一、机床行业概述
机床的分类形式多种多样，可以按工件大小和机床重量、加工精度、自动化程度、控制方式分类，又可以按机床的适用范围、加工方式或加工对象分类，这里采用的分类方式最为常用，如下：
（1）普通机床：包括普通车床、钻床、镗床、铣床、刨插床等。
（2）精密机床：包括磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床和其他各种精密机床。
（3）高精度机床：包括坐标镗床、齿轮磨床、螺纹磨床、高精度滚齿机、高精度刻线机和其他高精度机床等。
（4）数控机床：数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。
1.普通车床
普通车床：常用于加工工件的内外回转表面、端面和各种内外螺纹，采用相应的刀具和附件，还可进行钻孔、扩孔、攻丝和滚花等。其基本结构包括变速箱，主轴箱，挂轮箱，进给箱，溜板箱，刀架，尾座等。
（1）变速箱变速箱用来改变主轴的转速。主要由传动轴和变速齿轮组成。通过操纵变速箱和主轴箱外面的变速手柄改变齿轮或离合器的位置，可使主轴获得12种不同的速度。主轴的反转是通过电动机的反转来实现的。
（2）主轴箱主轴箱用来支承主轴，并使其作各种速度旋转运动；主轴是空心的，便于穿过长的工件；在主轴的前端可以利用锥孔安装顶尖，也可利用主轴前端圆锥面安装卡盘和拨盘，以便装夹工件。
（3）挂轮箱挂轮箱用来搭配不同齿数的齿轮，以获得不同的进给量。主要用于车削不同种类的螺纹。
（4）进给箱进给箱用来改变进给量。主轴经挂轮箱传入进给箱的运动，通过移动变速手柄来改变进给箱中滑动齿轮的啮合位置，便可使光杆或丝杆获得不同的转速。
（5）溜板箱溜板箱用来使光杠和丝杠的转动改变为刀架的自动进给运动。光杠用于一般的车削，丝杠只用于车螺纹。溜板箱中设有互锁机构，使两者不能同时使用。
（6）刀架刀架用来夹持车刀并使其作纵向、横向或斜向进给运动。
（7）尾座尾座用于安装后顶尖以支持工件，或安装钻头、铰刀等刀具进行孔加工。尾座的结构如上图所示，它主要由套筒、尾座体、底座等几部分组成。转动手轮，可调整套筒伸缩一定距离，并且尾座还可沿床身导轨推移至所需位置，以适应不同工件加工的要求。
（8）床身固定在床腿上，床身是车床的基本支承件，床身的功用是支承各主要部件并使它们在工作时保持准确的相对位置。
（9）丝杠丝杠能带动大拖板作纵向移动，用来车削螺纹。丝杠是车床中主要精密件之一，一般不用丝杠自动进给，以便长期保持丝杠的精度。
（10）光杠光杠用于机动进给时传递运动。通过光杠可把进给箱的运动传递给溜板箱，使刀架作纵向或横向进给运动。
（11）操纵杆操纵杆是车床的控制机构，在操纵杆左端和拖板箱右侧各装有一个手柄，操作工人可以很方便地操纵手柄以控制车床主轴正转、反转或停车。
2.数控机床
数控机床：数控机床较普通机床的不同之处在于它的控制系统—CNC系统。由程序编制及程序载体、输入装置、数控装置、驱动装置和位置检测装置、辅助控制装置、机床本体。
（1）程序编制及程序载体数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置；刀具与零件相对运动的尺寸参数；零件加工的工艺路线、切削加工的工艺参数以及辅助装置的动作等。得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息后，用由文字、数字和符号组成的标准数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序单。编制程序的工作可由人工进行；对于形状复杂的零件，则要在专用的编程机或通用计算机上进行自动编程（APT）或CAD/CAM设计。
（2）输入装置输入装置的作用是将程序载体（信息载体）上的数控代码传递并存入数控系统内。根据控制存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。数控机床加工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控系统；数控加工程序还可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。
（3）数控装置数控装置是数控机床的核心。数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。
（4）驱动装置和位置检测装置驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床移动部件，以加工出符合图样要求的零件。因此，它的伺服精度和动态响应性能是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。
（5）辅助控制装置辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运动，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启动停止，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。由于可编程逻辑控制器（PLC）具有响应快，性能可靠，易于使用、编程和修改程序并可直接启动机床开关等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。
（6）机床本体数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。但数控机床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都已发生了很大的变化。这种变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床。
3.2017年机床行业运行特征
2017年中国机床行业在制造业回暖和下游市场需求逐步回升的支撑下，整体市场呈现恢复性增长态势。
（1）工业转型升级与消费升级带动数控机床行业发展.
随着我国工业转型升级和战略性新兴产业高速发展，以智能制造、绿色制造和服务型制造为代表的装备制造业已经成为国民经济的支柱产业，实现我国装备制造业由大到强的转变，已成为国家发展装备制造业的主要目标。与此同时，随着全面建设小康社会战略的实施，人们对生活品质有了更高的要求，消费电子行业、汽车工业等反映“消费娱乐化”趋势的领域正迎来高速发展期。在上述工业转型升级的大背景下，数控机床行业作为上述行业重要的加工设备也在消费升级的大趋势中迎来新的增长点。
（2）数控化比例逐年提升。
数控机床行业属于技术密集、资金密集、人才密集的产业，具有多门类、多品种、小批量、高社会效益等产业特性。目前行业配套的中高档数控系统和关键功能部件主要依赖进口。同时，相比日本、德国及美国发达国家的60%-70%的制造设备数控化率，我国机床的数控化率仍然较低。随着未来下游产业的升级，我国机床工具产业将进行结构性调整，数控机床将逐渐替代普通机床，占据主导地位。
（3）加工部件精度提升，要求机床更加精度化。
精密制造技术的进步使机械加工实现了亚微米、纳米级超精加工，精密机床制造进入了微纳时代。集信息技术、系统控制技术、电子技术、光电子技术、通信技术、传感技术、软件技术和专家系统等为一体，实现扩展和替代脑力劳动的智能化控制技术，成为驱动数字化工厂建设的技术基础。但高端数控机床设备中有些关键技术（如高速、高精运动控制技术，动态、热态综合补偿技术，多轴联动和复合加工技术，智能化控制技术，高精度直驱技术及可靠性技术等）尚需进一步突破，有些重大技术离产业化还有相当距离。以市场为导向、以企业为主体，产、学、研、用相结合的研发体系尚未真正建立，行业的自主创新发展缺乏基础支撑。
总体来说，2017年机床行业整体呈现增长态势，发展趋势良好。
4.国家宏观政策和机床行业政策
2017年，在世界经济环境复苏，中国出口明显上升，制造业全面回暖，国家政策鼓励制造业升级，去产能初见成效，制造业周期性采购等多个因素影响下，中国机床行业实现恢复性增长，国家政策起到了重大的影响。
（1）《中国制造2025》
国务院印发的《中国制造2025》，明确了9项战略任务和重点，包括大力推动重点领域突破发展，聚焦新一代信息技术产业、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农机装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械等十大重点领域。实施工业产品质量提升行动计划，针对汽车、高档数控机床、轨道交通装备、大型成套技术装备、工程机械、特种设备、关键原材料、基础零部件、电子元器件等重点行业，组织攻克一批长期困扰产品质量提升的关键共性质量技术，加强可靠性设计、试验与验证技术开发应用，推广采用先进成型和加工方法、在线检测装置、智能化生产和物流系统及检测设备等，使重点实物产品的性能稳定性、质量可靠性、环境适应性、使用寿命等指标达到国际同类产品先进水平。促进了机床本身和下游行业的发展。
（2）《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》
2016年，十二届全国人民代表大会四次会议表决通过了关于国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要的决议，在高端装备创新发展过程中提到高档数控机床，明确提出“研制精密、高速、柔性数控机床与基础制造装备及集成制造系统，以提升可靠性、精度保持性为重点，开发高档数控系统、轴承、光栅、传感器等主要功能部件及关键应用软件。”推进机床向高精度、可靠性发展。
（3）《绿色制造工程实施指南（2016-2020年）》
工信部编制的《绿色制造工程实施指南（2016-2020年）》，将以此为组织实施绿色制造工程的抓手，全面推行绿色制造，力争率先实现《中国制造2025》的绿色发展目标。以实施绿色制造工程作为全面推行绿色制造的切入点，重点实施传统制造业绿色化改造，推进资源循环利用绿色发展，推动绿色制造技术创新及产业化，构建涵盖绿色产品、绿色工厂、绿色园区、绿色供应链的绿色制造体系。建设绿色制造服务平台，依托“一带一路”推进绿色制造产业合作，实施节能环保产业“走出去”工程，推动在沿线国家和地区建设绿色制造示范项目，加强绿色低碳技术装备和产业等方面的国际合作。在此背景下，绿色制造是最大限度地减少对环境的负面影响和使原材料、能源等的利用效率达到最高的现代制造模式，在保证高性能、高效率的同时，可以达到节能、低耗、环保的目的。未来节能环保精密加工数控机床设备将会成为行业内的主流。
5.机床行业发展趋势
目前中国现在已经是世界第一大机床生产国和消费国，金属切削机床无论从产品种类、技术水平、质量和产量上都取得快速的发展。但是我国金属切削机床的数控化率偏低，机床的技术水平与世界先进水平还有一定的差距，产品的质量和精度保持性不够稳定，数控系统的研发还需提高。同时，低技术水平的产品竞争激烈，国内企业自行开发能力较差，配套的高质量功能部件和数控系统主要依靠进口。为了提升现阶段我国金属切削机床行业的技术水平，行业内国产企业必须在生产专业化、产品研发能力和技术引进与合作方面加强投入，努力提高生产效率和产品质量。未来，机床行业发展主要呈现以下几个特点。
（1）高精度化。国外数控系统的设定单位由1um发展到0.1um和0.01um。1992年7月，日本FANUC公司在庆祝该公司成立二十周年的新成果展示会上，展示了实现纳米加工的整套技术，实现了0.001um／脉冲的控制系统，能顺利执行每个脉冲当量为0．001um的伺服单元，伺服电机、气浮丝杠、气浮主轴等部件，能检测纳米级精度的高精度检测反馈系统。据资料介绍，这是世界上第一个真正实现纳米加工的成套技术。
（2）高速化。快速行程已从24m／min提高到240m／min(当设计单位为1um时)，加工中心的切削进给速度可达10m／min以上。数控系统已从16位微机发展到32位、64位机，或用40多个CPU的结构。FANUC公司开发的15B数控系统就采用了64位微机的RISC技术(压缩、优化程序、消除跟踪误差)。
（3）高可靠性。FANUC公司的计算机数控系统的平均无故障工作时(MTBF)是0.01次／月•台，即实现了100个月里出现一次故障的高可靠性，从而使机器人也实现了0.013次／月•台的高可靠性(另一种说法是国外数控系统的MTBF在1万小时以上)。
（4）系统化。在新厂筹建和老厂扩建过程中，人们已注意到了要在系统工程观念指导下来添置数控机床、柔性加工单位及柔性制造系统、机器人等机电一体化产品。德国的维勒尔公司已经给世界各国提供了上百条柔性制造系统。FANUC公司还在筑波科学城中按计算机集成制造系统(O1MS)的五层结构建成CIMS模式的工厂。富士通公司建立了绍津CIMS工厂，富士电机也建立了C1MS工厂，德国的西门子公司建立了CIMS数控系统制造厂。
（5）微型化。FANUC公司由于采用了64位微处理器、RISC技术、SMT技术(表面涂装技术)，用液晶显示器代替CRT及三维立体安装等新技术。已将16、18等新数控系统缩小到原有数控系统的1/3。同时，已开始与其它公司，政府部门合作，开展了微型机器人的研制工作。用于医学领域的微型机器人要能进入人体，执行打通血管阻塞的任务，还要在任务完成后自动退出人体。
（6）智能化。视觉、触觉、模糊逻辑控制等智能化工作仍在积极进行。如FANUC公司展示的7轴双腕智能化机器人。日本在无人化工厂的研制上长期保持l～2个示范工厂的状态现已打破，目前已有7个无人化工厂。FANUC公司在无人化工厂的研制上每年投入1亿美元的研制费。
（7）由传统的万能机床向机床功能专用化和产品多样化发展。由于机床的万能性和多功能性，造成机床结构复杂、制造周期长、成本也相应提高。用户往往只需要部分功能，但付出的却是多功能的代价，功能浪费了，又不经济。现在机床制造业从品种少、批量大的生产转换为多品种、专业化和小批量生产。对每一种具体的机床产品来说，它的功能应该是有限的，适合用户特定需要的，尽量不带不必要的功能。如加工中心的刀库，原来一般为60把刀，后考虑多数用户需要的刀数还不到一半，生产企业把刀库容量降到25把刀或以下。
（8）以模块化设计实现产品多样化，功能专用化，已成为当前机床发展的主流。这类机床是较为专用化的机床。这类机床在机床销售额中所占的比重，过去5～10年为3%，现在已达到10%，再过5～10年，将达到50%以上。生产企业要为每个不同的用户专门设计机床，而规格和功能完全相同的机床将愈来愈少。甚至于以后有可能不再出现。
（9）发展经济型数控机床和加工中心也成为当前数控机床发展的一种趋势。经济型(国外多称为廉价型)数控机床，加工中心，是美国、日本等国的机床业作为一个参与市场竞争的新策略而再现的。起初这些企业为扩大销售市场，眼光从西方转向东方，针对中国大陆和东南亚这一片市场，如以功能复杂、档次高而价格昂贵的数控机床、加工中心在市场上竞争并不有利，相反，以价廉和便于操作的数控机床来适应，则更加符合于这些地区的实际需要。
（10）“电子——机械”商品化。一般认为机电一体化商品，机械部分成本较高。现在国际市场上机电一体化商品中的“电子”部分的比例不断增加。FANUC公司正准备将成本中的电子部分增加到占60%，机械部分占40%，即形成以“电子”为主，以“机械”为辅的机电一体化商品。
在机床行业，应用自动化产品最多、最为广泛的莫过于数控机床。数控机床一般由输入装置、数控系统、伺服系统、测量环节和机床床体（组成机床本体的各机械部件）组成。数控机床组成示意图如图1所示。
▲ 图1数控机床组成示意图
（1）输入装置可将不同加工信息传递于计算机。在数控机床产生的初期，输入装置为穿孔纸带，现已趋于淘汰。目前，使用键盘、磁盘等，大大方便了信息输入工作。
（2）数控装置是数控机床的核心与主导，完成所有加工数据的处理、计算工作，最终实现数控机床各功能的指挥工作。它包含微计算机的电路，各种接口电路、CRT显示器等硬件及相应的软件。
（3）可编程控制器即PLC，它对主轴单元实现控制，将程序中的转速指令进行处理而控制主轴转速；管理刀库，进行自动刀具交换、选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩余寿命及刀具刃磨次数等管理；控制主轴正反转和停止、准停、切削液开关、卡盘夹紧松开、机械手取送刀等动作；还对机床外部开关（行程开关、压力开关、温控开关等）进行控制；对输出信号（刀库、机械手、回转工作台等）进行控制。
（4）检测反馈装置由检测元件和相应的电路组成，主要是检测速度和位移，并将信息反馈于数控装置，实现闭环控制以保证数控机床加工精度。
（5）机床主机是数控机床的主体，包括床身、主轴、进给传动机构等机械部件。
1.CNC系统在数控机床中的应用
CNC系统最主要的应用领域是数控车床，随着数控车床产量的增长，对CNC系统的需求量也在不断上升。CNC作为数控机床主要控制系统，对机床设备的影响极为关键。
2.HMI在数控机床中的应用
为实现数控机床和CNC加工中心的高度模块化，采用HMI连接人的指令与机器的执行。
3.PLC在数控机床中的应用
数控机床中所用的PLC可分为两类：一类是专为实现数控机床顺序控制而设计制造的内装型PLC(built-inType)，另一类是那些输入输出技术规范，输入输出点数，程序存储容量以及运算和控制功能等均能满足数控机床控制要求的独立型PLC(Stand-aloneType)。
内装式PLC也称集成式PLC，采用这种方式的数控系统，在设计之初就将NC和PLC结合起来考虑，NC和PLC之间的信号传递是在内部总线的基础上进行的，因而有较高的交换速度和较宽的信息通道。它们可以共用一个CPU也可以是单独的CPU。这种结构从软硬件整体上考虑，PLC和NC之间没有多余的导线连接，增加了系统的可靠性，而且NC和PLC之间易实现许多高级功能。PLC中的信息也能通过CNC的显示器显示,这种方式对于系统的使用具有较大的优势。高档次的数控系统一般都采用这种形式的PLC。
独立式PLC也称外装式PLC，它独立于NC装置，具有独立完成控制功能的PLC。采用这种应用方式，可根据用户自己的特点，选用不同专业PLC厂商的产品，并且可以更为方便的对控制规模进行调整。
4.伺服系统在数控机床中的应用
伺服系统是以机械运动的驱动设备—电机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构的电气传动控制系统。这类系统控制电机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大与调整后，由电机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所需的工件。
5.在设计中采用直线电机驱动，对减轻运动部件质量、加强机床刚性、解决高速运动下的抗冲击性、直线电机的防护，以及控制系统、伺服系统与电机的匹配和优化调试等方面做了突出的贡献。
6.低压电气产品在数控机床中的应用
低压电气产品在各种电控设备中都有广泛应用，数控机床中的低压电气产品种类也相对较多，如低压断路器、熔断保护器、开关等部件。
三、机床行业自动化市场容量和产品份额
机床行业使用的自动化产品包括CNC系统、PLC、电机、伺服系统、HMI、低压电气产品等。各类机床用产品的市场容量规模相对都比较大，我们跟踪市场上重要用户及多个厂家的使用情况，得到的数据如表1、图2所示。
▲ 表1 2017年机床行业自动化市场容量-按产品
▲ 图2 2017年机床行业自动化市场容量-按产品（MRMB）
CNC市场随着机床行业的波动，近几年变化明显。2017年机床市场发展较好，带动CNC市场蓬勃发展，2017年CNC增长率达到22%，如表2所示。
▲ 表2 2015-2020年机床行业CNC市场容量及预测
HMI即操作面板，是操作人员与数控装置进行信息交流的工具组成：按钮站/状态灯/按键阵列/显示器。基本每种数控机床都需要一个人机界面来连接机器与人的操控。受2017年机床市场影响，2017年HMI市场实现增长。2015-2020年机床行业HMI市场容量及预测如表3所示。
▲ 表3 2015-2020年机床行业HMI市场容量及预测
PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着PLC技术的发展,它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。在机床的实际设计和生产过程中,为了提高数控机床加工的精度,对其定位控制装置的选择就显得尤为重要。
受2017年机床市场快速发展影响，机床行业PLC市场销售额也实现较大增长，如表4所示。
▲ 表4 2015-2020年机床行业PLC市场容量及预测
作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。可以预见随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电动机及高速电主轴等将成为数控机床行业的关注的热点，并成为伺服系统的发展方向。由此可以判断，应用在电机上伺服系统将愈加广泛。
随着整个制造业大环境的回暖，2017年机床行业伺服系统的市场容量实现了快速增长，如表5所示。
▲ 表5 2015-2020年机床行业伺服系统市场容量及预测
直线电机及其驱动控制体系在技能上已日趋老练，已具有枯燥传动装置无法相比的优秀性能。过往人们所担心的直线电机推力小、体积大、温举高、可靠性差、担心定、难安置、难防护等标题，随着电机制造技能的改革，已不再是大标题。而驱动与控制技能的成长又为其性能拓展和安定性提供了包管。选择得当的直线电机及驱动控制体系，配以合理的机床设计，完全可以生产出高性能、高可靠性的机床。
电机市场受机床行业生产情况的影响较大，随着机床市场快速增长，电机市场也实现增长，如表6所是。
表6 2015-2020年机床行业电机市场规模及预测
低压电气产品在机床中应用广泛，种类分别是低压断路器、继电器、开关电源、变压器、按钮和指示灯。其中主要部件为低压断路器。据市场上相关数据指标分析，2017年各类低压电气产品产品的市场容量呈现上升趋势，如表7所示。
▲ 表7 2015-2020年机床行业低压电气产品市场容量及预测
由于机床加工范围较广，不同的工件，不同的工序，使用不同的刀具，要求机床执行部件具有不同的运动速度，因此机床的主运动应能进行调速，机床用户对变频器产品的调速作用更为关注。
主轴是车床构成中一个重要的部分，对于提高加工效率，扩大加工材料范围，提升加工质量都有着很重要的作用，变频器主要应用于主轴调速系统。目前对客户来说变频器的性价比很高，所以变频器在车床上使用非常普遍。
通用变频器要想顺利的使用在机床行业必须有两个重要考虑：一是选用无速度传感器矢量控制的产品，二是要设计在超速运转以提高低速转矩。
受2017年制造业回暖和机床市场蓬勃发展影响，2017年机床行业低压变频器市场容量增长明显，如表8所示。
▲ 表8 2015-2020年机床行业低压变频器市场容量及预测
本文版权归原作者所有，同心智造网（www.hahakm.com）转载文章仅为传播更多信息之目的，如作者信息标记有误，请第一时间联系我们修改或删除，多谢。
