【機床商務(wù)網(wǎng)欄目 科技動態(tài)】如果我們在討論5G的時候，腦海中浮現(xiàn)的只有閃電般快速下載和流媒體視頻，那么或許是時候應(yīng)該重新考慮一下，進(jìn)行更深入的思考了。
 

　　顯而易見，人們都希望獲得與硬有線連接一樣快速和可靠的無線能力。在位于德國亞琛(Aachen)的5G工業(yè)園區(qū)歐洲(5G Industry Campus Europe)，應(yīng)用程序正在重新定義機器人的角色，一部分原因是讓全功率工業(yè)設(shè)備像它們“合作”的同類產(chǎn)品一樣安全。5G工業(yè)園區(qū)是一個廣闊的研究和合作空間。其他研究，還包括如使用安裝在工件和刀具套上的傳感器，對振動和尖端磨損進(jìn)行自動過程中修正，將5G應(yīng)用于刀具的金屬接觸層面。
 

　　據(jù)了解，該園區(qū)由瑞典電信公司愛立信和德國研究機構(gòu)夫瑯和費生產(chǎn)技術(shù)研究所(Fraunhofer IPT)聯(lián)合運營，也是一個規(guī)模更大的5G試驗場。除了廣闊的戶外網(wǎng)絡(luò)，它還覆蓋了超過20,000平方英尺的室內(nèi)空間，包括弗勞恩霍夫IPT自己的模擬數(shù)控機床車間。此覆蓋被分割成多個網(wǎng)絡(luò)，但僅用于測試目的。毫無疑問，5G技術(shù)可以使任何機器人、機床或幾乎任何其他資產(chǎn)(即使是大的工廠)在單一網(wǎng)絡(luò)上安全地、可靠地、幾乎實時地交換數(shù)據(jù)，而不會出現(xiàn)性能下降的情況。
 

　　無論數(shù)控機床車間在何種程度上接受5G，這些早期應(yīng)用都顯示出不可否認(rèn)的潛力，可能會帶來巨大的車間變革。愛立信歐洲5G項目經(jīng)理Andreas Thuelig表示:“你也許可以找到其他方法來實現(xiàn)同樣的目標(biāo)。但是如果你縱觀整個車間，看看它所有的設(shè)備、所有的任務(wù)和所有的需求，不難發(fā)現(xiàn)，沒有其他辦法能在一個網(wǎng)絡(luò)中把所有這些東西都結(jié)合在一起，并保證服務(wù)質(zhì)量。”
 

　　5G是什么？
 

　　5G代表第五代電信行業(yè)協(xié)會為蜂窩網(wǎng)絡(luò)定義的新無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。5G設(shè)備主要是通過使用高頻無線電波來定義的。頻率越高，每波傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包越大(帶寬越高);減少在兩點之間來回傳輸數(shù)據(jù)包所需的時間(延遲更低);以及限制數(shù)據(jù)流中斷開或中斷的風(fēng)險(連接可靠性可以超過99.9%)。無論是在設(shè)施范圍內(nèi)還是在單個工作站的水平上，更高的帶寬、更低的延遲和更大的可靠性，使消除電線和電纜變得更加實用。
 

　　并不是所有的5G網(wǎng)絡(luò)都是平等的。比如，接近即時的視頻流就是增強移動寬帶(eMBB)的一個例子。構(gòu)成“物聯(lián)網(wǎng)”的各種“智能”儀表和監(jiān)視器都使用大型機器類型通信(mMTC)網(wǎng)絡(luò)。本文中討論的項目(以及任務(wù)或關(guān)鍵安全應(yīng)用，比如手術(shù)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，或者未來的自動駕駛汽車)要求更高。只有超可靠的低延遲通信(URLLC)網(wǎng)絡(luò)才可以。
 

　　例如，與德國汽車制造商奧迪(Audi)合作的研究涉及到游牧式機器人組裝單元(本質(zhì)上是帶輪子的機器人)，可以在需要時移動，以協(xié)助工人完成組裝任務(wù)。在一個演示中，一個移動機器人在方向盤上安裝安全氣囊并不是協(xié)作的，而是一個完全的工業(yè)模型，如果任其發(fā)展，可能會造成損害、傷害甚至更糟。行檢查的系統(tǒng)是在細(xì)胞開放的一側(cè)的一個光幕，當(dāng)所有的運動被破壞時，它就會停止所有的運動。Thuelig表示，這個應(yīng)用程序展示了5G在PROFINET和PROFISAFE等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議方面的潛力，它們在通信信道的可靠性和上限延遲方面要求非常高。“為了保護(hù)工人，組裝過程中的中斷應(yīng)該只由真正的安全事故造成，而不是由數(shù)據(jù)包姍姍來遲，甚至通信通道上的數(shù)據(jù)包丟失所造成。”
 

　　在歐洲一些校園的其他應(yīng)用包括材料處理自動引導(dǎo)車輛(agv)，它被設(shè)計用來自由地與人流混合。與十字路口的激光雷達(dá)(光探測和測距)傳感器的實時連接，以及彼此之間的連接，為這些系統(tǒng)提供了一個“智能”水平，使它們能夠在各種“安全穿越”測試中更快地移動和反應(yīng)。同樣值得注意的是，這些AGV的整個車隊都可以在同一家工廠與其他5G應(yīng)用程序一起運行，它們都在同一個網(wǎng)絡(luò)上運行。這是可行的，因為5G更多的兩個關(guān)鍵優(yōu)勢：支持更多設(shè)備的原始功能，以及將網(wǎng)絡(luò)劃分為具有專用于特定應(yīng)用程序的帶寬的子部分。
 

　　進(jìn)入工作區(qū)
 

　　在數(shù)控加工中，常見的任務(wù)是計算和輸入偏移量:在確定切削刃相對于工件其他部分的位置時，為了確保機床CNC能夠計算出刀架的長度、跳動和刀具磨損，從而進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。然而，弗勞恩霍夫和愛立信已經(jīng)證明，事實并非如此。有了專用的5G URLLC網(wǎng)絡(luò)和合適的軟件，工具盒上的傳感器有可能使CNCs在主軸轉(zhuǎn)動時做出反應(yīng)。
 

上圖所示，在弗勞恩霍夫IPT的模擬機床車間，5G使用無線聲發(fā)射(AE)傳感器來檢測刀具破損。此類應(yīng)用程序需要具有低延遲和快速反應(yīng)時間的接近機器的解決方案。在這里，專用硬件在邊緣處理AE傳感器數(shù)據(jù)，但該單元的功能也可以在私有云中處理。
 

　　具體來說，研究人員使用了支持5G的聲發(fā)射(AE)傳感器來測量從切割區(qū)域輻射到支架的聲波(由材料變形產(chǎn)生)的頻率。對數(shù)據(jù)流的持久分析可以檢測讀數(shù)中的峰值，表明刀具斷裂并將數(shù)據(jù)反饋回CNC。研究人員指出，這種能力對小型鉆頭和銑削工具尤其有用。
 

　　AE傳感器的數(shù)據(jù)甚至可以用來跟蹤刀具的磨損情況，并在斷裂前糾正工藝參數(shù)。一直以來，不斷地關(guān)聯(lián)特定刀具的當(dāng)前狀態(tài)與聲發(fā)射光譜中的特定“指紋”，據(jù)說是一項困難的任務(wù)——一個可能適合機器學(xué)習(xí)的任務(wù)——因為指紋是非常特定于應(yīng)用程序的。切削刃的幾何形狀、工件的材料和工藝參數(shù)都會影響傳感器的讀數(shù)。弗勞恩霍夫研究所的Niels Konig通過電子郵件表示:“到目前為止，我們已經(jīng)在一個簡單的鉆井過程中使用了它，但我們專注于傳感器的開發(fā)，還沒有進(jìn)行廣泛的試驗和數(shù)據(jù)收集。”
 

　　通過進(jìn)一步的研究，5G聲發(fā)射傳感器在CNC加工中的應(yīng)用不僅僅是檢測刀具的破損和磨損。研究人員認(rèn)為，材料接觸檢測可以為主軸碰撞控制提供一種替代方法。基于切削條件的變化，傳感器也可能為檢測工件材料中的不均勻性提供新的選擇。另一個潛在的應(yīng)用是“間隙控制”:減慢刀具速度的做法，以彌補實際切削條件和工藝規(guī)劃假設(shè)的理想條件之間的任何“間隙”。
 

　　Fraunhofer項目涉及將5G傳感器直接安裝到工件上。在這種情況下，研究人員使用加速度計來監(jiān)測渦輪葉片盤五軸銑削過程中的顫振(一種自誘導(dǎo)的加工振動形式)。這個想法是為了更快地掌握工藝的參數(shù)，因為每個工件需要超過20個小時的時間，而且成本占blisk生產(chǎn)成本的一半。5G技術(shù)的應(yīng)用，顯示出將平均blisk返工率從25%降低到15%的潛力。
 

　　5G傳感器不需要局限于聲發(fā)射傳感器和加速度計。例如，三自由度切削力傳感器可以幫助防止刀具偏轉(zhuǎn)。位置傳感器可以防止工件夾緊錯誤，而熱傳感器可以幫助防止機器元件過熱。應(yīng)變傳感器可以警告可能導(dǎo)致紡錘體變形的壓力水平。機床和其他設(shè)備上的傳感器可以促進(jìn)狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)測維護(hù)。通過利用云或基于邊緣的人工智能(AI)，增加傳感器可以為機器人手臂提供新的能力，來解釋并對周圍環(huán)境做出反應(yīng)。
 

　　這些應(yīng)用的底層基礎(chǔ)設(shè)施基本上與前一代技術(shù)相同(事實上，5G被設(shè)計為與4G/LTE共存)。在愛立信的無線點系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)從車間的傳感器傳輸?shù)教旎ò迳系男〉摹⒈馄綘畹奶炀€(“點”)，然后(通過光纖電纜)傳輸?shù)交竞透鼜V泛的車間網(wǎng)絡(luò)。
 

　　在工具持有者安裝的AE傳感器的情況下，數(shù)據(jù)返回到工作站，在工作站上收集數(shù)據(jù)，以便從Marposs監(jiān)控解決方案的GENIER模塊(GEM)監(jiān)控系統(tǒng)上進(jìn)行邊緣處理。該系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線連接直接連接到機床上。它還連接到一臺單獨的PC，它提供了用于跟蹤過程和存儲數(shù)據(jù)以供以后分析的人機界面。然而，F(xiàn)raunhofer的文檔指出，使用基于私有工廠云中的虛擬版本的GEM監(jiān)控系統(tǒng)(即只有軟件組件)來擴(kuò)展系統(tǒng)可能更容易，硬件“網(wǎng)關(guān)”將提供與機床的直接連接。其他云應(yīng)用程序可以用于任何領(lǐng)域，從設(shè)備健康指標(biāo)到AGV車隊的指導(dǎo)信息。在這個宏觀的尺度上，5G不僅對生產(chǎn)自動化，而且對生產(chǎn)物流也是有用的。
 

　　Thuelig表示，讓5G實現(xiàn)實時加工過程監(jiān)控的部分障礙與硬件有關(guān)。Fraunhofer IPT的聲發(fā)射傳感器和加速度計是為研究所的研究配置的。每個傳感器依次連接到一個裝有5G調(diào)制解調(diào)器的路由器上。然而，多傳感器平臺的研究正在進(jìn)行中，該平臺將把加速度計、陀螺儀、麥克風(fēng)、溫度和濕度傳感器以及所有必要的電子設(shè)備集成到一個單一的緊湊設(shè)備中。這給微型化帶來了挑戰(zhàn)，愛立信的設(shè)備制造合作伙伴正在努力解決。
 

圖片來源：愛立信
 

　　與此同時，5G標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)提高。新的更新就包括了關(guān)鍵的功能，URLLC網(wǎng)絡(luò)，剛剛公布了今年早些時候。此外，還需要密集的電纜基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)來支持公共5G網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)可用于與其他企業(yè)和業(yè)務(wù)單位進(jìn)行協(xié)調(diào)。對未來的預(yù)測可能是令人窒息的，但5G在制造業(yè)中的潛力不容忽視。其他正在探索的應(yīng)用包括使用計算機化眼鏡或耳機，以促進(jìn)與增強現(xiàn)實補充的培訓(xùn)。這些連接的設(shè)備還可以用來診斷設(shè)備內(nèi)部裝有傳感器的部件，或者讓參觀工廠外的設(shè)施(甚至是更復(fù)雜的事情，比如去現(xiàn)場參觀)變得可行。機床甚至可能由移動的機器人手臂來管理，它們可以自己在設(shè)備之間移動。
 

　　事實上，機床制造商已經(jīng)在為此努力了。例如，牧野2019年的EMO展臺就展出了iAssist，這是一款頂部裝有無線協(xié)作機器人的AGV，以根據(jù)需要在模擬單元的預(yù)置和加工設(shè)備中自動移動工具和工件。這樣的應(yīng)用并不一定需要5G——事實上，這個演示在2017年的EMO上首次亮相。然而，沒有5G的速度、靈活性或可靠性能與之匹敵，所有這些都有助于將5G以及其他新應(yīng)用擴(kuò)展到商展和實驗室之外。
 

　　(原標(biāo)題：5G: From the Cloud to the Machine Tool Workzone)