在被測(cè)軸上，隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可將被 測(cè)軸的角位移轉(zhuǎn)換成增量脈沖或絕對(duì)式的數(shù)字代碼。在數(shù)控機(jī)床上，通常與驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)機(jī)同軸連接，屬間接式測(cè)量元件。 編碼器根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測(cè)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(duì)式編碼和增量式編碼兩種。 在數(shù)控機(jī)床上，大多采用光電式增量脈沖編碼器。

從編碼器在機(jī)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(jìn)給編碼器。

根據(jù) MMR 數(shù)據(jù)，全球編碼器市場(chǎng)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(guó)是編碼器解決方案銷售的主要國(guó)家之一。美國(guó)擁有主要的編碼器制造商，包 括霍尼韋爾國(guó)際公司、羅克韋爾自動(dòng)化公司、海德漢公司等。

中國(guó)是編碼器消費(fèi)的重要國(guó)家。這歸因于汽車和其他制造業(yè)對(duì)編碼器的需求大幅 增長(zhǎng)，以及該國(guó)最終用途行業(yè)的增長(zhǎng)。由于市場(chǎng)參與者的大量存在以及工業(yè)革命 4.0 在該國(guó)的不斷發(fā)展，多年來對(duì)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(jiǎn)稱，是一種利用光柵原理實(shí)現(xiàn)線位移測(cè)量的傳感 器。光柵線位移傳感器主要應(yīng)用于直線移動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)量的精確顯示 和自動(dòng)控制，廣泛應(yīng)用于金屬切削機(jī)床加工量的數(shù)字顯示和 CNC 加工中心位置 環(huán)的控制。 按照材質(zhì)不同，可分為玻璃光柵和鋼光柵；按照測(cè)量原理可分為絕對(duì)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(hù)性能不同，可分為封閉式光 柵尺和開放式光柵尺。 從產(chǎn)品類型及技術(shù)方面來看，目前增量式光柵尺由于較低的成本和技術(shù)要求，占 有超過 80%的份額。預(yù)計(jì)未來幾年，絕對(duì)式光柵尺將保持更快的增長(zhǎng)速度。

光柵是實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量的基礎(chǔ)，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(jù)海德漢公司產(chǎn)品手冊(cè)，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(dá)到微米級(jí)或 亞微米級(jí)。

成像掃描原理

成像掃描原理是用透射光生成信號(hào)，兩個(gè)柵距相同或相近的光柵與掃描掩膜彼此 相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在狹縫對(duì)齊時(shí)，光線通過。如果一條光柵的柵線與另一條光柵上的狹 縫對(duì)齊，光線無法通過。光電池組將光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。掃描掩膜的特殊柵 狀結(jié)構(gòu)將光強(qiáng)調(diào)制為近正弦輸出信號(hào)。

干涉掃描原理

干涉掃描原理是用精細(xì)柵狀結(jié)構(gòu)的光衍射和光干涉生成位移信號(hào)，測(cè)量運(yùn)動(dòng)。光 波穿過掃描掩膜時(shí)，將光波衍射為光強(qiáng)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(qiáng)最強(qiáng)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(qiáng)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。掃描信號(hào)基本沒有高次諧 波，能進(jìn)行高倍頻細(xì)分。因此，這些光柵尺特別適用于小測(cè)量步距和高精度應(yīng)用。

增量式光柵尺的測(cè)量原理是將光通過兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的光柵調(diào)制成摩爾條紋，通過 對(duì)摩爾條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)、細(xì)分后得到位移變化量，并通過在標(biāo)尺光柵上設(shè)定一個(gè)或 是多個(gè)參考點(diǎn)來確定絕對(duì)位置；絕對(duì)式光柵尺的測(cè)量原理是在標(biāo)尺光柵上刻劃一 條帶有絕對(duì)位置編碼的碼道，讀數(shù)頭通過讀取當(dāng)前位置的編碼可以得到絕對(duì)位置。絕對(duì)式光柵尺的優(yōu)點(diǎn)是開電后直接得到當(dāng)前位置信息，無需“歸零”操作， 簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 絕對(duì)式光柵尺可以從上一次停機(jī)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(shí)監(jiān)控光柵尺所處的位置，使得機(jī)床或儀器有一永遠(yuǎn)不變的參考 坐標(biāo)，使機(jī)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(duì)式光柵 尺是未來光柵尺發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，會(huì)逐步取代增量式光柵尺被廣泛的應(yīng)用到精密 數(shù)控機(jī)床上。

根據(jù) Global Info Research ，2020 年，中國(guó)光柵尺市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了 10.3 億元， 預(yù)計(jì) 2027 年將達(dá)到 19.7 億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）為 9.7%。2020 年全球 光柵尺收入大約 6.18 億美元，預(yù)計(jì) 2026 年達(dá)到 7.16 億美元，2020 至 2026 期 間，年復(fù)合增長(zhǎng)率為 2.5%。

光柵尺常用于數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中。在機(jī)床中用于檢測(cè)刀具和工件的坐標(biāo)，觀察和跟蹤走刀誤差，起到補(bǔ)償?shù)毒哌\(yùn)動(dòng)誤差的作用。中國(guó)市場(chǎng)，光柵尺主 要用在高性能機(jī)床、磨床、車床、銑床和加工中心等。其他領(lǐng)域及其他設(shè)備包括 半導(dǎo)體行業(yè)的生產(chǎn)和測(cè)量設(shè)備、電路組裝設(shè)備、測(cè)量顯微鏡和其他精密設(shè)備等。 從產(chǎn)品市場(chǎng)應(yīng)用情況來看，目前，數(shù)控機(jī)床是最大的下游應(yīng)用領(lǐng)域，占有 67% 的份額（2021 年），預(yù)計(jì)接下來幾年該領(lǐng)域依然是最大的下游市場(chǎng)，尤其是其 中的高端類型。 目前中國(guó)光柵尺市場(chǎng)，主要由德國(guó)的海德漢 Heidenhain、西班牙發(fā)格、英國(guó)雷 尼紹、和三豐 Mitutoyo 等歐洲和日本品牌主導(dǎo)，尤其是在中高端領(lǐng)域，這幾個(gè)品牌占有接近 90%的市場(chǎng)份額。國(guó)內(nèi)本土廠商主要是長(zhǎng)春光機(jī)數(shù)顯技術(shù)有限責(zé) 任公司（長(zhǎng)春禹衡光學(xué)）、廣州市諾信數(shù)字測(cè)控設(shè)備有限公司（信和）和東莞市 索信測(cè)量?jī)x器有限公司等。目前國(guó)內(nèi)廠商主要產(chǎn)品是增量式光柵尺，不過長(zhǎng)春光 機(jī)已經(jīng)突破了絕對(duì)式光柵尺的相關(guān)技術(shù)，預(yù)計(jì)未來幾年，本土品牌將扮演更重要 的角色。