運動控制核心部件產業發展行動意見

重點解決高端裝備產品質量較差、檔次不高，缺乏核心工藝，智能化程度不足，可靠性及精度保持性難題，研制一批代表性智能加工裝備、先進工藝裝備和重大智能成套裝備，支撐我國高端裝備向高精尖和智能化互聯方向發展，引領裝備的智能化升級。運動控制系統產業鏈情況運動控制系統產業鏈上游包括各類電子元器件，如IC芯片、PCB板、晶體管、電阻電容等。產業鏈的中游主要為運動控制器、驅動器、電機、減速器和傳感器等核心部件的提供商或者運動控制系統解決方案提供商。產業鏈的下游是各類智能制造裝備行業。十三五以來，通過試點示范應用、系統解決方案供應商培育、標準體系建設等多措并舉，我國制造業數字化網絡化智能化轉型升級加速，供給能力不斷提升。在新興制造及傳統制造領域均涌現出大批領先的高端裝備制造企業，并發展出離散型智能制造、流程型智能制造、網絡協同制造、大規模個性化定制、遠程運維服務等新模式新業態。《十四五智能制造發展規劃》指出，要大力發展智能制造裝備、合力發展工業軟件產品、著力打造系統解決方案，推動先進工藝、信息技術與制造裝備深度融合，帶動通用、專用智能制造裝備加速研制和迭代升級，到2025年實現研制1，000種先進智能制造裝備的目標。汽車發動機、變速箱等高效加工與近凈成形成套裝備，航空航天大型復合材料智能鋪放、成形、加工和檢測成套裝備，高精度智能化熱/冷連軋成套裝備，百萬噸以上能化乙烯成套裝備，新型干法水泥全流程智能化生產線，食品高黏度流體灌裝智能成套裝備，連續式針織物/純滌綸織物印染成套裝備，滿足GMP要求的無菌原料藥智能成套裝備，極大規模集成電路制造成套裝備，新型平板顯示制造成套裝備等。融合數字孿生、大數據、人工智能、VR/AR、5G、北斗等新技術的智能工控系統、智能工作母機、協作機器人等新型裝備。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，高檔數控機床與基礎制造裝備國內市場占有率超過80%。高檔數控機床與基礎制造裝備總體進入世界強國行列。未來我國機床行業的數控化提升和中高端替代具有高度確定性，高檔數控系統價值約占高端數控機床成本的20%-40%，發展空間巨大。（四）運動控制系統激光裝備行業領域發展情況受益于各類金屬及非金屬工業材料加工的旺盛需求，激光加工裝備市場迎來持續穩定的增長。根據《2021年中國激光產業發展報告》，我國2020年激光設備市場銷售收入已達692億元，2014年至2020年間年復合增長率達17．72%。但目前高端激光裝備的國產化率僅為10%。未來激光加工裝備仍將持續往數字化、智能化、切割柔性化的趨勢發展，而運動控制系統是激光加工裝備的關鍵功能部件，是推動激光裝備向更高功率、更快速度、更高精度發展的技術保障，將持續受益于激光裝備市場的增長。（五）運動控制系統傳統制造產業領域發展情況傳統制造業是我國工業體系的基礎構成，其健康穩定發展對我國國民經濟發展具有深遠影響。中國裝備制造業的提升不僅僅是在半導體、數控機床、工業機器人、激光精密裝備等高端裝備領域，還包括紡織、印刷、包裝、焊接、壓鑄、沖壓、注塑、壓裝等更廣泛的各類工業裝備。在新的發展階段，各類制造產業都迫切需要通過先進制造技術實現裝備和工藝的數字化、智能化提升，并依托工業數據進行智能分析，實現運維、能耗、產能、效率、質量等多維度價值提升。一方面，印刷、紡織、包裝、食品、冶金等多種傳統制造產業為滿足新經濟環境下對高品質、定制化和快速服務響應的需求，需要對自身進行智能化升級改造，以滿足新需求、開拓新市場；另一方面，傳統制造業亟需提升數字化、網絡化、智能化水平以解決勞動力嚴重短缺、人力成本上升、柔性化生產能力瓶頸、市場響應緩慢、產品同質化嚴重等產業發展痛點。同時，經過多年發展，傳統制造產業的地方特色集聚現象愈發明顯，行業共性的智能化升級需求不斷顯現，并呈現出由點帶面加速落地的示范推廣效應。我國運動控制系統企業基于對本土需求的深刻理解和更強的本地化技術服務能力，將在賦能傳統制造業，推動轉型升級和智能化改造中發揮重要作用。我國制造業自身存在的問題（一）自主創新能力不強我國是制造業大國，但多數制造企業在國際產業鏈分工中仍處于制造—加工—組裝低技術含量和低附加值環節，創新能力不強。尤其在高端產品創新設計方面，設計工具軟件受制于人，設計方法和理念不夠先進，創新設計能力較為薄弱。2015年，我國集成電路進出口逆差1600多億美元，眾多高端芯片的核心技術尚無法突破，企業被迫將大部分利潤用于購買國外專利授權，產業自主發展的能力不強，難以打破市場壟斷。（二）基礎能力薄弱，產品質量不高我國制造業質量基礎相對薄弱，高性能液壓件與氣動元件、高速精密軸承、大功率變頻技術、特種執行機構、儀器儀表傳感器、工控軟件系統等發展滯后。產品質量和技術標準整體不高，出口產品召回問題不斷，嚴重影響著我國制造業的國際形象。此外，制造業每年直接質量損失超過2000億元，間接損失超過1萬億元。（三）資源利用效率偏低我國部分傳統制造行業高投入、高消耗、高污染、低效益的粗放式生產方式，加劇了對生態環境的破壞。全國鋼鐵、建材、化工等行業單位產品能耗比國際先進水平高出10%-20%；機電產品中量大面廣的燃煤工業鍋爐運行效率比國外先進水平低15～20%。制造業可持續發展遇到瓶頸。我國大部分地區和行業的信息化仍處于以局部應用為主的初級階段，且不同地區、行業和不同規模企業間信息化水平尚存在明顯差距。面對網絡協同制造、大規模個性化定制等新型生產模式的變革，認識不充分，準備不足，傳統制造業將面臨二次淘汰的風險。綠色制造重點面向我國制造業發展中高能耗、高污染的問題，以提高資源能源效率和降低環境負荷為主線，以綠色產品、綠色工廠為目標，掌握生態設計理論與工具、綠色制造方法與工藝、試驗驗證平臺、綠色標準與規范等基礎共性技術，推廣基礎制造工藝綠色化、流程工業綠色化技術，提升通用設備產品能效、工業廢棄物回收再制造與再資源化等生態效率水平。（一）基于綠色理念的減量化設計與創新設計通過創新研發，突破新材料應用及改性設計、節能降噪設計、個性化定制設計、可拆解與回收設計等生態設計關鍵技術。掌握全生命周期高效綠色循環再利用基礎理論及關鍵技術，實現戰略性資源高效綠色循環再利用。研究典型綠色產品新原理、新結構設計及應用關鍵技術，開發一批綠色制造前沿技術、核心技術與裝備，開發推廣綠色產品，引導綠色生產。（二）綠色加工工藝與裝備重點研究基礎工藝綠色化技術、流程工業綠色工藝技術、量大面廣的典型通用設備產品節能、減排、降耗技術。實施重點行業系統改造的示范應用。開發高效清潔基礎制造工藝及裝備、無害化表面處理工藝技術、少無切削液清潔加工工藝與設備、鋼鐵短流程工藝、有色金屬清潔冶煉工藝。開展制造工藝創新和集成應用，加快實現重點行業制造系統和裝備的綠色升級。（三）制造系統能效優化關鍵技術圍繞制造系統能效優化與提升和終端用能產品節能，突破產品能效及其集成優化匹配技術，制造系統機群綜合能效模型與智能分析技術、機群綜合能效的智能協同優化控制技術；掌握系統能效分析與獲取、能效評價、監控與優化管理、設備系統能效提升、工藝系統多目標決策優化、工件比能效率提升等系列關鍵技術；在規模以上企業開展車間、工廠以及產業集群的能耗定額管理和高能效優化運行，推行制造系統能效評價和優化應用。智能制造與裝備制造業概述智能制造是基于新一代信息技術與先進制造技術深度融合，貫穿于設計、生產、管理、服務等制造活動各個環節，具有自感知、自決策、自執行、自適應、自學習等特征，旨在提高制造業質量、效益和核心競爭力的先進生產方式。作為制造強國建設的主攻方向，智能制造發展水平關乎我國未來制造業的全球地位，對于加快發展現代產業體系，鞏固壯大實體經濟根基，構建新發展格局，建設數字中國具有重要作用。智能制造以工藝裝備為核心，以數據為基礎，通過制造技術突破、工藝創新和業務流程再造，實現生產制造的數字化、網絡化、智能化。智能制造是一種先進的生產方式，怎樣生產和用什么生產則依賴于裝備制造業提供具體的智能制造裝備。裝備制造業的技術水平是衡量一個國家工業化水平的重要標準。智能制造裝備集機械系統、運動控制系統、信息管理系統等多種技術于一體，具備高速、高精度、高實時響應的作業性能，是有效減少生產過程對人力勞動的依賴，顯著提高生產效率、生產精度和生產質量的先進工業裝備。智能制造裝備具有感知、控制、決策、執行、數據閉環反饋功能，是先進制造技術、信息技術和智能技術的高度集成。先進工藝、信息技術與智能制造裝備的深度融合，推動實現了數字化、網絡化、智能化的智能制造。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。運動控制系統行業概況（一）運動控制系統基本概述以反饋控制為核心、機構為被控對象、數學為基礎的運動控制技術是人類發明和制造機器的過程中發展起來的一門科學技術。人類通過運動控制技術來制造更有序、高效、高速、精密、穩定和可靠的好機器。機器改變世界，而運動控制技術改變機器設計與制造，是現代工業不可或缺的制器之技。現代運動控制技術的發展起源于工業革命后對蒸汽機、電動機等各類機械設備進行精確控制的想法。得益于現代控制理論、微電子學、計算機技術的進步，運動控制技術成為現代工業自動化發展最為活躍的領域之一，并已廣泛應用于微電子、機器人、數控機床、電子加工和檢測、生產自動化等各類工業制造領域。在現代化工業時代，運動控制技術的應用水平是衡量一個國家裝備自動化、智能化水平的標志，體現了制造業的發展水平和市場競爭力。運動控制系統是智能制造裝備的核心基礎部件，決定了裝備的精度、效率，是不同品牌裝備形成差異化的重要環節。從基本結構上看，典型的運動控制系統主要包括控制器、驅動器+電機（執行器）和傳感器三大部件。其具體功能是在復雜條件下，將預定的控制方案、規劃指令轉變成期望的機械運動，實現機械運動高速、高精度的軌跡和位置控制、速度控制、轉矩控制或力控制。其中，運動控制器相當于運動控制系統的大腦，驅動器+電機相當于心臟和血管，傳感器則是神經系統的感知單元。而機械系統就是承載任務的四肢。運動控制器向驅動器發送控制指令，驅動器將其轉化為能夠運行電機的電流，驅動電機運轉，進而帶動工作機械（負載）實現特定運動。同時，電機和機械系統的多種傳感器經過信號處理將實時信息反饋給控制器，控制器進行實時調整，保證整個系統的穩定運轉。運動控制系統由硬件和軟件兩部分集成，硬件即工業控制板卡，包括主控單元、信號處理等部分，軟件包括運動控制算法、邏輯任務、系統調度及相關工業應用軟件。硬件的質量、結構，軟件、算法的優劣，共同決定了運動控制系統的精度、效率。在硬件的差異化不明顯的情況下，軟件算法是運動控制系統的關鍵。運動控制軟件可在使用過程中通過升級來提升性能或改變用途，從而使智能化裝備具有真正的柔性。在裝備制造業高質量發展，整體制造業向精益管理綜合能力和全局效益提升方向發展的背景下，運動控制系統的核心指標就應包括：運動控制系統的整體可靠性、穩定性，適用于不同應用場景的性能和功能指標（高速高精、高實時性和高帶寬等）和快速二次開發能力，以及人機交互的友好、易用與可重構，針對機械系統的預測性維護（智能感知與故障診斷）能力，與產線及周邊設備交互并參與整體節拍效率、產能以及供應鏈的決策等。（二）運動控制系統核心部件運動控制器是指以邏輯控制單元為核心，以傳感器為信號敏感元件，以電機或動力裝置和執行單元為控制對象的一種控制裝置，其主要任務是根據運動控制的要求和傳感器件的信號進行必要的邏輯、數學運算，為電機或其它動力和執行裝置提供正確的控制信號。運動控制器由硬件、固件、軟件等組成，其中硬件部分包括微處理器、存儲器、接口電路、通信接口、電源等；固件是指固化在微處理器、存儲器、可編程邏輯器件等元件中的軟件；軟件部分由實時操作系統、運動控制指令編譯器、運動控制參數的預處理及優化、運動控制函數、通信管理等模塊構成。運動控制器負責向伺服系統等部件傳遞控制指令，是運動控制系統的核心模塊，其性能直接決定了運動控制系統的性能水平。運動控制器可分為插卡式運動控制器、嵌入式運動控制器和網絡式運動控制器。插卡式運動控制器又稱為PC-Based運動控制器，以板卡形態存在，通常采用高性能DSP和FPGA作為核心處理器。用戶通常以PC機作為信息處理平臺，運動控制器以插卡形式嵌入PC機，即PC+運動控制器的模式，將PC機的信息處理能力和開放式的特點與運動控制器的運動控制能力有機地結合在一起，可實現高性能多軸協調運動控制和高速點位運動控制。國內市場主要代表廠商包括固高科技、雷賽智能、美國泰道、翠歐、眾為興等。以工業計算機的形態存在，集成了工業計算機和插卡式運動控制器。在延續了插卡式運動控制器運動控制性能的同時，可以實現普通PC機的基本功能，是用戶理想的嵌入式一體化解決方案，也是運動控制器發展的重要方向。國內市場主要代表廠商包括FANUC、固高科技、翠歐、ACS等。網絡式運動控制器的形態可以是插卡式，也可以是嵌入式，或者是獨立運行模式。其與伺服驅動系統的鏈接是采用各類工業總線形式，如Ethercat、Profinet、DeviceNet、Sercos、CC-Link、RTEX、MII/III。過去由于工業總線均來自歐美和日本，所以網絡式運動控制器基本為國外壟斷，主要廠家包括倍福、西門子、施耐德、三菱、松下、安川等。固高科技著力發展我國自主可控的多主從等環網的網絡架構gLink系列，自2016年陸續推出各種形式的系列產品。伺服系統是一種能對機械運動按預定要求進行自動控制的系統，其作用是使輸出的機械位移（或轉角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉角），實現輸出變量精確跟隨或復現輸入變量。伺服系統通常由驅動器和電機構成。驅動器是用來控制電機的一種裝置，主要應用于高精度的定位系統，一般通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進行控制，實現高精度的傳動系統定位。電機是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機，可精準控制速度，位置，可將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。交流伺服系統依據不同的電機運行原理分為永磁同步交流伺服系統、感應交流伺服系統、磁阻同步交流伺服系統和無刷直流伺服系統，當前市場以永磁同