机械设备行业数控系统深度研究报告：高端市场亟需替代，下游需求有望触底回升

数控系统是数控机床最核心的部件之一，高档数控系统为国家战略级资源：从机床结构上看，数控机床由机床主体、传动系统和数控系统构成，数控系统是数控机床的“大脑”，数控系统性能的优劣直接影响高端数控机床的加工精度及效率，是最核心的部件之一。根据数控系统的功能水平的不同，可以把数控系统分为经济型、标准型和高档型数控系统。高档数控系统是国家战略级资源，西方发达国家目前正严格管控甚至禁止对外出售高档数控系统，或者对高档数控系统的部分功能进行限制。 行业空间有望接近千亿，外资占据高档数控系统90%以上市场：2021年我国数控金属切削机床和数控金属成形机床的产量分别为27万台和2.4万台，我们测算2021年国内数控系统市场规模约为280亿元，机床数控化率持续提升背景下，数控系统行业将保持稳步增长，考虑到机床行业的增长和数控化率的持续提升，数控系统市场规模有望向千亿规模迈进。国内高端数控系统主要被以西门子、海德汉为代表的德国企业和以发那科、三菱为代表的日本企业占据，同时以新代、亿图、宝元为代表的中国台湾企业占据着国内中端市场，内资企业竞争力相对较弱，在低档数控系统市场上实现了替代。前三大外资企业占据国内数控系统64%的份额，而高档数控系统国产化率不足10%。 下游需求有望触底回升，新兴行业发展与出口提供发展新动力：2022年机床行业出现下滑，2022年下半年机床产量降幅开始收窄，随着疫情影响的减弱，机床行业有望恢复增长，也将带动数控系统行业持续增长。国内新能源、半导体、5G等行业发展迅速，新兴行业直接促进了机床需求的增长，同时新兴行业发展也通常会有更多的定制化需求，国产数控系统通常在本地化服务上更具备优势，有望实现更好的成长。2020和2021年俄罗斯外贸额中欧盟分别占到33.8%和35.9%，然而2022年2月24日俄乌冲突正式爆发后，欧盟已经对俄罗斯进行了八轮制裁，中国机床出口有望受益。根据中国机床工具协会数据，2022年我国机床工具进出口总额333.6亿美元，同比增长0.9%，其中出口金额为209.5亿美元，同比增长9.0%，金切机床、数控装置出口增速更是超过20%，机床和数控装置出口数据突出，数控系统有望逐步走出国门。 投资建议：国内机床数控化率将持续提升，数控系统有望长期保持较好的增长。中高端数控系统是国家重点关注的机械细分市场，中高端数控系统的国产化替代将是确定性的方向，具备核心竞争力的公司未来将具备极好的发展环境。建议关注国内中高端数控系统龙头华中数控，国内五轴联动数控系统和机床核心制造商科德数控等。 风险提示：下游需求发展不及预期，市场竞争加剧，国产替代进程不及预期 表1：重点公司投资评级: 1数控系统是数控机床最核心的部件之一，高档数控系统为国家战略级资源 1.1数控系统是数控机床的大脑 机床是制造机器的机器，又被称为工业母机。机床是现代制造业最为重要的工具之一，也是国家基础制造能力的综合体现。机床产品的性能决定着制造的质量，特别是高档的数控机床，其技术水平更是一个国家先进工业化的体现。数控机床加工全能，其可以把车、铣、螺纹加工等集中到一台机床上，使其具有多种工艺手法，数控机床可以很好地解决精度高、复杂、小批量、多品种的零件加工问题，提高产品质量，保证加工零件的精度。数控机床是在普通机床的基础上发展起来，由于数控机床具有良好的柔性、高加工精度和稳定性、可加工复杂零件等一系列优点，目前在机械制造业中有着十分广泛的应用。 图1.传统手动机床 图2.立式加工中心（数控机床） 数控机床相对传统机床具有明显的加工优势，正逐步替代传统机床产品。高档数控机床是能够实现高精度、高复杂性、高效高动态加工的数控机床，具备明显的技术优势。1）高精度：在同等机床档次条件下，具备更高精度加工能力，主要应用于精密模具等零件加工；2）高复杂性：五轴联动加工下才能够完成具备形状复杂、多线型、异形曲面等特点的零件；3）高效高动态：主要服务于航空航天、汽车、军工等重点领域，满足零件加工对高动态特性、高速高节拍等特点的需求，常见于航空航天发动机叶轮、叶盘、叶片及飞机结构件等。由于数控机床可以明显提升加工效率和加工质量，在现代生产之中，数控机床正逐步替代传统的手动机床产品。 表1.普通机床与数控机床生产效率对比 表2.采用数控机床和普通机床加工时间及工序对比（30CrMnSiA） 数控系统是机床的重要部件。从机床结构上看，数控机床由机床主体、传动系统和数控系统构成，机床主体是机床的框架，包括床身及底座铸件、主轴及变速箱等，传动系统包括传动机械、辅助动力系统等，机床主体和传动系统构成工件加工的基础，其刚度、抗震性等要求比较高。从成本占比上看，2016H1海天精工数控机床主要成本构成为结构件、控制系统、传动系统、驱动系统、刀库及其他，其中结构件占35%，控制系统占22%，传动系统占20%，驱动系统占13%，总计达到90%。数控系统是数控机床的“大脑”，数控系统性能的优劣直接影响高端数控机床的加工精度及效率，是最核心的部件之一。 图3.数控机床主要组成部分 图4.机床成本构成（海天精工2016年H1） 图5.数控机床工作流程 数控系统是数字控制系统的简称，也被称为计算机数控（Computerized Numerical Control，CNC）。数控系统是根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或者全部数值控制功能，并且配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统，因此数控系统包括控制系统、驱动系统和检测系统三大部分。数控系统中的核心模块为计算机数字控制器，即CNC控制器。操作者将编程信息传输至CNC控制器，随后CNC控制器将命令进行控制执行，操作者可以在改变计算机数控系统软件的同时对数控机床的主轴、电器、电机等单元进行操作与控制。数控系统根据程序内容发出指令，一方面由伺服系统中的电动机通过传动装置控制机床执行件的运动，另一方面控制机床的其它辅助运动，如主轴转速、转向选择，冷却泵的开停等。检测系统可以检测机床部件的运动位置、速度，并反馈到控制系统和伺服系统，用于修正控制指令。 图6.数控系统工作原理 数控系统通常包括基本功能和选择功能。基本功能是数控系统必备的功能，包括数控加工程序解释、数据处理、进给轴控制和开关量控制功能。选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能，不仅提高了数控加工过程和操作的方便性和舒适性，而且拓宽了数控系统的适用范围，使制造系统中制造单元的集成成为可能。选择功能包括主要包含以下功能：编程功能、图形模拟功能和通信功能。 表3.数控系统的功能介绍 根据伺服系统控制方式的不同，可以把数控系统分为开环、半闭环、闭环控制数控系统，高档数控系统通常为闭环控制数控系统。 表4.闭环数控系统拥有更稳定性能 1）开环控制数控系统：不带检测装置，无反馈电路，以步进电动机为驱动元件。 原理是CNC装置输出的指令进给脉冲经驱动电路进行功率放大，转换为控制步进电动机各定子绕组依次通电/断电的电流脉冲信号，驱动步进电动机转动，再经机床传动机构(齿轮箱、丝杠等)带动工作台移动。这种方式控制简单，价格比较低廉，被广泛应用于经济型数控系统中。 图7.开环控制数控系统示意图 2）半闭环控制数控系统：位置检测元件被安装在电动机轴端或丝杠轴端，通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运行位置(直线位移)，并将其与CNC装置计算出的指令位置(或位移)相比较，用差值进行控制。由于闭环的环路内不包括丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节，由这些环节造成的误差不能由环路所矫正，其控制精度不如闭环控制数控系统，但其调试方便，成本适中可以获得比较稳定的控制特性，因此在实际应用中，这种方式被广泛采用。 图8.半闭环控制数控系统示意图 3）闭环控制数控系统：位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置(直线位移)，并将其与CNC装置计算出的指令位置(或位移)相比较，用差值进行控制。这类控制方式的位置控制精度很高，通常在高端数控机床领域使用。由于闭环控制数控系统将丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节放在闭环内，整个系统连接的刚性变差，调试时其系统稳定状态很难达到。 图9.闭环控制数控系统示意图 根据数控系统的功能水平的不同，可以把数控系统分为经济型、标准型和高档型数控系统，高档数控系统是国家战略级资源。高档型数控系统的控制类型、加工速度、加工精度等方面会有明显的提升，并且西方发达国家目前正严格管控甚至禁止对外出售高档数控系统，或者对高档数控系统的部分功能进行限制。日本发那科的五轴联动数控系统并未对国内企业开放。美国机床企业会对用户进行定时核查，掌握其设备使用情况。 表5.三级别数控系统项目对比 数控系统产业链正逐步实现国产化。数控系统产业上游包括制造所需的工控机、显示屏、计算芯片、功率模块、伺服电机和其他部件，这些上游产品一同构成了数控系统的控制系统、测量系统和伺服驱动系统。国内数控机床的计算芯片和功率模块以进口为主，不过国内数控系统制造商已经逐步采用国内芯片产品。部分伺服驱动和电机市场已经国产化替代，但是产品性能与国外产品还有一些差距。 数控系统下游是数控机床制造商，后者广泛应用于汽车船舶、航空航天、国防军工、机械制造和石油化工等工业领域。 图10.数控系统上下游分析 1.2国内外数控系统发展历程 1952年，美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，开创了世界数控系统技术发展的先河。20世纪80年代中期，数控系统技术进入高速发展阶段。1986年，三菱(MITSUBISHI)推出了采用Motorola 32位68020 CPU的数控系统，掀起了32位数控系统的热潮。1987年，发那科(FANUC)公司32位多CPU系统——ES-15的问世，使系统内部各部分之间的数据交换速度较原来的16位数控系统显著提高。 图11.数控系统发展历程 90年代以来，受计算机技术高速发展的影响：利用PC丰富的软硬件资源，数控系统朝着开放式体系结构方向发展。德、美、日等各国争相开发新一代的高速数控机床，加工中心的主轴转速、工作台移动速度、换刀时间分别从80年代的3000~4000r/min、10m/min和5~10 s提高到90年代的15000~50000r/min、80~120m/min和1~3s。 进入21世纪，数控系统技术在控制精度上取得了突破性进展。2010年国际制造技术展览会上，专业的数控系统制造商纷纷推出了提高控制精度的新举措。 FANUC展出的Series30i/31i/32i/35i-MODEL B数控系统推出了AI纳米轮廓控制、AI纳米高精度控制、纳米平滑加工NURBS插补等先进功能，能够提供以纳米为单位的插补指令，大大提高了工件加工表面的平滑性和光洁度。SIEMENS展出的SINUMERIK 828D数控系统所独有的80位浮点计算精度，可充分保证插补中轮廓控制的精确性，从而获得更高的加工精度。此外，MITSUBISHI公司的M700V系列数控系统也可实现纳米级插补。 图12.纳米平滑加工技术表面加工效果 经过持久研发和创新，德、美、日等国已基本掌握了数控系统的领先技术。目前，在数控技术研究应用领域主要有两大阵营：一个是以发那科(FANUC)、西门子(SIEMENS)为代表的专业数控系统厂商；另一个是以山崎马扎克(MAZAK)、德玛吉(DMG)为代表，自主开发数控系统的大型机床制造商。 表6.2015年两大阵营数控系统领先技术 两种阵营下的数控系统公司发展模式又分为了西门子模式、哈斯模式和马扎克模式，每种模式各有其优缺点。 1）西门子模式：数控系统厂专业生产各种规格的数控系统，提供各种标准型的功能模块，为全世界的主机厂批量配套。 2）哈斯模式：主机厂独立开发数控系统，并与其自产的数控机床配套销售。如美国的哈斯(Haas)公司、意大利的菲迪亚公司等，这些公司创立之初是从数控系统研发起步的，为了销售数控系统，开始了数控机床的生产销售。我国的科德数控也是这种发展模式。 3）