数控系统原理、发展模式、市场空间及格局分析

数控系统为机床最核心部件，由数控装置、伺服系统、测量系统构成。

1、数控系统为机床“大脑”，直接影响机床性能

数控系统为数字控制系统(Numerical Control)简称。数控系统作为机床“大脑”直接影 响机床精度、动态特性等核心参数，主要由数控装置、伺服系统和测量系统三大部分组成， 包含了数控装置、伺服装置、伺服电机、光栅尺、编码器及其他电子元器件。数字控制机床（Numerical Control Machine Tool），简称数控机床，准确地按照事先安 排好的工艺流程实现加工动作的金属切削机床。

数控机床相比普通机床区别主要在控制上，数控机床采用数字信号，普通机床一般采用模 拟量控制，数控机床采用数字信号进行控制，因此需要有数字信号的发出装置（即数控装 置）；既然有数字信号发出装置，就必须有数字信号的接收装置，因此有了伺服放大器及 伺服电动机（称为伺服系统）；为了检测数控机床指令位置和实际位置的一致性，一般数 控机床都装有反馈装置。数控机床跟随数控系统的发展经历了五代两阶段。从硬线控制系统（NC）到计算机数控系 统（CNC）。数控系统按照控制系统运行方式，分为开环、半闭环、全闭环控制数控系统，闭环的数控 机床精度更高、速度更快、驱动功率更大，但对于机床结构和传动要求更高，更容易造成 系统的不稳定。

2、五轴联动数控系统强化空间复杂特征加工能力，符合制造业升级趋势

数控系统控制几个坐标按照需要的函数关系同时协调运动称为坐标联动，按照联动轴数分 为二轴联动、二轴半联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动等。以三轴联动机床为例，其 包含了 X/Y/Z 三个直角坐标系轴，故刀轴方向固定，机床的运动控制只能沿着 X/Y/Z 三个 线性轴进行控制。五轴联动机床则增加了两个自由旋转轴，让刀具的运动可以灵活变化。

五轴联动加工在效率、精度、加工质量等方面具有显著优势。五轴联动数控系统的五轴旋转刀具中心（以下简称 RTCP）功能，主要指当有旋转轴运动 时（一个或两个旋转轴），通过三个直线轴的实时同步补偿运动，使刀具或工件的某一特 定点在空间的位置始终保持不动，即刀具或工件绕这一特定点作旋转运动，可以直接在工 件坐标系下规划刀尖轨迹，机床轴控制由算法完成，编制程序时，只需要考虑工件的坐标， 不需要考虑五轴机床运动链结构，简化了 CAM 编程，提高加工精度。

五轴加工通过更高加工效率、更小占地面积与能耗带来经济性，对三轴加工具有一定替代 性。根据全球机床龙头德马吉森精机披露数据，其使用 10 台五轴机床替换 50 台立式五面 加工机床，带来了更高加工量、更小占地面积，并且节约能耗 42%。五轴联动数控系统和机床技术壁垒最高，对应的毛利率也处于领先水平。以主要销售五轴 联动数控系统与机床的科德数控为例，其 21 年五轴联动机床、数控系统毛利率分别高达 43.62%、49.81%。

3、目前数控系统发展模式包括西门子、哈斯模式和马扎克模式

目前国际上的数控系统发展模式有西门子模式、哈斯模式和马轧克模式三种： 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，通常这些企 业创立之初以数控系统研发起步，后来形成数控系统+机床的布局，哈斯通过一体化的模 式实现了机床销量走向全球前列。国内科德数控也采用这种模式，从数控系统起步逐步实 现了五轴机床的一体化布局。

3）马扎克模式：主机厂在数控系统厂提供的开发平台上，研发自主品牌的数控系统，并 与其所生产的数控机床配套销售。以如马扎克、森精机等公司为例，在三菱、发那科提供 的数控系统平台上，共同研发形成马扎克、森精机的数控系统品牌。 整体来看，数控系统由于其相对标准化、投入回报周期长等特性，国内外机床厂大部分以 外购为主。

国内数控系统市场空间216亿元，潜在进口替代空间137亿元

数控系统作为机床核心部件，成本占比在 20%左右。根据德国机床制造商协会数据，21 年中国机床消费金额 238.9 亿美元。按照数控系统占 机床成本 20%，机床毛利率 30%，美元兑人民币汇率 6.45 计算，2021 年中国数控系统市 场空间约为 215.77 亿元人民币。考虑国产数控系统主要配套国产机床，假设国内数控系统市场空间中低档、中档、高档占 比分别为 20%、60%、20%，按照对应档次机床国产化率进行测算，假设 21 年低档、中档、 高档机床国产化率分别为 88%、72.5%、12%，对应 21 年国产数控系统潜在进口替代空间 约为 137 亿元。

4、机床国产化加速、景气度回暖，有望带动数控系统需求高增长

德、日企业统治全球高端市场，中国机床出口以中低端为主，高端机床国产化率较低。机 床行业完全竞争，德国、日本、美国为主要机床大国，海外品牌在技术、规模、品牌影响 力方面均处于领先地位，从出口体量上来看，德、日占据全球约 45%市场。国内机床高端 市场主要由海外企业垄断，截至 2018 年中国高端机床国产化率仅为 6%。目前机床产业供应链逐步走向成熟，同时伴随“自主可控”相关政策催化，机床国产化进 程有望加速，带动国产数控系统需求提升。

从机床产业景气度看，日本出口中国机床订单增速从 22 年 8 月见底回升，23 年机床景气 度有望持续回暖。2021 年日本出口中国机床订单大幅增长 77%至 3580.4 亿日元（按照 2021 年平均汇率计算为 210.3 亿元人民币）。月度数据来看，订单从今年 1 月份开始走弱，从8 月份开始出现趋势性反弹，8 月到 11 月已经实现连续 4 个月正增长，考虑当前疫情等不 利因素影响逐渐减弱，我们认为 23 年机床景气度有望持续回暖。