柔性智造的利器 ——磁懸浮輸送線

　　柔性生產(chǎn)助推先進(jìn)輸送方式

　　根據(jù)Interact Analysis 2024版磁懸浮柔性輸送系統(tǒng)全球 市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告，磁懸浮柔性輸送是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域正蓬勃增 長(zhǎng)的細(xì)分市場(chǎng)，過(guò)去幾年間市場(chǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)張，尤其是已經(jīng) 規(guī)?；瘧?yīng)用的線性磁懸浮輸送系統(tǒng)，全球銷(xiāo)售額從2020年 的2.37億美元迅速增長(zhǎng)到2023年的4.88億美元;平面磁懸 浮柔性輸送系統(tǒng)仍在起步階段，但2023年也已經(jīng)產(chǎn)生了接 近2000萬(wàn)美元的銷(xiāo)售額。未來(lái)五年，預(yù)計(jì)來(lái)自電池制造、 半導(dǎo)體與電子、醫(yī)藥、食品飲料等行業(yè)的需求將持續(xù)推動(dòng)全球市場(chǎng)增長(zhǎng)，2024-2029年預(yù)測(cè)整體市場(chǎng)規(guī)模年均增速 (CAGR)為19.7%(見(jiàn)圖1)。

　　而在運(yùn)動(dòng)控制/直驅(qū)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、深圳市工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn) 業(yè)協(xié)會(huì)、MBL制造業(yè)品牌庫(kù)共同研究撰寫(xiě)的《2024年中國(guó)磁 懸浮柔性輸送系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)》中指出，2023年中國(guó)磁 懸浮柔性輸送系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到7.08億元人民幣，在全球市 場(chǎng)規(guī)模中占比超過(guò)20%;2024年中國(guó)磁懸浮輸送市場(chǎng)銷(xiāo)售額 預(yù)計(jì)超過(guò)7.5億元人民幣。2024-2029年，中國(guó)磁懸浮柔性輸 送系統(tǒng)市場(chǎng)預(yù)計(jì)年均復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)將達(dá)到20.9%，到2029年，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 19.5億元人民幣。在樂(lè)觀預(yù)測(cè)情景 中，市場(chǎng)未來(lái)五年CAGR將達(dá)到29.6%，到2029年，中國(guó)磁懸 浮柔性輸送系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模將突破27.4億元人民幣(見(jiàn)圖2)。

　　從目前應(yīng)用情況來(lái)看，線性磁懸浮柔性輸送系統(tǒng)占據(jù) 市場(chǎng)的主流，平面磁懸浮柔性輸送系統(tǒng)仍有待挖掘更多的市 場(chǎng)機(jī)會(huì)。從2021年起，來(lái)自鋰電行業(yè)的需求激增，到2023 年，鋰電池制造已經(jīng)成為線性磁懸浮柔性輸送系統(tǒng)最大的應(yīng) 用市場(chǎng)，其中絕大部分項(xiàng)目在亞洲。此外，醫(yī)療器械與制藥 行業(yè)(含包裝)、食品與飲料行業(yè)(含包裝)、半導(dǎo)體與電 子行業(yè)也是磁懸浮柔性輸送線的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域(見(jiàn)圖3)。

　　磁懸浮柔性輸送市場(chǎng)之所以能夠在未來(lái)幾年內(nèi)保持如 此高速的增長(zhǎng)(下文主要探討的是線性磁懸浮柔性輸送系 統(tǒng)) ，得益于當(dāng)前生產(chǎn)方式的巨大變革。隨著精益生產(chǎn)和消 費(fèi)產(chǎn)品市場(chǎng)迭代周期越來(lái)越短的現(xiàn)實(shí)壓力，制造企業(yè)迫切需 要引入一種既能提高生產(chǎn)節(jié)拍滿足快速捕捉市場(chǎng)“窗口”， 又能快速調(diào)整產(chǎn)品類(lèi)型和生產(chǎn)節(jié)拍的柔性生產(chǎn)方式。在這一 產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)下，各級(jí)政府紛紛通過(guò)出臺(tái)相關(guān)政策，鼓勵(lì)企業(yè)采 用先進(jìn)的輸送系統(tǒng)，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、采用節(jié)能電機(jī)、實(shí) 施智能節(jié)能控制等措施，推動(dòng)制造業(yè)的智能化和綠色化轉(zhuǎn) 型。而在行業(yè)內(nèi)部，最近幾年，部分廠商在磁懸浮柔性輸送 系統(tǒng)的各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)上取得了重大突破，技術(shù)儲(chǔ)備和產(chǎn) 業(yè)認(rèn)知不斷提升，一些新的“玩家”陸續(xù)進(jìn)入市場(chǎng)，越來(lái)越 多差異化的產(chǎn)品方案面市，3C電子、汽車(chē)、鋰電、食品飲 料、醫(yī)藥、物流等行業(yè)的快速發(fā)展帶動(dòng)了需求量的迅速增 長(zhǎng)，使得磁懸浮柔性輸送系統(tǒng)市場(chǎng)在未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)有望處 于高速成長(zhǎng)的狀態(tài)(見(jiàn)圖4)。

　　產(chǎn)線智能化、柔性化“基石”

　　驅(qū)控、電機(jī)、位置檢測(cè)是磁懸浮柔性輸送系統(tǒng)的三大組 成部分，其中，驅(qū)控系統(tǒng)的成本在整套磁懸浮輸送線中的占 比較高，因此，驅(qū)動(dòng)控制拓?fù)涞母咝詢r(jià)比和容錯(cuò)特性對(duì)系統(tǒng) 應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大具有重要意義。目前來(lái)看，磁懸浮柔性輸送 系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制拓?fù)浒ǘ嗦窂?fù)用驅(qū)動(dòng)控制、集中式驅(qū)動(dòng)控 制、分布式驅(qū)動(dòng)控制三種，相較而言，分布式驅(qū)動(dòng)控制方案 更適合未來(lái)需要柔性調(diào)整動(dòng)子數(shù)量、提升自動(dòng)化及智能化程 度的應(yīng)用趨勢(shì)。另一方面，部分廠商運(yùn)用電流分段切換供電 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)子數(shù)量的大容量，且通過(guò)對(duì)初級(jí)模塊上的單 元電機(jī)或單元線圈分段驅(qū)動(dòng)供電的模式，達(dá)到了對(duì)任意動(dòng)子獨(dú)立控制和分組同異步控制的功能，降低了驅(qū)動(dòng)器的整體成 本。此外，智能化控制策略也被引入這一領(lǐng)域，例如：采用 高精度電流和速度控制技術(shù)，能滿足更大容量的動(dòng)子數(shù)量， 以及高動(dòng)態(tài)、高精度控制的需要，同時(shí)在需要多個(gè)動(dòng)子運(yùn)行 時(shí)，運(yùn)用切換控制及電流分配控制策略，實(shí)現(xiàn)高可靠性及效 率的最優(yōu)化;采用多動(dòng)子同/異步運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)子 工況與生產(chǎn)工序調(diào)整的快速適應(yīng)和優(yōu)化，可滿足多規(guī)格產(chǎn)品 工序的快速調(diào)整，這些都是目前用戶端對(duì)磁懸浮輸送系統(tǒng)提 出的運(yùn)動(dòng)控制要求。

　　在電機(jī)部分，磁懸浮輸送系統(tǒng)普遍采用的是永磁同步電 機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)控制方法較成熟，并具有較高的推力密 度、功率因數(shù)和功率，另外，更多自由度的磁懸浮輸送技術(shù) 近幾年來(lái)也開(kāi)始備受關(guān)注，如平板電機(jī)在平面磁懸浮輸送系

　　統(tǒng)中的應(yīng)用等。至于位置檢測(cè)技術(shù)，主 要用到的是光柵尺、磁柵尺、霍爾傳感 器、電感式傳感器等，在一些不需要精 密絕對(duì)位置控制的應(yīng)用中，也采用到無(wú) 位置傳感器技術(shù)，用以節(jié)省傳感器的成 本。

　　在技術(shù)演進(jìn)方向上，總體而言，隨 著不同行業(yè)需求和應(yīng)用方式更加豐富， 磁懸浮輸送技術(shù)將朝著更高精度、更大 推力、動(dòng)子更密集、更高防護(hù)等級(jí)等方 向發(fā)展，并成為工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)線朝著智 能化、柔性化轉(zhuǎn)變的“基石”。

　　有廠商表示，磁懸浮輸送系統(tǒng)大致上將在性能、智能化、形態(tài)上呈現(xiàn)三大發(fā)展趨勢(shì)：

　　· 性能提升，復(fù)合勵(lì)磁技術(shù)推動(dòng)單模組推力進(jìn)一步提 升，最高速度達(dá)10m/s，精度進(jìn)化達(dá)到納米級(jí)定位控制 (±10nm)滿足量子器件制造需求，推力密度提高2-4倍， 單位面積運(yùn)載能力提升5倍;

　　· 智能化升級(jí)，自感知系統(tǒng)嵌入振動(dòng)、溫升等各類(lèi)傳感 器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康自診斷，群控算法基于聯(lián)邦學(xué)習(xí)的多機(jī)協(xié) 同控制，動(dòng)態(tài)調(diào)度效率提升60%，能源自治，動(dòng)子集成無(wú)線 供電與能量回收，達(dá)成零外接能源運(yùn)行;

　　· 形態(tài)創(chuàng)新，空間多維化，開(kāi)發(fā)多維磁懸浮輸送矩陣， 重構(gòu)立體生產(chǎn)空間;柔性變形體，可編程磁陣列實(shí)現(xiàn)輸送軌 道動(dòng)態(tài)重構(gòu);生物融合，仿生設(shè)計(jì)滿足細(xì)胞培養(yǎng)、器官芯片 等生命科學(xué)場(chǎng)景。

　　產(chǎn)業(yè)協(xié)同拓展行業(yè)示范項(xiàng)目

　　不得不承認(rèn)的是，現(xiàn)階段，磁懸浮輸送技術(shù)仍處于發(fā) 展的初期階段。通過(guò)前期一批磁懸浮輸送系統(tǒng)開(kāi)發(fā)廠商的努 力，成功示范項(xiàng)目不斷增多，國(guó)內(nèi)部分大型知名制造型企業(yè) 對(duì)磁懸浮輸送技術(shù)的認(rèn)知逐步加深，對(duì)磁懸浮輸送產(chǎn)品的認(rèn) 可度也日益提高，行業(yè)滲透加速。首先是高端制造業(yè)先行， 3C電子、半導(dǎo)體封裝、精密醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域率先規(guī)模化應(yīng) 用，生產(chǎn)效率提升50%以上;其次是新能源產(chǎn)業(yè)爆發(fā)，動(dòng)力 電池、光伏組件、氫能裝備等生產(chǎn)線滲透率有望成為柔性智 造標(biāo)配;此外是助力傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，食品包裝、汽車(chē)制造等 場(chǎng)景開(kāi)始出現(xiàn)“磁懸浮+”改造浪潮，舊線改造成本較新建下降60%?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，磁懸浮輸送技術(shù)將重構(gòu)工業(yè)自動(dòng)化 生產(chǎn)生態(tài)體系，與數(shù)字孿生、AIoT(人工智能物聯(lián)網(wǎng))深度 融合，成為智能工廠數(shù)據(jù)入口，推動(dòng)“單件流”制造模式普 及，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模個(gè)性化定制，形成新型生產(chǎn)范式。

　　但與此同時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)的輸送方式，磁懸浮輸送作 為一項(xiàng)創(chuàng)新型產(chǎn)品和技術(shù)，一些中小企業(yè)客戶對(duì)其技術(shù)成熟 度、成本、可靠性等方面還存有顧慮，這也是當(dāng)前市場(chǎng)尚未 大規(guī)模引入磁懸浮輸送技術(shù)的主要原因。

　　針對(duì)這些情況，有廠商建議可從以下幾個(gè)方面開(kāi)展工 作：一方面，持續(xù)推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，不斷優(yōu)化產(chǎn)品的性價(jià)比， 讓磁懸浮輸送技術(shù)在成本效益上更具競(jìng)爭(zhēng)力;另一方面， 在重點(diǎn)行業(yè)和領(lǐng)域與頭部企業(yè)深度合作，認(rèn)真做好每一個(gè)訂 單，服務(wù)好每一個(gè)客戶，憑借出色的項(xiàng)目交付成果，為客戶 切實(shí)帶來(lái)更好的效益，逐步積累良好的口碑;同時(shí)，廠商還 應(yīng)以開(kāi)放、合作的心態(tài)，與更多集成商、合作伙伴積極探索 并解鎖更多的應(yīng)用場(chǎng)景，豐富產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用案例，以此消 除客戶顧慮，借此推動(dòng)磁懸浮輸送技術(shù)的市場(chǎng)推廣進(jìn)程。

　　另一個(gè)業(yè)內(nèi)熱議的話題就是磁懸浮輸送系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化 建設(shè)。目前磁懸浮輸送技術(shù)相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范還處于空 白狀態(tài)，各家生產(chǎn)的控制器、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、動(dòng)定子、導(dǎo)軌 等產(chǎn)品會(huì)存在尺寸不一、接口標(biāo)準(zhǔn)不同的情況，用戶端難 以進(jìn)行各廠商產(chǎn)品的集成和使用，也制約著產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生 產(chǎn);各家技術(shù)路線、技術(shù)語(yǔ)言的差異化較大，難以形成行業(yè) 通用的技術(shù)語(yǔ)言和規(guī)范體系，難以在技術(shù)研發(fā)上分工合作， 技術(shù)迭代速度慢，同時(shí)影響了用戶對(duì)于磁懸浮輸送系統(tǒng)的

　　接受速度;尤其是在產(chǎn)品安全、產(chǎn)品防護(hù) 等方面，各企業(yè)技術(shù)方案差異化比較大， 用戶現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，產(chǎn)品穩(wěn)定性、安全性 得不到保障，也為低價(jià)、低質(zhì)惡性競(jìng)爭(zhēng)留 下空間。磁懸浮輸送系統(tǒng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定 工作迫在眉睫，其中包括如何明確設(shè)計(jì)、 安裝、運(yùn)維全流程規(guī)范以及覆蓋電磁兼容 性、安全防護(hù)等多項(xiàng)核心技術(shù)指標(biāo)。

　　控制為王，服務(wù)柔性產(chǎn)線

　　從最近一年的市場(chǎng)發(fā)展來(lái)看，磁懸浮輸 送系統(tǒng)可以說(shuō)是工控自動(dòng)化行業(yè)中為數(shù)不多 的亮點(diǎn)細(xì)分市場(chǎng)之一，參與廠商較為活躍， 廠商類(lèi)型大致上可分為：專(zhuān)注磁懸浮輸送系 統(tǒng)的廠商，如ATS、PMI、果栗智造、縱葦科技、敏行智控等;全球工業(yè)自動(dòng)化企業(yè)，如博世力士樂(lè)、倍 福、貝加萊、羅克韋爾、施耐德、LS電氣等;機(jī)器人及配套執(zhí) 行器廠商，如增廣智能、大寰機(jī)器人、捷勃特機(jī)器人等;直驅(qū) 產(chǎn)品廠商，如雅科貝思、納博旺、泰科貝爾、玖均傳動(dòng)、橫川 機(jī)器人等;設(shè)備類(lèi)廠商，如烽禾升FHS等。

　　在磁懸浮輸送系統(tǒng)的市場(chǎng)推廣過(guò)程中，越來(lái)越多的廠 商把焦點(diǎn)放在了對(duì)控制器、驅(qū)動(dòng)器的研發(fā)上，且多以自研為 主。在整體系統(tǒng)中，控制器負(fù)責(zé)根據(jù)工藝設(shè)計(jì)以及主控控制 器下達(dá)的指令和傳感器實(shí)時(shí)傳回的數(shù)據(jù)給輸送線上的各個(gè) 驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指令，以驅(qū)動(dòng)動(dòng)子按照運(yùn)行算法和工藝參數(shù)來(lái) 精確、穩(wěn)定的運(yùn)行，因此是整個(gè)輸送系統(tǒng)的“大腦”。而其 中， 內(nèi)置的控制調(diào)度算法是整個(gè)系統(tǒng)的核心，承擔(dān)了所有動(dòng) 子的實(shí)時(shí)調(diào)度、路徑規(guī)劃和精確定位的職責(zé)，它不僅要實(shí)現(xiàn) 多動(dòng)子(小車(chē))間的協(xié)調(diào)控制，避免動(dòng)態(tài)作業(yè)時(shí)的碰撞，還 需通過(guò)對(duì)動(dòng)子位置和速度的精確預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的運(yùn) 動(dòng)控制。

　　定位于服務(wù)柔性化產(chǎn)線的特點(diǎn)，也為磁懸浮輸送系統(tǒng)控 制部分的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了較大的挑戰(zhàn)。例如，操作系統(tǒng)層面對(duì)實(shí) 時(shí)系統(tǒng)的算力要求高，需要支持復(fù)雜的進(jìn)程間時(shí)鐘同步重入 管理機(jī)制;算法層面需要支持多動(dòng)子調(diào)度、岔道調(diào)度、多路 段調(diào)度等復(fù)雜邏輯，避免動(dòng)子之間發(fā)生碰撞，并精準(zhǔn)預(yù)測(cè)控 制與前后動(dòng)子之間的距離，同時(shí)，要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中產(chǎn) 生的微小變化，提供補(bǔ)償算法;硬件層面則需要實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性控制主板開(kāi)發(fā)，以及定制化實(shí)時(shí)總線協(xié)調(diào)的接口等。

　　例如，有的廠商開(kāi)發(fā)的磁懸浮輸送系統(tǒng)控制軟件可提供 手動(dòng)、自動(dòng)等多種操作模式，滿足不同場(chǎng)景下的使用需求， 通過(guò)模擬仿真功能，客戶可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行生產(chǎn)節(jié)拍的 測(cè)試與優(yōu)化。軟件支持標(biāo)準(zhǔn)的PLCOPEN協(xié)議接口，使得每個(gè) 動(dòng)子都能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制，為用戶提供廣闊的二次開(kāi)發(fā)空間。 此外，工站調(diào)度功能可根據(jù)用戶需求自由配置組合，輕松實(shí) 現(xiàn)定制化生產(chǎn)需求。

　　在功能方面，一些廠商開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)可支持在線動(dòng)態(tài) 增刪動(dòng)子;軟件通過(guò)自研算法自動(dòng)適配夾具或產(chǎn)品尺寸，實(shí) 現(xiàn)碰撞距離的精確控制、多種尺寸動(dòng)子的獨(dú)立碰撞控制以及 前瞻規(guī)劃算法;可支持推力控制模式，能夠靈活適配不同尺 寸的產(chǎn)品，滿足多樣化生產(chǎn)需求;基于PLCopen協(xié)議開(kāi)發(fā)的 規(guī)劃模塊，能協(xié)助客戶快速完成二次開(kāi)發(fā)。與外部工站(如 X、Y軸)的同步隨動(dòng)功能，也是目前眾多廠商關(guān)注的一個(gè)熱 點(diǎn)，它可為客戶大大節(jié)省外部工站機(jī)械的投入成本，整個(gè)生 產(chǎn)流程也更加穩(wěn)定、可靠。

　　盡管在目前實(shí)際項(xiàng)目落地的過(guò)程中，磁懸浮輸送系統(tǒng)仍 存在著與產(chǎn)線外部機(jī)構(gòu)適配度、惡劣環(huán)境適應(yīng)性、成本控制 與性能提升兼顧等應(yīng)用難點(diǎn)，但毋庸置疑的是，這項(xiàng)技術(shù)在 工業(yè)4.0時(shí)代柔性智造的發(fā)展趨勢(shì)下，已成為一股不可阻擋 的新興力量，其靈活部署、快速調(diào)整等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在多樣化、 小批量生產(chǎn)中正發(fā)揮著重要的作用。