一、何为五轴数控机床？

如果用一句话来概括，那就是：工业制造的极致瑰宝，加工繁复曲面的独步天下之器。

数控机床想必大家都已经非常熟悉。中国第一台数控机床是1958年由清华大学和北京第一机床厂合作研制的X53K1三坐标数控铣床。

数控系统控制几个坐标按照需要的函数关系同时协调运动称为坐标联动，按照联动轴数可以分为二轴联动、二轴半联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动等。

五轴数控机床的诞生可以追溯到20世纪50年代，当时的数控机床仅具备三个坐标轴联动的控制功能。到了20世纪80年代，四轴数控机床逐渐问世，增加了旋转轴控制功能。而五轴联动数控机床则是在二十一世纪初期开始逐渐发展起来的。

随着科技的不断进步和制造业的不断发展，五轴联动数控机床成为了制造业中不可或缺的关键设备。

五轴加工中心综合加工能力强，工件一次装夹后能完成较多的加工内容，加工精度较高，就中等加工难度的批量零件，其效率是普通机床（三轴）的5至10倍，特别是它能完成许多普通机床不能完成的加工对形状复杂，精度要求高的单价或小批量多品种生产中更为适用。

五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。它是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲面的机床，该机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业有着举足轻重的影响力。

机床种类繁多，主要可以分为金属切削机床、金属成形机床、特种加工机床。

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、磨床等种类。

随着多样化加工需求出现，加工中心从数控铣床发展而来，并逐步成为当前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床之一。

加工中心区别于数控铣床的地方在于其可以自动交换加工刀具，通过在刀库上安装不同用途的刀具，可以在一次装夹中实现多种加工功能。

加工中心代表了数控金属切削机床中更高端的产品类别，根据主轴空间位置又可以分为立式加工中心、卧式加工中心、龙门加工中心和万能加工中心。

二、工业母机，政策端向好

高端数控机床作为国之重器，其地位至关重要，更是与国家安全和自主可控息息相关。近年来，我国对机床产业的重视程度显著提升，将其置于国家战略的核心位置。

本文梳理了自2017-2023年高端数控机床行业扶持的相关政策：

2017.12 工信部提升高端数控机床与工业机器人的自检测、自校正、自适应、自组织能力和智能化水平 。

2018.8  工信部、国标委   围绕新一代信息技术、高端数控机床和机器人、航空航天装备等十大重点领域，优先在重点领域实现突破，并逐步覆盖智能制造全应用领域。

2018.11 统计局将金属切削机床、金属成形机床、工业机器人制造等列入高端装备制造产业大类中的智能制造装备产业。

2019.1  工信部、发改委   总体目标在高端数控机床、工业机器人、汽车等行业，以及节能环保、人工智能等领域实现原创设计突破。

2021.8  国资委   针对工业母机等加强关键核心技术攻关，努力打造原创技术“策源地空情肩负起产业链"链主"责任，开展补链强链专项行动，加强上下游产业协同。

2023.2  工业和信息化部   前瞻布局未来产业，丰富完善应用场景，培育产业生态，抢占未来竞争制高点。强化装备制造业特别是高端装备的关键支撑作用，实施重大技术装备攻关工程，加快推进大飞机、“两机”重大专项，推动工业母机高质量发展，优化完善首台（套）保险补偿政策，加快发展高端医疗、先进农机等专用装备。

2023.2  国资委   打造原创技术策源地，高质量推进关键核心技术攻关，加大对传统制造业改造、战略性新兴产业，也包括对集成电路、工业母机等关键领域的科技投入，提升基础研究和应用基础研究的能力。

2023.8  财务部、税务总局    工业母机企业增值税加计抵减政策通知，2023/1/1-2027/12/31 对生产销售先进工业母机主机、关键功能部件、数控系统的企业，加计15%抵减企业应纳增值税税额。先进工业母机产品基本标准（部分）：金属切削机床：定位精度≤10 微米/米，并安装数控系统；数控装置：具备三轴及以上联动控制功能；滚动功能部件（丝杠/导轨）：P3 精度以上；电主轴：动态回转精度≤10 微米等。

2023.9  工业和信息化部、国家发展改革委、财政部、税务总局    发布关于提高集成电路和工业母机企业研发费用加计扣除比例的公告，集成电路企业和工业母机企业开展研发活动中实际发生的研发费用，未形成无形资产计入当期损益的，在按规定据实扣除的基础上，在2023年1月1日至2027年12月31日期间，再按照实际发生额的120%在税前扣除；形成无形资产的，在上述期间按照无形资产成本的220%在税前摊销。

从政策端看，政府加大了对高端数控机床行业的扶持力度：2023年8月，财务部、税务总局印发工业母机企业增值税加计抵减政策通知，将于2023-2027年对生产销售先进工业母机主机、关键功能部件、数控系统的企业，加计15%抵减企业应纳增值税税额。

同年9月，工业和信息化部、国家发展改革委、财政部、税务总局四部门联发公告，提高工业母机企业研发费用加计扣除比例。

三、国产化替代空间巨大

根据QY Research数据统计，2021年全球五轴数控机床市场规模达74.8亿美元，预计2027年行业规模有望达138亿美元，期间年复合增速达10.05%；

到2027年，国内高端五轴数控机床市场空间202.16亿元，2022-2027年CAGR达到16.09%。

科德数控的相关公开披露信息：2021年我国进口加工中心数量在27000台左右， 其中30%为五轴机床，因此可以推算出每年进口五轴机床大概在8000台左右， 按照售价单价在125~150万元/台计算，国内五轴数控机床进口替代空间为100~120亿元。

根据海关统计数据平台：2021年我国加工中心进口金额达26.7亿美元， 折合人民币191.706亿元，考虑到五轴机床单价明显高于普通加工中心，因此假设其中60~70%进口金额来自五轴机床， 则国内五轴机床进口替代空间为115~134亿元。

从国内市场的竞争格局来看：

2020年国内主要厂商份额占比超过95%，其中前五大公司占据62.44%的市场份额，前十大公司占据81.61%的市场份额。

根据MIR睿工业数据，中国超过一半金切机床的进口份额被日德两国垄断，2021 年中国向日本进口的数控金属切削机床比例达到 38.6%。从图中可以看出国内五轴数控机床市场相对分散，没有大的寡头垄断格局出现，从侧面说明当然该领域仍有很好的市场机会。

同时，我们从行业周期的角度分析。机床行业通常以10年为一个发展周期，上一轮大规模生产的高峰期为2011年至2014年。

资料来源：国家统计局，源达信息证券研究所

据可靠的市场数据预测，我国金属切削机床在2022年至2024年间的年均更新需求量将达到约78.9万台，显示出广阔的市场前景。

四、制造业转型升级，下游应用产业注入新增长动力

制造业转型升级，对高端机床的需求持续扩大。高端数控机床主要应用于航空、航天、核、电子、船舶、兵器、能源、汽车、模具、刀具等重点领域，特别是航空航天等军工领域，国产化需求强烈、存量市场规模巨大、市场增长可期。

以航空领域为例，高端数控机床主要市场为军用飞机及民用飞机市场。高端五轴数控机床是解决航天、航空发动机叶轮、叶盘、叶片、船用螺旋桨等关键工业产品切削加工的唯一手段。

根据科德数控招股书披露，飞机整机制造具备产业链带动效应，是国内制造业转型升级的重要契机，期间对五轴高端数控机床等高端制造装备的需求将进一步增加，同时产业集群效应将加速全球航空制造业向中国迁移，未来市场空间超过 2.7 万亿元的维修保障、工程服务等航空后市场也将向国内企业开放，将带来新的市场及机遇。

长期以来，以美国为首的西方工业发达国家，始终将五轴联动数控机床系统视为重要的战略物资，并实施了严格的出口许可证制度。对于我国而言，实现高端工业母机的国产替代，是顺利自主完成制造业转型的关键所在，也是确保高精密国防、航空制造等领域实现全面自主发展的重要前提。

五、从上游零部件看五轴数控机床的国产化之路

五轴数控机床实现国产化的关键在于其核心零部件的自主研发。

其中最主要的几个核心部件是：数控系统，编码器、光栅尺，滚珠丝杠，主轴，导轨，转台等精度及可靠性对机床性能影响较大的零部件。

接下来我们逐个了解更加详细的市场与国产技术开发情况。

数控系统直接影响机床精度、动态特性等核心参数，高端数控系统占机床成本可达20%~40%。

数控系统技术在发达国家受到严格监管，当前，我国高端数控市场主要由发那科、西门子等企业主导。在国家政策扶持与引导下，国内部分企业已开始研发高端数控系统，并实现一定程度的国产化，但市场份额仍不足10%。

2022年，我国数控系统市场规模约为135亿元。根据MIR数据，2022年，我国数控系统市场规模约为135亿元，数控系统销量达37.9万台/套。

数据来源：MIR、开源证券研究所

数控系统难点国产数控系统在高精度、高速等性能方面与国际先进水平尚存较大差距，且进口系统多为封闭式，修改和扩展控制软件较为困难，想要灵活使用系统还需实现系统开发国产化。

电主轴替代传统机械主轴将是数控机床主轴发展的主要趋势

机械主轴技术经过了充分的验证和优化，其构造简单明了，制造与维修流程相对简单。同时，它的价格相对低廉，后期的维护成本也较低。在大重型机床的应用中，特别是在需要低速大扭矩、大功率的场合，机械主轴技术展现出了优越的性能。

根据市场机构测算，我国2022年的电主轴市场规模为74.4亿元，2023年将达到89.5亿元。

数据来源：Wind、观研天下、开源证券研究所

我国电主轴竞争格局分散，量产厂商较少，国产电主轴在实际的使用过程中，还是会有一定的差距，主要体现在稳定性和使用寿命上。近几年来，日本的马扎克、德国的德玛吉等高端机床制造企业，产品全部标配电主轴，可见未来电主轴替代传统机械主轴将是数控机床主轴发展的主要趋势。

中高端滚珠丝杠领域，国产产品的市场渗透率不足10%

滚珠丝杠是一种将旋转运动转化为线性运动的传动机构，其在数控机床中发挥着核心传动部件的作用，成为机床高端化发展的关键。我国作为滚珠丝杠的主要消费市场之一，可量产厂商稀少。以加工中心为代表的中高端机床领域，滚珠丝杠市场基本由海外厂商占据，仍处于进口依赖。

根据开源证券研究所测算，2023年我国机床用滚珠丝杠市场空间约为97亿元，2030年有望增长至190.6亿元，市场规模翻倍。

数控转台国产化进程较快

航天航空领域对转台精度、稳定性、扭矩要求较高。根据科德数控招股书披露，国内进口单轴/双轴转台每年需求量约为3万台套，单轴/双轴分配比例约为7：3，按平均每台套10万元人民币估算，预估每年国产转台市场容量约为30亿元人民币。

我国数控转台市场的主要市场玩家是中国台湾企业和日本企业，大陆企业市场占有率较低，在一定程度上影响了高档数控机床国产化进程。

目前数控转台主要是凸轮滚子结构、涡轮蜗杆结构、DD结构、和谐波结构。

凸轮滚子传动应用的弧面分度原理，是目前最精确的运动控制方式。

工作件由一个输入轴（弧面分度凸轮）及一个滚柱（输出轴）组成，输入轴上的凸轮槽表面与棍轮上的从动滚子元件外环表面呈线接触啮合，从而驱动转轮（即工作台）转动。从动滚子元件在旋转过程中利用内部滚柱轴承来传递扭矩。

这样的工作原理保证了零背隙，优异的工作精度和工作效率，并有效地避免内部零件损耗，提供持久的高精度工作状态。

蜗轮蜗杆传动的两轴是相互交叉垂直的；蜗杆可以看成为在圆柱体上沿着螺旋线绕有一个齿（单头）或几个齿（多头）的螺旋，蜗轮就象个斜齿轮，但它的齿包着蜗杆。

涡轮材料为磷青铜，无法加预压，刚性差，随着使用磨损整个转台精度不断下降，导致极高的后期维修成本，给机床用户及代理商都带来很多困扰和经济损失。

要规避蜗轮蜗杆结构的缺点，蜗轮蜗杆的材料需要特殊处理，但价格昂贵，一般客户无力承担。

DD直驱结构是力矩电机直接驱动转台的结构，该产品的大力矩使其可以直接与运动装置连接，从而省去了诸如减速器，齿轮箱，皮带轮等连接机构，由于一般该型电机都配置了高解析度的编码器，因此使该产品可以达到比普通伺服高一个等级的精度。

但是对于电机直驱转台来说，发热始终是个未得到解决的难题。电机发热会导致轴承变形，造成轴心偏移，平面度下降，加工精度变差。加之直驱电机扭矩小，导致转台刚性差，适合加工工件选择范围小。

谐波转台内置谐波减速器，这是一种由固定的内齿刚轮、柔轮、和使柔轮发生径向变形的波发生器组成，谐波减速机是齿轮减速机中的一种新型传动结构，它是利用柔性齿轮产生可控制的弹性变形，引起刚轮与柔轮的齿间相对错齿来传递动力和运动。

这种传动与一般的齿轮传递具有本质上的差别，在啮合理论、集合计算和结构设计方面具有特殊性。谐波减速机里面的润滑脂无法像凸轮滚子转台方便更换润滑油，所以容易造成磨损。谐波减速机内部柔轮无法承载大的力矩，所以只能用在比较小的和比较轻切削的工件。

光栅传感器是决定机床加工精度之关键零部件

光栅传感器是一种可以将物理量转换成电信号的传感器，在数控机床中起到位置检测作用。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。

据 QY Research 数据，2021年全球光栅尺市场销售额达46亿元，一般一个五轴的加工中心会用 XYZ 轴，加2个旋转轴，其中旋转轴用角度传感器，对应国内高端光栅尺的年需求约为十几万支。

目前国际上生产光栅尺的企业都已经实现nm级分辨率，甚至是pm级。目前国内应用最多的是增量式光栅尺，但绝对式光栅尺在国内目前成熟的产品很少，大部分仍需要进口。

六、探讨一个有趣的话题：五轴数控机床 VS 3D打印

精密数控加工与3D打印哪种技术更好？相信很多朋友都对此怀有疑问，其实这两种技术的加工方式看似可以实现类似加工效果，但在许多方面确是完全不同的。我们从以下几个方面做一个全方位的对比：

1、减法生产VS加法生产

数控机床是减材制造的设备，它基于预先设计好的图纸和程序编码，精确地评估并切割出所需材料的尺寸。通过数控机床的切削和雕刻过程，最终制造出符合要求的物件。

数控机床可以精雕细琢出完美平滑的曲线和精致准确的镂空纹理，但如果你需要一个空心零件，那就需要依靠3D打印来实现了。

3D打印过程开始于一个数字模型，通常由CAD（计算机辅助设计）软件创建。这个模型被切片成数百甚至数千个薄层，每一层都作为打印的指令，3D打印机根据这些指令，使用各种材料（如塑料、金属、陶瓷等）逐层堆积，最终构建出完整的物体。这种增材制造的方式，使得复杂形状和结构的设计成为可能，而无需传统的模具或工具。

2、材料不同，制成品的应用场景也有所不同

数控加工可以广泛适用于金属和非金属材料之间，而3D打印更多的还是适用于工程塑料和少部分金属粉末。

数控加工，能够广泛应用于金属和非金属材料之间，加工出来的零件承重能力更好。例如，在航空航天领域，高精度的金属零部件需要通过数控加工来完成；在医疗领域，非金属的医疗器械和假肢等也需要依赖数控加工技术。

3D打印技术适用于工程塑料和少部分金属粉末，更多地被用于原型制作、个性化定制以及复杂结构的制造。例如，设计师可以利用3D打印技术快速制作出产品原型，以便进行测试和优化；3D打印在珠宝、艺术品等领域也有着广泛的应用，满足了人们对个性化、定制化产品的需求。

除此之外，由于其加工材料重量轻的特点，3D打印加工的零件还可以作为减重零件应用于新能源汽车、航空航天领域。

3、加工效率的对决

数控加工使用减材生产，只需要几分钟就可以制造出一个产品。这种高效的生产方式使得数控加工在批量生产、复杂零件加工等领域具有显著优势。

而3D打印是需要层层构建的，即使是最快的工业3D打印机也需要花费数小时来生产一个产品，这种耗时的生产方式在一定程度上限制了3D打印在追求高效率的生产场景中的应用。

4、加工精度的对决

目前的3D打印对于很多需要超高精度的装备制造企业来说还缺少了那最重要的“精度”。

一台好的数控机床，加工精度可达0.005mm。理论上3D打印是可以达到这一等级加工精度的，但是在实践中，受限于当前材料和当前生产技术，所以3D打印是没有办法达到和数控加工同等级精度的。希望随着技术的不断发展，3D打印有朝一日能追赶上两者之间的差距。

5、小总结

数控加工与3D打印是完全不同的两种技术，可以适用于不同的加工场景。放眼未来，两者之间的良性竞争所创造出来的技术成果一定是值得期待的。3D打印与数控机床相辅相成，一定会使制造业迸发出新的生机。　

七、总结与展望

高端数控机床是中国制造业转型升级的关键机械设备，是工业制造的极致瑰宝。

国内制造业经过多年发展，已经步入高质量发展阶段。数控机床是装备制造业的“工作母机”，一个国家的机床行业技术水平和产品质量，是衡量其装备制造业发展水平的重要标志。

全球产业链正在经历结构重塑和重新布局的过程，中国产业链面临着诸如“卡脖子”、“断点”、“堵点”等困境，供应链的安全性问题也日益凸显。

数控机床行业存在较高的技术壁垒、技术迭代速度较慢、规模效应不明显等问题。

目前，中高端市场基本被国外企业所垄断，而国产替代的空间十分广阔，自主可控已成为大势所趋。

《中国制造“2025”》将数控机床和基础制造装备列为“加快突破的战略必争领域”，高端数控机床的全面国产化是必须、必将、必然要实现的。

展望未来，看高端数控机床的破局之路：道阻且长，却期日可望。

其中关键在于核心零部件的全面自主可控与五轴数控机床的国产化替代。

高端数控机床及其关键零部件的技术壁垒较高，细分领域均有仍需重点突破的技术。国内数控机床主要的问题是精度与稳定性差、故障多发。数控机床的品质提升需要技术经验的积累，客户认可需要不断对标国际品牌，通过长期的验证、树立行业品牌。

因此，深耕某一特定领域，产品精度、稳定性、性能指标过硬的厂商有望迅速建立品牌形象、抓住国产替代机会。