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。數控機床是用數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代機電一體化設備。數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，從而可以實現多種不同加工操作的加工中心。
數控機床上游行業(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 主要包括數控回轉工作臺、刀庫、機械手、齒輪箱、銑頭、刀架等。數控系統(tǒng)包 括驅動裝置，以及控制和檢測裝置等。數控機床的下游用途十分廣泛，涵蓋國民 經濟的多個重要領域，如航空航天、機械設備等。
目前我國低端數控機床基本達到自給自足，中端數控機床基本實現國產替代，但 高端數控機床國產化率仍處于較低水平。根據科德數控公告，截至 2022 年底國內高端機床國產化率不足 10%。據中國機床工具工業(yè)協(xié)會數據，2023 年金屬切削機床數控化率為 45.5%。在發(fā)達國家中，日本機床數控化率維持在 80%以上，美國和德國機床數控化率均超 過 70%，與之相比國內機床數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”，到現在如海天精工，創(chuàng)世紀，紐威數 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控機床的小型民營企業(yè)。產品 價格便宜，產品加工精度要求不高，主要應用于一般民用產品，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、消費第一
生產：根據德國 VDW 數據，2022 年全球機床產值 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國，2022 年產值占全球 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 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比例均超 70%，為 典型的出口導向型經濟；意大利、韓國機床出口占生產比例在 50%附近，內外 需較為均衡；中國、美國機床出口占生產比例分別為 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
中國數控機床產業(yè)經歷了起步、擴產、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。
根據中國機床工具工業(yè)協(xié)會，2023 年我國金屬加工機床生產額為 1935 億元， 同比增長 1.1%。消費額為 1816 億元，同比下降 6.2%。根據 VDW 數據，我國機床消費中進口依賴度從 2018 年的 33%下降至 2022 年 的 24%。
從產業(yè)周期來看，機床呈現約 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 3 年一個小周期的規(guī) 律。
從月度數據來看，中國金屬切削機床產量與日本來自中國的機床訂單呈現同步狀 態(tài)。2023 年 1-12 月，中國制造業(yè)固定資產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量及日本對華機床訂單 均有底部回暖趨勢，隨著新質生產力發(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)母機產業(yè)鏈：國產替代任務艱巨
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)、數控系統(tǒng)。其 中主傳動系統(tǒng)是由主軸電動機經一系列傳動元件和主軸構成的具有運動、傳動聯 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，實現閉環(huán)控制；而數控系統(tǒng)是數控機床的核心，是 實現機床精確加工功能的關鍵。
3.1、 數控系統(tǒng)：工業(yè)母機之“腦”
數字控制（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”。數控機床是用數字信息進行控制的機床，借助輸入控制器中的數字信息來控制機 床部件的運動，自動地將零件加工出來。現代數控系統(tǒng)普遍采用微機技術，成為 計算機數控（Computer Numerical Control-CNC）。伴隨數控機床的發(fā)展，機床數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，形成了專門的產品——數控系統(tǒng)及其產業(yè)。
從全球數控系統(tǒng)的發(fā)展來看，主要經歷了五個時期：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，實現全數字控制 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，實現復合多任務加 工；5）第 5 階段：網絡化 (2000-2015)，使用開放體系結構工業(yè)微機，從而達到開 放式數控系統(tǒng)網絡化和智能化。
數控系統(tǒng)一般分為高、中、低端三種類型：1）低端（普及型）數控：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)，以實現運動控制，可完成基本的直線和圓弧插補功能， 實現軸或 3 軸控制。系統(tǒng)分辨率大于 1μm，定位精度 0.03mm。典型產品有廣 州數控的 GSK928 系統(tǒng)、華中數控 HNC-808 系列、西門子的 808D 系統(tǒng)等；2）中端數控：通常稱為全功能數控系統(tǒng)，可實現主要的插補功能，具有豐富的 圖形化界面和數據交換功能，實現三軸或四軸聯動。系統(tǒng)分辨率 1μm，定位精 度 0.03mm-0.005mm。典型產品有廣州數控 980 系列，華中數控 HNC-818 系 列，西門子 828D 系統(tǒng)，發(fā)那科 0i 系統(tǒng)等；3）高端數控：具有 5 軸以上的控制能力，多通道、全數字總線，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。典型產品有西門子 840Dsl、發(fā)那科 30i、華中數控 HNC-848、沈陽機床 i5 等。
20 世紀 50 年代以來，全球數控系統(tǒng)技術經歷 2 個階段，實現從硬線控制到計算 機數控階段的進步。從 1952 年世界上第一臺數控機床在美國誕生，數字計算機 技術開始應用于機床行業(yè)，自此數控技術的發(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。中國數控系統(tǒng)發(fā)展經歷 4 個階段，目前國產數控系統(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、數控系統(tǒng)關鍵技術
數控系統(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、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 現誤差修正，從而使工件獲得理想的加工精度。
3.1.2、數控市場格局
自 2017 年中國科技專項后，數控系統(tǒng)國產化率實現提升，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，這主要是由于數控系統(tǒng)的技術壁壘與 較高的用戶粘性。目前中國數控系統(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)與國產廠商的激烈競爭，其中國產品牌華中數控主要以加 工中心數控系統(tǒng)為主、技術積累深厚，科德數控以五軸數控系統(tǒng)為主，技術積累 深厚，以自用為主；低端市場以國產廠商為主，如廣州數控（以車床數控系統(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（以車床數控系統(tǒng)為主，產品性能較好，銷售能力較弱）。
2022 年，中國數控系統(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%。數控系統(tǒng)占數控機床成本比例約在 15%左右。據頭豹產業(yè)研究院數據，2022 年 全國數控系統(tǒng)市場規(guī)模約在 135.2 億元。未來隨著我國機床數控率提升，數控系 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率等有著直接的影響。數 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，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 主軸能產生海量數據，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)，將這些數據綜合后用簡明的方式向用戶報告。
