驱控一体机行业发展趋势报告

驱控一体机行业发展趋势报告

攻克制造服务价值链重构、产品服务生命周期管理、在线运维与预测运营等关键技术；研发产品服务生命周期集成管理平台、制造服务价值链协同云服务平台以及高端装备智能预测与精准服务云平台；打造制造与服务融合的服务价值链协同新体系。支撑制造业向制造+服务转型升级。坚持主机牵引、夯实基础、突破核心、工艺验证，聚焦航空航天和汽车两个重点服务领域，重点攻克高档数控系统和功能部件等瓶颈，完成150种以上智能、精密、高速、复合型高端制造业装备的研制和示范应用，大幅提升国家重点工程、国民经济重点领域关键制造装备国产化率，在强化高端数控装备单机智能化水平提升的基础上，逐步实现由单机示范应用向智能化制造成组成套整体解决方案的提升，扩大专项装备成果的应用成效。激光制造面向航空航天、高端装备、电子制造、新能源、新材料、医疗仪器等战略性新兴产业的迫切需求，实现高端产业激光制造装备的自主开发，形成激光制造的完整产业体系，促进我国激光制造技术与产业升级，大幅提升我国高端激光制造技术与装备的国际竞争力。（一）激光与材料的相互作用机理面向航空航天、新能源、电子制造、医疗等领域的国家重大需求，探索激光与材料相互作用的复杂物化过程，研究超快激光制造的新原理、新方法、新应用。开展大功率激光/短波长激光与材料相互作用机理、高精高效制造方法等方面的研究，掌握激光高品质表面制造、精细制造、极端微结构、高精高效制造等制造机制与实现方法。（二）激光器与核心功能部件研究激光器动力学，掌握激光晶体/光学晶体、半导体激光芯片等激光器关键功能部件的国产化。针对高端制造用激光器的迫切需求，开展工业化光纤/半导体大功率激光器制造技术、工业化超快（飞秒、皮秒）激光器制造技术、工业化短（紫外、深紫外）波长激光器制造技术等方面的研究，开展激光器标准建设，实现高性能激光器及核心关键部件的国产化与产业化。（三）复杂构件表面的激光精细制造技术与装备研究激光表面精细制造、激光清洗、激光抛光等核心技术，探索器件表面功能性结构的激光高质、高效制造机理与新技术，研究关键构件表面微结构成形机理与实现方法，并掌握激光光束路径规划及高速扫描、激光制造装备在线监测与补偿、激光制造过程精密在线检测等装备关键技术，开发航空航天、微电子、生物医疗等领域典型复杂构件的激光精密加工技术与装备，提升国产激光制造技术与装备的竞争力。（四）大功率激光高效制造技术与装备研究特殊工况下的激光制造机理与失效行为，突破大型构件激光制造装备的设计制造技术瓶颈，攻克大型构件定位、质量在线检测等关键技术，研究激光切割、激光打孔、激光冲击强化、激光焊接以及激光复合制造等关键技术，开发面向飞机、船舶、高铁等大型构件制造中的高端激光制造技术、装备与标准。（五）先进激光精密微细制造技术与装备针对航空航天、微电子、新型微小航空器件、光子集成器件等领域，突破激光衍射极限的纳米尺度制造、复杂微纳操纵及激光纳米连接、激光光束整形与协同控制等关键技术，开发硬脆材料高效精密制造、异种材料的激光高性能连接制造、极端微纳结构精细制造等技术与装备，并设计和加工若干具有重大应用前景的新型功能器件。运动控制系统产业链情况运动控制系统产业链上游包括各类电子元器件，如IC芯片、PCB板、晶体管、电阻电容等。产业链的中游主要为运动控制器、驱动器、电机、减速器和传感器等核心部件的提供商或者运动控制系统解决方案提供商。产业链的下游是各类智能制造装备行业。十三五以来，通过试点示范应用、系统解决方案供应商培育、标准体系建设等多措并举，我国制造业数字化网络化智能化转型升级加速，供给能力不断提升。在新兴制造及传统制造领域均涌现出大批领先的高端装备制造企业，并发展出离散型智能制造、流程型智能制造、网络协同制造、大规模个性化定制、远程运维服务等新模式新业态。《十四五智能制造发展规划》指出，要大力发展智能制造装备、合力发展工业软件产品、着力打造系统解决方案，推动先进工艺、信息技术与制造装备深度融合，带动通用、专用智能制造装备加速研制和迭代升级，到2025年实现研制1，000种先进智能制造装备的目标。汽车发动机、变速箱等高效加工与近净成形成套装备，航空航天大型复合材料智能铺放、成形、加工和检测成套装备，高精度智能化热/冷连轧成套装备，百万吨以上能化乙烯成套装备，新型干法水泥全流程智能化生产线，食品高黏度流体灌装智能成套装备，连续式针织物/纯涤纶织物印染成套装备，满足GMP要求的无菌原料药智能成套装备，极大规模集成电路制造成套装备，新型平板显示制造成套装备等。融合数字孪生、大数据、人工智能、VR/AR、5G、北斗等新技术的智能工控系统、智能工作母机、协作机器人等新型装备。智能机器人推动机器人产业与人工智能等新一代信息技术深度融合，突破共性关键技术，形成具有国际竞争力的机器人产品，协同标准体系建设、技术验证平台与系统建设、以及典型示范应用，支撑我国机器人技术和产业向高端发展。（一）智能机器人基础前沿技术结合机器人与以人工智能为代表的新一代信息技术深度融合的国际发展趋势，开展机构/材料/驱动/传感/控制与仿生的创新技术、智能机器人感知与认知技术、智能机器人学习与智能增殖技术、人机自然交互与协作共融技术等重大基础前沿技术研究，搭建机器人技术验证平台系统，开展试验验证，取得原创性创新成果，为我国新一代智能机器人提供技术支撑。（二）智能机器人共性关键技术以攻克制约我国机器人技术与产业发展的共性关键技术为目标，开展高性能机器人核心零部件（RV减速器、谐波减速器、伺服电机与驱动器、机器人控制器）、专用传感器、软件体系及多任务操作系统、功能软件、计量测试/安全与可靠性、应用工艺及系统集成等共性关键技术研究，建立机器人安全性与可靠性技术体系，机器人性能达到国际同类产品水平，解决我国机器人产业空心化问题，提升国产机器人的国际竞争力。（三）新一代机器人技术与平台开展主/被动结合新型机构与驱动、模块化柔顺关节、关节变刚度弹性驱动、生物-机械界面与接口的人机相容性设计、人机安全共存、智能交互、协同作业等新一代机器人核心技术研究，研制以协作型多自由度轻型臂、协作型双臂机器人、移动操作臂等为代表的新一代互助协作型作业机器人和以上肢外骨骼、下肢外骨骼、全身外骨骼等为代表的新一代人体行为增强型机器人试验样机系统，为后续产品化奠定技术基础，实现新一代机器人技术研究与世界同步，抢占技术与产业制高点。（四）机器人关键产品/平台/系统研发研发新型作业机器人、医疗/康复机器人、面向老年人/残障人士的生活辅助机器人、特殊环境服役自主作业机器人、机器人云端在线服务平台、机器人智能作业技术及系统等高端机器人关键产品/平台/系统，丰富我国机器人产品种类，完善我国机器人产品谱系建设，提升我国机器人的整体性能与智能水平，创新服务领域和商业模式，支撑我国机器人技术与产业向高端发展，彻底转变低水平重复的局面。（五）系统集成与应用推进我国机器人面向制造业典型行业/重点领域、医疗/康复、助老助残/智慧家庭/社会服务、安全与救援/科学工程等行业/领域的系统集成与应用，实现我国机器人技术与产品在国家重点行业/领域高端应用和典型领域拓展应用，提高国产机器人国际竞争力，为国产机器人产业化奠定基础，加速推进我国智能机器人技术与产业的快速发展。新型电子制造关键装备面向宽禁带半导体器件、光通讯器件、MEMS（微机电系统）器件、功率电子器件、新型显示、半导体照明、高效光伏等泛半导体产业领域的巨大市场需求，开展关键装备与工艺的研究，重点解决电子器件关键材料装备、器件制造装备等高端装备缺乏关键技术、可靠性低、工艺开发不足等问题，推动新技术研发与关键装备研发的协同发展，构建高端电子制造装备自主创新体系。（一）宽禁带半导体/半导体照明等关键装备研究针对碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等为代表的宽禁带半导体技术对关键制造装备的需求，开展大尺寸（6吋）宽禁带半导体材料制备、器件制造、性能检测等关键装备与工艺研究。针对高亮度半导体照明（LED、OLED）大生产线对制造装备的需求，开展大产能材料制备、器件制造、性能检测等关键装备研发，掌握核心技术与工艺，满足大生产线要求。（二）光通讯器件关键装备及工艺研究针对光通讯器件制造对装备的需求，重点围绕硅基光电子芯片工艺装备、InP（铟磷）基等光电子芯片工艺装备、光纤器件工艺装备、光电子器件耦合封装等关键装备等开展研究，掌握核心技术，实现产品应用，提升国内光通讯器件制造能力及工艺水平。（三）MEMS器件/电力电子器件等关键装备与工艺研究针对MEMS器件、电力电子器件等领域对装备的特殊工艺需求，开展材料制备、芯片制造、特种封装、性能检测等关键装备与工艺的研发，掌握关键技术、开发特色工艺，提高国产装备的工艺适应性及可靠性。研究基于国产装备为主的成套工艺，完成对国产装备的工艺优化、可靠性验证及集成应用，打造自主产业链，提升产业竞争力。（四）高效光伏电池关键装备及工艺研究针对下一代高效光伏电池技术（PERC、HIT、黑硅电池等）对关键装备及工艺的需求，开展大产能、高转换效率光伏电池制造工艺装备、自动化制造装备、核心工艺等研究，降低电池片制造成本，转换效率达到国际领先水平，实现批量销售。（五）新材料，新器件关键电子装备与核心部件研究针对石墨烯、碳基电子器件、柔性显示、光互联等国际上不断出现的新材料、新器件、新工艺对半导体技术相关的装备需求，开展面向电子器件应用石墨烯材料制备装备、大面积转移装备、石墨烯电子器件制造装备、柔性显示有机膜材料制备装备、柔性显示有机器件制造及检测装备、碳基电子器件制造装备、光互联器件制备装备、高密度封装等方面的关键装备开发，满足研发或产业化需求，推动新技术研发与装备研发的协同发展。运动控制系统行业概况（一）运动控制系统基本概述以反馈控制为核心、机构为被控对象、数学为基础的运动控制技术是人类发明和制造机器的过程中发展起来的一门科学技术。人类通过运动控制技术来制造更有序、高效、高速、精密、稳定和可靠的好机器。机器改变世界，而运动控制技术改变机器设计与制造，是现代工业不可或缺的制器之技。现代运动控制技术的发展起源于工业革命后对蒸汽机、电动机等各类机械设备进行精确控制的想法。得益于现代控制理论、微电子学、计算机技术的进步，运动控制技术成为现代工业自动化发展最为活跃的领域之一，并已广泛应用于微电子、机器人、数控机床、电子加工和检测、生产自动化等各类工业制造领域。在现代化工业时代，运动控制技术的应用水平是衡量一个国家装备自动化、智能化水平的标志，体现了制造业的发展水平和市场竞争力。运动控制系统是智能制造装备的核心基础部件，决定了装备的精度、效率，是不同品牌装备形成差异化的重要环节。从基本结构上看，典型的运动控制系统主要包括控制器、驱动器+电机（执行器）和传感器三大部件。其具体功能是在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动高速、高精度的轨迹和位置控制、速度控制、转矩控制或力控制。其中，运动控制器相当于运动控制系统的大脑，驱动器+电机相当于心脏和血管，传感器则是神经系统的感知单元。而机械系统就是承载任务的四肢。运动控制器向驱动器发送控制指令，驱动器将其转化为能够运行电机的电流，驱动电机运转，进而带动工作机械（负载）实现特定运动。同时，电机和机械系统的多种传感器经过信号处理将实时信息反馈给控制器，控制器进行实时调整，保证整个系统的稳定运转。运动控制系统由硬件和软件两部分集成，硬件即工业控制板卡，包括主控单元、信号处理等部分，软件包括运动控制算法、逻辑任务、系统调度及相关工业应用软件。硬件的质量、结构，软件、算法的优劣，共同决定了运动控制系统的精度、效率。在硬件的差异化不明显的情况下，软件算法是运动控制系统的关键。运动控制软件可在使用过程中通过升级来提升性能或改变用途，从而使智能化装备具有真正的柔性。在装备制造业高质量发展，整体制造业向精益管理综合能力和全局效益提升方向发展的背景下，运动控制系统的核心指标就应包括：运动控制系统的整体可靠性、稳定性，适用于不同应用场景的性能和功能指标（高速高精、高实时性和高带宽等）和快速二次开发能力，以及人机交互的友好、易用与可重构，针对机械系统的预测性维护（智能感知与故障诊断）能力，与产线及周边设备交互并参与整体节拍效率、产能以及供应链的决策等。（二）运动控制系统核心部件运动控制器是指以逻辑控制单元为核心，以传感器为信号敏感元件，以电机或动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置，其主要任务是根据运动控制的要求和传感器件的信号进行必要的逻辑、数学运算，为电机或其它动力和执行装置提供正确的控制信号。运动控制器由硬件、固件、软件等组成，其中硬件部分包括微处理器、存储器、接口电路、通信接口、电源等；固件是指固化在微处理器、存储器、可编程逻辑器件等元件中的软件；软件部分由实时操作系统、运动控制指令编译器、运动控制参数的预处理及优化、运动控制函数、通信管理等模块构成。运动控制器负责向伺服系统等部件传递控制指令，是运动控制系统的核心模块，其性能直接决定了运动控制系统的性能水平。运动控制器可分为插卡式运动控制器、嵌入式运动控制器和网络式运动控制器。插卡式运动控制器又称为PC-Based运动控制器，以板卡形态存在，通常采用高性能DSP和FPGA作为核心处理器。用户通常以PC机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入PC机，即PC+运动控制器的模式，将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动控制能力有机地结合在一起，可实现高性能多轴协调运动控制和高速点位运动控制。国内市场主要代表厂商包括固高科技、雷赛智能、美国泰道、翠欧、众为兴等。以工业计算机的形态存在，集成了工业计算机和插卡式运动控制器。在延续了插卡式运动控制器运动控制性能的同时，可以实现普通PC机的基本功能，是用户理想的嵌入式一体化解决方案，也是运动控制器发展的重要方向。国内市场主要代表厂商包括FANUC、固高科技、翠欧、ACS等。网络式运动控制器的形态可以是插卡式，也可以是嵌入式，或者是独立运行模式。其与伺服驱动系统的链接是采用各类工业总线形式，如Ethercat、Profinet、DeviceNet、Sercos、CC-Link、RTEX、MII/III。过去由于工业总线均来自欧美和日本，所以网络式运动控制器基本为国外垄断，主要厂家包括倍福、西门子、施耐德、三菱、松下、安川等。固高科技着力发展我国自主可控的多主从等环网的网络架构gLink系列，自2016年陆续推出各种形式的系列产品。伺服系统是一种能对机械运动按预定要求进行自动控制的系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角），实现输出变量精确跟随或复现输入变量。伺服系统通常由驱动器和电机构成。驱动器是用来控制电机的一种装置，主要应用于高精度的定位系统，一般通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位。电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，可精准控制速度，位置，可将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。交流伺服系统依据不同的电机运行原理分为永磁同步交流伺服系统、感应交流伺服系统、磁阻同步交流伺服系统和无刷直流伺服系统，当前市场以永磁同步电机及无刷直流伺服电机为主。交流伺服电机通过驱动器磁场换向实现电流的精确通知，同时它具备转矩密度大、效率高、力矩大，响应快，可靠性高等特点，在工业场景得到广泛应用。直流伺服系统由直流伺服驱动器和直流伺服电机组合构成。直流伺服电机通过电刷进行换向，驱动器只需输出正负直流电机即可驱动电机正反运行。由于直流电机的输出特性，它的力矩线性、平稳，通常被用在高精密的控制领域。同时，直流伺服电机可配备编码器形成闭环系统。因此，直流伺服系统可准确掌握电机的转动情况，实现精确的定位。步进系统由步进驱动器和步进电机组合构成，步进驱动器接收指令信号后，驱动步进电机按设定的方向转动固定的角度，因此可通过驱动器发出的控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。步进系统通常为开环系统，在步进电机添加编码器后也可形成闭环控制系统。我国制造业自身存在的问题（一）自主创新能力不强我国是制造业大国，但多数制造企业在国际产业链分工中仍处于制造—加工—组装低技术含量和低附加值环节，创新能力不强。尤其在高端产品创新设计方面，设计工具软件受制于人，设计方法和理念不够先进，创新设计能力较为薄弱。2015年，我国集成电路进出口逆差1600多亿美元，众多高端芯片的核心技术尚无法突破，企业被迫将大部分利润用于购买国外专利授权，产业自主发展的能力不强，难以打破市场垄断。（二）基础能力薄弱，产品质量不高我国制造业质量基础相对薄弱，高性能液压件与气动元件、高速精密轴承、大功率变频技术、特种执行机构、仪器仪表传感器、工控软件系统等发展滞后。产品质量和技术标准整体不高，出口产品召回问题不断，严重影响着我国制造业的国际形象。此外，制造业每年直接质量损失超过2000亿元，间接损失超过1万亿元。（三）资源利用效率偏低我国部分传统制造行业高投入、高消耗、高污染、低效益的粗放式生产方式，加剧了对生态环境的破坏。全国钢铁、建材、化工等行业单位产品能耗比国际先进水平高出10%-20%；机电产品中量大面广的燃煤工业锅炉运行效率比国外先进水平低15～20%。制造业可持续发展遇到瓶颈。我国大部分地区和行业的信息化仍处于以局部应用为主的初级阶段，且不同地区、行业和不同规模企业间信息化水平尚存在明显差距。面对网络协同制造、大规模个性化定制等新型生产模式的变革，认识不充分，准备不足，传统制造业将面临二次淘汰的风险。智能制造与装备制造业概述智能制造是基于新一代信息技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节，具有自感知、自决策、自执行、自适应、自学习等特征，旨在提高制造业质量、效益和核心竞争力的先进生产方式。作为制造强国建设的主攻方向，智能制造发展水平关乎我国未来制造业的全球地位，对于加快发展现代产业体系，巩固壮大实体经济根基，构建新发展格局，建设数字中国具有重要作用。智能制造以工艺装备为核心，以数据为基础，通过制造技术突破、工艺创新和业务流程再造，实现生产制造的数字化、网络化、智能化。智能制造是一种先进的生产方式，怎样生产和用什么生产则依赖于装备制造业提供具体的智能制造装备。装备制造业的技术水平是衡量一个国家工业化水平的重要标准。智能制造装备集机械系统、运动控制系统、信息管理系统等多种技术于一体，具备高速、高精度、高实时响应的作业性能，是有效减少生产过程对人力劳动的依赖，显著提高生产效率、生产精度和生产质量的先进工业装备。智能制造装备具有感知、控制、决策、执行、数据闭环反馈功能，是先进制造技术、信息技术和智能技术的高度集成。先进工艺、信息技术与智能制造装备的深度融合，推动实现了数字化、网络化、智能化的智能制造。运动控制系统行业的发展情况及发展趋势（一）运动控制行业技术特点及技术发展趋势高可靠性是指产品可在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力，通常以平均无故障时间来界定。工业装备能够长期、稳定地可靠运行是用户的最基本要求。现代工业场景下，装备的系统复杂度提升，非确定性因素增加。作为装备的大脑，运动控制系统需在面对各种作业环境和需求变化的情况下，消除整体系统的非确定性，保证装备的长期稳定有效运行。随着运动控制系统设计更加复杂，软件的可靠性主要体现在其容错能力和代码强健性上，而对于硬件来说，在持续降低系统功耗的同时，提升其在各种严苛环境下（高温高湿、超低温和温度冲击、粉尘油污、腐蚀性气体、金属颗粒物、强电磁干扰等）的抗干扰能力、7×24小时运行环境中抗疲劳强度、抗扰动能力和信号链传递损失与补偿等。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器系统来说是一项基本的核心要求。一方面，在生产过程中需采用经过严格筛选测试的优质元器件，组装过程也应具备严格的质量控制程序，以确保装备长期使用时的高稳定性和高可靠性。另一方面，运行中控制系统的故障源经常来自于各类连接点和运动部件扰动。如何减少连接，强化网络数据传输的实时安全，以更加紧凑的结构实现更加复杂的控制过程，在保证可靠性的同时，还要能够支撑更加复杂的算力需求。实时性作为运动控制系统的一项重要性能指标，是指事件发生的时间确定性（相对与绝对的确定），以及在此基础上数据处理的精准和快速性，这对设备和任务间的时间同步精度，以及系统中的任务执行效率提出了新的要求。实时性需要解决在保证运动控制事件的时间确定性情况下系统的冗余安全、复杂网络中信息实时交互、多时钟源协同精准补偿，复杂系统相位控制中的高速信号处理和大型软件的实时性处理等等。高速高精度是运动控制系统在性能上永恒的追求，面对不同应用场景，高速高精的具体指标有所不同，但总体指标要基于被控对象的模型辨识，对速度和控制精度进行自适应和自优化，取得综合性全局最优。类似木桶效应，一个系统的整体性能取决于最短的木板。输入激励信号源的运动规划与被控对象响应能力是否匹配，系统各控制环节的同步性，传感反馈的物理分辨率精度，系统模型辨识的线性化能力，机械系统谐振频率和动刚度特征，关键部件热传导与热辐射效应，信号链完整度、扰动频域是否与工作频域重合等，都会制约系统整体高速高精度性能指标的达成，成为最短的那块木板。（二）运动控制系统产品及技术发展趋势开放性代表系统要为用户打开二次技术开发、工艺快速迭代升级的技术路径，并为用户自身核心竞争力构建提供必要的技术手段。灵活性意指系