2. XTS/XPlanar硬件与运动学速览
在虚拟调试中，任何运动模型、碰撞检测和节拍估算都建立在硬件物理构成之上。如果对动子、定子段、导轨、Tile 与悬浮板的几何关系、驱动原理和自由度理解偏差，仿真里“跑得通”的轨迹到了现场往往会出现干涉、丢步或悬浮失稳。本节先把两类系统的物理对象和运动学讲清楚，再落到它们对虚拟调试模型提出的具体约束。
XTS：模块化直线输送系统
XTS（eXtended Transport System）由三个核心物理对象组成：定子段（Stator Segment）、动子（Mover）和导轨（Guide Rail）。定子段是固定不动的驱动单元，内部按一定间距排列着多组驱动线圈，每组线圈可独立控制电流大小与方向；动子则是装有永磁体的滑块，本身不带动力和电缆，靠定子线圈产生的行波磁场推动。导轨为动子提供机械导向和承载，动子通过滚轮或滑动元件贴合导轨运动。
关键点在于：动子的位置由定子线圈磁场与动子永磁体之间的相互作用决定，而不是由机械丝杠或皮带定位。因此 XTS 的“位置”本质上是电磁场相位与动子磁极对齐的结果。定子段可以首尾拼接成直线、圆弧甚至闭合环形，动子数量可以少于、等于或多于定子段数量，多个动子可在同一导轨上独立运动、成组运动或相互超越。
从运动学看，XTS 动子在标准配置下主要实现沿导轨的一维平移，位置用导轨上的弧长坐标 s 描述。部分应用通过特殊导轨和磁体布置实现动子绕自身轴的旋转，但这不是默认自由度。理解这一点对虚拟调试很重要：XTS 的运动学模型通常只需一维位置、速度和加速度，加上动子之间的间距约束，而不需要完整的六自由度刚体模型。
XPlanar：六自由度悬浮输送系统
XPlanar 的物理对象与 XTS 完全不同。它由Tile（定子板）和悬浮板（Mover / Planar Mover）组成。Tile 是铺设在平面上的定子单元，每个 Tile 内部同样布置有线圈阵列，但排列方式使其能够在平面内产生任意方向的磁场力。悬浮板是装有永磁体的被动载体，悬浮在 Tile 上方数毫米处，不与 Tile 发生机械接触。
XPlanar 的核心特征是六自由度运动：沿 X、Y、Z 三个方向的平移，以及绕这三个轴的旋转（通常记为 Rx、Ry、Rz）。其中 Z 向悬浮高度、绕 X/Y 轴的倾斜角用于姿态调整和防晃，绕 Z 轴的旋转用于工件定向。这意味着悬浮板可以在平面内自由平移、旋转，同时保持或改变悬浮高度和倾角。
从驱动原理看，每个 Tile 的线圈阵列产生可控的磁场，与悬浮板永磁体相互作用，同时提供悬浮力（Z 向）和平面推力（X/Y 向）。多个 Tile 拼接后，悬浮板可以在 Tile 之间连续移动，控制系统需要根据悬浮板当前位置决定哪些 Tile 参与驱动、如何分配电流。这与 XTS 的“定子段接力”思路相似，但维度从一维扩展到三维空间中的六自由度。
两类系统对虚拟调试模型的约束
理解物理构成后，可以归纳出对虚拟调试模型的具体约束。这些约束直接决定仿真中哪些参数必须建模、哪些可以简化。
| 约束维度 | XTS | XPlanar |
|---|---|---|
| 运动自由度 | 沿导轨一维平移（s 坐标），可选绕轴旋转 | 六自由度：X/Y/Z 平移 + Rx/Ry/Rz 旋转 |
| 位置描述 | 弧长坐标 s，需处理导轨拼接处的坐标连续性 | 平面坐标 (x, y, z) + 姿态角，需处理 Tile 边界处的坐标切换 |
| 驱动分配 | 动子跨越定子段时，相邻段线圈需协同换相 | 悬浮板跨越 Tile 边界时，多 Tile 线圈需协同分配力 |
| 碰撞与间距 | 动子间最小间距、动子与导轨端部限位 | 悬浮板间最小间距、悬浮板与 Tile 边缘限位、Z 向高度范围 |
| 动力学简化 | 可近似为质量-阻尼-推力的一维模型 | 需考虑悬浮刚度、姿态耦合，Z 向与 X/Y 向存在耦合 |
| 虚拟调试重点 | 轨迹规划、动子调度、换相点位置 | 悬浮稳定性、姿态控制、多板协同与防碰撞 |
在虚拟调试中，XTS 模型通常可以把动子简化为沿导轨运动的一维刚体，重点验证轨迹是否平滑、动子间距是否始终大于安全值、换相点是否落在合理位置。而 XPlanar 模型必须保留六自由度，尤其是 Z 向悬浮高度和姿态角，因为悬浮板在加速、减速或跨越 Tile 边界时，Z 向和姿态会出现动态波动，若在仿真中忽略这些自由度，就无法发现悬浮失稳或姿态超限的问题。
建模时的参数与坐标约定
为了让仿真与真实系统对齐，建议在模型建立阶段明确以下约定。以 XTS 为例，导轨弧长坐标 s 的零点通常设在导轨起点，动子位置用 s 表示，速度方向沿 s 增大方向为正。当导轨由多段拼接时，需要记录每段的起点 s 值和长度，确保动子跨越段边界时坐标连续。动子间距用相邻动子 s 值之差表示，安全间距由机械结构和控制周期共同决定，示例中可设为 30 mm，但实际值应以机械手册和节拍要求为准。
对于 XPlanar，建议以 Tile 铺设平面的全局坐标系为基准，悬浮板位置用 (x, y, z) 表示，姿态用绕 X、Y、Z 轴的旋转角表示。Z 向零点可设在 Tile 上表面，悬浮板正常悬浮高度示例可设为 0.5 mm 至数毫米，具体取决于负载和 Tile 型号。姿态角在仿真中应设置合理范围，例如 Rx、Ry 通常限制在 ±2° 以内，Rz 可实现 0° 至 360° 连续旋转。这些数值属于教学示例，实际应以 Beckhoff 官方文档和具体配置为准。
最后要强调的是，虚拟调试模型的价值在于用正确的自由度、正确的坐标约定和正确的约束条件去复现真实系统的行为。XTS 和 XPlanar 的物理构成不同，运动学维度不同，因此不能用同一套简化假设去处理。先明确对象是什么、怎么动、受什么约束，再决定仿真中保留哪些状态量、忽略哪些细节，后续的轨迹规划、碰撞检测和节拍优化才有可靠基础。