奥普光电：国内光栅编码器龙头，布局高端数控迎业绩拐点

华西军工团队 2022年10月19日 首席分析师：陆洲 SACNO：S1120520110001 邮箱：luzhou@hx168.com.cn 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 仅供机构投资者使用证券研究报告|公司深度研究报告 奥普光电：国内光栅编码器龙头，布局高端数控迎业绩拐点 核心逻辑: 光栅编码器是数控机床的重要测量元件，对加工精度起决定性作用。光栅编码器主要用于直线位移或者角位移的检测，如果将机床控制系统比作高端装备的“大脑”，那么光栅尺相当于“眼睛”，它在控制系统中起着举足轻重的作用，直接关系到机床加工的精度。绝对式光栅编码器效率更高、可靠性更强，将逐步取代增量式光栅编码器，成为主流发展趋势。近两年国内外高端数控机床，基本全部采用绝对式光栅尺，应用前景非常广阔。以五轴数控机床为例，三个直线轴和两个旋转轴需对应配套三个光栅尺和两个角度编码器。 受机床需求结构升级+国产替代双重逻辑驱动，十四五期间绝对式光栅编码器市场规模有望超百亿元。我国是全球最大的机床产销国，但国内机床结构严重失衡：一方面，产业结构优化升级使得机床市场向自动化成套、客户定制化和普遍的换档升级方向发展，导致中高端数控机床市场需求旺盛；另一方面，我国数控机床供应主要定位于中低端市场，高端产品渗透率虽在提升但仍处于较低水平。据前瞻研究院整理，我国高档数控机床国产化率仅约6%。同时，高端数控机床长期面临技术封锁，当前国际形势快速变化，自主可控势在必行。在机床需求结构升级叠加国产替代的背景下，国内高端编码器市场迅速扩大，我们预计“十四五”期间，仅在高端机床领域，绝对式光栅编码器市场容量即能超过百亿元。 奥普光电子公司禹衡光学（持股65%）为国内光栅编码器龙头，在该领域拥有国内唯一的高端数控配套产品。国内绝对式编码器长期依赖进口，德国海德汉、日本多摩川、西班牙发格、英国雷尼绍占据主要市场。禹衡光学基于国家重大项目的技术积淀，于2019年推出JFT系列绝对式光栅尺和JKN-2、JKN-8系列绝对式角度编码器，产品性能达到国际先进、国内领先水平，填补了国内该领域空白。公司竞争优势明显，与国外厂商相比，公司有望利用价格优势及快速响应能力，与其共享国内外高端编码器广阔市场；与国内厂商相比，公司产品性能独一档，有望充分受益国产替代需求爆发。我们预计公司2023/2024年年均增速有望超50%。 投资建议:奥普光电背靠中科院长春光机所，近年通过“长光所体外孵化+上市公司外延并购”的模式实现快速发展。公司近1-2年受益于国产替代，高精度光栅尺和编码器、工业级超高全局快门CMOS图像传感器等需求迅速增长，进入业绩拐点。综合考虑长光宇航并表影响、上半年长春疫情造成短期影响，我们将公司2022-2024年营收预测由6.53/10.90/13.13亿元调整至6.45/11.08/14.76亿元，归母净利润由1.81/2.27/2.76调整至1.81/2.20/3.02亿元，EPS由0.75/0.95/1.15元调整至0.75/0.92/1.26元。对应2022年10月18日24.59元/股收盘价，PE分别为33/27/20倍。维持“买入”评级。 风险提示:下游制造业景气度不及预期、国产替代进度不及预期、疫情反复影响公司生产及出口等风险。 目录01光栅编码器：高精度位移测量器件，下游应用广阔 02机床需求结构升级+国产替代，双重逻辑驱动高端编码器市场扩容 03禹衡光学：国内光栅编码器龙头企业，新品蓄势迎 业绩拐点 04投资建议 05风险提示 01光栅编码器：高精度位移测量器件，下游应用广阔 光栅测量技术在精密测量领域占据重要地位：从上个世纪50年代至70年代，栅式测量系统从感应同步器发展到光栅、磁栅、容栅和球栅。由于光栅测量系统的综合技术性能优于其他4种，而且制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展得最快，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大。据《绝对式光栅传感器关键技术的研究》，目前光栅测量系统在整个测量领域里市场份额可以占到80%以上。相比激光测量，光栅常数受环境影响小，具有较强的抗干扰能力，在实际生产中更加实用。 光栅尺是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，主要用于测量直线位移。光栅尺以高精度长光栅为位移基准，以光栅莫尔条纹为技术基础，使用光电传感器将光学信号转化为电学信号，通过对电学信号进行处理，最终得到位置信息。 由光栅读数头和尺身两大主要部分组成：光栅读数头装在活动的机床部件上，内含光栅掩模也就是指示光栅，标尺光栅连同尺身安装在机床的固定部分。光栅读数头主要由光源、透镜、掩模、光电接收元件等组成。当标尺光栅与指示光栅相互运动时，光栅通过聚光镜照射到光栅副上，光栅副的相互运动产生明暗相间的条纹，经过光线的照射重叠的光栅能透过光线的形成亮条纹，而被遮挡的则形成暗条纹，亮条纹被光电接收元件接收，光敏元件根据接收到的光的明暗变化转换为不同幅值的电信号，通过差分放大电路输出。 光栅尺实物图 光栅尺工作原理图 光栅编码器以原型码盘为核心，主要用于测量角度位移。以光栅测量技术为核心，通过将计量圆光栅所检测到的空间角位置信息转换成相应的数字代码输出，用于测量角度位移。 光栅编码器基本上是由机械部件、发光接收部件、电路部件组成。机械部件由主轴、主体、轴承等零件组成，发光接收部分由发光、接收、光栅等零件组成。当编码器轴带动光栅盘旋转时，经发光元件发出的光被光栅盘、狭缝切割成断续光纤并被接收元件接受，产生初始信号，该信号经后续电路处理后，输出脉冲（或代码）信号。通过与计算机相连可以实现角位移、角速度和角加速度以及其他物理量的测量。 编码器实物图 编码器内部结构 编码器拆分示意图 编码器工作原理示意图 根据获取位置的方式不同，光栅编码器可以分为增量式和绝对式两类。 增量式：通过计算自参考点的增量脉冲信号的数量而获得位置值的旋转编码器。增量式编码器轴旋转时，有相应的脉冲输出，其旋转方向的判别和脉冲数量的增减需借助后续的判向电路和计数器来实现。其计数起点可任意设定，并可以实现多圈的无限累加和测量。也可以每圈设置一个原点，作为参考机械零位。当脉冲数已固定，而需要提高分辨力时，可利用90°相位差的AB两路信号，对原脉冲数进行倍频。增量式编码器在断电后恢复上电时，必须重新确定原点。 绝对式：全量程范围内任意位置编码器输出的每个角度信息与所对应角度为单值函数关系的旋转编码器。绝对式编码器轴旋转时，有与位置一一对应的代码(二进制、BCD码等)输出。从代码大、小的变更，即可判别正反方向和位移所处的位置，而无需判向电路。旋转位移量作为并行的2"输出，输出编码的位数越多，分辨力越高。它有一个绝对零位代码，当断电后恢复上电时，仍可准确地读出断电位置的代码，并准确地找到零位代码。一般情况下，绝对式编码器的测量范围为0°~360°，但特殊的型号也可实现多圈测量。 绝对式编码器成为未来发展趋势：绝对式编码器无需回零，能有效提高工作效率，并且可以随时监控光栅尺所处的位置，使得机床或仪器有一永远不变的参考坐标，使机床或仪器的误差修正等工作变得非常容易和可靠。绝对式光栅尺是未来光栅尺发展的一个趋势，将逐步取代增量式光栅尺。 增量式与绝对式光栅尺对比 增量式与绝对式光栅编码器码盘对比 增量式与绝对式光栅编码器的优缺点对比 增量式 绝对式 增量式绝对式 光栅编码器性能优越，下游应用日益丰富：编码器具有体积小、分辨能力高、承载能力高、力矩小、耗能低、性能稳定可靠等特点，作为一种高精度角位置测量器件，在自动化控制、计量检定等领域的应用越来越广泛。 数控机床：光栅编码器主要起到辅佐数控机床走刀精度的作用，是数控机床的闭环伺服系统的重要功能单元。在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。光栅编码器在机床上除X、Y轴进给电机控制应用外，还有主轴用编码器、刀架用编码器、对刀用手持编码器等。 工业机器人：工业领域常见的机器人有协作机器人和机械手臂两类，协作机器人用编码器的特点为厚度薄、中空且孔径大，外径反而要求越小越好，一般情况下，此类编码器都使用单圈绝对式编码器，同时配一台增量编码器。工业机械手臂，通常采用整体的伺服电机+编码器的方式来构建机械手臂，由于伺服电机小型化的需求越来越旺盛，对应编码器的小型化和超薄化的要求也越来越强烈。据工业和信息化部，2021年工业机器人产量达36.6万台，比2015年增长了10倍，稳居全球第一大工业机器人市场。 协作机器人及其关节构造机械手臂及伺服电机 国防军工：随国防科技高度发展，地面快速定向瞄准技术已逐步成为导弹武器系统激动快速发射的技术保障，也是导弹瞄准技术的主要发展方向。编码器可以应用于各种军用武器随动系统中，也作为光电经纬仪的重要功能元件，用于实现导弹初始方位角的定向和瞄准。可以说，需要实现定位测量功能的部位均有使用编码器的需求和空间。 航天航空：望远镜系统只有具备精确的测角系统才能实现精确定位，迅速捕捉跟踪被观察对象。使用高精度编码器是提高天文望远镜分辨率和探测能力的重要手段之一。如美国国家航天航空局在测量Cartesian左边的仪器中便应用了他们研发制造的超高精度光电轴角编码器；意大利国家伽利略望远镜的控制系统使用了德国海德汉公司设计制造的编码器。 经纬仪转角测量系统结构德国海德汉公司研制的27位光电轴角编码器美国研制的27位光电轴角编码器码道图 02机床需求结构升级+国产替代， 双重逻辑驱动高端编码器市场扩容 机床是现代工业的重要基石，高端数控化势在必行。机床是制造机器的机器，亦被称为工业母机、工作母机或者工具机。数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。 五轴数控机床为最高端品种，技术壁垒最高，稀缺性最强。据华经情报网，我国机床按档次可分为高档机床（10%）、中档机床（30%）和低档机床（60%）。五轴联动数控技术难度大、应用广，集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，是衡量一个国家生产设备自动化技术水平的重要标准之一。机床轴的绝对数量并非衡量数控机床先进程度的标准，重点在于联动轴数量。五轴联动是指机床基本的直线轴三轴X、Y、Z及附加的旋转轴A、B、C中的两轴，五个轴同时运动，任意调整刀具或工件的姿态，实现对空间复杂型面的加工。 五轴联动示意图五轴联动机床概述图 精密测量是数显装备重要的组成成分，机床加工精度很大程度由测量系统精度及分辨率决定。数控机床中工件的装夹定位及加工精度是评价机床性能的一个重要指标，高精度、高分辨率的位移检测是保证加工产品质量的重要手段。随着现代化机械制造业对测量设备在精度、分辨率和工作效率等各方面的要求越来越高。 机床测量系统不断演变和发展，光栅测量已经占据主要地位。机床测量系统经历从刻度盘、同步感应器、光栅、磁栅、球栅等编码器为主导的过程，近年来光栅测量系统在数控机床上的使用占据主要的地位。光栅测量系统的分辨率高达纳米级，测量长度高达百米以上。由于这些无可比拟的优点，高精度、高切削速度的数控机床无疑要采用光栅测量系统。 光栅编码器主要起到辅佐数控机床走刀精度的作用，是数控机床的重要功能部件。在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。数控机床安装了光栅尺，可以保障机床的走刀精度，对于数控机床的加工精度有着良好的辅助效果。 机床测量系统的演变和发展过程几种测量方式的分辨率 绝对式光栅尺是所有进给轴为闭环控制的机器和设备的最佳选择。绝对式光栅尺的动态性能优越，沿测量方向可靠的运动速度及加速度性能使其既满足常规轴动态性能要求，也能满足直线电机的高动态性能要求。近两