基于5G的开放式数控系统在先进制造中的典型应用

2020-12-27蒋永明

安徽水利水电职业技术学院学报 2020年1期

张萍，蒋永明

(安徽水利水电职业技术学院，安徽合肥 231603)

数控技术是先进的制造技术的典型表现之一。2 l世纪先进的制造技术及先进的制造方式(虚拟制造(VM)、集成制造(CIM)、敏捷制造(AM)、智能制造(IM)、精良生产(LP)等)大多通过数字控制技术集中体现[1]。5 G网络作为一种主要的连接方式，具有带宽宽、低延迟、高可靠性和等特点，在智能生产领域得到了广泛的应用。它是当前和未来机械制造业迫切需要的下一代通信技术。

1 5G技术

5G是第5代移动通信技术的总称，它结合了多种新的无线接入技术和现有的无线接入技术，具有超高速，超低延迟和超多连接的特点。2019年6月6日，工业和信息化部颁发了5G商业许可证。目前，中国已正式进入5G时代。

随着5G技术的诞生和不断发展，网络的速度和质量都得到了跳跃式和极限式的提高。其超高速，大连接，超低延迟，高可靠性和低功耗将应在于智能工业、无人驾驶火车、VR及物联网等领域，并发挥了重要作用。

2 基于5G开放数控系统

2.1 开放式数控系统

IEEE定义[2]：“符合系统规范的应用系统可以在多个供应商的不同平台上运行，与其他系统的应用程序互操作，并具有一致的用户交互界面风格。”开放式数控系统允许用户自由选择和集成模块，更改或扩展系统功能以满足不同场景，功能模块相互兼容。开放式数控系统增强了系统的适应性和灵活性，解决了数控机床升级改造的问题，有效解决了固定框架结构与市场需求频繁变化之间的问题。开放式CNC系统具有互操作性，便携性，可扩展性和可互换性4个特征。目前，“PC嵌入式NC”，“NC嵌入式PC”和纯PC型的开放式数控系统已基本形成。

2.2 互联网下的生态数控系统

CNC技术是一门综合性学科，由机械学，控制论，电子学和计算机科学四个部门组成。其发展水平已成为上述各学科技术水平的集中体现。

沈阳机床集团以i5智能机床为载体，依托“透明”i5智能系统，建立了世界领先的机床生态系统。 i5智能机床可在线实时工作，物联网平台可互连所有链路，方便整体制造。该流程在全球范围内进行管理，并提供准确的数据基础，这成为新的网络化制造业的基础。

智能化，网络化，开放式是数控系统的发展趋势。通过网络互联，云平台和大数据，实现了数控机床的智能化[3]。数控系统中的制造环节将使用5G网络技术传递数据，对其合成，传输和加工将产生更多的智能制造技术，这将为未来的制造业带来巨大的变化。

3 典型应用场景

3.1 云化机器人

在各种先进的工业应用中，云机器人可以实现机器人的高度自组织和协同作用，具有高可靠性和极低延迟的无线通信网络[3]。同时云机器人使用强大的计算能力，利用大数据和人工智能技术对制造过程进行实时控制和数据计算，并将数据汇总到云控制中心。此外，为了实现机器人的自由移动和满足灵活制造的需要，大量的数据计算和存储功能被转移到云控制中心处理，云机器人的硬件结构和成本大幅降低。

3.2 智慧工厂

当现有工厂进行智能转换时，重新铺设和重建网络耗资巨大，有时难以实施。工业WiFi部署成本高，支持连接有限。工业生产网络具有高带宽，高可靠性，低延迟和大量无线连接，5G网络为支持工业生产的重要网络。

(1)智能监测。智能质量检测是近年迅速发展起来的一种应用。它需要高清晰度工业摄像机的USO拍摄产品。通过人工智能技术分析图像，实现了检验结果的自动实时反馈，并对不合格品进行判定。通过5G的大带宽和高速率，利用智能图像识别技术实现了产品质量的实时智能检测。网络前沿和移动边缘计算技术可以减少传输延迟，同时结合sdn技术提供私有虚拟工业网络，保证了数据安全。

(2)智能巡检。工业AR在设备检测维护，技能培训和教学具有广阔的应用前景。其移动特性要求无线网络满足数据传输，AR应用需要高带宽、低延迟实时传输图像。通常使用无线通信将机器人在工厂区域内移动工作，工业WiFi的使用具有高成本和大量建设量。通过5G网络的低延迟和高可靠性，可以实现机器人对工厂区域的高效自动检查。采用5G移动边缘计算技术，减少传输延迟，满足远程实时控制。

(3)柔性生产。它已成为未来制造业规划方向，超低时延、大带宽网络允许范围内工业机器人、工业PLC等设备的自由摆放，支持生产流程实时修正，提高生产线的弹性，满足柔性生产的作业需求。利用5G的3大特点，可大大提高其灵活性和实时性，采用泛在通信网络对生产线精准调整提供依据。

3.3 5G的物联网

在复杂的工业应用场景中，网络通信的高可靠性和低滞后性显得尤为重要。长期以来，稳定性和延迟性一直是制约工业物联网应用的瓶颈因素。另外还存在一些问题，如数据采集和显示不够深入，一些管理功能停留在表面，工业系统的控制核心不开放等。

工业领域的机器设备投资巨大，如机床，生产线，工业机器人等，如果功能故障将严重影响整条生产线[4]。4G和早期移动通信系统在工业生产中的应用并不深入。尽管4G网络的可靠性和延迟已经大大提高，但只能在实时性要求较低的场景中使用，如在CAD系统下采集数据的普通机床。这些数据被汇集到特定和统一的终端，这些终端通过4G网络传输到云平台。

在工业应用领域中，为了确保机床的工作稳定性，机床和统一终端是有线连接的。该方法因电缆多而导致结构复杂。移动网络系统可以替代有线电缆，减少复杂的结构，使其更易于管理; 5G网络技术中极低的延迟可实现实时监控;精确的数据传输保证了系统的稳定性;大带宽的传输速度提高了远程控制的准确性。

随着智能工厂和无人工厂的发展，物联网是连接工人，机器和设备的关键技术。工业发展的需求促进了5G技术的发展，同时推动物联网的广泛应用。大多数物联网的连接需求，5G技术都能满足，而且还能适应复杂各异的工业领域应用场景。5G技术与物联网相互促进，5G的无线连接方案推动物联网的应用和推广，而物联网应用的广泛需求有效支撑了5G技术的进步。

3.4 5D智造谷

5D智造谷专注于“中国制造2025”，致力于解决国家智能制造业的创新问题。它构建了一个共享平台，使资源互补、互操作，共同构成了一个智能制造谷。在5G网络的迅猛发展中，i5智能机床网络应运而生，它是一个具有互联网基因的多智能终端，可实时合成各种数据和处理输出[5]。i5智能机是一种集人、机、料于一体，采用多种技术的智能机械设备和集成器。它可以同时处理零件和传输数据，实现智能诊断，智能编程，智能补偿，独立智能和互联智能。它利用WIS车间智能管理系统对工业生产现场出现的实时数据进行分析和处理，集成了制造过程、设备管理、工作计划、生产计划、成本核算等有效的生产过程，实现可视化管理，并通过云和sun平台，合理收集订单需求，在大数据支持下智能分布，实现跨区域、跨行业的协同制造。

未来，基于ISESOL平台的智能WIS车间管理系统与i5智能机床的结合，将加速工业互联网的应用和推广，促进智能制造的深化和创新，具有深远的意义。