数控系统助力机床性能不断迭代，但国产化率仅20%：未来趋势如何？

国内机床行业的数控化发展趋势，数控机床的普及率将快速提升，在数控机床领域将面临更加卡脖子的技术和工艺，每一个核心零部件的突破都将推进工业母机的国产化，接下来我们将用数周的时间介绍数控机床的原理、结构和核心零部件。


数控机床：2024年将达到5728亿元


机床的诞生无疑是人类提升生产效率的里程碑事件，数控机床的发明则再一次推动了效率革命。美国发明家 John T. Parsons 在飞机工程师 Frank L. Stulen 的帮助下构思并实施了数控系统，因此被广泛尊为“数控系统之父”。麻省理工大学伺服机械实验室不但发明了 APT（自动编程工具）、G 代码等构建了现在数控操作系统编程的底层语言，并且在伺服电机的改进上同样贡献颇多。二者间的合作与竞争以及美国军方对二者的支持都加快了数控系统的改进与普及。

数控系统助力机床性能不断迭代，但国产化率仅20%：未来趋势如何？


数控系统的革命性在于普通机床接入数控系统后，一方面提升了加工效率和精度，更好的满足现在制造业的需求；另一方面操作难度同样实现了显著降低，最终能明显增加工厂的经济效益。数控机床目前也有仍需进一步改进之处，例如造价高昂，维修困难，对生产操作人员以及维修人员素质要求较高等。


数控机床，就是在普通机床的基础上，经过不断的研发与升级，从而使得精度和效率都大幅提升的自动化机床设备。数控机床产业链包括上游数控系统及核心功能部件制造、机床整机制造，下游对应到汽车、通用机械、3C 电子、模具、航空航天、工程机械等广泛的制造业领域。数控机床的上游零部件主要分成数控系统、传动系统和其他核心功能部件，数控系统是数控机床的“大脑”，其他部件相当于数控机床的“躯干”：


数控系统：机床核心关键部件之一，包含 CNC 装置、伺服控制系统及检测反馈装置等，直接影响基础机床精度、动态特征等核心参数。多个装置通力协作，满足不同机床设备的高要求性能，为机床整体性能提供支撑，其也是数控机床性能不断迭代，生产效率不断提升的核心。


传动系统和其他核心功能部件：包含电主轴、传动机械、滚动功能部件、精密件、刀库、刀塔等，这些是实现机械传动、切削的具体实施者，其优劣也直接影响机床的精度、效率等功能。


中国大陆数控机床市场规模有望快速增长，数控系统贡献主要成本占比。根据前瞻产业研究院《中国数控机床行业市场需求预测与投资战略规划分析报告》预测，我国数控机床市场规模未来将实现稳定较快增长，到 2024 年将达到 5728 亿元。数控机床中，数控系统成本占比较高，以海天精工为例，仅控制系统占比就达到 22%，如果算上驱动系统和光栅尺（位移检测），成本占比接近 40%。


数控系统是典型的运动控制系统，将迎来新一轮增长期数控系统是典型的运动控制（Motion Control）系统，也分为开环、半闭环和闭环三类，半开环数控系统应用最为广泛。单轴位置控制系统按照系统控制逻辑环路分为开环、半闭环和闭环控制系统。开环数控系统无位置反馈器，结构简单但精度较低，一般采用步进电机。交流伺服电机控制系统是典型的半闭环数控系统，位置反馈采用转角检测装置，如光电编码器及旋转感应同步器等，通过检测丝杠转角间接测量工作台位移量，再反馈给数控装置，运用最为广泛。闭环数控系统在执行端增加直线编码器，直接测量运动的实际位置，使执行更加准确，应用于高精度运动控制场合，但成本较高、调试困难、系统稳定性较差。

数控系统是工控在机床中的运用，直接影响数控机床的性能水平。数控系统本质上讲，是将工业控制缩放到机床体内，通过设定图样形成数控加工程序，从而控制机床中的功能部件进行相应的精密运动和位移反馈，从而达到机械加工的目的。因此，数控系统是数控机床的“大脑”，数控机床的性能水平主要由数控系统决定。


数控系统整体由控制系统、驱动系统和检测系统所构成，狭义来讲，数控系统有时也仅仅指控制系统。数控系统主要由三个系统构成，符合工业控制系统的基本构成，如果仅为开环控制系统，则也不包含检测系统。数控系统有时狭义上讲仅指控制系统（数控装置），但一般情况下均涵盖控制、驱动和检测三大系统，三个系统通力协作，满足不同机床设备的高要求性能，为机床整体性能提供支撑。


机床厂商数控系统主要有自制、外购、二次开发三种模式，目前以外购为主。数控机床厂商在使用数控系统时主要有三种模式，分别是自制、外购、二次开发，也分别被称为哈斯、西门子和马扎克模式。目前来看，数控系统由于其相对标准化、投入回报周期长等特性，大部分机床厂商选择了外购模式，但自制厂商往往具备核心技术和自主知识产权，供应链自主可控，国外和国内的典型代表分别为日本大隈和科德数控。


中国大陆数控系统市场规模超过百亿元人民币，目前有望迎来新一轮增长周期。根据MIR 统计，我国 2022 年数控系统市场规模为 135 亿元，相较于数千亿元的数控机床市场规模占比较低，主要因为我国数控机床国产化率低，进口机床价值量较高且不在国内生产。数控系统与通用自动化板块相关性较高，目前已进入周期底部，有望迎来新一轮增长周期。

数控系统助力机床性能不断迭代，但国产化率仅20%：未来趋势如何？


竞争格局：国产化率仅20%


数控系统是机床“大脑”，市场规模达百亿，国产化率仅20%，国产替代空间大。数控系统约占机床价格比重约为15.4%。目前，根据纽威数控招股书、秦川机床公告，我国80%以上的数控机床的数控系统仍然使用进口产品，其中，国外品牌在中高端数控系统市占率约为70%，高端系统占90%以上，发那科、西门子是主要进口品牌，国内企业华中数控、广州数控、苏州新代等市占率不断提升。


主传动系统：高效高精度加工催生电主轴技术，市场规模近50亿元。主据QYResearch数据，2022年全球电主轴市场空间约为94亿元，国内约为48亿元，瑞士Fisher、IBAG公司、德国Kessler公司、英国西风为全球主要电主轴品牌，日本、中国台湾品牌在大陆市场也占有较大市场份额，国内市场电主轴的核心生产商有昊志机电、CeleraMotion、Fisher、普森精密主轴、江苏星辰等，前三大厂商市占率约为23%。在众多关键核心零部件中，电主轴市场集中度相对较低，竞争相对充分，或成为国产替代较早突破领域。


伺服进给系统：连接数控装置与机床本体的关键环节。伺服进给系统方案主要有两种，其中，旋转电机+滚珠丝杠是机床中最常用传动方案，据华经产业研究院数据，2022年全球滚珠丝杠市场规模约为136亿元，国内约为28亿元。国内市场中，大陆企业市占率仅为25%，布局企业主要有南京工艺装备、山东博特精工、山东华珠机械、秦川机床（陕西汉江机床）、贝斯特、恒立液压等。


趋势：分层竞争下逐步高端化


1、整体集中度提升，逐步高端化


数控系统市场中，外资企业主要以日系、德系和台系为主，内资企业中仅南京开通（维宏股份）、华中数控和科德数控上市。日系企业包括：发那科、三菱、马扎克等，德系以西门子、海德汉、埃玛克为主，除此以外西班牙发格（Fagor）、美国哈斯（Haas）等都占据一定份额。内资企业包括广州数控、华中数控、科德数控、中科数控、南京开通（维宏股份）等，大多均为非上市企业，规模较小。


目前数控系统呈现出集中度提升的态势，头部厂商凭借较强的技术水平和规模优势不断提升市占率。根据 MIR 的数据，按销售金额为口径统计，三个外资企业发那科、西门子、三菱占据了中国大陆数控市场的前三名，国产企业广州数控、苏州新代位居其后；此外数控系统集成度正在逐步提高，2017Q1，数控系统市场 CR5 为 71.6%，截至 2022Q4，CR5已经达到 89.7%。


头部厂商市占率提升的最主要原因是高端化，均价较高的高端产品占比提升，且数控系统整体价格均有所上升，未出现价格战。数控系统逐步高端化，越来越多的民用行业基于加工精度、加工效率等原因开始使用五轴加工技术。五轴加工技术是利用刀具的高速旋转来实现切削的目的，能够避免三轴加工过程中必须多次调试装卡和重复装夹影响加工精度等问题，大大降低了人工消耗以及时间成本，大幅度提升了工作效率。五轴数控机床需要使用较高端的数控系统，高端数控系统价格显著高于中低端。近年来数控系统整体价格有所上升，未出现价格战，主要原因是数控系统是数控机床中最核心的零部件，配套和使用粘性非常高，下游客户更加注重产品质量、匹配度而非价格。

数控系统助力机床性能不断迭代，但国产化率仅20%：未来趋势如何？


2、分层级竞争，中低端已逐步国产化，高端有望加速


目前我国数控系统可分为经济型、标准型以及高档型，呈现出分层竞争的态势。根据中国机床工具工业协会数据，按销售套数计算，2021 年国外品牌总体市占率约 45%，但占据了高档型、标准型数控系统 70%的份额。高档型数控系统关键在于技术水平，产品附加值极高，市场主要由德国西门子占据。标准型数控系统关键在于产品可靠性，产品附加值较高、稳定性高，市场主要由日本发那科占据。经济型数控系统主要取决于产品价格，进入门槛较低，以国产品牌为主，市场竞争激烈。国产厂商在高中低端市场的市占率也略有不同，根据我们测算，经济型则以广州数控为主，中高端数控系统以华中数控为主。


目前中国大陆中高端数控系统未出现显著的国产替代趋势，主要系下游用户粘性较高。


根据 MIR 的数据，2017-2022 年，中国大陆数控系统市场发那科、三菱和西门子的市占率持续提升，即使考虑到因统计口径而产生的误差，也不能认为数控系统市场出现了国产替代的趋势。究其原因，数控系统由于编程和操作习惯，存在非常强的客户粘性，而且不同档次的加工精度差别巨大，廉价产品并不能保证质优。尤其是在中高端数控中，国产系统占比仍然不高。根据国盛智科招股书，2017-2019 三年中发那科占国盛智科数控系统总采购金额的比例为 77.25%、83.52%、91.14%，国产替代尚有较大空间。


数控系统各档次差异主要体现在功能完备性、性能、适用范围以及可靠性，中国大陆中高端数控系统足以匹敌中国台湾及日本的数控系统，与德国顶尖品牌尚有一定差距。国外顶尖数控系统功能完备性较好，包括设计（CAD、CAM）、五轴加工（RTCP）、制造系统（MES、ERP），性能可以实现速度环、位置环和电流环三环闭环控制及纳米级精度，平均无故障工作时间（MTBF）也更长，代表厂商为德国的西门子和海德汉。


国产数控系统