运动控制器行业前景分析报告

运动控制器行业前景分析报告

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。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。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。我国制造业发展取得的成绩（一）制造业总量跃居世界第一，成为名副其实的制造大国近年来我国制造业总体规模已居世界第一位，综合实力不断增强，不仅对国内经济和社会发展做出了重要贡献，而且成为支撑世界经济的重要力量。2014年，我国工业增加值达到22．8万亿元，占GDP的比重达到35．85%。2013年我国制造业产出占世界比重达到20．8%。在500余种主要工业产品中，我国有220多种产量位居世界第一。制造业的快速发展，直接促进了我国经济发展的速度、质量和效益，增强了我国在全球化格局中的国际分工地位。（二）突破了一批核心技术，形成了一批支撑国民经济发展的重大装备产品十几年来，制造业各领域涌现出了一批较有影响、意义深远的重大成果。国内发电设备装机中国产发电机组已达80%以上，年产千万吨级大型炼油厂设备国产化率达90%，国产100万千瓦超超临界火电机组、国产750千伏交流输变电成套设备已投入运行。日产4000吨大型新型干法水泥生产线、60万吨乙烯、30万吨级合成氨、百万吨级钾肥等一大批大型成套技术装备实现自主化。神舟系列航天飞船的成功发射，实现了载人航天工程的重大突破。蛟龙号载人潜水器研制和海试成功，标志着中国跻身世界载人深潜先进国家行列。（三）涌现出一批世界级的大企业，企业正在逐步成为技术创新主体2016年《财富》世界500强排行榜中，中国企业达110家，其中以工业为主的有50余家。社会创新要素不断向企业集聚，工业企业研发投入快速增长，自主创新能力显著增强。2015年，我国规模以上制造业研发投入强度达到0．91%；企业发明专利申请58．3万件，占国内发明专利申请受理量的60．2％；企业获得发明专利授权15．9万件，占国内发明专利授权量的60．5％。企业作为市场主体，在自主创新中继续发挥决定性作用。（四）初步形成了企业、高校、院所联动的产业创新体系近年来，我国制造业加强科技创新、促进科技成果转化和产业化，取得了重要突破和实质性进展，形成了产学研结合、较为完备的产业创新体系。建设了一批国家重点实验室、国家工程技术研究中心等科研基地；成立了一批国家产业技术创新战略联盟，为我国制造业的健康持续发展提供了重要保障。网络协同制造以推进互联网与制造业、服务与制造融合发展为主线，以重塑制造业技术体系、生产模式、产业形态和价值链以及促进制造业转型升级为目标，探索一批引领发展的制造与服务新模式，突破一批网络协同制造理论、关键技术与标准，研发一批互联网+协同制造工业软件，创建一批互联网+制造服务平台。（一）网络协同制造模式与理论围绕推进互联网与制造业、服务业与制造业融合发展以及打造智慧企业的创新需求，探索云制造等网络协同制造新模式；研究智慧空间与工业大数据、服务型制造与制造服务融合等前沿理论；研发与构建产品全生命周期制造服务融合、多模式智能供应链、服务价值链协同、多学科支撑的工业大数据精准分析、在线运维与预测运营等核心模型与关键技术。为重塑制造业技术体系、产业形态和价值链提供理论支撑。（二）互联网+协同制造工业软件围绕基于互联网的协同制造服务新模式，面向创新设计、企业经营与资源管理、产品全生命周期制造服务以及工业云、工业大数据、工业互联网等平台系统的构建，研发复杂产品全数字化优化和仿真、产品全生命周期/服务生命周期管理、资源管理与智能供应链协同、基于OT的智能服务、工业大数据分析等平台系统与软件，形成互联网+协同制造工业软件系统，支撑网络协同制造创新发展。（三）基于互联网+的创新设计探索支撑制造业要素资源共享互联及社会力量参与互动的研发设计新模式；攻克互联网+环境下设计资源共享、研发设计价值链协同以及众创空间构建新技术；研发支持云制造的设计资源共享与协同创新平台、典型行业众创服务平台以及制造业产品众包设计服务平台。推进制造业从企业创新到众创众包的发展转变。（四）资源管理与智能供应链攻克互联网+环境下基于工业云与工业大数据的企业经营管理及资源集成共享技术、智能供应链协同与精准服务技术；研发制造核心企业和第三方服务商主导的多模式制造企业经营管理与资源集成共享云平台、智能供应链管理集成平台与产业价值链协同云平台；构建企业制造资源协同空间。推动从企业运行向价值链协同运营转变。（五）产品全生命周期制造服务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。（六）工业大数据驱动的网络协同制造平台攻克产品数据链、资源数据链、供应数据链、制造数据链、服务数据链及其无缝集成、工业大数据驱动的企业智能决策与预测预警等关键技术；研发基于工业大数据的企业业务管控与决策分析、企业智慧数据空间构建等技术系统；打造云制造服务平台、工业大数据驱动的网络协同制造平台等；构建企业智慧数据空间，开展平台典型应用。绿色制造重点面向我国制造业发展中高能耗、高污染的问题，以提高资源能源效率和降低环境负荷为主线，以绿色产品、绿色工厂为目标，掌握生态设计理论与工具、绿色制造方法与工艺、试验验证平台、绿色标准与规范等基础共性技术，推广基础制造工艺绿色化、流程工业绿色化技术，提升通用设备产品能效、工业废弃物回收再制造与再资源化等生态效率水平。（一）基于绿色理念的减量化设计与创新设计通过创新研发，突破新材料应用及改性设计、节能降噪设计、个性化定制设计、可拆解与回收设计等生态设计关键技术。掌握全生命周期高效绿色循环再利用基础理论及关键技术，实现战略性资源高效绿色循环再利用。研究典型绿色产品新原理、新结构设计及应用关键技术，开发一批绿色制造前沿技术、核心技术与装备，开发推广绿色产品，引导绿色生产。（二）绿色加工工艺与装备重点研究基础工艺绿色化技术、流程工业绿色工艺技术、量大面广的典型通用设备产品节能、减排、降耗技术。实施重点行业系统改造的示范应用。开发高效清洁基础制造工艺及装备、无害化表面处理工艺技术、少无切削液清洁加工工艺与设备、钢铁短流程工艺、有色金属清洁冶炼工艺。开展制造工艺创新和集成应用，加快实现重点行业制造系统和装备的绿色升级。（三）制造系统能效优化关键技术围绕制造系统能效优化与提升和终端用能产品节能，突破产品能效及其集成优化匹配技术，制造系统机群综合能效模型与智能分析技术、机群综合能效的智能协同优化控制技术；掌握系统能效分析与获取、能效评价、监控与优化管理、设备系统能效提升、工艺系统多目标决策优化、工件比能效率提升等系列关键技术；在规模以上企业开展车间、工厂以及产业集群的能耗定额管理和高能效优化运行，推行制造系统能效评价和优化应用。运动控制系统行业下游应用领域发展情况（一）运动控制系统半导体制造装备行业领域发展情况半导体作为信息产业的基础和核心组成部分，是关系国民经济和社会发展全局的基础性、先导性和战略性产业。根据世界半导体贸易统计组织（WSTS）统计数据，中国半导体市场规模由2014年的917亿美元增长至2019年的1，441亿美元，2019年占全球半导体市场规模的34．95%。当前的国际政经环境及我国半导体自主可控的需求，带动了我国半导体装备制造的快速发展。硅片设备、制造设备，以及包含固晶机、贴片机、焊线机、划片机、倒装机、切筋成型设备、清洗机、测试机、分选机和探针台等在内的封装、测试设备等半导体装备需求旺盛。根据国际半导体产业协会（SEMI）统计，2020年中国半导体设备行业市场规模达187．20亿美元，同比增长39．18%。2009年至2020年，中国半导体设备行业市场规模复合增长率为31．25%。根据《上海集成电路产业发展研究报告》，2019年我国半导体装备（该数据包括集成电路、LED、面板、光伏等设备）的国产化率约为18．8%，其中集成电路设备国产化率仅为8%左右，未来空间巨大。（二）运动控制系统工业机器人行业领域发展情况工业机器人广泛应用于机械制造、汽车制造、船舶制造、电子、物流、化工等现代工业领域，是产业转型升级、实现智能制造的重要抓手。工业机器人包括多关节机这人、SCARA机器人、坐标机器人、并联机器人等多种类型，随着技术不断成熟，工业机器人整体往更加高速、高精度、智能化、柔性化等方向发展。我国早在2013年就成为全球工业机器人的最大市场，当年装机量超过日本、美国、韩国、德国之总和。根据国际机器人联合会（IFR）及中国机器人产业联盟（CRIA）统计数据，2014年至2020年间，我国工业机器人销量由5．71万台增至15．60万台，年复合增长率达18．24%，2021年市场规模有望突破70亿美元。2017年，我国工业机器人的国产化率约为29%，其中高端机器人国产化率为17．5%，空间同样巨大。（三）运动控制系统数控机床行业领域发展情况数控机床是装备制造的工业母机，机床产业的技术水平、加工效率、精准程度及长期稳定可靠工作对一个国家制造业至关重要。随着制造业加速转型，精密模具、新能源、航空航天、轨道交通、3D打印、医疗器械等新兴产业迅速崛起，其生产制造过程高度依赖数控机床等智能制造装备，这将有力推动高速、高精、高效、高稳定性、智能化、多轴化、复合化等高档数控机床的发展。中国制造业的规模决定中国数控高精密机床拥有广阔的提升空间。但我国数控机床企业主要定位于中低端市场，高端产品渗透率虽在提升但仍处于较低水平。根据前瞻研究院整理的资料，2018年我国低档数控机床国产化率约82%，中档数控机床国产化率约65%，高档数控机床国产化率仅约6%。我国国产机床并非没有市场，而是因为我国智能制造转型升级需求和国产机床整体水平之间不平衡不匹配，从而抑制了国产机床消费能力。《中国制造2025》规划中明确提出高端数控机床与基础设施装备之具体目标：到2025年，高档数控机床与基础制造装备国内市场占有率超过80%。高档数控机床与基础制造装备总体进入世界强国行列。未来我国机床行业的数控化提升和中高端替代具有高度确定性，高档数控系统价值约占高端数控机床成本的20%-40%，发展空间巨大。（四）运动控制系统激光装备行业领域发展情况受益于各类金属及非金属工业材料加工的旺盛需求，激光加工装备市场迎来持续稳定的增长。根据《2021年中国激光产业发展报告》，我国2020年激光设备市场销售收入已达692亿元，2014年至2020年间年复合增长率达17．72%。但目前高端激光装备的国产化率仅为10%。未来激光加工装备仍将持续往数字化、智能化、切割柔性化的趋势发展，而运动控制系统是激光加工装备的关键功能部件，是推动激光装备向更高功率、更快速度、更高精度发展的技术保障，将持续受益于激光装备市场的增长。（五）运动控制系统传统制造产业领域发展情况传统制造业是我国工业体系的基础构成，其健康稳定发展对我国国民经济发展具有深远影响。中国装备制造业的提升不仅仅是在半导体、数控机床、工业机器人、激光精密装备等高端装备领域，还包括纺织、印刷、包装、焊接、压铸、冲压、注塑、压装等更广泛的各类工业装备。在新的发展阶段，各类制造产业都迫切需要通过先进制造技术实现装备和工艺的数字化、智能化提升，并依托工业数据进行智能分析，实现运维、能耗、产能、效率、质量等多维度价值提升。一方面，印刷、纺织、包装、食品、冶金等多种传统制造产业为满足新经济环境下对高品质、定制化和快速服务响应的需求，需要对自身进行智能化升级改造，以满足新需求、开拓新市场；另一方面，传统制造业亟需提升数字化、网络化、智能化水平以解决劳动力严重短缺、人力成本上升、柔性化生产能力瓶颈、市场响应缓慢、产品同质化严重等产业发展痛点。同时，经过多年发展，传统制造产业的地方特色集聚现象愈发明显，行业共性的智能化升级需求不断显现，并呈现出由点带面加速落地的示范推广效应。我国运动控制系统企业基于对本土需求的深刻理解和更强的本地化技术服务能力，将在赋能传统制造业，推动转型升级和智能化改造中发挥重要作用。高档数控机床与基础制造装备坚持主机牵引、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。（一）航空航天领域高档数控装备聚焦航空航天典型结构件加工需求，以提高加工效率和质量为目标，突破关键工艺和编程等核心技术；开展高档五轴数控机床与关键成形装备等主机的应用验证与示范，推动高档数控系统和以摆角铣头为代表的关键功能部件实现批量化应用。（二）汽车制造领域高档数控装备重点研究数控机床的可靠性快速试验技术与制造保障技术、数控系统的可靠性第三方测试及可靠性增长技术，突破数控机床可靠性MTBF>2000小时的技术瓶颈，通过示范应用与工艺验证，大幅提升国产数控机床的组线能力。加强成组成套工艺集成研究，为汽车关键零部件制造提供成套