基于5G的開放式數(shù)控系統(tǒng)在先進(jìn)制造中的典型應(yīng)用

張 萍， 蔣永明

(安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 231603)

數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)的制造技術(shù)的典型表現(xiàn)之一。2 l世紀(jì)先進(jìn)的制造技術(shù)及先進(jìn)的制造方式(虛擬制造(VM)、集成制造(CIM)、敏捷制造(AM)、智能制造(IM)、精良生產(chǎn)(LP)等)大多通過數(shù)字控制技術(shù)集中體現(xiàn)[1]。5 G網(wǎng)絡(luò)作為一種主要的連接方式，具有帶寬寬、低延遲、高可靠性和等特點(diǎn)，在智能生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它是當(dāng)前和未來機(jī)械制造業(yè)迫切需要的下一代通信技術(shù)。

1 5G技術(shù)

5G是第5代移動通信技術(shù)的總稱，它結(jié)合了多種新的無線接入技術(shù)和現(xiàn)有的無線接入技術(shù)，具有超高速，超低延遲和超多連接的特點(diǎn)。2019年6月6日，工業(yè)和信息化部頒發(fā)了5G商業(yè)許可證。目前，中國已正式進(jìn)入5G時代。

隨著5G技術(shù)的誕生和不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的速度和質(zhì)量都得到了跳躍式和極限式的提高。其超高速，大連接，超低延遲，高可靠性和低功耗將應(yīng)在于智能工業(yè)、無人駕駛火車、VR及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域 ，并發(fā)揮了重要作用。

2 基于5G開放數(shù)控系統(tǒng)

2.1 開放式數(shù)控系統(tǒng)

IEEE定義[2]：“符合系統(tǒng)規(guī)范的應(yīng)用系統(tǒng)可以在多個供應(yīng)商的不同平臺上運(yùn)行，與其他系統(tǒng)的應(yīng)用程序互操作，并具有一致的用戶交互界面風(fēng)格?！遍_放式數(shù)控系統(tǒng)允許用戶自由選擇和集成模塊，更改或擴(kuò)展系統(tǒng)功能以滿足不同場景，功能模塊相互兼容。開放式數(shù)控系統(tǒng)增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性，解決了數(shù)控機(jī)床升級改造的問題，有效解決了固定框架結(jié)構(gòu)與市場需求頻繁變化之間的問題。開放式CNC系統(tǒng)具有互操作性，便攜性，可擴(kuò)展性和可互換性4個特征。目前，“PC嵌入式NC”，“NC嵌入式PC”和純PC型的開放式數(shù)控系統(tǒng)已基本形成。

2.2 互聯(lián)網(wǎng)下的生態(tài)數(shù)控系統(tǒng)

CNC技術(shù)是一門綜合性學(xué)科，由機(jī)械學(xué)，控制論，電子學(xué)和計算機(jī)科學(xué)四個部門組成。其發(fā)展水平已成為上述各學(xué)科技術(shù)水平的集中體現(xiàn)。

沈陽機(jī)床集團(tuán)以i5智能機(jī)床為載體，依托“透明”i5智能系統(tǒng)，建立了世界領(lǐng)先的機(jī)床生態(tài)系統(tǒng)。 i5智能機(jī)床可在線實(shí)時工作，物聯(lián)網(wǎng)平臺可互連所有鏈路，方便整體制造。該流程在全球范圍內(nèi)進(jìn)行管理，并提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，這成為新的網(wǎng)絡(luò)化制造業(yè)的基礎(chǔ)。

智能化，網(wǎng)絡(luò)化，開放式是數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，云平臺和大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的智能化[3]。數(shù)控系統(tǒng)中的制造環(huán)節(jié)將使用5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳遞數(shù)據(jù)，對其合成，傳輸和加工將產(chǎn)生更多的智能制造技術(shù)，這將為未來的制造業(yè)帶來巨大的變化。

3 典型應(yīng)用場景

3.1 云化機(jī)器人

在各種先進(jìn)的工業(yè)應(yīng)用中，云機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高度自組織和協(xié)同作用，具有高可靠性和極低延遲的無線通信網(wǎng)絡(luò)[3]。同時云機(jī)器人使用強(qiáng)大的計算能力，利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)對制造過程進(jìn)行實(shí)時控制和數(shù)據(jù)計算，并將數(shù)據(jù)匯總到云控制中心。此外，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自由移動和滿足靈活制造的需要，大量的數(shù)據(jù)計算和存儲功能被轉(zhuǎn)移到云控制中心處理，云機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)和成本大幅降低。

3.2 智慧工廠

當(dāng)現(xiàn)有工廠進(jìn)行智能轉(zhuǎn)換時，重新鋪設(shè)和重建網(wǎng)絡(luò)耗資巨大，有時難以實(shí)施。工業(yè)WiFi部署成本高，支持連接有限。工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)具有高帶寬，高可靠性，低延遲和大量無線連接，5G網(wǎng)絡(luò)為支持工業(yè)生產(chǎn)的重要網(wǎng)絡(luò)。

(1)智能監(jiān)測。智能質(zhì)量檢測是近年迅速發(fā)展起來的一種應(yīng)用。它需要高清晰度工業(yè)攝像機(jī)的USO拍攝產(chǎn)品。通過人工智能技術(shù)分析圖像，實(shí)現(xiàn)了檢驗(yàn)結(jié)果的自動實(shí)時反饋，并對不合格品進(jìn)行判定。通過5G的大帶寬和高速率，利用智能圖像識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量的實(shí)時智能檢測。網(wǎng)絡(luò)前沿和移動邊緣計算技術(shù)可以減少傳輸延遲，同時結(jié)合sdn技術(shù)提供私有虛擬工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，保證了數(shù)據(jù)安全。

(2)智能巡檢。工業(yè)AR在設(shè)備檢測維護(hù)，技能培訓(xùn)和教學(xué)具有廣闊的應(yīng)用前景。其移動特性要求無線網(wǎng)絡(luò)滿足數(shù)據(jù)傳輸，AR應(yīng)用需要高帶寬、低延遲實(shí)時傳輸圖像。通常使用無線通信將機(jī)器人在工廠區(qū)域內(nèi)移動工作，工業(yè)WiFi的使用具有高成本和大量建設(shè)量。通過5G網(wǎng)絡(luò)的低延遲和高可靠性，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對工廠區(qū)域的高效自動檢查。采用5G移動邊緣計算技術(shù)，減少傳輸延遲，滿足遠(yuǎn)程實(shí)時控制。

(3)柔性生產(chǎn)。它已成為未來制造業(yè)規(guī)劃方向，超低時延、大帶寬網(wǎng)絡(luò)允許范圍內(nèi)工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)PLC等設(shè)備的自由擺放，支持生產(chǎn)流程實(shí)時修正，提高生產(chǎn)線的彈性，滿足柔性生產(chǎn)的作業(yè)需求。利用5G的3大特點(diǎn)，可大大提高其靈活性和實(shí)時性，采用泛在通信網(wǎng)絡(luò)對生產(chǎn)線精準(zhǔn)調(diào)整提供依據(jù)。

3.3 5G的物聯(lián)網(wǎng)

在復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用場景中，網(wǎng)絡(luò)通信的高可靠性和低滯后性顯得尤為重要。長期以來，穩(wěn)定性和延遲性一直是制約工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的瓶頸因素。另外還存在一些問題，如數(shù)據(jù)采集和顯示不夠深入，一些管理功能停留在表面，工業(yè)系統(tǒng)的控制核心不開放等。

工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器設(shè)備投資巨大，如機(jī)床，生產(chǎn)線，工業(yè)機(jī)器人等，如果功能故障將嚴(yán)重影響整條生產(chǎn)線[4]。4G和早期移動通信系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用并不深入。盡管4G網(wǎng)絡(luò)的可靠性和延遲已經(jīng)大大提高，但只能在實(shí)時性要求較低的場景中使用，如在CAD系統(tǒng)下采集數(shù)據(jù)的普通機(jī)床。這些數(shù)據(jù)被匯集到特定和統(tǒng)一的終端，這些終端通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆破脚_。

在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中，為了確保機(jī)床的工作穩(wěn)定性，機(jī)床和統(tǒng)一終端是有線連接的。該方法因電纜多而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜。移動網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以替代有線電纜，減少復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，使其更易于管理; 5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中極低的延遲可實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控;精確的數(shù)據(jù)傳輸保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性;大帶寬的傳輸速度提高了遠(yuǎn)程控制的準(zhǔn)確性。

隨著智能工廠和無人工廠的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)是連接工人，機(jī)器和設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)。工業(yè)發(fā)展的需求促進(jìn)了5G技術(shù)的發(fā)展，同時推動物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用。大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)的連接需求，5G技術(shù)都能滿足，而且還能適應(yīng)復(fù)雜各異的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用場景。5G技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)相互促進(jìn)，5G的無線連接方案推動物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和推廣，而物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的廣泛需求有效支撐了5G技術(shù)的進(jìn)步。

3.4 5D智造谷

5D智造谷專注于“中國制造2025”，致力于解決國家智能制造業(yè)的創(chuàng)新問題。它構(gòu)建了一個共享平臺，使資源互補(bǔ)、互操作，共同構(gòu)成了一個智能制造谷。在5G網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展中，i5智能機(jī)床網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，它是一個具有互聯(lián)網(wǎng)基因的多智能終端，可實(shí)時合成各種數(shù)據(jù)和處理輸出[5]。i5智能機(jī)是一種集人、機(jī)、料于一體，采用多種技術(shù)的智能機(jī)械設(shè)備和集成器。它可以同時處理零件和傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能診斷，智能編程，智能補(bǔ)償，獨(dú)立智能和互聯(lián)智能。它利用WIS車間智能管理系統(tǒng)對工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，集成了制造過程、設(shè)備管理、工作計劃、生產(chǎn)計劃、成本核算等有效的生產(chǎn)過程，實(shí)現(xiàn)可視化管理，并通過云和sun平臺，合理收集訂單需求，在大數(shù)據(jù)支持下智能分布，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、跨行業(yè)的協(xié)同制造。

未來，基于ISESOL平臺的智能WIS車間管理系統(tǒng)與i5智能機(jī)床的結(jié)合，將加速工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和推廣，促進(jìn)智能制造的深化和創(chuàng)新，具有深遠(yuǎn)的意義。

4 結(jié)束語

在不久的將來，開放系統(tǒng)將成為智能化生產(chǎn)的重點(diǎn)。通過5G技術(shù)互聯(lián)、信息技術(shù)和自動化，顛覆和重建制造參與者的角色、制造理念、驅(qū)動模式，展望未來，前景廣闊。