國內(nèi)機(jī)床行業(yè)的數(shù)控化發(fā)展趨勢，數(shù)控機(jī)床的普及率將快速提升，在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域?qū)⒚媾R更加卡脖子的技術(shù)和工藝，每一個(gè)核心零部件的突破都將推進(jìn)工業(yè)母機(jī)的國產(chǎn)化，接下來我們將用數(shù)周的時(shí)間介紹數(shù)控機(jī)床的原理、結(jié)構(gòu)和核心零部件。
數(shù)控機(jī)床：2024年將達(dá)到5728億元
機(jī)床的誕生無疑是人類提升生產(chǎn)效率的里程碑事件，數(shù)控機(jī)床的發(fā)明則再一次推動了效率革命。美國發(fā)明家
John T. Parsons 在飛機(jī)工程師 Frank L. Stulen
的幫助下構(gòu)思并實(shí)施了數(shù)控系統(tǒng)，因此被廣泛尊為“數(shù)控系統(tǒng)之父”。麻省理工大學(xué)伺服機(jī)械實(shí)驗(yàn)室不但發(fā)明了 APT（自動編程工具）、G
代碼等構(gòu)建了現(xiàn)在數(shù)控操作系統(tǒng)編程的底層語言，并且在伺服電機(jī)的改進(jìn)上同樣貢獻(xiàn)頗多。二者間的合作與競爭以及美國軍方對二者的支持都加快了數(shù)控系統(tǒng)的改進(jìn)與普及。
數(shù)控系統(tǒng)助力機(jī)床性能不斷迭代，但國產(chǎn)化率僅20%：未來趨勢如何？
數(shù)控系統(tǒng)的革命性在于普通機(jī)床接入數(shù)控系統(tǒng)后，一方面提升了加工效率和精度，更好的滿足現(xiàn)在制造業(yè)的需求；另一方面操作難度同樣實(shí)現(xiàn)了顯著降低，*終能明顯增加工廠的經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)控機(jī)床目前也有仍需進(jìn)一步改進(jìn)之處，例如造價(jià)高昂，維修困難，對生產(chǎn)操作人員以及維修人員素質(zhì)要求較高等。
數(shù)控機(jī)床，就是在普通機(jī)床的基礎(chǔ)上，經(jīng)過不斷的研發(fā)與升級，從而使得精度和效率都大幅提升的自動化機(jī)床設(shè)備。數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)鏈包括上游數(shù)控系統(tǒng)及核心功能部件制造、機(jī)床整機(jī)制造，下游對應(yīng)到汽車、通用機(jī)械、3C
電子、模具、航空航天、工程機(jī)械等廣泛的制造業(yè)領(lǐng)域。數(shù)控機(jī)床的上游零部件主要分成數(shù)控系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和其他核心功能部件，數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的“大腦”，其他部件相當(dāng)于數(shù)控機(jī)床的“軀干”：
數(shù)控系統(tǒng)：機(jī)床核心關(guān)鍵部件之一，包含 CNC 裝置、伺服控制系統(tǒng)及檢測反饋裝置等，直接影響基礎(chǔ)機(jī)床精度、動態(tài)特征等核心參數(shù)。多個(gè)裝置通力協(xié)作，滿足不同機(jī)床設(shè)備的高要求性能，為機(jī)床整體性能提供支撐，其也是數(shù)控機(jī)床性能不斷迭代，生產(chǎn)效率不斷提升的核心。
傳動系統(tǒng)和其他核心功能部件：包含電主軸、傳動機(jī)械、滾動功能部件、精密件、刀庫、刀塔等，這些是實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動、切削的具體實(shí)施者，其優(yōu)劣也直接影響機(jī)床的精度、效率等功能。
中國大陸數(shù)控機(jī)床市場規(guī)模有望快速增長，數(shù)控系統(tǒng)貢獻(xiàn)主要成本占比。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《中國數(shù)控機(jī)床行業(yè)市場需求預(yù)測與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》預(yù)測，我國數(shù)控機(jī)床市場規(guī)模未來將實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定較快增長，到
2024 年將達(dá)到 5728 億元。數(shù)控機(jī)床中，數(shù)控系統(tǒng)成本占比較高，以海天精工為例，僅控制系統(tǒng)占比就達(dá)到
22%，如果算上驅(qū)動系統(tǒng)和光柵尺（位移檢測），成本占比接近 40%。
數(shù)控系統(tǒng)是典型的運(yùn)動控制系統(tǒng)，將迎來新一輪增長期數(shù)控系統(tǒng)是典型的運(yùn)動控制（Motion
Control）系統(tǒng)，也分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三類，半開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用*為廣泛。單軸位置控制系統(tǒng)按照系統(tǒng)控制邏輯環(huán)路分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)無位置反饋器，結(jié)構(gòu)簡單但精度較低，一般采用步進(jìn)電機(jī)。交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)是典型的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，位置反饋采用轉(zhuǎn)角檢測裝置，如光電編碼器及旋轉(zhuǎn)感應(yīng)同步器等，通過檢測絲杠轉(zhuǎn)角間接測量工作臺位移量，再反饋給數(shù)控裝置，運(yùn)用*為廣泛。閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)在執(zhí)行端增加直線編碼器，直接測量運(yùn)動的實(shí)際位置，使執(zhí)行更加準(zhǔn)確，應(yīng)用于高精度運(yùn)動控制場合，但成本較高、調(diào)試?yán)щy、系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。
數(shù)控系統(tǒng)是工控在機(jī)床中的運(yùn)用，直接影響數(shù)控機(jī)床的性能水平。數(shù)控系統(tǒng)本質(zhì)上講，是將工業(yè)控制縮放到機(jī)床體內(nèi)，通過設(shè)定圖樣形成數(shù)控加工程序，從而控制機(jī)床中的功能部件進(jìn)行相應(yīng)的精密運(yùn)動和位移反饋，從而達(dá)到機(jī)械加工的目的。因此，數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的“大腦”，數(shù)控機(jī)床的性能水平主要由數(shù)控系統(tǒng)決定。
數(shù)控系統(tǒng)整體由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)所構(gòu)成，狹義來講，數(shù)控系統(tǒng)有時(shí)也僅僅指控制系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)主要由三個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成，符合工業(yè)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成，如果僅為開環(huán)控制系統(tǒng)，則也不包含檢測系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)有時(shí)狹義上講僅指控制系統(tǒng)（數(shù)控裝置），但一般情況下均涵蓋控制、驅(qū)動和檢測三大系統(tǒng)，三個(gè)系統(tǒng)通力協(xié)作，滿足不同機(jī)床設(shè)備的高要求性能，為機(jī)床整體性能提供支撐。
機(jī)床廠商數(shù)控系統(tǒng)主要有自制、外購、二次開發(fā)三種模式，目前以外購為主。數(shù)控機(jī)床廠商在使用數(shù)控系統(tǒng)時(shí)主要有三種模式，分別是自制、外購、二次開發(fā)，也分別被稱為哈斯、西門子和馬扎克模式。目前來看，數(shù)控系統(tǒng)由于其相對標(biāo)準(zhǔn)化、投入回報(bào)周期長等特性，大部分機(jī)床廠商選擇了外購模式，但自制廠商往往具備核心技術(shù)和自主知識產(chǎn)權(quán)，供應(yīng)鏈自主可控，國外和國內(nèi)的典型代表分別為日本大隈和科德數(shù)控。
中國大陸數(shù)控系統(tǒng)市場規(guī)模超過百億元人民幣，目前有望迎來新一輪增長周期。根據(jù)MIR 統(tǒng)計(jì)，我國 2022 年數(shù)控系統(tǒng)市場規(guī)模為 135 億元，相較于數(shù)千億元的數(shù)控機(jī)床市場規(guī)模占比較低，主要因?yàn)槲覈鴶?shù)控機(jī)床國產(chǎn)化率低，進(jìn)口機(jī)床價(jià)值量較高且不在國內(nèi)生產(chǎn)。數(shù)控系統(tǒng)與通用自動化板塊相關(guān)性較高，目前已進(jìn)入周期底部，有望迎來新一輪增長周期。
數(shù)控系統(tǒng)助力機(jī)床性能不斷迭代，但國產(chǎn)化率僅20%：未來趨勢如何？
競爭格局：國產(chǎn)化率僅20%
數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床“大腦”，市場規(guī)模達(dá)百億，國產(chǎn)化率僅20%，國產(chǎn)替代空間大。數(shù)控系統(tǒng)約占機(jī)床價(jià)格比重約為15.4%。目前，根據(jù)紐威數(shù)控招股書、秦川機(jī)床公告，我國80%以上的數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)仍然使用進(jìn)口產(chǎn)品，其中，國外品牌在中高端數(shù)控系統(tǒng)市占率約為70%，高端系統(tǒng)占90%以上，發(fā)那科、西門子是主要進(jìn)口品牌，國內(nèi)企業(yè)華中數(shù)控、廣州數(shù)控、蘇州新代等市占率不斷提升。
主傳動系統(tǒng)：高效高精度加工催生電主軸技術(shù)，市場規(guī)模近50億元。主據(jù)QYResearch數(shù)據(jù)，2022年全球電主軸市場空間約為94億元，國內(nèi)約為48億元，瑞士Fisher、IBAG公司、德國Kessler公司、英國西風(fēng)為全球主要電主軸品牌，日本、中國臺灣品牌在大陸市場也占有較大市場份額，國內(nèi)市場電主軸的核心生產(chǎn)商有昊志機(jī)電、CeleraMotion、Fisher、普森精密主軸、江蘇星辰等，前三大廠商市占率約為23%。在眾多關(guān)鍵核心零部件中，電主軸市場集中度相對較低，競爭相對充分，或成為國產(chǎn)替代較早突破領(lǐng)域。
伺服進(jìn)給系統(tǒng)：連接數(shù)控裝置與機(jī)床本體的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。伺服進(jìn)給系統(tǒng)方案主要有兩種，其中，旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠是機(jī)床中*常用傳動方案，據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2022年全球滾珠絲杠市場規(guī)模約為136億元，國內(nèi)約為28億元。國內(nèi)市場中，大陸企業(yè)市占率僅為25%，布局企業(yè)主要有南京工藝裝備、山東博特精工、山東華珠機(jī)械、秦川機(jī)床（陜西漢江機(jī)床）、貝斯特、恒立液壓等。
趨勢：分層競爭下逐步高端化
1、整體集中度提升，逐步高端化
數(shù)控系統(tǒng)市場中，外資企業(yè)主要以日系、德系和臺系為主，內(nèi)資企業(yè)中僅南京開通（維宏股份）、華中數(shù)控和科德數(shù)控上市。日系企業(yè)包括：發(fā)那科、三菱、馬扎克等，德系以西門子、海德漢、埃瑪克為主，除此以外西班牙發(fā)格（Fagor）、美國哈斯（Haas）等都占據(jù)一定份額。內(nèi)資企業(yè)包括廣州數(shù)控、華中數(shù)控、科德數(shù)控、中科數(shù)控、南京開通（維宏股份）等，大多均為非上市企業(yè)，規(guī)模較小。
目前數(shù)控系統(tǒng)呈現(xiàn)出集中度提升的態(tài)勢，頭部廠商憑借較強(qiáng)的技術(shù)水平和規(guī)模優(yōu)勢不斷提升市占率。根據(jù) MIR 的數(shù)據(jù)，按銷售金額為口徑統(tǒng)計(jì)，三個(gè)外資企業(yè)發(fā)那科、西門子、三菱占據(jù)了中國大陸數(shù)控市場的前三名，國產(chǎn)企業(yè)廣州數(shù)控、蘇州新代位居其后；此外數(shù)控系統(tǒng)集成度正在逐步提高，2017Q1，數(shù)控系統(tǒng)市場 CR5 為 71.6%，截至 2022Q4，CR5已經(jīng)達(dá)到 89.7%。
頭部廠商市占率提升的*主要原因是高端化，均價(jià)較高的高端產(chǎn)品占比提升，且數(shù)控系統(tǒng)整體價(jià)格均有所上升，未出現(xiàn)價(jià)格戰(zhàn)。數(shù)控系統(tǒng)逐步高端化，越來越多的民用行業(yè)基于加工精度、加工效率等原因開始使用五軸加工技術(shù)。五軸加工技術(shù)是利用刀具的高速旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)切削的目的，能夠避免三軸加工過程中必須多次調(diào)試裝卡和重復(fù)裝夾影響加工精度等問題，大大降低了人工消耗以及時(shí)間成本，大幅度提升了工作效率。五軸數(shù)控機(jī)床需要使用較高端的數(shù)控系統(tǒng)，高端數(shù)控系統(tǒng)價(jià)格顯著高于中低端。近年來數(shù)控系統(tǒng)整體價(jià)格有所上升，未出現(xiàn)價(jià)格戰(zhàn)，主要原因是數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床中*核心的零部件，配套和使用粘性非常高，下游客戶更加注重產(chǎn)品質(zhì)量、匹配度而非價(jià)格。
數(shù)控系統(tǒng)助力機(jī)床性能不斷迭代，但國產(chǎn)化率僅20%：未來趨勢如何？
2、分層級競爭，中低端已逐步國產(chǎn)化，高端有望加速
目前我國數(shù)控系統(tǒng)可分為經(jīng)濟(jì)型、標(biāo)準(zhǔn)型以及*型，呈現(xiàn)出分層競爭的態(tài)勢。根據(jù)中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，按銷售套數(shù)計(jì)算，2021 年國外品牌總體市占率約 45%，但占據(jù)了*型、標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng) 70%的份額。*型數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵在于技術(shù)水平，產(chǎn)品附加值極高，市場主要由德國西門子占據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵在于產(chǎn)品可靠性，產(chǎn)品附加值較高、穩(wěn)定性高，市場主要由日本發(fā)那科占據(jù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)主要取決于產(chǎn)品價(jià)格，進(jìn)入門檻較低，以國產(chǎn)品牌為主，市場競爭激烈。國產(chǎn)廠商在高中低端市場的市占率也略有不同，根據(jù)我們測算，經(jīng)濟(jì)型則以廣州數(shù)控為主，中高端數(shù)控系統(tǒng)以華中數(shù)控為主。
目前中國大陸中高端數(shù)控系統(tǒng)未出現(xiàn)顯著的國產(chǎn)替代趨勢，主要系下游用戶粘性較高。
根據(jù) MIR 的數(shù)據(jù)，2017-2022 年，中國大陸數(shù)控系統(tǒng)市場發(fā)那科、三菱和西門子的市占率持續(xù)提升，即使考慮到因統(tǒng)計(jì)口徑而產(chǎn)生的誤差，也不能認(rèn)為數(shù)控系統(tǒng)市場出現(xiàn)了國產(chǎn)替代的趨勢。究其原因，數(shù)控系統(tǒng)由于編程和操作習(xí)慣，存在非常強(qiáng)的客戶粘性，而且不同檔次的加工精度差別巨大，廉價(jià)產(chǎn)品并不能保證質(zhì)優(yōu)。尤其是在中高端數(shù)控中，國產(chǎn)系統(tǒng)占比仍然不高。根據(jù)國盛智科招股書，2017-2019 三年中發(fā)那科占國盛智科數(shù)控系統(tǒng)總采購金額的比例為 77.25%、83.52%、91.14%，國產(chǎn)替代尚有較大空間。
數(shù)控系統(tǒng)各檔次差異主要體現(xiàn)在功能完備性、性能、適用范圍以及可靠性，中國大陸中高端數(shù)控系統(tǒng)足以匹敵中國臺灣及日本的數(shù)控系統(tǒng)，與德國*品牌尚有一定差距。國外*數(shù)控系統(tǒng)功能完備性較好，包括設(shè)計(jì)（CAD、CAM）、五軸加工（RTCP）、制造系統(tǒng)（MES、ERP），性能可以實(shí)現(xiàn)速度環(huán)、位置環(huán)和電流環(huán)三環(huán)閉環(huán)控制及納米級精度，平均無故障工作時(shí)間（MTBF）也更長，代表廠商為德國的西門子和海德漢。
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