机床行业系列专题（二）：数控机床的简单结构拆解

证券研究报告：机械设备|深度报告 2023 年 8 月 20 日 市场有风险，投资需谨慎 请务必阅读正文之后的免责条款部分 行业投资评级 强于大市|维持 行业基本情况 收盘点位 1475.67 52 周最高 1606.0 52 周最低 1298.09 行业相对指数表现（相对值） 资料来源：聚源，中邮证券研究所 研究所 分析师:刘卓 SAC 登记编号:S1340522110001 Email:liuzhuo@cnpsec.com 研究助理:傅昌鑫 SAC 登记编号:S1340123050006 Email:fuchangxin@cnpsec.com 近期研究报告 《仪器仪表系列专题（一）：超声水表--技术更迭，未来已来》 - 2023.08.06 机床行业系列专题（二）：数控机床的简单结构拆解 ⚫ 专题研究 我们在上篇专题《机床行业系列专题（一）：工业母机，快速突围》中介绍了机床的种类和主要参与企业等基本概念，同时也提到了国内机床行业的数控化发展趋势，数控机床的普及率将快速提升，在数控机床领域将面临更加卡脖子的技术和工艺，每一个核心零部件的突破都将推进工业母机的国产化，接下来我们将用数周的时间介绍数控机床的原理、结构和核心零部件。 随着科学技术的飞速发展，社会对产品多样化的要求日益强烈，产品更新越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增大。为了实现单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并满足质量要求，数字控制机床应运而生。数控机床将加工过程的工艺信息数字化，通过信息载体输入数控装置，用数字信息控制机床自动地将零件加工出来。 数控系统的工作过程大致可分为三步：（1）数控系统接收数控程序（NC 代码）；（2）“翻译”NC 代码为机器码；（3）将机器码转换为控制信号。对于一台完整的数控机床来说，一般由数控程序、数控装置、伺服系统（伺服驱动装置、伺服电动机、位置检测装置）、可编程控制器 PLC、机床本体(主运动机构、进给运动机构、刀库/刀塔、床身支承件等)及辅助装置（冷却、润滑、转位和夹紧等）组成。 伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统。伺服系统决定了数控机床的精度、稳定性、可靠性和加工效率，技术进步方向主要在需求精度高、稳定性好、快速响应、调速范围宽、低速大转矩等方面。伺服系统按照控制方式及有无检测反馈环节可分为开环伺服系统、全闭伺服系统、半闭环伺服系统，其执行部件不同，开环伺服系统为步进电动机，其余两种为交流/直流伺服电动机。我国伺服电机市场规模呈现稳步增长态势，预计今年市场规模将超过195 亿元，下游应用机床工具行业占主要位置。目前国内伺服电机产品主要集中在中低端市场，主流为 5kw 以下的中小型产品，且产品尺寸偏大，高端市场仍然依赖进口，国际上领先的企业如松下、安川、三菱、西门子、博世力士乐等。 数控机床主体中的主运动结构，是驱动主轴实现切削基本运动的系统。而“电主轴”，或称“主轴单元”，是在数控机床领域出现的、将原本的机械主轴与主轴电机融为一体的新技术。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中区分出来，电机主轴不依赖外部电机提供扭矩和功率，电机作为主轴和壳体组件的一个组成部分，以达到高转速、高精度、高效率、低噪音、高可靠性等诸多优势。我国电主轴行业正处于迅速扩大、竞争加剧的阶段，2022 年中国电主轴市场规模达到 5.26-18%-16%-14%-12%-10%-8%-6%-4%-2%0%2022-082022-112023-012023-032023-062023-08机械设备沪深300 请务必阅读正文之后的免责条款部分 2 亿美元，预计 2028 年将达到 7.74 亿美元，同时电主轴产品价格在竞争加剧的环境下呈现下降趋势。大功率、高转速、高主轴回转精度是电主轴产品的技术迭代方向。我国电主轴产业化起步较晚，与瑞士、德国等先进水平仍有一定差距，但正在持续追赶之中。 ⚫ 风险提示： 机床行业需求不及预期风险；核心零部件供应受阻风险；海外市场出口压力增大风险；政策引导力度低于预期风险。 qRxOoMpMoPnPsPpNtPoMvM9P8QbRpNmMsQnOeRpPwOiNsQtQaQnMpRvPnOnOxNoOtR 请务必阅读正文之后的免责条款部分 3 目录 1 数控机床的工作原理及组成 ................................................................. 5 1.1 数控机床的工作原理 ................................................................... 5 1.2 数控机床的结构组成 ................................................................... 6 2 数控机床核心零部件 ....................................................................... 8 2.1 伺服系统 ............................................................................. 8 2.2 主运动结构（电主轴） ................................................................ 11 3 风险提示 ................................................................................ 14 请务必阅读正文之后的免责条款部分 4 图表目录 图表 1： 数控机床工作原理图 ............................................................. 5 图表 2： 数控机床结构组成示意图 ......................................................... 6 图表 3： 数控机床子系统组成 ............................................................. 7 图表 4： 海天精工机床零部件价值量占比 ................................................... 8 图表 5： 科德数控机床零部件价值量占比 ................................................... 8 图表 6： 应用于数控机床上的伺服电机 ..................................................... 9 图表 7： 2018-