直驅電機這一塊有很多種表現(xiàn)的形式，直驅環(huán)形線是目前3C自動化、物流倉儲和自動化領域里面非常常見的，而且整個市場的增長非常顯著。上海果栗自動化科技有限公司CTO周金明為我們帶來了《智能柔性環(huán)形線智能制造領域新趨勢》的主題介紹。

一、工業(yè)制造發(fā)展史

　　從傳統(tǒng)制造業(yè)的發(fā)展方面可以把它分成幾類，比如說我們可以把它作為工業(yè)制造的1.0時代，可以把它認為是人工生產(chǎn)作用的生產(chǎn)線，算是最早流水線的一些方式。第一代這種方式主要是鏈式以及摩擦的傳輸，也就是皮帶類型的生產(chǎn)線。到后來可以把它稱作工業(yè)制造的2.0時代或者3.0時代，所謂半自動化以及自動化時代的產(chǎn)線，典型的就是加了很多旋轉伺服系統(tǒng)，比如同步帶之類的。另外加直線電機。

　　工業(yè)4.0時代稱之為智能柔性生產(chǎn)線，典型的就是磁懸浮柔性環(huán)形線，當然環(huán)形線的種類也分好幾種，包括環(huán)型的，包括接駁的直線型的方式等等。現(xiàn)在有一個發(fā)展趨勢：

　　現(xiàn)在的用戶越來越要求個性化的需求。包括數(shù)字化的需求;人力因素;客戶不確定性，小批量的產(chǎn)品對于我們的產(chǎn)線會提出各種各樣的要求，包括要求產(chǎn)線生產(chǎn)力提高，品質要提高，柔性生產(chǎn)，高速運行，高精密等。

　　這里列了一個磁懸浮柔性線和撥叉機構、皮帶線的對比。在柔性方面包括穩(wěn)定性、維護方便性和智能化，磁懸浮占了絕大部分的優(yōu)勢，成本上，傳統(tǒng)肯定會占一些優(yōu)勢，還是要看客戶具體的需求定位情況。

　　二、傳統(tǒng)產(chǎn)線的痛點

　　傳統(tǒng)的一些物流線的痛點，這里主要是指皮帶、鏈條的傳輸系統(tǒng)。

　　1、是針對有些產(chǎn)品，它皮帶傳輸摩擦時會產(chǎn)生一些粉塵顆粒，會影響這些產(chǎn)品的品質。尤其是對于面板行業(yè)，對于車間要求的潔凈度很高;

　　2、生產(chǎn)效率低(速度慢，精度差)，皮帶需要進行第二次定位;

　　3、無法異步、非固定節(jié)拍生產(chǎn)，無法同步運動;

　　4、維護困難，能耗高。

　　5、拓展性差。

　　終端客戶有高速產(chǎn)線的需求，而傳統(tǒng)線體設計上下料的時間就是瓶頸，不可能達到柔性產(chǎn)線的產(chǎn)率，還有客戶要求能快速換型，4個小時完成產(chǎn)品換型，目前只有磁懸浮柔性環(huán)形線可滿足用戶需求。

　　三、磁懸浮傳輸技術原理、架構及優(yōu)勢

　　1、磁懸浮傳輸線的技術原理和優(yōu)勢：

　　1)高加速、高速、高精密、無需二次定位;

　　2)每一個動作都可以獨立控制，可實現(xiàn)同步/異步控制，負載的區(qū)間大;

　　3)無塵要求高，沒有線纜的拖動，沒有顆粒的粉塵;

　　4)通用性高，模塊化設計，制造周期短;

　　5)擴展性高，產(chǎn)品的定子可以延展到500米，動子數(shù)量可增加至256個。

　　6)設備占地空間可節(jié)省40%以上。

　　2、磁懸浮分成兩大類：環(huán)形線，接駁型，接駁型里可分為全直驅及直驅+皮帶混合。

　　1)環(huán)形線原理及分類

　　環(huán)形線的基本的原理：動子是一個U型的磁鐵，定子集成了磁懸浮專用驅動器和線圈，整個定子和動子組成了基本磁懸浮直驅電機。環(huán)形線的一個基本標準是跑道型的，因為我們用的模塊化生產(chǎn)方式，每一個定子都是模塊化。圓弧導軌中間可以插直線段組成一個方形的環(huán)形線，根據(jù)需要選擇。2020年開始新增加了一個變軌環(huán)形線，用于分叉的類型。

　　2)接駁型原理及分類

　　接駁原理與環(huán)形線的原理一致的。接駁就是結構上變成豎起來的。接駁分成了全直驅的方式+皮帶回流的方式。

　　接駁其實也分幾類：水平接駁類型、上下接駁的類型、上下接駁+皮帶混合型、水平接駁+皮帶混合型。

　　3)系統(tǒng)架構

　　A. 每個定子模塊只有簡單的一進一出線纜，布線簡單可靠，不用考慮布線維護問題;

　　B. 接口簡單易用，系統(tǒng)安裝調試時間短;

　　C. 光纖通信，響應快，可靠性高;

　　D. 接口拆裝簡單，維護方便;

　　E. 換型或改造便捷(1天內可以完成快速拼接)

　　F. 斷電后動子編號不丟失，重新上電可以進行生產(chǎn)追溯;

　　G. 額外提供用戶RFID或工藝條碼錄入綁定動子功能;

　　4)控制器接口

　　單個控制器支持256個動子，多個控制器并聯(lián)時，最多支持2000個以上的動子?？刂破鹘涌冢阂皇侵С諩CAT(Ethercat)接口;還有一個是以太網(wǎng)UDP的接口。動子支持安裝二級執(zhí)行器，上面可以集成伺服電機，IO口或者是真空泵。

　　四、控制軟件的功能及技術內容

　　1、功能介紹

　　因為整個系統(tǒng)的功能重要需要通過軟件的形式來實現(xiàn)，詳細介紹一下這些功能。

　　1)對外的接口EtherCAT和以太網(wǎng)UDP接網(wǎng)方式，通訊口作為通信Slave，上位機PLC下發(fā)命令，iTS控制器回應命令;對于PLC應用案例來說，常用的PLC如歐姆龍、倍福、西門子、三菱、基恩士、匯川、禾川、信捷都支持;如果上位機是PC工控機，可提供Windows上的DLL庫供用戶調用，直接調用函數(shù)接口。

　　2)內置動子間的安全防撞機制：

　　安全間距可以任意設置，防撞功能已經(jīng)集成到控制器內部，動子不論處于何種狀態(tài)，另一個動子高速沖撞，會在設定的安全間距位置停下，等第一個動子拉開間距后后再繼續(xù)行進。

　　3)提供兩種控制動子方式：動子自由控制方式及工位控制方式。動子自由控制，可當成一個電機軸來實現(xiàn)。當線體比較長時，系統(tǒng)的復雜度和編程量會極度增加，所以此時可選擇工位控制方式，用戶簡易編程工作，只需要關注工位，不需要關注動子之間的運動方式。

　　2、iTS控制軟件功能--動子相關

　　動子位置及狀態(tài)可實時讀取;

　　內置的動子安全防撞間距可分區(qū)域單獨設置不同值;

　　動子靜態(tài)誤差校正及動態(tài)誤差補償功能;

　　提供開環(huán)推力調試功能;

　　支持不同長度載具的動子混合使用及防撞功能;

　　支持左右不對稱的異形動子混合使用及防撞功能;

　　支持斷電恢復后可復原原狀態(tài)生產(chǎn);

　　3、iTS控制軟件功能--工位相關

　　全行程任意位置都可設置為工位;

　　工位安全邊界保護功能：工位內有動子時，后面跟隨動子停留在邊界外;

　　工位示教功能，將動子移動到合適位置，將動子位置存為工位位置;

　　動子在不同工位移動，可以設置不同的加減速度、速度參數(shù);

　　工位可設置范圍，工位范圍是否有動子可以獲取信息;

　　可以動態(tài)設置工位是否允許動子進入;

　　可動態(tài)啟動或禁用工位;

　　對于同樣工藝的工位，可設置為同步組隊工位;

　　可單獨暫停/恢復某個工位范圍內的動子;

　　可單獨急停/恢復某個工位范圍內的動子;

　　可設置不同工位停留指定的不同動子;

　　工位的下一個指向，可以根據(jù)工藝情況動態(tài)指向新的工位號;

　　4、iTS控制軟件功能--其他

　　提供段區(qū)域參數(shù)功能，可設置某些區(qū)域的額外速度限制、不同防撞間距、不同PID控制參數(shù);

　　提供定子模塊、動子、通信的狀態(tài)和診斷信息;

　　軟限位功能;

　　每個定子模塊前中后是否有動子都可以實時獲取;

　　配置參數(shù)支持導入、導出;

　　支持仿真調試功能;用戶PLC可提前在沒有線體的情況下調試自己的程序;

　　5、線體如何控制?--動子自由控制

　　動子自由控制，通過設置寄存器控制各個動子的運動，功能包括伺服，絕對運動、相對運動、急停、正常停止、清錯、速度方式運動等;

　　運動可以指定目標位置、最大速度、加減速等參數(shù);

　　動子狀態(tài)獲取，讀取寄存器獲取各個動子的狀態(tài)，包括是否伺服、運動、急停、阻塞、目標位置是否到達、錯誤等;

　　可以獲取動子當前的實時位置和速度。

　　6、動子自由控制--寫/讀控制寄存器

　　這是我們寫控制器的一個寄存器，單獨控制動子，通過控制寄存器，目標位置去設置就可以了。讀取動子的狀態(tài)和什么樣的狀態(tài)，當前實時的速度和實時的位置，可以直接通過寄存器去讀就可以。

　　7、工位控制方式

　　用戶只需要關心工位上的工作即可，不用費心去控制每一個動子。

　　針對某個工位的應用場景：

　　1) PLC查詢工位是否有動子到達;

　　2)一旦動子到達了工位，PLC就可以獲取到動子的ID編號;可以根據(jù)需要對動子進行額外控制;

　　3)PLC可控制其他外部機構進行操作，比如進行上料或對動子上的物料進行操作等;

　　4)外部機構完成工作后 ，PLC下發(fā) ”移動下一工位 ”命令;工位上的 當前動子自動往下一個工位前進;動子在下一個工位前進時，如果前面有動子存在，會自動停留在安全間距外處于阻塞狀態(tài)，等前面動子移開后繼續(xù)前進，一直到達前面的工位。

　　5). PLC繼續(xù)查詢工位狀態(tài) ，等待后續(xù)動子的到來;周而復始循環(huán)。

　　8、工位控制--寫/讀控制寄存器

　　這是工位控制的寄存器，比如說Moving Next的命令，使用上升沿信號，相應的工位就控制往下走，工位區(qū)域位置都可暫停。這是讀取的工位狀態(tài)的情況，觀察是否有動子在工位上，及到達工位的動子ID號碼。

　　9、iTS調試工具

　　iTS的調試工具提供了配置及調試iTS線體的完整工具，包括：線體規(guī)劃 、工位配置 、動子配置 、各種參數(shù)配置 、動子實時位置顯示 、手動控制動子運動等;PID調試用的示波器軟件工具等。

　　從圖中可以看到這是調試軟件的一個主界面，右側列表，表示動子實時位置及狀態(tài)，圖中是系統(tǒng)控制參數(shù)，左下方顯示單獨動子的控制界面，上面是一些系統(tǒng)的狀態(tài)，可以通過這些來進行查看。

　　下圖稱為圖示工位操作，這個界面里面實時顯示動子和工位的狀態(tài)，綠色表示工位，紅色表示動子，當然你也可以顯示位置、狀態(tài)、信息，點一下工位或動子可以控制其參數(shù)。

　　下圖為果栗在鋰電行業(yè)物流線的一個模擬仿真，通過模擬仿真方式可以設置好參數(shù)，例如設置動子參數(shù)，升降機大概到達所需時間，預測工位停留時間，通過這些設置可了解產(chǎn)線產(chǎn)率。

　　五、企業(yè)介紹和應用案例

　　上海果栗自動化于2015年成立，目前設立有蘇州分公司及成都、深圳辦事處，團隊主創(chuàng)人員均擁有工控行業(yè)十余年經(jīng)驗，主要產(chǎn)品包括了環(huán)形線、方型環(huán)形線、水平接駁線、混合同步帶的接駁線，還有包括變軌的新環(huán)形線，變軌接駁線等，果栗未來還是會持續(xù)專注于環(huán)形線相關產(chǎn)品的技術研發(fā)。目前已經(jīng)成熟應用于鋰電、3C、液晶面板、汽車電子、物流運輸、醫(yī)療品制造、半導體、日用品等等。