我國機床工業(yè)從1949年發(fā)展至今已有七十多年的歷史，在產(chǎn)品種類、技術(shù)水平和質(zhì)量上取得了長足的進步，為“中國制造”品質(zhì)的保障奠定了堅實的基礎(chǔ)。其中，數(shù)控機床作為一種高端機床產(chǎn)品，具有高效率、高精密、自動化與智能等優(yōu)點，其發(fā)展水平已經(jīng)成為衡量一個國家裝備制造業(yè)發(fā)展水平和產(chǎn)品質(zhì)量的重要標志。隨著《中國制造2025》將數(shù)控機床列為“加快突破的戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域”、十四五規(guī)劃綱要提出要“深入實施智能制造和綠色制造工廠”，數(shù)控機床行業(yè)未來戰(zhàn)略地位和發(fā)展目標進一步明確，有著廣闊的發(fā)展前景。
一、數(shù)控機床的定義
數(shù)控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。相較于傳統(tǒng)機床，數(shù)控機床能較好地解決了復(fù)雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，代表了現(xiàn)代機床控制技術(shù)的發(fā)展方向。數(shù)控機床主要由機床主體、傳動系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)三部分組成。其中，機床主體是數(shù)控機床的主要組成部分，也是硬件部分;傳動系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要“脈絡(luò)”，主導(dǎo)數(shù)控機床各部分的有序進行及完成機床的工作使命;數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的大腦與核心，是完成各項功能和作業(yè)的精髓所在。
二、數(shù)控機床的構(gòu)成數(shù)控機床主要包含以下幾個部分
1、機床主體：機床主體是機床的主要組成和重要機械附件部分，是最容易通過肉眼直觀看到的部分，作為機床的硬件，它還包括床身及底座鑄件、主軸及變速箱、導(dǎo)軌及滑臺、潤滑、排屑及冷卻等部分。
2、傳動系統(tǒng)：傳動系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要“脈絡(luò)”，主導(dǎo)機床各部分的有序進行及完成機床的工作使命，包括刀具、傳動機械和輔助動力系統(tǒng)。
· 刀具部分：包括保護裝置、刀庫和換刀裝置;
· 傳動機械：包括滾珠絲桿、直線導(dǎo)軌和蝸桿兩個部分;
· 輔助動力系統(tǒng)：包含液壓系統(tǒng)和啟動系統(tǒng)兩個部分，這也是數(shù)控機床的動力。
3、數(shù)控系統(tǒng)：數(shù)控系統(tǒng)，可以說是數(shù)控機床的靈魂所在，也是整個機床最具感性左右的部分，是機床完成各項功能和作業(yè)精髓所在。數(shù)控系統(tǒng)基本分為兩類——驅(qū)動裝置：它包括高速主軸、力矩電機、直線電機、普通電機和步進電機;控制及檢測裝置：包括CNC系統(tǒng)、可編程序控制器、進給伺服控制模塊、位置檢測模塊等。
三、數(shù)控機床的分類
數(shù)控機床可按加工工藝、運動方式、伺服控制方式、機床性能等進行分類。從加工對象(零件)表面形成工藝特點，傳統(tǒng)上通常將數(shù)控機床分為數(shù)控金屬切削機床、數(shù)控金屬成形機床兩大類。近年來，由于復(fù)雜產(chǎn)品(如飛機、汽車、航空發(fā)動機等)中新型材料應(yīng)用日益增加，數(shù)控機床被加工零件的材料不再限于金屬材料，已擴展到復(fù)合材料、陶瓷材料等非金屬材料，而且加工工藝也包括了特種加工方法。
此外，從功能和性能角度，又可將數(shù)控機床劃分為經(jīng)濟型、中檔(或普及型)和高端三類。高端數(shù)控機床具有高速、精密、智能、復(fù)合、多軸聯(lián)動、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，其發(fā)展象征著國家目前的機床制造業(yè)占全世界機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先進階段。多軸聯(lián)動技術(shù)是高端數(shù)控機床的核心技術(shù)之一。多軸聯(lián)動是指數(shù)控機床各進給軸(包括直線坐標進給軸和回轉(zhuǎn)坐標進給軸)在數(shù)控裝置控制下按照程序指令同時運動。高檔數(shù)控機床一般都具有3軸或3軸以上聯(lián)動控制功能，多為4軸聯(lián)動或5軸聯(lián)動。國際上把五軸聯(lián)動數(shù)控機床等高檔機床技術(shù)作為一個國家工業(yè)化的重要標志。五軸聯(lián)動數(shù)控機床指專門用于加工復(fù)雜曲面的機床，具有應(yīng)用范圍廣、工作效率高、能提高加工精度、增加刀具使用壽命等優(yōu)勢。隨著先進制造業(yè)快速發(fā)展，五軸聯(lián)動數(shù)控機床作為國家工業(yè)化水平重要標志，獲得廣闊發(fā)展前景。
一、機床發(fā)展簡史
機床起初是為了制造鐘表和武器，出現(xiàn)了螺紋車床和齒輪加工機床，以及水力驅(qū)動的炮筒鏜床。19世紀末到20世紀初，單一的車床已逐漸演化出了銑床、刨床、磨床、鉆床等等，這些主要機床已經(jīng)基本定型，這為20世紀前期生產(chǎn)機械化和半自動化創(chuàng)造了條件。在1920年以后的30年中，機械制造技術(shù)進入了半自動化時期，液壓和電氣元件在機床和其他機械上逐漸得到了應(yīng)用。1950年，機床的發(fā)展開始進入了自動化時期，1951年，第一臺數(shù)控機床出現(xiàn)。
二、中國機床發(fā)展史
從新中國成立到改革開放前(1949~1978 )的20年，中國機床工業(yè)發(fā)展可分為奠基階段和大規(guī)模建設(shè)階段。1949年新中國成立后，中國機床工業(yè)開始進入快速發(fā)展時期。“一五”時期(1953~1957 )，在蘇聯(lián)專家指導(dǎo)下，第一機械工業(yè)部(簡稱“一機部”)按專業(yè)分工規(guī)劃布局了被稱為“十八羅漢”的一批骨干機床企業(yè)，還建立了以北京金屬切削機床研究所(北京機床研究所的前身)為代表的被稱為“七所一院”的一批機床工具研究機構(gòu)。到1957年，一機部直屬企業(yè)在機床、工具、磨料磨具和機床附件方面的產(chǎn)品產(chǎn)量都占全國的 90%以上。
“一五”期間布局機床行業(yè)“十八羅漢”
1958~1978年期間，中國機床工業(yè)進入大規(guī)模建設(shè)階段。60年代初期開展了高精度精密機床戰(zhàn)役，通過攻關(guān)累計掌握5類26種高精度精密機床技術(shù)，機床精度、質(zhì)量和工藝水平普遍提高。60年代中期開始的“三線建設(shè)”中，在川、黔、陜、甘、寧、青、豫西、鄂西等地區(qū)，由老廠老所遷建、包建了33個機床工具企業(yè)，改善了行業(yè)的地區(qū)布局，與此同時，國家大力支持發(fā)展大型、重型和超重型機床，以滿足國民經(jīng)濟建設(shè)之所需。
“八五”期間(1991~1995)，以“自主開發(fā)”為重點支持國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品開發(fā)。“九五”期間(1996~2000)，以推進數(shù)控機床“產(chǎn)業(yè)化”為重點，在技術(shù)方面基于工業(yè) PC 平臺的普及型數(shù)控系統(tǒng)開始走向?qū)嵱茫瑖a(chǎn)數(shù)控機床面向市場競爭的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展步伐加快，開始進入市場競爭階段。十五期間(2001~2005 )，中國機床進入了高速發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級階段，數(shù)控技術(shù)及產(chǎn)品得到了快速普及和升級。
“十二五”以來，總體來說國產(chǎn)數(shù)控機床市場競爭力不斷增強，在國內(nèi)中低端數(shù)控機床市場已占有明顯優(yōu)勢。04專項(國家科技重大專項“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”專項。)對高檔數(shù)控機床技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展發(fā)揮了重要推動作用，加快了高檔數(shù)控機床、數(shù)控系統(tǒng)和功能部件的技術(shù)研發(fā)步伐，促進了機床企業(yè)與航空航天、汽車、船舶和發(fā)電等領(lǐng)域的用戶企業(yè)的結(jié)合;一批高檔數(shù)控機床實現(xiàn)了從“無”到“有”，并成功應(yīng)用于重點領(lǐng)域和重點工程的實際生產(chǎn)。
根據(jù)《機床工具行業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃綱要》提出的行業(yè)“十四五”發(fā)展總體目標：到2025年，全行業(yè)質(zhì)量效益明顯提升,營收規(guī)模年增長保持在合理區(qū)間并與市場需求相適應(yīng)，全行業(yè)研發(fā)投入年增長及投入強度高于“十三五”時期實際。中高端機床工具產(chǎn)品方面實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)高級化和產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化，產(chǎn)業(yè)布局均衡合理。國產(chǎn)數(shù)控機床、切削刀具、數(shù)控系統(tǒng)和功能部件等基本具備支撐和滿足國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展需求的能力。關(guān)鍵機床工具產(chǎn)品接近或達到國際先進技術(shù)水平，國產(chǎn)中高端產(chǎn)品在市場上的比重穩(wěn)步提升。培育出一批擁有自主知識產(chǎn)權(quán)和具有國際競爭力的品牌企業(yè)和產(chǎn)品。
產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)：數(shù)控機床的上游主要是基礎(chǔ)材料、零部件及數(shù)控系統(tǒng);中游為本體制造，包括數(shù)控金屬切削機床、數(shù)控金屬成形機床、數(shù)控特種加工機床、加工中心等;下游機床應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋汽車工業(yè)、國防竣工、工程機械、石油化工、礦山冶煉、電子信息技術(shù)工業(yè)以及其他加工工業(yè)。
上游
上游核心零部件作為數(shù)控機床的基本組成部分，其品質(zhì)是數(shù)控機床等智能制造裝備產(chǎn)品性能和質(zhì)量的重要保障。其中，精密件、功能部件和數(shù)控系統(tǒng)市場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，價格波動不大。
我國功能部件行業(yè)的發(fā)展相對緩慢，電主軸、滾珠絲杠、數(shù)控刀架、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等雖已形成一定的生產(chǎn)規(guī)模，但大多滿足中低檔數(shù)控機床的配套需要，國產(chǎn)中高檔數(shù)控機床采用的功能部件依賴進口較為嚴重。光機、鈑金等機床部件國產(chǎn)已經(jīng)較為成熟。
數(shù)控系統(tǒng)
數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)即CNC系統(tǒng)，通過編程實現(xiàn)金屬切削的命令產(chǎn)生和傳達。計算機技術(shù)演化下，全球數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了數(shù)控(NC)和計算機數(shù)控(CNC)時代。目前行業(yè)所指的“數(shù)控”均為計算機數(shù)控。高檔數(shù)控系統(tǒng)算法復(fù)雜空間建模know-how、優(yōu)化補償技術(shù)、可靠性、應(yīng)用延展能力等構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)重要門檻。除此之外，芯片、光纖通訊對系統(tǒng)性能提升也起到關(guān)鍵作用。
國內(nèi)廠商科德數(shù)控、北京精雕自產(chǎn)五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)配套使用，走在國產(chǎn)前列。華中數(shù)控、廣州數(shù)控等專業(yè)生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，用于機床、機器人等領(lǐng)域。
傳動系統(tǒng)
傳動系統(tǒng)是機床部件運動的載體，直接影響加工精度，我國機床企業(yè)主軸、絲杠等依賴外采。機床主軸是數(shù)控機床最重要的核心零部件之一，集高轉(zhuǎn)速、高精度、高效率、高可靠性于一體，其技術(shù)水平的高低和質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定和影響著機床的品質(zhì)。國內(nèi)電主軸以洛陽軸承研究所最具代表性，民營如昊志機電在3C數(shù)控雕銑電主軸取代進口份額。
中游
作為典型的機電一體化產(chǎn)品，數(shù)控機床是機械技術(shù)與數(shù)控智能化的結(jié)合，可分為金屬切削(車削、銑削、鏜、鉆、磨等)、成形機床(壓力機、剪板機、折彎機等)、特種加工(電火花線切割機床、電火花成型機床等)、加工中心(多軸聯(lián)動、柔性加工單元)以及其他產(chǎn)品。
市場格局方面來看，第一梯隊為跨國公司及外資企業(yè)，由于品牌、技術(shù)等優(yōu)勢，在高端市場占據(jù)主導(dǎo)地位。第二梯隊包括具備自主研發(fā)能力，掌握核心技術(shù)的國有企業(yè)或民營企業(yè)。第三梯隊是主攻低端產(chǎn)品市場的企業(yè)。近年來，國內(nèi)民營企業(yè)逐漸成長為主力軍，各家機床廠產(chǎn)品各有側(cè)重，形成高度分散的競爭格局。從國內(nèi)市場看，部分制造商已經(jīng)形成一定規(guī)模，并且在特定機床產(chǎn)品中形成了自身優(yōu)勢。目前中國已出現(xiàn)包括海天精工、創(chuàng)世紀、國盛智科、科德數(shù)控、浙海德曼在內(nèi)的十余家主機廠上市公司。其中創(chuàng)世紀以鉆攻中心和立式加工為優(yōu)勢產(chǎn)品，秦川機床在車床市場具備優(yōu)勢，海天精工則立足于生產(chǎn)各類加工中心，亞威股份在成形機床市場中占據(jù)較強的優(yōu)勢。
下游
從數(shù)控機床下游應(yīng)用分布來看，汽車是主要的下游需求領(lǐng)域，應(yīng)用占比約為 40%;其次是航空航天應(yīng)用 比重約為17%，汽車和航空航天應(yīng)用比重超過下游總行業(yè)的50%;模具和工程機械分別為機床產(chǎn)品第三、第四應(yīng)用領(lǐng)域，占比分別為 13%、10%左右。
(1)汽車工業(yè)
數(shù)控機床對汽車工業(yè)的影響主要體現(xiàn)在占整車全部裝備價值 70%左右的汽車零部件加工領(lǐng)域，汽車領(lǐng)域?qū)C床的需求已經(jīng)超越了整車制造商對機床的需求。2018-2021 年我國新能源汽車銷量從126萬輛提高至352萬輛，復(fù)合增速達 41.0%。目前新能源汽車制造向輕量化、一體化轉(zhuǎn)型，一體化成形的異型結(jié)構(gòu)件有望持續(xù)為高端數(shù)控機床中的五軸機床應(yīng)用提供機遇。
(2)工程機械
工程機械行業(yè)同樣為數(shù)控機床重要的下游行業(yè)。2016-2022 年我國主要工程機械銷量從 12.0 萬臺增長至39.4萬臺，復(fù)合增長率達21.91%;市場銷售額從101億美元增長至342億美元，復(fù)合增長率達35.7%。
(3)航空領(lǐng)域
高端數(shù)控機床主要市場為軍用飛機及民用飛機市場。飛機整機制造具備產(chǎn)業(yè)鏈帶動效應(yīng)，是國內(nèi)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要契機。航空航天作為高端制造領(lǐng)域，以葉輪葉盤為代表的的典型復(fù)雜曲面零件必須由高端五軸聯(lián)動機床加工完成，因此飛機產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對高端裝備國產(chǎn)化替代進口提出了強烈的需求并創(chuàng)造了更大的市場空間，將成為國內(nèi)機床企業(yè)的重要市場增長點。
數(shù)控機床市場分析
中國是機床生產(chǎn)與消費的第一大國。據(jù)統(tǒng)計2021年中國機床生產(chǎn)量218億歐元，全球占比35%;中國機床消費量為235.88億歐元，全球占比44%。其中數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)規(guī)模排名全球第二，僅次于日本。
在數(shù)控機床方面，中國的產(chǎn)業(yè)規(guī)模占比為31.5%，排名全球第二，僅次于日本(32.1%)。
在產(chǎn)業(yè)集聚分布方面，華東地區(qū)數(shù)控機床規(guī)模占全國比重最大，占比超過50%，其次為中南、東北地區(qū)。數(shù)控機床具有固定資產(chǎn)屬性，制造業(yè)比較發(fā)達的地區(qū)對數(shù)控機床的需求量比較大，我國華東地區(qū)制造業(yè)發(fā)達，對數(shù)控機床的需求量大，市場廣闊。
• 我國華東地區(qū)數(shù)控機床規(guī)模為占全國比重55%，為我國主要數(shù)控機床市場;
• 中南地區(qū)數(shù)控機床規(guī)模占比18%，僅次于華東地區(qū);
• 其次為東北、華北和西南地區(qū)，數(shù)控機床規(guī)模占比分別為12%、7%和6%。
中國高端數(shù)控機床市場擁有廣闊發(fā)展空間
• 根據(jù)機床協(xié)會的數(shù)據(jù)，2007-2021年國內(nèi)數(shù)控機床數(shù)控化率由17.01%大幅提升至44.9%。與發(fā)達國家相比，我國機床數(shù)控化率較低，2019年我國機床數(shù)控化率為37%，低于日本的90%和德國的75%。
• 若以德國機床數(shù)控化率為追趕目標，我國機床數(shù)控化率至少需提升一倍，因此，從機床數(shù)控化率看，高端機床市場仍具備廣闊的發(fā)展空間。
在未來主要發(fā)展趨勢方面，數(shù)控機床技術(shù)呈現(xiàn)出高性能、多功能、定制化、智能化和綠色化的發(fā)展趨勢：
高性能
(1)數(shù)控機床發(fā)展過程中，一直在努力追求更高的加工精度、切削速度、生產(chǎn)效率和可靠性。未來數(shù)控機床將通過進一步優(yōu)化的整機結(jié)構(gòu)、先進的控制系統(tǒng)和高效的數(shù)學(xué)算法等，實現(xiàn)復(fù)雜曲線曲面的高速高精直接插補和高動態(tài)響應(yīng)的伺服控制。
多功能
從不同切削加工工藝復(fù)合(如車銑、銑磨)向不同成形方法的組合(如增材制造、減材制造和等材制造等成形方法的組合或混合)，數(shù)控機床與機器人“機-機”融合與協(xié)同等方向發(fā)展，從“機-機”互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)化，向“人-機-物”互聯(lián)、邊緣/云計算支持的加工大數(shù)據(jù)處理方向發(fā)展。
定制化
根據(jù)用戶需求，在機床結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)配置、專業(yè)編程、切削刀具、在機測量等方面提供定制化開發(fā)，在加工工藝、切削參數(shù)、故障診斷、運行維護等方面提供定制化服務(wù)。模塊化設(shè)計、可重構(gòu)配置、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、軟件定義制造、可移動制造等技術(shù)將為實現(xiàn)定制化提供技術(shù)支撐。
