机床行业系列专题（二）：数控机床的简单结构拆解

专题研究 我们在上篇专题《机床行业系列专题（一）：工业母机，快速突围》中介绍了机床的种类和主要参与企业等基本概念，同时也提到了国内机床行业的数控化发展趋势，数控机床的普及率将快速提升，在数控机床领域将面临更加卡脖子的技术和工艺，每一个核心零部件的突破都将推进工业母机的国产化，接下来我们将用数周的时间介绍数控机床的原理、结构和核心零部件。 随着科学技术的飞速发展，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增大。为了实现单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并满足质量要求，数字控制机床应运而生。数控机床将加工过程的工艺信息数字化，通过信息载体输入数控装置，用数字信息控制机床自动地将零件加工出来。 数控系统的工作过程大致可分为三步：（1）数控系统接收数控程序（NC代码）；（2）“翻译”NC代码为机器码；（3）将机器码转换为控制信号。对于一台完整的数控机床来说，一般由数控程序、数控装置、伺服系统（伺服驱动装置、伺服电动机、位置检测装置）、可编程控制器PLC、机床本体(主运动机构、进给运动机构、刀库/刀塔、床身支承件等)及辅助装置（冷却、润滑、转位和夹紧等）组成。 伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统。伺服系统决定了数控机床的精度、稳定性、可靠性和加工效率，技术进步方向主要在需求精度高、稳定性好、快速响应、调速范围宽、低速大转矩等方面。伺服系统按照控制方式及有无检测反馈环节可分为开环伺服系统、全闭伺服系统、半闭环伺服系统，其执行部件不同，开环伺服系统为步进电动机，其余两种为交流/直流伺服电动机。我国伺服电机市场规模呈现稳步增长态势，预计今年市场规模将超过195亿元，下游应用机床工具行业占主要位置。目前国内伺服电机产品主要集中在中低端市场，主流为5kw以下的中小型产品，且产品尺寸偏大，高端市场仍然依赖进口，国际上领先的企业如松下、安川、三菱、西门子、博世力士乐等。 数控机床主体中的主运动结构，是驱动主轴实现切削基本运动的系统。而“电主轴”，或称“主轴单元”，是在数控机床领域出现的、将原本的机械主轴与主轴电机融为一体的新技术。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中区分出来，电机主轴不依赖外部电机提供扭矩和功率，电机作为主轴和壳体组件的一个组成部分，以达到高转速、高精度、高效率、低噪音、高可靠性等诸多优势。我国电主轴行业正处于迅速扩大、竞争加剧的阶段，2022年中国电主轴市场规模达到5.26亿美元，预计2028年将达到7.74亿美元，同时电主轴产品价格在竞争加剧的环境下呈现下降趋势。大功率、高转速、高主轴回转精度是电主轴产品的技术迭代方向。我国电主轴产业化起步较晚，与瑞士、德国等先进水平仍有一定差距，但正在持续追赶之中。 风险提示： 机床行业需求不及预期风险；核心零部件供应受阻风险；海外市场出口压力增大风险；政策引导力度低于预期风险。 1数控机床的工作原理及组成 1.1数控机床的工作原理 随着科学技术的飞速发展,社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增大。同时，随着航空工业、汽车工业和轻工消费品生产的高速增长，复杂形状的零件越来越多，精度要求也越来越高。此外，激烈的市场竞争要求产品研制生产周期越来越短，传统的加工设备和制造方法已难以适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效高质量加工要求。 为了实现单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并满足质量要求，采用数字控制技术成为一个必然的选择，因此数字控制机床应运而生。 数控机床是用数字信息进行控制的机床,即把机械零件的形状尺寸以及加工过程的工艺信息，以数字化的形式进行表示，通过信息载体输入数控装置，经过译码和运算处理，由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。 图表1：数控机床工作原理图 数控系统的工作过程大致可分为以下三步： （1）数控系统接收数控程序（NC代码）。由数控系统接收输入装置发来的数控程序(包括零件加工程序、控制参数、补偿数据)。NC代码是由NC编程人员根据待加工产品的零件图的参数及生产要求运用CAM软件自动生成或用手工编制的操作指令，以文本格式存储和传输。 （2）“翻译”NC代码为机器码。由数控系统将NC代码“翻译”为计算机能识别的机器码。机器码是一种二进制文件，可以直接为CNC硬件所识别和使用。 简单来说，这一过程即是把人能识别的信息转换成CNC能识别的信息的过程。 （3）将机器码转换为控制信号。由数控系统将机器码转换为控制坐标轴移动和主轴转动的电脉冲信号以及其他辅助控制信号。如数控铣床，进给信号为X、Y、Z坐标轴三个运动方向的进给脉冲信号,伺服系统接收到进给脉冲信号后驱动伺服电动机执行相应的运动，并通过滚珠丝杠螺母副等传动机构将伺服电动机的转动转变为机床工作台的平动,从而完成加工操作。辅助控制有主轴的启、停、换向等。 图表2：数控机床结构组成示意图 1.2数控机床的结构组成 数控机床的种类规格繁多,对于一台完整的数控机床来说，一般由数控程序（程序载体）、数控装置（输入装置、CNC单元、输出装置）、伺服系统（伺服驱动装置、伺服电动机、位置检测装置）、可编程控制器PLC、机床本体(主运动机构、进给运动机构、刀库/刀塔、床身支承件等)及辅助装置（冷却、润滑、转位和夹紧等）组成。 图表3：数控机床子系统组成 其中，数控程序、数控装置、PLC三部分更侧重软件，存储在程序载体中的数控程序、作为数控机床核心的数控装置可以合并称为数控系统，替代传统继电器实现开关量控制的PLC依照是否被装在数控装置之内，可以划分为独立式与内装型两类；而伺服系统、机床本体和辅助装置则属于数控机床机械结构的核心构成部分，在数控机床的成本中占据重要位置。 图表4：海天精工机床零部件价值量占比 图表5：科德数控机床零部件价值量占比 从上面两图可以看出，以价值量来说，机床结构件、控制系统、传动系统和驱动系统为核心零部件。根据海天精工招股书信息可知，国产机床零部件成本主要来自于结构件、控制系统、传动系统、驱动系统、刀库及其他。其中结构件占35%，控制系统占22%，传动系统占20%，驱动系统占13%，总计达到90%，为整个机床的价值核心。科德数控的数控机床产品成本分布结构与海天精工基本相似，控制系统类和驱动电机部分有所不同，主要系两家上市公司经营业务范围有所差异，部分核心零部件依靠采购原材制造而非直接外采。 2数控机床核心零部件 2.1伺服系统 数控机床CNC装置发出的一系列信号必须通过一个执行系统来实现刀具相对于工件的移动，这就需要依靠数控机床的伺服系统。数控伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，其执行部件就是交流伺服电动机、直流伺服电动机或步进电动机。伺服系统的静、动态特性，决定了数控机床的精度、稳定性、可靠性和加工效率。 数控机床的伺服系统主要分两种：一种是主轴伺服系统，控制主轴的切削运动，以旋转运动为主；另一种是进给伺服系统，它控制机床各坐标轴的进给切削运动，以直线运动为主。 对于伺服系统总体要求是具有稳定的切削力和进给速度，准确的定位和复杂轮廓加工控制功能。其中具体的技术难度点在以下几个方面： 1）精度高。指输出量能复现输入量的精确程度，包括定位精度和轮廓加工精度； 2）稳定性好。指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态，这直接影响数控加工的精度和表面粗糙度； 3）快速响应。要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快； 4）调速范围宽。指保持一定分辨率的条件下，电机能提供的最高转速与最低转速之比范围更大； 5）低速大转矩。进给伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持恒转矩。主轴伺服控制在低速时恒转矩控制，提供较大转矩，高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。 图表6：应用于数控机床上的伺服电机 数控机床上的伺服系统按照控制方式和有无检测反馈环节，可以分为以下三类： （一）开环伺服系统：不设检测反馈装置，不构成运动反馈控制回路，电动机按数控装置发出的指令脉冲工作，对运动误差没有检测反馈和处理修正过程，采用步进电机作为驱动器件，机床的位置精度完全取决于步进电动机的步距角精度和机械部分的传动精度，难以达到比较高精度要求，多用于精度和速度要求不高的经济型数控机床。 （二）全闭环伺服系统：对机床运动部件的移动量具有检测与反馈修正功能，采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动部件。可以采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件，来构成高精度的全闭环位置控制系统，一般用在高精度和大型数控机床上。 （三）半闭环伺服系统：与全闭环伺服系统相同，同样采用伺服电动机作为驱动部件，可以采用内装于电机内的脉冲编码器，无刷旋转变压器或测速发电机作为位置/速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，其系统的反馈信号取自电机轴或丝杆上，进给系统中的机械传动装置处于反馈回路之外，其刚度等非线性因素对系统稳定性没有影响，安装调试比较方便。 三者最大的区别在于驱动电机是步进电机还是直流/交流伺服电机，步进电机精确度较低，在低速或较高转速时表现不佳，无法快速启停，但成本低，调试及维护都更加简便。 图表7：2018-2023年中国伺服电机市场规模（亿元） 图表8：中国伺服电机下游应用领域占比 我国伺服电机市场规模呈现稳步增长态势，下游应用机床工具行业占主要位置。伴随着下游机床、电子制造设备、工业机器人等产业的迅速扩张，配套的伺服电机市场规模也快速成长，增量空间较大。2018年我国伺服电机市场规模达到133亿元，预计今年市场规模将超过195亿元，CAGR接近8%。下游应用行业中，机床工具是最主要的领域，占比约为20.4%；其次为电子制造设备，占比约为14.5%；包装机械、纺织机械、机器人、塑料机械、医疗机械和食品机械占比分别为12.6%、12.1%、8.7%、8.2%、3.6%、2.3%。 图表9：中国伺服电机行业竞争层次 图表10：中国伺服电机参与厂商占比 我国伺服电机主要集中在中低端市场，高端市场仍然依赖进口。国际上排名靠前的企业包括松下（日本）、安川（日本）、三菱（日本）、台达（中国台湾）、西门子（德国）、博世力士乐（德国）。欧美系厂商虽然市场总份额低于国产设备，但是顶尖企业数量高于国内厂商，主要是我国目前大规模量产的伺服电机是中低端产品，高端产品要么缺乏技术水平，要么还不能量产，所以还不能做到国产化替代。中国品牌主要有华中数控、广州数控、埃斯顿、汇川技术、台达（中国台湾）等。机床使用的伺服电机一般属于中型功率的伺服电机，国外龙头企业为安川和三菱等。 由于我国发展起步较晚，在伺服电机领域内一直处于追赶的位置。一方面，从国内领先厂商官网的产品表中可以看到，目前国内伺服电机仍主要集中于5kw以下的中小型产品，且产品尺寸偏大，缺乏大功率电机的研发生产导致技术落后，尺寸大在高端设备中难以应用。另一方面，由于伺服电机需要同对用驱动和控制协同工作，国内厂家缺乏优秀的伺服驱动和控制系统，直接影响到电机整体性能的发挥，也在一定程度上形成掣肘。 2.2主运动结构（电主轴） 主运动是机床实现切削的基本运动，即驱动主轴运动的系统。在切削过程中，它为切除工件上多余的金属提供所需的切削速度和动力，是切削过程中速度最高消耗功率最多的运动。主传动结构是指由主轴电机经一系列传动元件和主轴构成的具有运动、传动联系的结构，数控机床的主传动结构中包括:主轴电动机、传动装置主轴、主轴轴承、主轴定向装置。 电主轴，是在数控机床领域出现的将机械主轴与主轴电机融为一体的新技术。 主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中区分出来，电