（报告出品方/作者：方正证券，李鲁靖）
1 数控机床结构及关键装置拆解
数控机床使传统机械加工工艺，实现了加工过程自动化的质的变化。其机械结 构特点一般要求：1）结构简单、自动化程度高：一般，若采用旋转电机 滚柱 丝杠进给方案，则主轴箱、进给箱结构相对简单，电机直接连接主轴及滚珠丝 杠；若采用直线电机、电主轴方案，则不需要丝杠、主轴箱。2）广泛采用高 效、无间隙传动装置：数控机床常用的滚柱丝杠副、塑料滑动导轨、静压导 轨、直线导轨等高效执行部件，可有效减小摩擦力，提高传动效率；3）具有适 应无人化、柔性化加工的特殊部件；数控机床往往具有自动换刀装置、动力刀 架、自动排屑装置、自动润滑装置、自动工作台交换装置、自动装卸、自动对 刀、破损检测、立卧转换等，工艺更加复合化，功能集成化；4）对机械结构、 零部件要求高：往往体现在刚度、功率、精度、抗震性。因为数控机床开机时 间长、工作负载增加，但又要求高速、高精度、高效、无人化，因此要求粗精 合一。
要提升数控机床的性能，往往需要从以下几个方面提升，分别是保证运动的精 度和稳定性、提高结构件的刚度、提高机床的抗震性、改善机床的热变形，以 及选择合理的数控机床总体布局。
数控机床目前大多采用机、电、液、气一体化布局，全封闭或半封闭防护，机械结构大大简化，易于操作及实现自动化。
数控车床主要包括平床身布局、斜床身布局、立式床身布局几种形式。其中， 平床身布局多用于经济型、普及型数控车床以及数控化改造的车床；斜床身布 局车床，多用于性能要求较高的中、小规格数控车床；立式床身布局多用于大 型或精密数控车床。数控镗铣床、加工中心的布局形式类似，主要有卧式、立 式两种。 数控机床的核心装置也是提高数控机床精度和稳定性的重要因素。具体来看， 机床主要包含结构件、数控系统、伺服驱动系统、传动系统、刀塔刀库、其他 零部件等部分，成本中结构件（铸件、钣金件）、数控系统、伺服驱动系统、传 动系统等占比较高。根据秦川机床公告，其中结构件占总成本的 35%左右，数 控系统占总成本的 22%左右，传动系统占总成本的 20%左右，伺服驱动系统占 总成本的 13%左右。
此外，我们也对中国机床工具工业协会统计的 27 家企业机床功能部件的销售情 况进行了分析。 功能部件方面，根据机床工具工业协会统计的 27 家机床功能部件企业销售情 况，2020 年 27 家企业供给销售功能部件 22.8 亿元，其中，1）工具/工件夹具 等辅助装置占比约 15%，销售额约 3.5 亿元，其中工具夹具均价相对便宜，约为 206 元/台，但数量较大，因此在约占销售额比重 10%。工件夹具价格较贵，均 价约 832 元/台。2）数控机床功能部件约占 78.5%，销售额约 17.9 亿元，其 中，直线导轨副、电主轴分别占比在 1/3 左右，滚珠丝杠副占比约 1/6，其余部 件中，滚动导轨、数控刀架占比较高。
此外，数控系统中，数控装置、伺服驱动单元、电机销售额约各占 1/3 左右比 重，从单价看，数控装置是数控系统的核心，均价最高，约为 3884 元/台. 协会统计 99 家机床工具与量具量仪企业销售额中，量具、量仪销售额分别为 12.5、2.2 亿元，其中量具均价较低，但数量大，量仪则均价较高，通用长度量 仪、表面质量量仪、齿轮量仪均价在万元以上，而通用角度量仪、形状和位置 误差量仪价格也在数千元。
目前，我国在数控系统、主轴部件、滚珠丝杠、直线导轨、光栅检测装置等机 床核心部件领域国产化水平仍然较低，在一定程度上阻碍了高端机床的发展， 国产替代空间较大。从价格来看，数控系统数控装置、电主轴、位置检测装置 均价较高，从国产化水平来看，数控系统、滚珠丝杠分别为 20%、25%，均处于 较低水平，普通型、经济性机床用部件国内基本可以满足，但高端机床用功能 部件基本依赖进口。从竞争格局看，数控系统、滚珠丝杠、导轨市场集中度较 高，外资品牌占据主导地位，电主轴市场集中度相对较低，或成为国内厂商率 先突破领域。
总体上看，数控系统、电主轴、滚珠丝杠、导轨、位置检测装置等合计国内市 场空间约有 250 亿元，国产替代空间较大。
2 数控系统是机床“大脑”，实现加工过程自动化之关键
数控系统的主要任务是对刀具和工件之间的相对运动进行控制，集机械制造、 计算机、微电子、现代控制及精密测量等多种技术为一体，使传统机械加工工 艺，实现了加工过程自动化的质的变化。
2.1 数控系统的组成：数控装置为数控系统的核心，价值量占比最高
数控系统一般由输入/输出装置、数控装置、驱动控制装置、机床电气逻辑控制 装置部分组成。其工作原理是，数控系统严格按照外部输入程序对工件自动加 工，数控加工程序按照零件加工顺序记载机床加工所需的各种信息，例如零件 加工的轨迹信息（几何形状、几何尺寸等）、工艺信息（如进给速度、主轴转速 等）、开关命令（如换刀、冷却液开/关、工件装卸等），记录的信息通过输入装 置，被数控装置接受。
数控装置是数控系统的核心，在数控系统中价值量占比也最高，其主要功能是 识别和解释数控加工程序，并将该信息按照两类控制量分别输出：一类是连续 控制量，送往驱动控制装置，一类是离散开关控制量，送往电气逻辑控制装 置。驱动控制装置，包括进给伺服驱动装置、主轴驱动装置，前者由位置控制 单元、速度控制单元、电动机、测量反馈单元等部分组成，根据指令正确驱动 受控部件（机床移动部件、主轴头等）。主轴驱动装置由速度控制单元控制。电 动机可以是各种步进电机、直流电机、交流电机。电气逻辑控制装置，接受数 控装置发出的开关命令，主要完成机床主轴选速、启停、方向控制等功能，以 及换刀、工件装夹、冷却、液压、气动、润滑系统控制等其他辅助功能。其形 式可以是继电器控制线路，也可以是可编程控制器（PLC）形式。 对数控装置而言，以 NC 装置为核心的硬件数控系统已经日益减少，CNC（计算 机数控系统）成为主流，由软件及硬件共同完成数控任务。在软件作用下，数 控装置可以实现图形显示、系统诊断、各种复杂轨迹的算法控制、补偿算法实 现、智能控制等硬件数控装置所不能完成的功能。此外，现代数控系统还采用 PLC 取代了传统的电气逻辑控制装置，直接实现对机床各种继电器控制逻辑，PLC 可以位于数控装之外（即独立型 PLC），也可与数控装置合为一体，即内装 型 PLC。
按照数控系统的功能水平，通常可以将数控机床划分为低、中、高档三类，但 该划分方式也是相对的，不同时期划分标准会有所不同。其中，高档、中档机 床一般也成为全功能数控机床或标准型数控机床，低档数控机床属于经济型数 控机床，由单板机、单片机和步进电机组成的数控系统，功能相对简单，价格 低廉，使用维修方便，主要用于部分车床、线切割机床以及旧机床改造等。
2.2 市场规模：数控系统约占数控机床成本比重 22%，国内市场规模 135 亿元
数控系统对于机床的精度、效率、可靠度及维护成本均有较大影响。从销售价 格角度看，我们根据浙海德曼招股书披露公司营业收入及数控系统采购金额， 大致测算其 2017-2019 年数控系统采购金额占机床收入比重约为 11.6-17.4%， 纽威数控的电气件（主要为数控系统）采购金额占机床收入比重约为 14.8- 17.4%。平均来看，数控系统约占机床价格比重约为 15.4%。如果从成本角度 看，据秦川机床公告，数控系统约占机床总成本比重 22%。中高端机床中，数 控系统的成本占比更高。
根据华中数控 2022 年年报及 MIRDATA 数据，2022 年我国数控系统市场规模达 135 亿元，同比增长 7.14%，已连续 3 年保持在百亿市场规模。 根据中国机床工具工业年鉴统计的 6 家企业，2020 年数控系统相关产品中，数 控装置、伺服驱动单元、电机、数显装置分别占比销售总额的 28%、29%、35%、 8%。从均价来看，数控装置均价为 3884 元/台，价格最高，伺服驱动单元、电 机均价在 1600 元/台左右，其中主轴伺服驱动单元、电机价格较高，数显装置 均价在 170 元/台。
2.3 竞争格局：高端市场仍有外资品牌主导，国产替代空间广阔
总体上看，根据纽威数控 2021 年招股书数据，我国 80%以上的数控机床的数控 系统仍然使用进口产品，其中日本发那科约占据 50%，数控系统国产化空间广 阔。 分高中低端来看，根据秦川机床公告，国内低档数控系统市场基本被国内企业 占据，国外品牌在我国高档和中档数控系统的市场占有率高达 70%，高档数控 系统占有率在 90%以上，我国在中低档数控系统已经占有较大的市场份额，但 是高端市场国产化率仍然较低。 分企业来看，根据华经产业研究院数据，2021Q1 发那科、三菱、西门子分别占 比 32%、21%、11%，广州数控、苏州新代分别占比 14%、7%。
具体来看，我国经济型数控系统由于顺应了大多数中国用户的实际使用水平和 机床制造企业数控技术配套要求，加上价格优势得到了广大用户的认同，已形 成了规模优势，国产数控系统企业已占领了我国经济型数控系统 95%以上的市场 份额，此类市场的典型参与企业包括广州数控、北京凯恩帝以及其他规模相对 较小的民营企业等。 中档数控系统，主要与中档数控铣床、车削加工中心、立/卧式铣削中心配套。 在国家一系列政策扶持下，以华中数控为代表的国产中高档数控系统企业，已 经实现中端数控装置的批量生产，并且具备了全数字交流伺服驱动装置和主轴 驱动装置等产品配套能力，用户反映良好。目前，国产中端数控系统功能和系 统已经达到与国外产品同等水平，价格与服务方面有较大优势，市占率仍在提 升。典型参与企业有华中数控、广州数控、科德数控、北京凯恩帝等，外资的 日德企业发那科、西门子等在中端市场也占据一定份额，竞争相对激烈。 高端市场领域，是指可与多轴、多通道、高速、高精、柔性、复合加工以及大 型、重型数控机床配套的数控系统，主要用于满足航空航天、汽车、船舶等重 要关键零部件机械加工装备的配套需求。目前该市场主要由日本发那科、德国 西门子占据大部分市场份额，德国海德汉、日本三菱、马扎克等相对较少。经 过一系列自主研发和工程化、产业化公关，国内高端数控系统已经取得了明显 突破。 目前，在高端数控系统领域，国内外机床的差距主要体现在功能的完备性、现 场总线技术的应用、高速高精多通道加工功能、可靠性时长等方面。
根据《中国制造 2025》重点领域技术路线图对机床关键部件国产化提出了明确 的国产化目标：到 2020 年，数控系统标准型、智能型国内市场占有率分别达 到 60%、10%，到 2025 年，数控系统标准型、智能型国内市场占有率分别达到 80%、30%。
3 主传动系统：高效高精度加工催生电主轴技术，市场规模近 50 亿元
主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，具有一定的转速（速度）和一 定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要 求的工件，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。 数控机床的主传动系统主要包括电动机、传动系统、主轴部件三部分，与普通 铣床的主传动系统相比，在结构上反而相对简单，这是由于数控机床的变速功 能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来实现了，省去了复杂的齿轮变速机 构，有些只有二级或三级齿轮变速机构，用来扩大电动机无级调速的范围。 数控机床的主传动系统，一般采用直流或交流主轴电动机，通过带传动和主轴 箱的变速齿轮带动主轴旋转。主轴电动机输出功率随着转矩及转速变化，低速 切削所需转矩大，高速切削消耗功率大。然而，电动机的有效转速范围不一定 能完全满足主轴工作需要，因此主轴箱也会设置几档变速，有些小型或者调速 范围不是很大的数控铣床，也采用直接由电动机直接带动主轴或带传动的方式 使主轴旋转。
3.1 主轴的演进：高效率、高精度、高可靠性加工催生电主轴技术的出现
主轴的作用是带动刀（磨）具（钻、铣、磨）或工件（车削）按给定速度旋 转，并传递切削加工所需的功率和扭矩，使刀（磨）具在工件上实现材料去 除。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。 数控机床主轴的发展过程中出现了非调速的交流电动机经主轴箱传动的机械式 主轴、电动机与主轴一体化的电主轴、高速电主轴、高刚性大扭矩高速电主轴 和智能式主轴等发展历程。机械主轴采用齿轮传动，其本身刚性好，在低速大 扭矩、大功率等性能上有优势，主要用于重切屑。随着终端市场对数控机床的 生产效率、加工精度、可靠性等要求越来越高，传统机械主轴由于其固有的局限性，在部分领域正逐渐淡出中高端数控机床的舞台，广泛被具有高转速、高 精度、高稳定性的电主轴所替代。同时，电主轴在低速段的输出扭矩也在不断 提高，使其能同时满足低速重切削和高速精加工的要求。
电主轴是在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。机 床主轴实际上是一套组件，包括电主轴本身及其附件（如电主轴、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）。而将主轴电机与主轴 “合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从传动系统和整体结构中相对独立 出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”(Electric Spindle，Motor Spindle)。电主轴的特点是高转速、高精度、低噪音、内圈带锁口的结构更适 合喷雾润滑。电主轴省去了皮带、齿轮或联轴器的传动环节，是数控机床传动 系统的重大变革。
按照采用的轴承类型划分，电主轴可以分为滚动轴承、气浮轴承、液体滑动轴 承、磁悬浮轴承等支承的电主轴，其中，前三种是目前应用最广泛的轴承类 型。
按照电机的类型，电主轴又可以分为异步型电主轴、同步型电主轴。其中，异 步型电主轴的优点在于，当前高速的电主轴，几乎都是内置的异步交流感应电 机，其结构相对简单，制造工艺成熟，安装更方便，而且可以实现恒转矩、恒 功率的调节；但缺点是效率偏低，输出功率偏小；永磁同步型电主轴，优点是 转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性更好，噪音低、体积小、使用寿命 长，而且启动时电流无冲击，负载变化时电流变化小，功率密度和效率也更 高。但永磁同步电机使用的稀土材料成本也相对较高。
按应用机床类型划分，电主包括用于加工中心、数控车床、磨床、钻削、雕 铣、特殊用电主轴六类。总体上看，车床、加工中心主轴均要求低速、大扭 矩，额定功率也相对较高，磨床主轴对转速要求较高，相比之下，钻削、雕铣 的扭矩、功率均相对较小，对转速要求相对较高，这些均与机床应用的工艺环 节息息相关。 在国外，电主轴最早用于内圆磨床。20 世纪 80 年代，随着数控机床和高速切 削技术的发展，电主轴技术开始逐渐应用于数控铣床、加工中心等高档数控机 床。国内对电主轴技术的研究始于 20 世纪 60 年代，主要用于零件内表面磨 削，这种电主轴的功率小、刚度低；到 80 年代，研制出系列高刚度、高速电 主轴，广泛应用于内圆磨床和机械零件制造等领域；90 年代以后由磨削电主轴 转向铣削电主轴，不仅能加工各种形体复杂的模具，而且开发了用于木工机械 用的风冷式高速铣用电主轴，推动了高速电主轴在铣削加工中的应用。
3.2 电主轴由数十种精密零件组成，材料、设计及装配工艺是决定精度之关键
电主轴是高端机电一体化产品，由轴芯、轴承、定子、机体、夹头、传感器、 气缸等数十种精密零部件组装而成，技术含量高、结构复杂，其转速、动态性 能、加工精度和使用寿命等取决于各零配件的材料选用、结构设计、制造精度 和装配工艺，以及高速轴承技术、润滑技术、冷却技术、动平衡技术、精密制 造与装配技术和检测技术的综合运用。
电主轴的具体结构和构成因不同应用领域对性能要求的差异有所不同，主要部 件包括轴芯组件、电机、支撑部件、冷却系统、气缸组件、拉刀组件、气封组 件等。
3.3 电主轴市场规模近 50 亿元，CR3 约 23%，高端磨床及加工中心主轴仍以进 口为主
根据 2021 年中国机床工具工业年鉴，协会统计的 27 家生产功能部件的企业 中，电主轴销售总量约为 130290 台，销售额约为 5.1 亿元，即对应电主轴均价 约 3914 元/台，而机械主轴销量约为 5982 台，销售额 0.1 亿元，对应机械主轴 均价约 1672 元/台。电主轴均价要高于机械主轴，销售数量及金额也要远高于 机械主轴。 随着终端市场对数控机床的生产效率、加工精度、可靠性等要求越来越高，传 统机械主轴由于其固有的局限性，在部分领域正逐渐淡出中高端数控机床的舞 台，广泛被具有高转速、高精度、高稳定性的电主轴所替代。目前，在美国、 德国、日本、瑞士、意大利等工业发达国家，电主轴已占据了主轴市场的主要 份额，而在国内，机械主轴因技术成熟、结构简单、制造和维修难度小、价格 低廉且后期维护成本低，以及在低速大扭矩、大功率等性能上的优势，仍在国 内机床行业中占据一定地位。
市场规模方面，根据 QY Research 数据，2022 年全球电主轴市场规模约为 94 亿 元，预计到 2029 年达到 141 亿元。根据观研天下数据，估计 2020 年我国电主 轴市场规模约为 48.12 亿元。 竞争格局方面，全球主轴行业领先企业主要集中在欧洲、日本、中国台湾等 地，其中欧洲的领先电主轴制造商凭借强大的研发实力、优异的产品性能、悠 久的生产历史和较好的业绩口碑，在电主轴的不同应用领域均占据了重要市场 份额，代表了各自领域的世界最高水平，其中比较著名的有瑞士 FISCHER 公 司、瑞士 IBAG 公司、德国 Kessler 公司、英国西风等。日本、中国台湾的主 轴技术水平相对落后于欧洲，但产业发展成熟，性价比较好，在我国大陆等主 轴技术相对落后的地区占有较大的市场份额。 根据 QY Research 数据，目前，国内市场电主轴的核心生产商有昊志机电、 Celera Motion、Fisher、普森精密主轴、江苏星辰等，前三大厂商市占率约为 23%。但我国目前主轴的国产化率仍然不高，《中国制造 2025》重点领域技术路线图对机床关键部件国产化提出了明确的国产化目标：到 2020 年，主轴等中 高档功能部件国内市场占有率达到 50%，到 2025 年国内市场占有率达到 80%。
分不同机床来看，1）磨床是国内电主轴最早应用的领域，长期以来应用于轴承 行业，随着加工效率和加工精度提高，开始在在精密机械制造、汽车零部件等 行业的轴类、盘套类零件的生产中应用。目前，国产电主轴已经基本可以配套 国内大部分内圆磨床，但加工精度、寿命等于德国、瑞士主轴仍存在较大差 距，相对高端的内圆磨床仍需要大量采购进口电主轴。2）车床是国内使用量最 大、覆盖面最广的机床，但大多采用机械主轴，仅有少量高端产品采用电主 轴，价格也较为昂贵。3）加工中心，欧美国家使用电主轴的比例已经超过机械 主轴，国内加工中心主轴系统多采用皮带式或直联式等机械传动方式，国内渗 透率还相对较低，但在持续提升。从供给来看，国内加工中心电主轴技术水平 相对落后，在精度、功率、寿命、可靠性及稳定性上与国外存在较大差距，因 此国内高速加工中心配套电主轴多为进口。
4 伺服进给系统：连接数控装置与机床本体的关键环节
进给伺服系统是数控装置与机床本体的传动环节，其作用是接收数控装置发出 的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装 置（直流、交流伺服电动机、功率步进电机、电液脉冲马达等）和机械传动机 构，驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件，实现工作进给和快速运动。伺 服进给系统可以精确地控制执行部件的速度和位置，以及多个执行部件按一定 规律运动所合成的运动轨迹。
4.1 伺服进给系统的特点
伺服进给系统由伺服驱动器、伺服驱动装置、机械传动机构、执行部件组成。 例如，一个双闭环系统中，内环为速度环，使用测速发动机、脉冲编码器等作 为速度反馈的检测装置，速度环主要由速度调节器、电流调节器、功率驱动放 大器等组成；外环为位置环，是由 CNC 装置中的位置控制模块、速度控制单 元、位置检测及反馈控制等部分组成，位置控制主要对机床运动坐标进行控 制，轴控制是要求最高的位置控制。
伺服进给系统的几个关键指标主要包括：1）精度要求：低档型数控系统，驱动 控制精度一般在 0.01mm，而高性能数控系统精度为 1 微米，甚至为 0.1 微米； 2）响应速度：为保证轮廓切削形状精度和低表面粗糙度，还要能够快速跟踪指 令信号并响应；3）调速范围：由于数控机床中加工用刀具、被加工工件材质、 零件加工要求不同，因此要保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，要求进 给驱动系统有足够宽的调速范围；4）低速、大转矩：经常在低速下进行重切割 的机床，驱动系统要有足够大的转矩输出。5）运动部件惯量小，运动部件惯量 对伺服机构的启动、制动特性都有影响，尤其是处于高速运转的零部件，因此 要尽量减小其质量、直径等；6）摩擦阻力小：要提高进给系统响应速度和运动 精度，必须减小运动件间的摩擦阻力和动、静摩擦力之差，普遍采用滚珠丝杠 螺母副、静压丝杠螺母副、滚动导轨、静压导轨、塑料导轨等，各运动部件还 要考虑有适当的阻尼，以保证系统的稳定性。
4.2 旋转电机 滚珠丝杠：机床中最常用的传动系统方案
滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的一种新型传动装置，在数控 机床中有广泛应用。其结构特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠，其作 用是使丝杠与螺母间的运动成为滚动，减少摩擦。滚珠丝杠的工作原理是，丝 杠与螺母上都有圆弧形的螺旋槽，二者对合起来形成螺旋滚道，滚道内装有滚珠，当丝杠与螺母相对运动时，滚珠沿螺旋槽向前移动，滚珠在丝杠上滚过数 圈后通过回程引导装置，逐个滚回丝杠与螺母之间，形成一个闭合回路。
4.2.1 丝杠的分类
丝杠是用来完成进给运动的一个重要原件，是一种精度很高的零件，它能精确 地确定工作台坐标位置，将旋转运动转换成直线运动，而且还要传递一定的动 力，所以在精度、强度及耐磨性等方面都有很高的要求。所以，丝杠的加工从 毛坯到成品的每道工序都要周密考虑，以提高其加工精度。 机床丝杠按其摩擦特性可分为三类，即滑动丝杠、滚动丝杠、静压丝杠。目前 比较常用的是滚动丝杠中的滚柱丝杠。
螺纹滚道型面是指通过滚珠中心做螺旋线的法向截面与丝杠、螺母螺纹滚道面 的交线。内滚道的截面形状有直线形、单圆弧形、双圆弧形等几种。目前国内 应用最广泛的有单圆弧滚道、双圆弧滚道。按滚道结构形式划分，又可以分为直线形、单圆弧、双圆弧内滚道三类。其中，双圆弧滚道是目前滚柱丝杠中使 用最多的截面形状。
滚珠丝杠的循环方式按滚珠在循环反向过程中与丝杠表面脱离与否，可以分为 内循环、外循环。1）内循环是一种滚珠在循环过程中始终不与丝杠表面脱离的 循环方式，螺母内反向器上回珠槽使滚珠沿滚道滚动一圈后，翻越过丝杠螺纹 滚道压顶，重新回到初始滚道。优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率 高、螺母径向尺寸也较小，缺点是反向器加工困难、装配调整不方便。内循环 方式多适用于高速、高灵敏度、高刚度的精密给进系统。2)外循环是指滚珠在 循环反向时离开丝杠滚道、在螺母体内或体外的循环方式，其优点是工艺简 单，螺母径向尺寸大，容易制造，缺点是滚珠循环回路长，流畅性差，效率 低；挡珠器刚性差，易磨损。根据 QY Research 数据，内循环滚珠丝杠在滚珠 丝杠市场中约占 63%的市场份额。
4.2.2 滚珠丝杠预紧力的实施
预紧力是指机构或构件在受到工作载荷之前，为了增强连续的可靠性和紧密 性，以防止受到工作载荷后连接件间出现间隙或相对滑移而预先施加的相互作 用力。滚动功能部件预紧力作用是为了减小或消除滚珠丝杠和滚柱直线导轨副 因制造和装配误差产生的间隙，导致滚动体和滚道接触产生弹性形变，避免出 现滚动体在滚到内的窜动。
对于不同结构形式滚柱丝杠，采用的预紧方式也不同。一般预紧的对象主要为 螺母，若为单螺母滚柱丝杠，预紧方式主要包括导程变位法、滚珠直径增大 法，若为双螺母滚珠丝杠副，预紧方式主要为垫片式、齿差式、螺纹式。
4.2.1 滚珠 & 滚柱丝杠的市场空间及竞争格局
1.滚珠丝杠 (Ball Screw)
根据华经产业研究院数据，2021 年全球滚珠丝杠市场规模约为 17.5 亿美元，同 比增长 6.0%，年均复合增速达到 6.2%。预计 2022 年全球市场规模达到 18.59 亿美元（约合人民币 136 亿元）。从国内市场规模来看，中国作为滚珠丝杆产品 重要的消费市场之一，国内市场规模占全球规模总量的 20%左右，2021 年我国 滚珠丝杆市场规模为 25 亿元，预计 2022 年市场规模达 28 亿元。 近几年来随着我国滚珠丝杆副行业市场竞争加剧，国内企业向中高端市场渗 透，外资品牌也抢占了部分经济型产品市场份额，行业市场竞争有所加剧，丝 杠总体价格成下降趋势。据华经产业研究院数据，国内滚珠丝杆价格从 2014 年 225 元/套的均价下降至 2021 年的 181 元/套。不过，滚珠丝杠被广泛应用于各 种工业设备和精密仪器，而机床行业用滚柱丝杠精度要求更高，价格也相对更 高。根据中国机床工具工业年鉴数据，2020 年统计的 27 家生产功能部件企业， 滚珠丝杠副销量约为 176179 台，销售金额为 3 亿元，对应机床用滚珠丝杠副均 价约 1703 元/台。
目前全球主要的滚珠丝杆厂商有 NSK、THK、SKF 等，CR5 市占率达到约 46%，其 中主要来自欧洲和日本，日本和欧洲滚珠丝杆企业占据了全球约 70%的市场份 额。尤其是高端滚珠丝杠市场，国际市场主要由欧美、日韩企业所占据，包括 日本精工（NSK）、日本 THK、瑞典斯凯孚（SKF)、博世力士乐、Kuroda、舍弗 勒集团等。
国内市场方面，根据秦川机床公告，目前中国台湾上银科技、银泰市场占有率 接近 50%，此外 NSK、THK 等日本企业市场占有率约为 15%，其他大陆企业的 市场占有率约为 25%。根据中国机床协会的统计，高档数控机床中的高端滚动 功能部件产业的国产化率仅为 5%； 近年来，随着科技技术进步，我国滚珠丝杠行业内也涌现出一批具有一定竞争 优势的优秀企业，例如南京工艺装备、山东博特精工、山东华珠机械、秦川机 床（陕西汉江机床）、贝斯特、恒立液压等企业。
2.滚柱丝杠（Roller Screw Pair）
根据 PERSISTENCE 数据，2023 年全球滚柱丝杠市场规模约为 2.997 亿美元（合 人民币约为 22 亿元），预计到 2033 年市场规模将达到 5.573 亿美元（合人民币约 39 亿元），CAGR 约为 6.4%。国内方面，2023 年中国滚柱丝杠市场规模约为 0.26 亿美元（约合人民币 1.9 亿元）。 总体上看，目前滚柱丝杠在滚动丝杠中的渗透率仍然较低。滚柱丝杠最早由瑞 典人 Carl Bruno Strandgren 于 1942 年发明, 至今未广泛应用主要是由于其 结构复杂 、加工难度大和成本较高 。
从各国市场规模来看，全球滚柱丝杠应用市场主要集中于美国、德国、英国、 中国。从下游应用来看，目前，滚柱丝杠主要应用在民用领域, 如精密机床、 食品包装、特种机械、测试仿真等。但随着飞行器和武器装备全电化发展以及 石油、化工 、机床等需要大推力、高精度 、高频响、高效率、长寿命的机械 装置作为机电作动系统的执行机构, 取代易污染、维护成本高的传统液压作动 系统，加之内、外螺纹加工工艺的提高, 以及制造设备和相关材料技术的发展, 近年来, 滚柱丝杠被广泛关注。
从全球来看，滚动丝杠中滚珠丝杠、滚柱丝杠、行星滚柱丝杠的头部厂商主要 来自欧美及日本，各类产品的头部企业有一定重合性，但市占率排名略有不 同。
4.3 直线进给系统方案，诞生于超高速加工背景
常规的机床进给系统中，一般采用“旋转电机 滚珠丝杠”的传动系统，而近年 来，随着超高速加工技术的发展，滚柱丝杠对有些高速和高加速度要求无法满 足。直线电机，是指可以直线产生直线运动的电动机，可作为进给驱动系统， 大功率电子器件、新型交流变频调速技术、微型计算机数控技术的发展为直线 电机的使用提供了条件。 直线电机的工作原理，与旋转电机相比并无本质区别，可以看作是旋转电机沿 圆周方向拉平展开的产物。其工作原理是，直线电机的初级，对应于旋转电机 的定子，次级对应旋转电机的转子。当多相交变电流通入多相对称绕组时，直 线电机的初级和次级气隙间，就会产生行波磁场，使二者之间相对移动。此 外，二者之间也存在垂直力，可以是吸引力，也可以是推斥力。
直线电机又可以分为直流、步进、交流直线电机三大类。目前在机床中，主要 使用交流直线电机。 在结构上，直线电机有“短次级”、“短初级”两种形式。为了减少发热量和降 低成本，高速机床用直线电机一般采用“短初级”形式。在励磁方式上，交流 直线电机又可以分为永磁（同步）、感应（异步）两种形式。其中，永磁式的次 级是一块块铺设的永久磁钢，初级为含铁芯的三相绕组；感应式电机的次级为 不通电的绕组替代永磁铁，且每个绕组每一匝均是短路的，而初级与永磁式相 同。相比较而言，永磁式在单位面积推力、效率、可控性等方面更好，但成本 较高，工艺复杂，安装使用也较复杂。感应式不通电时无磁性，便于安装使用 和维护，近年来其性能不断改进，已逐渐接近永磁式的水平。
5 导轨：对运动部件起导向和支承作用，对机床加工精度有重要影响
机床上的直线运动部件都是沿着它的床身、立柱、横梁等支承件上的导轨进行 运动的，因此，导轨的作用，可以概括地说是对运动部件起导向和支承作用， 导轨的制造精度及精度保持性对机床加工精度有着重要影响。 导轨按接触面的摩擦性质，可以分为滚动导轨、滑动导轨、静压导轨三种。其 中，数控机床最常用的是滚动导轨、滑动导轨。 滚动直线导轨副 Rolling Linear Guide（RLG）：常作为引导和支撑部件，配合 滚珠丝杠副完成工作需求。一般情况下，一整套运行机构由 2 套滚动直线导轨 1 根滚珠丝杠副组成，驱动运动部件实现精确移动。
5.1 滚动导轨：可分为滚珠、滚柱型导轨，灵敏度及定位精度高
滚动直线导轨由滑轨、滑块、滚珠、滚珠保持器、回珠槽等组装而成，主要原 理是通过回珠槽、滚珠保持器等结构使钢球列作循环运动，从而实现滑块在滑 轨上的低摩擦直线运动。滚动体被平均分割为 4 等份，插入滑块与导轨滚道面 间。滑块在导轨上往复运动，带动四条滚道内滚动体的循环滚动。 相比滑动导轨，滚动导轨的优点是灵敏度高，动静摩擦因数相差甚微，因此运 动平稳，低速运动时不易出现爬行现象。而且定位精度高，摩擦阻力小，磨损 小，精度保持性和寿命更长。但缺点是抗振性较差，对防护要求较高。滚动导 轨特别适用于机床的工作部件要求移动均匀、运动灵敏度和定位精度高的场 合。这也是滚动导轨在数控机床上得到广泛应用的原因。 按滚动体形式，滚动直线导轨又可以分为滚珠型和滚柱型； 1）滚珠型：滚珠结构直线导轨副中，滚动体与滚道接触理想形式为点接触，接 触面积小，承载能力小。但由于摩擦系数小，所以速度也更快。2）滚柱型：滚柱结构直线导轨副中，滚动体与滚道接触理想形式为线接触，接 触面积相比点接触大，承载能力更大。摩擦系数略大，速度比较慢些。
导轨是决定整个导轨组件的导向精度和运动性能的主要元件，用螺钉紧固在机 床固定部件上（如床身、立柱等），其安装底面、定位侧面和滚道经过精密平面 成形磨削，保证滚道精确的几何形状，以及滚道与安装定位面之间的精确的尺 寸精度。 滑块一般用螺钉紧固在机床运动部件上（如工作台，主轴箱等）。滑块上的返向 器采用高强度工程塑料制成，并引导滚动体返向形成连续的循环运动。密封端 盖和密封底片是防尘的必要部件。导轨副的润滑通过油杯注入润滑油脂来进 行。
滚动导轨又可以分为预加负载、不预加负载两类，预加负载可以提高导轨刚 度，但制造工艺比较复杂，成本较高，适用于颠覆力矩较大和垂直方向的导 轨，数控机床中常采用预加负载导轨。而无预加负载滚动导轨常用于数控镗铣 床，或加工中心的机械手、刀库等传送机构。 滚动导轨的寿命计算与滚动轴承类似，即在一定载荷下走一定距离，以 90%的支 承不发生点蚀为依据，这个载荷称为额定动载荷，行走的距离称为额定寿命。 滚动导轨的预期寿命，除了与额定动载荷和导轨的实际工作载荷有关，还与导 轨的硬度、滑块部分的工作温度、每根导轨的滑块数目相关。
5.2 滑动导轨：结构简单、刚度好，是机床中使用最广泛的导轨形式之一
滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗震性高等优点，是机床上使用 最广泛的导轨形式。但普通的铸铁-铸铁，铸铁-淬火钢导轨，存在的缺点是静 摩擦因数大，而且动摩擦因数随速度变化而变化，摩擦损失大，低速（1- 60mm/min）时易出现爬行现象，降低运动部件的定位精度。 通过选用合适的导轨材料和相应的热处理及加工方法，可以提高滑动导轨的耐 磨性并改善其摩擦特性。例如，采用优质铸铁、合金耐磨铸铁或镶淬火钢导 轨，进行导轨表面滚轧强化、表面淬硬、涂铬、涂钼工艺等。 镶粘塑料滑动导轨是通过在滑动导轨轨面上镶粘一层由多种成分复合的塑料导 轨软带，来达到改善导轨性能的目的。这种导轨不仅可以满足机床对导轨的低 摩擦、耐磨、无爬行、高刚度要求，而且成本较低，工艺简单，在数控机床中 得到了广泛应用。塑料导轨多与铸铁导轨或淬硬刚导轨相匹配使用。 一个滚动直线导轨副，是由导轨、滑块、钢球、反相器、密封端盖、挡板等部 分组成。当导轨与滑块相对运动时，钢球沿着导轨上的滚道滚动，在滑块端 部，钢球通过反相器反向重新返回滚道，往复运动。反相器两端装有防尘密封 端盖，可有效防止灰尘、屑末进入滑块内部。
5.3 静压导轨：不产生磨损，精度保持性好，显著降低驱动功率
静压导轨是将具有一定压力的油液，经节流器输送到导轨面上的油腔中，形成 承载有膜，将相互接触的导轨面隔开，实现液体摩擦。这在数控机床中已经得 到日益广泛的应用。静压导轨的滑动面之间开有油腔，将一定量的油通过节流 输入油腔，形成压力油膜，浮起运动部件，使导轨工作表面处于纯液体摩擦， 不产生磨损，精度保持性好，并大大降低驱动功率，低速无爬行，承载能力 大、刚度好。此外，油液还有吸振作用，抗震性好。但其缺点是结构复杂，要 配有供油系统，油的清洁度要求高。 静压导轨的横截面形状有 V 形、矩形两种。采用 V 形便于导向和回油，采用矩 形便于做成闭式静压导轨，油腔的结构对于导轨性能影响很大。
5.4 竞争格局：全球滚动直线导轨市场规模近 150 亿元，CR5 达 78%
根据 QYResearch 数据，2020 年，全球直线导轨市场收入达 20.1 亿美元（约合 146 亿元人民币），预计 2027 年将达到 28.6 亿美元（约合 209 亿元人民币）， 2021-2027CAGR 约为 4.65%。中国直线导轨市场生产消费规模 2020 年约为 5.16 亿美元（约合 38 亿元人民币），预计到 2027 年中国的直线导轨市场规模将会达 到 8.2 亿美元（约合 60 亿元人民币），约占全球 28.67%。 从供应格局来看，根据 QY Research 数据，全球主要的生产企业有日本 THK, 中 国台湾上银（Hiwin）、日本 NSK、博世力士乐（Bosch Rexroth）和舍弗勒 （Schaeffler）等公司，2020 年 CR5 超过 78%。
过去由于我国的工业基础较为薄弱，装备制造业研发生产的工艺技术水平低， 精密滚动直线导轨副在我国装备制造业的应用历史仅仅 20 年，其应用领域仅仅 局限在有限的数控机床，以及对产品较为熟悉的工程技术人员设计的专用机械 产品上。但近年来，我国直线导轨发展迅速，有国外的大企业与中国公司合资 在中国也建立了生产基地。 价格方面，2020 年中国大陆地区生产完成的直线导轨大概 8966 千套，按照前文 提到 38 亿元市场规模计算，对应单套直线导轨均价约为 424 元/套。另据 QY Research 数据，2021 年全球 3 种直线导轨均价约为 40.27 美元/套，约合人民 币 294 元/套。 然而，由于机床的精度要求更高，其直线导轨均价也要高于普通直线导轨。根 据中国机床工具工业协会统计的 27 家机床功能部件销售企业滚动导轨、直线导 轨的销售量、销售额，可以大致计算出，2020 年滚动导轨副、直线导轨副的均 价分别为 790、519 元/台，高于普通导轨均价。另据秦川机床公告，公司滚动 直线导轨售价约为 1050 元/台。
6 位置检测装置：决定机床加工精度之关键，光栅为主要测量装置
数控系统的位置控制，是将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其 差值控制进给电动机。而实际反馈位置的采集，是由一些位置检测装置来完成 的。 对于不同类型的数控机床，根据工作环境和检测要求不同，需要采用不同的检 测方式。中高档数控机床一般采用半闭环控制系统，而全功能数控机床则是采 用闭环控制系统。 对于采用半闭环控制的数控机床，其环路内部不包括机械传动环节，位置检测 装置一般采用旋转变压器，或高分辨率的脉冲编码器，装在进给电动机或丝杠 的端头。旋转变压器（或脉冲编码器）每旋转一定角度，都会严格地对应工作 台移动一定的距离，测量电动机或丝杠的角位移，也就间接测量了工作台的直 线位移。
对于采用闭环控制系统的数控机床，应该直接测量工作台的直线位移，可采用 感应同步器、光栅、磁栅等测量装置。当由工作台直接带动感应同步器的滑动 尺移动时，与装在机床身上的定尺配合，测量出工作台的实际位移值。因此， 数控机床的加工精度，主要由检测系统的精度决定。 分辨率是指位置检测系统能够测量的最小位移，它不仅取决于检测元件本身， 也取决于测量线路。数控机床的位置检测系统需要具有高可靠性和高抗干扰性 （抗电磁干扰、温湿度变化影响小）、满足精度和速度要求、使用维护方便等。 根据不同机床在不同工作环境和要求下，检测的方式主要分为数字式、模拟 式，以及增量式与绝对式。
数字式是指将被测量单位量化为数字形式，特点是量化后，单位转换成脉冲个 数，便于显示处理，而且测量精度取决于测量单位，与量程基本无关，检测装 置也比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。模拟式是指将被测量单位用连续变量 表示，可以直接对被测量单位进行检测，无需量化。但在大量程内作精确的模 拟式检测对技术要求较高，因此，数控机床中模拟式检测主要用于小量程测 量，可以实现高精度测量。 增量式测量只能测量位移增量，移动一个测量单位即发出一个信号，优点是装 置简单，可做到高精度，任何一个中点均可作为测量起点，缺点是一旦计数有 无，此后结果全错，发生故障后无法找到正确位置。绝对式测量被测量的任一 点都以一个固定的零点为基准，每个被测量点都有一个测量值，避免了增量式 的缺陷，但其结构较复杂。
6.1 旋转变压器
旋转变压器是一种常用的转角检测元件，由于结构简单，工作可靠，对环境要 求较低、信号输出幅度大、抗干扰能力强，因此背广泛用于半闭环控制的数控 机床上。 旋转变压器的结构可以分为有刷、无刷式。其结构与绕线式异步电动机相似， 其定子、转子铁芯由高导磁的铁镍软磁合金或硅铜薄板冲程的带槽芯片叠成， 槽中嵌有线圈。定子线圈为变压器的原边，转子线圈为变压器的副边，励磁电 压接到原边。 旋转变压器的工作原理是，在结构上保证定子、转子之间气隙内磁通分布符合 正弦规律，当励磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电 动势。
6.2 脉冲编码器
脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，将机械转角变成电脉冲，是一种常用的 角位移传感器。脉冲编码器一般可以分为光电式、接触式、电磁感应式 3 种。 其中，光电式脉冲编码器按每转发出的脉冲数量，又可以分为多种型号。
增量式光电脉冲编码器，最初的结构就是一种光电盘，在一个圆盘圆周上分成 相等的透明与不透明部分，圆盘与工作轴一起旋转。此外，还有一个固定不动 的扇形薄片与圆盘平行放置，并制作有辩向窄缝，当光线通过两个做相对运动 的透光与不透光部分时，光电元件按接收到的光通量也时大时小连续变化。通 过计量脉冲的数目核频率可以测算出工作轴的转角和速度。高精度脉冲编码器 则要求提高光电盘圆周的等分窄缝密度，实际上变成了圆光栅线纹。
脉冲编码器的原理，即光纤透过圆光栅和指示光栅的线纹，在光电元件上形成 明暗交替变化的条纹，产生两组近似于正弦波的电流信号 A、B,两者相位差 90°，经放大、整形电路变成方波