万字长文 | 电动汽车+机器人，重塑中国机床
作者：智华极光(上海)科技有限公司
浏览：
发表时间：2024-07-01 00:00:00
本文试从不同维度出发，开放性地探究这三者间的关系，并以尽可能通俗的方式重点考察电动汽车和机器人如何参与、推动中国机床领域的跃迁。
01
机床是一种用于加工金属或其他硬质材料的机械工具，它能够通过切割、铣削、钻孔、磨削等方式对工件进行精确的加工。
机床就像是一个冷面匠人，精准、专业、迅速。它在各种原材料比如金属、塑料、木材上进行精细的切割、雕刻、塑造，把一块块原始的材料变成人类生产生活所需的各类零件和产品。
譬如说，你有一块坚如磐石的铁块，你想把它做成一个漂亮的铁勺，如果用手来做，你需要用锤子、凿子等工具一点点敲打，但如果用机床来做，只需设定好你想要的勺子形状和大小，然后让机床自动去“雕刻”即可。
再举个粗糙但易于理解的例子：如果你要开一家工厂来制造车轮的轴，你可能会需要一种常见的机床——车床，它可以用来做圆柱形的零件。当你把一根长条的金属棒放上去，车床可以一边旋转这个金属棒，一边用刀具沿着金属棒的长度方向切削，最后得到的就是一个光滑的、直径均匀的圆柱体，也就是你要造的轴。
事实上，在现代工业中，机床几乎无处不在，大到飞机引擎，小到智能手机，它们的很多零件都是机床帮忙制造出来的。机床的类型也有很多，根据加工方式和用途可以分为车床、铣床、钻床、磨床、镗床、刨床等。随着技术的进步，现代机床越来越倾向于高精度、高效率和智能化。
在中国，很多人还会用"工业母机"这个术语来代指机床，尤其是那些用于制造其他机器或机械部件的机床，因为机床被认为是“工业的基础”，"工业母机"这个称呼强调了机床在制造业中的重要性和基础性地位，更多地是一种象征性意义。
02
那么，为何要把电动汽车和机器人放在一起，来讨论它们对机床的影响？在拙作《新能源汽车+机器人，共生的必然与危机》中，曾有过相关讨论，而在本文中，我们提出以下三点原因：技术相似、协同效应、创新动力，其中后两者由第一点延展而来，而电动汽车和机器人的供应链也因而有了显著的重合，尤其在电子元件、电池技术、电机及传动系统、轻量化材料和智能软件算法等方面。共享的微处理器、传感器加强了智能控制；锂离子电池为核心能量来源；高性能电机确保动力；铝合金、碳纤维复合材料减轻重量；自动驾驶与AI算法则驱动智能化升级。
以下对技术相似、协同效应、创新动力这三点分别展开阐述。因篇幅原因，无法均衡着墨、全面深入。有所侧重的前提下择其要点概括之，抛砖引玉罢了。
1. 技术相似性：
电动汽车和机器人在制造过程中，通常都需要使用高强度、较轻质的材料，如铝合金、碳纤维等。这些材料的加工对机床的精度和稳定性也都有很高的要求。与之相关联的是，两者都依赖于精密的机械部件，如电机、传感器、控制系统等，这些部件的制造也都需要高精度机床来保证其性能和可靠性。
此外，随着技术的进步，电动汽车和机器人的制造越来越倾向于模块化和集成化设计，这要求机床能够适应复杂形状和多功能集成的加工需求。
2. 市场协同效应：
由于这两个行业在技术上的相似性，机床企业可以利用其在电动汽车领域的技术积累和经验，快速进入机器人市场，反之亦然。此外，市场协同效应也可能表现在供应链和客户资源的共享上，机床企业可以通过服务这两个行业来优化资源配置，提高运营效率。
3. 创新驱动：
进一步延伸来看，既然电动汽车和机器人产业都是技术密集型产业，对创新有很高的需求，那么机床行业作为这两个产业的基础支撑，要想共同发展，就必然需要不断进行技术创新来满足需求。机床企业可以通过与电动汽车和机器人企业合作，共同开发新的加工技术和设备，进而推动整个产业链的技术进步。同时，创新不仅能体现在产品上，还可以包括生产方式、服务模式等方面。
因此我们才说，将这二者放在一文中的基本逻辑是在于其技术相似性，其他的都是由此延展而来。那么以下便单就电动汽车和机器人本身的技术相关性做进一步阐述。
首先从动力系统来看，无论是电动汽车还是机器人，它们的核心都是电动机和电池组的高效协作。这些动力系统需要精细的能量管理与转换机制，比如电动汽车的再生制动技术，不仅能够回收能量，还能够延长行驶里程；而在机器人领域，类似的能量回收与存储策略同样重要，它能确保机器人在执行任务时拥有足够的续航能力，同时减少能源浪费。
控制系统方面，涉及传感器技术、算法优化、实时数据处理等环节，无论是电动汽车的自动驾驶功能，还是机器人在复杂环境中的自主导航，都需要高度精准的感知与决策能力。先进的传感器如激光雷达、摄像头和各类生物力学传感器，让车辆和机器人能够“看”清周围环境，而强大的算法则赋予了它们理解和应对环境变化的本领。这种对智能控制系统的共同需求，也为电动汽车与机器人之间的技术交流提供了广阔空间。
再者，通信与网络技术在电动汽车与机器人领域也扮演着至关重要的角色。车联网技术让电动汽车能够与外界进行无缝通信，实现信息共享与远程操控；机器人则同样依赖于稳定的无线通信，以便接收指令、传输数据或是进行实时监控。
此外，人工智能（AI）与自动化技术的快速发展，更是将电动汽车与机器人技术的融合推向了新的高度。自动驾驶汽车的出现，标志着车辆不再仅仅是被动的交通工具，而是具备了感知、决策和执行能力的智能体；而机器人呢？无论是家庭助手还是工业机械臂，也都在向着更高的自主性与智能性迈进。这种智能化的趋势，不仅提升了二者的效能与安全性，还为未来的跨领域创新开辟了无限可能。
最后，材料科学与制造技术的进步，为电动汽车与机器人技术的融合提供了坚实的物质基础。轻量化材料的应用，如碳纤维复合材料，不仅减轻了车身重量、提高了能源效率，也使得机器人更加灵活与耐用。精密制造技术如3D打印，则使得定制化与复杂结构的生产变得更加容易，无论是电动汽车的零部件还是机器人的关节，都能达到前所未有的精度与复杂度。
当然，政策方面二者也有共通性：众所周知，中国高度重视新能源汽车和智能制造的发展，出台了一系列政策来支持这些产业，包括税收优惠、财政补贴、研发支持等。那么，这些政策既然推动了电动汽车和机器人产业的发展，自然也间接刺激了机床行业的运转。
总之，二者有着包括但不限于以上所述的诸多交融。但为着详述方便，下面还是采取分别各自解析的方式加以论述。
03
1. 电动汽车结构特点
与传统燃油车相比，电动汽车的结构截然不同。二者的差异主要体现在动力系统、传动系统、冷却系统以及整体布局上。
动力系统方面，电动汽车使用电动机作为驱动力，由电池组供电。而传统燃油汽车则依靠内燃机（通常是汽油或柴油发动机）燃烧燃料产生动力。电动汽车没有复杂的发动机结构，如气缸、活塞、火花塞、曲轴等，也没有燃油系统（油箱、燃油泵、喷油嘴等）。
因此，二者在传动系统上差别同样巨大：电动汽车的传动系统通常较为简化，因为电动机可以直接提供高扭矩，无需传统意义上的多速变速箱。很多电动汽车采用单速减速器来传递动力至车轮。燃油汽车则通常配备手动或自动变速箱，以适应不同行驶条件下的速度和扭矩需求。
此外，电动汽车的冷却系统主要负责电池和电动机的温度管理，而燃油汽车的冷却系统主要为发动机散热。至于空间布局和外部设计等方面的差异就不赘述了，都和动力系统、传动系统的差异有关。
目前，电动汽车正朝轻量化方向发展，主要生产方式由冲压向压铸过渡。
2. 电动汽车对机床的需求
汽车制造业本就是机床最大的客户领域。据中国机床工具工业协会的数据，汽车行业机床需求量占行业机床需求总量的40%左右。
以下讲述电动汽车的发展过程中产生的对机床的新需求，具体涉及三种类型的机床：普通机械加工机床、一体压铸配套机床、动力电池极柱专机（摩擦焊机床）。
（1）普通机械加工机床的新需求
前面说过，电动汽车的动力系统和传动系统与传统燃油车不同。其间需要加工更多的铝制零件，这导致对加工机床有了新的要求：
数控车床：需要更快的移动速度，专门用于加工各种电动机轴。
立式加工中心：主轴转速要特别高（超过12000转/分钟），适合加工各种壳体。
龙门机床：要有更大的工作台（至少2米x3米），主轴转速也要很高，主要用于加工副车架和电池托盘这样的大部件。
卧式加工中心：要轻巧快速，适合加工铝合金零件，不需要太重的切削能力。
（2）一体压铸配套机床（高速轻型龙门机床）的新需求
以特斯拉为代表的电动汽车制造商采用一体压铸技术，这种技术可以大大简化车身制造过程。但是，压铸出来的零件通常会有毛刺和毛边，这就需要一种特殊的龙门机床来进行后续的精加工。这种机床要求工作台大小适中（最多5米长），主轴转速很高（超过12000转/分钟），同时配备直线电机，保证高速和高加速性能，确保精加工效率和质量。
（3）动力电池极柱专机（摩擦焊机床）的新需求
随着电动汽车销量的增长，市场对动力电池和专用焊接设备——摩擦焊机床的需求也随之激增。摩擦焊机床是利用工件端面相互摩擦产生的热量使之达到塑性状态，然后顶锻完成焊接的设备。过去对其的需求主要依赖进口来满足，但现在国内企业已经逐步打破了技术壁垒，能够自主研发和生产，可以高效、稳定地焊接铜铝复合极柱。
3. 电动汽车选择机床的考虑因素
04
05
下面，让我们回到机床本身。
机床的基本结构可以分为多个关键部分，每个部分都有其特定的功能，它们协同工作以实现精密的零件加工。以下是机床基本结构的主要组成部分：
1. 动力源
负责提供机床所需的动力，包括主轴的旋转动力和进给运动的动力。常见的动力源包括交流电动机、直流电动机、液压泵和液压马达。
2. 传动系统
包括主传动系统和进给传动系统，用于将动力源产生的动力传递到主轴和工作台等执行部件，控制主轴的转速和工作台的进给速度。传动系统可能包含变速箱、进给箱、齿轮、皮带等部件。
3. 支撑件
如床身、底座、立柱等，用于安装和支撑其他部件和工件，承受重力和切削力，保持机床的稳定性和刚性。
4. 工作部件
包括主轴、工作台、刀架等，与主运动和进给运动相关，用于安装工件或刀具，执行实际的切削或成型操作。
5. 控制系统
对于数控机床，控制系统是核心，负责接收、解释和执行数控程序，控制各个部件的运动。传统机床可能使用手动或半自动控制方式。
6. 冷却系统
用于在加工过程中移除切削热，保持工件和刀具的温度稳定，延长刀具寿命，提高加工质量。
7. 润滑系统
保证机床内部运动部件的润滑，减少摩擦和磨损，维持机床的高效运行。
8. 其他装置
包括排屑装置、自动测量装置、上下料装置、机械手、工业机器人等，以及卡盘、虎钳、回转工作台、分度头等机床附件，用于辅助加工过程或自动化操作。
9. 安全防护装置
保障操作人员的安全，防止切屑飞溅、刀具断裂等事故，如防护罩、安全门等。
这些组成部分共同构成了机床的完整结构，使得机床能够执行精密的加工任务。不同类型的机床（如车床、铣床、磨床、钻床等）会根据其特定的加工功能和工艺要求，在这些基本结构的基础上进行相应的配置和优化。
至于产业链，中国机床产业的产业链涉及多个环节，从上游原材料和零部件供应，到中游的机床设计和制造，再到下游的终端应用和售后服务，形成了一个相对完整的体系。
1. 上游：原材料与关键零部件
原材料：包括钢材、有色金属、合金材料等，用于制造机床的结构件和工作部件。
关键零部件：如数控系统、伺服电机、滚珠丝杠、直线导轨、刀具、轴承等，这些部件对机床的精度、效率和稳定性至关重要。
铸件：中国是世界上最大的铸件生产国，铸件是机床制造的基础，对机床的性能有很大影响。
2. 中游：机床设计与制造
设计与研发：包括机械设计、电气设计、软件开发等，涉及机床的整体结构、运动控制、智能化功能等。
制造：包括组装、调试、质量控制等环节，确保机床符合设计规格和性能指标。
类型：涵盖了金属切削机床（如车床、铣床、磨床）、金属成形机床（如冲床、折弯机）、特种加工机床（如电火花加工机、激光切割机）等多个类别。
3. 下游：应用领域与服务
应用领域：广泛应用于汽车、航空航天、电子、船舶、模具、能源、通信等行业，这些行业对机床的精度和效率有高度要求。
服务：包括机床的安装、调试、维修、升级改造以及技术培训等，为用户提供全方位的服务支持。
06
1. 政策！政策！政策！
近些年，中国机床领域也面临着某种意义上“卡脖子”的挑战，中国连续推出一系列精准扶持政策，旨在加速机床行业的自主研发与产业升级。自2019年起，政策支持的靶向性显著增强，不仅明确了发展目标，还提出了具体要求。如《“十四五”智能制造发展规划》中特别强调了智能五轴加工中心、车铣复合加工中心等高端设备的研发。
同时，政策制定层级不断升级，从国资委到最高决策层，均将机床行业视为国家战略重点，提升关键技术领域的自主控制力。最新例证是2023年财政部和税务总局联合发布的增值税加计抵减政策，对先进工业母机企业给予税收优惠。
2. 新能源革命：国产机床企业的黄金机遇
如前文所述，电动汽车的迅猛发展正重塑机床行业的竞争格局。传统燃油车时代，外资品牌凭借成熟的工艺和技术优势，长期占据主导地位，国产机床企业难以渗透，电动汽车的兴起则打破了这一僵局。除了前文所述的内容外，也因为电动汽车制造商如今多为内资企业，对国产设备的接受度更高。
3. 国产化与集中度双升：行业格局深刻变革
近年来，国产机床企业在政策与市场的双重驱动下，实现了飞速成长，国产化率与行业集中度同步攀升。据统计，机床行业国产化率从2015年的53%跃升至2022年的68%，国产品牌如台群精机、海天精工等在市场中的份额显著增加，跻身行业前列。与此同时，行业集中度也在稳步提高，2019年至2023年第二季度，排名前十的数控机床厂商合计市场份额从28%增长至46%。这一变化背后，既有疫情导致行业洗牌的影响，也有高端领域需求集中的作用，促使资源向头部企业集中，加速了行业的优胜劣汰。
4. AI+机床，中国企业新机遇
AI正在渗透至众多行业，工业制造和机床领域也不例外。数字工厂和AI技术的出现与应用，给中国机床企业带来了新的成长机遇，不仅有助于缩短与海外先进企业的技术差距，还能够利用低成本优势进一步提升市场竞争力。
AI技术在机床行业的应用主要体现在几个方面。首先，通过集成AI算法，数控机床能够实现更精准的加工控制，提高加工精度和效率。例如，AI可以优化加工路径，减少材料浪费，同时确保零件的一致性和稳定性，这对于五轴数控机床尤为重要，因为这类设备在复杂零件制造中扮演着关键角色。
其次，AI还能增强机床的自适应能力，使设备能够根据实时数据调整工作参数，以应对材料硬度变化或工具磨损等变量，从而保持最佳性能。此外，预测性维护也是AI在机床领域的一个重要应用，通过监控设备运行状态，提前预警潜在故障，降低非计划停机时间，提高生产效率。
AI在机床设计和工艺规划阶段也能发挥作用，比如利用机器学习模型来优化产品设计，减少试错成本，加快新产品上市速度。
最后，AI技术还能促进机床行业的复合升级，即在同一台机床上完成多种加工任务，减少工件搬运次数，提高生产灵活性和响应速度。这种复合化加工方式特别适用于小批量、多品种的生产模式，满足市场对个性化定制日益增长的需求。
中国机床企业正积极拥抱AI技术，如华中数控等公司在五轴数控机床领域展现出强劲的增长势头，预计未来几年市场规模将持续扩大。随着AI技术的不断成熟和普及，中国机床行业有望实现从传统制造向智能制造的跨越，加速迈向全球产业链的高端位置。
5. 中国机床的海外扩张
中国是世界第一大机床生产国和消费国，根据 VDW（德国机床制造商协会）发布的数据，中国在2022年已是全球最大的机床市场，机床生产额和消费额在全球占比均为32%。中国的机床消费市场按照档次分可分为如下结构：底层是低档机床，占比50-60%，由国内厂商占领，主要通过打价格战来维持竞争力，存在产能过剩现象；中部是中档机床，占比30-40%，是中外企业竞争的主要战场；顶部是高端机床，占比10%，基本被进口产品尤其是欧日企业的产品占据，机床的核心零部件数控系统、丝杠导轨等也大多依赖进口。
但随着中国机床的发展，这一切在逐步改变，中国企业也在开拓海外市场。2024年1至2月机床工具出口额33.8亿美元，同比增长14.0%，这与国家“04专项”等政策的扶持是分不开的。以海天精工和纽威数控为代表，其在印度和东南亚地区正逐渐取代中国台湾和韩国的机床产品，尽管距离全面抗衡欧日企业尚有差距。
但是，细分而言，中国机床的核心零部件出海较为艰难。试分析原因如下：
性能与成熟度差距：国产零部件的技术成熟度和性能相比整机而言仍有待提升。例如，数控系统和丝杠导轨的国产化率在国内市场不到40%，未达到足够水平以开展海外市场竞争。
出海逻辑与依赖关系：零部件的出海通常应该跟随整机的步伐，即先有整机的出口，随后再逐步推动零部件的国际化。然而，鉴于当前国产机床整机的出口量虽然势头不错但还不足以形成规模效应，零部件单独出海面临较高的门槛。
此外，机床整机的海外合作与并购也面临着障碍。
欧美日等发达国家对技术转移有着严格的规定，尤其是对中国企业。逆全球化趋势使得技术引进变得更加困难，外商投资审查机制的加强加大了中企海外并购的难度。同时，历史上的出海并购案例显示，中国机床企业并购海外企业后往往会遭遇管理难题，包括不同的企业文化和管理理念冲突，这直接关系到并购后的整合成效，多数情况下这会导致并购项目无法达到预期效果。
那么，中国电动汽车和机器人两大领域在全球的狂飙突进，能否助力中国机床解决上述问题？从技术和产业视角来看，结合前文分析，有机会，但在市场维度上恐怕依然要面对其他国家对中国出海的种种疑虑。
因此我们认为，从技术和供应链的角度去探索可能是唯一的“出路”，再结合结合本文的主题，电动汽车和机器人对技术和供应链的重塑作用值得被反复探讨。
前面说过，电动汽车的兴起对机床行业提出了新材料加工的新需求，由于电动汽车追求轻量化以提高续航里程，因此大量采用铝合金、镁合金和碳纤维复合材料等新型轻质材料。这些材料的加工特性不同于传统的钢铁材料，对机床的加工精度、表面光洁度和加工效率提出了更高的要求。这就意味着机床制造商必须开发出适用于这些材料加工的专用机床，以适应电动汽车零部件的精密制造。
同时，电动汽车的电池、电机和电控系统（BMS、EMS）等核心组件的制造，需要高度自动化的生产线和高精度的机床来确保零部件的一致性和可靠性。这不仅为机床行业开辟了新的市场领域，同时也促进了机床行业内部的技术升级和产品结构调整，以更好地服务于电动汽车产业链。
这意味着供应链上的众多企业都要同步升级自身的认知和能力。
机器人也是如此，其发展从另一个维度推动了机床行业的转型。在智能制造的大背景下，工业机器人与机床的结合变得日益紧密，形成了所谓的“机加一体”或“机加联动”。这种结合不仅可以实现无人化或少人化的生产环境，还能通过机器人灵活的作业能力，提高机床的利用率和生产效率。例如，机器人可以承担上下料、工件搬运、零件检测等重复性劳动，使机床能够连续不间断地工作，极大地提高生产线的灵活性和响应速度。
此外，机器人与机床的集成还促进了智能制造系统的构建。通过物联网（IoT）、大数据分析和AI等技术，机器人可以实时监控机床的工作状态，预测维护需求，甚至在故障发生前采取预防措施，从而降低停机时间和维护成本。这种智能化的生产模式，使得机床行业从传统的单一设备供应商转变为提供整体解决方案的集成服务商。
这每一个变动的背后，都会导致相关链条上的大小企业随之共同进化、重组、改造或被淘汰，这里裹挟着无数工人、职员、家庭，改变着一个个人生的漫长轨迹。看似轻描淡写的“产业升级”、“技术进步”之下，是万千普通人的酸甜苦辣和辛勤付出。
