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机床的“大脑”

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。由于数控系统的标准品属性规模化效应较强,同时技术难度高,大部分机床厂以外采为主。

根据我们测算,21年国内数控系统市场空间216亿元,潜在进口替代空间137亿元,市场空间广阔。
考虑目前国产高端机床仍有较大国产替代空间,同时在“自主可控”相关政策催化下国产替代有望加速,同时我们预计23年数控系统行业景气度也有望持续回暖,国产数控系统需求有望实现高增长。
1.1 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。


1.2 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%。


1.3 数控系统软硬件一体销售,标准品属性较强

数控系统的制造包括数控装置制造、伺服装置制造与伺服电机制造。


数控装置(简称CNC装置)是数控机床的控制核心,主要由CPU、存储器、数字伺服控制卡、主板(包括I/O LINK、数字主轴、模拟主轴、通信接口、MDI接口等)、显示控制卡以及相应的控制软件等组成。


伺服驱动系统由控制单元、测量反馈单元和驱动执行单元组成,来自数控装置的位置控制移动指令转变成机床工作部件的运动,使工作台按规定轨迹移动或精确定位,从而加工出符合图样要求的工件。


根据华中数控招股说明书数据,数控系统制造人工成本、制造费用占比较低,原材料成本在90%以上。


原材料以液晶屏、主板、功率模块、伺服电机为主,大部分属于电子类产品,采购价格呈逐年下降趋势。

相比数控机床,数控系统更具有标准品属性,一般由数控系统厂商提供基本模块清单和价目表,由下游客户根据机床功能、实际应用要求进行组合,同一名称的数控系统会根据客户选择配置不同有较大价格差异,但整体来看依旧具有较强标准品属性。
1.4 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。

1.5 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。


1.6 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)。
从数据来看,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。