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敬请参阅最后一页特别声明-1-证券研究报告 2024 年 3 月 24 日 行业研究 工业母机：国之重器，高端装备制造的基石 工业母机系列报告（一）机械行业 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。买入（维持）作者 分析师：黄帅斌 执业证书编号：S0930520080005 0755-23915357 分析师：陈佳宁 执业证书编号：S0930512120001 021-52523851 联系人：李佳琦 021-52523853 联系人：夏天宇 行业与沪深 300 指数对比图-25%-16%-8%1%10%03/23 06/23 08/23 11/23机械行业 沪深300 资料来源：Wind 要点 敬请参阅最后一页特别声明-2-证券研究报告 机械行业 目录 1、工业母机：高端装备制造的基石.6 2、工业母机市场：聚焦头部国家.8 2.1、全球市场：中国稳居全球生产、消费第一.8 2.2、国内市场：进口依赖度下降，出口快速提升.11 3、工业母机产业链：国产替代任务艰巨.14 3.1、数控系统：工业母机之“脑”.14 3.1.1、数控系统关键技术.17 3.1.2、数控市场格局.18 3.2、主轴：工业母机之“左手”.20 3.2.1、从机械主轴到电主轴.20 3.2.2、主轴轴承.21 3.3、进给驱动工业母机之“右手”.22 3.3.1、直线进给.24 3.3.2、圆周进给.28 3.4、测量系统：工业母机之“眼”.31 3.4.1、编码器.31 3.4.2、光栅尺.33 4、投资建议.37 4.1、科德数控.38 4.2、海天精工.38 4.3、纽威数控.39 4.4、宇环数控.40 4.5、华中数控.41 4.6、奥普光电.42 5、风险分析.42 YWCXuNtOtQnMsMoNqNqPnM7NcMaQnPmMnPmQeRqQmPlOoMrP8OrRyQwMnQqQxNqNqP 敬请参阅最后一页特别声明-3-证券研究报告 机械行业 图目录 图 1：数控机床分类.6 图 2：数控机床上下游.6 图 3：中国机床国产化率.7 图 4：中国金属切削机床数控化率.7 图 5：国内机床行业竞争结构.7 图 6：全球机床产值.8 图 7：2022 年全球机床生产情况.8 图 8：全球机床产值国家和地区前十.8 图 9：2022 年全球机床消费情况.9 图 10：全球机床消费国家和地区前十.9 图 11：2022 年全球机床出口情况.9 图 12：全球机床出口国家和地区前十.9 图 13：2022 年全球机床进口情况.10 图 14：全球机床进口国家和地区前十.10 图 15：主要国家和地区机床供需平衡.10 图 16：主要国家和地区机床生产中出口占比.11 图 17：主要国家和地区机床消费中进口占比.11 图 18：中国机床产业发展历程.11 图 19：我国金属加工机床生产与消费额.12 图 20：我国机床消费中进口依赖度.12 图 21：我国金属加工机床产量.12 图 22：日本对华机床订单.12 图 23：中国制造业固定资产投资完成额累计同比.13 图 24：中国金属切削机床产量与日本对华机床订单.13 图 25：金属切削机床进出口.13 图 26：金属成形机床进出口.13 图 27：2023 年中国进口机床分布.13 图 28：2023 年中国出口机床分布.13 图 29：表面成形运动简图.14 图 30：数控机床的加工过程.14 图 31：数控系统的原理.15 图 32：全球与中国数控系统发展历程.17 图 33：刀具路径的分解.17 图 34：中国数控系统厂商市场竞争格局.19 图 35：2022 年中国数控系统竞争格局（销售额）.19 图 36：全国数控系统市场规模.19 图 37：数控机床主轴的传动类型.20 图 38：电主轴剖面图.20 图 39：智能电主轴.21 敬请参阅最后一页特别声明-4-证券研究报告 机械行业 图 40：滚动轴承与滑动轴承（性能）.22 图 41：液体静压轴承工作原理图.22 图 42：进给驱动的组成.23 图 43：进给系统的分类.23 图 44：不同用途区分的滚珠丝杠精度等级表.24 图 45：2015-2022 年全球滚珠丝杠市场规模.26 图 46：2015-2022 年中国滚珠丝杠市场规模.26 图 47：2021 年国内滚珠丝杠高端市场.26 图 48：2021 年国内滚珠丝杠中端市场.26 图 49：直线电动机原理.27 图 50：直线电动机.27 图 51：全球直线电机行业市场.27 图 52：全球直线电机行业市场格局.27 图 53：直接驱动与间接驱动的加速能力.28 图 54：直接驱动与间接驱动的成本比较.28 图 55：蜗轮蜗杆传动的工作台.29 图 56：滚柱传动机构的原理.29 图 57：四轴转台.29 图 58：五轴转台.29 图 59：直接驱动工作台和力矩电动机.30 图 60：中国数控转台市场规模.31 图 61：中国数控转台市场（单轴与双轴）（2021）.31 图 62：光电编码器的结构示意图.32 图 63：全球编码器市场规模.32 图 64：全球编码器市场（直线型与旋转型）.32 图 65：全球编码器市场规模（按检测方式）.33 图 66：全球编码器市场规模（按地域）.33 图 67：光栅尺测量系统组成原理.33 图 68：封闭式直线光栅尺结构示意图.34 图 69：相位光栅的刻线高度约为 0.25 m.34 图 70：成像扫描原理.34 图 71：干涉扫描原理.34 图 72：增量式光栅尺.35 图 73：绝对式光栅尺.35 图 74：中国光栅尺市场.35 图 75：全球光栅尺市场.35 图 76：中国光栅尺下游应用领域（2021）.36 图 77：中国光栅尺销量.36 图 78：海天精工发展历程.38 图 79：纽威数控发展历程.39 图 80：宇环数控发展历程.40 n1lz2+1Y/8KHAhFmzkp7abzkDSe1RnSOm2svFrHBRVnT0eFvCmR1IV5qBrMu7fHu 敬请参阅最后一页特别声明-5-证券研究报告 机械行业 图 81：华中数控发展历程.41 图 82：奥普光电发展历程.42 表目录 表 1：机床数控技术发展的不同阶段.15 表 2：数控系统分类（高、中、低端）.16 表 3：数控系统中的关键技术.18 表 4：不同领域对机床主轴的要求.20 表 5：不同主轴的性能评价.21 表 6：不同轴承系统的性能比较.22 表 7：滚珠丝杠分类与特点.25 表 8：直线电机直驱方式与传统驱动方式性能比较.28 表 9：常用位置检测装置分类.31 表 10：编码器在机床各部件中的应用.32 敬请参阅最后一页特别声明-6-证券研究报告 机械行业 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 数控机床金属切削机床金属成形机床特种加工机床车床、铣床、磨床、镗床、钻床加工中心 立式加工中心卧式加工中心龙门加工中心数控弯折机床数控压力机床数控组合机床 资料来源：头豹产业研究院 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 上游行业铸件 钣焊件床身底座、鞍座、工作台、立柱等内防护、外防护等精密件和功能部件 电气元件精密件：主轴单元、轴承、滚珠丝杠副等；功能部件：回转工作台、刀库、机械手、齿轮箱等断路器、接触器、继电器变压器等数控系统显示器、伺服控制器、伺服电机、传感器等数控机床行业关键技术下游行业模具机械设备工业阀门航空航天新能源轨道交通误差控制技术、可靠性技术、复合成套加工技术、高性能部件研发技术、二次开发与优化技术等 资料来源：国盛智科招股说明书 敬请参阅最后一页特别声明-7-证券研究报告 机械行业 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 0%20%40%60%80%100%120%2018 2019 2020 2021 2022低端 中端 高端 0%10%20%30%40%50%198919911993199519971999200120032005200720092011201320152017201920212023金属切削机床数控率 资料来源：头豹产业研究院 资料来源：Wind、光大证券研究所 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 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010302第二梯队以中国通用技术集团为代表的国企和以科德数控、海天精工、纽威数控为代表的民企第一梯队以山崎马扎克为首的外资中高端品牌 资料来源：头豹产业研究院 敬请参阅最后一页特别声明-8-证券研究报告 机械行业 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 资料来源：VDW、光大证券研究所；单位：柱子单位为十亿欧元，线条单位为十亿美元 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 中国,257,32%日本,99,12%德国,97,12%意大利,65,8%美国,56,7%韩国,43,5%中国台湾地区,39,5%瑞士,28,4%其他,118,15%0501001502002503002018 2019 2020 2021 2022 资料来源：VDW、光大证券研究所；注：不含配件、附件；单位：亿欧元 资料来源：VDW、光大证券研究所；注：不含配件、附件；单位：亿欧元 敬请参阅最后一页特别声明-9-证券研究报告 机械行业 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 中国,260,34%美国,97,12%意大利,53,7%德国,52,7%日本,36,5%其他,272,35%0501001502002503002018 2019 2020 2021 2022 资料来源：VDW、光大证券研究所；单位：亿欧元 资料来源：VDW、光大证券研究所；单位：亿欧元 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 德国,70.74,17%日本,70.44,17%中国,59.82,14%意大利,30.3,7%中国台湾地区,27.94,7%瑞士,23.83,6%韩国,22.9,5%其他,113.97,27%0204060801002018 2019 2020 2021 2022 资料来源：VDW、光大证券研究所；单位：亿欧元 资料来源：VDW、光大证券研究所；单位：亿欧元 敬请参阅最后一页特别声明-10-证券研究报告 机械行业 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 中国,63,16%美国,59,15%德国,26,6%墨西哥,20,5%意大利,18,5%土耳其,17,4%印度,16,4%俄罗斯,12,3%其他,168.51,42%0 30 60 90 中国 美国 德国 墨西哥意大利土耳其 印度 俄罗斯 法国 韩国2018 2019 2020 2021 2022 资料来源：VDW、光大证券研究所；单位：亿欧元 资料来源：VDW、光大证券研究所；单位：亿欧元 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-400-300-200-1000100200300400生产 进口 出口 消费 资料来源：VDW、光大证券研究所；单位：亿欧元 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。敬请参阅最后一页特别声明-11-证券研究报告 机械行业 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 23%71%73%46%33%54%72%86%0%30%60%90%050100150200250300生产 出口 出口占比 24%61%34%49%21%33%59%98%44%89%0%20%40%60%80%100%120%050100150200250300消费 进口 进口占比 资料来源：VDW、光大证券研究所；单位：亿欧元 资料来源：VDW、光大证券研究所；单位：亿欧元 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 起步阶段 1949年以前：中国尚未真正诞生机床行业、当时机床行业十分落后；1949年：建国之初。全国机床保有量在9.5万台左右；1952年：美国已经制造出世界第一台数控机床；中国金属切割机床年产量仅为1.37万台左右；第二机器工业管理局成立。改建和新建18个机床厂、四个工具厂；1958年：研发出第一台数控机床，比美国晚6年，比德国、日本和苏联晚2年。整合阶段扩产阶段 高速发展转型升级阶段 1958-1960年：成立高精度精密机床规划领导小组，领头发展高精度精密机床；同时该阶段受到冷战”影响，欧美国家对中国进行技术封销，国际形势严峻，各行各业都在进行大量扩产、盲日追求产量，造成产品租制滥造现象严重；1961-1978年：盲目追求产量、大规模扩产的现象持续加重，该阶段共生产了164万台机床，但合格率不足二分之一，消耗了大量人力物力资源，同时不注重技术发展，造成了后来的技术滞后。1979-1993年：改革开放前期，中国机床行业迎来了大规模整改结束了前期混乱的现象；1993年，昆明机床成为股份制公司；1988年，中国机床工具工业协会成立；1994年：昆明机床上市；沈一机床合并了沈阳第二机床厂，第三机床厂和辽宁精密仪器厂为沈机集团；1996年：上海机床厂开始改制；1997年：机床出口额达到2.8亿美元，较1979年增长7倍；1998年：南京机床厂重组为南京数控有限公司；2000年：齐一机床改为齐重数控。2001-2011年：随着2001年中国加入世贸组织，经济实现高速增长，中国机床行业迎来质的飞跃。中国本土机床企业快速增长，2009年中国机床产值和产量位居世界第一，2011年沈阳机床营收登顶行业第一；2012-2020年：受下游需求萎缩影响，中国机床行业开始下行。由于产品同质化严重、缺乏核心技术，大量国营企业退出市场，市场转由民营企业主导；2019年，沈阳机床破产重组；2020年以后：政策利好，工业母机行业景气度圆暖，开始重视核心技术发展，国产替代浪潮将至。资料来源：头豹产业研究院 敬请参阅最后一页特别声明-12-证券研究报告 机械行业 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 0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 2021 2022 2023金属加工机床-生产 金属加工机床-消费 33%33%28%27%24%0%5%10%15%20%25%30%35%0500010000150002000025000300002018 2019 2020 2021 2022消费 进口 进口依赖度（右轴）资料来源：中国机床工具工业协会、光大证券研究所整理；单位：亿元人民币 资料来源：VDW、光大证券研究所；单位：百万欧元 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 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 198919911993199519971999200120032005200720092011201320152017201920212023金属切削机床 金属成形机床-150%0%150%300%450%09,00018,00027,00036,00045,0002010/12011/12012/12013/12014/12015/12016/12017/12018/12019/12020/12021/12022/12023/1日本机床订单中国 yoy（右轴）资料来源：Wind、光大证券研究所；单位：万台 资料来源：日本机床工业协会；单位：百万日元；截至 2023.12 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。敬请参阅最后一页特别声明-13-证券研究报告 机械行业 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(50)0 50 100 2009-062010-022010-102011-062012-022012-102013-062014-022014-102015-062016-022016-102017-062018-022018-102019-062020-022020-102021-062022-022022-102023-06中国:固定资产投资完成额:制造业:累计同比中国:固定资产投资完成额:制造业:汽车制造业:累计同比中国:固定资产投资完成额:制造业:电气机械及器材制造业:累计同比中国:固定资产投资完成额:制造业:计算机、通信和其他电子设备制造业:累计同比-60%-40%-20%0%20%40%60%80%-100%0%100%200%300%400%500%2010-062011-022011-102012-062013-022013-102014-062015-022015-102016-062017-022017-102018-062019-022019-102020-062021-022021-102022-062023-022023-10日本对华机床订单yoy 中国金属切削机床产量yoy(右轴)资料来源：Wind、光大证券研究所；单位：%资料来源：Wind、光大证券研究所；截至 2023.12 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-25.9-12.2 3.9(30)(25)(20)(15)(10)(5)0 5 10(80)(60)(40)(20)0 20 40 60 80 2021 2022 2023金属切削机床-进口 金属切削机床-出口金属切削机床-顺差（右轴）4.5 9.1 12.9 0 2 4 6 8 10 12 14(15)(10)(5)0 5 10 15 20 25 2021 2022 2023金属成形机床-进口 金属成形机床-出口金属成形机床-顺差（右轴）资料来源：中国机床工具工业协会、光大证券研究所整理；单位：亿美元 资料来源：中国机床工具工业协会、光大证券研究所整理；单位：亿美元 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 加工中心,19.9,33%特种加工机床,9.1,15%磨床,7.7,13%齿轮加工机床,5.6,9%车床,5.6,9%其他,13.1,21%特种加工机床,22.9,29%车床,10.0,13%加工中心,9.0,12%成形折弯机,6.3,8%金属冷加工压力机,5.3,7%其他,24.3,31%资料来源：中国机床工具工业协会、光大证券研究所整理；单位：亿美元 资料来源：中国机床工具工业协会、光大证券研究所整理；单位：亿美元 敬请参阅最后一页特别声明-14-证券研究报告 机械行业 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 资料来源：数控机床李雪梅主编 资料来源：数控技术马宏伟 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的机床研制单位自行设计制造转变为专业的制造商批量生产，形成了专门的产品数控系统及其产业。敬请参阅最后一页特别声明-15-证券研究报告 机械行业 图 31：数控系统的原理 主轴驱动系统数据输入装置电气硬件电路（电控柜）可编程序逻辑控制器PLC接口伺服系统 机床电气部分位置测量速度测量外部设备数控系统CNC 资料来源：头豹产业研究院 从全球数控系统的发展来看，主要经历了五个时期：1）第 1 阶段：研究开发期(1952-1970)，系统组成以电子管、晶体管小规模集成电路为主；2）第 2 阶段：推广应用期(1970-1980)，使用专用 CPU 芯片，实现全数字控制刀具自动交换；3）第 3 阶段：系统化(1980-1990)，使用多 CPU 处理器，完成多轴联动控制且人机界面友好；4）第 4 阶段：集成化(1990-2000)，使用模块化多处理器，实现复合多任务加工；5）第 5 阶段：网络化(2000-2015)，使用开放体系结构工业微机，从而达到开放式数控系统网络化和智能化。表 1：机床数控技术发展的不同阶段 特 点 第 1 阶段：研究开发期(1952-1970)第 2 阶段：推广应用期(1970-1980)第 3 阶段：系统化(1980-1990)第 4 阶段：集成化(1990-2000)第 5 阶段：网络化(2000-2015)典型应用 数控车床、数控铣床、数控钻床 加工中心、电加工机床和成形机床 柔性制造单元柔性制造系统 复合加工机床 5 轴联动机床 智能、可重组制造系统 系统组成 电子管、晶体管小规模集成电路 专用 CPU 芯片 多 CPU 处理器 模块化多处理器 开放体系结构工业微机 工艺方法 简单加工工艺 多种工艺方法 完整的加工过程 复合多任务加工 高速、高效加工微纳米加工 数控功能 NC 数字逻辑控制 2 轴3 轴控制 全数字控制刀具自动交换 多轴联动控制人机界面友好 多过程多任务、复合化、集成化 开放式数控系统网络化和智能化 驱动特点 步进电动机、伺服液压马达 直流伺服电动机 交流伺服电动机 数字智能化直线电动机驱动 高速、高精度、全数字、网络化 资料来源：机床产品创新与设计（张曙等编）敬请参阅最后一页特别声明-16-证券研究报告 机械行业 数控系统一般分为高、中、低端三种类型：1）低端（普及型）数控：一般采用 32 位中央处理器(CPU)芯片，以模拟量或脉信号控制伺服驱动系统，以实现运动控制，可完成基本的直线和圆弧插补功能，实现轴或 3 轴控制。系统分辨率大于 1m，定位精度 0.03mm。典型产品有广州数控的 GSK928 系统、华中数控 HNC-808 系列、西门子的 808D 系统等；2）中端数控：通常称为全功能数控系统，可实现主要的插补功能，具有丰富的图形化界面和数据交换功能，实现三轴或四轴联动。系统分辨率 1m，定位精度 0.03mm-0.005mm。典型产品有广州数控 980 系列，华中数控 HNC-818 系列，西门子 828D 系统，发那科 0i 系统等；3）高端数控：具有 5 轴以上的控制能力，多通道、全数字总线，丰富的插补及运动控制功能，智能化的编程和远程维护诊断。主轴转速 10000r/min 以上，系统分辨率亚微米或纳米级，定位精度 0.01mm-0.001mm。典型产品有西门子840Dsl、发那科 30i、华中数控 HNC-848、沈阳机床 i5 等。表 2：数控系统分类（高、中、低端）低端数控系统 标准数控系统 高端数控系统 特点 一般采用 32 位中央处理器(CPU)芯片，以模拟量或脉冲信号控制伺服驱动系统，以实现运动控制，可完成基本的直线和圆弧插补功能。主轴则采用变频控制，通常用于普及型数控车床和数控铣床。通常称为全功能数控系统，可实现主要的插补功能，具有丰富的图形化界面和数据交换功能。多通道、全数字总线，丰富的插补及运动控制功能、智能化的编程和远程维护诊断。电机类型 步进电机，开环控制 伺服电机，半闭环或全闭环控制 伺服电机，具备多通道控制能力，全闭环控制 多轴联动 两轴或三轴联动 三轴或四轴联动 五轴或五轴以上联动 系统分辨率 大于 1m 1m 亚微米或纳米级 主轴转速 最高可达 6000r/min 最高可达 10000r/min 10000r/min 以上 快移速度 最高可达 8-10m/min 最高可达 24-40m/min 40m/min 以上 定位精度 0.03mm 0.03mm-0.005mm 0.01mm-0.001mm 开发程度 不具备用户可编程 PLC 功能 支持用户开发 PLC 功能 完备的 PLC 控制功能 应用场景 与价格较低的数控机床搭配 与数控机床、全功能车、卧式加工中心搭配的数控系统产品 主要与多轴、多通道、高精、柔性、复合加工的高档数控机床搭配使用 典型产品 广州数控的 GSK928 系统 华中数控 HNC-808 系列 西门子的 808D 系统 广州数控 980 系列 华中数控 HNC-818 系列 西门子 828D 系统 发那科 0i 系统 西门子 840DsI 发那科 30i 华中数控 HNC-848 沈阳机床 i5 资料来源：机床产品创新与设计（张曙等编）、头豹产业研究院 20 世纪 50 年代以来，全球数控系统技术经历 2 个阶段，实现从硬线控制到计算机数控阶段的进步。从 1952 年世界上第一台数控机床在美国诞生，数字计算机技术开始应用于机床行业，自此数控技术的发展与电子和计算机技术的发展紧密相关。随着数控系统的发展，其功能持续增多、可靠性与精度不断提高，价格也逐渐下降。中国数控系统发展经历 4 个阶段，目前国产数控系统应用多集中在低端市场，高端市场有待发展，主要原因是由于数控系统技术壁垒高，同时需要大量实际应用进行升级迭代。敬请参阅最后一页特别声明-17-证券研究报告 机械行业 图 32：全球与中国数控系统发展历程 第一代数控系统世界第一台由电子管原件实现三坐标连续控制的数控机床诞生于美国，随后全球数控机床技术迅速发展第二代数控系统主要采用晶体管控制的加工中心广泛应用第三代数控系统开始出现采用集成电路控制的加工中心，数控技术进入发展的第二阶段(CNC 阶段)第四代数控系统小型计算机出现后用于数控系统，开始采用大规模集成电路及小型通用计算机作为控制单元，数控系统真正成为CNC 系统第六代数控系统个人计算机广泛应用，美国首先出现基于 PC机平台开发的数控系统，即开放式数控系统第五代数控系统微处理器开始用于数控系统，数控机床逐渐应用到工业生产制造，生产效率和质量大幅度提高 20世纪50年代以来，全球数控系统技术经历2个阶段，实现从硬线控制到计算机数控阶段的进步。从1952年世界上第一台数控机床在美国诞生，数字计算机技术开
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