機床行業(yè)市場分析1

機床行業(yè)市場分析機床產業(yè)鏈：從部件、系統(tǒng)到整機，自主可控典型賽道機床產業(yè)鏈包括機床整機、數控系統(tǒng)及核心功能部件，下游對應到汽車、通用機械、3C電子、模具、航空航天、工程機械等廣泛的制造業(yè)領域。數控系統(tǒng)：機床核心關鍵部件之一，包含CNC裝置、伺服控制系統(tǒng)及檢測反饋裝置等，直接影響基礎機床精度、動態(tài)特征等核心參數。機床整機：機床品類眾多，主要包括金屬切削機床、金屬成形機床、木加工機床、磨床等。凡屬精度要求較高和表面粗糙度要求較細的零件，一般都需在機床上用切削的方法進行最終加工。核心功能部件：包含電主軸、滾動功能部件（滾珠絲杠副、直線導軌副）、復合銑頭、刀庫、刀塔等，亦對機床的加工精度、效率和性能施加影響。機床產業(yè)鏈是自主可控的典型賽道。當前不論是數控系統(tǒng)核心部件還是高精尖的機床整機均存在技術封鎖。從“巴統(tǒng)清單”到“瓦森納協(xié)定”，海外將數控系統(tǒng)作為戰(zhàn)略物資實行出口許可證制度，對包括中國在內的諸多國家實行了嚴格的技術封鎖。同時，海外高端機床有嚴格的使用范圍和位置限制，尤其是部分國家對國內航空航天、軍工等領域的整機產品實施嚴格的技術禁運。實際上，當前在航天航空、軍工等高端制造、關系國家安全等領域，部分機床產品仍然存在“卡脖子”問題，自主可控存在緊迫性。國家已連續(xù)多年發(fā)布政策重點扶持國內機床產業(yè)發(fā)展。就近期政策來看，1）國家“十四五”發(fā)展規(guī)劃提出，堅持自主可控、安全高效，推進產業(yè)基礎高級化、產業(yè)鏈現代化。2）2021年8月國資委擴大會議提出，推動中央企業(yè)主動融入國家基礎研究、應用基礎研究創(chuàng)新體系，針對工業(yè)母機、高端芯片、新材料、新能源汽車等領域加強關鍵核心技術攻關。工業(yè)母機與高端芯片、新材料、新能源汽車等置于同樣戰(zhàn)略高度。3）十四五智能制造發(fā)展規(guī)劃更進一步明確研發(fā)智能立/臥式五軸加工中心、車銑復合加工中心、高精度數控磨床等工作母機。產業(yè)鏈自主可控持續(xù)推進。機床整機：存在供給薄弱環(huán)節(jié)，五軸機床自主可控發(fā)力臥加、立加等中大型機床仍是供給偏薄弱環(huán)節(jié)機床整體國產化率已相對較高，但部分細分品類仍然存在供給薄弱環(huán)節(jié)。以加工中心為例，根據中國機床工具工業(yè)年鑒數據計算，2019年立式加工中心、臥式加工中心和龍門加工中心國產化率分別為61.3%、25.5%和40.9%1，而銑車復合加工中心基本依賴進口。2019年國內加工中心在臥式加工中心和龍門加工中心等環(huán)節(jié)相對薄弱。從海關數據看，近年來臥式加工中心、龍門加工中心出口金額盡管有所提升，但金額仍大幅低于進口金額水平?？傮w來看，加工中心細分賽道或呈現國產化程度車銑復合＜臥加＜龍門＜立加。龍門和臥加等中大型機床下游或主要面向汽車、航空航天等行業(yè)中大型精密結構件加工，先進制造占比較高，技術壁壘相對較高，國產化程度有待持續(xù)提升。補齊細分品類的薄弱環(huán)節(jié)，實現中高端機床國產替代，這亦是國內機床行業(yè)中長期結構性成長機遇。五軸數控機床持續(xù)滲透，亟需實現自主可控重點關注五軸數控高端機床賽道。五軸數控機床主要運用領域包括航空航天、汽車、機械加工、半導體、軍工、精密模具、軌道交通、3D打印、醫(yī)療器械等。以德馬吉森精機、科德數控為例，兩家公司的下游收入占比較大的領域包括通用機械、汽車、模具、航天航空等。五軸數控機床在形狀復雜、多線性、異形曲面等特點的加工零件中運用較多，尤其在航空航天和軍工領域，是解決航空發(fā)動機葉輪、葉盤、葉片、船用螺旋槳等關鍵產品加工的唯一手段。五軸機床市場規(guī)模約百億，但其在國內機床行業(yè)的需求占比相對較低，未來滲透空間較大。根據MIR，2021年國內目標金切機床市場約679億，其中五軸金切機床占比達13%，對應88億市場空間，考慮到五軸數控磨床等市場空間，2021年國內五軸機床市場規(guī)?；蜻_百億。但基于國內機床消費的龐大基數，五軸機床的需求占比相對較低。五軸機床核心優(yōu)勢之一是提升加工效率和質量水平，但當前國內部分制造業(yè)對加工的要求相對較低且三軸機床的運用相對廣泛且技術成熟，效益和成本博弈下，五軸機床的廣泛滲透仍有待性價比優(yōu)勢顯現。當前五軸機床價值量較三軸機床等明顯更高，并較多運用于軍工、航空航天等對制造要求較高且對價格相對不敏感的行業(yè)。而伴隨國內持續(xù)推進高端制造轉型，高技術制造業(yè)增加值占規(guī)模以上工業(yè)增加值的比重持續(xù)提升，五軸數控機床高加工效率、高精度且節(jié)省人工和場地成本的優(yōu)勢將更加凸顯，市場需求有望持續(xù)擴容。同時，更多民營企業(yè)已參與五軸數控機床的研發(fā)、生產、銷售，國產五軸機床價格一般更低，國內廠商介入市場除了進一步打破海外品牌的壟斷格局，或將推動五軸數控機床價格下降，促進五軸機床在下游的應用滲透。而隨著五軸機床需求增加，自主可控的緊迫性凸顯。一方面，目前五軸機床海外品牌市占率較高，以2021年國內五軸數控機床100億空間測算，國內五軸機床龍頭之一科德數控市占率僅2%-3%。除此之外，國內具備五軸數控機床生產能力的企業(yè)還包括北京精雕、海天精工、紐威數控、普什寧江、艾弗米（拓斯達控股子公司）、博魯斯潘等企業(yè)。根據MIR，2021年科德數控在國產五軸聯動機床（包括外資國產，下同）市占率約9%-10%，據此測算，國產五軸聯動機床市場空間約24億元，扣除格勞博、米克朗等外資在國內產銷份額，預計五軸機床國產化率不足20%。另一方面，海外對我國高端五軸數控機床存在技術封鎖，美、日企業(yè)對出口中國的五軸數控機床設置嚴格的審批和限制制度。1）五軸數控機床使用功能受到嚴格管制，比如日本可以限定設備的用途和位置，一旦移動位置或改變用途，數控系統(tǒng)將自動鎖死。德國企業(yè)售后服務人員攜帶GPS，可對設備進行定位。2）機床品類受到嚴格限制，超精密機床（納米級）在任何情況均禁止向國內出售，德馬吉森部分五軸機床產品限制對中國銷售。在政策扶持下，國內五軸數控機床目前取得可喜的發(fā)展，以科德數控等為代表的國產企業(yè)實現核心技術突破，逐步推進五軸數控機床的自主可控。根據科德數控招股說明書披露，公司獲得04專項等國家課題的支持，得到了航空航天、能源、汽車等重點領域典型用戶應用機會，并通過用戶的應用反饋，不斷促進公司產品的技術迭代和成熟度提升。同時，公司亦連續(xù)多年保持高強度的研發(fā)投入，加速核心技術開發(fā)和積累，2017-2021年公司研發(fā)投入占營收比例未低于30%。從最終結果來看，公司取得五軸數控機床自主可控的較快進展：1）公司是國內極少數同時研制高檔數控系統(tǒng)、關鍵功能部件、五軸數控機床整機并批量應用的企業(yè)；2）公司成功切入對五軸機床需求量最大、技術難度最高的航空航天領域，設備在精度、動態(tài)性能、可靠性等綜合性能上能夠滿足軍方的需求，整機復購率達40%，充分說明公司產品在性能、穩(wěn)定性上有優(yōu)勢。3）公司五軸立式加工中心KMC800產品進入軍工國產高檔數控機床供應目錄，目錄內國產設備會被優(yōu)先采購。4）當前，公司立足航空航天、軍工等領域優(yōu)勢，發(fā)力新能源汽車、能源裝備（風電減速機殼體、大型汽輪機葉片等）、機床刀具等民用領域制造，拓展株洲鉆石、廣西玉柴、恒鋒工具、勝鼎智能、科華控股、威力傳動等典型客戶。往后看，更多機床企業(yè)正參與到高端五軸數控機床的自主可控進程。伴隨著更多五軸數控機床產品在下游運用試錯、迭代，五軸數控機床的國產化率有望提速。數控系統(tǒng)：機床的“靈魂”，國產系統(tǒng)發(fā)展任重道遠機床之“魂”，決定機床整體制造水平數控系統(tǒng)是機床核心關鍵部件之一，直接影響基礎機床精度、動態(tài)特征等核心參數，與伺服驅動及電機，電主軸，銑頭，轉臺，刀庫等其他關鍵功能部件共同決定了機床的精度和效率。廣義的數控系統(tǒng)包括伺服電機等驅動裝置及CNC系統(tǒng)、位置檢測模塊、可編程序控制器、進給伺服控制模塊等控制及檢測裝置構成，對刀具運動形成精準的閉環(huán)控制。優(yōu)秀的數控系統(tǒng)往往不斷經歷技術的迭代，其中不僅涉及到算法及控制技術本身的革新，也涉及到與下游具體工藝工程的結合，由此形成極高技術壁壘。從基本控制原理來說，“插補”為數控系統(tǒng)典型的運動控制手段，由于加工工具的運動控制軸只能進行直線運動，具體方法為將復雜的加工曲線分為一系列離散點，然后用無數段微小的直線或者圓弧來進行加工曲線的最大化擬合。而無數段小的直線段及圓弧則基于在極小的一段時間周期內通過多軸聯動形成的矢量位移來實現。以基礎的平面脈沖增量插補算法為例，當向X、Y軸均施加1個脈沖當量時，刀路將運動√2個當量位移且矢量運用方向與X、Y軸成45度。而普通數控機床的脈沖當量一般是0.01mm左右，精密的數控機床脈沖當量可達到微米級甚至納米級（或者極小的一段時間周期），為極致細分插補點、運動軌跡精細化提供基礎。同時，數控系統(tǒng)還通過位置/速度檢測裝置，來進一步跟蹤實際的運動位置和速度，并反饋到控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，對可能存在的運動偏差做控制指令的修正，從而形成閉環(huán)控制。隨著零件加工工藝逐步復雜化、精細化，數控系統(tǒng)對運動的控制變得愈加復雜。上述插補過程僅是X、Y平面的二維二軸聯動插補運動，當前國內機床普遍為三軸及以上聯動機床，涉及到Z軸及旋轉軸的控制，尤其是五軸機床是把平面運動路徑控制延伸到三維立體空間，相較平面運動，旋轉軸的轉動改變插補點的三維空間坐標，點坐標的映射變化關系研究和相關插補算法更加繁復。插補功能亦從此前簡單的直線圓弧發(fā)展到直接進行樣條曲線插補等高端功能。此外還包括螺旋插補、多項式插補、漸開線插補等插補功能，及垂直度誤差補償、刀具長度補償、與速度相關的前饋補償、溫度補償、RTCP補償等多種補償功能。數控系統(tǒng)越高檔，其功能便更加多樣全面。由此可見，數控系統(tǒng)作為機床的核心部件，從根本上決定了機床加工控制水平（精度、效率等），反應了機床加工整體水平。經過多年的發(fā)展，數控系統(tǒng)經歷了從硬件數控到計算機軟件定義的智能產品，當前仍在經歷智能化轉型，虛擬、云化自適應、AI等手段將持續(xù)推進數控系統(tǒng)技術迭代。百億級賽道，自主可控有待推進數控系統(tǒng)的銷量直接與數控機床需求密切相關。從市場需求來看，一般一臺數控機床配置一套數控系統(tǒng)，且數控系統(tǒng)占機床的成本比例較高，或在20%以上。根據國盛智科、浙海德曼的招股說明書，數控系統(tǒng)一般占兩家采購比例的20%+。由于國內龐大的機床消費需求及數控機床滲透率持續(xù)提升，數控系統(tǒng)在國內具備較大的市場基礎。根據德國機床工業(yè)協(xié)會，2021年中國機床消費235.88億歐元，約占全球消費的34%，是全球機床的主要消費國。而伴隨國內制造業(yè)的轉型升級，數控機床銷售占比提升。根據MIR，2021年其目標金切機床（注：主要是數控機床）占金切機床市場規(guī)模達55%。從數量上看，根據Wind，2021年，新增金切機床的數控化率提升至40.5%。數控機床需求的快速增長增益數控系統(tǒng)的市場規(guī)模。總體來看，數控系統(tǒng)百億賽道，作為機床的核心零部件之一，需求規(guī)模較大。根據MIR，2021年國內CNC市場規(guī)模達159億元，同比+37.1%。數控市場存在持續(xù)提升空間。短期來看，數控機床行業(yè)受益制造業(yè)需求改善，銷量回暖有望帶動數控系統(tǒng)出貨量回升。長期來看，主要是數控機床銷量增長的結構性機遇及中高端數控系統(tǒng)使用占比增加。一方面，相較日本80%+及美、德等發(fā)達國家70%+的數控化率，國內機床數控化率仍有較大提升空間，數控系統(tǒng)配套需求仍有較大挖潛空間。另一方面，國內中高端機床的運用占比提升，配套的數控系統(tǒng)功能更加豐富、復雜，技術壁壘更高，價值量將有所增加。同時，目前數控系統(tǒng)主要由海外品牌占據較大市場份額且在高端數控系統(tǒng)對國內實施技術封鎖，實現自主可控相對緊迫。目前發(fā)那科、西門子、三菱等海外品牌仍占據國內較大份額，國產中高端機床傾向于采購海外系統(tǒng)并在此基礎上做二次開發(fā)，對外依賴相對明顯。但海外技術禁運下，國內在航空航天、兵器、船舶、核工業(yè)等高端制造場景，數控系統(tǒng)目前還存在一定的“卡脖子”問題。國產替代空間較大，自主可控紅利有望釋放。篳路藍縷，披荊斬棘，國產品牌逐步發(fā)力國內數控系統(tǒng)的發(fā)展與數控機床的進步息息相關。國內數控機床的發(fā)展可以追溯到20世紀50年代，北京第一機床廠與清華大學制造出第一臺數控機床，但直到改革開放前，由于國內外形勢限制，與先進國家技術交流較少，技術開發(fā)基本處于封閉狀態(tài)。國內數控機床技術長期處于技術研究探索階段，機床數控化率整體偏低，直接影響對數控系統(tǒng)等核心部件的技術積累與研究。數控系統(tǒng)真正起步或在80年代的對外開放，通過引入海外數控系統(tǒng)，國內逐步開啟數控化技術迭代。這其中不乏中外合作的典范且國內亦取得一定的技術積累。比如，北京機床所與發(fā)那科研發(fā)出國內第一條回轉體加工柔性制造系統(tǒng)；北京航空航天大學研制國內首臺微型計算機數控系統(tǒng)成批量成功用于航空企業(yè)的數控化改造。通過對海外的吸收與運用，國內在“八五”期間研發(fā)出了當時代表先進水平的華中I型和藍天I型高檔數控系統(tǒng)。但彼時機床產量數控化率不足10%，實際上限制了國產數控系統(tǒng)的迭代運用。同時，由于90年代末的市場經濟改革，海外機床產品打開了國內市場，國產機床低數控率的弊端凸顯。依賴進口，國產機床份額下降又進一步阻礙國產數控系統(tǒng)的迭代和進步。直到中國加入WTO，制造業(yè)迎來騰飛，機床行業(yè)開啟“黃金十年”，但數控系統(tǒng)研發(fā)基礎薄弱的問題一直存在。具體體現在高端數控系統(tǒng)面臨卡脖子，而以沈陽機床為代表的國企牽頭的數控系統(tǒng)研發(fā)又遭遇了挫折。數控系統(tǒng)的發(fā)展伴隨我國數控機床的發(fā)展，篳路藍縷且歷經挫折。我們認為，2009年提出的“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技專項（即04專項）是國內數控機床及系統(tǒng)發(fā)展的重要分水嶺。04專項本質上促進了高檔數控機床、數控系統(tǒng)和功能部件在航空航天、汽車、船舶和發(fā)電等領域的實際運用，在不斷試錯中完成國內核心技術、功能、部件的技術迭代與完善。其中，04專項在“十二五”期間，聚焦高檔數控系統(tǒng)、功能部件及成套裝備和生產線的研發(fā)；在“十三五”期間，聚焦航空航天、汽車領域，攻克數控系統(tǒng)與功能部件可靠性和精度保持技術等問題。而站在當前節(jié)點，科德數控、華中數控逐步打破高檔數控系統(tǒng)、五軸數控機床等高檔數控機床的市場壟斷，充分得益于04專項的扶持。在政策扶持下，數控系統(tǒng)走過經年，已有較多的應用及技術積累，在產業(yè)端呈現推動國產替代、自主可控落地的發(fā)展態(tài)勢。近幾年發(fā)展態(tài)勢尤其迅速，量變到質變或已在演繹。2022年10月，由我國主導制定的數控系統(tǒng)系列國際標準ISO23218-2正式發(fā)布，標志著我國在04專項支持下建立的“高檔數控系統(tǒng)關鍵技術標準體系”成果得到了國際認可。在機床數控系統(tǒng)國際標準領域實現零的突破。根據工信部，國內工業(yè)母機產業(yè)鏈已突破了全數字化高速高精運動控制、多軸聯動等一批關鍵核心技術，高檔數控機床平均無故障時間間隔從600小時到2000小時跨越，精度提升20%。國產高檔數控系統(tǒng)實現從無到有，在國產機床中的市占率持續(xù)提升，由不足1%提升到31.9%。而從具體的數控產品對比來看，以科德數控與華中數控的產品為代表，國內數控系統(tǒng)產品較海外的差距逐步縮小且功能愈加豐富，具備螺旋插補、多項式插補、漸開線插補、NURBS及RTCP等高檔數控系統(tǒng)功能及完善的誤差補償能力。科德數控：GNC系列高檔數控系統(tǒng)實現了GNC60/61/62數次迭代，達到了國外先進產品同等水平，產品開放性、適配性強。公司數控系統(tǒng)功能已達到西門子840D的95.85%，有能力實現對進口海外數控系統(tǒng)的國產替代。華中數控：華中8型高性能數控系統(tǒng)與德國、日本等國家的高性能數控系統(tǒng)產品功能全面對標，標準型數控系統(tǒng)產品600余項功能對標匹配度達100%，高檔型數控系統(tǒng)產品1900余項功能對標匹配度超過98%。近期，公司發(fā)布五軸數控系統(tǒng)產品包，數控系統(tǒng)功能經過數輪百日攻關，整體性能水平實現較大提升。目前與海外數控系統(tǒng)的差距主要體現部分功能和性能差距、可靠性及壽命差距、市場接受度等方面。功能覆蓋上，科德數控、華中數控等優(yōu)勢企業(yè)數控系統(tǒng)產品持續(xù)迭代，較海外品牌的系統(tǒng)功能已無明顯差異。但國外高檔系統(tǒng)平均無故障運行時間可達30000小時，使用壽命也大于配套的機床本體，或可達10年。且國外數控系統(tǒng)軟件經過多年、多種現場應用的反饋修改和積累，容錯率相對較高。而國內數控系統(tǒng)產品使用壽命一般10000小時左右，且在誤差補償、故障診斷與人工智能技術結合方面仍落后于國外系統(tǒng)。從市場接受度來看，目前國內中高端數控機床仍以海外系統(tǒng)為主，涉及國防軍工等受限領域，國產數控系統(tǒng)的使用傾向逐步提高。盡管功能、穩(wěn)定性等方面仍有待完善，但當前數控系統(tǒng)的核心技術已取得突破，并能夠在部分高端制造業(yè)勝任加工需要。實際上隨著國產系統(tǒng)在應用的增多，有望復刻海外數控系統(tǒng)的進階之路。目前科德數控高端五軸數控機床及自研自制高檔數控系統(tǒng)均打破海外壟斷，用于飛機航空發(fā)動機的閉式葉輪、機匣、主軸、葉盤等部件制造，汽車發(fā)動機殼體、變速箱殼體及引擎蓋、輪轂等加工。下游主要覆蓋航空航天、汽車、軍工等高端制造，且客戶認可度高，22H1整機的復購率超30%，并持續(xù)開辟中國航空航天科工技術研究院等航空航天、兵器、能源、刀具、機械設備領域的新客戶。華中8、9型數控系統(tǒng)在航天航空、船舶、發(fā)電、汽車、3C制造等領域批量應用，目前累計為專項提供1500臺高檔數控機床配套，其中241臺套五軸數控系統(tǒng)；累計在制造業(yè)領域配套五軸數控系統(tǒng)2000多臺套。華中數控與秦川機床、豪邁機床、紐威數控、海天精工等合作，推動數控系統(tǒng)的持續(xù)迭代升級及優(yōu)化。AI等新技術賦能，國產數控系統(tǒng)有望實現換道超車數控系統(tǒng)的功能和算法是系統(tǒng)核心技術的集成體現，功能的擴展完善及算法的性能提升是應用端長期迭代的結果。歐洲、日本等外國品牌的優(yōu)勢體現在經過幾十年的發(fā)展，參與解決了各種復雜的應用案例，其系統(tǒng)通過參數配置不僅能夠滿足通用車床、銑床、激光、木工、石材等應用領域，而且對傳統(tǒng)的專機如滾齒機、彈簧機、旋壓機、線切割等配套也成熟完善，即使在特定應用領域，由于多年經驗積累、軟件迭代，也能較好應對下游復雜需求。當前AI、數字孿生等新技術發(fā)展方興未艾，運用于數控系統(tǒng)領域有望為國產系統(tǒng)創(chuàng)造“換道超車”的契機。相較于海外的數控系統(tǒng)，國內數控系統(tǒng)缺乏的是對廣泛行業(yè)運用的現場應用經驗，軟件迭代相較更短，從而在功能的完善及穩(wěn)定性一致性上表現不足。AI、數字孿生等新技術的引入實際上加速了國內數控系統(tǒng)的經驗積累過程，在龐大的數據庫中自學習優(yōu)化并提供智能決策，有望更快形成海外數控系統(tǒng)以“時間”及“經驗”鑄就的技術壁壘。數控系統(tǒng)人工智能、數字孿生等新技術的運用體現在包含加工工藝的智能推理制定，加工信息的自主建模與智能分析，加工過程的智能決策、智能控制，工業(yè)大數據累積知識的自成長學習、智能迭代優(yōu)化等多個方面。加工前：AI將進行零部件要求分析、工藝方法選擇、加工特征排序、加工軌跡規(guī)劃、加工過程仿真以及程序智能編制等工藝任務流程。比較在工藝方法決策階段直接在零部件的CAD模型提煉出材料、尺寸、工藝要求等特征，并進行合適工藝的匹配。根據《基于改進BP神經網絡面向STEP-NC2.5D制造特征的智能宏觀工藝規(guī)劃》，采用BP神經網絡模型，根據工件孔加工特征類型、毛坯類型、表面粗糙度等指標快速制定鏜孔、鉸孔、攻絲等工藝路線，并智能規(guī)劃加工軌跡。同時，針對多步加工工藝，人工智能可以對粗加工、半精加工和精加工等不同環(huán)節(jié)進行過程建模和仿真分析，比較不同加工策略以及加工參數對顫振穩(wěn)定性、切削轉矩、軸功率、刀具變形、表面粗糙度等的影響程度，規(guī)劃最優(yōu)加工解決方案。加工中：人工智能、數字孿生等新技術面對切削過程的復雜特征，需要實時監(jiān)測/評估切削刀具、工件、機床等多個實時狀態(tài)變化并對存在的偏差進行感知與修正，對可能發(fā)生的故障、錯誤等問題進行提前預警。刀具：對切削過程中切削力、振動、切削溫度、主軸功率、2D圖像等信息搜集及分析實現對刀具狀態(tài)智能量化感知，對刀具剩余壽命進行預測判斷，保證刀具的高效加工及效果一致性。工件：對工件的幾何精度、表面形貌、粗糙度、殘余應力、加工硬化等不同狀態(tài)進行智能分析判斷，并進行誤差補償等優(yōu)化控制。機床：對機床加工誤差（幾何誤差、熱誤差、動態(tài)誤差等）、模態(tài)、剛度等機床性能狀態(tài)及各種可能的故障狀態(tài)進行建模分析，并進行誤差補償等優(yōu)化控制。加工后：充分利用生產數據信息中的價值，經過采集、預處理、清洗和關聯整合等步驟，形成基于工業(yè)大數據的知識庫。利用不同機床的大數據知識集組合，比如機床能耗大數據、機床故障診斷等，可以對機床各個方面狀態(tài)進行智能分析與優(yōu)化應用。同時人工智能可以對工藝大數據、參數優(yōu)化大數據、故障診斷大數據等實現自學習成長，代替人工經驗判斷，極大提升工作效率?？傮w而來，引入人工智能、數字孿生等新技術，對現有數控系統(tǒng)產生更大優(yōu)化，或將真正意義上使機床設備實現“自主感知-自主學習-自主決策-自主執(zhí)行”的智能化制造。而國內制造業(yè)的一大優(yōu)勢是靠近龐大的終端市場，制造業(yè)工業(yè)增加值在全球占據最大比例，具備龐大的制造業(yè)數據基礎促進智能型數控系統(tǒng)迭代更新。實際上，實時補償、控制優(yōu)化、工業(yè)互聯網、大數據運用等功能的實現在國內外數控系統(tǒng)均已有體現，而AI、數字孿生等新技術或將助力國內系統(tǒng)更加完善和更快發(fā)展。目前西門子SinumerikOne、歐盟的TwinControl、DMG的CELOS系統(tǒng)、OKUMA智能化數控系統(tǒng)均是典型應用案例。比如OKUMA智能化數控系統(tǒng)實現熱親和（降低發(fā)熱變形對機床精度影響+熱變形補償）、加工導航（傳感器傳遞加工狀態(tài)信息，給出最佳主軸轉速）、參數自動測量補償、最佳伺服參數優(yōu)化控制（動態(tài)適應加工負載重量、轉動慣量變化）等。國內華中數控首創(chuàng)基于云計算的數控系統(tǒng)智能化技術，發(fā)明數控系統(tǒng)電控大數據指令域分析方法，成功推出“華中9型新一代人工智能數控系統(tǒng)”。其主要技術特點之一是使用數字孿生實現自主決策。在實際應用方面，華中9型人工智能數控系統(tǒng)1）能預測機床熱變形規(guī)律，對熱變形進行補償；2）自主優(yōu)化工藝參數，提高加工效率；3）匯聚機床裝配、調試、補償、健康保障及使用過程數據，實現機床全生命周期運維管理。目前公司以華中9型新一代人工智能數控系統(tǒng)為平臺，與江西佳時特精密、寶雞機床、秦川機床、沈陽精銳數控機床、漢江機床等多家企業(yè)共同聯合研發(fā)，研發(fā)了精密加工中心、智能五軸加工中心、智能車削中心、滾齒機等不同領域、多種類型的智能機床。截止2022年3月，華中9型智能數控系統(tǒng)已在汽車行業(yè)等重點領域實現數千套批量配套與應用，建成了數條汽車典型零部件加工智能制造生產線。核心功能部件：推進自主化、國產化，薄弱環(huán)節(jié)持續(xù)改善數控機床核心功能部件是工業(yè)母機的重要組成部分，其中電主軸、滾動功能部件（滾珠絲杠副、直線導軌副）、復合銑頭、刀庫、刀塔等核心部件直接影響著主機的技術水平和發(fā)展速度，掌握機床核心功能部件的自主研發(fā)與創(chuàng)新。從產品的指標水平上看，我國的數控機床核心功能部件的運動穩(wěn)定性、產品可靠性等綜合性能方面與發(fā)達國家同規(guī)格的知名品牌存在一定差距。近年來，國內重點企業(yè)部分核心功能部件產品技術指標已達到或接近國外先進水平。但目前國產機床功能部件（電主軸、絲杠、導軌、轉臺）在中檔市場占有率不足50%，高檔產品90%以上依靠進口，高檔零部件和功能部件基本被德國、日本、瑞士、美國等國外企業(yè)占據。核心功能部件的中高端市場國產替代仍有較大空間。滾珠絲杠：高精密傳動部件，國產替代起步滾珠絲杠作為一種高精度的傳動部件，大量應用于數控機床、自動化加工中心、電子精密機械、進給機構、伺服機械手、半導體生產設備等各種領域。其主要功能是將旋轉運動轉換為線性運動，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。根據滾珠回流方式的差異，滾珠絲杠分為外循環(huán)回流、內循環(huán)回流、端蓋回流等產品。滾珠絲杠常見的性能指標包括公稱直徑、導程、長度、精度等指標。公稱直徑：規(guī)格包括12、14、16、20、25、32、40、50、80mm等，與負載相關，公稱直徑越大，滾珠絲杠的負載將更高。導程：絲杠旋轉一周的直線運動距離，常見的導程有5、6、8、10、15、20、25mm級，在同樣電機轉速驅動下，導程越高的滾珠絲杠運動的距離將更長。長度：包括全長及螺紋長度。其中螺紋長度包括有效行程、螺母長度等，全長還需考慮兩端支撐長度、設計裕量、動力輸入連接長度（考慮聯軸器長度）等。越高精度的滾珠絲杠真直度要求更高，因此細長比越大加工困難越高，剛性也較差。品質與精度：由導程誤差、表面粗糙度、幾何公差、溫升及噪音等指標決定。不同大小的絲杠能達到的精度水平有所差距，不同精度產品用于機床類型有所不同，且國內外對絲杠精度標準亦有微小差別。中國是滾珠絲杠產品重要消費市場之一，近年來國內市場規(guī)模占全球規(guī)模總量的20%左右。伴隨國內制造業(yè)轉型升級，滾珠絲杠作為自動化重要傳動部件，需求持續(xù)提升。2021年滾珠絲杠市場規(guī)模為25.55億元，2015-2021年市場CAGR為10.1%。目前國內滾珠絲杠主要由上銀科技、THK、NSK等品牌占據，由于海外技術封鎖，國產滾動部件水平基本保持在P2級以下水平，大部分產品在P3-P5級，難以滿足中高端機床需求，國內廠商穩(wěn)步推進國產替代，但在產品品類及同品類產品的精度、剛性、使用壽命等方面較中國臺灣地區(qū)品牌及海外產品仍有一定差距。同時，海外品牌的高精度產品對國內存在進口限制。品類差異：根據公稱直徑、公稱導程、鋼球直徑、循環(huán)圈數等指標排列組合形成不同SKU產品。對比上銀科技和南京工藝，南京工藝覆蓋的公稱直徑型號、鋼球直徑型號、公稱導程型號等較上銀均有差異，上銀科技的產品SKU較國內企業(yè)品系更加復雜繁多。指標差異：針對同一類型SKU或者相接近的產品，國內產品在動負載、靜負載及剛度等指標較進口品牌仍有一定差距。機床使用高精度的滾珠絲杠產品，精度誤差（單一導程&任意300導程）要求在微米級。目前國內滾珠絲杠廠商包括南京工藝、秦川機床、博特精工等，為國產替代中堅力量。南京工藝：目前其高速滾珠絲杠副性能達到60m/min運行時噪音70dB，高速滾動直線導軌副60m/min運行時噪音68dB，為精密臥式加工中心批量配套滾珠絲杠副、滾動導軌副，實現各軸快移速度40m/min、定位精度0.002mm、重復定位精度0.001mm。公司產品為高速、高精中高檔數控機床大批量配套，推進了國產滾動功能部件的提檔升級和替代進口。秦川機床：下屬子公司漢江機床可生產2、3級精度的滾珠絲杠、直線導軌，有較高的精度保持性，可以滿足中高檔數控機床的要求，實現了在新能源汽車領域制造裝備滾動功能部件和精密螺桿副的國產化推廣應用。博特精工：前身為山東濟寧絲杠廠，產品品類包括精密滾珠絲杠副、精密滾動直線導軌副、高速精密電主軸、精密機械主軸單元、X-Y精密雙坐標工作臺、精密主軸等。產品為軍工裝備、核電裝備、航空航天、軌道交通、高端醫(yī)療、自動化裝備、冶金裝備、印刷包裝裝備、儀器儀表等行業(yè)配套且實現產品出口。電主軸：具備耗材屬性，專業(yè)生產商+整機廠自制國產替代提速電主軸是機床主傳動系統(tǒng)的核心部件。主傳動系統(tǒng)功能是將電動機的原動力轉換成可供主軸上刀具切削加工的切削力矩和切削速度以適應不同的工件和工藝，主傳動系統(tǒng)應具有較大的調速范圍、較高的精度及剛度，并盡可能降低噪聲，從而獲得最佳的加工效率和加工精度。電主軸是將電機與主軸從結構上融為一體的新型傳動方式，相較于機械主軸，省去了皮帶、齒輪或聯軸器的傳動環(huán)節(jié)，從而具有結構緊湊、重量輕、噪聲低、振動小和轉動慣量小等特點，可實現很高的速度、加速度及定角度的快速啟停。電主軸的功率、轉速、輸出扭矩等直接影響機床的切削性能及加工精度。1）在一定轉速下，電機功率越高，輸出扭矩將越高，主軸的加工效率越高。2）動態(tài)跳動、振動值越低，主軸加工更穩(wěn)定且加工精度越高。3）軸端靜態(tài)偏擺、動態(tài)偏擺越小，加工精度越高。目前電主軸按照軸承類型分為滾動軸承、氣浮軸承、液體滑動軸承和磁懸浮軸承等電主軸。按照電機類型分為異步型電主軸、永磁同步型電主軸。按照用途分為加工中心用、數控車床用、磨削用、鉆削用等電主軸。各種類型互有優(yōu)劣，下游主要運用領域或有差異，且技術難點亦表現不同。電主軸具備耗材屬性。電主軸由數十種緊密零配件組裝而成，主要部件包括軸芯組件、電機、支撐部件、冷卻系統(tǒng)、氣缸組件、拉刀組件、氣封組件等。電主軸結構復雜，會因為工況環(huán)境惡劣、操作不當、部件磨損等導致故障，根據昊志機電招股說明書，一般1年后故障率明顯提升，年下機率一般為30%-70%，需要更換或者保養(yǎng)、檢修。因此，電主軸市場需求主要來自于兩方面，1）數控機床需求量提升帶來的配套需求增加，一般一臺機床配一套或多套電主軸；2）存量數控機床數量增加，而電主軸的耗材屬性，決定每年會有較大的更換量。根據研究，近幾年隨著市場占有率提升和國內企業(yè)技術發(fā)展成熟，中國電主軸市場在2021年規(guī)模達到4.78億美元，同比+11.75%；2022年市場規(guī)模預計將達到5.26億美元，至2028年預計將增長至7.74億美元，2022-2028年復合增長率約為6.67%。從競爭格局來看，國內電主軸主要生產廠商以歐洲、日本和本土企業(yè)為主。外資品牌占據高端市場的主要份額，以昊志機電為代表的電主軸專業(yè)廠商已在積極推動國產替代。根據研究，測算2021年昊志機電的電主軸市場份額或達到20.3%。同時，在國內機床整機配套市場上，機床整機廠商除了向專業(yè)電主軸生產企業(yè)購買，自身亦在積極開展電主軸自制，降本增效的同時，形成核心部件的產業(yè)化配套能力。實際上，海外電主軸廠商一般負責電主軸的總體設計、技術研發(fā)以及零配件的裝配和測試工作，其余的關鍵零部件如軸承、內裝電機等由市場采購，專業(yè)分工細致，在關鍵功能部件的研發(fā)上具有較強的前瞻性和創(chuàng)新能力。以此類推，國內機床整機廠商亦有能力根據自身需要設計及生產電主軸產品。科德數控：于2020年布局電主軸產能，在銀川建立電主軸生產基地，并與2022年基本達產400臺套，配套自身五軸機床產品銷售，產能接近飽和。2023年2月，發(fā)布定增預案，投建項目之一高端機床核心功能部件及創(chuàng)新設備智能制造中心建設項目達產后，電主軸產量可達1300臺套。海天精工：2022年年報公告，持續(xù)進行高速電主軸、附件頭等功能部件的開發(fā)，重點圍繞批量化產品的電主軸系列開發(fā)和整理，降低終端產品的成本。目前，電主軸性能持續(xù)優(yōu)化。創(chuàng)世紀：2022年10月公告，公司積極布局關鍵部件研發(fā)，已實現高端機床核心部件刀庫90%功能以及主軸50%功能的自主設計，并可從合作供應商取得相應配件。紐威數控：根據公司招股說明書，車床主軸全部自主研發(fā)，加工中心主軸部分自主研發(fā)，目前具備高功率大扭矩電主軸系列產品。國盛智科：針對直角頭、轉臺、主軸、齒輪箱等，采取逐步自制模式。其中龍門主軸全齒輪傳動部分批量生產，基本替代進口齒輪箱結構。臥加大扭矩電主軸已完成設計，進入試制階段。轉臺和銑頭：整機廠商自主化能力提升，諧波轉臺逐步導入轉臺和雙擺頭是機床從三軸聯動向更高聯動軸數演進，在X、Y、Z的直線軸基礎上，對新增A、B、C軸提供的解決方案。以五軸機床為例，常見的五軸數控機床根據三個旋轉軸不同轉動形式，具體分為雙擺頭式、俯垂型擺頭式、雙轉臺式、俯垂型工作臺式、一擺一轉