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1、工业软件工业软件系列报告（二十一）/行业深度激光加工体系之脑，产业链盈利效率之巅行业评级：增持报告日期：2022-11-22行业指数与沪深 300 走势比较分析师：尹沿技执业证书号：S0010520020001邮箱：yinyj分析师：王奇珏执业证书号： S0010522060002邮箱：wangqj分析师：张帆执业证书号： S0010522070003邮箱： zhangfan联系人：张旭光执业证书号： S0010522060002邮箱：wangqj相关报告1.华安证券计算机行业专题：工业软件为何能强势崛起，从高维视角看工业软件投资机会，经营管理和工业互联网篇2021-8-16主要观点：l 国产
2、替代为发展主线，高功率产品空间广阔纵观激光控制系统行业的发展历史，国产替代为重要驱动因素。伺服控制系统方面，中低功率领域，以柏楚电子为首的国内企业已经拥有国际领先的技术水平，柏楚电子、维宏股份、奥森迪科合计占国内市场 90% 以上份额。高功率领域，以德国倍福、PA、西门子等为代表的国际企业仍占有较为明显的先发优势，国内厂商占比仍处在较低水平，但国内领军者柏楚电子市占率正在攀升， 2019 年占国内高功率激光市场份额为10%，2020 年市场份额数据（华经产研）显示，该数值已经上升至 17%。振镜控制系统方面，德国 SCAPS 和 SCANLAB 作为行业先驱，在高端领域占有重要的市场地位， 2
3、020 年我国高端振镜控制系统的国产化率为15%（来源：金橙子招股书），存在较为显著的国产替代空间。l 伺服与振镜控制系统，应用领域与技术路径分野振镜与伺服激光技术路线，控制原理、适用场景存在显著差异。振镜控制通过镜片摆动调整光路，将激光指向目标位置，适用于高速微加工，而伺服激光依靠伺服电机驱动激光头移动至正确位置完成激光照射，适配大面积宏加工，被广泛用于大幅面的切割、焊接，包括钣金加工、汽车制造、航空航天等领域。振镜激光则主要用于标刻、钻孔、3D 打印、精密切割等场景，以高速度、高精度、微加工为核心特征。目前振镜控制系统可以达到 0.5m-10m 之间，伺服电机则一般要求达到 50m 左右。
4、我们认为，随着振镜激光行业的快速成长，有望加速激光应用领域分化，使之向更多加工场景渗透。l 智能制造不断加密，优质企业不断向产业链其他领域渗透高功率激光加工领域，金属切割、焊接、熔覆为主要应用场景。从市场规模来看，2020 年迎来 85.7%的高速增长，2016 至 2020 年 CAGR 为40.8%，中低功率市场增速相对稍逊，同期 CAGR 为 31.4%。伺服激光控制系统领军者柏楚电子在不断突破高功率伺服运控市场的同时，发力智能激光切割头赛道，成长空间向上打开。华经产研预测 2022 至 2025 年，我国智能激光切割头有望从 8.45 亿元增长至 25.84 亿元，2020-2025
5、年 CAGR 为 25.05%。振镜激光方面，金橙子本次募投后将深耕柔性化加工领域，致力于向客户提供包括激光加工控制系统、机器人、三维振镜、视觉处理在内的综合解决方案。同时其高精度振镜产品也将持续投入研发，试图突破精度和速度等核心竞争力指标，加速国产替代。l 投资建议目前激光控制系统行业领军者凭借出色的盈利质量和成长态势，展现出极佳的估值弹性和投资价值，建议关注：柏楚电子：伺服激光运控赛道翘楚，智能切割头业务发力迅猛；金橙子：振镜激光控制系统赛道领军者，优质客群叠加广泛应用场景。敬请参阅末页重要声明及评级说明证券研究报告电力信息化l 风险提示1）技术研发不及预期；2）政策支持不及预期；3）下游
6、需求不及预期。22 / 31证券研究报告敬请参阅末页重要声明及评级说明工业软件正文目录1 激光加工体系之脑，产业链盈利能力之巅61.1 技术密集赛道，铸就高行业壁垒61.2 位居全产业链中游，扮演激光加工体系之脑81.3 伺服与振镜控制系统技术路径差异与应用领域分野112 市场规模与国产化进程双侧成长142.1 激光切割占据分化场景之首，市场增速表现突出142.2 中低功率看市场规模增速，高功率叠加国产渗透153 行业集中度较高，赛道领军者长期领跑203.1 柏楚电子：运控赛道翘楚，切割头业务发力迅猛203.2 金橙子：振镜激光控制系统赛道领军者，优质客群叠加广泛应用场景25风险提示3033
7、/ 31证券研究报告敬请参阅末页重要声明及评级说明mNrMmRtNxPqNuNoPsOrPwPbRbP9PnPpPpNnPlOpOrQjMtRsO8OqRmQMYsOqPNZnNqR工业软件图表目录图表 1 激光切割流程和对应关键技术 .6图表 2 PAC 基本结构 .7图表 3 板卡控制系统 .7图表 4 总线控制系统 .7图表 5 正运动开放式总线控制器详解 .8图表 6 激光控制系统所处产业链位置 .9图表 7 我国工业激光产业市场规模（亿元） .9图表 8 激光切割设备成本分布情况 .10图表 9 业内公司毛利率水平 .10图表 10 振镜控制系统和伺服控制系统对比（一） .11图表
8、11 振镜控制系统和伺服控制系统对比（二）.12图表 12 振镜控制系统和伺服控制系统对比（三） .13图表 13 振镜控制系统和伺服控制系统对比（四） .13图表 14 我国激光设备应用类型占比（2020） .14图表 15 我国激光切割机总销量 .15图表 16 我国金属切削机床总产量 .15图表 17 我国中低功率激光切割设备销量 .16图表 18 我国中低功率激光运控系统市场规模 .16图表 19 不同功率激光运控系统市场价格 .17图表 20 我国高功率激光切割设备销量 .17图表 21 2019 年与 2020 年我国光纤激光器出货量对比.18图表 22 我国高功率运控系统市场规模
9、（亿元） .18图表 23 国内中低功率运控系统市占率（2020 年） .19图表 24 国内高功率运控系统市占率（2020 年） .19图表 25 激光系统发展前瞻 .19图表 26 公司营收规模及增速 .20图表 27 公司净利润及增速 .20图表 28 柏楚电子盈利比率指标汇总（%） .20图表 29 我国智能激光切割头需求量及预测（台） .21图表 30 我国智能激光切割头市场规模及预测（亿元） .22图表 31 柏楚电子 BLT4 系列激光头镜片组 .22图表 32 柏楚电子 BLT4 系列激光头结构示意图 .22图表 33 柏楚电子 BLT4 系列激光头温控曲线 .23图表 34
10、柏楚电子 BLT4 系列激光头相关指标 .23图表 35 BLT6 系列高功率激光智能切割头 .23图表 36 拟生产的六类智能激光切割头 .24图表 37 公司主要业务 .25图表 38 金橙子下游客户 .26图表 39 金橙子下游客户及销售收入占比（2021） .26图表 40 金橙子分业务营收 .27图表 41 金橙子分业务毛利率 .2744 / 31证券研究报告敬请参阅末页重要声明及评级说明工业软件图表 42 金橙子盈利指标27图表 43 金橙子募投项目概况28图表 44 金橙子发展历程29图表 45 振镜系统市场份额2955 / 31证券研究报告敬请参阅末页重要声明及评级说明工业软件
11、1 激光加工体系之脑，产业链盈利能力之巅1.1 技术密集赛道，铸就高行业壁垒对于常规激光加工流程而言，主要包括以下步骤：1）使用激光专用设计软件或者第三方通用工业设计软件（CAD、Solidworks 等）进行零件和装配体的图纸绘制；2）将加工图纸文件转换为机床代码；3）激光加工机床按照代码指令执行任务，涉及图形编辑、工艺设置、运动控制、（切割头、激光器等）外设控制、焦距控制，最终完成加工。简言之，即图纸设计、工艺设计、机床代码输出、NC 加工。控制系统厂商所涉及的核心软件技术包括：1）CAD 技术，设计、建模、排版（明确要加工成什么样子）；2）CAM 技术，根据设计和工艺要求，计算生成合适的
12、刀路轨迹、气路、焦点等控制参数和加工模型，并生成数控系统（NC）执行的指令（明确如何加工）；3）NC 技术，根据机床代码执行具体的加工工序，控制切割头、激光器运动；4）硬件设计技术，主要包括嵌入式软件及硬件电路设计。图表 1 激光切割流程和对应关键技术资料来源：柏楚电子招股书，华安证券研究所整理PAC 以微型计算机为基础，大部分计算由通用计算机承担，一般通过扩展卡进行外部设备控制，所有的控制功能作为软件任务在实时环境中运行。相比于 PLC 而言，PAC 可类比智能手机之于功能机。核心组件包括：GUI 图形用户界面，用户进行编辑调控操作的主页面。PLC 内核，进行各种开关信号的逻辑处理，实现电气
13、设备的启停、切换、保护功能。CNC 内核，根据机床代码执行加工程序，实现运动轨迹的实时译码、各种刀具补偿、速度规划等。核心竞争力的体现：1）自动排样算法，排样算法最直观的体现就是板材的利用率情况，目前国内部分企业基于套料系统和加工系统的密切配合，以及先进的算法，实现了接近乃至超越国际对手的板材利用率；2）完善的激光工艺库，对不同物理参数的激光进行数字化并形成集合，方便在不同需求和场景中选择合适的切割工艺；3）速度规划算法，适用于部分曲线运动的恒定加速度插补，提高加工效率；4）高精度伺服控制算法，一般是通过缩短控制周期的方式，提高运动精度；5）运动控制板卡的研发设计能力，主要包括 ARM 嵌入式
14、开发、电源设计和 PCB 布线。66 / 31证券研究报告敬请参阅末页重要声明及评级说明工业软件图表 2 PAC 基本结构资料来源：维宏股份招股书，华安证券研究所整理板卡控制系统，采用局部并行总线 PCI 通道（与独立显卡、声卡的连接方式类似），实现对机械传动装置、激光器、辅助气体等外部设备的控制。其核心特点是配置灵活，性价比高，可与客户手头合适的电脑直接配合使用。总线控制系统，集成了板卡控制系统、随动控制系统、显示器、工业计算机、操作面板等部件的完整模块。通常采用 EtherCAT 总线技术（一种基于以太网端口的通道）。其主要优势在于高集成度、高稳定性。图表 3 板卡控制系统图表 4 总线控
15、制系统资料来源：柏楚电子招股书，华安证券研究所资料来源：柏楚电子招股书，华安证券研究所开放式激光控制系统，通过网口与电脑相连，EtherCAT 总线与激光器相连，也可依靠 EtherCAT 总线串联更多扩展卡和相关总线驱动。此外，大量的 IO 接口直连实现对多个伺服/步进电机、振镜模块的驱动。其良好的扩展性能够适应伺服激光、振镜激光，以及多维度、多场景的工作需要。77 / 31证券研究报告敬请参阅末页重要声明及评级说明工业软件图表 5 正运动开放式总线控制器详解资料来源：正运动技术，华安证券研究所整理1.2 位居全产业链中游，扮演激光加工体系之脑激光控制系统处于全产业链中游，发挥类似大脑和驱动
16、的作用。随着制造业升级和技术进步，激光技术逐渐被普及到消费电子、工业制造、医疗生物等下游，用于标刻、切割、焊接、熔覆及微加工，而光学元件、数控系统始终是占据产业价值链核心的两大领域。其中控制系统负责进行决策、执行和驱动，与激光硬件高度配合，组成成套激光加工设备。从直接上游来看，激光控制系统供应商需要对接芯片厂商、PCB 厂商以及相关线材供应商，从目前国产替代情况来看，部分芯片可以实现国产化，但部分仍倚重德州仪器等国际供应商。PCB 及线材基本国产化，且供应充足，价格透明。88 / 31证券研究报告敬请参阅末页重要声明及评级说明工业软件图表 6 激光控制系统所处产业链位置资料来源：金橙子招股书，
17、华安证券研究所全产业链高度景气，复合增速表现亮眼。工业激光器在电子、机械、冶金、轻工等领域被广泛使用，使用场景、工艺类型不断多样化。从全产业规模增速来看，前瞻产研对我国工业激光产业市场规模给出未来五年 CAGR 预测为 20%。我们认为，随着全产业链价值不断提升，控制系统作为激光设备之脑，无疑将随之成长，考虑到加工复杂程度攀升，其价值量也有望向上突破。图表 7 我国工业激光产业市场规模（亿元）3000我国工业激光产业市场规模（亿元）2500CAGR=20%20001500100050002022E2023E2024E2025E2026E2027E资料来源：前瞻产业研究，华安证券研究所99 /
18、31证券研究报告敬请参阅末页重要声明及评级说明工业软件控制系统占成本比重较小，但盈利能力出众。从成本分布情况来看，激光器、床身等基础硬件占比较高，分别占四成和三成左右，但受制于原料/元器件成本，其毛利率相对较低，并且部分成熟产品竞争激烈，厂商议价能力相对一般。运控系统则相反，其占整体成本比重较低，但具备较高技术壁垒和用户粘性，竞争参与者少，毛利率高，在价值链中表现出良好的利润属性。图表 8 激光切割设备成本分布情况 激光器 床身 切割头 运控系统 其他20%40%5%5%30%资料来源：华经产业研究院，华安证券研究所以业内各公司 2021 年披露的数据为例，其激光加工控制系统业务毛利率为 72
19、%，加总其硬件业务后，整体毛利率来到 60.1%。柏楚电子则整体毛利率高达约 80%，虽环比有所下降，但仍表现亮眼。维宏股份业务组成则更为复杂，横跨 3C、激光、切削等多个领域，硬件产品也相对更加丰富，因此其综合毛利相对较低，但仍高于激光器、激光头、机械臂等其他产业链内部件提供商。图表 9 业内公司毛利率水平柏楚电子销售毛利率(%)金橙子销售毛利率(%)85维宏股份销售毛利率(%)81.580.780.378.980757064.063.56563.361.360.161.16055.253.855502019202020212022Q3资料来源：Wind，华安证券研究所1010 / 31证券
20、研究报告敬请参阅末页重要声明及评级说明工业软件1.3 伺服与振镜控制系统技术路径差异与应用领域分野振镜与激光技术路线，控制原理、适用场景存在显著差异。振镜控制适用于高速微加工，伺服激光适用于大面积宏加工。从激光光路驱动方式来看，可分为通过镜片摆动调整光路，将激光指向目标位置的振镜控制，以及依靠伺服电机驱动激光头移动至正确位置的伺服控制两种类型。振镜激光主要用于标刻、钻孔、3D 打印、精密切割等场景，以高速度、高精度、微加工为核心特征。伺服激光则用于大幅面的切割、焊接，广泛适用于钣金加工、汽车制造、航空航天领域。图表 10 振镜控制系统和伺服控制系统对比（一）资料来源：华安证券研究所整理精密加工
21、领域：从精度要求来看，精密加工对于精度存在不同程度的严格要求，晶圆领域直线切割精度高达 3m。目前振镜控制可以达到 0.5m-10m 之间，伺服电机则一般要求达到 50m 左右。而从速度要求来看，部分高速标刻需要达到 1500/分钟的赋码速度。此外，由于加工材料类型众多，其对不同激光的吸收作用存在差异，部分材料须使用特定波长、特定功率、特定工作机制的激光器才能进行加工。例如晶圆切割因为其材质薄脆，一般只使用 10w 以内的超快激光。金属板材加工领域：通常涉及大幅面匀速加工，切割精度常规要求为 0.3-0.5MM，运功轨迹的速度约为 200mm/s，在切割焊接过程中往往需要采用 500W 以上大
22、功率激光器。1111 / 31证券研究报告敬请参阅末页重要声明及评级说明工业软件图表 11 振镜控制系统和伺服控制系统对比（二）技术路线适用材质适用场景举例适用工艺适用激光器类型加工核心性能指标表面加工通常使用 10W-100W单个二维码（ 10 10mm）高速标刻的赋码速度高达 1,200-1,500/激光器分钟通常使用 100-200W高速扫描速度可达 7mm/s，激光打孔打孔加工激光器，根据加工钻孔真圆度高于 95%需要调整适配功率广泛应用电阻微调修刻精密修调通常使用 10W 以内加工最小线宽可达 4m，最振镜控制于金属、的紫外激光器低阻值控制可达 0.1 毫欧系统非金属材FPC 板、PCB 板切通常使用 10W-30W加工精度可达20m；协调料加工精密切割振镜与 XY 平台工作