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 軸聯動加工機床的關鍵技術之一。它可以是 AC 軸 聯動、AB 軸聯動或 BC 軸聯動。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。
