【機床商務(wù)網(wǎng)欄目 展會快報】編者按：CCMT2024(第十三屆中國數(shù)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(yè)協(xié)會有關(guān)分會組織人員針對本專業(yè)領(lǐng)域展品進行評述，現(xiàn)編發(fā)部分文章，供業(yè)界參考。文章觀點僅代表作者本人。
 

　　第十三屆中國數(shù)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(qū)的近2000家機床工具企業(yè)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(qū)和中國香港地區(qū)等12個國家和地區(qū)的機床工具行業(yè)協(xié)會和貿(mào)促機構(gòu)組織展團參展，眾多全球知名機床工具企業(yè)攜其最新技術(shù)和產(chǎn)品悉數(shù)到場。
 

　　一、境內(nèi)主要伺服驅(qū)動和電機展品特點

 

　　華中數(shù)控GM9系列交流伺服變頻(主軸)電機由定子、轉(zhuǎn)子、低噪音風機、高精度編碼器(開環(huán)控制時不需要)等組成，在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、磁路優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用F級特殊絕緣結(jié)構(gòu)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(nèi)外各類高、中、低檔變頻器或主軸變頻器配套，進行開環(huán)控制運行，或閉環(huán)控制運行，取得與配套普通交流變頻電機完全不同的優(yōu)異特性。
 

　　華中數(shù)控HSV-180UD系列伺服驅(qū)動單元為高壓AC380V輸入的伺服驅(qū)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(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越、外形美觀、效率高。電機高效率，功率密度高，低成本。優(yōu)化定轉(zhuǎn)子模型結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子閉口槽、減小高次諧波，降低高速噪音。無機殼，內(nèi)置風道，高效散熱。地腳與機體合一，增強抗震動性。內(nèi)置高進度磁編碼器，轉(zhuǎn)速波動小。內(nèi)置電機參數(shù)智能卡，免調(diào)試。
 

　　超同步S18系列永磁同步伺服電機具有高分辨率，內(nèi)置高精度絕對值編碼器，提高定位精度及低速運轉(zhuǎn)穩(wěn)定度，可進行高精度、高動態(tài)相應(yīng)控制。低脈動轉(zhuǎn)矩，電機低齒槽力設(shè)計，實現(xiàn)平穩(wěn)運行。通過采用全新的磁場解析設(shè)計、電機加工工藝，減小了電機的轉(zhuǎn)矩脈動，從而提高了速度的穩(wěn)定性，減小了伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動。優(yōu)化的電磁結(jié)構(gòu)設(shè)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(qū)動器是一款具有豐富工業(yè)總線接口的高性能矢量伺服驅(qū)動器系列產(chǎn)品。可控制IM伺服電機、SPM伺服電機及IPM伺服電機。產(chǎn)品具有高匹配、高響應(yīng)，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(qū)動系列，傳輸介面升級為Mechatrolink III，滿足各種應(yīng)用伺服驅(qū)動規(guī)格，為不同行業(yè)伺服電機應(yīng)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(diào)機工具Syntec Analytics，多種應(yīng)用控制功能與簡潔的操作界面。
 

　　新代主軸電機，具有高轉(zhuǎn)速、高性能、高響應(yīng)的優(yōu)異表現(xiàn)，提供多款主軸電機系列滿足不同應(yīng)用需求。最高轉(zhuǎn)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(guī)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(yè)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(zhuǎn)矩/體積比和功率/體積比，是普通電機的2-3倍。轉(zhuǎn)動慣量低，運行噪音小，響應(yīng)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(qū)動器，內(nèi)置PLC，可編程，一體化，速度快。高速電流環(huán)控制，電流環(huán)循環(huán)周期1µs(即刷新頻率1000kHz)，實時性、高響應(yīng)控制。位置和速度雙環(huán)并聯(lián)控制，同時規(guī)劃位置及速度曲線，提高速度響應(yīng)特性。高速弱磁控制，內(nèi)置快速過壓保護模塊，弱磁倍數(shù)從1.5倍提高至10倍，實現(xiàn)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(huán)控制；支持位置、速度、扭矩控制模式；支持電機參數(shù)自學(xué)習、環(huán)路參數(shù)自整定；窄體結(jié)構(gòu)設(shè)計、節(jié)省安裝空間；EtherCAT總線控制。MS系列為中小慣量、高轉(zhuǎn)速、高加減速伺服電機，更加適用于自動化行業(yè)。MA系列為中小慣量、中轉(zhuǎn)速、小電流伺服電機，更加適用于機床行業(yè)。采用最新五對極電磁方案，低溫升，低齒槽轉(zhuǎn)矩脈動。標配油封，IP65防護等級，更好的環(huán)境適應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)永磁伺服電機，汲取公司GK6、GK8系列市場廣泛應(yīng)用的經(jīng)驗，高密聚磁優(yōu)化設(shè)計，采用高單位體積鐵磁材料密度結(jié)構(gòu)，直接導(dǎo)熱定子絕緣系統(tǒng)，整圓大口無齒槽轉(zhuǎn)矩。材料品質(zhì)高，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩慣量比、低速特性好、過載能力強等特點。GJS3系列伺服驅(qū)動器是公司自主研發(fā)的“藍天數(shù)控”同服產(chǎn)品的第三代產(chǎn)品。該系列伺服驅(qū)動器搭載TI公司生產(chǎn)的高性能32位浮點DSP處理器，實現(xiàn)全數(shù)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(yīng)能力，適用于數(shù)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(yè)機器人和自動化生產(chǎn)線等。
 

二、境外主要伺服驅(qū)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(yè)環(huán)境中的各種標準驅(qū)動任務(wù)。電機的設(shè)計和結(jié)構(gòu)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(huán)、活動底腳、優(yōu)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(qū)動風扇。由于重量較輕該款電機主要應(yīng)用于泵、風扇和壓縮機，還可以部署在輸送機系統(tǒng)和起重設(shè)備中。
 

　　西門子SINAMICS S200伺服驅(qū)動系統(tǒng)是一款優(yōu)化而高效的系統(tǒng)解決方案。該系統(tǒng)包括SINAMICSS200伺服驅(qū)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(yīng)用而設(shè)計。
 

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

　　發(fā)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(qū)動器相結(jié)合，組成一個可靠、緊湊和高性能的驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動器采用模塊化可堆疊設(shè)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(jù)機床要求提高額定功率。
 

三、境內(nèi)外伺服系統(tǒng)現(xiàn)狀
 

　　從發(fā)展現(xiàn)狀看，專用伺服系統(tǒng)市場規(guī)模持續(xù)提升。2020至2023年中國專用伺服市場規(guī)模擴大，主要因5G技術(shù)拉動3C電子制造設(shè)備行業(yè)蓬勃發(fā)展，推動行業(yè)整體市場快速回暖，對于專用伺服的需求大幅提升。預(yù)計2024年，我國專用伺服市場規(guī)模將繼續(xù)擴大。
 

　　從市場競爭格局看，伺服系統(tǒng)尤其是伺服電機市場規(guī)模很大，但目前國內(nèi)市場由國外品牌占據(jù)主導(dǎo)，日系和歐美系品牌占據(jù)約半數(shù)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(yè)整體技術(shù)水平的上升以及客戶要求的提高，同質(zhì)化、低質(zhì)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(nèi)企業(yè)主要依靠價格和服務(wù)優(yōu)勢占據(jù)一定市場份額，外資企業(yè)產(chǎn)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(chǎn)品，整體對于專用伺服主要應(yīng)用行業(yè)關(guān)注度相對較低，售后服務(wù)響應(yīng)速度不及國內(nèi)專用伺服廠家。在此背景下，營造良好的市場環(huán)境、加速國產(chǎn)替代進程，已經(jīng)成為國內(nèi)企業(yè)一致的訴求。
 

　　從市場需求來看，東部沿海地區(qū)需求潛力相對較大。伺服系統(tǒng)中游廠商對上游稀土磁材等原材料資源區(qū)域分布的依賴性并不顯著，更多是以關(guān)鍵零部件以及中下游產(chǎn)業(yè)布局為導(dǎo)向形成集群效應(yīng)。伺服系統(tǒng)作為工業(yè)自動化的核心部分，已經(jīng)滲入產(chǎn)業(yè)鏈下游包括機床、電子制造設(shè)備、機器人等在內(nèi)的多個應(yīng)用場景。從下游企業(yè)需求分布來看，沿海地區(qū)下游企業(yè)數(shù)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(tǒng)發(fā)展趨勢分析
 

　　1.網(wǎng)絡(luò)化和模塊化。現(xiàn)代工業(yè)局域網(wǎng)發(fā)展的重要方向和各種總線標準競爭的焦點就是如何適應(yīng)高性能運動控制對數(shù)據(jù)傳輸實時性、可靠性、同步性的要求。隨著國內(nèi)對大規(guī)模分布控制裝置的需求上升、高檔數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)成功，網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字伺服的開發(fā)已成為當務(wù)之急。模塊化不僅指伺服驅(qū)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(qū)動器內(nèi)部軟件和硬件的模塊化和可重用。
 

　　2.預(yù)測性維護技術(shù)發(fā)展迅速。隨著機器安全標準的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的故障診斷和保護技術(shù)(問題發(fā)生的時候判斷原因并采取措施避免故障擴大化)已經(jīng)落伍，最新的產(chǎn)品嵌入了預(yù)測性維護技術(shù)，使得人們可以通過網(wǎng)絡(luò)及時了解重要技術(shù)參數(shù)的動態(tài)趨勢，并采取預(yù)防性措施。比如:關(guān)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(jiān)視溫度傳感器，以及對電流波形發(fā)生的任何畸變保持警惕。數(shù)字孿生技術(shù)是預(yù)測性維護技術(shù)的重要組成部分。數(shù)字孿生是物理資產(chǎn)的虛擬模型，可以模擬資產(chǎn)的運行狀況和故障模式。企業(yè)可以使用數(shù)字孿生技術(shù)來測試不同的維護策略，并優(yōu)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(tǒng)中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。一般來說，逆變器的開關(guān)頻率越高，伺服系統(tǒng)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(tǒng)的硅器件以提升開關(guān)頻率，逐漸成為近年來的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。同時，功率半導(dǎo)體器件也不斷向集成化、模塊化發(fā)展，逆變器的體積也將逐漸縮小。新型電力電子器件的出現(xiàn)與應(yīng)用將使伺服系統(tǒng)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(xiàn)電機參數(shù)的離線或在線辨識，具備先進的參數(shù)自整定功能，以省去用戶反復(fù)調(diào)參的步驟，且電機參數(shù)與每次調(diào)試的控制器參數(shù)都可被儲存在Fash當中，以便下次使用。這樣具備參數(shù)記憶與參數(shù)自整定功能的高度智能化的控制器必將成為將來伺服驅(qū)動市場的主流。
 

　　5.數(shù)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(fā)過程的同時也使得更多的現(xiàn)代先進算法得以在數(shù)字系統(tǒng)中實現(xiàn)。一些芯片甚至有專門針對電機控制的開發(fā)板以及軟件平臺，可實現(xiàn)控制系統(tǒng)參數(shù)的在線調(diào)試、波形觀測以及電機參數(shù)的在線識別等功能，使得電機的數(shù)字化伺服系統(tǒng)實現(xiàn)更為簡便，縮短了開發(fā)周期的同時，進一步推動了伺服系統(tǒng)的數(shù)字化進程。
 

　　6.定制化和多樣化。為某種特定應(yīng)用場合設(shè)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(jié)構(gòu)(SPM)和嵌入式永磁(IPM)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機出現(xiàn)，分割式鐵芯結(jié)構(gòu)工藝的使用使永磁無刷伺服電機的生產(chǎn)實現(xiàn)了高效率、大批量和自動化，并引起國內(nèi)廠家和市場的關(guān)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(fā)展，比如20mm、28mm、35mm外徑，同時也在發(fā)展更大功率和尺寸的機種，已經(jīng)看到500kW永磁伺服電機的出現(xiàn)，體現(xiàn)了向兩極化發(fā)展的傾向。
 

　　五、結(jié)論
 

　　作為數(shù)控機床的重要功能部件，伺服系統(tǒng)的特性一直是影響系統(tǒng)加工性能的重要指標。圍繞伺服系統(tǒng)動態(tài)特性與靜態(tài)特性的提高，近年來開展了多種伺服驅(qū)動技術(shù)。可以預(yù)見隨著超高速切削、超精密加工、網(wǎng)絡(luò)制造等先進制造技術(shù)的開展，具有網(wǎng)絡(luò)接口的全數(shù)字伺服系統(tǒng)、直線電動機及高速電主軸等將成為數(shù)控機床行業(yè)關(guān)注的熱點，并成為伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向。
 

　　目前國內(nèi)企業(yè)在伺服電機的相關(guān)技術(shù)上，已經(jīng)取得了不小的突破，國家推動伺服電機國產(chǎn)替代的速度將加快。從伺服電機的行業(yè)格局來看，國產(chǎn)替代將釋放百億級的市場增量空間。另外結(jié)合當前的經(jīng)濟環(huán)境和產(chǎn)業(yè)政策來看，政府短期內(nèi)有望出臺更多措施，全面推動伺服電機國產(chǎn)替代，行業(yè)內(nèi)優(yōu)秀的國產(chǎn)企業(yè)有望長期受益。
 

　　來源：協(xié)會數(shù)控系統(tǒng)分會(超同步 李龍云 牛亞萍)