机械：一周解一惑系列：自主可控系列（一）：五轴机床&质谱仪

本周关注：科德数控、杭叉集团、安徽合力，精测电子 本周核心观点：当前人形机器人、新能源行业新技术、新工艺层出不穷，需关注技术变化带来的设备需求。 五轴联动机床：预计自主化率为个位数，但国产化进程有望加快。五轴联动数控技术是衡量一个国家复杂精密零件制造能力技术水平的重要标准之一。五轴联动数控机床是解决航空发动机叶轮、叶盘、叶片、船用螺旋桨等关键工业产品切削加工的唯一手段。相较于数控机床整体，五轴联动数控机床整体应用更加集中，航空航天发动机零部件、飞机翼结构件关键零部件、能源、汽车和医疗需求占比较高。从我国进口数控机床的金额来看，2017-2018年，我国每年进口数控机床34亿美元，2019-2020年进口金额降至20亿美元附近，预计可能与贸易冲突以及疫情影响有关，2021年恢复至26.7亿美元，但整体相比2017-2018年呈现走低趋势。假设进口数控机床均为五轴机床的话，我们计算得出2017-2018年我国五轴机床的自给率不足5%，2020-2021年因为疫情影响进口，国产化率可能被动有所提高。机床关键功能部件包括数控系统、伺服驱动及电机，电主轴，铣头，转台，刀库等，其性能的优劣直接影响高端数控机床的加工精度及效率，其中高端数控系统占成本20%-40%，我国自给率不到10%，其他例如主轴、丝杠等环节设备性能相比国外仍有差距，需要整体突破。当下国内涌现不少优质五轴机床企业，包括科德数控、海天精工、华中数控、日发精机、国盛智科、纽威数控、拓斯达等。以科德数控为代表的国内五轴联动数控机床企业已实现大部分核心部件的自制，后续国产替代有望加速。 质谱仪：整机进口依赖度超70%，核心部件进口依赖度亦高。质谱仪从20世纪20年代出现到目前已有近百年发展历史，一开始用于测量原子质量，随着高分辨率质谱仪出现用于有机化合物分析，随后气相色谱-质谱连用仪出现开始应用到天然有机化合物结构分析，20世纪80年代离子源技术获得快速发展，质谱分析技术作为产业关键共性技术，在多个行业或领域广泛应用，在环境监测、医疗健康、食品安全、工业过程分析等领域拥有广阔的市场前景。根据《质谱仪通用规范》（标准号：GB/T33864-2017），质谱仪根据核心部件质量分析器的不同，可以分为飞行时间质谱仪、四极杆质谱仪、离子阱质谱仪、离子回旋共振质谱仪、磁质谱仪等类型。2020年中国质谱仪市场规模约为142.2亿元，占全球市场不到20%（2015-2020年CAGR≈19.4%），根据海关总署数据，2014-2021年我国进口质谱仪由44.7亿元提升至104.3亿元（CAGR≈12.9%），进口依赖度由2014年的94.7%降至2020年的74.0%，仍较高；2021年美国、新加坡、德国、日本贡献我国进口金额的87%。根据SDI统计，目前，全球质谱仪市场的主要参与者为沃特世、丹纳赫、布鲁克、安捷伦、赛默飞、生物梅里埃、岛津等公司，大约占据全球了90%的市场份额。而国内专门从事质谱仪研发、生产和销售的公司较少，主要质谱仪厂商包括禾信仪器、天瑞仪器、聚光科技、、北京东西分析仪器有限公司、北京普析通用仪器有限责任公司、博晖创新、融智生物、珠海美华、珠海迪尔、广州瑞达等。除了整机进口依赖度很高，我们从核心部件来看，仍有较高的海外进口依赖度，以2020年禾信仪器的核心部件进口占比来看，分子泵（进口占比100%）、激光器（98.6%）、数据采集卡（97.7%）、微通道板（82.3%）进口占比均较高，因此，质谱仪的国产化进展非易事。 风险提示：国产替代进展低于预期，核心零部件进口受限风险。 1五轴机床国产化率低，但进度有望加快 1.1工业母机，航空军工需求迫切 五轴联动数控技术是衡量一个国家复杂精密零件制造能力技术水平的重要标准之一。五轴联动数控机床是解决航空发动机叶轮、叶盘、叶片、船用螺旋桨等关键工业产品切削加工的唯一手段。从过去的“巴统清单”到现在的“瓦森纳协定”，西方发达国家一直把五轴数控系统及五轴联动数控机床作为战略物资实行出口许可证制度，对包括中国在内的诸多国家实行了严格的技术封锁。 图1：数控机床的产业链 1.1.1五轴联动是复杂高精度设备制造能力代表 五轴联动是指机床基本的直线轴三轴X、Y、Z及附加的旋转轴A、B、C中的两轴，五个轴同时运动，任意调整刀具或工件的姿态，实现对空间复杂型面的加工。 机床轴的绝对数量并非衡量数控机床先进程度的标准，重点在于联动轴数量。科德数控能够实现的五轴联动为目前数控机床的最大联动轴数。 RTCP（Rotational Tool Center Point）的含义是旋转刀具中心点编程，五轴机床的数控系统自动计算并补偿旋转轴旋转引起的刀尖点偏离原位置的距离。具备RTCP功能的数控系统（例如科德数控GNC系列、西门子840D、海德汉TNC530）在编制程序及加工时，可以直接使用刀尖点坐标编程，不需要考虑机床的结构参数和刀具长度等参数，这样更加简单、高效。高端五轴数控机床具有RTCP功能是区分“真假”五轴联动机床的依据。不具备RTCP功能的“假五轴联动机床”不能直接使用刀尖点坐标编程。加工同一个零件时，如果同型号机床或者刀具更换，就必须重新进行CAM编程和后处理。 图2：五轴联动示意图 图3：RTCP关闭和开启状态下的示意图 1.1.2航空军工汽车五轴联动机床需求迫切 相较于数控机床整体，五轴联动数控机床整体应用更加集中，航空航天发动机零部件、飞机翼结构件关键零部件、能源、汽车和医疗需求占比较高。科德数控公告披露显示，2021年科德数控新签订单的下游客户中，航空航天的占比47%，机械设备的占比33%，汽车领域占比8%，其他的模具刀具能源等行业整体的占比为12%。 图4：数控机床主要下游应用占比情况 图5：科德数控2021年新签订单下游行业占比 制造业转型升级，对高端机床的需求持续扩大。高端数控机床主要应用于航空、航天、核、电子、船舶、兵器、能源、汽车、模具、刀具等重点领域，特别是航空航天等军工领域，国产化需求强烈、存量市场规模巨大、市场增长可期。以航空领域为例，高端数控机床主要市场为军用飞机及民用飞机市场。 民机市场方面，中国商飞推出了三个级别客机，分别是ARJ21、C919、CR929，根据《中国商飞公司市场预测年报（2020-2039）》，预计到2039年，我国累计交付9,641架客机，考虑到退役等因素，2020-2039年预计交付8,725架客机，价值约1.3万亿美金。根据科德数控招股书披露，飞机整机制造具备产业链带动效应，是国内制造业转型升级的重要契机，期间对五轴高端数控机床等高端制造装备的需求将进一步增加，同时产业集群效应将加速全球航空制造业向中国迁移，未来市场空间超过2.7万亿元的维修保障、工程服务等航空后市场也将向国内企业开放，将带来新的市场及机遇。 图6：2020-2039年我国客机在运量预测 图7：2020-2039年我国客机交付量预测（架） 1.1.3我国工业母机瓶颈突出 中国作为制造业大国，市场需求极大，吸引了大批国际品牌数控机床企业入驻抢占中国市场。随着中国制造业加速转型，精密模具、新能源、航空航天、轨道交通、3D打印、医疗器械等新兴产业迅速崛起，其生产制造过程高度依赖数控机床等智能制造装备，故而将成为数控机床行业新的增长点。据前瞻产业研究院预测，我国数控机床市场规模未来将稳定较快增长，到2024年将达到5,728亿元。 目前，我国数控机床企业主要定位于中低端市场，高端产品渗透率虽在提升但仍处于较低水平。根据前瞻研究院整理的资料，2018年我国低档数控机床国产化率约82%，中档数控机床国产化率约65%，高档数控机床国产化率仅约6%。 1.2预计五轴联动国产化率为个位数 当前，我国工业母机瓶颈仍然突出。中国机床行业起步较晚，目前大而不强，但整体发展迅速，政府产业政策对机床行业的创新发展起了一定的引导作用，中国机床行业在技术、市场规模上都有显著增长。 根据科德数控招股书披露，2017-2018年机床工业协会统计的“协会重点联系加工中心”分别为44家和41家，包括沈阳机床、秦川机床等国内大型国企，包括公司选取的同行业可比上市公司日发精机、海天精工、友佳国际和国盛智科等，所统计的企业基本涵盖了行业内大多数国内的重点、大型加工中心制造企业。数据显示，2017-2018年我国五轴机床的销量分别为466、594台，销售金额分别为7.1和9.2亿元。2019年国产五轴机床销量为780台，实现32%的同比增速。 表1：国内五轴机床行业产销量情况 从我国进口数控机床的金额和数量来看，我国进口的数控机床的平均单价处在10-21万美元/台，显著高于国内金属切削机床的平均单价，主要因为我国高端数控机床对外依赖度高，从进口金额来看，2019-2020年进口金额开始减少，预计可能与贸易冲突以及疫情影响有关，2021年有所恢复，但整体相比2017-2018年呈现走低趋势。假设进口数控机床均为五轴机床的话，我们计算得出2017-2018年我国五轴机床的自给率不足5%，2020-2021年因为疫情影响进口，国产化率可能会有所提高。 表2：我国最近几年进口数控机床情况 1.3关键功能部件难度高，需整体突破 五轴机床关键功能部件包括数控系统、伺服驱动及电机，电主轴，铣头，转台，刀库等，其性能的优劣直接影响高端数控机床的加工精度及效率。主轴是机床上带动工件或刀具旋转从而实现机床切削加工的核心部件，分为机械主轴及电主轴，电主轴为近些年来新兴技术，特点为转速高、精度高、体积小、适应性强，转台及摆头是三轴机床实现向五轴机床升级转型的必要提升条件，要实现五轴联动功能必须要配备转台或者摆头。 表3：数控机床关键零部件供给结构 参考科德数控2020年的原材料采购情况，主要原材料可以分为结构件类（机床防护件、床体等）、电机原材料类（磁钢、线缆等）、控制系统类（主板、FPGA等）、传动类（丝杠、导轨等）、润滑水冷类（水冷机、泵、密封、紧固等）、光栅类（光栅尺、圆光栅等）、传感测量类（传感器等）及其他。 图8：五轴数控机床主要材料 1.3.1数控系统：高端数控系统占成本20%-40%，自给率不到10% 高档数控系统通常由控制单元、驱动单元、电机单元、传感单元构成完整的闭环控制系统，对应的技术复杂，将直接影响高端数控机床的精度、动态特性等重要参数。高档数控系统具备强大的性能、丰富的功能来实现各类型高端数控机床的复杂运动控制，是高端数控机床的大脑，是最具核心价值的关键部件，一直是重要的战略资源，被各发达国家严格管控，禁止对外销售或完全开放功能。 科德数控招股书披露，高档数控系统价值约占高端数控机床成本的20%-40%。 目前国内高档数控系统主要依赖于国外进口，但国外高档数控系统的功能通常无法完全开放甚至是禁止对中国出口，从而使我国高端数控机床产业受制于国外。 发那科、西门子、三菱三大龙头2020年合计市场份额达65%，排名第五的苏州新代为台湾数控系统供应商新代科技在大陆设立的子公司。仅有国产厂商广州数控凭借在中低端车床数控系统领域的拓展跻身国内市场前列。整体而言，目前国内主流数控系统市场还是被外资龙头垄断，整体国产化率较低导致我国整体机床产品仅为中低端产品，高端五轴数控机床仍主要依赖进口。根据科德数控招股书披露，在国家政策的支持与引导下，国内涌现了一小批研制高档数控系统的企业并实现部分国产化，但市场占有率不足10%，目前国内高档数控系统包括德国西门子840D、日本发那科30i以及科德数控的GNC系列数控系统。 图9：2020年我国数控系统竞争格局占比情况 1.3.2主轴：电主轴是趋势，占数控机床市场1.2% 根据科德数控招股书披露，根据昊志机电2018年年度数据估算2018年国内电主轴市场约为41.25亿元，占我国数控机床市场规模约1.2%（2018年我国数控机床市场规模为3,388.9亿元）。近几年来，日本的马扎克、德国的德玛吉等高端机床制造企业，产品全部标配电主轴，可见未来电主轴替代传统