紡織印染 1734-IT2I 觸摸屏 輸入模塊 適應面廣

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3.2、 主軸：工業母機之“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。 主軸的發展經歷了三個階段： 1）齒輪/帶傳動。傳統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，傳動齒輪的發熱和噪音問 題也開始變得嚴重。 2）聯軸器傳動。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，由電機通過聯軸節直接驅動主軸。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，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 樣優良的性能。可重構機床、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方案。

電主軸作為一種機電一體化系統，機床的核心部件，越來越多地集成各種傳感器 和軟件，對其工作狀態的進行監控、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專 家系統，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，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。合理選擇軸承類型和配置軸承以及軸承系統 的設計優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 勢，應用為廣泛。

3.3、 進給驅動工業母機之“右手”

數控機床的進給驅動系統是在數控系統的指揮下，將機床的執行部件（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的工作穩定性。 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，加以補償。

數控程序的插補功能，生成進給運動的路徑規劃。在刀軌規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。按照驅動動力和執行部件之間是 否有中間機械傳動環節，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點，應用廣泛，是高性能數控機床bukehuoque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，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，所有滾珠絲杠至少由絲杠軸、螺母、滾珠、循環部件四 大零部件構成。 按照滾珠循環方式，可分為內循環、外循環兩大類型： （1）內循環在相鄰的導程間通過馬蹄狀導流器循環，適合小導程； （2）外循環又分為端部導流式、管循環式、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，適合高速靜音傳送；管循環式在適合滾珠大小的循環管內使滾珠通過始點、 終點間往復循環，規格(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，適合大導程。

從市場空間來看，全球滾珠絲杠市場規模穩健增長，中國已成為重要的消費市 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 球規模總量的 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 據華經產業研究院統計，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、 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大 推力達15～20 kN，額定推力 6～8 kN，遠比感應電動機的大推力 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，行業規模 也將隨之快速增長。 據 Transparency Market Research 數據，2022 年全球直線電機行業市場規模 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、日本以及歐美地區，而中國大陸品牌競 爭力較弱，在中國大陸僅有少數企業能夠系統地完成工藝要求。具體來看，目前 中國大陸直線電機行業企業主要包括雅科貝思、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 優于滾珠絲杠螺母系統。 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。

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