数控系统行业专题分析：工业母机之魂自主可控之基精选版.docx

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1、中信）数控机床推动效率革命，数控系统是关 键数控机床推动效率革命，数控系统匹配数控机床需求持续增长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。数控系统的革命性在于普通机床接入数控系统

2、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

3、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

4、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% o图3： 2019-2024年中国数控机床市场资料来源：中国数控机床行业市场需（含预测，前瞻产业研究院），中信证: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

5、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

6、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。图7：数控系统成本构成伺服系统主板液晶屏功率模块其他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

7、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。分层

8、竞争下逐步高端化，核心零部件值 得关注整体集中度提升，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

9、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%o图11：中国大陆数控系统市场CR5资料来源：MIR,中信证券研究部 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

10、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。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

11、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

12、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。图15：中国大陆数控系统市场各厂商市占率（销售额口径）资料来源：MIR,中信证券研究部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（RT

13、CP） 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。国产数控系统性能差距正逐步缩小，若国产化加速，性能并非主要障碍，磨合 与打破使用粘性才是关键。目前国内代表性数控系统的各项参数已接近海外高 端龙头水平，性能并非国产替代的主要障碍。数控系统需要同数控机床进行长 时间的合作，并且不断迭代才 能使得系统与机床之间逐步适配，若使用新的供 应商，虽然可降低采购成本，但对机器的 性能也会产生影响，因此数控系统的 下游粘性非常高。一旦出现“断供”风险，或者存在 政策推动，国产数控系统 将

14、快速完成国产替代，产品性能也将会在较短时间内随着与下游 客户的不断适 配而快速提升。位移传感，数控系统的关键零部件非开环运动控制系统均存在位置传感器，广义上的数控系统还包含伺服电机和 位置传 感器，目前光栅测量为主要位置传感技术。数控系统为非开环运动控制 系统，分为半闭环 控制系统和全闭环控制系统，目前半闭环控制系统使用最为广泛，半闭环控制系统通过采 样伺服电机或丝杆旋转角度检测，全闭环控制系 统还采用了位置检测装置。目前角度检测 主要通过编码器来实现，位置检测主 要通过光栅尺。目前光栅检测是位置检测的主流，综合成本和性能均优于其他位置检测装置。 位置检 测装置主要采用栅式测量系统，包括感应同

15、步器、球栅、容栅、磁栅 等，光栅测量系统的综合性能较优，且制造成本更低，根据绝对式光栅传感 器关键技术的研究（胡国良），目前光栅测量系统在整个测量领域里市场份 额可以占到80%以上，利用光线照射光栅标尺 或码盘，将光学信号转化为电学 信号，性能和成本同样优于激光测量等其他位置测量装置。除光栅检测外，磁 性位置检测也有一定的市场份额，磁性传感相较于光电传感更加稳固耐用。磁 编码器就是利用磁场与导体之间位置变化而改变的霍尔电势差来推导旋转的角 度。光栅尺和编码器均属于光栅检测传感器，光栅尺用于位移传感，编码器用于角 度传感，后者使用范围更广。光栅尺利用光的衍射，光源和标尺相对运动后， 会出现莫尔条

16、纹信号，再利用读数头及后续电路读取信号，不同运动位置会产 生不同的信号强度，从而测量位移量。编码器的码盘上有规则地刻有透光和不 透光的线条，在码盘两侧，安放发光元件和光 敏元件。当圆盘旋转时，光敏元 件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形 经过整形后变为脉 冲，码盘上有之相标志，每转一圈输出一个脉冲，根据脉冲的不同来检 测位 置。光栅尺和编码器均分为增量式和绝对式，增量式通过计算自参考点的增量 脉冲信 号的数量而获得位置值，绝对式可检测全量程范围内任意位置的单值函 数关系，绝对式编 码器无需回零，可以随时监控，可提高工作效率，是未来的 发展趋势。光栅尺和编码器等位置检测传感器与伺服

17、系统具有较强的匹配关系，数控机床 是位置传感器目前最主要的应用领域。根据MIR统计，目前国内伺服系统市场 规模大约为200-250亿元；根据华中数控招股书，伺服系统约占数控系统成本 的45%；根据中国机电一体化技 术应用协会，伺服系统约占工业机器人成本的 25%o因此可以通过MIR的数控系统和工 业机器人市场规模数据，并假设数控 机床伺服系统占数控系统成本的45%,工业机器人伺服系统占工业机器人成本 的25%,可测算其使用的伺服系统市场规模。我们测算得，数控机床用伺服系 统是目前伺服系统的主要应用领域，约占伺服系统总市场规模的四分之一，工 业机器人用伺服系统目前占比并不高，其他伺服系统主要用于

18、电子制造、光 伏、锂电、物流、电梯等领域。位置检测传感器与伺服系统直接匹配，因此其 主要应用领域也是数控 机床；据数控机床结构原理与应用（陈子银），编 码器主要用在机床及机器人中；根据MIR数据，光栅尺也主要应用在机床中； 此外，电子制造、航空航天（坐标测量仪）等也 是位置传感器的主要应用方 向。图21：国内伺服系统主要应用领域（亿元）250 -I200 -2017数控机床用伺服系统工业机器人用伺服系统其他15010050 -0 -资料来源：MIR,中信证券研究部测算注：假设数控机床伺服系统占数控系统成: 统占工业机器人成本的25%数控系统出货时一般包括伺服电机及编码器，编码器对于数控系统控制

19、精度的 作用非 常显著，国产数控系统厂商大多使用国产编码器，自主可控程度较高。 数控系统厂商出货 时一般配有编码器，光栅尺一般由下游客户选派，西门子等 高端数控系统厂商也会提供光 栅尺的装配及统一出货。全球编码器市场以外资 为主，主要包括德国的海德汉以及日本的多摩川等，主要供货至西门子、海德 汉、三菱等中高端数控系统。国产厂商的编码器多选用禹衡光学以及艾而特、 锐鹰等国产厂商，自主可控程度较高。国内编码器/光栅尺市场有望持续增长，国产厂商仅禹衡光学占有较高市场份 额。2022年国内编码器和光栅尺分别为25.8亿元和14.7亿元。MIR预测， 随着新一轮通用设备周 期，编码器/光栅尺市场规模有望

20、持续增长，且增速加 快。目前国内编码器/光栅尺主要以海德汉等国外厂商为主，国内厂商仅禹衡 光学在编码器领域有较高市场份额。需求向好，政策支持,产系统进入发展快车道长期数控系统需求及国产替代空间广阔，短期新一轮周期渐起在人口红利消退的背景下，增加人均数控机床深度是维持制造业强国地位的必 然选择。根据Gardner business的数据，2018年我国人均机床拥有金额为 20.4美元/人，相较于同为制造业发达的国家和地区，人均机床拥有金额分别 为日本、德国、中国台湾、韩国的40%, 20%、23%、26%o这凸显了目前我国制 造业仍然存在大而不强，机械化程度较低 等问题，在劳动适龄人口减少的背景

21、 下，以上痛点为机床行业提供了庞大的市场。我们基于以下假设对国产数控系统远期空间进行测算：1） 2040年我国数控机 床人均 拥有金额达到日本2018年人均水平且增长方式为线性，人口水平以 12亿为基数测算，美 元兑人民币汇率为6.7； 2）经济型、标准型、高档型数 控系统占数控机床总价值比例为20%,且更新周期为十年；3）根据广州数控、 苏州新代等以经济型为主的国产厂商每台套均价，设经济型数控系统均价为 1.2万元，高档型数控系统以4万元为基准；3）根据中国机床工具工业协会 数据，2022高档型数控系统比例约为35%,随着产业升级高档型 与标准型比 例逐渐上升，我们预测到2040年该比例为1

22、1,且为线性上升；4）假定经济 型数控系统目前国产化率为100%且维持不变，我们预测标准型和高档型数控系 统国产化率为30%到2040年达到55%,且为线性增长。表8：数控系统国产品牌市场情况指标预测年份机床人均拥有金额（美元）高姗占比高端国产化率国产数控系统 价值占比202226.0435.79%31.32%55.35%202530.2638.16%35.26%56.44%202834.4840.53%39.21%57.79%203138.7042.90%43.16%59.38%203442.9245.26%47.11%61.19%203747.1447.63%51.06%63.20%20

23、4051.3650.00%55.00%65.38%资料来源：MIR1中信证券研究部预测根据我们测算，截至2040年，我国国产数控品牌市场总规模将达到315亿 元，我们预测2023-2040年CAGR达到10%以上，并且国产数控系统总价值 量占比将超过65%,基本实现数控系统的国产替代，有效保障高端机床生产自 主可控，降低西方利用尖端数控系统技术“卡脖子”风险。目前国产替代进程已经开启。在民用端，国产替代同样趋势喜人。创世纪、国 盛智科、纽威数控等机床龙头企业逐步小批量同国产数控系统供应商合作，不 断磨合迭代，而另一大机床龙头企业浙海德曼已经实现了由西门子单一供货到 西门子与广州数控同步供货的局

24、面。在军用端，为了保障国防安全，作为国产 高端数控系统领军企业的华中数控承担了 80%的国防军工领域的“换脑工程” 项目。我们预计随着产业政策的扶持以及国产数控系统技术的迭代，国产数控 系统市场前景将持续景气。短期来看，新一轮通用自动化景气周期渐起，数控 系统作为“核心大脑”将率先受益。MIR预测，2022年全年我国自动化市场 规模同比增加0.6%, 2023年持续筑底同比减少4. 0%, 2024年回升。分季度 看，MIR认为2023Q1订单不足下滑明显，预计2023Q2因 基数低基本持平， 2023Q3探底，2023Q4或将正式回暖。我们预计新一轮景气周期将使 数控系统 率先受益。政策支持

25、04”专项成果显著有望续接发力国家政策扶持力度大，工业母机迎来发展良机。近年来，国家政策对于工业母 机支持力度十分强大，2021年8月，国资委强调要针对工业母机等加强关键 核心技术攻关，开 展补链强链专项行动，加强上下游产业协同，积极带动中小 微企业发展。2020年9月份，国家发改委等部委要求加快高端装备制造产业 补短板，其中就包括“高档五轴数控机床”。工业母机自主可控已经成为我国中长期的国家战略之一。我国高端与标准型数 控系统目前外资仍处于绝对优势地位，我国数控系统有一定的“卡脖子”和监 控风险，对此作为 工业母机的数控机床，自主可控是中长期的国家发展战略。04专项主要课题基本结题，取得

26、重要成果，尤其是数控系统领域，有望实现接 续。国务院2006年发布的国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006- 2020)布局了 13个国家科技重大专项，其中04专项是“高档数控机床与 基础制造技术”，于2009年正式启动，涵盖多家企业及科研院所的多个课 题。2021年6月，担任04专项总师的卢秉恒院士在评价04专项时表示“04专项最大的成果，就是在高档数控系统上实现了突破，并开 始了实际应 用，在专项实施之前，我国这方面几乎为0”。截至目前，04专项的主要课题 基本已经结题，取得了十分重要的成果，2022年9月，工信部相关负责同志 在“大力发 展装备制造业”新闻发布会上提出了专项接续的表述，04专项有 望实现接续。精选【】。J