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(shù)控機床是用數(shù)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(shù)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(shù)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(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、軸承等傳動部件等，功能部件 主要包括數(shù)控回轉工作臺、刀庫、機械手、齒輪箱、銑頭、刀架等。數(shù)控系統(tǒng)包 括驅動裝置，以及控制和檢測裝置等。數(shù)控機床的下游用途十分廣泛，涵蓋國民 經(jīng)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(shù)控機床基本達到自給自足，中端數(shù)控機床基本實現(xiàn)國產(chǎn)替代，但 高端數(shù)控機床國產(chǎn)化率仍處于較低水平。根據(jù)科德數(shù)控公告，截至 2022 年底國內(nèi)高端機床國產(chǎn)化率不足 10%。 據(jù)中國機床工具工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，2023 年金屬切削機床數(shù)控化率為 45.5%。在發(fā)達國家中，日本機床數(shù)控化率維持在 80%以上，美國和德國機床數(shù)控化率均超 過 70%，與之相比國內(nèi)機床數(shù)控化率提升空間較大。

當前國內(nèi)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(shù)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(shù)都通過在中國 投資或合資建廠； 第二梯隊：國內(nèi)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(shù) 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(shù)控機床的小型民營企業(yè)。產(chǎn)品 價格便宜，產(chǎn)品加工精度要求不高，主要應用于一般民用產(chǎn)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(chǎn)、消費第一

生產(chǎn)： 根據(jù)德國 VDW 數(shù)據(jù)，2022 年全球機床產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)國，2022 年產(chǎn)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(jù) 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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(mào)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(mào)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(mào)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(chǎn)比例均超 70%，為 典型的出口導向型經(jīng)濟；意大利、韓國機床出口占生產(chǎn)比例在 50%附近，內(nèi)外 需較為均衡；中國、美國機床出口占生產(chǎn)比例分別為 23%、33%，隨著國內(nèi)機 床出口額不斷增長，國內(nèi)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(nèi)市場：進口依賴度下降，出口快速提升

中國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了起步、擴產(chǎn)、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(jù)中國機床工具工業(yè)協(xié)會，2023 年我國金屬加工機床生產(chǎn)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(jù) VDW 數(shù)據(jù)，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(chǎn)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(chǎn)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(jù)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(shù)據(jù)來看，中國金屬切削機床產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)金屬切削機床產(chǎn)量及日本對華機床訂單 均有底部回暖趨勢，隨著新質生產(chǎn)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(mào)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(mào)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(chǎn)業(yè)鏈：國產(chǎn)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(nèi)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(shù)控系統(tǒng)。其 中主傳動系統(tǒng)是由主軸電動機經(jīng)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(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心，是 實現(xiàn)機床精確加工功能的關鍵。

3.1、 數(shù)控系統(tǒng)：工業(yè)母機之“腦”

數(shù)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(shù)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(shù)控機床是用數(shù)字信息進行控制的機床，借助輸入控制器中的數(shù)字信息來控制機 床部件的運動，自動地將零件加工出來。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)普遍采用微機技術，成為 計算機數(shù)控（Computer Numerical Control-CNC）。 伴隨數(shù)控機床的發(fā)展，機床數(shù)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(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(shù)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(wǎng)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(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡化和智能化。

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(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)，可實現(xiàn)主要的插補功能，具有豐富的 圖形化界面和數(shù)據(jù)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(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(chǎn)品有西門子 840Dsl、發(fā)那科 30i、華中數(shù)控 HNC-848、沈陽機床 i5 等。

20 世紀 50 年代以來，全球數(shù)控系統(tǒng)技術經(jīng)歷 2 個階段，實現(xiàn)從硬線控制到計算 機數(shù)控階段的進步。從 1952 年世界上第一臺數(shù)控機床在美國誕生，數(shù)字計算機 技術開始應用于機床行業(yè)，自此數(shù)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(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，價格也 逐漸下降。 中國數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷 4 個階段，目前國產(chǎn)數(shù)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(shù)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(shù)控系統(tǒng)關鍵技術

數(shù)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(shù)、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(shù)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(jù)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(shù)控機床進入這些突變點之前，能及時修調(diào)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(chǎn)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(shù)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(shù)控市場格局

自 2017 年中國科技專項后，數(shù)控系統(tǒng)國產(chǎn)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(shù)控系統(tǒng)的技術壁壘與 較高的用戶粘性。 目前中國數(shù)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(chǎn)廠商的激烈競爭，其中國產(chǎn)品牌華中數(shù)控主要以加 工中心數(shù)控系統(tǒng)為主、技術積累深厚，科德數(shù)控以五軸數(shù)控系統(tǒng)為主，技術積累 深厚，以自用為主； 低端市場以國產(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，商務性強）、蘇州新代（以車銑復合數(shù)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(shù)控系統(tǒng)為主，產(chǎn)品性能較好，銷售能力較弱）。

2022 年，中國數(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%，合計占比 66%。 數(shù)控系統(tǒng)占數(shù)控機床成本比例約在 15%左右。據(jù)頭豹產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2022 年 全國數(shù)控系統(tǒng)市場規(guī)模約在 135.2 億元。未來隨著我國機床數(shù)控率提升，數(shù)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(shù)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(chǎn)率等有著直接的影響。數(shù) 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(jīng)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(jù)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(shù)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(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(diào) 整、潤滑和冷卻都直接影響主軸的工作性能。在數(shù)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(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： （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??； （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(shù)控機床的進給驅動系統(tǒng)是在數(shù)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(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(shù)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(shù)，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(shù)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(jù) NSK 披露，數(shù)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(nèi)循環(huán)、外循環(huán)兩大類型： （1）內(nèi)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(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、 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(nèi)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(jù)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(chǎn)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(jù)華經(jīng)產(chǎn)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(jù)了全球約 70%的市場份額。

國內(nèi)滾珠絲杠高端市場基本被德國力士樂、日本 THK、NSK 占據(jù)，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(jù)。

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(chǎn)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(jù) Transparency Market Research 數(shù)據(jù)，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(shù)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(nèi)保 持其加速能力，因為運動慣性經(jīng)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(shù)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(shù)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(shù)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(chǎn)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(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(chǎn)廠家生產(chǎn)的中低檔數(shù)控轉臺占據(jù)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(chǎn)的高端產(chǎn)品所占據(jù)。內(nèi)地 最具競爭力的數(shù)控轉臺生產(chǎn)廠家是煙臺環(huán)球機床附件集團有限公司，該廠家的產(chǎn) 品體系完備，規(guī)格齊全，種類繁多，且設計開發(fā)和制造方面具備豐富的經(jīng)驗。中 國臺灣地區(qū)的德川機械股份有限公司是專業(yè)數(shù)控轉臺生產(chǎn)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(chǎn)廠家。國內(nèi) 生產(chǎn)的數(shù)控轉臺產(chǎn)品與國外的產(chǎn)品相比，在精度、速度及可靠性等參數(shù)上仍與國 外數(shù)控轉臺存在一定差距。 2021 年中國數(shù)控轉臺市場銷售收入達到了 5.43 億美元，據(jù) QYResearch 預計， 2028 年可以達到 11.17 億美元。 從產(chǎn)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(chǎn)品市場應用情況來看，與立式數(shù)控機床配套使用的數(shù)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(shù)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(shù)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(jù)測量方法，可分為增量式和絕對式；根據(jù)檢測信號的類型，可分為模擬式和 數(shù)字式；根據(jù)安裝的位置及耦合方式，可分為直接測量和間接測量；根據(jù)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(shù)字代碼。在數(shù)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(jù)內(nèi)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(shù)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(jù) MMR 數(shù)據(jù)，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(shù)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(chǎn)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(jù)海德漢公司產(chǎn)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(diào)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(diào)制成摩爾條紋，通過 對摩爾條紋進行計數(shù)、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(shù)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(shù)控機床上。

根據(jù) 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(shù)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?shù)毒哌\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(chǎn)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(chǎn)品市場應用情況來看，目前，數(shù)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(nèi)本土廠商主要是長春光機數(shù)顯技術有限責 任公司（長春禹衡光學）、廣州市諾信數(shù)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(nèi)廠商主要產(chǎn)品是增量式光柵尺，不過長春光 機已經(jīng)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。