【機床商務網欄目 展會快報】編者按：CCMT2024(第十三屆中國數控機床展覽會)已于4月12日圓滿落幕。展會期間，主辦方中國機床工具工業協會有關分會組織人員針對本專業領域展品進行評述，現編發部分文章，供業界參考。文章觀點僅代表作者本人。
 

　　第十三屆中國數控機床展覽會(CCMT2024)于2024年4月8日在上海新國際博覽中心盛大開幕，吸引了來自28個國家和地區的近2000家機床工具企業同臺競技，德國、日本、瑞士、美國、西班牙、韓國、意大利、法國、捷克、印度、中國臺灣地區和中國香港地區等12個國家和地區的機床工具行業協會和貿促機構組織展團參展，眾多全球知名機床工具企業攜其最新技術和產品悉數到場。
 

　　一、境內主要伺服驅動和電機展品特點

 

　　華中數控GM9系列交流伺服變頻(主軸)電機由定子、轉子、低噪音風機、高精度編碼器(開環控制時不需要)等組成，在進行結構優化設計、磁路優化的基礎上，采用F級特殊絕緣結構及整機加工和高精度動平衡工藝，GM9系列交流伺服變頻(主軸)電機可與國內外各類高、中、低檔變頻器或主軸變頻器配套，進行開環控制運行，或閉環控制運行，取得與配套普通交流變頻電機完全不同的優異特性。
 

　　華中數控HSV-180UD系列伺服驅動單元為高壓AC380V輸入的伺服驅動單元，支持NCUC總線，有標準型及全功能型兩個版本，可適配交流永磁同步伺服電機。
 

　　超同步Z18系列伺服主軸電機結構緊湊、性能優越、外形美觀、效率高。電機高效率，功率密度高，低成本。優化定轉子模型結構，轉子閉口槽、減小高次諧波，降低高速噪音。無機殼，內置風道，高效散熱。地腳與機體合一，增強抗震動性。內置高進度磁編碼器，轉速波動小。內置電機參數智能卡，免調試。
 

　　超同步S18系列永磁同步伺服電機具有高分辨率，內置高精度絕對值編碼器，提高定位精度及低速運轉穩定度，可進行高精度、高動態相應控制。低脈動轉矩，電機低齒槽力設計，實現平穩運行。通過采用全新的磁場解析設計、電機加工工藝，減小了電機的轉矩脈動，從而提高了速度的穩定性，減小了伺服系統轉矩脈動。優化的電磁結構設計，伺服電機定子采用全新的疊壓和拼接工藝，降低了電機溫升，改善了電機的電磁特性，提高了效率和可靠性。
 

　　超同步D18系列伺服驅動器是一款具有豐富工業總線接口的高性能矢量伺服驅動器系列產品。可控制IM伺服電機、SPM伺服電機及IPM伺服電機。產品具有高匹配、高響應，讓機械運動的更靈活。總線接口豐富：MechatroLink-Ⅲ、EtherCAT、ProfiNET、ModbusTCP。適配多種編碼器，適配編碼器反饋型號(TTL、1VPP、BISS-C、ENDAT2.2、SSI、RESOLVER、RS485)。
 

　　新代SMD多合一伺服驅動系列，傳輸介面升級為Mechatrolink III，滿足各種應用伺服驅動規格，為不同行業伺服電機應用選配各種擴充卡，高自由度擴充功能，整合高速上位串列通訊介面，全新伺服調機工具Syntec Analytics，多種應用控制功能與簡潔的操作界面。
 

　　新代主軸電機，具有高轉速、高性能、高響應的優異表現，提供多款主軸電機系列滿足不同應用需求。最高轉速高達24000r/m，最大扭矩高達355Nm，支持KTY84溫感偵測，保護性更高，提供220V、380V輸入電壓規格選配。
 

　　寧波菲仕Ultract Ⅲ系列標準交流永磁同步伺服電機具有7個基座型號，可滿足于自動化工業過程運動控制的廣泛需要，還能提供基于平臺的全方位非標定制方案。具有較高的轉矩/體積比和功率/體積比，是普通電機的2-3倍。轉動慣量低，運行噪音小，響應速度快，定位精度高。自由選擇冷卻方式，支持自然冷、風冷、水冷、油冷。標配兩種溫度保護元件，防止電機過溫運行。
 

　　寧波菲仕AxN系列伺服驅動器，內置PLC，可編程，一體化，速度快。高速電流環控制，電流環循環周期1µs(即刷新頻率1000kHz)，實時性、高響應控制。位置和速度雙環并聯控制，同時規劃位置及速度曲線，提高速度響應特性。高速弱磁控制，內置快速過壓保護模塊，弱磁倍數從1.5倍提高至10倍，實現伺服電機的高速弱磁運行功能，提高伺服電機的速度范圍及高速過載性能。
 

　　邁信EP5S伺服主軸功率范圍3.7-15kW；支持異步主軸、同步主軸、電主軸；支持雙編碼器接口、全閉環控制；支持位置、速度、扭矩控制模式；支持電機參數自學習、環路參數自整定；窄體結構設計、節省安裝空間；EtherCAT總線控制。MS系列為中小慣量、高轉速、高加減速伺服電機，更加適用于自動化行業。MA系列為中小慣量、中轉速、小電流伺服電機，更加適用于機床行業。采用最新五對極電磁方案，低溫升，低齒槽轉矩脈動。標配油封，IP65防護等級，更好的環境適應性。標配23bit增量細分式編碼器和23bit多圏絕對值編碼器，可選標準增量式編碼器2500CT，省線增量式編碼器 2500CT，或者旋轉變壓器編碼器。
 

　　登奇電機GK9，5對極，自然冷卻，額定5000r/min，寬弱磁范圍進給電機可用于機床進給軸和刀具主軸。GK9高功率密度高響應永磁伺服電機，汲取公司GK6、GK8系列市場廣泛應用的經驗，高密聚磁優化設計，采用高單位體積鐵磁材料密度結構，直接導熱定子絕緣系統，整圓大口無齒槽轉矩。材料品質高，轉矩脈動低0.8%/0.3%互換性高，工藝嚴謹。
 

　　沈陽中科GJ系列交流永磁同步伺服電動機采用高性能的稀土永磁材料，具有高轉矩慣量比、低速特性好、過載能力強等特點。GJS3系列伺服驅動器是公司自主研發的“藍天數控”同服產品的第三代產品。該系列伺服驅動器搭載TI公司生產的高性能32位浮點DSP處理器，實現全數字控制。采用高性能的電機控制算法，具備良好的魯棒性和自適應能力，適用于數控機床印刷機械、包裝機械、造紙機械、塑料機械、紡織機械、木工機械工業機器人和自動化生產線等。
 

二、境外主要伺服驅動和電機展品特點
 

　　西門子SIMOTICS GP通用電機，鋁殼標準電機適用于工業環境中的各種標準驅動任務。電機的設計和結構確保了更佳的靈活性和較低的安裝成本。該款電機具有一體式吊環、活動底腳、優異機械性能的強化軸承和護罩以及靈活的接線盒。可以輕松添加編碼器、制動器和獨立驅動風扇。由于重量較輕該款電機主要應用于泵、風扇和壓縮機，還可以部署在輸送機系統和起重設備中。
 

　　西門子SINAMICS S200伺服驅動系統是一款優化而高效的系統解決方案。該系統包括SINAMICSS200伺服驅動器、SIMOTICS S-1FL伺服電機和MotionConnect 電纜。其功率范圍為0.1-7kW，配備有PROFINET IRT和脈沖序列等多種通信選項，專為滿足各種標準應用而設計。
 

　　三菱Super Line Eco系列全封閉風扇冷卻式SF-HR高性能節能型電機采用獨有的節能和高性能技術，實現綠色環保和高效率的加工條件。三菱伺服擁有多種電機(旋轉電機、線性電機、直接驅動式電機)以實現較佳機器性能。FR-F800系列變頻器是傳承創新、節能增效、綠色環保的新一代變頻器，呈現更顯著的節能效果。
 

　　發格電機完美匹配各類機床主軸，可靠性高且性能佳，功率范圍寬。這些電機與QUERCUS驅動器相結合，組成一個可靠、緊湊和高性能的驅動系統。驅動器采用模塊化可堆疊設計。直接連接到電源總線，為電動機提供可變頻率的三相電源，控制速度和位置。這些緊湊型電機不需要任何額外的冷卻，部分型號提供強制通風，有助于根據機床要求提高額定功率。
 

三、境內外伺服系統現狀
 

　　從發展現狀看，專用伺服系統市場規模持續提升。2020至2023年中國專用伺服市場規模擴大，主要因5G技術拉動3C電子制造設備行業蓬勃發展，推動行業整體市場快速回暖，對于專用伺服的需求大幅提升。預計2024年，我國專用伺服市場規模將繼續擴大。
 

　　從市場競爭格局看，伺服系統尤其是伺服電機市場規模很大，但目前國內市場由國外品牌占據主導，日系和歐美系品牌占據約半數的市場份額，高端市場更是被西門子和施耐德等國際品牌壟斷。隨著行業整體技術水平的上升以及客戶要求的提高，同質化、低質化的競爭方式難以為繼，高端市場被國外壟斷、中低端市場面臨不健康競爭的情況也亟待改變。國內企業主要依靠價格和服務優勢占據一定市場份額，外資企業產品價格昂貴，并且在市場中大部分是以分銷代理商的模式銷售伺服產品，整體對于專用伺服主要應用行業關注度相對較低，售后服務響應速度不及國內專用伺服廠家。在此背景下，營造良好的市場環境、加速國產替代進程，已經成為國內企業一致的訴求。
 

　　從市場需求來看，東部沿海地區需求潛力相對較大。伺服系統中游廠商對上游稀土磁材等原材料資源區域分布的依賴性并不顯著，更多是以關鍵零部件以及中下游產業布局為導向形成集群效應。伺服系統作為工業自動化的核心部分，已經滲入產業鏈下游包括機床、電子制造設備、機器人等在內的多個應用場景。從下游企業需求分布來看，沿海地區下游企業數量較多，其中，廣東、江蘇、浙江、山東等地需求較為旺盛。
 

　　四、伺服系統發展趨勢分析
 

　　1.網絡化和模塊化。現代工業局域網發展的重要方向和各種總線標準競爭的焦點就是如何適應高性能運動控制對數據傳輸實時性、可靠性、同步性的要求。隨著國內對大規模分布控制裝置的需求上升、高檔數控系統的開發成功，網絡化數字伺服的開發已成為當務之急。模塊化不僅指伺服驅動模塊、電源模塊、再生制動模塊、通訊模塊之間的組合方式，而且指伺服驅動器內部軟件和硬件的模塊化和可重用。
 

　　2.預測性維護技術發展迅速。隨著機器安全標準的不斷發展，傳統的故障診斷和保護技術(問題發生的時候判斷原因并采取措施避免故障擴大化)已經落伍，最新的產品嵌入了預測性維護技術，使得人們可以通過網絡及時了解重要技術參數的動態趨勢，并采取預防性措施。比如:關注電流的升高，負載變化時評估峰值電流，外殼或鐵芯溫度升高時監視溫度傳感器，以及對電流波形發生的任何畸變保持警惕。數字孿生技術是預測性維護技術的重要組成部分。數字孿生是物理資產的虛擬模型，可以模擬資產的運行狀況和故障模式。企業可以使用數字孿生技術來測試不同的維護策略，并優化維護計劃。
 

　　3．采用新型電力電子器件步伐加快。逆變器是交流伺服系統中至關重要的一個環節。一般來說，逆變器的開關頻率越高，伺服系統的性能越好，所以，碳化硅、氮化鎵等第三代電力電子器件替代傳統的硅器件以提升開關頻率，逐漸成為近年來的產業發展方向。同時，功率半導體器件也不斷向集成化、模塊化發展，逆變器的體積也將逐漸縮小。新型電力電子器件的出現與應用將使伺服系統性能更佳，體型更小。
 

　　4.智能化趨勢明顯。先進的控制器將兼容多種型號的電機，實現電機參數的離線或在線辨識，具備先進的參數自整定功能，以省去用戶反復調參的步驟，且電機參數與每次調試的控制器參數都可被儲存在Fash當中，以便下次使用。這樣具備參數記憶與參數自整定功能的高度智能化的控制器必將成為將來伺服驅動市場的主流。
 

　　5.數字化進程加快。近年來，DSP、MCU的功能不斷完善、價格不斷下降，越來越多的芯片支持浮點運算，用戶可快速編寫程序而不受定點運算的限制，簡化了開發過程的同時也使得更多的現代先進算法得以在數字系統中實現。一些芯片甚至有專門針對電機控制的開發板以及軟件平臺，可實現控制系統參數的在線調試、波形觀測以及電機參數的在線識別等功能，使得電機的數字化伺服系統實現更為簡便，縮短了開發周期的同時，進一步推動了伺服系統的數字化進程。
 

　　6.定制化和多樣化。為某種特定應用場合設計的定制化伺服電機比比皆是。利用磁性材料不同性能、不同形狀、不同表面粘接結構(SPM)和嵌入式永磁(IPM)轉子結構的電機出現，分割式鐵芯結構工藝的使用使永磁無刷伺服電機的生產實現了高效率、大批量和自動化，并引起國內廠家和市場的關注。
 

　　7.小型化和大型化。無論是永磁無刷伺服電機還是步進電機都積極向更小的尺寸發展，比如20mm、28mm、35mm外徑，同時也在發展更大功率和尺寸的機種，已經看到500kW永磁伺服電機的出現，體現了向兩極化發展的傾向。
 

　　五、結論
 

　　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，近年來開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開展，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關注的熱點，并成為伺服系統的發展方向。
 

　　目前國內企業在伺服電機的相關技術上，已經取得了不小的突破，國家推動伺服電機國產替代的速度將加快。從伺服電機的行業格局來看，國產替代將釋放百億級的市場增量空間。另外結合當前的經濟環境和產業政策來看，政府短期內有望出臺更多措施，全面推動伺服電機國產替代，行業內優秀的國產企業有望長期受益。
 

　　來源：協會數控系統分會(超同步 李龍云 牛亞萍)