機(jī)床工具行業(yè)市場分析

機(jī)床工具行業(yè)市場分析1數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵裝置拆解數(shù)控機(jī)床使傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝，實(shí)現(xiàn)了加工過程自動化的質(zhì)的變化。其機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一般要求：1）結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度高：一般，若采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾柱絲杠進(jìn)給方案，則主軸箱、進(jìn)給箱結(jié)構(gòu)相對簡單，電機(jī)直接連接主軸及滾珠絲杠；若采用直線電機(jī)、電主軸方案，則不需要絲杠、主軸箱。2）廣泛采用高效、無間隙傳動裝置：數(shù)控機(jī)床常用的滾柱絲杠副、塑料滑動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌、直線導(dǎo)軌等高效執(zhí)行部件，可有效減小摩擦力，提高傳動效率；3）具有適應(yīng)無人化、柔性化加工的特殊部件；數(shù)控機(jī)床往往具有自動換刀裝置、動力刀架、自動排屑裝置、自動潤滑裝置、自動工作臺交換裝置、自動裝卸、自動對刀、破損檢測、立臥轉(zhuǎn)換等，工藝更加復(fù)合化，功能集成化；4）對機(jī)械結(jié)構(gòu)、零部件要求高：往往體現(xiàn)在剛度、功率、精度、抗震性。因?yàn)閿?shù)控機(jī)床開機(jī)時間長、工作負(fù)載增加，但又要求高速、高精度、高效、無人化，因此要求粗精合一。要提升數(shù)控機(jī)床的性能，往往需要從以下幾個方面提升，分別是保證運(yùn)動的精度和穩(wěn)定性、提高結(jié)構(gòu)件的剛度、提高機(jī)床的抗震性、改善機(jī)床的熱變形，以及選擇合理的數(shù)控機(jī)床總體布局。數(shù)控機(jī)床目前大多采用機(jī)、電、液、氣一體化布局，全封閉或半封閉防護(hù)，機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡化，易于操作及實(shí)現(xiàn)自動化。數(shù)控車床主要包括平床身布局、斜床身布局、立式床身布局幾種形式。其中，平床身布局多用于經(jīng)濟(jì)型、普及型數(shù)控車床以及數(shù)控化改造的車床；斜床身布局車床，多用于性能要求較高的中、小規(guī)格數(shù)控車床；立式床身布局多用于大型或精密數(shù)控車床。數(shù)控鏜銑床、加工中心的布局形式類似，主要有臥式、立式兩種。數(shù)控機(jī)床的核心裝置也是提高數(shù)控機(jī)床精度和穩(wěn)定性的重要因素。具體來看，機(jī)床主要包含結(jié)構(gòu)件、數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、刀塔刀庫、其他零部件等部分，成本中結(jié)構(gòu)件（鑄件、鈑金件）、數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等占比較高。根據(jù)秦川機(jī)床公告，其中結(jié)構(gòu)件占總成本的35%左右，數(shù)控系統(tǒng)占總成本的22%左右，傳動系統(tǒng)占總成本的20%左右，伺服驅(qū)動系統(tǒng)占總成本的13%左右。此外，我們也對中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)的27家企業(yè)機(jī)床功能部件的銷售情況進(jìn)行了分析。功能部件方面，根據(jù)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)的27家機(jī)床功能部件企業(yè)銷售情況，2020年27家企業(yè)供給銷售功能部件22.8億元，其中，1）工具/工件夾具等輔助裝置占比約15%，銷售額約3.5億元，其中工具夾具均價相對便宜，約為206元/臺，但數(shù)量較大，因此在約占銷售額比重10%。工件夾具價格較貴，均價約832元/臺。2）數(shù)控機(jī)床功能部件約占78.5%，銷售額約17.9億元，其中，直線導(dǎo)軌副、電主軸分別占比在1/3左右，滾珠絲杠副占比約1/6，其余部件中，滾動導(dǎo)軌、數(shù)控刀架占比較高。此外，數(shù)控系統(tǒng)中，數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動單元、電機(jī)銷售額約各占1/3左右比重，從單價看，數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，均價最高，約為3884元/臺.協(xié)會統(tǒng)計(jì)99家機(jī)床工具與量具量儀企業(yè)銷售額中，量具、量儀銷售額分別為12.5、2.2億元，其中量具均價較低，但數(shù)量大，量儀則均價較高，通用長度量儀、表面質(zhì)量量儀、齒輪量儀均價在萬元以上，而通用角度量儀、形狀和位置誤差量儀價格也在數(shù)千元。目前，我國在數(shù)控系統(tǒng)、主軸部件、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌、光柵檢測裝置等機(jī)床核心部件領(lǐng)域國產(chǎn)化水平仍然較低，在一定程度上阻礙了高端機(jī)床的發(fā)展，國產(chǎn)替代空間較大。從價格來看，數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控裝置、電主軸、位置檢測裝置均價較高，從國產(chǎn)化水平來看，數(shù)控系統(tǒng)、滾珠絲杠分別為20%、25%，均處于較低水平，普通型、經(jīng)濟(jì)性機(jī)床用部件國內(nèi)基本可以滿足，但高端機(jī)床用功能部件基本依賴進(jìn)口。從競爭格局看，數(shù)控系統(tǒng)、滾珠絲杠、導(dǎo)軌市場集中度較高，外資品牌占據(jù)主導(dǎo)地位，電主軸市場集中度相對較低，或成為國內(nèi)廠商率先突破領(lǐng)域。總體上看，數(shù)控系統(tǒng)、電主軸、滾珠絲杠、導(dǎo)軌、位置檢測裝置等合計(jì)國內(nèi)市場空間約有250億元，國產(chǎn)替代空間較大。2數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床“大腦”，實(shí)現(xiàn)加工過程自動化之關(guān)鍵數(shù)控系統(tǒng)的主要任務(wù)是對刀具和工件之間的相對運(yùn)動進(jìn)行控制，集機(jī)械制造、計(jì)算機(jī)、微電子、現(xiàn)代控制及精密測量等多種技術(shù)為一體，使傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝，實(shí)現(xiàn)了加工過程自動化的質(zhì)的變化。2.1數(shù)控系統(tǒng)的組成：數(shù)控裝置為數(shù)控系統(tǒng)的核心，價值量占比最高數(shù)控系統(tǒng)一般由輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、驅(qū)動控制裝置、機(jī)床電氣邏輯控制裝置部分組成。其工作原理是，數(shù)控系統(tǒng)嚴(yán)格按照外部輸入程序?qū)ぜ詣蛹庸?，?shù)控加工程序按照零件加工順序記載機(jī)床加工所需的各種信息，例如零件加工的軌跡信息（幾何形狀、幾何尺寸等）、工藝信息（如進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速等）、開關(guān)命令（如換刀、冷卻液開/關(guān)、工件裝卸等），記錄的信息通過輸入裝置，被數(shù)控裝置接受。數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，在數(shù)控系統(tǒng)中價值量占比也最高，其主要功能是識別和解釋數(shù)控加工程序，并將該信息按照兩類控制量分別輸出：一類是連續(xù)控制量，送往驅(qū)動控制裝置，一類是離散開關(guān)控制量，送往電氣邏輯控制裝置。驅(qū)動控制裝置，包括進(jìn)給伺服驅(qū)動裝置、主軸驅(qū)動裝置，前者由位置控制單元、速度控制單元、電動機(jī)、測量反饋單元等部分組成，根據(jù)指令正確驅(qū)動受控部件（機(jī)床移動部件、主軸頭等）。主軸驅(qū)動裝置由速度控制單元控制。電動機(jī)可以是各種步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、交流電機(jī)。電氣邏輯控制裝置，接受數(shù)控裝置發(fā)出的開關(guān)命令，主要完成機(jī)床主軸選速、啟停、方向控制等功能，以及換刀、工件裝夾、冷卻、液壓、氣動、潤滑系統(tǒng)控制等其他輔助功能。其形式可以是繼電器控制線路，也可以是可編程控制器（PLC）形式。對數(shù)控裝置而言，以NC裝置為核心的硬件數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)日益減少，CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)）成為主流，由軟件及硬件共同完成數(shù)控任務(wù)。在軟件作用下，數(shù)控裝置可以實(shí)現(xiàn)圖形顯示、系統(tǒng)診斷、各種復(fù)雜軌跡的算法控制、補(bǔ)償算法實(shí)現(xiàn)、智能控制等硬件數(shù)控裝置所不能完成的功能。此外，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)還采用PLC取代了傳統(tǒng)的電氣邏輯控制裝置，直接實(shí)現(xiàn)對機(jī)床各種繼電器控制邏輯，PLC可以位于數(shù)控裝之外（即獨(dú)立型PLC），也可與數(shù)控裝置合為一體，即內(nèi)裝型PLC。按照數(shù)控系統(tǒng)的功能水平，通?？梢詫?shù)控機(jī)床劃分為低、中、高檔三類，但該劃分方式也是相對的，不同時期劃分標(biāo)準(zhǔn)會有所不同。其中，高檔、中檔機(jī)床一般也成為全功能數(shù)控機(jī)床或標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控機(jī)床，低檔數(shù)控機(jī)床屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，由單板機(jī)、單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)組成的數(shù)控系統(tǒng)，功能相對簡單，價格低廉，使用維修方便，主要用于部分車床、線切割機(jī)床以及舊機(jī)床改造等。2.2市場規(guī)模：數(shù)控系統(tǒng)約占數(shù)控機(jī)床成本比重22%，國內(nèi)市場規(guī)模135億元數(shù)控系統(tǒng)對于機(jī)床的精度、效率、可靠度及維護(hù)成本均有較大影響。從銷售價格角度看，我們根據(jù)浙海德曼招股書披露公司營業(yè)收入及數(shù)控系統(tǒng)采購金額，大致測算其2017-2019年數(shù)控系統(tǒng)采購金額占機(jī)床收入比重約為11.6-17.4%，紐威數(shù)控的電氣件（主要為數(shù)控系統(tǒng)）采購金額占機(jī)床收入比重約為14.8-17.4%。平均來看，數(shù)控系統(tǒng)約占機(jī)床價格比重約為15.4%。如果從成本角度看，據(jù)秦川機(jī)床公告，數(shù)控系統(tǒng)約占機(jī)床總成本比重22%。中高端機(jī)床中，數(shù)控系統(tǒng)的成本占比更高。根據(jù)華中數(shù)控2022年年報(bào)及MIRDATA數(shù)據(jù)，2022年我國數(shù)控系統(tǒng)市場規(guī)模達(dá)135億元，同比增長7.14%，已連續(xù)3年保持在百億市場規(guī)模。根據(jù)中國機(jī)床工具工業(yè)年鑒統(tǒng)計(jì)的6家企業(yè)，2020年數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品中，數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動單元、電機(jī)、數(shù)顯裝置分別占比銷售總額的28%、29%、35%、8%。從均價來看，數(shù)控裝置均價為3884元/臺，價格最高，伺服驅(qū)動單元、電機(jī)均價在1600元/臺左右，其中主軸伺服驅(qū)動單元、電機(jī)價格較高，數(shù)顯裝置均價在170元/臺。2.3競爭格局：高端市場仍有外資品牌主導(dǎo)，國產(chǎn)替代空間廣闊總體上看，根據(jù)紐威數(shù)控2021年招股書數(shù)據(jù)，我國80%以上的數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)仍然使用進(jìn)口產(chǎn)品，其中日本發(fā)那科約占據(jù)50%，數(shù)控系統(tǒng)國產(chǎn)化空間廣闊。分高中低端來看，根據(jù)秦川機(jī)床公告，國內(nèi)低檔數(shù)控系統(tǒng)市場基本被國內(nèi)企業(yè)占據(jù)，國外品牌在我國高檔和中檔數(shù)控系統(tǒng)的市場占有率高達(dá)70%，高檔數(shù)控系統(tǒng)占有率在90%以上，我國在中低檔數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)占有較大的市場份額，但是高端市場國產(chǎn)化率仍然較低。分企業(yè)來看，根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2021Q1發(fā)那科、三菱、西門子分別占比32%、21%、11%，廣州數(shù)控、蘇州新代分別占比14%、7%。具體來看，我國經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)由于順應(yīng)了大多數(shù)中國用戶的實(shí)際使用水平和機(jī)床制造企業(yè)數(shù)控技術(shù)配套要求，加上價格優(yōu)勢得到了廣大用戶的認(rèn)同，已形成了規(guī)模優(yōu)勢，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)已占領(lǐng)了我國經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)95%以上的市場份額，此類市場的典型參與企業(yè)包括廣州數(shù)控、北京凱恩帝以及其他規(guī)模相對較小的民營企業(yè)等。中檔數(shù)控系統(tǒng)，主要與中檔數(shù)控銑床、車削加工中心、立/臥式銑削中心配套。在國家一系列政策扶持下，以華中數(shù)控為代表的國產(chǎn)中高檔數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)中端數(shù)控裝置的批量生產(chǎn)，并且具備了全數(shù)字交流伺服驅(qū)動裝置和主軸驅(qū)動裝置等產(chǎn)品配套能力，用戶反映良好。目前，國產(chǎn)中端數(shù)控系統(tǒng)功能和系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到與國外產(chǎn)品同等水平，價格與服務(wù)方面有較大優(yōu)勢，市占率仍在提升。典型參與企業(yè)有華中數(shù)控、廣州數(shù)控、科德數(shù)控、北京凱恩帝等，外資的日德企業(yè)發(fā)那科、西門子等在中端市場也占據(jù)一定份額，競爭相對激烈。高端市場領(lǐng)域，是指可與多軸、多通道、高速、高精、柔性、復(fù)合加工以及大型、重型數(shù)控機(jī)床配套的數(shù)控系統(tǒng)，主要用于滿足航空航天、汽車、船舶等重要關(guān)鍵零部件機(jī)械加工裝備的配套需求。目前該市場主要由日本發(fā)那科、德國西門子占據(jù)大部分市場份額，德國海德漢、日本三菱、馬扎克等相對較少。經(jīng)過一系列自主研發(fā)和工程化、產(chǎn)業(yè)化公關(guān)，國內(nèi)高端數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)取得了明顯突破。目前，在高端數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域，國內(nèi)外機(jī)床的差距主要體現(xiàn)在功能的完備性、現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用、高速高精多通道加工功能、可靠性時長等方面。根據(jù)《中國制造2025》重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖對機(jī)床關(guān)鍵部件國產(chǎn)化提出了明確的國產(chǎn)化目標(biāo)：到2020年，數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)型、智能型國內(nèi)市場占有率分別達(dá)到60%、10%，到2025年，數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)型、智能型國內(nèi)市場占有率分別達(dá)到80%、30%。3主傳動系統(tǒng)：高效高精度加工催生電主軸技術(shù)，市場規(guī)模近50億元主傳動系統(tǒng)是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動的傳動系統(tǒng)，具有一定的轉(zhuǎn)速（速度）和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的開停、變速、換向和制動等。數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)主要包括電動機(jī)、傳動系統(tǒng)、主軸部件三部分，與普通銑床的主傳動系統(tǒng)相比，在結(jié)構(gòu)上反而相對簡單，這是由于數(shù)控機(jī)床的變速功能全部或大部分由主軸電動機(jī)的無級調(diào)速來實(shí)現(xiàn)了，省去了復(fù)雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，有些只有二級或三級齒輪變速機(jī)構(gòu)，用來擴(kuò)大電動機(jī)無級調(diào)速的范圍。數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)，一般采用直流或交流主軸電動機(jī)，通過帶傳動和主軸箱的變速齒輪帶動主軸旋轉(zhuǎn)。主軸電動機(jī)輸出功率隨著轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速變化，低速切削所需轉(zhuǎn)矩大，高速切削消耗功率大。然而，電動機(jī)的有效轉(zhuǎn)速范圍不一定能完全滿足主軸工作需要，因此主軸箱也會設(shè)置幾檔變速，有些小型或者調(diào)速范圍不是很大的數(shù)控銑床，也采用直接由電動機(jī)直接帶動主軸或帶傳動的方式使主軸旋轉(zhuǎn)。3.1主軸的演進(jìn)：高效率、高精度、高可靠性加工催生電主軸技術(shù)的出現(xiàn)主軸的作用是帶動刀（磨）具（鉆、銑、磨）或工件（車削）按給定速度旋轉(zhuǎn)，并傳遞切削加工所需的功率和扭矩，使刀（磨）具在工件上實(shí)現(xiàn)材料去除。主軸技術(shù)水平的高低和質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定和影響著機(jī)床的品質(zhì)、性能、工作效率及運(yùn)行穩(wěn)定性。數(shù)控機(jī)床主軸的發(fā)展過程中出現(xiàn)了非調(diào)速的交流電動機(jī)經(jīng)主軸箱傳動的機(jī)械式主軸、電動機(jī)與主軸一體化的電主軸、高速電主軸、高剛性大扭矩高速電主軸和智能式主軸等發(fā)展歷程。機(jī)械主軸采用齒輪傳動，其本身剛性好，在低速大扭矩、大功率等性能上有優(yōu)勢，主要用于重切屑。隨著終端市場對數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)效率、加工精度、可靠性等要求越來越高，傳統(tǒng)機(jī)械主軸由于其固有的局限性，在部分領(lǐng)域正逐漸淡出中高端數(shù)控機(jī)床的舞臺，廣泛被具有高轉(zhuǎn)速、高精度、高穩(wěn)定性的電主軸所替代。同時，電主軸在低速段的輸出扭矩也在不斷提高，使其能同時滿足低速重切削和高速精加工的要求。電主軸是在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)。機(jī)床主軸實(shí)際上是一套組件，包括電主軸本身及其附件（如電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、換刀裝置等）。而將主軸電機(jī)與主軸“合二為一”的傳動結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從傳動系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對獨(dú)立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”(ElectricSpindle，MotorSpindle)。電主軸的特點(diǎn)是高轉(zhuǎn)速、高精度、低噪音、內(nèi)圈帶鎖口的結(jié)構(gòu)更適合噴霧潤滑。電主軸省去了皮帶、齒輪或聯(lián)軸器的傳動環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床傳動系統(tǒng)的重大變革。按照采用的軸承類型劃分，電主軸可以分為滾動軸承、氣浮軸承、液體滑動軸承、磁懸浮軸承等支承的電主軸，其中，前三種是目前應(yīng)用最廣泛的軸承類型。按照電機(jī)的類型，電主軸又可以分為異步型電主軸、同步型電主軸。其中，異步型電主軸的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)前高速的電主軸，幾乎都是內(nèi)置的異步交流感應(yīng)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)相對簡單，制造工藝成熟，安裝更方便，而且可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩、恒功率的調(diào)節(jié)；但缺點(diǎn)是效率偏低，輸出功率偏??；永磁同步型電主軸，優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩密度高，轉(zhuǎn)動慣量小，動態(tài)響應(yīng)特性更好，噪音低、體積小、使用壽命長，而且啟動時電流無沖擊，負(fù)載變化時電流變化小，功率密度和效率也更高。但永磁同步電機(jī)使用的稀土材料成本也相對較高。按應(yīng)用機(jī)床類型劃分，電主包括用于加工中心、數(shù)控車床、磨床、鉆削、雕銑、特殊用電主軸六類?？傮w上看，車床、加工中心主軸均要求低速、大扭矩，額定功率也相對較高，磨床主軸對轉(zhuǎn)速要求較高，相比之下，鉆削、雕銑的扭矩、功率均相對較小，對轉(zhuǎn)速要求相對較高，這些均與機(jī)床應(yīng)用的工藝環(huán)節(jié)息息相關(guān)。在國外，電主軸最早用于內(nèi)圓磨床。20世紀(jì)80年代，隨著數(shù)控機(jī)床和高速切削技術(shù)的發(fā)展，電主軸技術(shù)開始逐漸應(yīng)用于數(shù)控銑床、加工中心等高檔數(shù)控機(jī)床。國內(nèi)對電主軸技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代，主要用于零件內(nèi)表面磨削，這種電主軸的功率小、剛度低；到80年代，研制出系列高剛度、高速電主軸，廣泛應(yīng)用于內(nèi)圓磨床和機(jī)械零件制造等領(lǐng)域；90年代以后由磨削電主軸轉(zhuǎn)向銑削電主軸，不僅能加工各種形體復(fù)雜的模具，而且開發(fā)了用于木工機(jī)械用的風(fēng)冷式高速銑用電主軸，推動了高速電主軸在銑削加工中的應(yīng)用。3.2電主軸由數(shù)十種精密零件組成，材料、設(shè)計(jì)及裝配工藝是決定精度之關(guān)鍵電主軸是高端機(jī)電一體化產(chǎn)品，由軸芯、軸承、定子、機(jī)體、夾頭、傳感器、氣缸等數(shù)十種精密零部件組裝而成，技術(shù)含量高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其轉(zhuǎn)速、動態(tài)性能、加工精度和使用壽命等取決于各零配件的材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造精度和裝配工藝，以及高速軸承技術(shù)、潤滑技術(shù)、冷卻技術(shù)、動平衡技術(shù)、精密制造與裝配技術(shù)和檢測技術(shù)的綜合運(yùn)用。電主軸的具體結(jié)構(gòu)和構(gòu)成因不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)π阅芤蟮牟町愑兴煌?，主要部件包括軸芯組件、電機(jī)、支撐部件、冷卻系統(tǒng)、氣缸組件、拉刀組件、氣封組件等。3.3電主軸市場規(guī)模近50億元，CR3約23%，高端磨床及加工中心主軸仍以進(jìn)口為主根據(jù)2021年中國機(jī)床工具工業(yè)年鑒，協(xié)會統(tǒng)計(jì)的27家生產(chǎn)功能部件的企業(yè)中，電主軸銷售總量約為130290臺，銷售額約為5.1億元，即對應(yīng)電主軸均價約3914元/臺，而機(jī)械主軸銷量約為5982臺，銷售額0.1億元，對應(yīng)機(jī)械主軸均價約1672元/臺。電主軸均價要高于機(jī)械主軸，銷售數(shù)量及金額也要遠(yuǎn)高于機(jī)械主軸。隨著終端市場對數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)效率、加工精度、可靠性等要求越來越高，傳統(tǒng)機(jī)械主軸由于其固有的局限性，在部分領(lǐng)域正逐漸淡出中高端數(shù)控機(jī)床的舞臺，廣泛被具有高轉(zhuǎn)速、高精度、高穩(wěn)定性的電主軸所替代。目前，在美國、德國、日本、瑞士、意大利等工業(yè)發(fā)達(dá)國家，電主軸已占據(jù)了主軸市場的主要份額，而在國內(nèi)，機(jī)械主軸因技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、制造和維修難度小、價格低廉且后期維護(hù)成本低，以及在低速大扭矩、大功率等性能上的優(yōu)勢，仍在國內(nèi)機(jī)床行業(yè)中占據(jù)一定地位。市場規(guī)模方面，根據(jù)QYResearch數(shù)據(jù)，2022年全球電主軸市場規(guī)模約為94億元，預(yù)計(jì)到2029年達(dá)到141億元。根據(jù)觀研天下數(shù)據(jù)，估計(jì)2020年我國電主軸市場規(guī)模約為48.12億元。競爭格局方面，全球主軸行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)主要集中在歐洲、日本、中國臺灣等地，其中歐洲的領(lǐng)先電主軸制造商憑借強(qiáng)大的研發(fā)實(shí)力、優(yōu)異的產(chǎn)品性能、悠久的生產(chǎn)歷史和較好的業(yè)績口碑，在電主軸的不同應(yīng)用領(lǐng)域均占據(jù)了重要市場份額，代表了各自領(lǐng)域的世界最高水平，其中比較著名的有瑞士FISCHER公司、瑞士IBAG公司、德國Kessler公司、英國西風(fēng)等。日本、中國臺灣的主軸技術(shù)水平相對落后于歐洲，但產(chǎn)業(yè)發(fā)展成熟，性價比較好，在我國大陸等主軸技術(shù)相對落后的地區(qū)占有較大的市場份額。根據(jù)QYResearch數(shù)據(jù)，目前，國內(nèi)市場電主軸的核心生產(chǎn)商有昊志機(jī)電、CeleraMotion、Fisher、普森精密主軸、江蘇星辰等，前三大廠商市占率約為23%。但我國目前主軸的國產(chǎn)化率仍然不高，《中國制造2025》重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖對機(jī)床關(guān)鍵部件國產(chǎn)化提出了明確的國產(chǎn)化目標(biāo)：到2020年，主軸等中高檔功能部件國內(nèi)市場占有率達(dá)到50%，到2025年國內(nèi)市場占有率達(dá)到80%。分不同機(jī)床來看，1）磨床是國內(nèi)電主軸最早應(yīng)用的領(lǐng)域，長期以來應(yīng)用于軸承行業(yè)，隨著加工效率和加工精度提高，開始在在精密機(jī)械制造、汽車零部件等行業(yè)的軸類、盤套類零件的生產(chǎn)中應(yīng)用。目前，國產(chǎn)電主軸已經(jīng)基本可以配套國內(nèi)大部分內(nèi)圓磨床，但加工精度、壽命等于德國、瑞士主軸仍存在較大差距，相對高端的內(nèi)圓磨床仍需要大量采購進(jìn)口電主軸。2）車床是國內(nèi)使用量最大、覆蓋面最廣的機(jī)床，但大多采用機(jī)械主軸，僅有少量高端產(chǎn)品采用電主軸，價格也較為昂貴。3）加工中心，歐美國家使用電主軸的比例已經(jīng)超過機(jī)械主軸，國內(nèi)加工中心主軸系統(tǒng)多采用皮帶式或直聯(lián)式等機(jī)械傳動方式，國內(nèi)滲透率還相對較低，但在持續(xù)提升。從供給來看，國內(nèi)加工中心電主軸技術(shù)水平相對落后，在精度、功率、壽命、可靠性及穩(wěn)定性上與國外存在較大差距，因此國內(nèi)高速加工中心配套電主軸多為進(jìn)口。4伺服進(jìn)給系統(tǒng)：連接數(shù)控裝置與機(jī)床本體的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置與機(jī)床本體的傳動環(huán)節(jié)，其作用是接收數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號，由伺服驅(qū)動電路作轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動裝置（直流、交流伺服電動機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等）和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)床的工作臺、主軸頭架等執(zhí)行部件，實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給和快速運(yùn)動。伺服進(jìn)給系統(tǒng)可以精確地控制執(zhí)行部件的速度和位置，以及多個執(zhí)行部件按一定規(guī)律運(yùn)動所合成的運(yùn)動軌跡。4.1伺服進(jìn)給系統(tǒng)的特點(diǎn)伺服進(jìn)給系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器、伺服驅(qū)動裝置、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行部件組成。例如，一個雙閉環(huán)系統(tǒng)中，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，使用測速發(fā)動機(jī)、脈沖編碼器等作為速度反饋的檢測裝置，速度環(huán)主要由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、功率驅(qū)動放大器等組成；外環(huán)為位置環(huán)，是由CNC裝置中的位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測及反饋控制等部分組成，位置控制主要對機(jī)床運(yùn)動坐標(biāo)進(jìn)行控制，軸控制是要求最高的位置控制。伺服進(jìn)給系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵指標(biāo)主要包括：1）精度要求：低檔型數(shù)控系統(tǒng)，驅(qū)動控制精度一般在0.01mm，而高性能數(shù)控系統(tǒng)精度為1微米，甚至為0.1微米；2）響應(yīng)速度：為保證輪廓切削形狀精度和低表面粗糙度，還要能夠快速跟蹤指令信號并響應(yīng)；3）調(diào)速范圍：由于數(shù)控機(jī)床中加工用刀具、被加工工件材質(zhì)、零件加工要求不同，因此要保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，要求進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍；4）低速、大轉(zhuǎn)矩：經(jīng)常在低速下進(jìn)行重切割的機(jī)床，驅(qū)動系統(tǒng)要有足夠大的轉(zhuǎn)矩輸出。5）運(yùn)動部件慣量小，運(yùn)動部件慣量對伺服機(jī)構(gòu)的啟動、制動特性都有影響，尤其是處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的零部件，因此要盡量減小其質(zhì)量、直徑等；6）摩擦阻力小：要提高進(jìn)給系統(tǒng)響應(yīng)速度和運(yùn)動精度，必須減小運(yùn)動件間的摩擦阻力和動、靜摩擦力之差，普遍采用滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副、滾動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌、塑料導(dǎo)軌等，各運(yùn)動部件還要考慮有適當(dāng)?shù)淖枘?，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4.2旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠：機(jī)床中最常用的傳動系統(tǒng)方案滾珠絲杠螺母副是回轉(zhuǎn)運(yùn)動與直線運(yùn)動相互轉(zhuǎn)換的一種新型傳動裝置，在數(shù)控機(jī)床中有廣泛應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠，其作用是使絲杠與螺母間的運(yùn)動成為滾動，減少摩擦。滾珠絲杠的工作原理是，絲杠與螺母上都有圓弧形的螺旋槽，二者對合起來形成螺旋滾道，滾道內(nèi)裝有滾珠，當(dāng)絲杠與螺母相對運(yùn)動時，滾珠沿螺旋槽向前移動，滾珠在絲杠上滾過數(shù)圈后通過回程引導(dǎo)裝置，逐個滾回絲杠與螺母之間，形成一個閉合回路。4.2.1絲杠的分類絲杠是用來完成進(jìn)給運(yùn)動的一個重要原件，是一種精度很高的零件，它能精確地確定工作臺坐標(biāo)位置，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，而且還要傳遞一定的動力，所以在精度、強(qiáng)度及耐磨性等方面都有很高的要求。所以，絲杠的加工從毛坯到成品的每道工序都要周密考慮，以提高其加工精度。機(jī)床絲杠按其摩擦特性可分為三類，即滑動絲杠、滾動絲杠、靜壓絲杠。目前比較常用的是滾動絲杠中的滾柱絲杠。螺紋滾道型面是指通過滾珠中心做螺旋線的法向截面與絲杠、螺母螺紋滾道面的交線。內(nèi)滾道的截面形狀有直線形、單圓弧形、雙圓弧形等幾種。目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的有單圓弧滾道、雙圓弧滾道。按滾道結(jié)構(gòu)形式劃分，又可以分為直線形、單圓弧、雙圓弧內(nèi)滾道三類。其中，雙圓弧滾道是目前滾柱絲杠中使用最多的截面形狀。滾珠絲杠的循環(huán)方式按滾珠在循環(huán)反向過程中與絲杠表面脫離與否，可以分為內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)。1）內(nèi)循環(huán)是一種滾珠在循環(huán)過程中始終不與絲杠表面脫離的循環(huán)方式，螺母內(nèi)反向器上回珠槽使?jié)L珠沿滾道滾動一圈后，翻越過絲杠螺紋滾道壓頂，重新回到初始滾道。優(yōu)點(diǎn)是滾珠循環(huán)的回路短、流暢性好、效率高、螺母徑向尺寸也較小，缺點(diǎn)是反向器加工困難、裝配調(diào)整不方便。內(nèi)循環(huán)方式多適用于高速、高靈敏度、高剛度的精密給進(jìn)系統(tǒng)。2)外循環(huán)是指滾珠在循環(huán)反向時離開絲杠滾道、在螺母體內(nèi)或體外的循環(huán)方式，其優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單，螺母徑向尺寸大，容易制造，缺點(diǎn)是滾珠循環(huán)回路長，流暢性差，效率低；擋珠器剛性差，易磨損。根據(jù)QYResearch數(shù)據(jù)，內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠在滾珠絲杠市場中約占63%的市場份額。4.2.2滾珠絲杠預(yù)緊力的實(shí)施預(yù)緊力是指機(jī)構(gòu)或構(gòu)件在受到工作載荷之前，為了增強(qiáng)連續(xù)的可靠性和緊密性，以防止受到工作載荷后連接件間出現(xiàn)間隙或相對滑移而預(yù)先施加的相互作用力。滾動功能部件預(yù)緊力作用是為了減小或消除滾珠絲杠和滾柱直線導(dǎo)軌副因制造和裝配誤差產(chǎn)生的間隙，導(dǎo)致滾動體和滾道接觸產(chǎn)生彈性形變，避免出現(xiàn)滾動體在滾到內(nèi)的竄動。對于不同結(jié)構(gòu)形式滾柱絲杠，采用的預(yù)緊方式也不同。一般預(yù)緊的對象主要為螺母，若為單螺母滾柱絲杠，預(yù)緊方式主要包括導(dǎo)程變位法、滾珠直徑增大法，若為雙螺母滾珠絲杠副，預(yù)緊方式主要為墊片式、齒差式、螺紋式。4.2.1滾珠&滾柱絲杠的市場空間及競爭格局1.滾珠絲杠(BallScrew)根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2021年全球滾珠絲杠市場規(guī)模約為17.5億美元，同比增長6.0%，年均復(fù)合增速達(dá)到6.2%。預(yù)計(jì)2022年全球市場規(guī)模達(dá)到18.59億美元（約合人民幣136億元）。從國內(nèi)市場規(guī)模來看，中國作為滾珠絲桿產(chǎn)品重要的消費(fèi)市場之一，國內(nèi)市場規(guī)模占全球規(guī)模總量的20%左右，2021年我國滾珠絲桿市場規(guī)模為25億元，預(yù)計(jì)2022年市場規(guī)模達(dá)28億元。近幾年來隨著我國滾珠絲桿副行業(yè)市場競爭加劇，國內(nèi)企業(yè)向中高端市場滲透，外資品牌也搶占了部分經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品市場份額，行業(yè)市場競爭有所加劇，絲杠總體價格成下降趨勢。據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，國內(nèi)滾珠絲桿價格從2014年225元/套的均價下降至2021年的181元/套。不過，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器，而機(jī)床行業(yè)用滾柱絲杠精度要求更高，價格也相對更高。根據(jù)中國機(jī)床工具工業(yè)年鑒數(shù)據(jù)，2020年統(tǒng)計(jì)的27家生產(chǎn)功能部件企業(yè)，滾珠絲杠副銷量約為176179臺，銷售金額為3億元，對應(yīng)機(jī)床用滾珠絲杠副均價約1703元/臺。目前全球主要的滾珠絲桿廠商有NSK、THK、SKF等，CR5市占率達(dá)到約46%，其中主要來自歐洲和日本，日本和歐洲滾珠絲桿企業(yè)占據(jù)了全球約70%的市場份額。尤其是高端滾珠絲杠市場，國際市場主要由歐美、日韓企業(yè)所占據(jù)，包括日本精工（NSK）、日本THK、瑞典斯凱孚（SKF)、博世力士樂、Kuroda、舍弗勒集團(tuán)等。國內(nèi)市場方面，根據(jù)秦川機(jī)床公告，目前中國臺灣上銀科技、銀泰市場占有率接近50%，此外NSK、THK等日本企業(yè)市場占有率約為15%，其他大陸企業(yè)的市場占有率約為25%。根據(jù)中國機(jī)床協(xié)會的統(tǒng)計(jì)，高檔數(shù)控機(jī)床中的高端滾動功能部件產(chǎn)業(yè)的國產(chǎn)化率僅為5%；近年來，隨著科技技術(shù)進(jìn)步，我國滾珠絲杠行業(yè)內(nèi)也涌現(xiàn)出一批具有一定競爭優(yōu)勢的優(yōu)秀企業(yè)，例如南京工藝裝備、山東博特精工、山東華珠機(jī)械、秦川機(jī)床（陜西漢江機(jī)床）、貝斯特、恒立液壓等企業(yè)。2.滾柱絲杠（RollerScrewPair）根據(jù)PERSISTENCE數(shù)據(jù)，2023年全球滾柱絲杠市場規(guī)模約為2.997億美元（合人民幣約為22億元），預(yù)計(jì)到2033年市場規(guī)模將達(dá)到5.573億美元（合人民幣約39億元），CAGR約為6.4%。國內(nèi)方面，2023年中國滾柱絲杠市場規(guī)模約為0.26億美元（約合人民幣1.9億元）?？傮w上看，目前滾柱絲杠在滾動絲杠中的滲透率仍然較低。滾柱絲杠最早由瑞典人CarlBrunoStrandgren于1942年發(fā)明,至今未廣泛應(yīng)用主要是由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大和成本較高。從各國市場規(guī)模來看，全球滾柱絲杠應(yīng)用市場主要集中于美國、德國、英國、中國。從下游應(yīng)用來看，目前，滾柱絲杠主要應(yīng)用在民用領(lǐng)域,如精密機(jī)床、食品包裝、特種機(jī)械、測試仿真等。但隨著飛行器和武器裝備全電化發(fā)展以及石油、化工、機(jī)床等需要大推力、高精度、高頻響、高效率、長壽命的機(jī)械裝置作為機(jī)電作動系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),取代易污染、維護(hù)成本高的傳統(tǒng)液壓作動系統(tǒng)，加之內(nèi)、外螺紋加工工藝的提高,以及制造設(shè)備和相關(guān)材料技術(shù)的發(fā)展,近年來,滾柱絲杠被廣泛關(guān)注。從全球來看，滾動絲杠中滾珠絲杠、滾柱絲杠、行星滾柱絲杠的頭部廠商主要來自歐美及日本，各類產(chǎn)品的頭部企業(yè)有一定重合性，但市占率排名略有不同。4.3直線進(jìn)給系統(tǒng)方案，誕生于超高速加工背景常規(guī)的機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，一般采用“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”的傳動系統(tǒng)，而近年來，隨著超高速加工技術(shù)的發(fā)展，滾柱絲杠對有些高速和高加速度要求無法滿足。直線電機(jī)，是指可以直線產(chǎn)生直線運(yùn)動的電動機(jī)，可作為進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)，大功率電子器件、新型交流變頻調(diào)速技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展為直線電機(jī)的使用提供了條件。直線電機(jī)的工作原理，與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比并無本質(zhì)區(qū)別，可以看作是旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿圓周方向拉平展開的產(chǎn)物。其工作原理是，直線電機(jī)的初級，對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子，次級對應(yīng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。當(dāng)多相交變電流通入多相對稱繞組時，直線電機(jī)的初級和次級氣隙間，就會產(chǎn)生行波磁場，使二者之間相對移動。此外，二者之間也存在垂直力，可以是吸引力，也可以是推斥力。直線電機(jī)又可以分為直流、步進(jìn)、交流直線電機(jī)三大類。目前在機(jī)床中，主要使用交流直線電機(jī)。在結(jié)構(gòu)上，直線電機(jī)有“短次級”、“短初級”兩種形式。為了減少發(fā)熱量和降低成本，高速機(jī)床用直線電機(jī)一般采用“短初級”形式。在勵磁方式上，交流直線電機(jī)又可以分為永磁（同步）、感應(yīng)（異步）兩種形式。其中，永磁式的次級是一塊塊鋪設(shè)的永久磁鋼，初級為含鐵芯的三相繞組；感應(yīng)式電機(jī)的次級為不通電的繞組替代永磁鐵，且每個繞組每一匝均是短路的，而初級與永磁式相同。相比較而言，永磁式在單位面積推力、效率、可控性等方面更好，但成本較高，工藝復(fù)雜，安裝使用也較復(fù)雜。感應(yīng)式不通電時無磁性，便于安裝使用和維護(hù)，近年來其性能不斷改進(jìn)，已逐漸接近永磁式的水平。5導(dǎo)軌：對運(yùn)動部件起導(dǎo)向和支承作用，對機(jī)床加工精度有重要影響機(jī)床上的直線運(yùn)動部件都是沿著它的床身、立柱、橫梁等支承件上的導(dǎo)軌進(jìn)行運(yùn)動的，因此，導(dǎo)軌的作用，可以概括地說是對運(yùn)動部件起導(dǎo)向和支承作用，導(dǎo)軌的制造精度及精度保持性對機(jī)床加工精度有著重要影響。導(dǎo)軌按接觸面的摩擦性質(zhì)，可以分為滾動導(dǎo)軌、滑動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌三種。其中，數(shù)控機(jī)床最常用的是滾動導(dǎo)軌、滑動導(dǎo)軌。滾動直線導(dǎo)軌副RollingLinearGuide（RLG）：常作為引導(dǎo)和支撐部件，配合滾珠絲杠副完成工作需求。一般情況下，一整套運(yùn)行機(jī)構(gòu)由2套滾動直線導(dǎo)軌+1根滾珠絲杠副組成，驅(qū)動運(yùn)動部件實(shí)現(xiàn)精確移動。5.1滾動導(dǎo)軌：可分為滾珠、滾柱型導(dǎo)軌，靈敏度及定位精度高滾動直線導(dǎo)軌由滑軌、滑塊、滾珠、滾珠保持器、回珠槽等組裝而成，主要原理是通過回珠槽、滾珠保持器等結(jié)構(gòu)使鋼球列作循環(huán)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)滑塊在滑軌上的低摩擦直線運(yùn)動。滾動體被平均分割為4等份，插入滑塊與導(dǎo)軌滾道面間?；瑝K在導(dǎo)軌上往復(fù)運(yùn)動，帶動四條滾道內(nèi)滾動體的循環(huán)滾動。相比滑動導(dǎo)軌，滾動導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，動靜摩擦因數(shù)相差甚微，因此運(yùn)動平穩(wěn)，低速運(yùn)動時不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。而且定位精度高，摩擦阻力小，磨損小，精度保持性和壽命更長。但缺點(diǎn)是抗振性較差，對防護(hù)要求較高。滾動導(dǎo)軌特別適用于機(jī)床的工作部件要求移動均勻、運(yùn)動靈敏度和定位精度高的場合。這也是滾動導(dǎo)軌在數(shù)控機(jī)床上得到廣泛應(yīng)用的原因。按滾動體形式，滾動直線導(dǎo)軌又可以分為滾珠型和滾柱型；1）滾珠型：滾珠結(jié)構(gòu)直線導(dǎo)軌副中，滾動體與滾道接觸理想形式為點(diǎn)接觸，接觸面積小，承載能力小。但由于摩擦系數(shù)小，所以速度也更快。2）滾柱型：滾柱結(jié)構(gòu)直線導(dǎo)軌副中，滾動體與滾道接觸理想形式為線接觸，接觸面積相比點(diǎn)接觸大，承載能力更大。摩擦系數(shù)略大，速度比較慢些。導(dǎo)軌是決定整個導(dǎo)軌組件的導(dǎo)向精度和運(yùn)動性能的主要元件，用螺釘緊固在機(jī)床固定部件上（如床身、立柱等），其安裝底面、定位側(cè)面和滾道經(jīng)過精密平面成形磨削，保證滾道精確的幾何形狀，以及滾道與安裝定位面之間的精確的尺寸精度。滑塊一般用螺釘緊固在機(jī)床運(yùn)動部件上（如工作臺，主軸箱等）。滑塊上的返向器采用高強(qiáng)度工程塑料制成，并引導(dǎo)滾動體返向形成連續(xù)的循環(huán)運(yùn)動。密封端蓋和密封底片是防塵的必要部件。導(dǎo)軌副的潤滑通過油杯注入潤滑油脂來進(jìn)行。滾動導(dǎo)軌又可以分為預(yù)加負(fù)載、不預(yù)加負(fù)載兩類，預(yù)加負(fù)載可以提高導(dǎo)軌剛度，但制造工藝比較復(fù)雜，成本較高，適用于顛覆力矩較大和垂直方向的導(dǎo)軌，數(shù)控機(jī)床中常采用預(yù)加負(fù)載導(dǎo)軌。而無預(yù)加負(fù)載滾動導(dǎo)軌常用于數(shù)控鏜銑床，或加工中心的機(jī)械手、刀庫等傳送機(jī)構(gòu)。滾動導(dǎo)軌的壽命計(jì)算與滾動軸承類似，即在一定載荷下走一定距離，以90%的支承不發(fā)生點(diǎn)蝕為依據(jù)，這個載荷稱為額定動載荷，行走的距離稱為額定壽命。滾動導(dǎo)軌的預(yù)期壽命，除了與額定動載荷和導(dǎo)軌的實(shí)際工作載荷有關(guān)，還與導(dǎo)軌的硬度、滑塊部分的工作溫度、每根導(dǎo)軌的滑塊數(shù)目相關(guān)。5.2滑動導(dǎo)軌：結(jié)構(gòu)簡單、剛度好，是機(jī)床中使用最廣泛的導(dǎo)軌形式之一滑動導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、剛度好、抗震性高等優(yōu)點(diǎn)，是機(jī)床上使用最廣泛的導(dǎo)軌形式。但普通的鑄鐵-鑄鐵，鑄鐵-淬火鋼導(dǎo)軌，存在的缺點(diǎn)是靜摩擦因數(shù)大，而且動摩擦因數(shù)隨速度變化而變化，摩擦損失大，低速（1-60mm/min）時易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，降低運(yùn)動部件的定位精度。通過選用合適的導(dǎo)軌材料和相應(yīng)的熱處理及加工方法，可以提高滑動導(dǎo)軌的耐磨性并改善其摩擦特性。例如，采用優(yōu)質(zhì)鑄鐵、合金耐磨鑄鐵或鑲淬火鋼導(dǎo)軌，進(jìn)行導(dǎo)軌表面滾軋強(qiáng)化、表面淬硬、涂鉻、涂鉬工藝等。鑲粘塑料滑動導(dǎo)軌是通過在滑動導(dǎo)軌軌面上鑲粘一層由多種成分復(fù)合的塑料導(dǎo)軌軟帶，來達(dá)到改善導(dǎo)軌性能的目的。這種導(dǎo)軌不僅可以滿足機(jī)床對導(dǎo)軌的低摩擦、耐磨、無爬行、高剛度要求，而且成本較低，工藝簡單，在數(shù)控機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。塑料導(dǎo)軌多與鑄鐵導(dǎo)軌或淬硬剛導(dǎo)軌相匹配使用。一個滾動直線導(dǎo)軌副，是由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、反相器、密封端蓋、擋板等部分組成。當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊相對運(yùn)動時，鋼球沿著導(dǎo)軌上的滾道滾動，在滑塊端部，鋼球通過反相器反向重新返回滾道，往復(fù)運(yùn)動。反相器兩端裝有防塵密封端蓋，可有效防止灰塵、屑末進(jìn)入滑塊內(nèi)部。5.3靜壓導(dǎo)軌：不產(chǎn)生磨損，精度保持性好，顯著降低驅(qū)動功率靜壓導(dǎo)軌是將具有一定壓力的油液，經(jīng)節(jié)流器輸送到導(dǎo)軌面上的油腔中，形成承載有膜，將相互接觸的導(dǎo)軌面隔開，實(shí)現(xiàn)液體摩擦。這在數(shù)控機(jī)床中已經(jīng)得到日益廣泛的應(yīng)用。靜壓導(dǎo)軌的滑動面之間開有油腔，將一定量的油通過節(jié)流輸入油腔，形成壓力油膜，浮起運(yùn)動部件，使導(dǎo)軌工作表面處于純液體摩擦，不產(chǎn)生磨損，精度保持性好，并大大降低驅(qū)動功率，低速無爬行，承載能力大、剛度好。此外，油液還有吸振作用，抗震性好。但其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要配有供油系統(tǒng)，油的清潔度要求高。靜壓導(dǎo)軌的橫截面形狀有V形、矩形兩種。采用V形便于導(dǎo)向和回油，采用矩形便于做成閉式靜壓導(dǎo)軌，油腔的結(jié)構(gòu)對于導(dǎo)軌性能影響很大。5.4競爭格局：全球滾動直線導(dǎo)軌市場規(guī)模近150億元，CR5達(dá)78%根據(jù)QYResearch數(shù)據(jù)，2020年，全球直線導(dǎo)軌市場收入達(dá)20.1億美元（約合146億元人民幣），預(yù)計(jì)2027年將達(dá)到28.6億美元（約合209億元人民幣），2021-2027CAGR約為4.65%。中國直線導(dǎo)軌市場生產(chǎn)消費(fèi)規(guī)模2020年約為5.16億美元（約合38億元人民幣），預(yù)計(jì)到2027年中國的直線導(dǎo)軌市場規(guī)模將會達(dá)到8.2億美元（約合60億元人民幣），約占全球28.67%。從供應(yīng)格局來看，根據(jù)QYResearch數(shù)據(jù)，全球主要的生產(chǎn)企業(yè)有日本THK,中國臺灣上銀（Hiwin）、日本NSK、博世力士樂（BoschRexroth）和舍弗勒（Schaeffler）等公司，2020年CR5超過78%。過去由于我國的工業(yè)基礎(chǔ)較為薄弱，裝備制造業(yè)研發(fā)生產(chǎn)的工藝技術(shù)水平低，精密滾動直線導(dǎo)軌副在我國裝備制造業(yè)的應(yīng)用歷史僅僅20年，其應(yīng)用領(lǐng)域僅僅局限在有限的數(shù)控機(jī)床，以及對產(chǎn)品較為熟悉的工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)的專用機(jī)械產(chǎn)品上。但近年來，我國直線導(dǎo)軌發(fā)展迅速，有國外的大企業(yè)與中國公司合資在中國也建立了生產(chǎn)基地。價格方面，2020年中國大陸地區(qū)生產(chǎn)完成的直線導(dǎo)軌大概8966千套，按照前文提到38億元市場規(guī)模計(jì)算，對應(yīng)單套直線導(dǎo)軌均價約為424元/套。另據(jù)QYResearch數(shù)據(jù)，2021年全球3種直線導(dǎo)軌均價約為40.27美元/套，約合人民幣294元/套。然而，由于機(jī)床的精度要求更高，其直線導(dǎo)軌均價也要高于普通直線導(dǎo)軌。根據(jù)中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)的27家機(jī)床功能部件銷售企業(yè)滾動導(dǎo)軌、直線導(dǎo)軌的銷售量、銷售額，可以大致計(jì)算出，2020年滾動導(dǎo)軌副、直線導(dǎo)軌副的均價分別為790、519元/臺，高于普通導(dǎo)軌均價。另據(jù)秦川機(jī)床公告，公司滾動直線導(dǎo)軌售價約為1050元/臺。6位置檢測裝置：決定機(jī)床加工精度之關(guān)鍵，光柵為主要測量裝置數(shù)控系統(tǒng)的位置控制，是將插補(bǔ)計(jì)算的理論位置與實(shí)際反饋位置相比較，用其差值控制進(jìn)給電動機(jī)。而實(shí)際反饋位置的采集，是由一些位置檢測裝置來完成的。對于不同類型的數(shù)控機(jī)床，根據(jù)工作環(huán)境和檢測要求不同，需要采用不同的檢測方式。中高檔數(shù)控機(jī)床一般采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，而全功能數(shù)控機(jī)床則是采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。對于采用半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床，其環(huán)路內(nèi)部不包括機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，位置檢測裝置一般采用旋轉(zhuǎn)變壓器，或高分辨率的脈沖編碼器，裝在進(jìn)給電動機(jī)或絲杠的端頭。旋轉(zhuǎn)變壓器（或脈沖編碼器）每旋轉(zhuǎn)一定角度，都會嚴(yán)格地對應(yīng)工作臺移動一定的距離，測量電動機(jī)或絲杠的角位移，也就間接測量了工作臺的直線位移。對于采用閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，應(yīng)該直接測量工作臺的直線位移，可采用感應(yīng)同步器、光柵、磁柵等測量裝置。當(dāng)由工作臺直接帶動感應(yīng)同步器的滑動尺移動時，與裝在機(jī)床身上的定尺配合，測量出工作臺的實(shí)際位移值。因此，數(shù)控機(jī)床的加工精度，主要由檢測系統(tǒng)的精度決定。分辨率是指位置檢測系統(tǒng)能夠測量的最小位移，它不僅取決于檢測元件本身，也取決于測量線路。數(shù)控機(jī)床的位置檢測系統(tǒng)需要具有高可靠性和高抗干擾性（抗電磁干擾、溫濕度變化影響?。M足精度和速度要求、使用維護(hù)方便等。根據(jù)不同機(jī)床在不同工作環(huán)境和要求下，檢測的方式主要分為數(shù)字式、模擬式，以及增量式與絕對式。數(shù)字式是指將被測量單位量化為數(shù)字形式，特點(diǎn)是量化后，單位轉(zhuǎn)換成脈沖個數(shù)，便于顯示處理，而且測量精度取決于測量單位，與量程基本無關(guān)，檢測裝置也比較簡單，脈沖信號抗干擾能力強(qiáng)。模擬式是指將被測量單位用連續(xù)變量表示，可以直接對被測量單位進(jìn)行檢測，無需量化。但在大量程內(nèi)作精確的模擬式檢測對技術(shù)要求較高，因此，數(shù)控機(jī)床中模擬式檢測主要用于小量程測量，可以實(shí)現(xiàn)高精度測量。增量式測量只能測量位移增量，移動一個測量單位即發(fā)出一個信號，優(yōu)點(diǎn)是裝置簡單，可做到高精度，任何一個中點(diǎn)均可作為測量起點(diǎn)，缺點(diǎn)是一旦計(jì)數(shù)有無，此后結(jié)果全錯，發(fā)生故障后無法找到正確位置。絕對式測量被測量的任一點(diǎn)都以一個固定的零點(diǎn)為基準(zhǔn)，每個被測量點(diǎn)都有一個測量值，避免了增量式的缺陷，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。6.1旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種常用的轉(zhuǎn)角檢測元件，由于結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，對環(huán)境要求較低、信號輸出幅度大、抗干擾能力強(qiáng)，因此背廣泛用于半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床上。旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)可以分為有刷、無刷式。其結(jié)構(gòu)與繞線式異步電動機(jī)相似，其定子、轉(zhuǎn)子鐵芯由高導(dǎo)磁的鐵鎳軟磁合金或硅銅薄板沖程的帶槽芯片疊成，槽中嵌有線圈。定子線圈為變壓器的原邊，轉(zhuǎn)子線圈為變壓器的副邊，勵磁電壓接到原邊。旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理是，在結(jié)構(gòu)上保證定子、轉(zhuǎn)子之間氣隙內(nèi)磁通分布符合正弦規(guī)律，當(dāng)勵磁電壓加到定子繞組時，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。6.2脈沖編碼器脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，將機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，是一種常用的角位移傳感器。脈沖編碼器一般可以分為光電式、接觸式、電磁感應(yīng)式3種。其中，光電式脈沖編碼器按每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)量，又可以分為多種型號。增量式光電脈沖編碼器，最初的結(jié)構(gòu)就是一種光電盤，在一個圓盤圓周上分成相等的透明與不透明部分，圓盤與工作軸一起旋轉(zhuǎn)。此外，還有一個固定不動的扇形薄片與圓盤平行放置，并制作有辯向窄縫，當(dāng)光線通過兩個做相對運(yùn)動的透光與不透光部分時，光電元件按接收到的光通量也時大時小連續(xù)變化。通過計(jì)量脈沖的數(shù)目核頻率可以測算出工作軸的轉(zhuǎn)角和速度。高精度脈沖編碼器則要求提高光電盤圓周的等分窄縫密度，實(shí)際上變成了圓光柵線紋。脈沖編碼器的原理，即光纖透過圓光柵和指示光柵的線紋，在光電元件上形成明暗交替變化的條紋，產(chǎn)生兩組近似于正弦波的電流信號A、B,兩者相位差90°，經(jīng)放大、整形電路變成方波，可以得到A相、B相，二者前后關(guān)系代表正向位移、反向位移。一般情況下，在測量直線距離時，可以將光電編碼器裝在伺服電動機(jī)軸上，由于伺服電動機(jī)與滾柱絲杠相連，因此當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，滾珠絲杠會帶動工作臺或刀具移動。這時，光電編碼器的轉(zhuǎn)角對應(yīng)直線移動部件的移動量。編碼器可以通過十字連接頭與伺服電機(jī)連接，其法蘭盤固定在電動機(jī)端面上，罩上防護(hù)罩，即構(gòu)成完整的驅(qū)動部件。6.3光柵位置檢測裝置在數(shù)控機(jī)床中，光柵測量裝置應(yīng)用較多，其精度可達(dá)到1μm，通過細(xì)分電路可達(dá)到0.1μm甚至更高。光柵可以進(jìn)一步分為物理光柵、計(jì)量光柵。物理光柵刻線細(xì)密，柵距在0.002-0.005mm之間，常用于光譜分析與光波波長的測定。計(jì)量光柵，相比較而言刻線較粗，柵距也較小，在0.004-0.25mm之間，主要用于數(shù)字檢測系統(tǒng)。光柵傳感器是動態(tài)測量元件，按照運(yùn)動方式可以分為長光柵、圓光柵。長光柵可以用來測量直線位移，而圓光柵可以用來測量角度位移。根據(jù)光纖在光柵中的運(yùn)動路徑，又可以分為透射光柵、反射光柵。一般光柵傳感器既可以是增量式，也可以是絕對值式的。目前，光柵傳感器在高精度數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)中，其精度僅次于激光式測量。機(jī)床中經(jīng)常使用計(jì)量光柵這種精密檢測裝置，具有測量精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)上看，長光柵檢測裝置（直線光柵傳感器）是由標(biāo)尺光柵、光柵讀數(shù)頭兩部分組成。標(biāo)尺光柵一般固定在機(jī)床活動部件（如工作臺）上，光柵讀數(shù)頭裝在機(jī)床固定部件上。當(dāng)讀數(shù)頭相對于標(biāo)尺光柵移動時，指示光柵便在標(biāo)尺光柵上相對移動。標(biāo)尺光柵與指示光柵的平行度，及兩者之間的間隙要嚴(yán)格保證0.05-0.1mm。標(biāo)尺光柵、指示光柵通稱為光柵尺，它們是在真空鍍膜的玻璃片或長條形的金屬鏡面上光刻出均勻密集的線紋。光柵的線紋互相平行，之間的間距稱為“柵距”。對于圓光柵，這些線紋是與圓心角相等的向心條紋，條紋之間的夾角稱為“柵距角”。柵距與柵距角都是光柵的重要參數(shù)。對于長光柵，金屬反射光柵的線紋密度為每毫米有25-50個條紋，玻璃透射光柵的線紋密度為每毫米100-250個條紋。對于圓光柵，一周內(nèi)可有1.08萬條線紋。光柵讀數(shù)頭，又稱為光電轉(zhuǎn)換器，將光柵莫爾條紋變?yōu)殡娦盘?。讀數(shù)頭是由光源、透射鏡、指示光柵、光敏元件、驅(qū)動線路組成。標(biāo)尺光柵不屬于光柵讀數(shù)頭，但它要穿過光柵讀數(shù)頭，且需要保證與指示光柵有準(zhǔn)確的相互位置關(guān)系。光柵讀數(shù)頭還可以分為分光讀數(shù)頭、反射讀數(shù)頭、鏡像讀數(shù)頭等。光柵傳感器的工作原理（以透射光柵），就是當(dāng)指示光柵上的線紋與標(biāo)尺光柵上的線紋之間形成小角度θ，并且兩個光柵尺面相對平行放置時，在光源的照射下，位于幾乎垂直柵紋上，形成明暗間隔的條紋，這種條紋被稱為“莫爾條紋”。莫爾條紋的排列方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相互垂直。莫爾條紋中兩條亮紋、兩條暗紋之間的距離，稱為莫爾條紋寬度，用W來表示。一般來說，莫爾條紋具有兩個特點(diǎn)：1）莫爾條紋的移動與柵距成正比，兩片光柵相對移過一個柵距，莫爾條紋移過一個條紋間距，由于光的衍射與干涉作用，莫爾條紋的變化規(guī)律近似于正（余）弦函數(shù)，變化周期與光柵相對移過的柵距數(shù)同步。2）放大作用：在兩光柵線夾角小的情況下，莫爾條紋寬度W、條紋柵距P、柵線角θ之間的關(guān)系為W=P/sinθ，由于夾角很小，所以sinθ≈θ，W≈P/θ，假設(shè)P=0.01mm,θ=0.001rad，則W≈10mm，則光柵柵距被轉(zhuǎn)換為放大1000倍的莫爾條紋寬度;3)均化誤差作用：莫爾條紋是由若干條光柵條紋共用形成，例如，每毫米100線的光柵，10mm寬的莫爾條紋就是由1000條線紋組成，這樣可以使柵距之間的相鄰誤差被平均化，消除了由于柵距不均勻、斷裂造成的誤差；4）光強(qiáng)為正弦變化：在一個柵距內(nèi)，光電元件所檢測到的光強(qiáng)變化為正弦或余弦變化，利用這一點(diǎn)可以測出小于1個柵距的位移量。根據(jù)莫爾條紋的上述4個特點(diǎn)，依光電原件所測得的光強(qiáng)變化，可測出1個柵距內(nèi)的位移量，依光強(qiáng)變化的周期可測出光柵距整數(shù)倍的位移量。6.4磁柵位置檢測裝置磁柵是用電磁方法計(jì)算磁波數(shù)目的一種位置檢測元件，可用作直線、角位移測量。與同步感應(yīng)器、光柵相比，磁柵的測量精度略低，但具有復(fù)制簡單及安裝方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，尤其是在油污、粉塵較多的環(huán)境中，具有較好的穩(wěn)定性。因此，磁柵也被較廣泛地應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)床和各種測量機(jī)上。磁柵檢測裝置是將具有一定節(jié)距的磁化信號用記錄磁頭記錄在磁性標(biāo)尺的磁膜上，用來作為測量基準(zhǔn)。在測量過程中，用拾磁磁頭讀取磁性標(biāo)尺上的磁化信號并轉(zhuǎn)換成電信號，通過檢測電路將位置信息送給伺服控制系統(tǒng)或數(shù)字顯示裝置。磁柵檢測裝置由磁性標(biāo)尺、拾磁磁頭、檢測電路三部分組成。6.5感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器可理解為多極旋轉(zhuǎn)變壓器的展開形式，利用兩