工业母机系列报告（一）：工业母机：国之重器，高端装备制造的基石

工业母机市场 国产化与数控化：目前我国低端数控机床基本达到自给自足，中端数控机床基本实现国产替代，但高端数控机床国产化率仍处于较低水平；2022年金属切削机床数控化率为46.3%，金属成形机床数控化率为11.3%，与美、德、日等发达国家70-80%的水平仍有较大差距。 全球工业母机市场：根据德国VDW数据，2022年全球机床产值803亿欧元，同比+12%。2022年，中国（不包含中国台湾地区）机床产值全球占比32%，机床消费全球占比34%，机床出口全球份额14%，机床进口全球份额16%。 国内工业母机市场：2023年我国金属加工机床生产额为1935亿元，同比增长1.1%。消费额为1816亿元，同比下降6.2%。根据VDW数据，我国机床消费中进口依赖度从2018年的33%下降至2022年的24%。随着10年更换周期的到来，预计我国机床行业将迎来大规模替换需求。 工业母机产业链 1）数控系统：关键技术包括译码及刀具补偿、插补方法、速度前瞻、坐标变换及误差补偿。2022年全国数控系统市场规模约在135.2亿元，市占率前三分别为发那科、三菱、西门子（市占率37%/17%/12%）。国产品牌主要面向中端市场和低端市场，代表厂商华中数控、广州数控； 2）主轴：主轴部件是主运动的执行件，它夹持刀具或工件，并带动其旋转。电主轴在速度、精度、噪声和更换方便性方面，皆优于其他传动形式，是高端数控铣床、加工中心和复合加工机床的首选方案； 3）进给驱动：负责在数控系统的指挥下，将机床的执行部件（如工作台、滑座、立柱等）移动到预定位置。直线进给主要用到滚珠丝杆、直线电机；圆周进给主要用到蜗轮蜗杆转台、凸轮滚子转台、谐波转台、直驱转台； 4）测量系统：作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环控制，主要包括编码器和光栅尺。国内市场由海德汉、雷尼绍等品牌占领，禹衡光学（奥普光电子公司）发力高端市场。 投资建议： 整机层面：看好技术领先的头部机床企业，建议关注科德数控（五轴联动数控机床）、海天精工（数控龙门加工中心）、纽威数控（立加、卧加产品线丰富）、宇环数控（数控研磨抛光）； 零部件层面： 1）数控系统作为工业母机之“脑”，技术壁垒高，产业链地位关键，建议关注华中数控；2）主轴与进给系统作为工业母机之“四肢”，是数控机床高精准度的保证，代表了高水平的机加工工艺和先进制造能力，建议关注贝斯特（丝杠）、昊志机电（主轴）、绿的谐波（转台）；3）测量系统作为工业母机之“眼”，是数控机床实现闭环控制的重要组成，目前国产化率仍处于较低水平，建议关注奥普光电。 风险分析：（1）政策支持力度不及预期；（2）竞争加剧风险；（3）核心技术进步不及预期。 1、工业母机：高端装备制造的基石 机床是对金属、其他材料的坯料或工件进行加工，使之获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的机器。机床是制造机器的机器，这是机床区别于其他机器的主要特点，故机床又称为工业母机。 数控机床是用数字化信息对机床的运动及其加工过程进行控制的机床，是高效率、高精度、高柔性和高自动化的现代机电一体化设备。 数控机床按照材料加工方式，工业母机可分为金属切削机床、金属成形机床、特种加工机床。其中金属切削机床包括车床、铣床、磨床等单功能性机床以及带有刀库和自动换刀装置，从而可以实现多种不同加工操作的加工中心。 图1：数控机床分类 数控机床上游行业主要供应钣焊件、铸件、精密件、功能部件、数控系统、电气元件等。精密件主要包括主轴单元和丝杠、线轨、轴承等传动部件等，功能部件主要包括数控回转工作台、刀库、机械手、齿轮箱、铣头、刀架等。数控系统包括驱动装置，以及控制和检测装置等。数控机床的下游用途十分广泛，涵盖国民经济的多个重要领域，如航空航天、机械设备等。 图2：数控机床上下游 目前我国低端数控机床基本达到自给自足，中端数控机床基本实现国产替代，但高端数控机床国产化率仍处于较低水平。根据科德数控公告，截至2022年底国内高端机床国产化率不足10%。 据中国机床工具工业协会数据，2023年金属切削机床数控化率为45.5%。在发达国家中，日本机床数控化率维持在80%以上，美国和德国机床数控化率均超过70%，与之相比国内机床数控化率提升空间较大。 图3：中国机床国产化率 图4：中国金属切削机床数控化率 当前国内机床行业大致可分为三大梯队，其中： 第一梯队：历史悠久，实力雄厚的外资企业，主营业务是高端数控机床，如日本山崎马扎克，德国通快，德马吉森精机，美国马格等。目前大多数都通过在中国投资或合资建厂； 第二梯队：国内最先起步，并具有一定技术实力，资金实力和品牌影响力的民企和国企。从最早的国营企业“十八罗汉”，到现在如海天精工，创世纪，纽威数控等新主力军民营企业； 第三梯队：规模较小，技术含量较低的主营低端数控机床的小型民营企业。产品价格便宜，产品加工精度要求不高，主要应用于一般民用产品，汽车零部件粗加工等领域。 图5：国内机床行业竞争结构 2、工业母机市场：聚焦头部国家 2.1、全球市场：中国稳居全球生产、消费第一 生产： 根据德国VDW数据，2022年全球机床产值803亿欧元，同比+12%。其中金属切削机床566亿欧元，金属成形机床235亿欧元（过去5年比例约为7:3）。2022年全球机床产值排名前十的国家和地区依次为：中国（不包含中国台湾地区，下同）（257亿欧元）、日本（99亿欧元）、德国（97亿欧元）、意大利（65 亿欧元）、美国（56亿欧元）、韩国（43亿欧元）、中国台湾地区（39亿欧元）、瑞士（28亿欧元）、印度（13亿欧元）、奥地利（12亿欧元）。 图6：全球机床产值 中国目前是全球最大的机床生产国，2022年产值占全球32%，其次为日本（12%）、德国（12%）、意大利（8%）、美国（7%）。 图7：2022年全球机床生产情况 图8：全球机床产值国家和地区前十 消费： 中国目前是全球最大的机床消费国，2022年机床消费占全球34%，其次为美国（12%）、意大利（7%）、德国（7%）、日本（5%）。 图9：2022年全球机床消费情况 图10：全球机床消费国家和地区前十 出口： 作为老牌机床强国，德国与日本的机床出口额位居前列，2022年全球出口份额分别为17%、17%。2020-2022年，中国机床出口额快速增长，2022年中国机床全球出口份额已提升至14%，且在全球机床出口额前5名中，仅中国的机床出口额超过了2018年水平。 值得一提的是，根据VDW口径，有相当一部分出口额来自于德国、日本、瑞士等机床制造商在中国生产的顶级机床。 图11：2022年全球机床出口情况 图12：全球机床出口国家和地区前十 进口： 中国和美国是全球排名前二的机床进口国，随着国产替代的推进，中国的机床进口额稳中有降，2022年为62.6亿欧元，较2021年微降0.4%；美国2022年机床进口额59.0亿欧元，较2021年增加36.2%。 图13：2022年全球机床进口情况 图14：全球机床进口国家和地区前十 主要国家和地区机床供需平衡： 作为全球最大的机床消费国，中国基本实现自给自足，2022年机床进口额与出口额基本持平，大部分国内消费由本土供应。德国、日本机床出口额远大于机床进口额，2022年贸易顺差分别达到45、63亿欧元。美国机床进口额远大于机床出口额，2022年贸易逆差达到41亿欧元。而韩国、中国台湾地区、瑞士2022年机床贸易顺差分别达到13、20、18亿欧元。 图15：主要国家和地区机床供需平衡 出口比例： 2022年，日本、德国、中国台湾地区、瑞士机床出口占生产比例均超70%，为典型的出口导向型经济；意大利、韩国机床出口占生产比例在50%附近，内外需较为均衡；中国、美国机床出口占生产比例分别为23%、33%，随着国内机床出口额不断增长，国内机床出口比例仍有较大提升空间。 进口比例： 2022年，墨西哥、土耳其、美国、印度机床进口占消费比例均超50%，其中墨西哥、土耳其机床消费中进口依赖度分别达到98%、89%；而德国机床消费中进口依赖度亦达到49%；中国机床消费中进口依赖度为24%。 图16：主要国家和地区机床生产中出口占比 图17：主要国家和地区机床消费中进口占比 2.2、国内市场：进口依赖度下降，出口快速提升 中国数控机床产业经历了起步、扩产、整合、高速发展与转型升级，目前已形成了品类完善、功能齐全的制造格局。 图18：中国机床产业发展历程 根据中国机床工具工业协会，2023年我国金属加工机床生产额为1935亿元，同比增长1.1%。消费额为1816亿元，同比下降6.2%。 根据VDW数据，我国机床消费中进口依赖度从2018年的33%下降至2022年的24%。 图19：我国金属加工机床生产与消费额 图20：我国机床消费中进口依赖度 从产业周期来看，机床呈现约10年的更换周期。2009年，“04专项”的实施为我国机床行业注入新的动力，我国金属切削机床在2011/2014年形成产量高峰。随着10年更换周期的到来，预计我国机床行业将迎来大规模替换需求。 根据日本机床工业协会，日本来自中国的机床订单基本呈现3年一个小周期的规律。 图21：我国金属加工机床产量 图22：日本对华机床订单 从月度数据来看，中国金属切削机床产量与日本来自中国的机床订单呈现同步状态。2023年1-12月，中国制造业固定资产投资完成额累计同比增长6.5%，较2023年1-11月提升0.2pct。目前国内金属切削机床产量及日本对华机床订单均有底部回暖趋势，随着新质生产力发展，中高端机床的市场需求或将企稳回升。 图23：中国制造业固定资产投资完成额累计同比 图24：中国金属切削机床产量与日本对华机床订单 从进出口情况来看，2021-2023年，我国金属切削机床出口金额逐年提升，进口金额逐年下降，在2023年完成贸易顺差3.9亿美元；2021-2023年，我国金属成形机床出口金额提升较快，贸易顺差逐步扩大，在2023年达到12.9亿美元。 图25：金属切削机床进出口 图26：金属成形机床进出口 从进口机床种类来看，我国对外进口的机床主要是加工中心、特种加工机床、磨床、齿轮加工机床、车床；从出口机床种类来看，我国对外出口的机床主要是特种加工机床、车床、加工中心、成形折弯机、金属冷加工压力机。 图27：2023年中国进口机床分布 图28：2023年中国出口机床分布 3、工业母机产业链：国产替代任务艰巨 从机床的发展来看，金属切削的基本工作原理是借助高硬度材料的刀具从硬度较低的工件毛坯上切除多余的金属，从而获得具有一定形位精度和表面质量的特定形状的零件。因此，工件和刀具的机床内部一对相互对抗的矛盾体。 从机床结构来看，可分为主传动系统、进给传动系统、检测系统、数控系统。其中主传动系统是由主轴电动机经一系列传动元件和主轴构成的具有运动、传动联系的系统；进给传动系统以保证刀具与工件相对位置关系为目的，其作用是将伺服电动机的旋转运动转变为执行件的直线运动或旋转运动；检测系统负责将机床运动部件的实际位移量随时检测出来，与给定的控制值（指令信号）进行比较，从而控制驱动元件正确运转，实现闭环控制；而数控系统是数控机床的核心，是实现机床精确加工功能的关键。 图29：表面成形运动简图 图30：数控机床的加工过程 3.1、数控系统：工业母机之“脑” 数字控制（Numerical Control-NC）技术是近代发展起来的一种自动控制技术。 国家标准GB 8129-87将其定义为“用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”。 数控机床是用数字信息进行控制的机床，借助输入控制器中的数字信息来控制机床部件的运动，自动地将零件加工出来。现代数控系统普遍采用微机技术，成为计算机数控（Computer Numerical Control-CNC）。 伴随数控机床的发展，机床数字控制器也从最初