OMV小車及5G技術(shù)在高純石英棒智能制造車間的融合應(yīng)用

伴隨國內(nèi)人口紅利的逐步消失，制造業(yè)用工成本逐年上漲，如何在高純石英棒制造過程中降低操作技師勞動強(qiáng)度及減少用工數(shù)量，是亟需解決的問題。本文描述了高純石英棒智能制造車間建設(shè)過程中對OMV 小車、5G、多軸機(jī)器人等技術(shù)的綜合性融合應(yīng)用。通過大膽嘗試和深入解析，成功實(shí)現(xiàn)高純石英棒在生產(chǎn)中的不同工序之間物料無縫銜接和自動化、高效化流轉(zhuǎn)，項目實(shí)施后，有效降低了現(xiàn)場操作技師的勞動強(qiáng)度，減少了各個工序間物料流轉(zhuǎn)的用工數(shù)量，大幅降低了高純石英棒生產(chǎn)制造成本，有效保證了產(chǎn)品制造過程中品質(zhì)控制的一致性，為國產(chǎn)高純石英棒智能制造做了積極的示范作用。

引言

近年來，隨著“寬帶中國”戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，以及“一帶一路”《中國制造2025》等國家政策的推動與保障，超大數(shù)據(jù)中心、超級云計算中心、視頻消費(fèi)飛速增長、移動互聯(lián)網(wǎng)（5G） 升級換代等， 使我國光通信行業(yè)保持了較高景氣度。同時，伴隨著國內(nèi)人口紅利的逐步消失，及各大光纖制造廠家產(chǎn)能持續(xù)釋放，通信行業(yè)同質(zhì)化競爭日趨嚴(yán)重，如何在眾多強(qiáng)企中脫穎而出，這需要我們在智能制造方面不斷尋求技術(shù)創(chuàng)新和理念突破，而生產(chǎn)制造過程中物料流轉(zhuǎn)自動化、無人化就是其中一個重要突破口和加速器。

高純石英棒主要應(yīng)用于光纖制造，其外包層生產(chǎn)制造過程中需要經(jīng)歷四道工序流轉(zhuǎn)，最初一道工序沉積完成后，棒體呈粉末態(tài)，不能磕碰，容易開裂和損傷，單體質(zhì)量大于100 kg，流轉(zhuǎn)至第二道工序進(jìn)行燒結(jié)后形成玻璃態(tài)，后經(jīng)拉錐和測試即可形成成品。過程中搬運(yùn)工作量較大，需 2 人同時操作，不能出現(xiàn)失誤，否則產(chǎn)品報廢，損失較大。因此，外包工序物流系統(tǒng)的自動化水平直接關(guān)系到高純石英棒外包層制造成本、效率和質(zhì)量。經(jīng)過現(xiàn)場多部門頭腦風(fēng)暴及綜合評估，制定了多套方案，經(jīng)過多個機(jī)器人、自導(dǎo)航移動機(jī)器人、電動單軌小車等成套物流技術(shù)應(yīng)用方案調(diào)研和多個廠家實(shí)地應(yīng)用場景參觀，最終選擇使用全向移動車+ 機(jī)器人+5G 通信的技術(shù)方案進(jìn)行設(shè)計和落地實(shí)施。

?非標(biāo)全向移動小車設(shè)計

非標(biāo)OMV 小車

全向移動小車（Omnibearing Moving Vehicle，OMV）最核心的結(jié)構(gòu)為麥克納姆輪（Mecanum Wheel），該結(jié)構(gòu)原為瑞典麥克納姆公司的設(shè)計作品，其工作原理為在中心輪圓周方向又布置了一圈獨(dú)立的、傾斜角度45°的行星輪，大輪滾動過程中行星輪具有一定的偏斜導(dǎo)向作用，即每個單輪的速度可以分解為x、y 兩個方向。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。一般每個OMV 小車上安裝有四個麥克納姆輪，當(dāng)四個輪子以相同速度轉(zhuǎn)動時，無論是向前還是向后，x 軸的分速度都“左右抵消”。四個輪子可以同時向不同方向轉(zhuǎn)動使得承載車體能較容易地進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)。小車運(yùn)行軌跡示意如圖 2 所示，OMV 小車示意如圖 3 所示。作為行走驅(qū)動輪，OMV 小車具備以下功能：

1）全向移動功能：設(shè)備的行走路徑由軟件進(jìn)行差補(bǔ)計算，可實(shí)現(xiàn)二維平面內(nèi)任意方向的移動功能，包括直行、橫行、斜行、任意曲線移動和小回轉(zhuǎn)半徑轉(zhuǎn)向等全向移動形式。車輪轉(zhuǎn)彎不損傷地面，不會在地面留下輪胎的摩擦痕跡。

2）避障功能：通過布置在車頭兩個角的激光傳感器， 識別1 m 內(nèi)障礙物，掃描到障礙物后全向車自動停止運(yùn)行，另外在車頭車尾有安全觸邊防撞機(jī)構(gòu)。

3）過溝坎能力：車輪結(jié)實(shí)耐用，承載能力強(qiáng)，不損傷地面，運(yùn)行時能夠越過高度差 4 mm 的障礙，能通過 20 mm 寬的溝槽。

4）維護(hù)要求：采用免維護(hù)設(shè)計。

5）續(xù)航能力：設(shè)備采用免維護(hù)鋰電池驅(qū)動，可連續(xù)運(yùn)行 8 小時，內(nèi)置充電系統(tǒng)。

6）報警功能：設(shè)備運(yùn)行時有聲光警示，當(dāng)電量低于 20% 時有電量低位報警功能，并設(shè)有系統(tǒng)故障診斷及電量顯示功能。

7）狀態(tài)顯示功能：在設(shè)備控制面板顯示屏上實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)顯示，并顯示故障信息。

8）自動導(dǎo)引功能：通過二維碼、激光等導(dǎo)航方式自動導(dǎo)引。

調(diào)度系統(tǒng)

針對不同的應(yīng)用現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)各種類型智能機(jī)器人的任務(wù)分配、交通調(diào)度、運(yùn)行維護(hù)和監(jiān)控顯示等功能。采用多種AI 智能調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人工作任務(wù)的最優(yōu)分配、多機(jī)器人路徑規(guī)劃和機(jī)器人交通管理，實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人與智能機(jī)器人、智能機(jī)器人與自動化設(shè)備、智能機(jī)器人集群與集群間、智能機(jī)器人與人相互協(xié)同工作。調(diào)度系統(tǒng)如圖 4 所示，車輛軟件設(shè)計如圖 5 所示。

5G 網(wǎng)絡(luò)組建

5G 網(wǎng)絡(luò)搭建的目標(biāo)是建立大帶寬、低時延、高可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以滿足準(zhǔn)確的運(yùn)動控制需求。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖 6 所示。

由于車間內(nèi)部采用凈化壁板隔斷，外圍5G 宏基站信號無法覆蓋車間內(nèi)部，因此我們在車間內(nèi)部布置了小型室分基站，清單見表1。

5G 網(wǎng)絡(luò)性能測試

定點(diǎn)CQT測試

定點(diǎn)CQT 測試選取了4 個點(diǎn)，測試區(qū)域為OMV 小車行走區(qū)域，CQT 測試業(yè)務(wù)為PING，PING 測試地址為調(diào)度服務(wù)器到OMV 小車5G 模塊SIM 卡地址10.128.10.55，測試期間未出現(xiàn)失敗及丟包次數(shù)，平均時延16.73ms，測試次數(shù)20 次。CQT 數(shù)據(jù)測試見表2，PING 時延測試如圖 7 所示。

DT 測試

利用專業(yè)儀器在OMV 行走路線上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信號測試， 經(jīng)過路測數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，整個A 工序和B 工序全區(qū)域5G 信號覆蓋率為100%，5G 信號強(qiáng)度平均值為－ 69.21 dBm， 全區(qū)域內(nèi)散布5G小基站可以滿足覆蓋要求，路線覆蓋良好，PING 時延指標(biāo)良好。具體DT 測試結(jié)果見表 3。

基于5G 網(wǎng)絡(luò)路徑調(diào)度

A 工序和B 工序涉及生產(chǎn)場景共分為6 個區(qū)域，包含多類生產(chǎn)設(shè)備、三臺OMV 小車、若干獨(dú)立六軸機(jī)器人及兩臺七軸機(jī)器人。針對該區(qū)域的系統(tǒng)方案搭建，原計劃通過SCADA 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)打通，但由于車間內(nèi)SCADA 數(shù)據(jù)采集頻率為1 s，且設(shè)計時為了生產(chǎn)控制的安全性， 設(shè)置不可以對生產(chǎn)設(shè)備寫操作，無法滿足設(shè)備動態(tài)交互及實(shí)時快速準(zhǔn)確通信。針對此，5G 網(wǎng)絡(luò)的低延遲特性就特別適合生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際使用要求。組建基于5G 網(wǎng)絡(luò)的多機(jī)協(xié)同系統(tǒng)，可有效實(shí)現(xiàn)A、B 工序中多設(shè)備與OMV 小車及服務(wù)器之間實(shí)時數(shù)據(jù)交互，并能夠在異常發(fā)生的情況下實(shí)現(xiàn)小于0.5 s 的響應(yīng)速度，確保系統(tǒng)的安全可靠性。

現(xiàn)場采用二維碼準(zhǔn)確定位，實(shí)現(xiàn)了OMV 小車與機(jī)器人銜接的全自動化裝卸作業(yè)，再輔以麥克納姆輪全向移動，實(shí)現(xiàn)全流程的自動化運(yùn)輸作業(yè)。實(shí)施規(guī)劃路徑如圖 8 所示。

結(jié)束語

本文以解決高純石英棒生產(chǎn)工序間產(chǎn)品自動化流轉(zhuǎn)為目標(biāo)，通過實(shí)踐探索出“5G +OMV 多機(jī)交互”創(chuàng)新應(yīng)用模式，為高純石英棒制造行業(yè)提供可復(fù)制推廣的實(shí)施案例。

審核編輯 ：李倩