2023年4月，第十八屆中國國際機(jī)床展覽會（CIMT2023）在北京隆重舉行，來自全球28個國家和地區(qū)的約1600家機(jī)床工具行業(yè)企業(yè)同臺競技，全球最先進(jìn)的制造技術(shù)和裝備將集中展示。本屆展會主題是“融合創(chuàng)新，數(shù)智未來”，展現(xiàn)了新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合和不斷創(chuàng)新。
數(shù)控系統(tǒng)行業(yè)是技術(shù)含量較高、技術(shù)發(fā)展較快的行業(yè)，為了促進(jìn)行業(yè)整體發(fā)展，做好技術(shù)交流工作很有必要。數(shù)控系統(tǒng)分會組織會員企業(yè)起草《展品評述》，對本行業(yè)參展展品的技術(shù)特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀與國外的差距等進(jìn)行分析，提出行業(yè)發(fā)展建議。
一、伺服驅(qū)動和電機(jī)主要展品
目前，隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和新一代人工智能技術(shù)與制造技術(shù)的不斷融合發(fā)展，數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動和電機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，很多數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)推出了新產(chǎn)品，其特點(diǎn)是：高速、高精、智能化、模塊化等。2023年北京國際機(jī)床展上，很多國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)展出了新款伺服驅(qū)動和電機(jī)。
1、西門子（德國）
西門子主要展出了配置SINAMICS S120高性能驅(qū)動系統(tǒng)，具有分布式驅(qū)動和一體機(jī)（Combi）型多種形式。電流/速度環(huán)控制周期：62.5/125 μs，總線協(xié)議：Drive CLiQ，支持弱磁功能和能量回饋。配備電機(jī)種類全面，支持標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)給驅(qū)動電機(jī)SINAMICS S系列，如 1FT7、1KF2、1FKF7、1FG1等各系列同步電機(jī)，多圈絕對編碼類型：24位；扭矩滿足0.18~1650Nm應(yīng)用領(lǐng)域。
高性能SINAMICS S主軸電機(jī)，如 1PH8、1FE1、1FE2、1PH2、1PH3系列電機(jī)，1PH3全系標(biāo)配22位編碼器，扭矩滿足12000Nm。支持SINAMICS L-FN3高性能直線電機(jī)，最大推力達(dá)20700N。支持SINAMICS T 系列力矩電機(jī) 1FW6 H5，其扭矩可達(dá)10900Nm。滿足各類應(yīng)用需求。
2、發(fā)那科（日本）
發(fā)那科重點(diǎn)展出了自主配套的機(jī)械主軸、電主軸、伺服電機(jī)、直線電機(jī)、力矩電機(jī)等。
FANUC的主軸電機(jī)αi-B/βi-B采用的是周期性改變主軸轉(zhuǎn)速，在高震動時降低轉(zhuǎn)速，在低震動時提升轉(zhuǎn)速，可有效的減少因震動導(dǎo)致的加工面有明顯的加工紋現(xiàn)象。此功能對長工件和長刀具的車削加工也有效。FANUC的主軸電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為12000轉(zhuǎn)。
3、海德漢（德國）
海德漢重點(diǎn)展出了自主配套的機(jī)械主軸、電主軸、伺服電機(jī)、直線電機(jī)、力矩電機(jī)等。
4、三菱電機(jī)（日本）
三菱電機(jī)重點(diǎn)展出系列伺服驅(qū)動：
（1）高性能伺服/主軸驅(qū)動單元MDS-E/EH系列驅(qū)動單元：采用伺服控制專用內(nèi)核處理器，實(shí)現(xiàn)高速控制，提高了基本性能。通過提高電機(jī)編碼器的分辨率，加強(qiáng)高速光纖通信，以支持高速高精度控制。
（2）多軸混合驅(qū)動單元MDS-EM系列：最大可驅(qū)動控制3個伺服軸1個主軸，是一款支持機(jī)床小型化，提高機(jī)床性能的多軸混合驅(qū)動單元。
（3）一體化小型驅(qū)動單元MDS-EJ/EJH系列：①電源內(nèi)置式的超小型驅(qū)動單元，有益于控制面板的小型化。②追加2軸型，有助于實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的小型化。③采用伺服控制專用內(nèi)核處理器，實(shí)現(xiàn)高速控制，提高了基本性能。通過提高電機(jī)編碼器的分辨率，加強(qiáng)高速光纖通信，以支持高速高精度控制。
展出系列伺服電機(jī)：
（1）中慣性、高精度、高速電機(jī)，HG系列伺服電機(jī)。
（2）直線伺服電機(jī)LM-F系列。
（3）直驅(qū)伺服電機(jī)TM-RB系列。
展出系列伺服主軸電機(jī)：
（1）高性能主軸電機(jī)SJ-D系列。
（2）高輸出功率和高扭矩主軸電機(jī)，SJ-DG系列。
（3）低慣性、高速主軸電機(jī)SJ-DL系列。
（4）電主軸SJ-BG系列。
（5）刀具主軸電機(jī)HG-JR 系列。
5、華中數(shù)控
本次展會華中數(shù)控以“更精、更快、更智能”為主題，重點(diǎn)展出了HSV-120、HSV-160、HSV-180系列交流伺服驅(qū)動，位置環(huán)采樣周期125us；電流環(huán)采樣周期62.5us；支持多種分辨率的編碼器，常用的17/23/24/25 bit；支持自主知識產(chǎn)權(quán)的NCUC總線及EtherCAT總線。硬件電流環(huán)技術(shù)，電流環(huán)響應(yīng)特性好。共直流母線模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊。伺服驅(qū)動裝具有弱磁功能，尤其在高速主軸電機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用；模塊之間能量共享，具有能量回饋技術(shù)，可以將剩余能量回饋到電網(wǎng)中去，減少額外損耗；開發(fā)了儲能裝置，用于實(shí)現(xiàn)斷電回退。具備超級電容模塊，防止以外斷電重力軸下落；伺服參數(shù)自整定功能。
HSV-120系列伺服驅(qū)動
HSV-130系列伺服驅(qū)動
HSV-180/160系列伺服驅(qū)動
展出GK6/GK7/GK9/GM9/GZ6A/LF系列伺服電機(jī)/主軸電機(jī)/力矩電機(jī)/直線電機(jī)。高速：額定4500rpm，最高6000rpm。高精：轉(zhuǎn)矩脈動低至0.3%，更平穩(wěn)。高載：3倍以上過載能力，高速高加速度。高密：扭矩密度提高20%以上，體積更小。高分辯率：1600萬線高分辯率編碼器。高可靠性：防護(hù)等級達(dá)到IP67。功率范圍：1KW-75KW。
6、科德數(shù)控
科德數(shù)控重點(diǎn)展出如下驅(qū)動和電機(jī)：
（1）GDUC系列伺服驅(qū)動系統(tǒng)，應(yīng)用于科德數(shù)控展出的全部機(jī)床，產(chǎn)品采用共直流母線方案，統(tǒng)一的供電電源，采用可控整流技術(shù)，具有功率因素高，諧波成分少，能量可雙向流動、綠色節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)；電源產(chǎn)品功率范圍：16-180kW；伺服產(chǎn)品功率范圍：2-150kW；可適配電主軸電機(jī)、伺服電機(jī)、異步電機(jī)、力矩電機(jī)、直線電機(jī)等多種電機(jī)，適應(yīng)范圍廣，特別是在力矩電機(jī)、直線電機(jī)等直驅(qū)領(lǐng)域的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了良好的市場應(yīng)用效果。
（2）伺服電機(jī)：GTML/GTMH系列高性能直驅(qū)力矩電機(jī)、GMFE高速內(nèi)裝式電主軸電機(jī)、GST高性能伺服電機(jī)、GPB永磁制動器、GLM直線電機(jī)。最高轉(zhuǎn)速40000rpm、5倍以上過載能力、防護(hù)等級達(dá)到IP67、功率范圍0.5KW-125KW。主軸電機(jī)功率密度可以達(dá)到6.5kW/kg；力矩電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度可以達(dá)到509.1Nm/L；伺服電機(jī)軸伸跳動＜0.01mm。
7、廣州數(shù)控
廣州數(shù)控重點(diǎn)展出了系列新一代伺服驅(qū)動單元，包括M系列總線式交流伺服驅(qū)動單元和GT系列多軸一體化伺服支持GSK ZJY系列主軸伺服電動機(jī)，GSK XJT系列直線電機(jī)，GSK SJM系列直驅(qū)力矩電機(jī)控制。GSK SJT系列交流伺服電機(jī)，可選配GSK DZY系列交流異步電主軸電動機(jī)。
GM系列模塊化驅(qū)動器
GT系列多合一驅(qū)動器
電主軸
8、北京精雕
北京精雕展出的驅(qū)動和電機(jī)產(chǎn)品主要包括位置環(huán)4/8/16KHz，電流環(huán)16kHz；進(jìn)給軸24位、光柵尺全閉環(huán)1nm、直驅(qū)轉(zhuǎn)臺軸25～29位；8MHz脈沖接口。精密加工專用電主軸：JD105E-36-ISO20：最高轉(zhuǎn)速36000rpm；ID130E-32-HE32：最高轉(zhuǎn)速32000rpm。
9、北京超同步
北京超同步重點(diǎn)展出的驅(qū)動和電機(jī)產(chǎn)品：
超同步銑削用電主軸最高轉(zhuǎn)速為12000轉(zhuǎn)，采用滾珠式軸承，使用液冷，最高精度可到0.002mm。車削用電主軸最高轉(zhuǎn)速為8000，采用滾珠式軸承和液冷，最高精度可到0.003mm。
超同步的轉(zhuǎn)臺電機(jī)有自然冷卻和液冷兩種方式。臺面跳動最小為0.01mm，最大功率可達(dá)5kW，臥式最高轉(zhuǎn)速可到100轉(zhuǎn)，最大扭矩可到1200牛米，鎖緊力矩最大可到3000牛米。定位精度5″，重復(fù)精度2.5″。
10、沈陽中科數(shù)控
本次展會，沈陽中科數(shù)控主要展出了GJS3系列伺服驅(qū)動器以及伺服電機(jī)。
伺服驅(qū)動器：GJS3系列伺服驅(qū)動器支持220V和380V輸入電壓，功率范圍覆蓋0.8kW~11.5kW；支持內(nèi)部位置規(guī)劃控制方式，可根據(jù)客戶的實(shí)際需求進(jìn)行定制化開發(fā)；支持多種控制模式之間實(shí)時平滑切換；支持自主研發(fā)的S3總線，以及Mechatrolink-III、EtherCAT總線；支持增量式光電編碼器，17位/23位絕對值編碼器；支持增量式光柵尺、BiSS光柵尺及絕對值光柵尺進(jìn)行全閉環(huán)控制；支持智能終端通過無線方式連接伺服驅(qū)動器進(jìn)行在線調(diào)試。
伺服電機(jī)：公司自主研制的GJ品牌全系列伺服電機(jī)采用一體化設(shè)計理念，通過優(yōu)化氣隙磁密波形抑制電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，采用獨(dú)特非對稱線圈繞制及鑲嵌方法提高電機(jī)的效率，采用多場耦合的分析設(shè)計方法來提高電機(jī)的整體性能。伺服電機(jī)機(jī)座尺寸覆蓋60~180，功率范圍覆蓋0.2kW~7.5kW。
中科數(shù)控的伺服驅(qū)動和伺服電機(jī)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、造紙機(jī)械、塑料機(jī)械、紡織機(jī)械、木工機(jī)械、工業(yè)機(jī)器人和自動化生產(chǎn)線等領(lǐng)域。同時展出的還有自研全國產(chǎn)伺服驅(qū)動器以及防爆伺服電機(jī)，主要應(yīng)用于軍工、防務(wù)等領(lǐng)域。
11、倍福公司
德國倍福展出了AX8000和AX5000兩個系列伺服驅(qū)動：
AX8000采用共直流母線，模塊化架構(gòu)；AX5000屬于分體式驅(qū)動；這兩款驅(qū)動器除了可以匹配倍福自產(chǎn)的AM8000系列伺服電機(jī)，還可以匹配第三方伺服電機(jī)。標(biāo)配EtherCAT總線，AX5000電流環(huán)62.5us，速度和位置環(huán)均為62.5 us，AX8000電流環(huán)32.5us，響應(yīng)時間為1us，速度和位置環(huán)均為62.5us；超低的控制周期和響應(yīng)時間對提高機(jī)床性能至關(guān)重要；電流檢測防碰撞可有效保護(hù)機(jī)床。驅(qū)動器支持FSOE的17種安全功能(如SLS，STO，SLP等safe motion功能)，為機(jī)床和人身提供最高等級保護(hù)。
二、伺服驅(qū)動和電機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢
通過對本次展會上展出的國內(nèi)外伺服驅(qū)動和電機(jī)技術(shù)進(jìn)行分析比較，我們總結(jié)了伺服驅(qū)動和電機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展趨勢如下：
1、多合一驅(qū)動器是市場應(yīng)用重點(diǎn)
當(dāng)前為了更好地實(shí)現(xiàn)驅(qū)動器之間協(xié)同，廠商們多推出單驅(qū)動器驅(qū)動3-4根伺服軸的控制，在同一控制器中實(shí)現(xiàn)高精度的位置同步、速度同步或電流同步等。2023年北京機(jī)床展，各展商不約而同的大量展出多合一伺服驅(qū)動器，主要有如下兩類：
1）標(biāo)準(zhǔn)的多合一伺服驅(qū)動器：區(qū)別于單軸驅(qū)動器，將主軸、進(jìn)給軸等多個軸的伺服控制、數(shù)據(jù)反饋、功率放大器、強(qiáng)電的AC-DC電源集成進(jìn)一個驅(qū)動器內(nèi)，各個軸的控制算法集中至一顆芯片內(nèi)，軸與軸的數(shù)據(jù)在芯片內(nèi)互通，是面向低成本的機(jī)床解決方案。
2）非標(biāo)準(zhǔn)的多合一伺服驅(qū)動器：區(qū)別于單軸驅(qū)動器與標(biāo)準(zhǔn)多合一伺服驅(qū)動器，為了滿足低成本機(jī)床的伺服驅(qū)動需求，開發(fā)出的另類驅(qū)動結(jié)構(gòu)，如：將多個軸的部分功能進(jìn)行集成的驅(qū)動器結(jié)構(gòu)基于底板和模塊的安裝方式，降低整體電柜的設(shè)計大小的結(jié)構(gòu)。
2、直驅(qū)技術(shù)是產(chǎn)品發(fā)展重要方向
直驅(qū)技術(shù)即采用大推力力矩電機(jī)或直線電機(jī)替代原有的包括齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、滾珠絲杠傳動，大大簡化了機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，提升精度，直線電機(jī)定位精度可達(dá)0.1μm。直驅(qū)系統(tǒng)是最近幾年數(shù)控機(jī)床市場發(fā)展的熱點(diǎn)之一，其產(chǎn)品技術(shù)是一項系統(tǒng)工程，涵蓋了直線電機(jī)、力矩電機(jī)、驅(qū)動器模組、傳感器等多個細(xì)分領(lǐng)域。特別是永磁直線同步電機(jī)（PMLSM）得到了快速的發(fā)展，它打破了傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”的傳動方式，實(shí)現(xiàn)了“零傳動”。通過電磁效應(yīng)，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，不需要任何的中間機(jī)構(gòu)，消除了轉(zhuǎn)動慣量、彈性形變、反向間隙、摩擦、振動、噪音及磨損等不利因素，極大地提高了伺服系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力和控制精度。本次展會上除了國外數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)，廣州數(shù)控、華中數(shù)控、萊納克等企業(yè)都推出了系列化直線電機(jī)產(chǎn)品。
3、總線技術(shù)不斷升級
從展品看，現(xiàn)場總線的物理層正在一步一步的升級，海德漢的HSCI、西門子的PROFINET、倍福的EtherCAT已經(jīng)逐漸從百兆工業(yè)以太網(wǎng)過渡進(jìn)千兆以太網(wǎng)。伺服間的通信，發(fā)那科、三菱和海德漢采用的光纜通信，總線的速率可以匹配計算和控制的性能。此外千兆的物理層芯片的價格進(jìn)一步降低，千兆以太網(wǎng)將逐步取代百兆以太網(wǎng)，雙絞線將逐步被光纖取代。專用場景配專用總線。如多軸伺服聯(lián)動，發(fā)那科、海德漢、西門子采用將多軸的三環(huán)控制集成進(jìn)單個的控制單元中，控制器與放大器之間采用高性能專用總線進(jìn)行通信，該總線所需要通信內(nèi)容更加單一，通信更加高效。
標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)現(xiàn)場總線解決多類設(shè)備的管理，總線的職責(zé)更加明確，主要負(fù)責(zé)多種設(shè)備類的協(xié)同管理與通信，對性能需求低于專用總線，但必須包含標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用層協(xié)議。
三、 伺服驅(qū)動技術(shù)發(fā)展國內(nèi)外差距分析及行業(yè)發(fā)展建議
1、國內(nèi)外差距分析
從參展展品來看，與國外產(chǎn)品相比，國產(chǎn)伺服驅(qū)動及各類電機(jī)（包括直線電機(jī)）成套性、系列化程度在品種、規(guī)格、性能功能、工程化程度等方面存在差距。例如，國產(chǎn)伺服驅(qū)動裝置的功率范圍、供電電壓等級、模塊化結(jié)構(gòu)、適配能力以及參數(shù)適應(yīng)性等方面與國外相比，存在明顯差距。伺服電機(jī)適應(yīng)用戶不同的扭矩/推力、轉(zhuǎn)速/速度/扭矩、慣量、安裝方式、防護(hù)等級等多樣化的應(yīng)用需求也凸現(xiàn)不足，產(chǎn)品規(guī)格也有欠缺。
以上這些差距導(dǎo)致國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)對大型重型機(jī)床、專用機(jī)床的配套能力不足，許多大型、重型機(jī)床用戶傾向于配套國外伺服驅(qū)動和電機(jī)。
同時，據(jù)預(yù)測，2023年秋季蘋果公司發(fā)布的iPhone 15新款智能手機(jī)等將采用鈦合金。相比鋁合金，鈦合金能更好地兼顧硬度和重量，做到又輕又硬。由于鈦合金材料強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)低和化學(xué)活性高，機(jī)械加工難度較大、良率低。以手機(jī)中框為例，鈦合金手機(jī)中框整體良率約為30%-40%，遠(yuǎn)低于鋁合金中框的80%。智能手機(jī)等消費(fèi)電子的材料變化，這將給3C加工機(jī)床帶來新需求，主要體現(xiàn)為：主軸扭矩提升、主軸加減速時間短和高轉(zhuǎn)速下扭矩大等。
2、建議國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)加強(qiáng)伺服驅(qū)動技術(shù)的研究
從展品看，多合一驅(qū)動器主要面向中檔、普及型機(jī)床，其次是高端和大型機(jī)床，該類驅(qū)動器的核心工作量在于構(gòu)建全面的型譜，適配多種的機(jī)床規(guī)格。目前許多國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)，圍繞中檔、普及型機(jī)床已經(jīng)形成了較為完整的型譜。面向高端機(jī)床的國外企業(yè)也在發(fā)展其內(nèi)部的多合一驅(qū)動器方案，并在逐步完善型譜。因此，預(yù)計多合一伺服驅(qū)動器將逐漸成為中檔、普及型機(jī)床的首選驅(qū)動器結(jié)構(gòu)。
除了安裝方便等優(yōu)點(diǎn)外，多合一驅(qū)動器最大性能優(yōu)勢在于多個軸的反饋與控制的集成，有效地突破了單軸控制中總線的束縛，將軸與軸的數(shù)據(jù)打通，可以有效提升軸的協(xié)同控制能力。海德漢、西門子、發(fā)那科深刻理解其中的重點(diǎn)，在面向高端的機(jī)床領(lǐng)域，將多軸的運(yùn)動控制集成，將不同功率的驅(qū)動離散，形成了諸如GEN3、S120、α-βi等驅(qū)動器架構(gòu)，以高速專用總線打通集成控制器與驅(qū)動放大模塊的方式，這將是高端數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動發(fā)展方向。
3、建議國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)加強(qiáng)與機(jī)床企業(yè)聯(lián)合推廣直驅(qū)技術(shù)
直線電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電機(jī)—絲杠系統(tǒng)，消除了機(jī)械傳動鏈帶來的誤差、間隙和速度的限制等一系列影響精度、速度和動態(tài)性能的環(huán)節(jié)，使電機(jī)和負(fù)載之間直接耦合，具備高速度、高加速度、高負(fù)載定位精確性、快速循環(huán)等優(yōu)點(diǎn)，可獲得很高的動態(tài)性能，而且結(jié)構(gòu)簡化、緊湊，已經(jīng)成為高檔數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用點(diǎn)，高速度、高加速度的直驅(qū)系統(tǒng)在加工中心、數(shù)控銑床、車床、磨床、復(fù)合加工機(jī)床、激光加工機(jī)床及重型機(jī)床上得到廣泛應(yīng)用，這類機(jī)床在航空、汽車、模具、能源、通用機(jī)械等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮特殊的作用。
電主軸是數(shù)控機(jī)床三大關(guān)鍵技術(shù)之一（高速電主軸、數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動）。越來越多的機(jī)械裝備都在向高速、高精、高效、高智能化發(fā)展，電主軸已成為最適宜高性能數(shù)控機(jī)床的核心功能部件之一， 在部分領(lǐng)域用電主軸取代傳統(tǒng)機(jī)械主軸是機(jī)床工業(yè)發(fā)展的大趨勢。
建議國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)加強(qiáng)與主機(jī)企業(yè)的技術(shù)交流，在他們的支持下，創(chuàng)新機(jī)床結(jié)構(gòu)，不斷推出市場需要的具備直驅(qū)技術(shù)的高檔機(jī)床。
