2022年工业软件行业报告：激光加工体系之脑，产业链盈利效率之巅

报告出品/作者：华安证券、尹沿技、王奇珏、张帆

以下为报告原文节选
 

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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 CO 2 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%。

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