机械一周解一惑系列：光栅尺的测量地位及国产化进程

本周关注：精测电子、华中数控、曼恩斯特、华工科技、奥普光电本周核心观点：关注半导体板块及工业母机板块投资机会 光栅编码器：高精度位移核心测量器件。光栅编码器是一种测量旋转角度和线性位移的高精度传感器。其工作原理是利用光栅尺或码盘的特殊设计结构进行测量，光栅尺由透明与不透明的区域相互交替，密密麻麻而组成。当传感器内部的光信号打到光栅，照到透明区域时会显示“1”，照到不透明的区域时显示“0”，“1”与“0”的相互交替就输出了脉冲信号，使得传感器内部的光信号转换成了电信号。对于光栅编码器中的码盘，光源会通过透明的光栅线与不透明的间隔区域相交，形成光栅模式。当光线照射到光栅模式时，会产生交替的亮暗条纹，这些条纹的数量和间距与光栅线的密度和间距有关。当光线通过光栅模式照射到光敏元件上时，会产生正弦波形的电信号，根据这些电信号可以确定码盘的位置和速度。编码器按测量准确度可分为角度编码器（精度相对更高）和旋转编码器，按照编码方式可分为增量式编码器和绝对式编码器，目前增量式光栅尺由于较低的成本和技术要求，占有超过80%的份额，Global Info Research预计未来几年，绝对式光栅尺将保持更快的增长速度。 光栅测量占据测量领域80%以上份额，2020年全球收入6.2亿美元，国内10.3亿元。光栅测量系统具有综合技术性能更好、制造成本更低的优势。因此，光栅技术的发展速度最快、技术性能最高、市场占有率最高、产业规模最大。据《绝对式光栅传感器关键技术的研究》所述，目前光栅测量系统在整个测量领域中市场份额占据了80%以上。光栅广泛应用于机床、机器人、自动化生产线、半导体生产设备、医疗设备、航空航天、国防军工等领域，目前数控机床占有67%的份额，预计未来几年依然是最大下游，尤其是中高端类型。参考Global Info Research的统计数据，2020年全球光栅尺收入大约6.2亿美元，Global Info Research预计2026年达到7.2亿美元，CAGR=3.7%；2020年，中国光栅尺市场规模达到了10.3亿元，Global Info Research预计2027年将达到19.7亿元，CAGR=7.0%。目前中国光栅尺市场，主要由德国的海德汉Heidenhain、西班牙发格、英国雷尼绍、和三丰Mitutoyo等欧洲和日本品牌主导，尤其是在中高端领域，这几个品牌占有接近90%份额。 禹衡为国内高端龙头，国产替代趋势已成。控股子公司禹衡光学是国内编码器领域的龙头企业，是唯一被国家认定为编码器工程中试基地的公司。2021年实现了2.08亿元的营收，同比增长了25.40%。2022年同比下降13.9%至1.79亿元。2022年净利润1244.79万元，同比下降了8.5%。2022年的业绩下滑主要受疫情影响。在高端角度编码器和绝对尺领域，公司的表现优异，这主要得益于国家需求、市场需求以及国际局势等多种因素的叠加影响，这些因素导致国内对高端传感器的需求大幅增加。据公司2023年2月和5月投关活动记录表显示，禹衡光学是国内高端机床光栅编码器核心供货商，公司现在的产品基本可以达到海德汉90%以上的性能，满足在中国高端机床上的使用要求，价格有20%-30%的优势，在国产替代大趋势下发展潜力较大。 投资建议：建议关注光栅尺行业国产头部企业，禹衡光学。 风险提示：市场需求低于预期风险、行业偏小导致研发投入不足风险。 1光栅编码器：高精度位移核心测量器件 1.1光栅编码器实现电信号的精准转换 光栅编码器是一种测量旋转角度和线性位移的高精度传感器。其工作原理是利用光栅尺或码盘的特殊设计结构进行测量，光栅尺由透明与不透明的区域相互交替，密密麻麻而组成。当传感器内部的光信号打到光栅，照到透明区域时会显示“1”，照到不透明的区域时显示“0”，“1”与“0”的相互交替就输出了脉冲信号，使得传感器内部的光信号转换成了电信号。对于光栅编码器中的码盘，光源会通过透明的光栅线与不透明的间隔区域相交，形成光栅模式。当光线照射到光栅模式时，会产生交替的亮暗条纹，这些条纹的数量和间距与光栅线的密度和间距有关。当光线通过光栅模式照射到光敏元件上时，会产生正弦波形的电信号，根据这些电信号可以确定码盘的位置和速度。 图1：光栅编码器工作原理 编码器按测量准确度可分为角度编码器和旋转编码器：测量精度高于20角秒的编码器被称为角度编码器，其主要应用于数控分度盘、精密转台、DD马达等。 测量精度低于20角秒的编码器被统称为旋转编码器，主要应用于纺织机、包装机、加工中心、机器人等。旋转编码器又可按生成信号的模式进一步细分为绝对式、增量式和混合式。 按照编码方式可分为增量式编码器和绝对式编码器：增量式编码器输出脉冲，从A、B两组正交的脉冲的相位关系来确定旋转的方向，靠累积计数的方式来确定角度和位移。增量式编码器结构相对简单，但断电后无法保留当前位置信息，需要重新回零点。绝对式编码器结构相对复杂，但可记录当前唯一的地址信息，掉电后不需要回零点，可在当前位置继续工作。 以旋转编码器为例，绝对式旋转编码器中每一个角度和位置输出的编码值都是固定的，在这种编码器内部有许多通道孔洞的排列组合，每一种组合代表一个编码值。绝对式旋转编码器可以测量角度。其工作原理为轴上的开槽盘与固定式接收元件的配合使用。当轴旋转时，会产生一个独特的编码曲线，这意味着轴的每个位置都有一个模式，该模式用于确定旋转的确切位置。如果关掉编码器的电源并转动轴恢复供电后，编码曲线会显示断电之前的绝对位置。在需要较高精确度的项目中，编码器是最佳选择，因为编码器始终根据生成的唯一模式来确定位置。绝对测量编码器可以是单圈或多圈，单圈编码器用于短距离的测量，而多圈编码器更适合于长距离，可以满足更复杂的定位要求。 增量式旋转编码器与绝对式编码器相同，也有一个码盘，编码器内部的光源会不断照射码盘上的孔洞，每照射过一个孔洞就会产生一次脉冲输出进行计数。与绝对式编码器不同的是，增量式编码器码盘上的孔洞大小是相同的，并且在编码器输出上会有AB两路信号，这两路信号可以用于判断编码器的正反转。每次轴旋转测量时都会创建输出信号，然后根据每转的信号数来定义输出信号，增量编码器上电后开始计数。所以与绝对编码器不同，增量编码器没有位置记录。由于增量编码器在启动时会因电源中断而从零开始计数，因此有必要为所有需要定位的项目确定一个参考点。 图2：增量式和绝对式光栅尺对比 图3：增量式和绝对式码盘对比 从产品类型及技术方面来看，目前增量式光栅尺由于较低的成本和技术要求，占有超过80%的份额。Global Info Research预计未来几年，绝对式光栅尺将保持更快的增长速度。 1.2光栅测量占据测量领域80%以上份额 光栅测量技术在精密测量领域占据着重要的地位。从上个世纪50年代至70年代，栅式测量系统经历了从感应同步器到光栅、磁栅、容栅和球栅的演变过程。 与其他四种技术相比，光栅测量系统具有综合技术性能更好、制造成本更低的优势。 因此，光栅技术的发展速度最快、技术性能最高、市场占有率最高、产业规模最大。 据《绝对式光栅传感器关键技术的研究》所述，目前光栅测量系统在整个测量领域中市场份额占据了80%以上。相比激光测量技术，光栅常数受环境影响小，抗干扰能力强，在实际生产中更加实用。 一般来说，光栅编码器具有高分辨率、高精度和高可靠性等优点，适用于各种高精度测量和定位应用。它们广泛应用于机床、半导体、医疗设备、航空航天等领域，是现代高精度制造和测量的重要组成部分。同时，由于编码器涉及到很多技术领域，例如电磁、光电、电感、电容和激光等，编码器领域的门槛相对较高。 1.3数控机床是光栅编码器主要使用下游 光栅编码器是一种高精度的测量装置，广泛应用于机床、机器人、自动化生产线、半导体生产设备、医疗设备、航空航天、国防军工等领域，目前，数控机床是最大的下游应用领域，占有67%的份额，预计接下来几年该领域依然是最大的下游市场，尤其是其中的中高端类型。 在机床领域，光栅编码器可用于数控机床、加工中心等设备的位置控制和运动控制，以实现高精度的加工。普通车床上，直接安装编码器的有机床主轴编码器、刀架编码器、手轮编码器，间接安装的主要在伺服电机上，高端的车床配有光栅尺。 在机器人和自动化生产线领域，光栅编码器可用于机器人的定位和轨迹跟踪，以及自动化生产线中机械手臂的控制和运动监测。 在半导体生产设备领域，光栅编码器可用于晶圆切割机、薄膜涂覆机等设备的位置测量和控制。 在医疗设备领域，光栅编码器可用于放射治疗机器、医学成像设备等高精度的医疗设备中，以实现对患者的精准治疗和诊断。 在航空航天领域，光栅编码器可用于航空航天器的导航、控制和姿态测量等方面，以确保飞行器的精准控制和稳定运行。 在国防军工领域，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。 图4：编码器在机械手臂及伺服电机中的应用 图5：编码器在机器人中的应用 光栅编码器在机床伺服系统中被广泛应用，伺服控制系统又可分为半闭环和全闭环控制系统两种。在半闭环控制进给伺服系统中，位置检查装置通常安装在驱动电机或丝杆的端部，以间接检测丝杠或回转马达的回转角来测量机床运动部件的实际位置。这种测量方式会带来一系列测量误差，包括滚轴丝杠的节距误差、反向误差、驱动系统变形以及滚轴丝杠热膨胀引起的定位误差等。 相比之下，全闭环控制进给伺服系统采用位置测量装置（如光栅尺）安装在机床运动部件上，并对移动部件进行实时反馈，自动补偿机床运动误差。全闭环控制系统的优点在于实现了运动部件的直接终端位移测量，克服了半闭环系统的间接测量误差，系统精度更高。在采用全闭环控制进给伺服系统的情况下，机床精度几乎只取决于光栅尺的精度和安装位置。 图6：半闭环控位置反馈控制 图7：全闭环位置反馈装置 目前，国内外最新高端机床基本采用绝对式光栅尺。绝对式光栅尺以其卓越的动态性能而著名，被比喻为“数控机床的眼睛”。在测量方向上，其可靠的运动速度和加速度性能既满足了常规轴的动态性能要求，也能满足直线电机等高动态性能设备的要求。以五轴数控机床为例，其三个直线轴和两个旋转轴需分别需要对应三个光栅尺和两个角度编码器。禹衡光学传感器系列产品中，JFT-10、JZN-1、JKN-2C、JKW-1、JKD-4C等光栅旋转编码器在高端数控机床已经得到了应用，其主要客户包括华中数控、广州数控等国内一流机床厂家。 1.42020年全球收入约6.2亿美元，中国约10.3亿元 参考Global Info Research的统计数据，2020年全球光栅尺收入大约6.18亿美元，预计2026年达到7.16亿美元，2021至2026期间，年复合增长率为3.7%。2020年，中国光栅尺市场规模达到了10.3亿元，预计2027年将达到19.7亿元，年复合增长率（CAGR）为7.0%。目前中国光栅尺市场，主要由德国的海德汉Heidenhain、西班牙发格、英国雷尼绍、和三丰Mitutoyo等欧洲和日本品牌主导，尤其是在中高端领域，这几个品牌占有接近90%的市场份额。 2、禹衡为国内高端龙头，国产替代趋势已成 2.1国内唯一被认定为编码器工程中试基地 奥普光电控股子公司禹衡光学是国内编码器领域的龙头企业，是唯一被国家认定为编码器工程中试基地的公司。禹衡光学在研发能力、技术水平、产业规模和市场占有率等方面均位居国内同行业之首。在光栅传感器领域，禹衡光学具有绝对优势，2021年销售116.67万个，同比增长33.47%。此外，公司还提供专门的产品来供应工业机器人和协作机器人，并在近年来实现了较快的增长。光栅编码器是一种集光、机、电技术于一体的数字化传感器，可高精度测量转角或直线位移，是机器人关节电机的重要部件。 公司积极参与制定行业标准，承担国家重大专项，推动国内光栅编码器产业迅速发展。自2009年以