通用运动控制器产业发展实施指南

通用运动控制器产业发展实施指南

定期编制智能制造人才需求预测报告和紧缺人才需求目录，研究制定智能制造领域职业标准。依托高技能人才培训基地等机构，开展大规模职业培训。加强应届毕业生、在职人员、转岗人员数字化技能培训，推进产教融合型企业建设，促进智能制造企业与职业院校深度合作，探索中国特色学徒制。深化新工科建设，在智能制造领域建设一批现代产业学院和特色化示范性软件学院，优化学科专业和课程体系设置，加快高端人才培养。弘扬企业家精神和工匠精神，鼓励开展智能制造创新创业大赛、技能竞赛。提升公共服务能力鼓励行业组织、产业园区、高校、科研院所、龙头企业等建设智能制造公共服务平台，支持标准试验验证平台和现有服务机构提升检验检测、咨询诊断、计量测试、安全评估、培训推广等服务能力。制定智能制造公共服务平台规范，构建优势互补、协同发展的服务网络。建立长效评价机制，鼓励第三方机构开展智能制造能力成熟度评估，研究发布行业和区域智能制造发展指数。推进新型创新网络建设围绕关键工艺、工业母机、数字孪生、工业智能等重点领域，支持行业龙头企业联合高校、科研院所和上下游企业建设一批制造业创新载体。鼓励研发机构创新发展机制，加强数据共享和平台共建，开展协同创新。推动产业化促进组织建设，加快创新成果转移转化。建设一批试验验证平台，加速智能制造装备和系统推广应用。运动控制行业基本情况运动控制是一门关于如何运用计算机、电子元件、电动机、机械零件等对物体的位置和速度进行精密控制的技术。运动控制技术起源于19世纪中期对直流电动机传动的控制，到19世纪末，交流电动机传动得到广泛的应用。初期的运动控制通常只能通过行程开关实现点到点的启停控制。20世纪初期，工业制造业开始采用大批量生产方式的新技术，即在零件加工中大量使用专用机床，在装配工序中采用流水线作业，形成了刚性生产线。在此期间，运动控制技术逐渐从位置和速度控制发展到位置、速度和力矩控制，从单轴控制发展到轨迹控制等多轴联动控制。20世纪80年代后期，以日本品牌为代表的外资品牌开始进入中国市场，成为中国运动控制行业的开端。经过30多年的发展，受益于国内产业升级、设备制造业的产品结构调整、机械设备自动化水平提高和产品应用领域的不断扩大，通过消化吸收国外先进技术及自主创新，不断汲取现代控制理论、微电子学、计算机技术等领域的理论创新成果与先进的技术手段，国内运动控制行业快速发展，成为工业自动化产业中发展最为活跃的领域之一。运动控制产品主要包括运动控制器、伺服系统和步进系统。运动控制器为伺服系统和步进系统的控制装置，随着技术的进步和完善，运动控制器从以单片机、微处理器或专用芯片作为核心处理器，发展到以DSP/ARM和FPGA为核心处理器的运动控制器。根据应用范围，运动控制器可分为通用运动控制器和专用控制器。通用运动控制器一般为用户提供二次开发接口，设备制造商根据其设备的控制需求基于运动控制器编程开发控制系统；专用控制器是为特定应用领域开发的控制器（如数控机床、激光切割控制系统、激光标刻控制系统、点胶控制系统等），由控制器厂家根据行业应用工艺需求完成应用软件的开发，设备制造商无需二次开发即可直接使用。伺服系统由伺服驱动器和伺服电机构成，伺服驱动器可按照运动控制器发出的指令要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，通过驱动装置对伺服电机实现位置、速度和转矩的控制。伺服系统可与编码器等位置检测反馈装置形成闭环系统，实现高精度定位，主要应用于高精度的定位系统。步进系统由步进驱动器和步进电机构成，步进系统按照运动控制器发出的指令脉冲工作，按照设定的方向转动相应的角度，实现准确定位。通过指令脉冲的频率可控制步进电机的转速和加速度实现准确调速。按照是否设置位置检测反馈装置，是否构成运动反馈控制回路，步进系统可分为开环步进系统和闭环步进系统。运动控制技术已成为现代装备制造业的核心技术之一，除了应用于数控机床、印刷机械、纺织机械、包装机械、食品机械等传统制造装备领域，随着计算机、通信和消费电子产品的快速发展，也广泛应用于半导体制造装备、电子制造设备、工业机器人、激光装备等新兴智能制造装备领域。我国运动控制行业已经形成完全市场化的竞争格局。目前，国内运动控制产品的整体市场格局中，外资品牌仍占据较大份额，但得益于中低端运动控制产品庞大的市场规模，聚焦于此的国内厂商市场份额快速提升并在通用运动控制器、步进系统等细分品类中实现进口替代。在初步完成技术及资金积累后，国内厂商也积极拓展中高端产品市场。运动控制行业技术水平及特点（一）运动控制行业技术水平点胶设备有多种机型，以满足不同精度、不同效率及不同加工工艺的生产过程，从电子产品整机组装、到组件组装、元器件封装、芯片封装，其作业精度逐步提升，对点胶设备的精度要求也逐步提高，进而对点胶控制系统要求亦随之提高。同时，点胶控制系统作为点胶设备的―大脑，面对上千种点胶胶水加工、数十种机械结构及复杂多样的工业应用场景，控制系统自身在功能完备性、可靠性、可扩展性等方面需要保证良好的兼容性及易用性，同时需要符合行业应用高速化、高精度化的技术要求。此外，在传统光栅尺、编码器检测的基础上，机器视觉也逐渐成为点胶工艺位置标定、位置跟踪、环境感知的关键技术，点胶控制系统在复杂工作环境下的智能化水平亦越来越高。运动控制器方面，通过利用CPU和FPGA的高速运算能力，大幅提升了对控制系统的响应速度，实时性已从毫秒缩减到微秒级。此外，作为运动控制的执行机构，交流伺服系统亦可实现高速运动和高精度位置控制。（二）运动控制行业技术特点1、运动控制行业产品功能完备性、集成化点胶控制系统为工业控制系统，具有软硬件结合、各部件良好兼容、应用环境复杂多变等多种特性，同时，点胶设备厂商一般不会只做单一机型，单一机型亦可能加工多种工艺的产品，基于以上特点，下游设备厂商对专业系统供应商产品要求具备点胶机多工艺、多机型的控制适应性，能够达到相对功能完备、标准化程度较高水平，控制软件的功能完备性、集成化是产业应用的发展需求，亦需要点胶控制系统厂商多个型号甚至是多个系列的点胶机控制系统产品作为支撑。2、运动控制行业技术快速响应点胶加工作为一种产品组装制造的新工艺，既用于部件连接，又用于结构防护，近年来随着胶水材料、装配工艺的创新，中高端零件生产制造工艺更新较快，需要设备厂商及供应链体系快速响应并持续优化。同时，点胶控制系统的作为具体工艺的实现方法，新工艺研究、测试、定型及优化过程需要点胶控制系统厂家的深度参与，并投入技术团队深入工业一线应用场景进行持续技术攻关、实践研究及优化。3、运动控制行业可扩展性单机自动化时代的点胶设备已越来越不能适应工厂自动化的加工需求，生产现场需要将多个设备互联互通，工厂生产管理与单机设备之间的制造信息管理需要点胶控制系统具备生产信息管理功能（如MES对接），多工位点胶加工要求点胶控制系统支持轴扩展、I/O扩展、通讯扩展等。同时，基于成本和效率需要，点胶加工过程控制需与点胶后的质量检测集成。电子产品多为大批量规模化生产，快速适应设备的技术功能扩展和生产现场的信息化支持已成为先进的点胶控制系统必备功能。4、运动控制行业高可靠性作为智能制造装备的核心基础部件，高可靠性对于运动控制系统来说是一项基本的核心要求，智能装备往往也是所在车间乃至工厂的关键生产设备，其能够长期、稳定地可靠运行是用户的最基本要求。5、运动控制行业实时性运动控制软件是实时计算领域的典型应用。运动控制系统作为强实时控制系统，要求系统对数据进行快速而准确的处理并及时作出响应，主机与伺服驱动执行命令和状态反馈必须在同一个时刻进行。此外，为了实现高速高精的发展目标，系统需要快速而有效地对复杂而又庞大的操作任务进行实时处理。运动控制行业机遇（一）国家产业政策大力支持运动控制行业从制造大国转变为制造强国，是我国制造业发展的战略选择。我国制造业向智能制造发展，加强自主可控供给能力是我国智能制造发展的重点任务，必须依靠传感、控制、通信、工业软件等底层基础技术的突破和深度应用。《十四五智能制造发展规划》明确提出，到2025年，智能制造装备和工业软件技术水平和市场竞争力显著提升，国内市场满足率要分别超过70%和50%。《智能制造发展规划》明确提出要面向企业智能制造发展需求，推动产业链各环节企业分工协作、共同发展，逐步形成以智能制造系统集成商为核心、各领域领先企业联合推进、一大批定位于细分领域的专精特新企业深度参与的智能制造发展生态体系。国家层面政策战略性地支持为运动控制行业提供了良好的外部发展环境。（二）运动控制产品国产化进程加快我国的运动控制行业起步较晚，早期在产品的功能、性能及可靠性上与国外企业存在较大的差距，但经过多年的发展，国内一些优秀厂商技术水平在不断提高，逐步缩小与国外品牌的差距，并借助国内制造业升级带来的电子制造设备等领域发展的契机，加快了对国外品牌的替代速度，国内厂商的市场份额持续扩大。近几年，随着国际贸易摩擦的不断加剧，对我国相关领域内核心部件的自主、安全、可控提出了迫切需求，提高国产化率已成为我国产业链各环节企业的共识，工业自动化设备进口趋势较为明显，同时为运动控制产品实现进口替代提供了良好的发展机遇。我国智能制造领域实现自主可控、将是长期的发展趋势，运动控制行业作为关键核心环节，将充分受益于进程。（三）运动控制行业下游终端产品市场需求旺盛随着我国经济的不断发展，终端消费者对产品的需求多样化和定制化程度不断提升，生产环节、工艺难度和制造水平都在相应增加，制造业厂商对产品质量、效率、精度以及成本的要求越来越高，传统人工操作的误差及安全性风险导致制造业厂商对自动化生产需求强烈。我国制造业与工业发达国家相比，其差距主要体现在自动化水平方面，发达国家在大批量生产技术的基础上，不断向订制化、智能化、集成化方向发展，采用从生产加工到检测包装的全程自动化控制技术，从而保证了产品的质量，提高了生产效率。国内企业要缩小这部分差距，需要在自动化产品和技术方面不断加大投入，进而不断增加对运动控制产品、技术和解决方案的需求。因此，在我国制造业产业升级的大背景下，我国工业产业自动化和智能化发展趋势较为明显，对于工业运动控制系统产品的需求将持续保持稳步增长的态势。运动控制行业市场规模（一）点胶控制系统市场规模点胶控制系统的技术基础涉及计算机、微电子、流体控制、机械及自动化等众多跨学科知识的交叉融合。在点胶工艺控制软件开发设计过程中，除考虑软件自身的扩展性、可靠性、可维护性等方面外，更重要的还要深刻理解点胶工艺原理、点胶设备的机械结构、运行机制等，并能适应复杂多变的应用场景。因此，要将以上因素融合转变为复杂的程序算法，并沉淀至软件产品中，点胶工艺控制软件具有较高的开发难度。随着电子产品朝集成化、小型化方向发展，高精度智能点胶设备已成为精密电子组装环节中的关键设备之一，点胶设备的定位精度和点胶精度对精密电子元件及终端产品的功能性及稳定性有着重要影响。从电子产品整机组装、到组件组装、元器件封装、芯片封装，其作业精度逐步提升，进而对生产设备的精度要求也逐步提高。同时，自动点胶设备作为3C制造产业精密点胶、新能源动力电池涂胶、半导体封测等高精尖电子制造价值链重要一环，对于打破国外技术垄断、实现具有重要意义。点胶控制系统是自动点胶设备等精密流体控制设备的核心部件之一，其与精密流体控制设备行业发展息息相关，根据头豹研究院发布的报告显示，2020年中国精密流体控制设备市场规模为272．3亿元，2025年将上涨为490．6亿元。近年来，我国电子信息制造业飞速发展，智能装备不断向高附加值产业链纵深发展，下游需求推动精密流体控制设备行业持续放量。2020年，我国精密流体控制设备在3C电子领域的市场规模约为133．3亿元，该领域2016年至2020年复合增长率为20．99%，预计未来仍将保持稳定增长。此外，随着电动车及其他新能源汽车市场快速增长，精密流体控制设备在动力电池领域的体量和增速呈现持续增长态势，2020年精密流体控制设备在新能源光伏和电池领域的市场规模约为33．6亿元，预计2025年将上涨为83．9亿元，复合增长率20．08%。因此，随着国内精密流体控制设备的快速增长，相应对点胶控制系统的需求持续增加。（二）通用运动控制器市场规模通用运动控制器作为自动化工业运动装置的核心部件之一，随着我国《中国制造2025》及《十四五智能制造发展规划》等产业政策的推出，2016年至2021年，我国通用运动控制器市场规模从2016年的4．5亿元上升至9．9亿元，复合增长率达17．08%。（三）驱动器市场规模驱动器作为运动控制系统的驱动层，接收运动控制器发出的信号并将其转化为电流、电压信号，进而驱动电机运转，带动机械运行，最终实现机械运动高速、高精度的位移、速度、力矩等控制。驱动器主要包括步进驱动器和伺服驱动器。伺服驱动器和配套的伺服电机构成伺服系统，由于其具备定位精度高、动态响应快、稳定性好等性能特点，在对位置精度要求较高的行业中得到广泛应用，如数控机床、纺织机械、电子制造设备、医疗设备、印刷自动化生产线及各种专用设备等。目前，欧美和日系品牌仍然垄断着中高端伺服系统市场，内资品牌和国外品牌存在一定的差距。随着近年来国内伺服系统市场的快速发展，国内品牌开始在伺服应用领域崛起，伺服系统的本土化推进速度不断加快。伺服系统应用市场目前属于市场成长期，伴随产业升级，设备加工精度的要求提升，将为伺服系统产品创造较大的市场成长空间。2016年至2021年，我国伺服系统市场规模从2016年的76．5亿元上升至212亿元，复合增长率达22．61%。深化开放合作加强与相关国家、地区及国际组织的交流，开展智能制造技术、标准、人才等合作。鼓励跨国公司、国外科研机构等在华建设智能制造研发中心、示范工