工业母机之魂，自主可控之基（一）

信小创 大信创圈 2023-06-29 08:00 发表于天津

数控机床推动效率革命，数控系统是关键

数控机床推动效率革命，数控系统匹配数控机床需求持续增长

机床的诞生无疑是人类提升生产效率的里程碑事件，数控机床的发明则再一次推动了效率革命。美国发明家 John T. Parsons 在飞机工程师 Frank L. Stulen 的帮助下构思并实施了数控系统，因此被广泛尊为“数控系统之父”。麻省理工大学伺服机械实验室不但发明了 APT（自动编程工具）、G 代码等构建了现在数控操作系统编程的底层语言，并且在伺服电机的改进上同样贡献颇多。二者间的合作与竞争以及美国军方对二者的支持都加快了数控系统的改进与普及。

数控系统的革命性在于普通机床接入数控系统后，一方面提升了加工效率和精度，更好的满足现在制造业的需求；另一方面操作难度同样实现了显著降低，最终能明显增加工厂的经济效益。数控机床目前也有仍需进一步改进之处，例如造价高昂，维修困难，对生产操作人员以及维修人员素质要求较高等。

数控机床，就是在普通机床的基础上，经过不断的研发与升级，从而使得精度和效率都大幅提升的自动化机床设备。数控机床产业链包括上游数控系统及核心功能部件制造、机床整机制造，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。数控机床的上游零部件主要分成数控系统、传动系统和其他核心功能部件，数控系统是数控机床的“大脑”，其他部件相当于数控机床的“躯干”。

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。多个装置通力协作，满足不同机床设备的高要求性能，为机床整体性能提供支撑，其也是数控机床性能不断迭代，生产效率不断提升的核心。

传动系统和其他核心功能部件：包含电主轴、传动机械、滚动功能部件、精密件、刀库、刀塔等，这些是实现机械传动、切削的具体实施者，其优劣也直接影响机床的精度、效率等功能。

中国大陆数控机床市场规模有望快速增长，数控系统贡献主要成本占比。根据前瞻产业研究院《中国数控机床行业市场需求预测与投资战略规划分析报告》预测，我国数控机床市场规模未来将实现稳定较快增长，到 2024 年将达到 5728 亿元。数控机床中，数控系统成本占比较高，以海天精工为例，仅控制系统占比就达到 22%，如果算上驱动系统和光栅尺（位移检测），成本占比接近 40%。

数控系统是典型的运动控制系统，将迎来新一轮增长期

数控系统是典型的运动控制（Motion Control）系统，也分为开环、半闭环和闭环三类，半开环数控系统应用最为广泛。单轴位置控制系统按照系统控制逻辑环路分为开环、半闭环和闭环控制系统。开环数控系统无位置反馈器，结构简单但精度较低，一般采用步进电机。交流伺服电机控制系统是典型的半闭环数控系统，位置反馈采用转角检测装置，如光电编码器及旋转感应同步器等，通过检测丝杠转角间接测量工作台位移量，再反馈给数控装置，运用最为广泛。闭环数控系统在执行端增加直线编码器，直接测量运动的实际位置，使执行更加准确，应用于高精度运动控制场合，但成本较高、调试困难、系统稳定性较差。

数控系统是工控在机床中的运用，直接影响数控机床的性能水平。数控系统本质上讲，是将工业控制缩放到机床体内，通过设定图样形成数控加工程序，从而控制机床中的功能部件进行相应的精密运动和位移反馈，从而达到机械加工的目的。因此，数控系统是数控机床的“大脑”，数控机床的性能水平主要由数控系统决定。

数控系统整体由控制系统、驱动系统和检测系统所构成，狭义来讲，数控系统有时也仅仅指控制系统。数控系统主要由三个系统构成，符合工业控制系统的基本构成，如果仅为开环控制系统，则也不包含检测系统。数控系统有时狭义上讲仅指控制系统（数控装置），但一般情况下均涵盖控制、驱动和检测三大系统，三个系统通力协作，满足不同机床设备的高要求性能，为机床整体性能提供支撑。

机床厂商数控系统主要有自制、外购、二次开发三种模式，目前以外购为主。数控机床厂商在使用数控系统时主要有三种模式，分别是自制、外购、二次开发，也分别被称为哈斯、西门子和马扎克模式。目前来看，数控系统由于其相对标准化、投入回报周期长等特性，大部分机床厂商选择了外购模式，但自制厂商往往具备核心技术和自主知识产权，供应链自主可控，国外和国内的典型代表分别为日本大隈和科德数控。

中国大陆数控系统市场规模超过百亿元人民币，目前有望迎来新一轮增长周期。根据MIR 统计，我国 2022 年数控系统市场规模为 135 亿元，相较于数千亿元的数控机床市场规模占比较低，主要因为我国数控机床国产化率低，进口机床价值量较高且不在国内生产。数控系统与通用自动化板块相关性较高，目前已进入周期底部，有望迎来新一轮增长周期。

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