1. XPlanar系统架构与防碰撞调度定位
XPlanar 是 Beckhoff 基于电磁悬浮与平面电机技术构建的柔性输送系统。要理解防碰撞调度，必须先看清它的分层架构：动子（Mover）是承载工件的悬浮执行体，定子模块（Tile）是提供二维驱动力的平面阵列，TwinCAT 控制层负责实时闭环与状态采集，运动规划层把工艺任务翻译成每个动子的轨迹，调度层则决定“谁在什么时候走哪条路”。防碰撞并不只是最后加一道安全判断，而是贯穿调度与规划之间的约束条件。
一、从物理对象到控制层级
XPlanar 的最小物理单元是定子模块，常见规格为 240 mm × 240 mm 或 320 mm × 320 mm 的矩形 Tile，可无缝拼接成任意形状的输送平面。每个 Tile 内部由多个铜线圈组成，通过电流相位控制产生行波磁场，推动动子做二维平移和绕 Z 轴旋转。动子底部装有永磁体阵列，悬浮高度通常在 0.5～2 mm 之间，具体取决于负载与动子型号。动子本身不带电缆，位置由 Tile 内的传感器或外部视觉/编码系统反馈给控制器。
控制层以 TwinCAT 3 为运行平台，实时任务周期常见为 1 ms 或 250 μs。TwinCAT 通过 EtherCAT 与各 Tile 的驱动模块通信，周期性地读取动子位置、速度、悬浮间隙，并下发电流指令。运动规划层通常运行在 TwinCAT 的 PLC 或 C++ 模块中，接收上层 MES 或工艺控制器的任务，例如“将工件从 A 工位送到 B 工位，并在 C 点停留 2 s”。规划层输出的是每个动子的时间-位置序列。调度层则位于规划层之上或与之紧耦合，负责多动子之间的路径分配、优先级排序和冲突消解。
二、防碰撞在架构中的位置
防碰撞调度不是独立于运动规划的外挂模块，而是调度层与规划层之间的约束过滤器。调度层先根据任务优先级和动子状态生成候选路径，防碰撞模块检查这些路径在时空上是否与其它动子冲突；若冲突，则调整出发时间、路径或速度曲线，直到所有动子的轨迹在时间-空间维度上互不重叠。规划层再将这些经过约束的轨迹离散成每个控制周期的位置设定值，交给 TwinCAT 执行。
这种分层设计的好处是：调度层可以处理全局优化，例如最小化整线节拍；规划层专注于单动子的平滑运动；控制层保证实时性和悬浮稳定性。防碰撞约束在调度层介入，避免规划层反复试错，也避免控制层因紧急避让而牺牲动态性能。
三、防碰撞在整线节拍中的工程价值
在传统输送线上，工件间距由机械挡块或固定节拍保证，换型时需要停机调整。XPlanar 的动子可以独立运动，理论上可以做到“零等待”的柔性输送。但如果没有防碰撞调度，多个动子在同一区域交叉运行时，要么被迫降速，要么发生碰撞风险。防碰撞调度的工程价值体现在三个层面：
- 安全层面：确保任意两个动子在任意时刻的最小间距大于安全阈值。例如动子外径 100 mm，安全间距设为 30 mm，则中心距不得小于 130 mm。调度层需要在轨迹生成阶段就保证这一约束，而不是等控制层检测到危险再急停。
- 节拍层面：通过合理的路径分配和优先级排序，减少动子之间的等待时间。例如在分拣应用中，高优先级动子优先通过交叉口，低优先级动子绕行或延迟出发，整体吞吐量可提升 15%～30%（示例值，取决于布局和任务分布）。
- 柔性层面：当产品换型或工艺路线变更时，只需修改调度层的任务描述和约束参数，无需改动机械结构。防碰撞调度使“同一平面、多品种、变批量”的混线生产成为可能。
四、一个简化的调度示例
假设平面上有 4 个动子 M1～M4，需要从左侧上料区移动到右侧三个工位。调度层首先读取任务队列：M1 去工位 A，M2 去工位 B，M3 去工位 C，M4 返回上料区。防碰撞模块计算各动子的候选路径，发现 M1 和 M2 在交叉口存在时间重叠。调度层将 M2 的出发时间延迟 0.3 s，并略微调整其路径曲率，使两者在交叉口的时间窗口错开。规划层随后为每个动子生成平滑的速度曲线，控制层以 1 ms 周期执行。最终整线节拍从 4.2 s 降至 3.5 s（示例数据，仅用于说明调度效果）。