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，应用最为广泛。
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，是高性能数控机床不可或缺的功能部件。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，中国已成为最重要的消费市 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最大 推力达15～20 kN，额定推力 6～8 kN，远比感应电动机的最大推力 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领先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。
3.3.2、圆周进给
机床在加工负责形状表面时，为了提高加工效率、保证加工质量和防止干涉，除 了笛卡尔坐标系 X、Y、Z 轴的直线进给外，还需要控制刀具与工件相对姿态的 回转坐标系 A、B、C 轴的圆周进给。第 4 和第 5 轴的圆周进给是 5 轴联动加工机床的关键技术之一。它可以是 AC 轴 联动、AB 轴联动或 BC 轴联动。这两种圆周进给可由安装工件的工作台完成， 也可以由装有刀具的主轴系统来完成，或者由两者共同完成。对各类机床以及复杂的加工中心来说，回转工作台是其圆周进给运动功能实现最 为关键的部分，在各类机床和加工中心上广泛应用的回转工作台可以如下划分， 分度工作台、数控回转工作台以及直驱回转工作台。
间接驱动
间接驱动包括蜗轮蜗杆转台、凸轮滚子转台以及谐波转台。蜗轮蜗杆副是传统的分度和圆周进给机构，广泛用于镗铣床和齿轮加工机床。通 常作为分度装置，对于 100mm 到 500mm 直径的工作台分度精度一般为±20″ 左右。滚柱驱动（RollerDrive）是一种新型的无间隙传动机构，可用于构建新型数控 回转工作台。滚柱驱动的工作台的静态和动态性能皆明显高于传统的蜗轮蜗杆驱动的工作台。
中小型雕刻机的雕刻、钻铣、车削、打孔等工艺中，数控回转工作台不仅需要高 速输出，也需要低速高精度输出。蜗轮蜗杆转台扭矩高，但是精度难以保证，且 采购及维护成本较高。谐波转台主要由谐波减速器和伺服电机组成，具有精度高、体积小、传递扭矩大、 成本低等优点，能够适应于各种机床的生产需求，近年来在市场上的占比也越来 越大。谐波转台主要应用于如笔记本电脑、手机壳、手表后盖类 3C 产品、珠宝 首饰等行业零件加工，可以一次装夹完成多面加工，大幅度提升设备加工效率和 加工能力范围。
直接驱动
采用伺服电动机配合蜗轮蜗杆传动副驱动的工作台的缺点是体积大，电主轴和转 台之间的干涉位置多，导致可用回转半径小，工件装夹和机床操作不便。直接驱 动的回转工作台是一项新技术，工作台由专门设计的力矩电动机直接驱动，电动 机的转子与工作台主轴直接连接在一起，中间没有任何机械传动机构。直接驱动回转工作台结构非常紧凑，动态性能好，惯性小，转速高，除圆周进给 外，还可用于车削。由于没有机械传动的背隙和磨损问题，维修方便，辅以直接 测量系统，可获得很高的回转精度（约±5"），使用寿命远比机械传动回转工作 台长。
大陆及中国台湾地区生产厂家生产的中低档数控转台占据了我国大部分的转台 市场；少部分市场由美国、德国、日本等国家公司生产的高端产品所占据。内地 最具竞争力的数控转台生产厂家是烟台环球机床附件集团有限公司，该厂家的产 品体系完备，规格齐全，种类繁多，且设计开发和制造方面具备丰富的经验。中 国台湾地区的德川机械股份有限公司是专业数控转台生产厂商之一。国外有日本 的 NIKKEN（日研）、德国 Peiseler、美国 HASS 公司等专业的生产厂家。国内 生产的数控转台产品与国外的产品相比，在精度、速度及可靠性等参数上仍与国 外数控转台存在一定差距。2021 年中国数控转台市场销售收入达到了 5.43 亿美元，据 QYResearch 预计， 2028 年可以达到 11.17 亿美元。从产品类型及技术方面来看，单轴占有重要地位，2021 年份额达到 89.43%， 销量达到 58678 台，而双轴由于价格较贵，从 2021 年销量上来看仅为单轴的 1/9，达到 6935 台，但销售额超过单轴的 1/3，达到 1.44 亿美元。预计未来单 轴和双轴的比例稳定，在 2028 年，单轴的销量将达到 104280 台，而双轴达到 13671 台。从产品市场应用情况来看，与立式数控机床配套使用的数控转台最多，接近 60%，在 2021 年达到 38816 台，而卧式和龙门分别达到 19330 台与 7467 台。未来增长速度最快的为龙门数控机床，2022-2028 年的 CAGR 达到 9.69%。目 前中国主要厂商包括旭阳国际精机、宝嘉诚、德川机械、潭佳精密科技和潭兴精 工等，2021 年 Top5 厂商份额占比超过 50%。
3.4、 测量系统：工业母机之“眼”
数控机床检测元件的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环控制。位置检测装置的分类按照不同的分类标志，可以分为不同的类型。根据测量方法，可分为增量式和绝对式；根据检测信号的类型，可分为模拟式和 数字式；根据安装的位置及耦合方式，可分为直接测量和间接测量；根据运动形式，可分为回转型和直线型检测装置。
3.4.1、编码器
编码器是一种旋转式测量元件，通常装在被测轴上，随被测轴一起转动，可将被 测轴的角位移转换成增量脉冲或绝对式的数字代码。在数控机床上，通常与驱动 电动机同轴连接，属间接式测量元件。编码器根据内部结构和检测方式分类，可分为接触式、光电式和电磁式三种。按 照编码方式可分为绝对式编码和增量式编码两种。在数控机床上，大多采用光电式增量脉冲编码器。
从编码器在机床各部分的使用来看，编码器可以分类为：主轴编码器，手持脉冲 发生器，分度头编码器（角度编码器），刀架编码器，伺服进给编码器。
根据 MMR 数据，全球编码器市场规模将从 2022 年的 25.2 亿美元提升至 2029 年的 49.6 亿美元，CAGR 为 10.1%。
美国是编码器解决方案销售的主要国家之一。美国拥有主要的编码器制造商，包 括霍尼韦尔国际公司、罗克韦尔自动化公司、海德汉公司等。
中国是编码器消费的重要国家。这归因于汽车和其他制造业对编码器的需求大幅 增长，以及该国最终用途行业的增长。由于市场参与者的大量存在以及工业革命 4.0 在该国的不断发展，多年来对编码器的需求不断增加。
3.4.2、光栅尺
光栅尺是光栅线位移传感器的简称，是一种利用光栅原理实现线位移测量的传感 器。光栅线位移传感器主要应用于直线移动导轨机构，可实现移动量的精确显示 和自动控制，广泛应用于金属切削机床加工量的数字显示和 CNC 加工中心位置 环的控制。按照材质不同，可分为玻璃光栅和钢光栅；按照测量原理可分为绝对式和增量式；按照扫描方式可分为成像扫描和干涉扫描；按照防护性能不同，可分为封闭式光 栅尺和开放式光栅尺。从产品类型及技术方面来看，目前增量式光栅尺由于较低的成本和技术要求，占 有超过 80%的份额。预计未来几年，绝对式光栅尺将保持更快的增长速度。
光栅是实现高精度测量的基础，其由一系列等间距排列的刻线和狭缝组成，其间 距误差极小，刻线边缘整齐清晰。根据海德汉公司产品手册，公司通过光刻、镀 膜等工艺制造的光栅包括 DIADUR 精密光栅、METALLUR 光栅、相位光栅、SUPRADUR 光栅、OPTODUR 光栅、MAGNODUR 光栅等，度可达到微米级或 亚微米级。
成像扫描原理
成像扫描原理是用透射光生成信号，两个栅距相同或相近的光栅与扫描掩膜彼此 相对运动。在狭缝对齐时，光线通过。如果一条光栅的栅线与另一条光栅上的狭 缝对齐，光线无法通过。光电池组将光强变化转化成电信号。扫描掩膜的特殊栅 状结构将光强调制为近正弦输出信号。
干涉扫描原理
干涉扫描原理是用精细栅状结构的光衍射和光干涉生成位移信号，测量运动。光 波穿过扫描掩膜时，将光波衍射为光强近似的三束光：+1、0 和-1。光栅尺所衍 射的光波是反射的衍射光+1 和–1 中光强最强的光束。这两束光波在扫描掩膜的 相位光栅处再次相遇，再一次被衍射和干涉。也形成三束光，并以不同的角度离 开扫描掩膜。光电池将这些交变的光强转化成电信号。扫描信号基本没有高次谐 波，能进行高倍频细分。因此，这些光栅尺特别适用于小测量步距和高精度应用。
增量式光栅尺的测量原理是将光通过两个相对运动的光栅调制成摩尔条纹，通过 对摩尔条纹进行计数、细分后得到位移变化量，并通过在标尺光栅上设定一个或 是多个参考点来确定绝对位置；绝对式光栅尺的测量原理是在标尺光栅上刻划一 条带有绝对位置编码的码道，读数头通过读取当前位置的编码可以得到绝对位置。绝对式光栅尺的优点是开电后直接得到当前位置信息，无需“归零”操作， 简化控制系统设计。绝对式光栅尺可以从上一次停机的地方开始继续原来的加工工作，提高了工作效 率，并且可以随时监控光栅尺所处的位置，使得机床或仪器有一永远不变的参考 坐标，使机床或仪器的误差修正等工作变得非常容易和可靠。因此，绝对式光栅 尺是未来光栅尺发展的一个趋势，会逐步取代增量式光栅尺被广泛的应用到精密 数控机床上。
根据Global Info Research ，2020年，中国光栅尺市场规模达到了 10.3亿元， 预计2027年将达到19.7亿元，年复合增长率（CAGR）为9.7%。2020 年全球 光栅尺收入大约 6.18 亿美元，预计 2026 年达到7.16亿美元，2020至2026期间，年复合增长率为2.5%。
光栅尺常用于数控机床的闭环伺服系统中。在机床中用于检测刀具和工件的坐标，观察和跟踪走刀误差，起到补偿刀具运动误差的作用。中国市场，光栅尺主 要用在高性能机床、磨床、车床、铣床和加工中心等。其他领域及其他设备包括 半导体行业的生产和测量设备、电路组装设备、测量显微镜和其他精密设备等。从产品市场应用情况来看，目前，数控机床是最大的下游应用领域，占有67%的份额（2021年），预计接下来几年该领域依然是最大的下游市场，尤其是其 中的高端类型。目前中国光栅尺市场，主要由德国的海德汉Heidenhain、西班牙发格、英国雷 尼绍、和三丰Mitutoyo等欧洲和日本品牌主导，尤其是在中高端领域，这几个品牌占有接近90%的市场份额。国内本土厂商主要是长春光机数显技术有限责任公司（长春禹衡光学）、广州市诺信数字测控设备有限公司（信和）和东莞市索信测量仪器有限公司等。目前国内厂商主要产品是增量式光栅尺，不过长春光机已经突破了绝对式光栅尺的相关技术，预计未来几年，本土品牌将扮演更重要的角色。
