一文概览数控机床的升级史、原理、核心零部件和应用

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升级史、原理、核心零部件和应用。


一、数控机床升级史


数控机床升级历史经历几个阶段：


60年代初，集成电路和大规模集成电路电子计算机出现计算机在运算处理能力、小型化和可靠性方面的突破性进展，由基于分立元件的数字控制（NC）走向了的计算机数字控制（CNC），数控机床也开始进入实际工业生产应用。


80年IBM推出PC电脑，由过去专用厂商开发数控装置（包括硬件和软件）走向采用通用的PC化计算机数控，同时开放式结构的CNC系统应运而生，推动数控技术向更高层次的数字化、网络化发展，高速机床、虚拟轴机床、复合加工机床等新技术快速迭代并应用。




21世纪开始，智能化趋势。


从专利总数来看，我国已经成为最大的专利产出国。截止到2019 年12 月，数控机床领域全球申请量达到10708 件。从申请趋势来看，自2006 年后呈现爆发式的增长，并在2012 年前后达到高峰。中国、日本、美国和德国是数控机床专利的主要产出地，四国的专利产出量超过专利总量的85%。其中，中国成为了最大专利产出国，专利产出量为6586 件，约占总申请量的60%。


从专利的国际竞争力来看，虽然我国专利产出量巨大，但对外输出量少。只有26 件，技术的国际竞争力弱。相比之下，日本专利对外输出高达1121 件，其中向中国输出82 件，占输出总量4.06%，向美国输出247 件，占输出总量12.24%，向德国输出224 件先输出总量11.10%，国际竞争力较强。此外，美国和德国数控机床专利输出量也比较大，分别是506 件和220 件，也展示了较强的国际竞争力。


二、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。


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。



三、数控机床核心零部件


3.1 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。


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。


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%。


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。这允许主轴作为一个完整的单元以更高的速度旋转，而不受皮带或齿轮的额外限制。电主轴是集高转速、高精度、高效率、低噪音、高可靠性于一体的高端机电一体化产品，是数控机床的核心功能部件之一。电主轴技术水平的高低和质量的优劣直接决定和影响着机床的品质、性能、工作效率及运行稳定性。


我国电主轴行业正处于迅速扩大、竞争加剧的阶段。随着市场占有率的提升，以及国内企业技术的发展成熟，中国电主轴市场在 2021 年规模达到了 4.78 亿美元，同比增长 11.75%，预计 2028 年市场规模将达到 7.74 亿美元，2022-2028 年复合增长率（CAGR）为 6.67%。同时，根据观研天下数据，近年来由于市场供给增加、竞争加剧，我国电主轴产品总体呈现出价格下降的走势，国内电主轴平均价格从 2015 年约 1.25 万元/支，下降至 2019 年约为 0.98 万元/支。


电主轴产品的技术发展需求方向为：大功率、高转速、高主轴回转精度。


（1）大功率：电主轴向高速大功率、低速大扭矩方向发展。根据实际应用的需要，多数数控机床需要能够同时满足低速粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求，因此电主轴应具备低速大扭矩、高速大功率的性能。


（2）高转速：电主轴继续向高速度、高刚性发展。在电主轴轴承及其润滑技术、精密加工技术、精密动平衡技术等不断发展的背景下，数控机床电主轴高速化已成为目前发展的普遍趋势。在刚性方面，由于轴承及其润滑技术的发展，电主轴的系统刚度越来越大，满足了数控机床高速、高效和精密加工发展的需要。


（3）高精度：电主轴进一步向高精度、高可靠性和长寿命方向发展。由于终端用户对数控机床的精度和可靠性提出了越来越高的要求，相应地对电主轴的精度与可靠性的要求也不断提高。同时，由于采用了特殊的精密轴承、先进的润滑方法以及特殊的预负荷施加方式，电主轴的寿命相应得到了延长，其使用可靠性也越来越高。


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。国外电主轴领先企业的代表有英国西风、英国 ABL、瑞士FISCHERPRECISE 集团、瑞士 MCT、瑞士 IBAG、德国 Kessler 等，中国台湾代表企业为罗翌、健椿、数格、普森、普慧、瑞莹等。近年来，大陆厂商持续追赶，昊志机电其中翘楚，在某些细分领域，大陆部分厂家凭借日臻完善的研发实力和制造水平，已推出了具备较强竞争力的产品，并占据越来越高的市场份额。大陆企业的代表还有轴研科技、爱贝科、江苏星辰、无锡博华等，不过规模均较小。


电主轴是数控机床的核心功能部件，电主轴行业的发展与机床行业的发展相辅相成。机床工具行业长期向好的需求规模和持续加快的产业升级、数控机床及功能部件行业国产化率的提高，以及机床功能部件的全球化采购趋势，为我国电主轴行业提供了良好的发展契机和广阔的发展空间。


四、数控生产在车间的应用


数控生产在车间的应用包括哪些？对于现代制造工厂来说，除了要提高机床的数控化率外，更要使所拥有的数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间的底层之间及底层与上层之间通信畅通无阻。那你知道数控生产在车间的应用包括哪些？


1、车间CAM


加强数控车间CAM系统，解决编程能力不足、编程水平低、零件数控加工覆盖率低等问题。通过扩大CAM应用，可以充分发挥数控机床的加工潜力，大大提高数控机床的利用率，覆盖数控应用的所有部件。


2、车间DNC


建立数控车间DNC系统，摒弃落后的人工在线传输程序代码数控通信方式。通过DNC网络，不仅可以实现高速、顺畅的传输、通信和综合管理，还可以实现复杂部件的在线处理，为MES搭建基础信息管理平台。


3、车间MES


启动数控车间MES系统，实现数控加工程序的存储管理和权限管理；全面管理和决策支持车间生产信息（计划、调度、统计、采集、监控）。即通过车间MES系统把与数控加工相关的所有数据、流程、业务、资源用信息技术、网络技术管理起来，使数控中心的运营效率和管理水平与先进制造能力相匹配。


CAM、DNC、MES三大功能模块各尽其职，相辅相成，涵盖了数控生产的全过程。数控编程实力雄厚，数控编程水平一流，数控程序传输顺畅，程序代码管理规范，实时、透明、协调的生产经营和制造资源信息管理，构成数控中心信息集成解决方案。家居MES软件和家居工厂生产过程执行系统找数夫，数夫是国内家居MES软件和家居工厂生产过程执行系统解决方案重要的核心供应商。