首页机床产业链：从部件、系统到整机，自主可控典 型赛道
机床产业链包括机床整机、数控系统及核心功能部件，下游对应到汽车、通用机械、3C 电子、模具、航空航天、工程机械等广泛的制造业领域。 数控系统：机床核心关键部件之一，包含 CNC 装置、伺服控制系统及检测反馈装 置等，直接影响基础机床精度、动态特征等核心参数。 机床整机：机床品类众多，主要包括金属切削机床、金属成形机床、木加工机床、 磨床等。凡属精度要求较高和表面粗糙度要求较细的零件，一般都需在机床上用 切削的方法进行最终加工。 核心功能部件：包含电主轴、滚动功能部件（滚珠丝杠副、直线导轨副）、复合铣 头、刀库、刀塔等，亦对机床的加工精度、效率和性能施加影响。
机床产业链是自主可控的典型赛道。当前不论是数控系统核心部件还是高精尖的机床整 机均存在技术封锁。从“巴统清单”到“瓦森纳协定”，海外将数控系统作为战略物资实 行出口许可证制度，对包括中国在内的诸多国家实行了严格的技术封锁。同时，海外高 端机床有严格的使用范围和位置限制，尤其是部分国家对国内航空航天、军工等领域的 整机产品实施严格的技术禁运。实际上，当前在航天航空、军工等高端制造、关系国家 安全等领域，部分机床产品仍然存在“卡脖子”问题，自主可控存在紧迫性。 国家已连续多年发布政策重点扶持国内机床产业发展。就近期政策来看，1）国家“十 四五”发展规划提出，坚持自主可控、安全高效，推进产业基础高级化、产业链现代化。 2）2021 年 8 月国资委扩大会议提出，推动中央企业主动融入国家基础研究、应用基础 研究创新体系，针对工业母机、高端芯片、新材料、新能源汽车等领域加强关键核心技 术攻关。工业母机与高端芯片、新材料、新能源汽车等置于同样战略高度。3）十四五智 能制造发展规划更进一步明确研发智能立/卧式五轴加工中心、车铣复合加工中心、高精 度数控磨床等工作母机。产业链自主可控持续推进。
机床整机：存在供给薄弱环节，五轴机床自主可 控发力
卧加、立加等中大型机床仍是供给偏薄弱环节
(资料图)
机床整体国产化率已相对较高，但部分细分品类仍然存在供给薄弱环节。以加工中心为 例，根据中国机床工具工业年鉴数据计算，2019 年立式加工中心、卧式加工中心和龙 门加工中心国产化率分别为 61.3%、25.5%和 40.9%1，而铣车复合加工中心基本依赖 进口。2019 年国内加工中心在卧式加工中心和龙门加工中心等环节相对薄弱。从海关 数据看，近年来卧式加工中心、龙门加工中心出口金额尽管有所提升，但金额仍大幅低 于进口金额水平。总体来看，加工中心细分赛道或呈现国产化程度车铣复合＜卧加＜龙 门＜立加。龙门和卧加等中大型机床下游或主要面向汽车、航空航天等行业中大型精密 结构件加工，先进制造占比较高，技术壁垒相对较高，国产化程度有待持续提升。补齐 细分品类的薄弱环节，实现中高端机床国产替代，这亦是国内机床行业中长期结构性成 长机遇。
五轴数控机床持续渗透，亟需实现自主可控
重点关注五轴数控高端机床赛道。五轴数控机床主要运用领域包括航空航天、汽车、机 械加工、半导体、军工、精密模具、轨道交通、3D 打印、医疗器械等。以德马吉森精 机、科德数控为例，两家公司的下游收入占比较大的领域包括通用机械、汽车、模具、 航天航空等。五轴数控机床在形状复杂、多线性、异形曲面等特点的加工零件中运用较 多，尤其在航空航天和军工领域，是解决航空发动机叶轮、叶盘、叶片、船用螺旋桨等 关键产品加工的唯一手段。
五轴机床市场规模约百亿，但其在国内机床行业的需求占比相对较低，未来渗透空间较 大。根据 MIR，2021 年国内目标金切机床市场约 679 亿，其中五轴金切机床占比达 13%， 对应 88 亿市场空间，考虑到五轴数控磨床等市场空间，2021 年国内五轴机床市场规模 或达百亿。但基于国内机床消费的庞大基数，五轴机床的需求占比相对较低。五轴机床 核心优势之一是提升加工效率和质量水平，但当前国内部分制造业对加工的要求相对较 低且三轴机床的运用相对广泛且技术成熟，效益和成本博弈下，五轴机床的广泛渗透仍 有待性价比优势显现。
当前五轴机床价值量较三轴机床等明显更高，并较多运用于军工、航空航天等对制造要 求较高且对价格相对不敏感的行业。而伴随国内持续推进高端制造转型，高技术制造业 增加值占规模以上工业增加值的比重持续提升，五轴数控机床高加工效率、高精度且节 省人工和场地成本的优势将更加凸显，市场需求有望持续扩容。同时，更多民营企业已 参与五轴数控机床的研发、生产、销售，国产五轴机床价格一般更低，国内厂商介入市 场除了进一步打破海外品牌的垄断格局，或将推动五轴数控机床价格下降，促进五轴机 床在下游的应用渗透。
而随着五轴机床需求增加，自主可控的紧迫性凸显。一方面，目前五轴机床海外品牌市 占率较高，以 2021 年国内五轴数控机床 100 亿空间测算，国内五轴机床龙头之一科德 数控市占率仅 2%-3%。除此之外，国内具备五轴数控机床生产能力的企业还包括北京 精雕、海天精工、纽威数控、普什宁江、艾弗米（拓斯达控股子公司）、博鲁斯潘等企业。 根据 MIR，2021 年科德数控在国产五轴联动机床（包括外资国产，下同）市占率约 9%- 10%，据此测算，国产五轴联动机床市场空间约 24 亿元，扣除格劳博、米克朗等外资 在国内产销份额，预计五轴机床国产化率不足 20%。
另一方面，海外对我国高端五轴数控机床存在技术封锁，美、日企业对出口中国的五轴 数控机床设置严格的审批和限制制度。1）五轴数控机床使用功能受到严格管制，比如 日本可以限定设备的用途和位置，一旦移动位置或改变用途，数控系统将自动锁死。德 国企业售后服务人员携带 GPS，可对设备进行定位。2）机床品类受到严格限制，超精 密机床（纳米级）在任何情况均禁止向国内出售，德马吉森部分五轴机床产品限制对中 国销售。
在政策扶持下，国内五轴数控机床目前取得可喜的发展，以科德数控等为代表的国产企 业实现核心技术突破，逐步推进五轴数控机床的自主可控。根据科德数控招股说明书披 露，公司获得 04 专项等国家课题的支持，得到了航空航天、能源、汽车等重点领域典 型用户应用机会，并通过用户的应用反馈，不断促进公司产品的技术迭代和成熟度提升。 同时，公司亦连续多年保持高强度的研发投入，加速核心技术开发和积累，2017-2021 年公司研发投入占营收比例未低于 30%。从最终结果来看，公司取得五轴数控机床自主 可控的较快进展：1）公司是国内极少数同时研制高档数控系统、关键功能部件、五轴数 控机床整机并批量应用的企业；2）公司成功切入对五轴机床需求量最大、技术难度最 高的航空航天领域，设备在精度、动态性能、可靠性等综合性能上能够满足军方的需求， 整机复购率达 40%，充分说明公司产品在性能、稳定性上有优势。3）公司五轴立式加 工中心 KMC800 产品进入军工国产高档数控机床供应目录，目录内国产设备会被优先 采购。4）当前，公司立足航空航天、军工等领域优势，发力新能源汽车、能源装备（风 电减速机壳体、大型汽轮机叶片等）、机床刀具等民用领域制造，拓展株洲钻石、广西玉 柴、恒锋工具、胜鼎智能、科华控股、威力传动等典型客户。
往后看，更多机床企业正参与到高端五轴数控机床的自主可控进程。伴随着更多五轴数 控机床产品在下游运用试错、迭代，五轴数控机床的国产化率有望提速。
数控系统：机床的“灵魂”，国产系统发展任重 道远
机床之“魂”，决定机床整体制造水平
数控系统是机床核心关键部件之一，直接影响基础机床精度、动态特征等核心参数，与 伺服驱动及电机，电主轴，铣头，转台，刀库等其他关键功能部件共同决定了机床的精 度和效率。广义的数控系统包括伺服电机等驱动装置及 CNC 系统、位置检测模块、可 编程序控制器、进给伺服控制模块等控制及检测装置构成，对刀具运动形成精准的闭环 控制。优秀的数控系统往往不断经历技术的迭代，其中不仅涉及到算法及控制技术本身 的革新，也涉及到与下游具体工艺工程的结合，由此形成极高技术壁垒。 从基本控制原理来说，“插补”为数控系统典型的运动控制手段，由于加工工具的运动控 制轴只能进行直线运动，具体方法为将复杂的加工曲线分为一系列离散点，然后用无数 段微小的直线或者圆弧来进行加工曲线的最大化拟合。而无数段小的直线段及圆弧则基 于在极小的一段时间周期内通过多轴联动形成的矢量位移来实现。以基础的平面脉冲增 量插补算法为例，当向 X、Y 轴均施加 1 个脉冲当量时，刀路将运动√2个当量位移且矢 量运用方向与 X、Y 轴成 45 度。而普通数控机床的脉冲当量一般是 0.01mm 左右，精 密的数控机床脉冲当量可达到微米级甚至纳米级（或者极小的一段时间周期），为极致 细分插补点、运动轨迹精细化提供基础。同时，数控系统还通过位置/速度检测装置，来 进一步跟踪实际的运动位置和速度，并反馈到控制系统和伺服系统，对可能存在的运动 偏差做控制指令的修正，从而形成闭环控制。
随着零件加工工艺逐步复杂化、精细化，数控系统对运动的控制变得愈加复杂。上述插 补过程仅是 X、Y 平面的二维二轴联动插补运动，当前国内机床普遍为三轴及以上联动 机床，涉及到 Z 轴及旋转轴的控制，尤其是五轴机床是把平面运动路径控制延伸到三维 立体空间，相较平面运动，旋转轴的转动改变插补点的三维空间坐标，点坐标的映射变 化关系研究和相关插补算法更加繁复。插补功能亦从此前简单的直线圆弧发展到直接进 行样条曲线插补等高端功能。此外还包括螺旋插补、多项式插补、渐开线插补等插补功 能，及垂直度误差补偿、刀具长度补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、RTCP 补 偿等多种补偿功能。数控系统越高档，其功能便更加多样全面。
由此可见，数控系统作为机床的核心部件，从根本上决定了机床加工控制水平（精度、 效率等），反应了机床加工整体水平。经过多年的发展，数控系统经历了从硬件数控到计算机软件定义的智能产品，当前仍在经历智能化转型，虚拟、云化自适应、AI 等手段 将持续推进数控系统技术迭代。
百亿级赛道，自主可控有待推进
数控系统的销量直接与数控机床需求密切相关。从市场需求来看，一般一台数控机床配 置一套数控系统，且数控系统占机床的成本比例较高，或在 20%以上。根据国盛智科、 浙海德曼的招股说明书，数控系统一般占两家采购比例的 20%+。
由于国内庞大的机床消费需求及数控机床渗透率持续提升，数控系统在国内具备较大的 市场基础。根据德国机床工业协会，2021 年中国机床消费 235.88 亿欧元，约占全球消 费的 34%，是全球机床的主要消费国。而伴随国内制造业的转型升级，数控机床销售占 比提升。根据 MIR，2021 年其目标金切机床（注：主要是数控机床）占金切机床市场 规模达 55%。从数量上看，根据 Wind，2021 年，新增金切机床的数控化率提升至 40.5%。 数控机床需求的快速增长增益数控系统的市场规模。
总体来看，数控系统百亿赛道，作为机床的核心零部件之一，需求规模较大。根据 MIR， 2021 年国内 CNC 市场规模达 159 亿元，同比+37.1%。
数控市场存在持续提升空间。短期来看，数控机床行业受益制造业需求改善，销量回暖 有望带动数控系统出货量回升。长期来看，主要是数控机床销量增长的结构性机遇及中 高端数控系统使用占比增加。一方面，相较日本 80%+及美、德等发达国家 70%+的数 控化率，国内机床数控化率仍有较大提升空间，数控系统配套需求仍有较大挖潜空间。 另一方面，国内中高端机床的运用占比提升，配套的数控系统功能更加丰富、复杂，技 术壁垒更高，价值量将有所增加。
同时，目前数控系统主要由海外品牌占据较大市场份额且在高端数控系统对国内实施技 术封锁，实现自主可控相对紧迫。目前发那科、西门子、三菱等海外品牌仍占据国内较 大份额，国产中高端机床倾向于采购海外系统并在此基础上做二次开发，对外依赖相对 明显。但海外技术禁运下，国内在航空航天、兵器、船舶、核工业等高端制造场景，数 控系统目前还存在一定的“卡脖子”问题。国产替代空间较大，自主可控红利有望释放。
筚路蓝缕，披荆斩棘，国产品牌逐步发力
国内数控系统的发展与数控机床的进步息息相关。国内数控机床的发展可以追溯到 20 世纪 50 年代，北京第一机床厂与清华大学制造出第一台数控机床，但直到改革开放前， 由于国内外形势限制，与先进国家技术交流较少，技术开发基本处于封闭状态。国内数 控机床技术长期处于技术研究探索阶段，机床数控化率整体偏低，直接影响对数控系统等核心部件的技术积累与研究。数控系统真正起步或在 80 年代的对外开放，通过引入 海外数控系统，国内逐步开启数控化技术迭代。这其中不乏中外合作的典范且国内亦取 得一定的技术积累。比如，北京机床所与发那科研发出国内第一条回转体加工柔性制造 系统；北京航空航天大学研制国内首台微型计算机数控系统成批量成功用于航空企业的 数控化改造。通过对海外的吸收与运用，国内在“八五”期间研发出了当时代表先进水 平的华中 I 型和蓝天 I 型高档数控系统。但彼时机床产量数控化率不足 10%，实际上限 制了国产数控系统的迭代运用。同时，由于 90 年代末的市场经济改革，海外机床产品 打开了国内市场，国产机床低数控率的弊端凸显。依赖进口，国产机床份额下降又进一 步阻碍国产数控系统的迭代和进步。直到中国加入 WTO，制造业迎来腾飞，机床行业 开启“黄金十年”，但数控系统研发基础薄弱的问题一直存在。具体体现在高端数控系统 面临卡脖子，而以沈阳机床为代表的国企牵头的数控系统研发又遭遇了挫折。数控系统 的发展伴随我国数控机床的发展，筚路蓝缕且历经挫折。
我们认为，2009 年提出的“高档数控机床与基础制造装备”科技专项（即 04 专项）是 国内数控机床及系统发展的重要分水岭。04 专项本质上促进了高档数控机床、数控系 统和功能部件在航空航天、汽车、船舶和发电等领域的实际运用，在不断试错中完成国 内核心技术、功能、部件的技术迭代与完善。其中，04 专项在“十二五”期间，聚焦高档数控系统、功能部件及成套装备和生产线的研发；在“十三五”期间，聚焦航空航天、 汽车领域，攻克数控系统与功能部件可靠性和精度保持技术等问题。而站在当前节点， 科德数控、华中数控逐步打破高档数控系统、五轴数控机床等高档数控机床的市场垄断， 充分得益于 04 专项的扶持。 在政策扶持下，数控系统走过经年，已有较多的应用及技术积累，在产业端呈现推动国 产替代、自主可控落地的发展态势。近几年发展态势尤其迅速，量变到质变或已在演绎。
2022 年 10 月，由我国主导制定的数控系统系列国际标准 ISO23218-2 正式发布， 标志着我国在 04 专项支持下建立的“高档数控系统关键技术标准体系”成果得到 了国际认可。在机床数控系统国际标准领域实现零的突破。
根据工信部，国内工业母机产业链已突破了全数字化高速高精运动控制、多轴联 动等一批关键核心技术，高档数控机床平均无故障时间间隔从 600 小时到 2000 小时跨越，精度提升 20%。国产高档数控系统实现从无到有，在国产机床中的市 占率持续提升，由不足 1%提升到 31.9%。
而从具体的数控产品对比来看，以科德数控与华中数控的产品为代表，国内数控系统产 品较海外的差距逐步缩小且功能愈加丰富，具备螺旋插补、多项式插补、渐开线插补、 NURBS 及 RTCP 等高档数控系统功能及完善的误差补偿能力。
科德数控：GNC 系列高档数控系统实现了 GNC60/61/62 数次迭代，达到了国外 先进产品同等水平，产品开放性、适配性强。公司数控系统功能已达到西门子 840D 的 95.85%，有能力实现对进口海外数控系统的国产替代。
华中数控：华中 8 型高性能数控系统与德国、日本等国家的高性能数控系统产品 功能全面对标，标准型数控系统产品 600 余项功能对标匹配度达 100%，高档型 数控系统产品 1900 余项功能对标匹配度超过 98%。近期，公司发布五轴数控系 统产品包，数控系统功能经过数轮百日攻关，整体性能水平实现较大提升。
目前与海外数控系统的差距主要体现部分功能和性能差距、可靠性及寿命差距、市场接 受度等方面。功能覆盖上，科德数控、华中数控等优势企业数控系统产品持续迭代，较 海外品牌的系统功能已无明显差异。但国外高档系统平均无故障运行时间可达 30000 小 时，使用寿命也大于配套的机床本体，或可达 10 年。且国外数控系统软件经过多年、 多种现场应用的反馈修改和积累，容错率相对较高。而国内数控系统产品使用寿命一般 10000 小时左右，且在误差补偿、故障诊断与人工智能技术结合方面仍落后于国外系统。 从市场接受度来看，目前国内中高端数控机床仍以海外系统为主，涉及国防军工等受限 领域，国产数控系统的使用倾向逐步提高。
尽管功能、稳定性等方面仍有待完善，但当前数控系统的核心技术已取得突破，并能够 在部分高端制造业胜任加工需要。实际上随着国产系统在应用的增多，有望复刻海外数 控系统的进阶之路。目前科德数控高端五轴数控机床及自研自制高档数控系统均打破海 外垄断，用于飞机航空发动机的闭式叶轮、机匣、主轴、叶盘等部件制造，汽车发动机 壳体、变速箱壳体及引擎盖、轮毂等加工。下游主要覆盖航空航天、汽车、军工等高端 制造，且客户认可度高，22H1 整机的复购率超 30%，并持续开辟中国航空航天科工技 术研究院等航空航天、兵器、能源、刀具、机械设备领域的新客户。华中 8、9 型数控 系统在航天航空、船舶、发电、汽车、3C 制造等领域批量应用，目前累计为专项提供 1500 台高档数控机床配套，其中 241 台套五轴数控系统；累计在制造业领域配套五轴数控系统 2000 多台套。华中数控与秦川机床、豪迈机床、纽威数控、海天精工等合作， 推动数控系统的持续迭代升级及优化。
AI 等新技术赋能，国产数控系统有望实现换道超车
数控系统的功能和算法是系统核心技术的集成体现，功能的扩展完善及算法的性能提升 是应用端长期迭代的结果。欧洲、日本等外国品牌的优势体现在经过几十年的发展，参 与解决了各种复杂的应用案例，其系统通过参数配置不仅能够满足通用车床、铣床、激 光、木工、石材等应用领域，而且对传统的专机如滚齿机、弹簧机、旋压机、线切割等 配套也成熟完善，即使在特定应用领域，由于多年经验积累、软件迭代，也能较好应对 下游复杂需求。 当前 AI、数字孪生等新技术发展方兴未艾，运用于数控系统领域有望为国产系统创造 “换道超车”的契机。相较于海外的数控系统，国内数控系统缺乏的是对广泛行业运用 的现场应用经验，软件迭代相较更短，从而在功能的完善及稳定性一致性上表现不足。 AI、数字孪生等新技术的引入实际上加速了国内数控系统的经验积累过程，在庞大的数 据库中自学习优化并提供智能决策，有望更快形成海外数控系统以“时间”及“经验” 铸就的技术壁垒。
数控系统人工智能、数字孪生等新技术的运用体现在包含加工工艺的智能推理制定，加 工信息的自主建模与智能分析，加工过程的智能决策、智能控制，工业大数据累积知识 的自成长学习、智能迭代优化等多个方面。
加工前：AI 将进行零部件要求分析、工艺方法选择、加工特征排序、加工轨迹规划、加 工过程仿真以及程序智能编制等工艺任务流程。比较在工艺方法决策阶段直接在零部件 的 CAD 模型提炼出材料、尺寸、工艺要求等特征，并进行合适工艺的匹配。根据《基 于改进 BP 神经网络面向 STEP-NC 2.5D 制造特征的智能宏观工艺规划》，采用 BP 神 经网络模型，根据工件孔加工特征类型、毛坯类型、表面粗糙度等指标快速制定镗孔、 铰孔、攻丝等工艺路线，并智能规划加工轨迹。同时，针对多步加工工艺，人工智能可 以对粗加工、半精加工和精加工等不同环节进行过程建模和仿真分析，比较不同加工策 略以及加工参数对颤振稳定性、切削转矩、轴功率、刀具变形、表面粗糙度等的影响程 度，规划最优加工解决方案。
加工中：人工智能、数字孪生等新技术面对切削过程的复杂特征，需要实时监测/评估切 削刀具、工件、机床等多个实时状态变化并对存在的偏差进行感知与修正，对可能发生 的故障、错误等问题进行提前预警。
刀具：对切削过程中切削力、振动、切削温度、主轴功率、2D 图像等信息搜集及 分析实现对刀具状态智能量化感知，对刀具剩余寿命进行预测判断，保证刀具的 高效加工及效果一致性。
工件：对工件的几何精度、表面形貌、粗糙度、残余应力、加工硬化等不同状态进 行智能分析判断，并进行误差补偿等优化控制。
机床：对机床加工误差（几何误差、热误差、动态误差等）、模态、刚度等机床性 能状态及各种可能的故障状态进行建模分析，并进行误差补偿等优化控制。 加工后：充分利用生产数据信息中的价值，经过采集、预处理、清洗和关联整合等步骤， 形成基于工业大数据的知识库。利用不同机床的大数据知识集组合，比如机床能耗大数 据、机床故障诊断等，可以对机床各个方面状态进行智能分析与优化应用。同时人工智 能可以对工艺大数据、参数优化大数据、故障诊断大数据等实现自学习成长，代替人工 经验判断，极大提升工作效率。
总体而来，引入人工智能、数字孪生等新技术，对现有数控系统产生更大优化，或将真 正意义上使机床设备实现“自主感知-自主学习-自主决策-自主执行”的智能化制造。而 国内制造业的一大优势是靠近庞大的终端市场，制造业工业增加值在全球占据最大比例， 具备庞大的制造业数据基础促进智能型数控系统迭代更新。实际上，实时补偿、控制优 化、工业互联网、大数据运用等功能的实现在国内外数控系统均已有体现，而 AI、数字 孪生等新技术或将助力国内系统更加完善和更快发展。
目前西门子 Sinumerik One、欧盟的 Twin Control、DMG 的 CELOS 系统、OKUMA 智 能化数控系统均是典型应用案例。比如 OKUMA 智能化数控系统实现热亲和（降低发热 变形对机床精度影响+热变形补偿）、加工导航（传感器传递加工状态信息，给出最佳主轴转速）、参数自动测量补偿、最佳伺服参数优化控制（动态适应加工负载重量、转动惯 量变化）等。国内华中数控首创基于云计算的数控系统智能化技术，发明数控系统电控 大数据指令域分析方法，成功推出“华中 9 型新一代人工智能数控系统”。其主要技术 特点之一是使用数字孪生实现自主决策。在实际应用方面，华中 9 型人工智能数控系统 1）能预测机床热变形规律，对热变形进行补偿；2）自主优化工艺参数，提高加工效率； 3）汇聚机床装配、调试、补偿、健康保障及使用过程数据，实现机床全生命周期运维管 理。目前公司以华中 9 型新一代人工智能数控系统为平台，与江西佳时特精密、宝鸡机 床、秦川机床、沈阳精锐数控机床、汉江机床等多家企业共同联合研发，研发了精密加 工中心、智能五轴加工中心、智能车削中心、滚齿机等不同领域、多种类型的智能机床。 截止 2022 年 3 月，华中 9 型智能数控系统已在汽车行业等重点领域实现数千套批量配 套与应用，建成了数条汽车典型零部件加工智能制造生产线。
核心功能部件：推进自主化、国产化，薄弱环节 持续改善
数控机床核心功能部件是工业母机的重要组成部分，其中电主轴、滚动功能部件（滚珠 丝杠副、直线导轨副）、复合铣头、刀库、刀塔等核心部件直接影响着主机的技术水平和 发展速度，掌握机床核心功能部件的自主研发与创新。从产品的指标水平上看，我国的数控机床核心功能部件的运动稳定性、产品可靠性等综合性能方面与发达国家同规格的 知名品牌存在一定差距。近年来，国内重点企业部分核心功能部件产品技术指标已达到 或接近国外先进水平。但目前国产机床功能部件（电主轴、丝杠、导轨、转台）在中档 市场占有率不足 50%，高档产品 90%以上依靠进口，高档零部件和功能部件基本被德 国、日本、瑞士、美国等国外企业占据。核心功能部件的中高端市场国产替代仍有较大 空间。
滚珠丝杠：高精密传动部件，国产替代起步
滚珠丝杠作为一种高精度的传动部件，大量应用于数控机床、自动化加工中心、电子精 密机械、进给机构、伺服机械手、半导体生产设备等各种领域。其主要功能是将旋转运 动转换为线性运动，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。根据滚珠回流方式的差 异，滚珠丝杠分为外循环回流、内循环回流、端盖回流等产品。
滚珠丝杠常见的性能指标包括公称直径、导程、长度、精度等指标。 公称直径：规格包括 12、14、16、20、25、32、40、50、80mm 等，与负载相 关，公称直径越大，滚珠丝杠的负载将更高。 导程：丝杠旋转一周的直线运动距离，常见的导程有 5、6、8、10、15、20、25mm 级，在同样电机转速驱动下，导程越高的滚珠丝杠运动的距离将更长。 长度：包括全长及螺纹长度。其中螺纹长度包括有效行程、螺母长度等，全长还需 考虑两端支撑长度、设计裕量、动力输入连接长度（考虑联轴器长度）等。越高精 度的滚珠丝杠真直度要求更高，因此细长比越大加工困难越高，刚性也较差。 品质与精度：由导程误差、表面粗糙度、几何公差、温升及噪音等指标决定。不同 大小的丝杠能达到的精度水平有所差距，不同精度产品用于机床类型有所不同， 且国内外对丝杠精度标准亦有微小差别。
中国是滚珠丝杠产品重要消费市场之一，近年来国内市场规模占全球规模总量的 20% 左右。伴随国内制造业转型升级，滚珠丝杠作为自动化重要传动部件，需求持续提升。 2021 年滚珠丝杠市场规模为 25.55 亿元，2015-2021 年市场 CAGR 为 10.1%。
目前国内滚珠丝杠主要由上银科技、THK、NSK 等品牌占据，由于海外技术封锁，国产 滚动部件水平基本保持在 P2 级以下水平，大部分产品在 P3-P5 级，难以满足中高端机床需求，国内厂商稳步推进国产替代，但在产品品类及同品类产品的精度、刚性、使用 寿命等方面较中国台湾地区品牌及海外产品仍有一定差距。同时，海外品牌的高精度产 品对国内存在进口限制。 品类差异：根据公称直径、公称导程、钢球直径、循环圈数等指标排列组合形成不 同 SKU 产品。对比上银科技和南京工艺，南京工艺覆盖的公称直径型号、钢球直 径型号、公称导程型号等较上银均有差异，上银科技的产品 SKU 较国内企业品系 更加复杂繁多。 指标差异：针对同一类型 SKU 或者相接近的产品，国内产品在动负载、静负载及 刚度等指标较进口品牌仍有一定差距。
机床使用高精度的滚珠丝杠产品，精度误差（单一导程&任意 300 导程）要求在微米级。 目前国内滚珠丝杠厂商包括南京工艺、秦川机床、博特精工等，为国产替代中坚力量。 南京工艺：目前其高速滚珠丝杠副性能达到 60m/min 运行时噪音 70dB，高速滚 动直线导轨副 60m/min 运行时噪音 68dB，为精密卧式加工中心批量配套滚珠丝 杠副、滚动导轨副，实现各轴快移速度 40m/min、定位精度 0.002mm、重复定位 精度 0.001mm。公司产品为高速、高精中高档数控机床大批量配套，推进了国产 滚动功能部件的提档升级和替代进口。 秦川机床：下属子公司汉江机床可生产 2、3 级精度的滚珠丝杠、直线导轨，有较 高的精度保持性，可以满足中高档数控机床的要求，实现了在新能源汽车领域制 造装备滚动功能部件和精密螺杆副的国产化推广应用。博特精工：前身为山东济宁丝杠厂，产品品类包括精密滚珠丝杠副、精密滚动直线 导轨副、高速精密电主轴、精密机械主轴单元、X-Y 精密双坐标工作台、精密主轴 等。产品为军工装备、核电装备、航空航天、轨道交通、高端医疗、自动化装备、 冶金装备、印刷包装装备、仪器仪表等行业配套且实现产品出口。
电主轴：具备耗材属性，专业生产商+整机厂自制国产 替代提速
电主轴是机床主传动系统的核心部件。主传动系统功能是将电动机的原动力转换成可供 主轴上刀具切削加工的切削力矩和切削速度以适应不同的工件和工艺，主传动系统应具 有较大的调速范围、较高的精度及刚度，并尽可能降低噪声，从而获得最佳的加工效率 和加工精度。 电主轴是将电机与主轴从结构上融为一体的新型传动方式，相较于机械主轴，省去了皮 带、齿轮或联轴器的传动环节，从而具有结构紧凑、重量轻、噪声低、振动小和转动惯 量小等特点，可实现很高的速度、加速度及定角度的快速启停。电主轴的功率、转速、 输出扭矩等直接影响机床的切削性能及加工精度。1）在一定转速下，电机功率越高，输 出扭矩将越高，主轴的加工效率越高。2）动态跳动、振动值越低，主轴加工更稳定且加 工精度越高。3）轴端静态偏摆、动态偏摆越小，加工精度越高。 目前电主轴按照轴承类型分为滚动轴承、气浮轴承、液体滑动轴承和磁悬浮轴承等电主 轴。按照电机类型分为异步型电主轴、永磁同步型电主轴。按照用途分为加工中心用、 数控车床用、磨削用、钻削用等电主轴。各种类型互有优劣，下游主要运用领域或有差 异，且技术难点亦表现不同。
电主轴具备耗材属性。电主轴由数十种紧密零配件组装而成，主要部件包括轴芯组件、 电机、支撑部件、冷却系统、气缸组件、拉刀组件、气封组件等。电主轴结构复杂，会 因为工况环境恶劣、操作不当、部件磨损等导致故障，根据昊志机电招股说明书，一般 1 年后故障率明显提升，年下机率一般为 30%-70%，需要更换或者保养、检修。因此， 电主轴市场需求主要来自于两方面，1）数控机床需求量提升带来的配套需求增加，一般一台机床配一套或多套电主轴；2）存量数控机床数量增加，而电主轴的耗材属性，决 定每年会有较大的更换量。 根据 QY Research，近几年随着市场占有率提升和国内企业技术发展成熟，中国电主轴 市场在 2021 年规模达到 4.78 亿美元，同比+11.75%；2022 年市场规模预计将达到 5.26 亿美元，至 2028 年预计将增长至 7.74 亿美元，2022-2028 年复合增长率约为 6.67%。从竞争格局来看，国内电主轴主要生产厂商以欧洲、日本和本土企业为主。外 资品牌占据高端市场的主要份额，以昊志机电为代表的电主轴专业厂商已在积极推动国 产替代。根据 QY Research，测算 2021 年昊志机电的电主轴市场份额或达到 20.3%。
同时，在国内机床整机配套市场上，机床整机厂商除了向专业电主轴生产企业购买，自 身亦在积极开展电主轴自制，降本增效的同时，形成核心部件的产业化配套能力。实际 上，海外电主轴厂商一般负责电主轴的总体设计、技术研发以及零配件的装配和测试工 作，其余的关键零部件如轴承、内装电机等由市场采购，专业分工细致，在关键功能部 件的研发上具有较强的前瞻性和创新能力。以此类推，国内机床整机厂商亦有能力根据 自身需要设计及生产电主轴产品。
科德数控：于 2020 年布局电主轴产能，在银川建立电主轴生产基地，并与 2022 年基本达产 400 台套，配套自身五轴机床产品销售，产能接近饱和。2023 年 2 月， 发布定增预案，投建项目之一高端机床核心功能部件及创新设备智能制造中心建 设项目达产后，电主轴产量可达 1300 台套。
海天精工：2022 年年报公告，持续进行高速电主轴、附件头等功能部件的开发， 重点围绕批量化产品的电主轴系列开发和整理，降低终端产品的成本。目前，电主 轴性能持续优化。
创世纪：2022 年 10 月公告，公司积极布局关键部件研发，已实现高端机床核心 部件刀库 90%功能以及主轴 50%功能的自主设计，并可从合作供应商取得相应配 件。
纽威数控：根据公司招股说明书，车床主轴全部自主研发，加工中心主轴部分自主 研发，目前具备高功率大扭矩电主轴系列产品。
国盛智科：针对直角头、转台、主轴、齿轮箱等，采取逐步自制模式。其中龙门主 轴全齿轮传动部分批量生产，基本替代进口齿轮箱结构。卧加大扭矩电主轴已完 成设计，进入试制阶段。
转台和铣头：整机厂商自主化能力提升，谐波转台逐步 导入
转台和双摆头是机床从三轴联动向更高联动轴数演进，在 X、Y、Z 的直线轴基础上，对 新增 A、B、C 轴提供的解决方案。以五轴机床为例，常见的五轴数控机床根据三个旋 转轴不同转动形式，具体分为双摆头式、俯垂型摆头式、双转台式、俯垂型工作台式、 一摆一转式。
数控机床加工精度部分受数控转台承载力及动态特征影响。高性能的数控转台设计、制 造为数控机床的难点问题。转台分为直驱转台和外驱转台两大类，外驱转台进一步分为 蜗轮蜗杆转台、凸轮滚子转台以及谐波转台。
直驱转台：采用电机直接驱动负载，无背隙、速度高，定位精度较高，但加工刚性 较差，适合轻切削加工。
蜗轮蜗杆转台：传统转台结构，电机通过带动涡轮、蜗杆的齿轮啮合从而传递动 力。但蜗轮蜗杆传动效率低、回转精度不高，且啮合传动会造成齿轮磨损影响精 度，半年至一年就需要定期维护。
滚子凸轮结构：弧面分度凸轮槽表面与转塔上的从动滚子（滚针轴承）元件外表面 呈线接触啮合，通过电机带动凸轮、从动滚子转动，从动滚子在旋转过程中利用内 部滚柱轴承来传递扭矩，驱动转轮（即工作台）转动。由蜗轮蜗杆的齿轮啮合转为 滚动传递动力，摩擦更小，精度依靠滚子凸轮保证，而凸轮和滚子完美啮合，实现 零背隙、高精度。同时，凸轮和滚针轴承刚性更高，更耐磨。
谐波转台：由谐波减速器和伺服电机组成，依靠波发生器装配柔性轴承使柔轮产 生可控弹性变形，并与刚性齿轮啮合来传递运动和动力，具有转台结构简单、精度 高、体积小、传递扭矩大、成本低等优点，近年来在市场逐步导入，占比提升。目 前谐波转台主要满足精密磨具、新能源、高端装备、半导体、医疗器械、3C 等领 域的加工需求。
国产化方面，昊志机电谐波转台采用三波谐波减速器，较一般谐波啮合齿数提高至少 50%，刚性大幅提升约 75%，传动精度提升 20%，在同等规格下输出更大扭矩、更大 刚性，实现更大的切削能力且精度波动更平滑稳定。绿的谐波首创机床专用的高精度、 高刚性减速器与高功率密度直驱电机集成的一体化数控转台，广泛应用于加工中心、数 控镗铣床等高端机场领域。目前产品包括 KCR 系列数控机床四轴转台、KFR 系列数控 机床五轴转台。同时，机床整机厂亦积极布局转台，实现自产+配套整机产品。比如国 盛智科自制现已实现 5 吨-25 吨全系列转台的自制化，转台成为客户首选，进口转台业 务基本停止。总体来看，转台产品自主化程度有所提升，且搭配谐波减速器逐步实现国 产替代、性能稳定性持续优化产品，国产转台的性能水平有望稳步提升。
双摆头铣头国产化脚步提速。在陆续攻克双摆头铣头产品夹紧重复定位精度技术、双摆 直驱技术、动态精度补偿技术、制造及装配技术、高速动平衡技术、可靠性技术等核心 技术后，国内包括科德数控、济南二机、国盛智科、大连机床、埃弗米等开发出了双摆 头铣头产品，整体技术指标接近或达到国际先进水平。
大连机床：研制 QM350 系列直驱式 A/C 数控双摆角万能铣头产品，可应用与龙 门加工中心、翻版铣等高端五轴数控机床，实现与 GMN、cytec 进行对标，扭矩、 摆角、定位精度等达到国际先进水平。
科德数控：铣头产品包括双摆头及 45 度铣头，产品采用直驱技术精度高、响应快、 尺寸小、刚性强。
济南二机：2020 年 12 月，公司牵头承担的“数控机床双摆角铣头关键技术研究 及应用示范”课题在陕西汉中顺利通过综合绩效评价和档案终验收。该国家重大 科技专项攻克了双摆角铣头系列化、关键零件制造、静/动态精度调整、补偿及性 能优化、与国产数控系统的匹配以及可靠性验证等一系列关键技术，完成了重点 领域用户 40 台套产品的示范应用。
国盛智科：目前龙门五面体加工中心的全自动头基本 100%自制。卧加五轴自动头、 双面头、延长头等核心部件已完成设计，进入试制阶段。
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