王衛(wèi)峰，趙海倫，徐 輝，徐金田

（中天科技精密材料有限公司，江蘇 南通 226009）

1 引言

近年來，隨著“寬帶中國”戰(zhàn)略的持續(xù)推進，“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)過多個機器人、自導(dǎo)航移動機器人、電動單軌小車等成套物流技術(shù)應(yīng)用方案調(diào)研和多個廠家實地應(yīng)用場景參觀，最終選擇使用全向移動車+機器人+5G通信的技術(shù)方案進行設(shè)計和落地實施。

2 非標(biāo)全向移動小車設(shè)計

2.1 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、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，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行原地旋轉(zhuǎn)。小車運行軌跡示意如圖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。

圖1 麥克納姆輪結(jié)構(gòu)示意

圖2 小車運行軌跡示意

圖3 OMV小車示意圖

1）全向移動功能：設(shè)備的行走路徑由軟件進行差補計算，可實現(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行，另外在車頭車尾有安全觸邊防撞機構(gòu)。

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

4）維護要求：采用免維護設(shè)計。

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

6）報警功能：設(shè)備運行時有聲光警示，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。

2.2 調(diào)度系統(tǒng)

針對不同的應(yīng)用現(xiàn)場，實現(xiàn)各種類型智能機器人的任務(wù)分配、交通調(diào)度、運行維護和監(jiān)控顯示等功能。采用多種AI智能調(diào)度算法，實現(xiàn)智能機器人工作任務(wù)的最優(yōu)分配、多機器人路徑規(guī)劃和機器人交通管理，實現(xiàn)智能機器人與智能機器人、智能機器人與自動化設(shè)備、智能機器人集群與集群間、智能機器人與人相互協(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。

圖4 調(diào)度系統(tǒng)

圖5 車輛軟件設(shè)計

3 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)確的運動控制需求。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖6所示。

圖6 5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

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。

表1 5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備清單

4 5G網(wǎng)絡(luò)性能測試

4.1 定點CQT測試

定點CQT測試選取了4個點，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16.73 ms，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。

表2 CQT 數(shù)據(jù)測試表

圖7 PING時延測試

4.2 DT測試

利用專業(yè)儀器在OMV行走路線上進行網(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。

表3 DT 數(shù)據(jù)測試表

5 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、若干獨立六軸機器人及兩臺七軸機器人。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)場實際使用要求。組建基于5G網(wǎng)絡(luò)的多機協(xié)同系統(tǒng)，可有效實現(xiàn)A、B工序中多設(shè)備與OMV小車及服務(wù)器之間實時數(shù)據(jù)交互，并能夠在異常發(fā)生的情況下實現(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，實現(xiàn)了OMV小車與機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，實現(xiàn)全流程的自動化運輸作業(yè)。實施規(guī)劃路徑如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場實施規(guī)劃路徑

6 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)，通過實踐探索出“5G +OMV多機交互”創(chuàng)新應(yīng)用模式，為高純石英棒制造行業(yè)提供可復(fù)制推廣的實施案例。