1、工業(yè)母機：高端裝備制造的基石
機床是對金屬、其他材料的坯料或工件進行加工，使之獲得所要求的幾何形狀、 尺寸精度和表面質量的機器。機床是制造機器的機器，這是機床區(qū)別于其他機器 的主要特點，故機床又稱為工業(yè)母機。數(shù)控機床是用數(shù)字化信息對機床的運動及其加工過程進行控制的機床，是高效 率、高精度、高柔性和高自動化的現(xiàn)代機電一體化設備。數(shù)控機床按照材料加工方式，工業(yè)母機可分為金屬切削機床、金屬成形機床、特 種加工機床。其中金屬切削機床包括車床、銑床、磨床等單功能性機床以及帶有 刀庫和自動換刀裝置，從而可以實現(xiàn)多種不同加工操作的加工中心。
數(shù)控機床上游行業(yè)主要供應鈑焊件、鑄件、精密件、功能部件、數(shù)控系統(tǒng)、電氣 元件等。精密件主要包括主軸單元和絲杠、線軌、軸承等傳動部件等，功能部件 主要包括數(shù)控回轉工作臺、刀庫、機械手、齒輪箱、銑頭、刀架等。數(shù)控系統(tǒng)包 括驅動裝置，以及控制和檢測裝置等。數(shù)控機床的下游用途十分廣泛，涵蓋國民 經(jīng)濟的多個重要領域，如航空航天、機械設備等。
目前我國低端數(shù)控機床基本達到自給自足，中端數(shù)控機床基本實現(xiàn)國產(chǎn)替代，但 高端數(shù)控機床國產(chǎn)化率仍處于較低水平。根據(jù)科德數(shù)控公告，截至 2022 年底國內高端機床國產(chǎn)化率不足 10%。據(jù)中國機床工具工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，2023 年金屬切削機床數(shù)控化率為 45.5%。在發(fā)達國家中，日本機床數(shù)控化率維持在 80%以上，美國和德國機床數(shù)控化率均超 過 70%，與之相比國內機床數(shù)控化率提升空間較大。
當前國內機床行業(yè)大致可分為三大梯隊，其中：第一梯隊：歷史悠久，實力雄厚的外資企業(yè)，主營業(yè)務是高端數(shù)控機床，如日本 山崎馬扎克，德國通快，德馬吉森精機，美國馬格等。目前大多數(shù)都通過在中國 投資或合資建廠；第二梯隊：國內最先起步，并具有一定技術實力，資金實力和品牌影響力的民企 和國企。從最早的國營企業(yè)“十八羅漢”，到現(xiàn)在如海天精工，創(chuàng)世紀，紐威數(shù) 控等新主力軍民營企業(yè)；第三梯隊：規(guī)模較小，技術含量較低的主營低端數(shù)控機床的小型民營企業(yè)。產(chǎn)品 價格便宜，產(chǎn)品加工精度要求不高，主要應用于一般民用產(chǎn)品，汽車零部件粗加 工等領域。
2、 工業(yè)母機市場：聚焦頭部國家
2.1、 全球市場：中國穩(wěn)居全球生產(chǎn)、消費第一
生產(chǎn)：根據(jù)德國 VDW 數(shù)據(jù)，2022 年全球機床產(chǎn)值 803 億歐元，同比+12%。其中金屬 切削機床 566 億歐元，金屬成形機床 235 億歐元（過去 5 年比例約為 7:3）。2022 年全球機床產(chǎn)值排名前十的國家和地區(qū)依次為：中國（不包含中國臺灣地區(qū)，下 同）（257 億歐元）、日本（99 億歐元）、德國（97 億歐元）、意大利（65 億歐元）、美國（56 億歐元）、韓國（43 億歐元）、中國臺灣地區(qū)（39 億歐元）、 瑞士（28 億歐元）、印度（13 億歐元）、奧地利（12 億歐元）。
中國目前是全球最大的機床生產(chǎn)國，2022 年產(chǎn)值占全球 32%，其次為日本 （12%）、德國（12%）、意大利（8%）、美國（7%）。
消費：中國目前是全球最大的機床消費國，2022 年機床消費占全球 34%，其次為美國 （12%）、意大利（7%）、德國（7%）、日本（5%）。
出口：作為老牌機床強國，德國與日本的機床出口額位居前列，2022 年全球出口份額 分別為 17%、17%。2020-2022 年，中國機床出口額快速增長，2022 年中國機 床全球出口份額已提升至 14%，且在全球機床出口額前 5 名中，僅中國的機床 出口額超過了 2018 年水平。值得一提的是，根據(jù) VDW 口徑，有相當一部分出口額來自于德國、日本、瑞士 等機床制造商在中國生產(chǎn)的頂級機床。
進口：中國和美國是全球排名前二的機床進口國，隨著國產(chǎn)替代的推進，中國的機床進 口額穩(wěn)中有降，2022 年為 62.6 億歐元，較 2021 年微降 0.4%；美國 2022 年機 床進口額 59.0 億歐元，較 2021 年增加 36.2%。
主要國家和地區(qū)機床供需平衡：作為全球最大的機床消費國，中國基本實現(xiàn)自給自足，2022 年機床進口額與出 口額基本持平，大部分國內消費由本土供應。德國、日本機床出口額遠大于機床 進口額，2022 年貿(mào)易順差分別達到 45、63 億歐元。美國機床進口額遠大于機 床出口額，2022 年貿(mào)易逆差達到 41 億歐元。而韓國、中國臺灣地區(qū)、瑞士 2022 年機床貿(mào)易順差分別達到 13、20、18 億歐元。
出口比例：2022 年，日本、德國、中國臺灣地區(qū)、瑞士機床出口占生產(chǎn)比例均超 70%，為 典型的出口導向型經(jīng)濟；意大利、韓國機床出口占生產(chǎn)比例在 50%附近，內外 需較為均衡；中國、美國機床出口占生產(chǎn)比例分別為 23%、33%，隨著國內機 床出口額不斷增長，國內機床出口比例仍有較大提升空間。
進口比例：2022 年，墨西哥、土耳其、美國、印度機床進口占消費比例均超 50%，其中墨 西哥、土耳其機床消費中進口依賴度分別達到 98%、89%；而德國機床消費中 進口依賴度亦達到 49%；中國機床消費中進口依賴度為 24%。
2.2、 國內市場：進口依賴度下降，出口快速提升
中國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了起步、擴產(chǎn)、整合、高速發(fā)展與轉型升級，目前已形成 了品類完善、功能齊全的制造格局。
根據(jù)中國機床工具工業(yè)協(xié)會，2023 年我國金屬加工機床生產(chǎn)額為 1935 億元， 同比增長 1.1%。消費額為 1816 億元，同比下降 6.2%。根據(jù) VDW 數(shù)據(jù)，我國機床消費中進口依賴度從 2018 年的 33%下降至 2022 年 的 24%。
從產(chǎn)業(yè)周期來看，機床呈現(xiàn)約 10 年的更換周期。2009 年，“04 專項”的實施 為我國機床行業(yè)注入新的動力，我國金屬切削機床在 2011/2014 年形成產(chǎn)量高 峰。隨著 10 年更換周期的到來，預計我國機床行業(yè)將迎來大規(guī)模替換需求。根據(jù)日本機床工業(yè)協(xié)會，日本來自中國的機床訂單基本呈現(xiàn) 3 年一個小周期的規(guī) 律。
從月度數(shù)據(jù)來看，中國金屬切削機床產(chǎn)量與日本來自中國的機床訂單呈現(xiàn)同步狀 態(tài)。2023 年 1-12 月，中國制造業(yè)固定資產(chǎn)投資完成額累計同比增長 6.5%，較 2023 年 1-11 月提升 0.2pct。目前國內金屬切削機床產(chǎn)量及日本對華機床訂單 均有底部回暖趨勢，隨著新質生產(chǎn)力發(fā)展，中高端機床的市場需求或將企穩(wěn)回升。
從進出口情況來看，2021-2023 年，我國金屬切削機床出口金額逐年提升，進口 金額逐年下降，在 2023 年完成貿(mào)易順差 3.9 億美元；2021-2023 年，我國金屬 成形機床出口金額提升較快，貿(mào)易順差逐步擴大，在 2023 年達到 12.9 億美元。
從進口機床種類來看，我國對外進口的機床主要是加工中心、特種加工機床、磨 床、齒輪加工機床、車床；從出口機床種類來看，我國對外出口的機床主要是特 種加工機床、車床、加工中心、成形折彎機、金屬冷加工壓力機。
3、 工業(yè)母機產(chǎn)業(yè)鏈：國產(chǎn)替代任務艱巨
從機床的發(fā)展來看，金屬切削的基本工作原理是借助高硬度材料的刀具從硬度較 低的工件毛坯上切除多余的金屬，從而獲得具有一定形位精度和表面質量的特定 形狀的零件。因此，工件和刀具的機床內部一對相互對抗的矛盾體。從機床結構來看，可分為主傳動系統(tǒng)、進給傳動系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)。其 中主傳動系統(tǒng)是由主軸電動機經(jīng)一系列傳動元件和主軸構成的具有運動、傳動聯(lián) 系的系統(tǒng)；進給傳動系統(tǒng)以保證刀具與工件相對位置關系為目的，其作用是將伺 服電動機的旋轉運動轉變?yōu)閳?zhí)行件的直線運動或旋轉運動；檢測系統(tǒng)負責將機床 運動部件的實際位移量隨時檢測出來，與給定的控制值（指令信號）進行比較， 從而控制驅動元件正確運轉，實現(xiàn)閉環(huán)控制；而數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心，是 實現(xiàn)機床精確加工功能的關鍵。
3.1、 數(shù)控系統(tǒng)：工業(yè)母機之“腦”
數(shù)字控制（Numerical Control-NC）技術是近代發(fā)展起來的一種自動控制技術。國家標準 GB 8129-87 將其定義為“用數(shù)字化信號對機床運動及其加工過程進行 控制的一種方法”。數(shù)控機床是用數(shù)字信息進行控制的機床，借助輸入控制器中的數(shù)字信息來控制機 床部件的運動，自動地將零件加工出來。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)普遍采用微機技術，成為 計算機數(shù)控（Computer Numerical Control-CNC）。伴隨數(shù)控機床的發(fā)展，機床數(shù)字控制器也從最初的機床研制單位自行設計制造轉 變?yōu)閷I(yè)的制造商批量生產(chǎn)，形成了專門的產(chǎn)品——數(shù)控系統(tǒng)及其產(chǎn)業(yè)。
從全球數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展來看，主要經(jīng)歷了五個時期：1）第 1 階段：研究開發(fā)期(1952-1970)，系統(tǒng)組成以電子管、晶體管小規(guī)模集成 電路為主；2）第 2 階段：推廣應用期(1970-1980)，使用專用 CPU 芯片，實現(xiàn)全數(shù)字控制 刀具自動交換；3）第 3 階段：系統(tǒng)化(1980-1990)，使用多 CPU 處理器，完成多軸聯(lián)動控制且 人機界面友好；4）第 4 階段：集成化 (1990-2000)，使用模塊化多處理器，實現(xiàn)復合多任務加 工；5）第 5 階段：網(wǎng)絡化 (2000-2015)，使用開放體系結構工業(yè)微機，從而達到開 放式數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡化和智能化。
數(shù)控系統(tǒng)一般分為高、中、低端三種類型：1）低端（普及型）數(shù)控：一般采用 32 位中央處理器(CPU)芯片，以模擬量或脈 信號控制伺服驅動系統(tǒng)，以實現(xiàn)運動控制，可完成基本的直線和圓弧插補功能， 實現(xiàn)軸或 3 軸控制。系統(tǒng)分辨率大于 1μm，定位精度 0.03mm。典型產(chǎn)品有廣 州數(shù)控的 GSK928 系統(tǒng)、華中數(shù)控 HNC-808 系列、西門子的 808D 系統(tǒng)等；2）中端數(shù)控：通常稱為全功能數(shù)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)主要的插補功能，具有豐富的 圖形化界面和數(shù)據(jù)交換功能，實現(xiàn)三軸或四軸聯(lián)動。系統(tǒng)分辨率 1μm，定位精 度 0.03mm-0.005mm。典型產(chǎn)品有廣州數(shù)控 980 系列，華中數(shù)控 HNC-818 系 列，西門子 828D 系統(tǒng)，發(fā)那科 0i 系統(tǒng)等；3）高端數(shù)控：具有 5 軸以上的控制能力，多通道、全數(shù)字總線，豐富的插補及 運動控制功能，智能化的編程和遠程維護診斷。主軸轉速 10000r/min 以上，系 統(tǒng)分辨率亞微米或納米級，定位精度 0.01mm-0.001mm。典型產(chǎn)品有西門子 840Dsl、發(fā)那科 30i、華中數(shù)控 HNC-848、沈陽機床 i5 等。
20 世紀 50 年代以來，全球數(shù)控系統(tǒng)技術經(jīng)歷 2 個階段，實現(xiàn)從硬線控制到計算 機數(shù)控階段的進步。從 1952 年世界上第一臺數(shù)控機床在美國誕生，數(shù)字計算機 技術開始應用于機床行業(yè)，自此數(shù)控技術的發(fā)展與電子和計算機技術的發(fā)展緊密 相關。隨著數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，其功能持續(xù)增多、可靠性與精度不斷提高，價格也 逐漸下降。中國數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷 4 個階段，目前國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)應用多集中在低端市場，高 端市場有待發(fā)展，主要原因是由于數(shù)控系統(tǒng)技術壁壘高，同時需要大量實際應用 進行升級迭代。
3.1.1、數(shù)控系統(tǒng)關鍵技術
數(shù)控系統(tǒng)中的關鍵技術包括：1）譯碼及刀具補償：譯碼指從零件加工程序的文本文件中提取出插補種類及相 關參數(shù)、速度信息、刀具信息以及輔助信息；而刀具補償已成為 ISO 中定義的 標準功能，在編制工件粗、精加工程序的過程中，合理運用刀具補償功能，可以 極大減少計算工作量及編程工作，提高加工效率；2）插補方法：數(shù)控編程時將零件上要加工的平面、凸臺、型腔及曲面等規(guī)劃成 相應的刀具加工軌跡，這些軌跡通常由直線、圓弧、曲線組成。插補就是根據(jù)給 定曲線的起點和終點、進給速度、軌跡線形和插補周期計算軌跡上中間點的方法；3）速度前瞻：速度前瞻處理功能預先獲得待加工零件輪廓上的速度突變點，使 得數(shù)控機床進入這些突變點之前，能及時修調進給速度，避免加工表面質量變差， 有效抑制機床在突變點產(chǎn)生振動；4）坐標變換及誤差補償：坐標變換負責將編程坐標系轉換成機床的物理坐標系。誤差補償指的是數(shù)控系統(tǒng)通過對加工過程的誤差源分析、測量、建模，實時地計 算出位置誤差、熱誤差等，將該誤差反饋到控制系統(tǒng)中,改變實際坐標指令來實 現(xiàn)誤差修正，從而使工件獲得理想的加工精度。
3.1.2、數(shù)控市場格局
自 2017 年中國科技專項后，數(shù)控系統(tǒng)國產(chǎn)化率實現(xiàn)提升，打破高端市場外資壟 斷局面，但目前中高端市場仍以外資為主，這主要是由于數(shù)控系統(tǒng)的技術壁壘與 較高的用戶粘性。目前中國數(shù)控系統(tǒng)市場中：高端市場以外資企業(yè)為主，其中第一梯隊代表為日本發(fā)那科、德國西門子，第二 梯隊代表為德國海德漢、日本三菱、德國馬扎克；中端市場面臨外資企業(yè)與國產(chǎn)廠商的激烈競爭，其中國產(chǎn)品牌華中數(shù)控主要以加 工中心數(shù)控系統(tǒng)為主、技術積累深厚，科德數(shù)控以五軸數(shù)控系統(tǒng)為主，技術積累 深厚，以自用為主；低端市場以國產(chǎn)廠商為主，如廣州數(shù)控（以車床數(shù)控系統(tǒng)為主，中低端市占率第一，商務性強）、蘇州新代（以車銑復合數(shù)控系統(tǒng)為主，銷售模式具有優(yōu)勢，技 術較強）、凱恩帝（以車床數(shù)控系統(tǒng)為主，產(chǎn)品性能較好，銷售能力較弱）。
2022 年，中國數(shù)控系統(tǒng)市占率前三均為外資企業(yè)，分別為發(fā)那科、三菱、西門 子，銷售額市占率分別為 37%、17%、12%，合計占比 66%。數(shù)控系統(tǒng)占數(shù)控機床成本比例約在 15%左右。據(jù)頭豹產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2022 年 全國數(shù)控系統(tǒng)市場規(guī)模約在 135.2 億元。未來隨著我國機床數(shù)控率提升，數(shù)控系 統(tǒng)市場規(guī)模增速預計將高于機床行業(yè)整體增速。
3.2、 主軸：工業(yè)母機之“左手”
3.2.1、從機械主軸到電主軸
主軸部件是主運動的執(zhí)行件，它夾持刀具或工件，并帶動其旋轉。數(shù)控機床主軸 部件的精度、剛度、抗振性和熱變形對加工質量和生產(chǎn)率等有著直接的影響。數(shù) 控機床的主軸部件包括主軸、主軸支承、裝在主軸上的傳動件和密封件等。主軸的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：1）齒輪/帶傳動。傳統(tǒng)機床主軸的驅動方式是電機軸線和主軸的軸線互相平行， 電機通過皮帶或齒輪間接地驅動主軸。由于當主軸轉速提高到一定水平后，傳動 皮帶開始受離心力的作用而膨脹，傳動效率急劇下降，傳動齒輪的發(fā)熱和噪音問 題也開始變得嚴重。2）聯(lián)軸器傳動。為了解決間接傳動的轉速瓶頸，機床設計人員開始研究將電機 和主軸同軸配置，由電機通過聯(lián)軸節(jié)直接驅動主軸。這種驅動方式盡管取消了皮 帶和齒輪等中間傳動帶來的問題，但又為刀具夾緊機構的配置帶來新的問題。3）電主軸。電主軸的出現(xiàn)，從根本上解決了主軸直接驅動的問題。電主軸是將 電機的轉子和主軸集成為一個整體。中空的、直徑較大的轉子軸同時也是機床的 主軸，它有足夠的空間容納刀具夾緊機構或送料機構。
從不同領域對機床主軸的要求來看，主軸的選擇與機床類型、加工工藝、刀具. 工件材料和加工精度都有密切的關系。復合加工中心的愿景是在一臺機床上進行鏜銑、車、鉆、磨等不同工序，其進步 完善的主要瓶頸就是主軸，沒有一種主軸可以滿足不同加工情況的要求，達到同 樣優(yōu)良的性能。可重構機床、模塊化機床則往往需要具有機械、液壓、氣動和電 氣標準化接口的可交換主軸。
不同類型主軸傳動的性能各異，可根據(jù)應用場合的需求加以選用和設計。電主軸 在速度、精度、噪聲和更換方便性方面，皆優(yōu)于其他傳動形式，是高端數(shù)控銑床、 加工中心和復合加工機床的首選方案。
電主軸作為一種機電一體化系統(tǒng)，機床的核心部件，越來越多地集成各種傳感器 和軟件，對其工作狀態(tài)的進行監(jiān)控、預警、可視化和補償。裝上各種傳感器的電 主軸能產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，各大電主軸制造商和機床制造商，目前正努力合作開發(fā)專 家系統(tǒng)，將這些數(shù)據(jù)綜合后用簡明的方式向用戶報告。
