運動控制器產業調研報告

面向航空航天、高端裝備、電子制造、新能源、新材料、醫療儀器等戰略性新興產業的迫切需求，實現高端產業激光制造裝備的自主開發，形成激光制造的完整產業體系，促進我國激光制造技術與產業升級，大幅提升我國高端激光制造技術與裝備的國際競爭力。面向寬禁帶半導體器件、光通訊器件、MEMS（微機電系統）器件、功率電子器件、新型顯示、半導體照明、高效光伏等泛半導體產業領域的巨大市場需求，開展關鍵裝備與工藝的研究，重點解決電子器件關鍵材料裝備、器件制造裝備等高端裝備缺乏關鍵技術、可靠性低、工藝開發不足等問題，推動新技術研發與關鍵裝備研發的協同發展，構建高端電子制造裝備自主創新體系。增材制造重點解決增材制造領域微觀成形機理、工藝過程控制、缺陷特征分析等科學問題，突破一批重點成形工藝及裝備產品，在航空航天、汽車能源、家電、生物醫療等領域開展應用，引領增材制造產業發展。形成創新設計、材料及制備、工藝及裝備、核心零部件、計量、軟件、標準等相對完善的技術創新與研發體系，結合重大需求開展應用示范，具備開展大規模產業化應用的技術基礎。（一）增材制造控形控性的科學基礎探索增材制造自由成形過程的成形幾何精度、成形效率、材料組織結構與性能的形成規律與關鍵影響因素和控制方法，為提升增材制造工藝技術和裝備設計水平提供堅實的科學支撐，并為形成重大原創性增材制造新技術提供科學指引。（二）基于增材制造的結構優化設計技術發展基于增材制造工藝特性，融合力學、物理與化學多種功能的結構優化設計技術，為結構整體化、輕量化、高性能化和滿足聲、光、電、磁、熱等多功能化提供設計方法和設計軟件，支撐我國高端裝備的自主創新設計和跨越式技術發展。（三）增材制造專用材料制備技術基于增材制造的工藝特性和應用需求，開展增材制造專用金屬和非金屬材料的設計與制備技術研究，最大限度地發揮增材制造技術優勢，大幅度拓展增材制造的產業化應用領域。（四）增材制造的核心裝備設計與制造技術針對激光/電子束選區熔化、激光選區燒結、高能束金屬沉積成形、光固化、激光沉積打印、微滴噴射3D打印、熔融沉積造型等已經展示重大產業化應用價值的增材制造技術，開展相關裝備設計與制造技術的深入研究，占據增材制造產業價值鏈的高端。（五）評價體系與標準建設研究制定增材制造的材料標準、設計標準、工藝標準、裝備標準、檢測標準、數據標準和服務標準等7個方面的標準體系，為增材制造的廣泛產業化應用奠定基礎，并顯著增強我國增材制造技術的國際競爭力。智能機器人推動機器人產業與人工智能等新一代信息技術深度融合，突破共性關鍵技術，形成具有國際競爭力的機器人產品，協同標準體系建設、技術驗證平臺與系統建設、以及典型示范應用，支撐我國機器人技術和產業向高端發展。（一）智能機器人基礎前沿技術結合機器人與以人工智能為代表的新一代信息技術深度融合的國際發展趨勢，開展機構/材料/驅動/傳感/控制與仿生的創新技術、智能機器人感知與認知技術、智能機器人學習與智能增殖技術、人機自然交互與協作共融技術等重大基礎前沿技術研究，搭建機器人技術驗證平臺系統，開展試驗驗證，取得原創性創新成果，為我國新一代智能機器人提供技術支撐。（二）智能機器人共性關鍵技術以攻克制約我國機器人技術與產業發展的共性關鍵技術為目標，開展高性能機器人核心零部件（RV減速器、諧波減速器、伺服電機與驅動器、機器人控制器）、專用傳感器、軟件體系及多任務操作系統、功能軟件、計量測試/安全與可靠性、應用工藝及系統集成等共性關鍵技術研究，建立機器人安全性與可靠性技術體系，機器人性能達到國際同類產品水平，解決我國機器人產業空心化問題，提升國產機器人的國際競爭力。（三）新一代機器人技術與平臺開展主/被動結合新型機構與驅動、模塊化柔順關節、關節變剛度彈性驅動、生物-機械界面與接口的人機相容性設計、人機安全共存、智能交互、協同作業等新一代機器人核心技術研究，研制以協作型多自由度輕型臂、協作型雙臂機器人、移動操作臂等為代表的新一代互助協作型作業機器人和以上肢外骨骼、下肢外骨骼、全身外骨骼等為代表的新一代人體行為增強型機器人試驗樣機系統，為后續產品化奠定技術基礎，實現新一代機器人技術研究與世界同步，搶占技術與產業制高點。（四）機器人關鍵產品/平臺/系統研發研發新型作業機器人、醫療/康復機器人、面向老年人/殘障人士的生活輔助機器人、特殊環境服役自主作業機器人、機器人云端在線服務平臺、機器人智能作業技術及系統等高端機器人關鍵產品/平臺/系統，豐富我國機器人產品種類，完善我國機器人產品譜系建設，提升我國機器人的整體性能與智能水平，創新服務領域和商業模式，支撐我國機器人技術與產業向高端發展，徹底轉變低水平重復的局面。（五）系統集成與應用推進我國機器人面向制造業典型行業/重點領域、醫療/康復、助老助殘/智慧家庭/社會服務、安全與救援/科學工程等行業/領域的系統集成與應用，實現我國機器人技術與產品在國家重點行業/領域高端應用和典型領域拓展應用，提高國產機器人國際競爭力，為國產機器人產業化奠定基礎，加速推進我國智能機器人技術與產業的快速發展。智能工廠適應工廠智能化的發展趨勢，重點研發智能制造標準化共性關鍵技術，實現智能工廠共性關鍵技術研發、技術的工程化和產業化。提升我國工業自動化行業的整體創新水平和自主裝備能力，滿足國家科技創新、產業升級和轉型的重大戰略需求。（一）工業互聯網技術與系統針對物理信息系統中信息與物理交叉融合造成的復雜性系統問題，建立工業互聯網復雜系統模型，攻克以智能工廠為對象的全網互聯技術，給出工業互聯網復雜系統的實現能力、性能分析與評價方法。重點研究工業互聯網一體化架構、工業互聯網的泛在感知網絡互聯和實時控制技術、多源異構網絡互聯與語義化互操作技術、動態自組織軟件定義的工業控制網絡技術、工業互聯網驗證測試平臺。攻克大規模、異構、高實時、高安全、可重構工業互聯網共性關鍵技術，實現工業互聯網系統安全可靠應用，建立工業互聯網與智能工廠測試驗證平臺。（二）智能控制器與系統以新一代信息技術為基礎，研制新型、高端、可信智能控制器，提升工廠制造過程和制造裝備的自有處理能力和智能水平。重點研究智能裝備CPS型控制器與關鍵技術、基于移動互聯的智能產線控制管理器、高可信多重冗余控制系統與關鍵技術、新一代SCADA系統與關鍵技術、工業組態和工業監控等工業軟件、精密系統裝配過程數據采集與控制裝置。攻克云端服務、高實時任務、高可信控制共性關鍵技術，實現實時仿真、全分布式控制、多種控制器無縫集成。（三）制造過程的系統設計、控制與優化針對智能工廠的工程化基礎方法和實施手段，研究開發面向CPS的工程工具和實時在線優化控制工具以及先進的模型庫知識庫，提升智能工廠的工程應用目標。重點研究生產過程與設備的建模仿真與優化控制技術、先進制造智能服務體系與全流程智能優化技術、全過程的數據實時獲取分析與信息整合技術、工業互聯網語義化編程技術與組態工具、分子級表征建模工具與在線實時優化控制系統設計平臺、模塊化協同設計工具與實時控制系統設計平臺。攻克分子級表征與建模、多層域多尺度建模、系統設計、基于知識和數據的仿真模擬與實時優化、在線服務與全流程優化技術，實現仿真設計與控制優化系統工具與平臺。（四）CPS制造執行系統與運營管理針對智能工廠的生產要素、能效管理、智能決策和生產服務關鍵技術，研究基于互聯網+智能工廠的運營管理平臺，實現智能工廠平臺化方法的建立和實施。重點研究基于云平臺的CPS制造執行系統、制造過程能效仿真、監測與管控技術、生產要素的狀態監測診斷與健康管理技術、企業級輔助決策智能化與可視化平臺。攻克服務總線、動態配置、能效模型、生產要素模型、可視化呈現、智能輔助決策關鍵技術，實現智能工廠的運營管理。（五）智能工廠的可重構技術及原型平臺針對智能工廠批量化定制需求，研究工控系統可重構技術，研制智能工廠原型平臺，實現產線裝備、制造過程和云平臺服務資源可重構能力。重點研究裝備控制器可重構技術、產線可重構技術、工業互聯網與云平臺可重構技術、智能工廠可重構原型平臺。攻克裝備控制系統可重構技術、產線裝備可重構技術、工業互聯網可重構技術、云平臺服務資源可重構技術，實現集成可重構技術的智能工廠原型平臺。世界制造業發展趨勢進入21世紀以來，在經濟全球化和社會信息化的背景下，國際制造業競爭日益激烈，對先進制造技術的需求更加迫切。云計算、大數據、移動互聯網、物聯網、人工智能等新興信息技術與制造業的深度融合，正在引發對制造業研發設計、生產制造、產業形態和商業模式的深刻變革，科技創新已成為推動先進制造業發展的主要驅動力。（一）智能正成為制造業的關鍵要素越來越多的制造企業通過應用嵌入式軟件、微電子、互聯網、物聯網等信息技術，提升產品智能化程度和研發設計、生產制造、經營管理的智能化水平，打造高端產品和裝備，占據產業制高點。同時，制造裝備控制技術的極大提高，使制造裝備的自診斷、自維護、自恢復成為現實，并將推動制造裝備向智能化階段邁進。（二）服務促進產業模式變革，重塑制造業價值鏈在同質化競爭和供大于求的全球市場環境下，制造業產業價值鏈的高端向研發和產品運營維護等服務生命周期轉移，更多的制造企業成為提供產品、服務、支持、自我服務和知識的綜合體。服務與制造相互滲透融合，從生產型制造走向服務型制造是大勢所趨，產業模式向定制化的規模生產和服務型生產轉變特征明顯。（三）可持續發展成為制造業與自然、社會協調的重要主題綠色發展理念逐步成為共識，激勵制造企業開始重視綠色技術在產品研發設計、生產制造、銷售服務和回收利用等產品全生命周期中的應用，創新高效、節能、環保和可循環的新型制造工藝和裝備，不斷降低資源消耗和環境影響，實現企業經濟效益和社會效益的協調優化，符合經濟社會可持續發展的低碳環保和循環利用要求。（四）制造大數據和平臺成為高附加值增值服務的重要支撐工業大數據是制造企業高附加值增值服務的來源，制造企業全業務數據化在對制造系統數據采集和分析形成業務數據閉環的基礎上，將有效支撐企業制造過程優化和經營管理決策，促進企業對市場、用戶的精準供給和企業間的資源分享利用，從而打造智慧企業，并為消費者、用戶以及企業自身創造顯著的增量價值。運動控制系統行業發展面臨的機遇與挑戰我國運動控制產業根植于中國制造。一方面，深入實施制造強國戰略，加強產業基礎能力建設是我國發展的戰略制高點；另一方面，中國擁有全球最完整的制造業產業鏈，最豐富的工藝業態和最龐大的消費群體。這兩點決定了中國智能制造，以及其核心基礎環節的運動控制產業將實現長期較快的高質量發展，且中長期看將整體達到乃至引領全球競爭力水平。這是行業發展面臨的長期機遇。運動控制產業是典型的人才與技術密集型行業，這既是行業競爭壁壘，也是最大的發展挑戰：一方面，運動控制融合了軟件算法、電子、通信、光學、機械等多學科交叉的技術和人才，且需要長期深入工業一線應用場景進行不斷的知識反饋、經驗吸收和技術迭代，是基礎研究和應用實踐緊密結合的高競爭壁壘領域。另一方面，隨著產品和工藝裝備的精密度與復雜性的進一步提高，技術綜合程度不斷增加，以及生產工藝過程日益成為一個各工序緊密聯系著的有機整體，現代智能制造對產業技術人才提出了更高的挑戰。當前智能制造產業的高技能人才尤其是高端復合型人才緊缺嚴重，而高技能人才培養時間長，難度大，行業高素質人才的緊缺一定程度上制約了整個行業的發展，亟需打造真正有效的產學研培育模式，滿足產業人才的迫切需求。工業傳感器針對工業互聯、智能制造的高端需求，順應傳感器微型化、集成化、智能化發展趨勢，形成一批高端傳感器和儀器儀表產品，支撐我國智能制造發展，解決微納傳感器硅基兼容制造、封裝、可靠性、集成化等核心共性技術，引領未來發展。（一）工業互聯網用微納傳感器研究無源無線多參數監測傳感器，高能量密度振動能量收集器等前沿技術。研發傳感器與電路協同設計技術及設計工具，傳感器與電路單片集成工藝技術，硅基功能薄膜兼容制造等關鍵共性技術。開發單片集成傳感器，陣列傳感器，多功能傳感器，低功耗傳感器，無線集成傳感器等產品。（二）離散制造業用微納傳感器研究柔性襯底傳感器，芯片級原子效應傳感器等前沿技術，研發數字全場激光超聲檢測技術，高精度二維三維光柵測試等關鍵共性技術。研發運動部件溫度、應變、振動傳感器，轉速傳感器，微型繼電器，微型電場傳感器，多維位移同步測量傳感器，微型高精度姿態測量單元等產品。（三）流程工業用微納傳感器研究高精度諧振式壓力傳感器，微型聲矢量傳感器等前沿技術。研發傳感器芯片與封裝材料特性測試技術及其數據庫，微傳感器可靠性及其測試等關鍵共性技術。研發高溫壓力傳感器、風速風向傳感器、紅外高溫傳感器、工業現場氣體檢測傳感器等產品。（四）智能制造用儀器儀表研究智能儀器儀表可靠性建模、設計與仿真，參數標定與校準、非線性補償方法等動態測試與性能評估，關鍵部件芯片化等前沿技術；研發復雜工業測量儀表在線標定，高端智能測量儀表設計、精確自動補償、生產工藝、裝配等，在線分析儀器小型化關鍵部件、微弱信號精密檢測等共性關鍵技術；研發高精度壓力/質量/流量/物位儀表，壓力/質量流量儀表在線批量化標定裝置，小型化在線分析儀、感知/控制/驅動一體化控制器等產品。（五）特種專用儀器儀表研究力熱平衡結構設計、多傳感器三維納米定位等納米三坐標測量，工件姿態和運動參數測量、空間坐標測量、大型零部件尺寸和形位誤差測量、激光跟蹤等大型裝備制造智能化測量等前沿技術，研發工業現場級虛擬測量、工業設施現場故障診斷、特種執行機構和控制閥設計、制造和仿真等共性關鍵技術，研制激光跟蹤測量儀器、現場級虛擬測量儀表、復雜機械運行故障檢測等工業現場專用診斷儀器、特種執行機構和控制閥等。新型電子制造關鍵裝備面向寬禁帶半導體器件、光通訊器件、MEMS（微機電系統）器件、功率電子器件、新型顯示、半導體照明、高效光伏等泛半導體產業領域的巨大市場需求，開展關鍵裝備與工藝的研究，重點解決電子器件關鍵材料裝備、器件制造裝備等高端裝備缺乏關鍵技術、可靠性低、工藝開發不足等問題，推動新技術研發與關鍵裝備研發的協同發展，構建高端電子制造裝備自主創新體系。（一）寬禁帶半導體/半導體照明等關鍵裝備研究針對碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等為代表的寬禁帶半導體技術對關鍵制造裝備的需求，開展大尺寸（6吋）寬禁帶半導體材料制備、器件制造、性能檢測等關鍵裝備與工藝研究。針對高亮度半導體照明（LED、OLED）大生產線對制造裝備的需求，開展大產能材料制備、器件制造、性能檢測等關鍵裝備研發，掌握核心技術與工藝，滿足大生產線要求。（二）光通訊器件關鍵裝備及工藝研究針對光通訊器件制造對裝備的需求，重點圍繞硅基光電子芯片工藝裝備、InP（銦磷）基等光電子芯片工藝裝備、光纖器件工藝裝備、光電子器件耦合封裝等關鍵裝備等開展研究，掌握核心技術，實現產品應用，提升國內光通訊器件制造能力及工藝水平。（三）MEMS器件/電力電子器件等關鍵裝備與工藝研究針對MEMS器件、電力電子器件等領域對裝備的特殊工藝需求，開展材料制備、芯片制造、特種封裝、性能檢測等關鍵裝備與工藝的研發，掌握關鍵技術、開發特色工藝，提高國產裝備的工藝適應性及可靠性。研究基于國產裝備為主的成套工藝，完成對國產裝備的工藝優化、可靠性驗證及集成應用，打造自主產業鏈，提升產業競爭力。（四）高效光伏電池關鍵裝備及工藝研究針對下一代高效光伏電池技術（PERC、HIT、黑硅電池等）對關鍵裝備及工藝的需求，開展大產能、高轉換效率光伏電池制造工藝裝備、自動化制造裝備、核心工藝等研究，降低電池片制造成本，轉換效率達到國際領先水平，實現批量銷售。（五）新材料，新器件關鍵電子裝備與核心部件研究針對石墨烯、碳基電子器件、柔性顯示、光互聯等國際上不斷出現的新材料、新器件、新工藝對半導體技術相關的裝備需求，開展面向電子器件應用石墨烯材料制備裝備、大面積轉移裝備、石墨烯電子器件制造裝備、柔性顯示有機膜材料制備裝備、柔性顯示有機器件制造及檢測裝備、碳基電子器件制造裝備、光互聯器件制備裝備、高密度封裝等方面的關鍵裝備開發，滿足研發或產業化需求，推動新技術研發與裝備研發的協同發展。運動控制系統行業下游應用領域發展情況（一）運動控制系統半導體制造裝備行業領域發展情況半導體作為信息產業的基礎和核心組成部分，是關系國民經濟和社會發展全局的基礎性、先導性和戰略性產業。根據世界半導體貿易統計組織（WSTS）統計數據，中國半導體市場規模由2014年的917億美元增長至2019年的1，441億美元，2019年占全球半導體市場規模的34．95%。當前的國際政經環境及我國半導體自主可控的需求，帶動了我國半導體裝備制造的快速發展。硅片設備、制造設備，以及包含固晶機、貼片機、焊線機、劃片機、倒裝機、切筋成型設備、清洗機、測試機、分選機和探針臺等在內的封裝、測試設備等半導體裝備需求旺盛。根據國際半導體產業協會（SEMI）統計，2020年中國半導體設備行業市場規模達187．20億美元，同比增長39．18%。2009年至2020年，中國半導體設備行業市場規模復合增長率為31．25%。根據《上海集成電路產業發展研究報告》，2019年我國半導體裝備（該數據包括集成電路、LED、面板、光伏等設備）的國產化率約為18．8%，其中集成電路設備國產化率僅為8%左右，未來空間巨大。（二）運動控制系統工業機器人行業領域發展情況工業機器人廣泛應用于機械制造、汽車制造、船舶制造、電子、物流、化工等現代工業領域，是產業轉型升級、實現智能制造的重要抓手。工業機器人包括多關節機這人、SCARA機器人、坐標機器人、并聯機器人等多種類型，隨著技術不斷成熟，工業機器人整體往更加高速、高精度、智能化、柔性化等方向發展。我國早在2013年就成為全球工業機器人的最大市場，當年裝機量超過日本、美國、韓國、德國之總和。根據國際機器人聯合會（IFR）及中國機器人產業聯盟（CRIA）統計數據，2014年至2020年間，我國工業機器人銷量由5．71萬臺增至15．60萬臺，年復合增長率達18．24%，2021年市場規模有望突破70億美元。2017年，我國工業機器人的國產化率約為29%，其中高端機器人國產化率為17．5%，空間同樣巨大。（三）運動控制系統數控機床行業領域發展情況數控機床是裝備制造的工業母機，機床產業的技術水平、加工效率、精準程度及長期穩定可靠工作對一個國家制造業至關重要。隨著制造業加速轉型，精密模具、新能源、航空航天、軌道交通、3D打印、醫療器械等新興產業迅速崛起，其生產制造過程高度依賴數控機床等智能制造裝備，這將有力推動高速、高精、高效、高穩定性、智能化、多軸化、復合化等高檔數控機床的發展。中國制造業的規模決定中國數控高精密機床擁有廣闊的提升空間。但我國數控機床企業主要定位于中低端市場，高端產品滲透率雖在提升但仍處于較低水平。根據前瞻研究院整理的資料，2018年我國低檔數控機床國產化率約82%，中檔數控機床國產化率約65%，高檔數控機床國產化率僅約6%。我國國產機床并非沒有市場，而是因為我國智能制造轉型升級需求和國產機床整體水平之間不平衡不匹配，從而抑制了國產機床消費能力。《中國制造2025》規劃中明確提出高端數控機床與基礎設施裝備之具體目標：到2025年，高檔數控