摆动式激光(激光控制系统行业研究：激光加工体系之脑，产业链盈利效率之巅)

Posted 2023-05-27

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摆动式激光(激光控制系统行业研究：激光加工体系之脑，产业链盈利效率之巅)

（报告出品方：华安证券）

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。

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 嵌入式开发、电源设计和 PCB 布线。

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。

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。

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。

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。

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。

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%，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。

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。

精密加工领域：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 3μm。目前振镜控制可以达到 0.5μm-10μm 之间，伺服电机则一般要求达到 50μm 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 以上大功率激光器。

从市场主要参与者来来看，目前国内厂商已具备核心技术能力和一定的国际竞争力。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，其产品在稳定性、可靠性、精度、速度方面均不落下风，柏楚电子、维宏股份、奥森迪科占国内市场 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，其招股书数据显示，该公司占国内高功率激光市场份额为 10%（2019），华经产研给出的 2020 年市场份额数据显示，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，积累了可观的先进技术和市场占有率，在高端领域占有重要的市场地位，根据行业内供应商出货数据及高端应用情况测算，2020 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。国内企业方面，金橙子市占率于 2020 年达到 32.29%，系国内振镜控制系统领先企业。此外，我国台湾企业兴诚科技，致力于激光标刻软件开发，目前已成为相关领域的标杆型企业。

对于振镜激光系统而言，超快激光器作为激光发生的核心部件，可分为固体、光纤和混合三种，其激光波长和功率区间为核心参数指标，此外还有峰值功率、频率、单脉冲能量等多重考量因素。振镜电机则充当光路调整和控制的重要硬件，通过施加模拟电压信号，控制反射镜片改变角度，使激光投射点移动至指定位置，完成标刻、钻孔、切割等操作。CAD/CAM 等工业设计软件则负责工件结构、轮廓、纹理的设计和绘制，相对独立。振镜控制系统承接和识别设计图纸提供的信息，利用 3D 引擎和图显引擎进行绘制，并控制激光器和电机执行对应操作。

2 市场规模与国产化进程双侧成长

2.1 激光切割占据分化场景之首，市场增速表现突出

激光切割约占四成，应用场景分化显著。从目前激光设备设备的应用领域来看，激光切割仍是核心应用领域，占据整体规模的四成以上，当前仍以伺服激光为主，振镜激光也占有一定份额。国内激光控制器领军者柏楚电子 2021 年年报显示，预计到 2023 年，中国激光切割设备总体市场规模可达 403.69 亿元。焊接、打标、半导体和显示领域的应用则位于第二梯队，分别占约 13%/13%/12%，以上领域振镜激光已经开始凭借其精度和速度优势逐渐发力。未来，随着激光设备渗透率上升，其将更为广泛地被应用于复杂加工领域，即切割占比将会略有下降，先进领域将有所增加。

激光切割与传统切削工艺此消彼长，销售及市场规模快速攀升。由于激光控制系统销量与激光切割机销量呈现高度相关性，因此激光整机设备销售量是控制系统出货量的重要参考指标。从历史数据来看，受技术自然迭代和下游需求端扩张影响，我国激光切割机总销量呈现快速上升的态势，2016 至 2020 年 CAGR 为 33.3%。传统金属切削机床产量则在 2018 年前后出现断崖式下降，随后出现震荡下行的态势，2016 至 2020 年 CAGR 为 11.67%。2021 年，我国激光设备总产量突破 20 万台，同比增长 32.9%，维持高增（前瞻产研数据）。

2.2 中低功率看市场规模增速，高功率叠加国产渗透

中低功率激光设备市场规模、国产化率双增。在工业领域，低功率激光器主要为脉冲激光，多用于打标和雕刻，工艺成熟度高，国产产品通过价格优势快速崛起。中功率激光器则被广泛用于切割和焊接，随着国产替代逐步成熟，国内市场份额逐渐被国产设备取代。中低功率激光切割设备销量快速增长，2016 至 2020 年 CAGR 为 31.4%，虽稍逊于整体市场增速，但总体仍呈现高速增长态势，2020 实现 4.2 万台销量。

中低控制系统国产渗透率高，伴随激光器市场快速成长。中低功率激光控制系统市场规模近几年维持中高速增长，由于国产渗透率较高，控制系统市场规模增速与设备销售规模高度线性相关，未来也有望随着激光器产品在工业门类中的广泛普及而逐渐放量。价格层面来看，随着渗透率上升，单价下行不可避免，但相对高溢价的高功率激光控制系统而言，中低功率控制系统价格下行趋势有望边际放缓，相关企业的毛利率表现也有望随之平稳。

高功率激光市场规模持续高速增长。高功率激光加工领域，金属切割、焊接、熔覆为主要应用场景，光纤激光器逐渐取代 CO2激光器成为主流，2020 年占全球工业激光器出货量的 50%以上，此外还有固体激光器和半导体激光器，分别约占 15%的市场份额。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%。

高功率激光器国产替代趋势明确，控制系统有望随之向上打开市场。随着国产高功率激光器，尤其是国产高功率光纤激光器的不断突破，未来我国高功率激光市场将迎来新的国产替代浪潮。从不同分段的激光器出货量变化我们可以看出，国产光纤激光器出货量正在稳步攀升，2020 年 1-3kw 激光器同比增加 33%，3-6kw 激光器同比增加 25%， 6-10kw 和 10kw 以上的光纤激光器则分别同比出现倍增，足见高功率激光器国产替代的强劲趋势。

国产崛起带来高功率激光控制系统高斜率增长。2020 年国产高功率激光控制系统市场规模同比高增 85.7%，高于中低端激光控制器增速，其主要原因为国产激光控制系统主要适配国产激光器，而随着国产高功率激光器的崛起，国产高功率激光控制系统也随之不断扩大其市场份额。展望未来，随着技术难关逐一攻克，6kw 以上国产高功率激光器将逐渐取代国外先进产品，而国产控制系统也将与之一同增长。

从控制系统市场份额来看，国产运控系统逐渐成为中低功率市场的主流，截止2020 年，以柏楚电子、维宏股份、奥森迪科为代表国产控制系统已经占据国内市场份额的 90%，其中柏楚电子占 60%，领军者地位彰显。而在高功率市场，以倍福、PA、西门子为首的国际企业仍是主流，柏楚电子占 17%。随着未来高功率激光器国产化率提升，国产系统供应商有望凭借配套优势不断崛起。

更高功率的激光设备，为了适应先进制造工艺和特定加工材料，国际先进激光切割设备制造企业已经推出万瓦级的激光切割设备，但目前受限于苛刻的技术标准和高昂的成本，普及程度远低于万瓦以下功率激光器。业内公司预测，1 万瓦级的激光器将走向普及，3 万瓦以上的激光设备也将逐渐加入市场。三维加工和机器人，相比传统二维激光加工受制于空间约束，三维激光与机械臂无疑增加了激光加工灵活度和泛用性，不再需要频繁调整被加工材料位置，显著提高了加工效率。但与此同时，控制系统也将随之从二维走向三维，复杂度骤然提升，目前高端控制系统仍以西门子等国际企业为主导。精密激光和微电子，从半导体核心设备光刻机来看，其本身就是尖端复杂激光控制器的代表。目前先进光刻机主要由荷兰 ASML 公司制造，而超快激光精密微纳加工设备或将成为我国芯片制造的核心能力和挑战，激光操作系统行业有望为之贡献一股力量。

3 行业集中度较高，赛道领军者长期领跑

3.1 柏楚电子：运控赛道翘楚，切割头业务发力迅猛

公司作为国内激光切割控制系统领军者，充分受益于国内激光切割市场快速扩张和国产化率高速提升，盈利表现显著高于市场平均水平， 2019 至 2021 年公司营收及净利润高速成长，三年 CAGR 分别达到 55.8%和 49.5%。从盈利指标来看，公司总体毛利率始终维持约 80%高位，主要系软件业务本身属性所致。2021 年由于研发费用率抬升及银行理财收益减少影响，公司净利率承压。2022 前三季度费用控制明显改善，但受制于本轮疫情影响，公司营收表现有所减缓。

发力激光切割头赛道，成长空间向上打开。在整个激光切割设备中，激光器、控制系统、切割头组成了核心三角。切割头主要负责将激光器产生的激光通过聚焦镜聚焦，关键组件为镜头组，此外还包括光纤接口、驱动模块、喷嘴模块等。由于激光切割工作环境往往存在较为严重的粉尘污染，切割头本身为需要定期更换的耗材，但也正因如此，其具备产生持续收入贡献的可能。从竞争格局来看，国内激光切割头市场主要参与者为德国 LT、Precitec 等国外企业，占据 6kw 以上高功率市场及多维加工市场。具体来看，三维五轴切割头市场，德国 LT 精密产品占据市场绝大部分份额，6kw 以上的平面切割头则由 Precitec 主导，市占率超过九成。中低功率市场，国产替代产品已经占据相当份额。价格及市场规模方面，咨询机构统计显示，我国智能切割头均价在 5 万元/台左右，展望未来，随着高功率激光器国产替代加速，智能切割头有望放量压价，其预测 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 年 CAGR 为 25.05%。

BLT4 系列定位中高功率激光切割，主打便捷、高效、稳定，其中 BLT481 机型支持 30kw 及以下激光，有能力应对多数工况需要和加工标准。此外，大量的传感器、智能挣断和防撞设计，使得该系列产品的维护成本和安全性有效提升，切割起伏平面更加稳定高效。细节方面，BLT4 全身水冷有效抑制局部温度过高，平抑温度曲线在高负荷工作后出现的翘尾效应。

迅速向高功率设备迈进。BLT6 系列是针对超高功率激光设备所研发的智能切割头，其中 BLT6101H 机型最高功率可支持 40kw。该系列全新光路设计及光学镜片优化处理，安装便捷、调试简单、性能优异、双重防尘、切割稳定。通过传感器智能检测，判断腔内气体压力、保护镜是否正常，并提供预警。穿孔检测及过程监控功能可有效提高生产效率及产品良率，并满足空气、氮气高功率切割时严格的性能要求。

定增募投剑指切割头业务，商业模式已经得到充分验证。 2021 年公司发起定增，本轮募资主要投向为智能切割头扩产项目，项目达产后，有望实现年产 14800 台智能激光切割头设备。从 2020 年业务开展以来，直至 2021 年 9 月 30 日，波刺自动化实现销售智能切割头分别为 221 套和 1111 套（波刺自动化为公司目前开展智能切割头业务的主体，负责智能切割头的机械设计和机械制造）。根据公司本次定增募集说明书显示， 2025 年激光切割头的市场总规模将达到 63,100 台。从产品布局来看，主打性价比和实用性的中低功率切割头将走量打开市场，高功率及三维切割头负责渗透由国外厂商主导的高端市场。

3.2 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

公司主营业务包括：1）激光加工控制系统，CAD 软件导入图纸和设计数据后，使用公司所开发的软件、板卡指挥激光设备完成加工；2）激光系统集成硬件，主要为高精密振镜产品，利用高精度电机进行振镜反射角度调整；3）激光精密加工设备，主要为激光调阻设备，经营主体为北京锋速精密科技有限公司（金橙子子公司），专注于专注激光调阻设备研发生产，并能够提供激光调阻整体解决方案。

从客户覆盖情况来看，目前公司第一大客户为华工科技集团，2019/2020/2021 年贡献收入分别为 998/1184/1763 万元，稳定快速增长。此外，公司还与大族激光、海目星、杰普特、德龙激光、帝尔激光等赛道领先企业开展合作，相关产品被广泛应用至高速打标、新能源划片、晶圆切割、PCB 加工、航空激光熔覆等领域，终端客户触及 3C 电子、动力电池、食饮行业。

从营收增速来看，公司主营业务即激光加工控制系统近三年 CAGR 为 50.4%，激光系统集成硬件业务三年 CAGR 为 58.1%，激光精密加工设备则在较低量级波动上升，三者 2021 年分别达到 1.47/0.40/0.15 亿元的营收体量。从分业务毛利来看，控制系统毛利率有望在 71%以上实现稳定，主要原因为技术开发难度较大，行业壁垒较高。受制于赛道差异，公司相关业务毛利水平略低于柏楚电子等伺服控制系统提供商可比业务。激光系统集成硬件业务（主要为高性能振镜产品）由于需要外购相关部件，生产成本相对较高，故毛利率约为 20%。

2022 前三季度公司毛利率水平与历史基本持平，维持在 61%左右，净利率出现较为明显的下降，由 2021 的 27.2%下降至 20.2%，主要原因为管理费用率、研发费用率出现明显上升。综合历史数据，我们认为公司整体毛利水平可控性和可预期性较强，存在较高的可控边界。

募投项目：以现有业务为基础，深耕柔性化加工领域及高精密数字振镜系统。公司计划依托长期在激光加工控制系统业务中所积累的研发经验，提升激光柔性化加工领域所需的工业机器人控制技术、高精密振镜控制技术等的研发及成果转化能力，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，计划投入约 1.64 亿元。同时在现有 G3 系列振镜产品的基础上，持续提升及突破速度、精度等性能指标，增强公司振镜产品的产能及市场竞争力，对应投入规模约为 1.31 亿元。

纵观公司及所处行业的发展历史，国产替代为重要驱动因素。公司产品均为自主开发，近 20 年的发展整体可看作振镜控制系统逐步实现进口替代的历程。 2005 年发布第一代的 EZCAD 软件和 PCILMC 控制系统，当时已可以替代美国的 PROLASER 软件、德国的 RTC4 控制系统。2019 年发布的 LARMAMOS 软件，把机械手控制、3D 视觉、 3D 振镜激光加工进行融合，具有一体标定技术，可以替代以前的示教方式等。2021 年年发布的 CUTMAKER 软件切割控制系统，应用于中低速精密切割领域，其 PSO 功能可以替代美国 AEROTECH 产品；3D PRINT 软件的 3D 打印领域性能在国内处于领先水平。

从市场份额维度来看，德国 SCAPS 和 SCANLAB 作为行业先驱，积累了可观的先进技术和市场占有率，在高端领域占有重要的市场地位，根据行业内供应商出货数据及高端应用情况测算，2020 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。国内企业方面，金橙子市占率于 2020 年达到 32.29%，系国内振镜控制系统领先企业。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

精选报告来源：【未来智库】。「链接」