工業母機之魂，自主可控之基（一）

信小創 大信創圈 2023-06-29 08:00 發表於天津

數控機牀推動效率革命，數控系統是關鍵

數控機牀推動效率革命，數控系統匹配數控機牀需求持續增長

機牀的誕生無疑是人類提升生產效率的裏程碑事件，數控機牀的發明則再一次推動了效率革命。美國發明家 John T. Parsons 在飛機工程師 Frank L. Stulen 的幫助下構思並實施了數控系統，因此被廣泛尊爲“數控系統之父”。麻省理工大學伺服機械實驗室不但發明了 APT（自動編程工具）、G 代碼等構建了現在數控操作系統編程的底層語言，並且在伺服電機的改進上同樣貢獻頗多。二者間的合作與競爭以及美國軍方對二者的支持都加快了數控系統的改進與普及。

數控系統的革命性在於普通機牀接入數控系統後，一方面提升了加工效率和精度，更好的滿足現在制造業的需求；另一方面操作難度同樣實現了顯著降低，最終能明顯增加工廠的經濟效益。數控機牀目前也有仍需進一步改進之處，例如造價高昂，維修困難，對生產操作人員以及維修人員素質要求較高等。

數控機牀，就是在普通機牀的基礎上，經過不斷的研發與升級，從而使得精度和效率都大幅提升的自動化機牀設備。數控機牀產業鏈包括上遊數控系統及核心功能部件制造、機牀整機制造，下遊對應到汽車、通用機械、3C 電子、模具、航空航天、工程機械等廣泛的制造業領域。數控機牀的上遊零部件主要分成數控系統、傳動系統和其他核心功能部件，數控系統是數控機牀的“大腦”，其他部件相當於數控機牀的“軀幹”。

數控系統：機牀核心關鍵部件之一，包含 CNC 裝置、伺服控制系統及檢測反饋裝置等，直接影響基礎機牀精度、動態特徵等核心參數。多個裝置通力協作，滿足不同機牀設備的高要求性能，爲機牀整體性能提供支撐，其也是數控機牀性能不斷迭代，生產效率不斷提升的核心。

傳動系統和其他核心功能部件：包含電主軸、傳動機械、滾動功能部件、精密件、刀庫、刀塔等，這些是實現機械傳動、切削的具體實施者，其優劣也直接影響機牀的精度、效率等功能。

中國大陸數控機牀市場規模有望快速增長，數控系統貢獻主要成本佔比。根據前瞻產業研究院《中國數控機牀行業市場需求預測與投資战略規劃分析報告》預測，我國數控機牀市場規模未來將實現穩定較快增長，到 2024 年將達到 5728 億元。數控機牀中，數控系統成本佔比較高，以海天精工爲例，僅控制系統佔比就達到 22%，如果算上驅動系統和光柵尺（位移檢測），成本佔比接近 40%。

數控系統是典型的運動控制系統，將迎來新一輪增長期

數控系統是典型的運動控制（Motion Control）系統，也分爲开環、半閉環和閉環三類，半开環數控系統應用最爲廣泛。單軸位置控制系統按照系統控制邏輯環路分爲开環、半閉環和閉環控制系統。开環數控系統無位置反饋器，結構簡單但精度較低，一般採用步進電機。交流伺服電機控制系統是典型的半閉環數控系統，位置反饋採用轉角檢測裝置，如光電編碼器及旋轉感應同步器等，通過檢測絲槓轉角間接測量工作台位移量，再反饋給數控裝置，運用最爲廣泛。閉環數控系統在執行端增加直线編碼器，直接測量運動的實際位置，使執行更加准確，應用於高精度運動控制場合，但成本較高、調試困難、系統穩定性較差。

數控系統是工控在機牀中的運用，直接影響數控機牀的性能水平。數控系統本質上講，是將工業控制縮放到機牀體內，通過設定圖樣形成數控加工程序，從而控制機牀中的功能部件進行相應的精密運動和位移反饋，從而達到機械加工的目的。因此，數控系統是數控機牀的“大腦”，數控機牀的性能水平主要由數控系統決定。

數控系統整體由控制系統、驅動系統和檢測系統所構成，狹義來講，數控系統有時也僅僅指控制系統。數控系統主要由三個系統構成，符合工業控制系統的基本構成，如果僅爲开環控制系統，則也不包含檢測系統。數控系統有時狹義上講僅指控制系統（數控裝置），但一般情況下均涵蓋控制、驅動和檢測三大系統，三個系統通力協作，滿足不同機牀設備的高要求性能，爲機牀整體性能提供支撐。

機牀廠商數控系統主要有自制、外購、二次开發三種模式，目前以外購爲主。數控機牀廠商在使用數控系統時主要有三種模式，分別是自制、外購、二次开發，也分別被稱爲哈斯、西門子和馬扎克模式。目前來看，數控系統由於其相對標准化、投入回報周期長等特性，大部分機牀廠商選擇了外購模式，但自制廠商往往具備核心技術和自主知識產權，供應鏈自主可控，國外和國內的典型代表分別爲日本大隈和科德數控。

中國大陸數控系統市場規模超過百億元人民幣，目前有望迎來新一輪增長周期。根據MIR 統計，我國 2022 年數控系統市場規模爲 135 億元，相較於數千億元的數控機牀市場規模佔比較低，主要因爲我國數控機牀國產化率低，進口機牀價值量較高且不在國內生產。數控系統與通用自動化板塊相關性較高，目前已進入周期底部，有望迎來新一輪增長周期。

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