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一、機床行業概述

1.機床的分類

機床的分類形式多種多樣，可以按工件大小和機床重量、加工精度、自動化程度、控制方式分類，又可以按機床的適用范圍、加工方式或加工對象分類，這里采用的分類方式最為常用，如下：

（1）普通機床：包括普通車床、鉆床、鏜床、銑床、刨插床等。

（2）精密機床：包括磨床、齒輪加工機床、螺紋加工機床和其他各種精密機床。

（3）高精度機床：包括坐標鏜床、齒輪磨床、螺紋磨床、高精度滾齒機、高精度刻線機和其他高精度機床等。

（4）數控機床：數控機床是數字控制機床的簡稱，是一種裝有程序控制系統的自動化機床。該控制系統能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規定的程序，并將其譯碼，從而使機床動作并加工零件。

2.常用機床的基本機構

2.1.普通車床

普通車床：常用于加工工件的內外回轉表面、端面和各種內外螺紋，采用相應的刀具和附件，還可進行鉆孔、擴孔、攻絲和滾花等。其基本結構包括變速箱，主軸箱，掛輪箱，進給箱，溜板箱，刀架，尾座等。

（1）變速箱變速箱用來改變主軸的轉速。主要由傳動軸和變速齒輪組成。通過操縱變速箱和主軸箱外面的變速手柄改變齒輪或離合器的位置，可使主軸獲得12種不同的速度。主軸的反轉是通過電動機的反轉來實現的。

（2）主軸箱主軸箱用來支承主軸，并使其作各種速度旋轉運動；主軸是空心的，便于穿過長的工件；在主軸的前端可以利用錐孔安裝頂尖，也可利用主軸前端圓錐面安裝卡盤和撥盤，以便裝夾工件。

（3）掛輪箱掛輪箱用來搭配不同齒數的齒輪，以獲得不同的進給量。主要用于車削不同種類的螺紋。

（4）進給箱進給箱用來改變進給量。主軸經掛輪箱傳入進給箱的運動，通過移動變速手柄來改變進給箱中滑動齒輪的嚙合位置，便可使光桿或絲桿獲得不同的轉速。

（5）溜板箱溜板箱用來使光杠和絲杠的轉動改變為刀架的自動進給運動。光杠用于一般的車削，絲杠只用于車螺紋。溜板箱中設有互鎖機構，使兩者不能同時使用。

（6）刀架刀架用來夾持車刀并使其作縱向、橫向或斜向進給運動。

（7）尾座尾座用于安裝后頂尖以支持工件，或安裝鉆頭、鉸刀等刀具進行孔加工。尾座的結構如上圖所示，它主要由套筒、尾座體、底座等幾部分組成。轉動手輪，可調整套筒伸縮一定距離，并且尾座還可沿床身導軌推移至所需位置，以適應不同工件加工的要求。

（8）床身固定在床腿上，床身是車床的基本支承件，床身的功用是支承各主要部件并使它們在工作時保持準確的相對位置。

（9）絲杠絲杠能帶動大拖板作縱向移動，用來車削螺紋。絲杠是車床中主要精密件之一，一般不用絲杠自動進給，以便長期保持絲杠的精度。

（10）光杠光杠用于機動進給時傳遞運動。通過光杠可把進給箱的運動傳遞給溜板箱，使刀架作縱向或橫向進給運動。

（11）操縱桿操縱桿是車床的控制機構，在操縱桿左端和拖板箱右側各裝有一個手柄，操作工人可以很方便地操縱手柄以控制車床主軸正轉、反轉或停車。

2.2.數控機床

數控機床：數控機床較普通機床的不同之處在于它的控制系統—CNC系統。由程序編制及程序載體、輸入裝置、數控裝置、驅動裝置和位置檢測裝置、輔助控制裝置、機床本體。

（1）程序編制及程序載體數控程序是數控機床自動加工零件的工作指令。在對加工零件進行工藝分析的基礎上，確定零件坐標系在機床坐標系上的相對位置，即零件在機床上的安裝位置；刀具與零件相對運動的尺寸參數；零件加工的工藝路線、切削加工的工藝參數以及輔助裝置的動作等。得到零件的所有運動、尺寸、工藝參數等加工信息后，用由文字、數字和符號組成的標準數控代碼，按規定的方法和格式，編制零件加工的數控程序單。編制程序的工作可由人工進行；對于形狀復雜的零件，則要在專用的編程機或通用計算機上進行自動編程（APT）或CAD/CAM設計。

（2）輸入裝置輸入裝置的作用是將程序載體（信息載體）上的數控代碼傳遞并存入數控系統內。根據控制存儲介質的不同，輸入裝置可以是光電閱讀機、磁帶機或軟盤驅動器等。數控機床加工程序也可通過鍵盤用手工方式直接輸入數控系統；數控加工程序還可由編程計算機用RS232C或采用網絡通信方式傳送到數控系統中。

（3）數控裝置數控裝置是數控機床的核心。數控裝置從內部存儲器中取出或接受輸入裝置送來的一段或幾段數控加工程序，經過數控裝置的邏輯電路或系統軟件進行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種控制信息和指令，控制機床各部分的工作，使其進行規定的有序運動和動作。

（4）驅動裝置和位置檢測裝置驅動裝置接受來自數控裝置的指令信息，經功率放大后，嚴格按照指令信息的要求驅動機床移動部件，以加工出符合圖樣要求的零件。因此，它的伺服精度和動態響應性能是影響數控機床加工精度、表面質量和生產率的重要因素之一。驅動裝置包括控制器（含功率放大器）和執行機構兩大部分。目前大都采用直流或交流伺服電動機作為執行機構。

（5）輔助控制裝置輔助控制裝置的主要作用是接收數控裝置輸出的開關量指令信號，經過編譯、邏輯判別和運動，再經功率放大后驅動相應的電器，帶動機床的機械、液壓、氣動等輔助裝置完成指令規定的開關量動作。這些控制包括主軸運動部件的變速、換向和啟停指令，刀具的選擇和交換指令，冷卻、潤滑裝置的啟動停止，工件和機床部件的松開、夾緊，分度工作臺轉位分度等開關輔助動作。由于可編程邏輯控制器（PLC）具有響應快，性能可靠，易于使用、編程和修改程序并可直接啟動機床開關等特點，現已廣泛用作數控機床的輔助控制裝置。

（6）機床本體數控機床的機床本體與傳統機床相似，由主軸傳動裝置、進給傳動裝置、床身、工作臺以及輔助運動裝置、液壓氣動系統、潤滑系統、冷卻裝置等組成。但數控機床在整體布局、外觀造型、傳動系統、刀具系統的結構以及操作機構等方面都已發生了很大的變化。這種變化的目的是為了滿足數控機床的要求和充分發揮數控機床。

2.3.2017年機床行業運行特征

2017年中國機床行業在制造業回暖和下游市場需求逐步回升的支撐下，整體市場呈現恢復性增長態勢。

工業轉型升級與消費升級帶動數控機床行業發展

隨著我國工業轉型升級和戰略性新興產業高速發展，以智能制造、綠色制造和服務型制造為代表的裝備制造業已經成為國民經濟的支柱產業，實現我國裝備制造業由大到強的轉變，已成為國家發展裝備制造業的主要目標。與此同時，隨著全面建設小康社會戰略的實施，人們對生活品質有了更高的要求，消費電子行業、汽車工業等反映“消費娛樂化”趨勢的領域正迎來高速發展期。在上述工業轉型升級的大背景下，數控機床行業作為上述行業重要的加工設備也在消費升級的大趨勢中迎來新的增長點。

數控化比例逐年提升。

數控機床行業屬于技術密集、資金密集、人才密集的產業，具有多門類、多品種、小批量、高社會效益等產業特性。目前行業配套的中高檔數控系統和關鍵功能部件主要依賴進口。同時，相比日本、德國及美國發達國家的60%-70%的制造設備數控化率，我國機床的數控化率仍然較低。隨著未來下游產業的升級，我國機床工具產業將進行結構性調整，數控機床將逐漸替代普通機床，占據主導地位。

加工部件精度提升，要求機床更加精度化。

精密制造技術的進步使機械加工實現了亞微米、納米級超精加工，精密機床制造進入了微納時代。集信息技術、系統控制技術、電子技術、光電子技術、通信技術、傳感技術、軟件技術和專家系統等為一體，實現擴展和替代腦力勞動的智能化控制技術，成為驅動數字化工廠建設的技術基礎。但高端數控機床設備中有些關鍵技術（如高速、高精運動控制技術，動態、熱態綜合補償技術，多軸聯動和復合加工技術，智能化控制技術，高精度直驅技術及可靠性技術等）尚需進一步突破，有些重大技術離產業化還有相當距離。以市場為導向、以企業為主體，產、學、研、用相結合的研發體系尚未真正建立，行業的自主創新發展缺乏基礎支撐。

總體來說，2017年機床行業整體呈現增長態勢，發展趨勢良好。

2.4國家宏觀政策和機床行業政策

2017年，在世界經濟環境復蘇，中國出口明顯上升，制造業全面回暖，國家政策鼓勵制造業升級，去產能初見成效，制造業周期性采購等多個因素影響下，中國機床行業實現恢復性增長，國家政策起到了重大的影響。

（1）《中國制造2025》

國務院印發的《中國制造2025》，明確了9項戰略任務和重點，包括大力推動重點領域突破發展，聚焦新一代信息技術產業、高檔數控機床和機器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術船舶、先進軌道交通裝備、節能與新能源汽車、電力裝備、農機裝備、新材料、生物醫藥及高性能醫療器械等十大重點領域。實施工業產品質量提升行動計劃，針對汽車、高檔數控機床、軌道交通裝備、大型成套技術裝備、工程機械、特種設備、關鍵原材料、基礎零部件、電子元器件等重點行業，組織攻克一批長期困擾產品質量提升的關鍵共性質量技術，加強可靠性設計、試驗與驗證技術開發應用，推廣采用先進成型和加工方法、在線檢測裝置、智能化生產和物流系統及檢測設備等，使重點實物產品的性能穩定性、質量可靠性、環境適應性、使用壽命等指標達到國際同類產品先進水平。促進了機床本身和下游行業的發展。

（2）《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》

2016年，十二屆全國人民代表大會四次會議表決通過了關于國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要的決議，在高端裝備創新發展過程中提到高檔數控機床，明確提出“研制精密、高速、柔性數控機床與基礎制造裝備及集成制造系統，以提升可靠性、精度保持性為重點，開發高檔數控系統、軸承、光柵、傳感器等主要功能部件及關鍵應用軟件。”推進機床向高精度、可靠性發展。

（3）《綠色制造工程實施指南（2016-2020年）》

工信部編制的《綠色制造工程實施指南（2016-2020年）》，將以此為組織實施綠色制造工程的抓手，全面推行綠色制造，力爭率先實現《中國制造2025》的綠色發展目標。以實施綠色制造工程作為全面推行綠色制造的切入點，重點實施傳統制造業綠色化改造，推進資源循環利用綠色發展，推動綠色制造技術創新及產業化，構建涵蓋綠色產品、綠色工廠、綠色園區、綠色供應鏈的綠色制造體系。建設綠色制造服務平臺，依托“一帶一路”推進綠色制造產業合作，實施節能環保產業“走出去”工程，推動在沿線國家和地區建設綠色制造示范項目，加強綠色低碳技術裝備和產業等方面的國際合作。在此背景下，綠色制造是最大限度地減少對環境的負面影響和使原材料、能源等的利用效率達到最高的現代制造模式，在保證高性能、高效率的同時，可以達到節能、低耗、環保的目的。未來節能環保精密加工數控機床設備將會成為行業內的主流。

2.5機床行業發展趨勢

目前中國現在已經是世界第一大機床生產國和消費國，金屬切削機床無論從產品種類、技術水平、質量和產量上都取得快速的發展。但是我國金屬切削機床的數控化率偏低，機床的技術水平與世界先進水平還有一定的差距，產品的質量和精度保持性不夠穩定，數控系統的研發還需提高。同時，低技術水平的產品競爭激烈，國內企業自行開發能力較差，配套的高質量功能部件和數控系統主要依靠進口。為了提升現階段我國金屬切削機床行業的技術水平，行業內國產企業必須在生產專業化、產品研發能力和技術引進與合作方面加強投入，努力提高生產效率和產品質量。未來，機床行業發展主要呈現以下幾個特點。

（1）高精度化。國外數控系統的設定單位由1um發展到0.1um和0.01um。1992年7月，日本FANUC公司在慶祝該公司成立二十周年的新成果展示會上，展示了實現納米加工的整套技術，實現了0.001um／脈沖的控制系統，能順利執行每個脈沖當量為0．001um的伺服單元，伺服電機、氣浮絲杠、氣浮主軸等部件，能檢測納米級精度的高精度檢測反饋系統。據資料介紹，這是世界上第一個真正實現納米加工的成套技術。

（2）高速化。快速行程已從24m／min提高到240m／min(當設計單位為1um時)，加工中心的切削進給速度可達10m／min以上。數控系統已從16位微機發展到32位、64位機，或用40多個CPU的結構。FANUC公司開發的15B數控系統就采用了64位微機的RISC技術(壓縮、優化程序、消除跟蹤誤差)。

（3）高可靠性。FANUC公司的計算機數控系統的平均無故障工作時(MTBF)是0.01次／月?臺，即實現了100個月里出現一次故障的高可靠性，從而使機器人也實現了0.013次／月?臺的高可靠性(另一種說法是國外數控系統的MTBF在1萬小時以上)。

（4）系統化。在新廠籌建和老廠擴建過程中，人們已注意到了要在系統工程觀念指導下來添置數控機床、柔性加工單位及柔性制造系統、機器人等機電一體化產品。德國的維勒爾公司已經給世界各國提供了上百條柔性制造系統。FANUC公司還在筑波科學城中按計算機集成制造系統(O1MS)的五層結構建成CIMS模式的工廠。富士通公司建立了紹津CIMS工廠，富士電機也建立了C1MS工廠，德國的西門子公司建立了CIMS數控系統制造廠。

（5）微型化。FANUC公司由于采用了64位微處理器、RISC技術、SMT技術(表面涂裝技術)，用液晶顯示器代替CRT及三維立體安裝等新技術。已將16、18等新數控系統縮小到原有數控系統的1/3。同時，已開始與其它公司，政府部門合作，開展了微型機器人的研制工作。用于醫學領域的微型機器人要能進入人體，執行打通血管阻塞的任務，還要在任務完成后自動退出人體。

（6）智能化。視覺、觸覺、模糊邏輯控制等智能化工作仍在積極進行。如FANUC公司展示的7軸雙腕智能化機器人。日本在無人化工廠的研制上長期保持l～2個示范工廠的狀態現已打破，目前已有7個無人化工廠。FANUC公司在無人化工廠的研制上每年投入1億美元的研制費。

（7）由傳統的萬能機床向機床功能專用化和產品多樣化發展。由于機床的萬能性和多功能性，造成機床結構復雜、制造周期長、成本也相應提高。用戶往往只需要部分功能，但付出的卻是多功能的代價，功能浪費了，又不經濟。現在機床制造業從品種少、批量大的生產轉換為多品種、專業化和小批量生產。對每一種具體的機床產品來說，它的功能應該是有限的，適合用戶特定需要的，盡量不帶不必要的功能。如加工中心的刀庫，原來一般為60把刀，后考慮多數用戶需要的刀數還不到一半，生產企業把刀庫容量降到25把刀或以下。

（8）以模塊化設計實現產品多樣化，功能專用化，已成為當前機床發展的主流。這類機床是較為專用化的機床。這類機床在機床銷售額中所占的比重，過去5～10年為3%，現在已達到10%，再過5～10年，將達到50%以上。生產企業要為每個不同的用戶專門設計機床，而規格和功能完全相同的機床將愈來愈少。甚至于以后有可能不再出現。

（9）發展經濟型數控機床和加工中心也成為當前數控機床發展的一種趨勢。經濟型(國外多稱為廉價型)數控機床，加工中心，是美國、日本等國的機床業作為一個參與市場競爭的新策略而再現的。起初這些企業為擴大銷售市場，眼光從西方轉向東方，針對中國大陸和東南亞這一片市場，如以功能復雜、檔次高而價格昂貴的數控機床、加工中心在市場上競爭并不有利，相反，以價廉和便于操作的數控機床來適應，則更加符合于這些地區的實際需要。

（10）“電子——機械”商品化。一般認為機電一體化商品，機械部分成本較高。現在國際市場上機電一體化商品中的“電子”部分的比例不斷增加。FANUC公司正準備將成本中的電子部分增加到占60%，機械部分占40%，即形成以“電子”為主，以“機械”為輔的機電一體化商品。

二、機床行業自動化產品應用介紹

1.機床的自動化產品組成

在機床行業，應用自動化產品最多、最為廣泛的莫過于數控機床。數控機床一般由輸入裝置、數控系統、伺服系統、測量環節和機床床體（組成機床本體的各機械部件）組成。數控機床組成示意圖如圖1所示。

圖1數控機床組成示意圖

（1）輸入裝置可將不同加工信息傳遞于計算機。在數控機床產生的初期，輸入裝置為穿孔紙帶，現已趨于淘汰。目前，使用鍵盤、磁盤等，大大方便了信息輸入工作。

（2）數控裝置是數控機床的核心與主導，完成所有加工數據的處理、計算工作，最終實現數控機床各功能的指揮工作。它包含微計算機的電路，各種接口電路、CRT顯示器等硬件及相應的軟件。

（3）可編程控制器即PLC，它對主軸單元實現控制，將程序中的轉速指令進行處理而控制主軸轉速；管理刀庫，進行自動刀具交換、選刀方式、刀具累計使用次數、刀具剩余壽命及刀具刃磨次數等管理；控制主軸正反轉和停止、準停、切削液開關、卡盤夾緊松開、機械手取送刀等動作；還對機床外部開關（行程開關、壓力開關、溫控開關等）進行控制；對輸出信號（刀庫、機械手、回轉工作臺等）進行控制。

（4）檢測反饋裝置由檢測元件和相應的電路組成，主要是檢測速度和位移，并將信息反饋于數控裝置，實現閉環控制以保證數控機床加工精度。

（5）機床主機是數控機床的主體，包括床身、主軸、進給傳動機構等機械部件。

1.1CNC系統在數控機床中的應用

CNC系統最主要的應用領域是數控車床，隨著數控車床產量的增長，對CNC系統的需求量也在不斷上升。CNC作為數控機床主要控制系統，對機床設備的影響極為關鍵。

1.2HMI在數控機床中的應用

為實現數控機床和CNC加工中心的高度模塊化，采用HMI連接人的指令與機器的執行。

1.3PLC在數控機床中的應用

數控機床中所用的PLC可分為兩類：一類是專為實現數控機床順序控制而設計制造的內裝型PLC(built-inType)，另一類是那些輸入輸出技術規范，輸入輸出點數，程序存儲容量以及運算和控制功能等均能滿足數控機床控制要求的獨立型PLC(Stand-aloneType)。

內裝式PLC也稱集成式PLC，采用這種方式的數控系統，在設計之初就將NC和PLC結合起來考慮，NC和PLC之間的信號傳遞是在內部總線的基礎上進行的，因而有較高的交換速度和較寬的信息通道。它們可以共用一個CPU也可以是單獨的CPU。這種結構從軟硬件整體上考慮，PLC和NC之間沒有多余的導線連接，增加了系統的可靠性，而且NC和PLC之間易實現許多高級功能。PLC中的信息也能通過CNC的顯示器顯示,這種方式對于系統的使用具有較大的優勢。高檔次的數控系統一般都采用這種形式的PLC。

獨立式PLC也稱外裝式PLC，它獨立于NC裝置，具有獨立完成控制功能的PLC。采用這種應用方式，可根據用戶自己的特點，選用不同專業PLC廠商的產品，并且可以更為方便的對控制規模進行調整。

1.4伺服系統在數控機床中的應用

伺服系統是以機械運動的驅動設備—電機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執行機構的電氣傳動控制系統。這類系統控制電機的轉矩、轉速和轉角，將電能轉換為機械能，實現運動機械的運動要求。具體在數控機床中，伺服系統接收數控系統發出的位移、速度指令，經變換、放大與調整后，由電機和機械傳動機構驅動機床坐標軸、主軸帶動工作臺及刀架，通過軸的聯動使刀具相對工件產生各種復雜的機械運動，從而加工出用戶所需的工件。

1.5電機在數控機床中的應用

機床在設計中采用直線電機驅動，對減輕運動部件質量、加強機床剛性、解決高速運動下的抗沖擊性、直線電機的防護，以及控制系統、伺服系統與電機的匹配和優化調試等方面做了突出的貢獻。

1.6低壓電氣產品在數控機床中的應用

低壓電氣產品在各種電控設備中都有廣泛應用，數控機床中的低壓電氣產品種類也相對較多，如低壓斷路器、熔斷保護器、開關等部件。

三、機床行業自動化市場容量和產品份額

機床行業使用的自動化產品包括CNC系統、PLC、電機、伺服系統、HMI、低壓電氣產品等。各類機床用產品的市場容量規模相對都比較大，我們跟蹤市場上重要用戶及多個廠家的使用情況，得到的數據如表1、圖2所示。

表1 2017年機床行業自動化市場容量-按產品

圖2 2017年機床行業自動化市場容量-按產品（MRMB）

1.CNC系統在機床市場容量及預測

CNC市場隨著機床行業的波動，近幾年變化明顯。2017年機床市場發展較好，帶動CNC市場蓬勃發展，2017年CNC增長率達到22%，如表2所示。

表2 2015-2020年機床行業CNC市場容量及預測

2.HMI在機床行業市場容量及預測

HMI即操作面板，是操作人員與數控裝置進行信息交流的工具組成：按鈕站/狀態燈/按鍵陣列/顯示器。基本每種數控機床都需要一個人機界面來連接機器與人的操控。受2017年機床市場影響，2017年HMI市場實現增長。2015-2020年機床行業HMI市場容量及預測如表3所示。

表3 2015-2020年機床行業HMI市場容量及預測

3.PLC在機床市場容量及預測

PLC在工業自動控制領域應用愈來愈廣，它在控制性能、組機周期和硬件成本等方面所表現出的綜合優勢是其它工控產品難以比擬的。隨著PLC技術的發展,它在位置控制、過程控制、數據處理等方面的應用也越來越多。在機床的實際設計和生產過程中,為了提高數控機床加工的精度,對其定位控制裝置的選擇就顯得尤為重要。

受2017年機床市場快速發展影響，機床行業PLC市場銷售額也實現較大增長，如表4所示。

表4 2015-2020年機床行業PLC市場容量及預測

4.伺服系統在機床行業市場容量及預測

作為數控機床的重要功能部件，伺服系統的特性一直是影響系統加工性能的重要指標。圍繞伺服系統動態特性與靜態特性的提高，近年來發展了多種伺服驅動技術。可以預見隨著超高速切削、超精密加工、網絡制造等先進制造技術的發展，具有網絡接口的全數字伺服系統、直線電動機及高速電主軸等將成為數控機床行業的關注的熱點，并成為伺服系統的發展方向。由此可以判斷，應用在電機上伺服系統將愈加廣泛。

隨著整個制造業大環境的回暖，2017年機床行業伺服系統的市場容量實現了快速增長，如表5所示。

表5 2015-2020年機床行業伺服系統市場容量及預測

5.電機在機床行業市場容量及預測

直線電機及其驅動控制體系在技能上已日趨老練，已具有枯燥傳動裝置無法相比的優秀性能。過往人們所擔心的直線電機推力小、體積大、溫舉高、可靠性差、擔心定、難安置、難防護等標題，隨著電機制造技能的改革，已不再是大標題。而驅動與控制技能的成長又為其性能拓展和安定性提供了包管。選擇得當的直線電機及驅動控制體系，配以合理的機床設計，完全可以生產出高性能、高可靠性的機床。

電機市場受機床行業生產情況的影響較大，隨著機床市場快速增長，電機市場也實現增長，如表6所是。