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        技術頻道

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        賦能先進制造,智能柔性輸送線助力產業升級

        時間:2022-06-10 17:38:46來源:直驅與傳動 編輯部

        導語:?位于常州金壇園區的蜂巢能源動力電池基地,是其建設的首個車規級動力電池 AI 超級工廠,該工廠先進的電池生產線引人矚目,特別是在疊片工序后的極組運輸裝配環節中,蜂巢能源采用了業界首創的“磁懸浮物流線”,這條磁懸浮物流線的速度快達 3 米/ 秒, 異物抑制率提升了 80%,不僅避免了粉塵污染,同時也為電池產品能量密度的提升以及最終良品率提供了可靠的技術保障。

          這就是智能柔性輸送系統的一個典型應用案例,這類磁懸浮輸送系統是一種運用直線電機的新方法,是使用磁體以無摩擦推進的方式精確控制運動,由磁驅電機模塊、控制系統與環形導軌組合而成的一種新型智能輸送線,它設計靈活、更換快速、直線段和弧形段可以無限組合,以滿足設計、生產和空間的要求,也是先進制造的一項細分技術發展趨勢。

               自動化運輸系統是大型機組設計的關鍵組成部分,它連接著各個生產單元,并確保始終保持高效、無縫的生產過程。自動化運輸系統的技術布局質量及其運行效率直接影響到制造企業的運營效益。在傳統的皮帶式、鏈條式、齒輪和步進梁結構的線體之外,目前,一種以直線電機驅動的智能輸送系統開始步入人們的視線之中,被越來越多地運用在自動化生產線傳輸和裝配環節之中,例如新能源電池/電芯自動化組裝生產線、無菌自動化灌裝產線、3C/ 半導體自動化產線、汽車組裝重負載輸送線等等。根據專業市調機構MIR睿工業的統計數據顯示,2021年中國磁懸浮輸送線的市場規模約為3.5億元,同比增長30%-40%, 預計到2025年,該市場有望達到10億元的規模(如圖1 所示)。

        2019-2025 年中國磁懸浮輸送線市場規模趨勢.png

        圖 1 2019-2025 年中國磁懸浮輸送線市場規模趨勢

          (資料來源:MIR 睿工業)

          這種以直線電機驅動的智能輸送系統是一種智能柔性線體(Flexible Manufacturing System),又被稱為磁懸浮輸送線、磁驅環形線、動磁式輸送線、環形直線電機輸送線等。實際上,這種磁懸浮輸送線系統在國外已經是非常成熟的輸送技術,磁懸浮輸送線不受機械限制的設計, 產品一鍵更換,簡化了機械設計,通過減少復雜的工具加工,實現輕松升級,停機時間更少,操作更快速,通過直接驅動技術來降低能耗。與傳統系統相比,磁懸浮輸送線以輕松集成、標準工業通信協議和軟件配置的移動配置文件,實現快速、簡單地切換,移動部件更少,所需維護更少、停機時間更短,速度則可提高約10倍。 

                從結構來看,磁懸浮輸送線系統大致上包括磁驅電機模塊、控制系統與環形導軌等組成部分。其中,磁懸浮輸送線的環形線控制方式與普通的直線電機模組不太一樣, 針對磁懸浮輸送線的特殊的工作方式,需要將驅動器、控制器和編碼器整合到一起,實時監控上面運動部分的位置來達到很好的控制效果,上面定子在走的時候,下面要分別控制它不同線圈的顯示模式,因此,更強大的驅動器和控制器將會越來越融合,同時還要求系統應具備內置自我診斷和故障排除功能,可快速識別故障源,方便用戶的使用和操作。

          突破傳統輸送線的“瓶頸”

          一直以來,輸送設備一般包含了鏈條、傳送帶、傳動裝置和其他機械裝置,這些解決方案靈活性有限,且浪費能源,導致維護成本過高。羅克韋爾開發的獨立推車技術將機械組件替換為獨立磁懸浮技術,是一種運用線性電機的新方法,它使用磁體以無摩擦推進的方式精確控制運動,減少了需要維護的零件,降低了能源消耗,并且能夠快速啟動和停止負載而不會失去控制或造成零件磨損,因而重新定義了自動化裝置的速度和靈活性。

          面對當前越來越多小批量、多品種的生產模式,制造業企業需要更多的選擇和定制化產線,為了適應這一需求,機器需要更加靈活和易于轉換,例如軌道的彎曲或筆直部分可以無限組合,以適應工廠設計和廠房空間的要求。為此,羅克韋爾系統中的每個推車都是自主智能控制的運動軸,這意味著推車可以根據系統中其他推車的位置來加速或減速。此外,該系統還會跟蹤每個推車傳送的貨物,因此無需減速進行分揀,瓶頸減少,提高產量。

          特別是針對電動汽車電池制造,羅克韋爾自動化協助解決EV 電池制造難題,簡化生產線,實現 ICT 和自動化投資價值的最大化,并推出了一系列集成化、差異化的獨立推車技術和產品組合。MagneMover LITE 是一種智能、價格合理的智能輸送系統,專門設計用于快速、高效地移動輕型負載,在機器內應用和對運動要求苛刻的應用中,它的性能優于傳統的帶式傳送機和鏈條傳送機,可將過程優化和生產量提高到一個新的水平。

          羅克韋爾QuickStick智能傳送系統為裝配和過程自動化市場提供了一個更快速、更清潔、更高效的貨盤傳送系統替代解決方案。QuickStick 模塊采用了MagneMotion?線性同步電機技術,進行了端到端配置,通過產生電磁力,以10倍于傳統系統的速度推進承載器。借助具有機器制造商庫的 Studio 5000? 應用項目代碼管理器,可將 QuickStick 快速、輕松地集成到 Logix 控制環境中;使用帶有 Allen-Bradly PLC 的 SYNC IT 控制器和高速車輛定位反饋,可以實現更復雜的移動曲線。

          從一維、二維到六維

          貝加萊的運動控制技術一直致力于制造的柔性,從機器內部的加工,到機器之間,以及零配件在不同機器之間,在原材料變化、工序、工藝、路徑各種變化的挑戰下,實現個性化、柔性化。

          在離散制造領域的機器與裝備,旋轉電機或直線電機都是1個維度的運動,即旋轉或直線運動,這種一維運動主要發生在一個機器內部,它們帶來的是機器本身工藝的柔性,讓機器可以通過參數設置來適應不同的加工規格及成型工藝。貝加萊ACOPOS家族里的伺服驅動器ACOPOSmotor、ACOPOSmulti共直流母線驅動、ACOPOSmicro等都可以支持各種柔性化生產需求。

        貝加萊六維運動控制技術的演變.png

          圖 2 貝加萊六維運動控制技術的演變

          而當一個或多個產品從不同的設備進入組裝階段,就離開了機器到了一個更大的空間,產品的尺寸規格、組合方式、工序順序都在發生變化,也為柔性生產提出了巨大的挑戰,如何提供物料輸送和通信連接成為了新的問題。貝加萊ACOPOStrak系統能提供X、Y兩個維度的運動,而不像傳統輸送帶只能按照固定速度運行,ACOPOStrak不僅提供定位精度,還可為生產路徑提供智能算法,使得物料輸送形成非常多的路徑,可以分道進入組裝,也可以讓不良品沿著專用路徑離開,它的物料放在動子托盤上,可以按照設定去相關的工位加工,拼裝為一條柔性軌道輸送物料,以達到最大的效率。

          當產線進一步發展,產品的流程變得更為復雜的時候,就需要較為復雜的機械結構來配合。貝加萊ACOPOS 6D在平面定子上的動子運動可以形成各種組合,這是一種純磁懸浮技術,無機械接觸,不產生摩擦。并且每個動子托盤可以形成六種運動:X軸、Y軸、Z軸、R(X)-沿X軸的旋轉、R(Y)-沿Y軸的旋轉、R(Z)-沿Z軸的旋轉,即X、Y、Z軸運動加上這三個維度的旋轉疊加運動,它使得運動可以在空間內形成自由,這種輸送方式進一步將二維運動擴展到六維。

          其實,不管是ACOPOStrak,還是ACOPOS 6D,其核心都在于“調度”的智能化。因為對于多個工序的個性化加工來說,智能“排產”需要一定的策略和方法。但對于ACOPOStrak和ACOPOS 6D來說,調度本身已被封裝好了,用戶僅需通過軟件來“編排”任務即可,系統會進行調度計算,并通過POWERLINK網絡來感知各自的位置、間距,并傳遞各自的當前位置與速度,讓產品以更靈活的方式被輸送給機器加工,而不是被約束在一個群體中只能做集體行動(大規模標準生產模式),從而實現個性化、柔性化生產。

          化繁為簡,優化整體制造過程

          倍福的 XTS 磁驅柔性輸送系統是一款應用已經相當成熟的高性能驅動解決方案,系統中的磁力驅動動子沿著全集成式電機模塊構成的路徑移動。一臺安裝有 TwinCAT 自動化軟件的工業 PC 可以獨立控制運動特性各不相同的動子。由于 XTS 電機模塊中包含了功率電子元器件和位移測量元件,而且動子完全無源,因此輸送系統在組裝完成后即可立即投入使用;同時電機模塊的幾何形狀不同,可以根據應用需要創建一個開放或者封閉的移動路徑,并且可以通過各自的軌道布局減少設備的占地面積。XTS不僅取代了傳統的機械輸送帶,而且實現了創新的機械設計,通過靈活的運動曲線,可以實現從簡單到復雜的過程,從而優化整體制造過程。

          安裝 TwinCAT 3 自動化軟件的倍福工業 PC 是XTS 磁驅柔性輸送系統控制的核心組件,數據通過基于 PC 技術的控制器進行集中處理, 一方面可以使用各種功能塊非常簡單地執行診斷、操作或者實時處理生產過程中耦合硬件的功能;另一方面,這些數據也為預測性維護提供了良好的基礎。

        倍福模塊化的 XTS 磁懸浮輸送.png

          圖 3 倍福模塊化的 XTS 磁懸浮輸送

          例如,在食品和醫藥包裝機械行業,食品和醫藥行業全球領先的工藝和包裝技術提供商瑞士星德科(Syntegon)是倍福XTS 系統的首批客戶之一,目前已有60 款包裝機械都采用了倍福XTS 磁驅柔性輸送系統,應用于初級和次級包裝場景中。與傳統的輸送鏈不同,智能輸送系統將每個 XTS 動子作為單獨的伺服軸靈活進行控制, 進而獨立控制每個產品此外,它還可以非常靈活地調整產品間距。系統可以分別加速產品的運動,優化整個產品流程,在高性能應用中可以達到每分鐘輸送 1500個產品的穩定速度,特別適合用于初級和次級包裝機的進料系統。在傳統供應鏈中,每次規格的切換都必須單獨地手動更改移動裝置,而 XTS 系統只需通過相應的軟件功能輕按一下按鈕即可解決這一問題,可以節省大量時間,大大提升整體設備運行效率。

          除了靈活性和速度之外,X TS 系統還可以柔和地完成每一次產品搬運動作也是許多糖果制造商選擇它的一個主要因素,并且XTS設計非常緊湊(曲線半徑僅為250mm),顯著減少了設備的占地面積。

          另外,倍福新推出的采用無電纜技術(NCT)的XTS系統可以實現動子非接觸式連續供電和同步實時數據傳輸,可以直接在動子上實現額外的加工過程,無論是在運動期間,還是在靜止狀態下,尤其是在產品搬運、加工和輸送的同時進行的測量以及快速變化的生產批量的設備改造方面,無電纜技術為用戶提供了實現全新解決方案的可能。

          國產柔性環形產線開發動向

          去年10月,上海果栗自動化科技有限公司完成了7000 萬元A輪融資,此次融資由基石資本領投,老股東中科創星、敏一基金、盛宇投資跟投。果栗科技創始人、CEO池峰表示,本輪融資將主要用于公司標準化產品產能擴充、售后服務團隊搭建以及新產品研發。

          目前,這家國內智能柔性環形線開發領域的代表廠商已完成iTS全磁驅環形線型、iTS-接駁型、iTS-混合型(直驅+同步帶)等智能柔性環形線產品的量產,可根據不同客戶、不同應用場景需求進行適配化定制,滿足行業高標準生產需求。另據介紹,公司在3C電子行業、面板行業、能源行業、汽車等行業,已和富士康、Apple(蘋果手表灌膠線體產線)、LG、京東方、Molex、微創醫療等頭部企業展開了合作,供應量產設備。


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          圖 4 果栗科技開發的 iTS 標準環形線

          果栗科技CEO池峰表示,果栗致力于做中國智能柔性環形線領域的革新者,未來將重點聚焦于技術的創新研發,包括:高精度,定位精度最高可達10微米級別;高速度,可實現4米每秒的傳輸;柔性化,生產配置靈活,動子間速率可差異化運作;高效率,通過動子間的節拍整合, 實現最快的生產效率;更節能,較傳統產線能耗可節省80%;無粉塵,不采用線纜及滑動摩擦方式,可極大提升產品品質和良率;實現大數據生產,對每一個獨立產品進行數據生成、上傳、識別、管理,提高企業的智能化管理水平。

          結語

          綜上所述,可以看出,智能柔性輸送系統屬于一個小眾市場,應用規模并算不太大,客戶群體主要集中在一些高端制造領域,目前的主流供應廠商仍以國際進口品牌為主,其整體系統的價格普遍超過國產品的一倍以上。而另一方面,雖然本土廠商的技術研發起步稍晚,但伴隨著當前中國工業自動化市場的迅猛成長,在終端制造業用戶對多批次生產、低成本、穩交期的迫切需求下,資本市場被引入,這些有利條件促進了國內智能柔性輸送系統的技術開發和普及推廣的加速,而要想在這一特定的應用市場上能夠有更大的作為,則還需要本土廠商能夠在循環線高速通訊控制、循環線圓弧精密定位/識別跟蹤、環形導軌制造工藝等技術層面做進一步的提升,再通過規模化效應,來降低系統造價,為市場帶來性價比俱佳的智能輸送系統方案,力爭在中國先進制造發展中發揮更大的作用。

        標簽: 直線電機

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