高档数控机床主轴轴承与机器人轴承发展趋势
2020-7-14 来源：- 作者：-
一，概述
机床行业是国民经济的基础装备产业，是装备制造业发展的重中之重。机床行业水平代表着一个国家制造业的发展水平。
我国已经成为世界第一大机床消费大国和制造大国。尤其是进入 21 世纪之后，我国数控机床进入黄金发展阶段，各类机床产品产值持续位居世界前列。数控机床年产量从2001 年的 1 万台，到 2014 年达到 39.1 万台。我国已连续 11 年成为世界金属加工机床第一消费大国。期间，我国机床工具行业自主创新成果显著，开发了一批高速、精密、复合、多轴联动数控机床，以及一批大规格、大吨位重型、超重型数控机床新产品。近年来，随着我国各种新兴产业的繁荣和高端装备制造业的发展，随着机械类产品的高精度、高性能、高一致性、高可靠性要求的提升，为之提供加工基础的数控机 床得到了迅猛发展，满足高性能、高效率要求的高档数控机床已经进入工业经济的各个领域。
我国2010--2016年数控机床产量
与此同时，我国机器人行业也得到了快速发展，已经成为全球工业机器人重要市场。2013年，我国工业机器人销量达到 3.7 万台，超越日本成为全球第一大机器人市场；2016 年，我国工业机器人销量达到 8.9万台，平均每年增长20%以上。
2009--2016中国工业机器人市场销量
随着数控技术的快速发展，复合、高速、智能、精密、环保已成为当今机床工业技术发展的主要趋势。轴承作为机床的基础配套部件，其性能直接影响到机床的转速、回转精度、刚性、抗振动切削性能、噪声、温升及热变形等，进而影响到机床的本质性能。由于新研发的高档数控机床普遍具有多轴化、多功能化、多性能化要求，因此，其核心部件——轴承也倍受关注。
二、现状与发展趋势
（1）高档数控机床主轴轴承种类
高档数控机床轴承种类包括高速主轴轴承系统（含电主轴轴承、动静压轴承）、直线导轨轴承、滚珠丝杠等功能部件（见图 3）。这些产品作为机床加工精度的决 定性因素而受到机床制造者、机床用户的高度关注。
典型的机床主轴轴承系统图
高速电主轴轴承系统典型结构图
其中，高档数控机床主轴轴承主要类型有 4 类，分别为：角接触球轴承，单、双 列圆柱滚子轴承，单、双向推力角接触球轴承，传统设计还有圆锥滚子轴承。
表1 机床主轴轴承种类
在数控机床主轴轴承中，量大面广的应用主要以精密角接触球轴承为主。
表2 精密角接触球轴承的类型及性能特点
（2）高档数控机床主轴轴承发展趋势
自2002 年开始，我国机床产品消费额上升到世界第一位，并且连续保持至今。
根据有关产业研究院提供的数据，2016年全球机床行业市场规模为 1080 亿美元左右。总体情况如图 5 所示。
图5 2009--2016年全球机床行业市场规模
与此同时，国内市场对于进口机床的需求不降反升。2014 年，机床工具进口总额 177.8 亿美元，同比增加10.8%。这些进口机床产品的需求主要以高档数控机床为核心，以关键系统、零部件为配套主导。可见，高端高档数控类机床产品仍旧是我国机床产业发展的软肋。
国内产品的精度、可靠性、稳定性、耐用性差，与国外先进的技术差距明显。国外数控机床平均无故障时间一般为 2000h 以上，而国内机床一般在 500h 以内；严重缺乏各种先进基础元件，先进配套件大量进口。
目前，受到国内机床行业发展的整体影响，高档数控机床主轴轴承的市场亦主要被国外轴承生产企业所占有，国内只有少数轴承企业研制了部分产品，但是依然难于得到核心高档数控机床的应用与实践的机会。以 P4 及以上级超精密角接触球轴承为例，国内机床行业年需求约 15 万套以上，其中，超过 50% 的产品来自 FAG、NSK、SKF、NTN 等国外轴承公司；并且，国外轴承公司针对高档数控机床主轴等部位所使 用的高端轴承均提供了专业的行业解决方案，以最大程度提供令用户满意的服务。可见，对于技术含量高、附加值高、加工难度大的高档数控机床主轴轴承研制，一直是各国轴承企业投入与关注的重点。
轴承的使用性能和产品服务是客户选择轴承产品的主要依据。随着国产超精密轴承的技术指标和可靠性水平的逐步提高，加之国内轴承企业在产品服务以及成本控制上的巨大优势，国产高档数控机床主轴轴承的市场占有率正处于稳步提升之中。目前，我国自主研发、生产的高档数控机床主轴轴承已经逐步替代进口，占据了一定的 市场份额。相信随着国内精密轴承的发展与提升，高档数控机床主轴轴承的巨大市场需求必将日渐倾斜于“中国制造”。
精度和切削能力是衡量机床质量的两个重要标准，它们取决于机床的整体设计，在很大程度上也取决于机床工件主轴-轴承系统。轴承的结构和精度在很大程度上决定了机床的性能，高档数控机床主轴轴承为 P4 及以上高精度等级的滚动轴承。随着现代机床向高精度、高效率、高智能化方向的发展，对机床主轴轴承也不断提出新的更高要求，如更高的回转精度，更高的静、动态刚性，更高的极限转速，更低的温升和摩擦力 矩，更高的精度保持性。与此同时，更合理方便的安装使用、调整维修、润滑密封等需求也在不断提出，集成化、单元化、智能化已成为数控机床主轴轴承的技术发展目标。
三、工业机器人轴承
（1）工业机器人轴承种类
工业机器人轴承种类见表3。
表3 工业机器人轴承种类
除上述轴承外，工业机器人还应用直线轴承、关节轴承、磁悬浮轴承、气体静压 推力轴承等。
（2）机器人轴承发展趋势
机器人的研发及产业化应用程度，是衡量一个国家科技创新、高端制造发展水平的重要标志。自 2010 年以来，全球对工业机器人的需求不断增长。国际机器人联合会（IFR）近日发布最新报告称，未来工业机器人需求仍将加速增长。
该机构此前发布的数据显示，2010 —2014 年，工业机器人年均复合增长率为17%。
在此之前，工业机器人安装量的增速从未如此迅速。2005 —2008 年，工业机器人年均 销售量约为 11.5 万台。2010 —2014 年，这一数字增长至 17.1 万台，增长量约 48%。
2013 年，中国以 3.7 万台的销售量，首超日本，全球排名第一。2014 年，全球 工业机器人销量增长了 29%，共计 22.9 万台；其中，来自中国的销量就达到 5.7 万台，站稳全球最大工业机器人市场的领先地位。
相对德、日、韩等国而言，我国机器人密度还是很低，2012 年我国制造业中工业机器人拥有量仅为 23 台 / 万人，远低于世界平均的 58 台 / 万人。即使排除不可比 因素，我国机器人密度还存在较大的提升空间，工业机器人市场潜力巨大。
2016 年， 我国工业机器人销量超过 8.9 万台。预计到 2020 年，我国工业机器人市场需求量将达到 15 万台，保有量达到 80 万台；到 2025 年，我国工业机器人市场需求量将达到 26 万台，保有量达到 180 万台。
多年来，轴承行业内的科研单位和骨干企业，对机器人轴承进行了持续不断地 理论研究、产品试制和产业化探索，并取得了一些阶段性成果，在实现机器人专用轴承国产化的道路上进行了尝试。但是，从总体上看，我国工业机器人轴承的研发不充分、碎片化明显，工程化不好，研发成果向生产力转化不利；没有进行充分的研发和 工程化，就直接小批量生产，向主机厂供货，很多问题需要解决。
2016 年，工信部把“工业机器人轴承”列为强基工程项目，轴承行业两个骨干企业得到相关资金的资助。可以预计，经过有识之士持续不断地努力和技术改造项目的实施，不远的将来，我国的机器人轴承一定能够满足主机市场的配套需求。
未来中国高档数控机床主轴轴承和机器人轴承将以高精度、高刚性、高承载、高可靠、低摩擦力矩、长寿命、新材料、新结构为主要研究方向。近几年国家不断加大对高档数控机床轴承的投入力度，相信在不久的将来，高档数控机床主轴轴承和机器人轴承大部分依赖进口的局面将得到根本改变。
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