伴隨國(guó)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(guò)程中降低操作技師勞動(dòng)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(guò)程中對(duì)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(guò)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(wú)縫銜接和自動(dòng)化、高效化流轉(zhuǎn)，項(xiàng)目實(shí)施后，有效降低了現(xiàn)場(chǎng)操作技師的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了各個(gè)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(guò)程中品質(zhì)控制的一致性，為國(guó)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(lái)，隨著“寬帶中國(guó)”戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，以及“一帶一路”《中國(guó)制造2025》等國(guó)家政策的推動(dòng)與保障，超大數(shù)據(jù)中心、超級(jí)云計(jì)算中心、視頻消費(fèi)飛速增長(zhǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)（5G） 升級(jí)換代等， 使我國(guó)光通信行業(yè)保持了較高景氣度。同時(shí)，伴隨著國(guó)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(jìng)爭(zhēng)日趨嚴(yán)重，如何在眾多強(qiáng)企中脫穎而出，這需要我們?cè)谥悄苤圃旆矫娌粩鄬で蠹夹g(shù)創(chuàng)新和理念突破，而生產(chǎn)制造過(guò)程中物料流轉(zhuǎn)自動(dòng)化、無(wú)人化就是其中一個(gè)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(guò)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(cè)試即可形成成品。過(guò)程中搬運(yùn)工作量較大，需 2 人同時(shí)操作，不能出現(xiàn)失誤，否則產(chǎn)品報(bào)廢，損失較大。因此，外包工序物流系統(tǒng)的自動(dòng)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)多部門頭腦風(fēng)暴及綜合評(píng)估，制定了多套方案，經(jīng)過(guò)多個(gè)機(jī)器人、自導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人、電動(dòng)單軌小車等成套物流技術(shù)應(yīng)用方案調(diào)研和多個(gè)廠家實(shí)地應(yīng)用場(chǎng)景參觀，最終選擇使用全向移動(dòng)車+ 機(jī)器人+5G 通信的技術(shù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和落地實(shí)施。

?非標(biāo)全向移動(dòng)小車設(shè)計(jì)

非標(biāo)OMV 小車

全向移動(dòng)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(jì)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(dòng)過(guò)程中行星輪具有一定的偏斜導(dǎo)向作用，即每個(gè)單輪的速度可以分解為x、y 兩個(gè)方向。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。一般每個(gè)OMV 小車上安裝有四個(gè)麥克納姆輪，當(dāng)四個(gè)輪子以相同速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，無(wú)論是向前還是向后，x 軸的分速度都“左右抵消”。四個(gè)輪子可以同時(shí)向不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)輪，OMV 小車具備以下功能：

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

2）避障功能：通過(guò)布置在車頭兩個(gè)角的激光傳感器， 識(shí)別1 m 內(nèi)障礙物，掃描到障礙物后全向車自動(dòng)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(guò)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(shí)能夠越過(guò)高度差 4 mm 的障礙，能通過(guò) 20 mm 寬的溝槽。

4）維護(hù)要求：采用免維護(hù)設(shè)計(jì)。

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

6）報(bào)警功能：設(shè)備運(yùn)行時(shí)有聲光警示，當(dāng)電量低于 20% 時(shí)有電量低位報(bào)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(dòng)導(dǎo)引功能：通過(guò)二維碼、激光等導(dǎo)航方式自動(dòng)導(dǎo)引。

調(diào)度系統(tǒng)

針對(duì)不同的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，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(dòng)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(jì)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(shí)延、高可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以滿足準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)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(hào)無(wú)法覆蓋車間內(nèi)部，因此我們?cè)谲囬g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(cè)試

定點(diǎn)CQT測(cè)試

定點(diǎn)CQT 測(cè)試選取了4 個(gè)點(diǎn)，測(cè)試區(qū)域?yàn)镺MV 小車行走區(qū)域，CQT 測(cè)試業(yè)務(wù)為PING，PING 測(cè)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(cè)試期間未出現(xiàn)失敗及丟包次數(shù)，平均時(shí)延16.73ms，測(cè)試次數(shù)20 次。CQT 數(shù)據(jù)測(cè)試見表2，PING 時(shí)延測(cè)試如圖 7 所示。

DT 測(cè)試

利用專業(yè)儀器在OMV 行走路線上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信號(hào)測(cè)試， 經(jīng)過(guò)路測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，整個(gè)A 工序和B 工序全區(qū)域5G 信號(hào)覆蓋率為100%，5G 信號(hào)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(shí)延指標(biāo)良好。具體DT 測(cè)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(chǎng)景共分為6 個(gè)區(qū)域，包含多類生產(chǎn)設(shè)備、三臺(tái)OMV 小車、若干獨(dú)立六軸機(jī)器人及兩臺(tái)七軸機(jī)器人。針對(duì)該區(qū)域的系統(tǒng)方案搭建，原計(jì)劃通過(guò)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(jì)時(shí)為了生產(chǎn)控制的安全性， 設(shè)置不可以對(duì)生產(chǎn)設(shè)備寫操作，無(wú)法滿足設(shè)備動(dòng)態(tài)交互及實(shí)時(shí)快速準(zhǔn)確通信。針對(duì)此，5G 網(wǎng)絡(luò)的低延遲特性就特別適合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(chǎng)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(dòng)化裝卸作業(yè)，再輔以麥克納姆輪全向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全流程的自動(dòng)化運(yùn)輸作業(yè)。實(shí)施規(guī)劃路徑如圖 8 所示。

結(jié)束語(yǔ)

本文以解決高純石英棒生產(chǎn)工序間產(chǎn)品自動(dòng)化流轉(zhuǎn)為目標(biāo)，通過(guò)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