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3.2、 主轴：工业母机之“左手”

3.2.1、从机械主轴到电主轴

主轴部件是主运动的执行件，它夹持刀具或工件，并带动其旋转。数控机床主轴 部件的精度、刚度、抗振性和热变形对加工质量和生产率等有着直接的影响。数 控机床的主轴部件包括主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等。 主轴的发展经历了三个阶段： 1）齿轮/带传动。传统机床主轴的驱动方式是电机轴线和主轴的轴线互相平行， 电机通过皮带或齿轮间接地驱动主轴。由于当主轴转速提高到一定水平后，传动 皮带开始受离心力的作用而膨胀，传动效率急剧下降，传动齿轮的发热和噪音问 题也开始变得严重。 2）联轴器传动。为了解决间接传动的转速瓶颈，机床设计人员开始研究将电机 和主轴同轴配置，由电机通过联轴节直接驱动主轴。这种驱动方式尽管取消了皮 带和齿轮等中间传动带来的问题，但又为刀具夹紧机构的配置带来新的问题。 3）电主轴。电主轴的出现，从根本上解决了主轴直接驱动的问题。电主轴是将 电机的转子和主轴集成为一个整体。中空的、直径较大的转子轴同时也是机床的 主轴，它有足够的空间容纳刀具夹紧机构或送料机构。

从不同领域对机床主轴的要求来看，主轴的选择与机床类型、加工工艺、刀具. 工件材料和加工精度都有密切的关系。 复合加工中心的愿景是在一台机床上进行镗铣、车、钻、磨等不同工序，其进步 完善的主要瓶颈就是主轴，没有一种主轴可以满足不同加工情况的要求，达到同 样优良的性能。可重构机床、模块化机床则往往需要具有机械、液压、气动和电 气标准化接口的可交换主轴。

不同类型主轴传动的性能各异，可根据应用场合的需求加以选用和设计。电主轴 在速度、精度、噪声和更换方便性方面，皆优于其他传动形式，是高端数控铣床、 加工中心和复合加工机床的方案。

电主轴作为一种机电一体化系统，机床的核心部件，越来越多地集成各种传感器 和软件，对其工作状态的进行监控、预警、可视化和补偿。装上各种传感器的电 主轴能产生海量数据，各大电主轴制造商和机床制造商，目前正努力合作开发专 家系统，将这些数据综合后用简明的方式向用户报告。

3.2.2、主轴轴承

主轴轴承是主轴部件的重要组成部分。它的类型、结构、配置、精度、安装、调 整、润滑和冷却都直接影响主轴的工作性能。在数控机床上，常用的主轴轴承有 滚动轴承和静压滑动轴承。 在液体静压轴承中，供油装置在一定初始压力下使得润滑油流经节流孔，在轴承 和主轴间隙间形成压力油膜，油膜上下存在压差从而承受载荷。 液体静压轴承的特点： （1）主轴在转动前会先被浮起，轴承不会与主轴接触，因此摩擦力损耗较小； （2）所适应的转速范围广，在静止和相对运动状态下都具有承载能力； （3）压力油膜的支承刚度大，具有较好的吸振性； （4）使用寿命长，精度保持性好； （5）油膜具有均化误差的作用，这样可以减小主轴和轴承自身精度造成的影响； （6）对轴承的材料要求不高。

机床应用领域的不同，对主轴轴承系统的要求是不一样的。例如，铝合金的高速 切削需要高转速而刚度较低的轴承系统，而钦合金或镍基合金的重切削则需要能 承受大切削力和低转速的轴承系统。合理选择轴承类型和配置轴承以及轴承系统 的设计优化对机床主轴的性能和寿命有很大影响。 主轴轴承的类型有：1) 滚动轴承，包括球轴承和圆柱滚子轴承；2) 液体动压轴 承；3)液体静压轴承；4)空气轴承；5) 磁浮轴承。滚动轴承具有明显的综合优 势，应用为广泛。

3.3、 进给驱动工业母机之“右手”

数控机床的进给驱动系统是在数控系统的指挥下，将机床的执行部件（如工作台、 滑座、立柱等）移动到预定位置，主要由以下部分组成： 1）位置控制指令生成。待加工的零件通过数控编程后生成刀具轨迹并分解为各 轴的位移，发出位置控制指令。 2）伺服驱动。将位置指令的电信号通过速度控制、电流控制和功率放大后，借 助伺服电动机转换成机械运动。伺服电动机可以是旋转电动机，也可以是直线电 动机。速度反馈和电流反馈回路用以保证系统的工作稳定性。 3）机械传动。伺服电动机的回转运动通过机械传动机构转换成直线运动，驱动 诸如工作台、滑座等执行部件实现所要求的位移。采用直线电动机等直接驱动方 式可简化机械传动。 4）位置检测与反馈。由直线或回转位移测量装置检测实际的直线位移和角位移 并将误差反馈给位置控制环，加以补偿。

数控程序的插补功能，生成进给运动的路径规划。在刀轨规划中不仅要考虑刀具 的位移和进给速度，还要考虑其加速度和加加速度，然后向驱动系统输出参考轨 迹的位移、速度、加速度和加加速度 4 个参数，进行各轴运动轨迹的控制。在进 给驱动系统动力特性的影响下获得真实的位移，并将其反馈给位置信号的输入 端，形成一个闭环回路。

机床进给驱动的任务是完成刀具和工件之间的复杂空间运动。按照运动的形式， 可以分为直线进给驱动和回转进给驱动两大类。按照驱动动力和执行部件之间是 否有中间机械传动环节，可分为间接驱动和直接驱动。 1）实现间接直线驱动的机械传动机构有丝杠螺母、齿轮齿条和蜗杆齿条； 2）能完成直接直线驱动的有直线电动机和电液伺服作动器； 3）实现间接回转驱动的机械传动机构有蜗轮蜗杆、滚柱凸轮传动； 4）能完成直接回转驱动的有力矩电动机、伺服作动器和混合驱动装置等。

3.3.1、直线进给

滚珠丝杠： 滚珠丝杠的传动效率高，具有高载荷下发热量较小、磨损小、寿命长和无爬行以 及驱动力矩大等一系列优点，应用广泛，是高性能数控机床bukehuoque的功能部件。 滚珠丝杠副广泛用于各种机床中行程小于 5m 的水平和垂直进给驱动系统，也有 10m 以上行程的个别案例。机床上所采用的滚珠丝杠的直径和导程多在 12mm~160mm 和 5mm~40mm 范围之间。根据 NSK 披露，数控机床中车床、 铣床、镗床、钻床、冲床等常用精度等级为 C5，磨床、电火花加工机械、线切 割机等常用精度等级为 C3。

由于滚珠需要无限循环，所有滚珠丝杠至少由丝杠轴、螺母、滚珠、循环部件四 大零部件构成。 按照滚珠循环方式，可分为内循环、外循环两大类型： （1）内循环在相邻的导程间通过马蹄状导流器循环，适合小导程； （2）外循环又分为端部导流式、管循环式、端盖式。其中端部导流式在螺母端 部沿丝杠螺纹槽切线方向平滑地将滚珠掬起，并通过设在螺母内部的贯通孔循 环，适合高速静音传送；管循环式在适合滚珠大小的循环管内使滚珠通过始点、 终点间往复循环，规格(轴径、导程)的对应范围广；端盖式在螺母端部配置拉升 滚珠的端盖，在螺母内设置的贯通孔循环，适合大导程。

从市场空间来看，全球滚珠丝杠市场规模稳健增长，中国已成为重要的消费市 场之一，长期成长空间可观。根据秦川机床公告，2016-2021 年全球滚珠丝杠市 场规模从 13.1 亿美元增长至17.5 亿美元；同期我国滚珠丝杠市场规模从 16.8 亿元增长至25.6 亿元。中国已成为滚珠丝杠产品重要的消费市场之一，约占全 球规模总量的 20%左右。 从市场竞争格局看，目前全球主要的滚珠丝杠厂商有 NSK、THK、SKF 等，根 据华经产业研究院统计，2021 年 CR5 销售额市占率达到约 46%，其中主要来自 欧洲和日本，日本和欧洲滚珠丝杠企业占据了全球约 70%的市场份额。

国内滚珠丝杠高端市场基本被德国力士乐、日本 THK、NSK 占据，中端市场则 由德国、日本品牌（力士乐、THK、NSK），中国台湾地区品牌（上银、银泰）， 中国大陆品牌（汉江、南工艺）占据。

直线电机： 直接进给驱动是依靠直线电动机初级和次级间的磁力移动工作台，中间没有机械 传动元件，导轨一般与滚珠丝杠驱动装置一样。由于没有丝杠、螺母、联轴节、 电机轴和轴承的柔度，切削载荷和运动质量直接作用在直线电动机上。 与滚珠丝杠驱动相较，直线驱动的加速度较高，移动速度快，能快速定位，伺服 带宽大等优点。此外，由于直线电动机无接触传递力，机械摩擦损耗和爬行现象 几乎为零，能达到比滚珠丝杠更高的精度和可靠性。 直线电动机分为同步直线电动机和感应直线电动机两类，感应电动机的定子由金 属条构成，同步电动机的定子由永磁材料构成。商品化的同步电动机产生的大 推力达15～20 kN，额定推力 6～8 kN，远比感应电动机的大推力 5～10 kN， 额定推力 0.8～2 kN 为高，适用于重切削的机床。而商品化的感应直线电动机由 于推重比高（小型感应直线电动机重量仅 1.5kg），因此较适合中小型要求高加 速度的机床使用。

目前，直线电机的主要应用领域包括电子、半导体、医疗等领域，随着下游应用 场景的增加、技术的逐渐成熟，直线电机有望成为性价比更高的选择，行业规模 也将随之快速增长。 据 Transparency Market Research 数据，2022 年全球直线电机行业市场规模 约为 18 亿美元，到 2031 年预计增长至 31 亿美元。 目前我国直线电机市场 60%以上的市场份额由中国大陆以外的品牌垄断，这些 品牌主要集中在新加坡、中国台湾地区、日本以及欧美地区，而中国大陆品牌竞 争力较弱，在中国大陆仅有少数企业能够系统地完成工艺要求。具体来看，目前 中国大陆直线电机行业企业主要包括雅科贝思、大族电机、德康威尔、东莞 智赢、泰科贝尔等。

与滚珠丝杠驱动相较，直线驱动的加速度较高，移动速度快，能快速定位，伺服 带宽大等优点。此外，由于直线电动机无接触传递力，机械摩擦损耗和爬行现象 几乎为零，能达到比滚珠丝杠更高的精度和可靠性。但是，直线电动机的加速性 与运动的总质量成反比，与电动机驱动力成正比。其加速性并非在所有情况下都 优于滚珠丝杠螺母系统。 直线电动机只有在承载量较小时达到高加速度，而滚珠丝杠驱动却在大范围内保 持其加速能力，因为运动惯性经过减速比才反映到回转电动机上。

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