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赋能先进制造,智能柔性输送线助力产业升级

时间:2022-06-10 17:38:46来源:直驱与传动 编辑部

导语:​位于常州金坛园区的蜂巢能源动力电池基地,是其建设的首个车规级动力电池 AI 超级工厂,该工厂先进的电池生产线引人瞩目,特别是在叠片工序后的极组运输装配环节中,蜂巢能源采用了业界首创的“磁悬浮物流线”,这条磁悬浮物流线的速度快达 3 米/ 秒, 异物抑制率提升了 80%,不仅避免了粉尘污染,同时也为电池产品能量密度的提升以及最终良品率提供了可靠的技术保障。

  这就是智能柔性输送系统的一个典型应用案例,这类磁悬浮输送系统是一种运用直线电机必威体育app下载的新方法,是使用磁体以无摩擦推进的方式精确控制运动,由磁驱电机模块、控制系统与环形导轨组合而成的一种新型智能输送线,它设计灵活、更换快速、直线段和弧形段可以无限组合,以满足设计、生产和空间的要求,也是先进制造的一项细分技术发展趋势。

       自动化运输系统是大型机组设计的关键组成部分,它连接着各个生产单元,并确保始终保持高效、无缝的生产过程。自动化运输系统的技术布局质量及其运行效率直接影响到制造企业的运营效益。在传统的皮带式、链条式、齿轮和步进梁结构的线体之外,目前,一种以直线电机驱动的智能输送系统开始步入人们的视线之中,被越来越多地运用在自动化生产线传输和装配环节之中,例如新能源电池/电芯自动化组装生产线、无菌自动化灌装产线、3C/ 半导体自动化产线、汽车组装重负载输送线等等。根据专业市调机构MIR睿工业的统计数据显示,2021年中国磁悬浮输送线的市场规模约为3.5亿元,同比增长30%-40%, 预计到2025年,该市场有望达到10亿元的规模(如图1 所示)。

2019-2025 年中国磁悬浮输送线市场规模趋势.png

图 1 2019-2025 年中国磁悬浮输送线市场规模趋势

必威体育app下载  (资料来源:MIR 睿工业)

  这种以直线电机驱动的智能输送系统是一种智能柔性线体(Flexible Manufacturing System),又被称为磁悬浮输送线、磁驱环形线、动磁式输送线、环形直线电机输送线等。实际上,这种磁悬浮输送线系统在国外已经是非常成熟的输送技术,磁悬浮输送线不受机械限制的设计, 产品一键更换,简化了机械设计,通过减少复杂的工具加工,实现轻松升级,停机时间更少,操作更快速,通过直接驱动技术来降低能耗。与传统系统相比,磁悬浮输送线以轻松集成、标准工业通信协议和软件配置的移动配置文件,实现快速、简单地切换,移动部件更少,所需维护更少、停机时间更短,速度则可提高约10倍。 

        从结构来看,磁悬浮输送线系统大致上包括磁驱电机模块、控制系统与环形导轨等组成部分。其中,磁悬浮输送线的环形线控制方式与普通的直线电机模组不太一样, 针对磁悬浮输送线的特殊的工作方式,需要将驱动器、控制器和编码器整合到一起,实时监控上面运动部分的位置来达到很好的控制效果,上面定子在走的时候,下面要分别控制它不同线圈的显示模式,因此,更强大的驱动器和控制器将会越来越融合,同时还要求系统应具备内置自我诊断和故障排除功能,可快速识别故障源,方便用户的使用和操作。

  突破传统输送线的“瓶颈”

  一直以来,输送设备一般包含了链条、传送带、传动装置和其他机械装置,这些解决方案灵活性有限,且浪费能源,导致维护成本过高。罗克韦尔开发的独立推车技术将机械组件替换为独立磁悬浮技术,是一种运用线性电机的新方法,它使用磁体以无摩擦推进的方式精确控制运动,减少了需要维护的零件,降低了能源消耗,并且能够快速启动和停止负载而不会失去控制或造成零件磨损,因而重新定义了自动化装置的速度和灵活性。

必威体育app下载  面对当前越来越多小批量、多品种的生产模式,制造业企业需要更多的选择和定制化产线,为了适应这一需求,机器需要更加灵活和易于转换,例如轨道的弯曲或笔直部分可以无限组合,以适应工厂设计和厂房空间的要求。为此,罗克韦尔系统中的每个推车都是自主智能控制的运动轴,这意味着推车可以根据系统中其他推车的位置来加速或减速。此外,该系统还会跟踪每个推车传送的货物,因此无需减速进行分拣,瓶颈减少,提高产量。

必威体育app下载  特别是针对电动汽车电池制造,罗克韦尔自动化协助解决EV 电池制造难题,简化生产线,实现 ICT 和自动化投资价值的最大化,并推出了一系列集成化、差异化的独立推车技术和产品组合。MagneMover LITE 是一种智能、价格合理的智能输送系统,专门设计用于快速、高效地移动轻型负载,在机器内应用和对运动要求苛刻的应用中,它的性能优于传统的带式传送机和链条传送机,可将过程优化和生产量提高到一个新的水平。

  罗克韦尔QuickStick智能传送系统为装配和过程自动化市场提供了一个更快速、更清洁、更高效的货盘传送系统替代解决方案。QuickStick 模块采用了MagneMotion®线性同步电机技术,进行了端到端配置,通过产生电磁力,以10倍于传统系统的速度推进承载器。借助具有机器制造商库的 Studio 5000® 应用项目代码管理器,可将 QuickStick 快速、轻松地集成到 Logix 控制环境中;使用带有 Allen-Bradly PLC 的 SYNC IT 控制器和高速车辆定位反馈,可以实现更复杂的移动曲线。

  从一维、二维到六维

  贝加莱的运动控制技术一直致力于制造的柔性,从机器内部的加工,到机器之间,以及零配件在不同机器之间,在原材料变化、工序、工艺、路径各种变化的挑战下,实现个性化、柔性化。

  在离散制造领域的机器与装备,旋转电机或直线电机都是1个维度的运动,即旋转或直线运动,这种一维运动主要发生在一个机器内部,它们带来的是机器本身工艺的柔性,让机器可以通过参数设置来适应不同的加工规格及成型工艺。贝加莱ACOPOS家族里的伺服驱动器ACOPOSmotor、ACOPOSmulti共直流母线驱动、ACOPOSmicro等都可以支持各种柔性化生产需求。

贝加莱六维运动控制技术的演变.png

  图 2 贝加莱六维运动控制技术的演变

必威体育app下载  而当一个或多个产品从不同的设备进入组装阶段,就离开了机器到了一个更大的空间,产品的尺寸规格、组合方式、工序顺序都在发生变化,也为柔性生产提出了巨大的挑战,如何提供物料输送和通信连接成为了新的问题。贝加莱ACOPOStrak系统能提供X、Y两个维度的运动,而不像传统输送带只能按照固定速度运行,ACOPOStrak不仅提供定位精度,还可为生产路径提供智能算法,使得物料输送形成非常多的路径,可以分道进入组装,也可以让不良品沿着专用路径离开,它的物料放在动子托盘上,可以按照设定去相关的工位加工,拼装为一条柔性轨道输送物料,以达到最大的效率。

  当产线进一步发展,产品的流程变得更为复杂的时候,就需要较为复杂的机械结构来配合。贝加莱ACOPOS 6D在平面定子上的动子运动可以形成各种组合,这是一种纯磁悬浮技术,无机械接触,不产生摩擦。并且每个动子托盘可以形成六种运动:X轴、Y轴、Z轴、R(X)-沿X轴的旋转、R(Y)-沿Y轴的旋转、R(Z)-沿Z轴的旋转,即X、Y、Z轴运动加上这三个维度的旋转叠加运动,它使得运动可以在空间内形成自由,这种输送方式进一步将二维运动扩展到六维。

  其实,不管是ACOPOStrak,还是ACOPOS 6D,其核心都在于“调度”的智能化。因为对于多个工序的个性化加工来说,智能“排产”需要一定的策略和方法。但对于ACOPOStrak和ACOPOS 6D来说,调度本身已被封装好了,用户仅需通过软件来“编排”任务即可,系统会进行调度计算,并通过POWERLINK网络来感知各自的位置、间距,并传递各自的当前位置与速度,让产品以更灵活的方式被输送给机器加工,而不是被约束在一个群体中只能做集体行动(大规模标准生产模式),从而实现个性化、柔性化生产。

  化繁为简,优化整体制造过程

必威体育app下载  倍福的 XTS 磁驱柔性输送系统是一款应用已经相当成熟的高性能驱动解决方案,系统中的磁力驱动动子沿着全集成式电机模块构成的路径移动。一台安装有 TwinCAT 自动化软件的工业 PC 可以独立控制运动特性各不相同的动子。由于 XTS 电机模块中包含了功率电子元器件和位移测量元件,而且动子完全无源,因此输送系统在组装完成后即可立即投入使用;同时电机模块的几何形状不同,可以根据应用需要创建一个开放或者封闭的移动路径,并且可以通过各自的轨道布局减少设备的占地面积。XTS不仅取代了传统的机械输送带,而且实现了创新的机械设计,通过灵活的运动曲线,可以实现从简单到复杂的过程,从而优化整体制造过程。

必威体育app下载  安装 TwinCAT 3 自动化软件的倍福工业 PC 是XTS 磁驱柔性输送系统控制的核心组件,数据通过基于 PC 技术的控制器进行集中处理, 一方面可以使用各种功能块非常简单地执行诊断、操作或者实时处理生产过程中耦合硬件的功能;另一方面,这些数据也为预测性维护提供了良好的基础。

倍福模块化的 XTS 磁悬浮输送.png

  图 3 倍福模块化的 XTS 磁悬浮输送

  例如,在食品和医药包装机械行业,食品和医药行业全球领先的工艺和包装技术提供商瑞士星德科(Syntegon)是倍福XTS 系统的首批客户之一,目前已有60 款包装机械都采用了倍福XTS 磁驱柔性输送系统,应用于初级和次级包装场景中。与传统的输送链不同,智能输送系统将每个 XTS 动子作为单独的伺服轴灵活进行控制, 进而独立控制每个产品此外,它还可以非常灵活地调整产品间距。系统可以分别加速产品的运动,优化整个产品流程,在高性能应用中可以达到每分钟输送 1500个产品的稳定速度,特别适合用于初级和次级包装机的进料系统。在传统供应链中,每次规格的切换都必须单独地手动更改移动装置,而 XTS 系统只需通过相应的软件功能轻按一下按钮即可解决这一问题,可以节省大量时间,大大提升整体设备运行效率。

必威体育app下载  除了灵活性和速度之外,X TS 系统还可以柔和地完成每一次产品搬运动作也是许多糖果制造商选择它的一个主要因素,并且XTS设计非常紧凑(曲线半径仅为250mm),显著减少了设备的占地面积。

  另外,倍福新推出的采用无电缆技术(NCT)的XTS系统可以实现动子非接触式连续供电和同步实时数据传输,可以直接在动子上实现额外的加工过程,无论是在运动期间,还是在静止状态下,尤其是在产品搬运、加工和输送的同时进行的测量以及快速变化的生产批量的设备改造方面,无电缆技术为用户提供了实现全新解决方案的可能。

  国产柔性环形产线开发动向

  去年10月,上海果栗自动化科技有限公司完成了7000 万元A轮融资,此次融资由基石资本领投,老股东中科创星、敏一基金、盛宇投资跟投。果栗科技创始人、CEO池峰表示,本轮融资将主要用于公司标准化产品产能扩充、必威体育app下载团队搭建以及新产品研发。

必威体育app下载  目前,这家国内智能柔性环形线开发领域的代表厂商已完成iTS全磁驱环形线型、iTS-接驳型、iTS-混合型(直驱+同步带)等智能柔性环形线产品的量产,可根据不同客户、不同应用场景需求进行适配化定制,满足行业高标准生产需求。另据介绍,公司在3C电子行业、面板行业、能源行业、汽车等行业,已和富士康、Apple(苹果手表灌胶线体产线)、LG、京东方、Molex、微创医疗等头部企业展开了合作,供应量产设备。


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  图 4 果栗科技开发的 iTS 标准环形线

  果栗科技CEO池峰表示,果栗致力于做中国智能柔性环形线领域的革新者,未来将重点聚焦于技术的创新研发,包括:高精度,定位精度最高可达10微米级别;高速度,可实现4米每秒的传输;柔性化,生产配置灵活,动子间速率可差异化运作;高效率,通过动子间的节拍整合, 实现最快的生产效率;更节能,较传统产线能耗可节省80%;无粉尘,不采用线缆及滑动摩擦方式,可极大提升产品品质和良率;实现大数据生产,对每一个独立产品进行数据生成、上传、识别、管理,提高企业的智能化管理水平。

  结语

必威体育app下载  综上所述,可以看出,智能柔性输送系统属于一个小众市场,应用规模并算不太大,客户群体主要集中在一些高端制造领域,目前的主流供应厂商仍以国际进口品牌为主,其整体系统的价格普遍超过国产品的一倍以上。而另一方面,虽然本土厂商的技术研发起步稍晚,但伴随着当前中国工业自动化市场的迅猛成长,在终端制造业用户对多批次生产、低成本、稳交期的迫切需求下,资本市场被引入,这些有利条件促进了国内智能柔性输送系统的技术开发和普及推广的加速,而要想在这一特定的应用市场上能够有更大的作为,则还需要本土厂商能够在循环线高速通讯控制、循环线圆弧精密定位/识别跟踪、环形导轨制造工艺等技术层面做进一步的提升,再通过规模化效应,来降低系统造价,为市场带来性价比俱佳的智能输送系统方案,力争在中国先进制造发展中发挥更大的作用。

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