TechTalk新质生产力之工业母机科技地图 - 浙江埃斯科智能装备有限公司

数控系统（Numerical Control System, 缩写为CNC），是一种采用数字化信息来控制机械运动和加工过程的自动化控制系统。它通过计算机程序，将设计图纸上的信息和加工参数转化为数字指令，这些指令被用于精确地控制机床或其它机械设备的位置、速度、方向等动作，以实现对工件的高精度和高效能加工。

数控系统的技术，始终围绕高速、高精、高效、智能化方向发展。

图：数控系统示意图，海科工控

数控系统的技术，是沿着以下脉络在进化：

1952年，世界上首台数控机床在美国麻省理工学院诞生。这台机床采用的是硬连线数控装置，只能控制机床的点位运动。

20世纪60年代，随着电子计算机技术的进步，数控装置开始采用磁带、磁盘等存储介质，并实现了直线插补和圆弧插补功能，标志着从手动操作向自动控制的转变（这两种插补功能，在数控编程中非常重要，因为它们使得机床能够按照预定的路径精确移动，从而实现复杂的加工任务）。

图：基于电火花线切割机床的真圆弧插补方法研究，
西华大学学报，刘克福, 雷玉勇, 肖宜, 王昆仑

插补（Interpolation）,是一种数据密化技术，就像一位导航员，将加工程序中描述的离散点，通过算法连续起来，不断计算和分配精细的移动指令，让实际加工中的刀具，能够连续、平滑的运动。

20世纪70~80年代，晶体管、微型处理器、PC开始出现，使得数控系统具有更高的控制精度和灵活性。同时，PC机硬件平台具有成本低、性能高、易于扩展等优势，软件功能更为丰富、易用、可拓展性强。

20世纪90年代，数控系统发展的关键变化来自于人工智能中的专家系统、模糊控制和神经网络技术。

其中，专家系统可以用于故障诊断、工艺参数优化、加工程序生成等，由日本发那科公司开发；模糊控制可以用于控制机床的运动、提高加工精度，由美国麻省理工学院发明；神经网络可以用于预测加工过程中的刀具磨损，并进行补偿。

工业母机产业链，具体包括以下环节：

图：工业机器人产业链，并购优塾

上游——零部件按照价值量来看，分别为：结构件35%（如铸铁、钢件等）、数控系统22%、传动系统20%（如导轨、丝杆、主轴等）、功能部件15%、刀具/耗材5%。

其中数控系统成本占比大，并且是所有配件中的重中之重，直接影响工业母机的精度、可靠度，对核心性能影响巨大。

数控系统的代表公司为：发那科、三菱、西门子、广州数控、苏州新代、华中数控等，2020年在国内的市占率分别为34%、21%、10%、15%、7%，外资龙头市占率累计超过65%。

图：国内数控系统市场竞争格局，东吴研究所

中游——种类繁多，主要可以分为金属切削机床、金属成形机床、特种加工机床。其中，金属切削机床按照不同的切削方式可以分为车床、钻床、镗床、铣床、磨床、加工中心（从数控铣床发展而来）等种类。加工中心是当前世界上产量高、应用广泛的数控机床，区别于数控铣床的地方在于其可以自动交换加工刀具，可以在一次装夹中实现多种加工功能。

图：2021年国内主要机床种类，华经研究院

国外的代表公司，以日本和德国的为主，分别为：山崎马扎克、通快、德玛吉森精机、马格、天田、大隈、牧野、格劳博等。

国内的代表公司为：创世纪、秦川机床、沈阳机床、海天精工、浙海德曼、华东重机、纽威数控、国盛智科、日发精机、科德数控。

图：22年国内数控机床市占率，MIR

下游——应用场景十分丰富，涉及汽车（30%）、通用机械（27%）、电子（17%）、模具（7%）、航空航天（5%）、工程机械（4%）等多个行业。

图：2020年数控机床下游应用领域，MIR

从产业链上的参与者近期的增长情况来看：

华中数控（湖北省，武汉市）——2023前三季度实现收入9.72亿元，同比增长33.31%；归母净利润-0.34亿元，同比增长37.62%。

科德数控（辽宁省，大连市）——2023年业绩预告显示，全年实现收入4.52亿元，同比增长43.37%；归母净利润1.02亿元，同比增长68.92%。

从产业链上的参与者近期的增长情况来看：

图：一致性预测，并购优塾

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（一）

数控系统的基本原理，是通过数字化的方式控制机床的运动和加工过程。数控系统的核心，主要由控制系统、伺服驱动系统和检测系统三部分组成。其工作流程大致如下：

1）编写程序包含加工零件所需的所有信息，如刀具路径、速度、进给率、刀具选择等，输入到控制系统中。

2）数控装置（CNC控制器）接收到程序后，对其进行解释和处理。

3）控制信号被发送到伺服驱动系统，该系统负责精确控制机床的各个轴（如X轴、Y轴、Z轴等）的运动。伺服驱动器接收到信号后，会驱动电动机（通常是伺服电动机）按照预定的速度和方向旋转，从而带动机床的移动部件，实现刀具与工件之间的相对运动，完成切削加工。

4）机床上的传感器（如位置传感器、速度传感器等）会实时监测机床的运动状态，并将这些信息反馈给数控装置。数控装置根据反馈信息进行调整，确保机床运动的精确性和稳定性。

图：数控系统工作流程，发那科

和机床的分类方法相似，数控系统可基于行业应用、产品性能分为低档（经济型）、中档（普及型）和高档型。

1）低档数控系统，控制的轴数少、精度低，联动轴数为两轴（适合加工二维零件）或三轴（可加工二维和简单的三维零件），主要与数控车床、数控铣床配套；

2）中档数控系统，联动轴数为三轴或四轴（加工复杂的曲面零件），主要用来配套数控铣床、全功能车、车削中心、立/卧式加工中心；

3）高档数控系统，联动轴数为五轴或者五轴（加工任意形状的复杂零件）以上联动，可与五轴联动等高档、大/重型数控机床配套。

根据中国机床工具工业协会数据，按销售套数计算，国外品牌总体占有率约45%，但在中高端的占比非常高，占据了高档型、标准型数控系统70%的份额，主要集中在日本发那科、德国西门子等国际龙头企业。

图：不同等级数控系统分类，广发证券

如果按伺服系统控制方式划分（区别是位置检测装置的应用），数控系统分为开环、半闭环和全闭环数控系统。

其中，半闭环数控系统应用较广泛，因为成本、复杂度、鲁棒性、适用范围较强，不过从定位精度来看和闭环产品依然有一定差距，半闭环产品精度可以达到在±0.1mm到±1mm之间。对比来看，国外高档数控系统基本都是驱控一体的全数字闭环控制系统。

图：控制方式的分类，广发证券

数控系统从狭义上讲，仅指控制装置(CNC)，但一般情况下包括控制系统、伺服驱动系统、检测系统（开环控制不包括此部分）三部分组成。

其中，伺服系统占比高约40%~50%，成本主要包括电机、驱动器、编码器等；其次为控制系统占比30%~40%，包括软硬件成本，硬件成本包括中央处理器、存储器、输入输出接口等，软件成本包括操作系统、应用程序软件等；检测系统占成本10%~20%，成本主要为传感器、信号处理电路等。

图：数控系统成本构成，中信证券

数控控制器的生产流程，在很大程度上类似于传统的电子行业生产流程，因为数控系统核心组成部分包括电子电路、微处理器、软件、传感器和执行机构等。

图：数控系统生产流程，华中数控

高档数控系统，关键技术难点在于两大方面：1）功能的完备性不足：国内主要缺少CAD/CAM等工业软件、无高速高精度插补功能，高端五轴RTCP功能不齐全；2）可靠性的时长不足：国外高档数控系统的平均无故障运行时间可达30000小时，而国内的一般在10000小时左右，可靠性时长差距较为明显。

图：国外内主要数控系统性能差异，招商证券

CAD/CAM等工业软件——目前国内 2D 设计软件 CAD（辅助设计）功能基本与国外一致，但是在 CAE（辅助分析）及 CAM（辅助制造）领域落后较多，大部分加工厂都在使用国外功能简化的免费版。

图：数控系统操作软件，《中外高端数控系统差距分析及对策》

其中，更为薄弱的环节是专用后置处理器（将CAM软件生成的刀具路径数据或中间格式文件，转换成特定数控机床能够识别和执行的代码）更弱，国产系统只能使用国外 CAM 软件免费开放的后置处理功能，与数控系统配合简单，直接导致系统使用部分功能缺失。

高速高精度插补功能——插补算法是一种在数控机床（CNC）中用于生成精确运动轨迹的计算方法，是算法上差距的主要体现。它的目的是在已知的起点和终点之间，计算出一系列中间点的坐标，以便机床能够按照预定的路径精确移动。

以目前主流的尖端技术五轴联动 NURBS插补技术来看(在 CAD/CAM 领域已经取得比较成功的应用，但在 CNC领域应用相对滞后)，可以达到的精度类似于3D打印，而传统的线性插补方法精度类似于用圆规和直尺作图。

NURBS插补技术目前和我国无缘，属于禁售项目，国际上也未有相关专利和论文发表。同时在工作中，NURBS需要搭配高性能处理器和优化的伺服控制系统，还需结合高分辨率的位置反馈装置（如光栅尺、编码器等）来协同工作。国内进口的五轴联动数据系统大多只是线性插补等简单功能。

未来，数控系统还将发展自由曲面直接插补功能（SDI）并可望与基于人工智能和数字孪生的走刀轨迹规划相结合，实现由 3D 模型驱动的刀轨生成和更优控制的多轴联动直接插补。

图：多轴联动插补技术，《数控机床发展历程及未来趋势》

五轴RTCP（旋转刀具中心编程）功能——RTCP主要是改变了插补运算的流程。没有 RTCP 功能的机床，其插补的运算对象是刀具旋转中心，而开启 RTCP 功能的机床，则变成了刀尖点，有效提升了加工精度。

在 RTCP 功能方面，国内部分头部数控系统企业已经掌握，但技术成熟度相比国外企业仍有一定差距。

图：关闭RTCP和打开RTCP指令插补运算中心差异
OSCAX工业数字化技术

从发展趋势来看，未来数控系统也会沿着更高精度、更智能化发展。从精度来看会达到纳米级甚至原子级，需要突破更高精度的伺服系统和运动控制算法；智能化则体现在在结合人工智能、大数据和云计算技术，以此实现自适应控制、在线优化、智能诊断与修复、预防性维护等功能，难点在于开发自适应控制算法。

目前国内数控系统行业的痛点主要体现在：1）底层算法和技术（CAM\高精度插补技术\RTCP等）导致国产系统的稳定性、精度、响应速度有一定差距；2）部分关键元器件和核心技术依然依赖进口，例如高精度传感器、光栅尺、激光干涉仪等。

所以，高端工业母机、高端数控系统，是典型的“卡脖子”行业。未来一旦环境突变，需要警惕临断供风险。

（二）

首先，从收入体量和业务结构方面，对各家公司有一个大致了解。

从2022年收入体量来看，华中数控（16.63亿元）>科德数控（3.15亿元）：

华中数控——由华中理工大学、科技部、武汉市科委等部门和企业共同投资组建，目的是对标先进高档数控系统进行国产替代。关键变化来自于2013年和沈飞合作，将8型数控拓系统应用于航空制造五轴联动数控铣床。新的数控系统为2021年发布的“华中9型”。

22年收入构成来看，机器人和智能产线占比49.6%、数控系统与机床占比42.5%。

图：收入构成（单位：亿元），并购优塾

其中，工业机器人及智能产线业务为多关节工业机器人整机、控制器等产品，以及智能产线、智能工厂整体解决方案等，22年收入增长较快来自于下游锂电池行业带动；

数控系统业务主要包括车床数控装置、铣床/加工中心数控装置、磨床数控装置、伺服驱动、伺服电机等。

图：主要产品
来源：西南证券

科德数控——成立于2008年，2022 年引入国家制造业转型升级基金1.5亿。22年收入构成来看，高档数控机床占比87.4%、自动化生产线7.45%、数控系统1.31%。其数控系统主要为自家机床使用，较少对外出售。

其中，高端数控机床产品包括 4 大通用加工中心（立式加工、卧式加工、卧式铣车复合加工、龙门加工）和 2 大专用加工中心（五轴叶片加工、五轴工具磨削），应用于航空、航天、兵器、能源、汽车等领域；自动化生产线包括：机床整机、夹具、刀具、工艺方案、物流系统、仓储系统、生产管控系统等。

GNC是公司新一代数控系统，分为60、61、62三种产品，可适用于各类高端数控机床、机器人、教育仿真、电动汽车、自动化控制系统等。

图：数控机床主要产品，公司公告

图：收入构成（单位：亿元），并购优塾

（三）

图：单季度利润同比增速，并购优塾

这个行业，从微观增长情况来看：

华中数控（湖北省，武汉市）——2023前三季度实现收入9.72亿元，同比增长33.31%；归母净利润-0.34亿元，同比增长37.62%。

Q3扭亏来自于：1）机床业务复苏，23年前三季度出货量已经超过22年全年；2）前三季度子公司常州锦明（受益于锂电池行业）实现收入4.7亿元，同比增长65%。此外今年9月与海外客户签署4.17亿元订单销售软包电池模组装配线。

图：单季度利润及同环比增速，并购优塾

科德数控（辽宁省，大连市）——2023年业绩预告显示，全年实现收入4.52亿元，同比增长43.37%；归母净利润1.02亿元，同比增长68.92%。

全年利润增长较快，因为 2023年销售订单快速增长，除传统五轴立式加工中心外，五轴卧式铣车复合加工中心销量占比明显提升。

从1H23 公司新签订单来看同比增长 93%，其中航空航天、机械设备、能源、兵船核电、汽车占比 62.14%、11.75%、8.58%、7.93%、7.03%。在航空航天领域新拓展黎阳国际、三角防务等客户，在汽车领域也取得突破新签订单同比增长 294%。

图：单季度利润及同环比增速，并购优塾

（四）

图：现金流、固定资产投资，并购优塾

华中数控22年经营活动现金流净流出，因为数控业务受到3C需求偏弱影响，该项收入同比下滑15.79%。同时工业机器人及智能产线业务生产周期、验收周期相对更长，因此导致存货和应收账款增加较快进一步占用现金流。

科德数控21年和22年经营活动现金流净流出，因业务增长较快导致增加原材料备货，以及应收账款增加。

（五）

图：近十个季度ROE趋势（%），并购优塾

图：杜邦分析，并购优塾

图：综合毛利率（%），并购优塾

图：净利率（%），并购优塾

从净资产收益率来看，科德数控>华中数控，主要受到净利率的影响。

科德数控毛利率较高，因为：1）主营产品为技术水平要求较高的五轴联动数控机床，行业定价普遍较高；2）可自产数控系统、电主轴等核心零部件，具有成本优势；3）下游客户以航空航天为主，对于产品价格不敏感。

图：科德数控资产核心零部件种类
来源：招股说明书

华中数控净利率一直较低，因为：1）毛利率维持在30%~40%，对于国内机床行业公司来说并不低；2）研发费用率支出较高，22年为14.63%，对比科德数控22年为7%。从投入方向来看，主要应用于中高端数控系统。

图：产业链分析，并购优塾

从产业链盈利能力来看，上游环节中数控系统赛道优于丝杆赛道（技术壁垒更高），中游机床环节由于三家公司并不具有关键的数控系统，因此盈利能力较差。

从成长性来看，上游数控系统环节普遍增长较快，受到产品升级（五轴价值量更高）和国产替代的双重影响。

从生意质地来看，数控系统属于工业母机上下游环节盈利能力较好、资本支出较少，同时竞争壁垒较高的环节，是较为不错的生意。

（六）

据国家统计局，中国1月份制造业PMI指数49.2%，非制造业PMI指数50.7%，综合PMI产出指数50.9%，制造业PMI指数小幅回升，经济景气水平有所改善。

图：PMI及发电情况
来源：中信证券

（七）

图：各国数控机床渗透率，招商证券

对数控系统的增长逻辑，我们采用公式：

国内数控系统市场规模=数控机床市场规模*数控系统成本占比

其中，数控系统占到总成本约22%，因此测算数控系统市场规模等同于测算机床市场规模。2018-2022年国内数控机床复合增长率CAGR为38.84%，我们预计24和25年国内数控系统复合增速可达到20%。理由如下……………………………………………………

以上，仅为本报告部分内容。关于核心增长空间测算、行业重点竞争态势、关键竞争要素分析等内容，后文还有大约6000字及数十张图表，详见《产业链报告库》，可联系工作人员咨询获取，微信：bgys2015

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图片：产业链变革趋势及变化量级

TechTalk新质生产力之工业母机科技地图，数控系统产业链跟踪：华中数控、科德数控……