引言

　　随着制造业对高性能、灵活组网能力的网络需求日益迫切，5G技术已成为制造业数字化转型的关键技术，并逐渐向社会各领域扩散渗透。5G具有媲美光纤的传输速度，接近工业总线的实时能力，正逐步向工业领域加速渗透。广州数控设备有限公司(以下简称：广数)为提高生产数字化、智能化水平，解决因手工作业引起的质量差异问题、产能低、运维成本高等问题，采用5G技术与传统电机端盖生产线结合，展开建设基于5G技术的电机端盖数字化生产线。广数为金属切削加工领域走向智能化、柔性化、高端化转型发展提供示范，对5G技术在智能制造领域的应用推广产生较大的积极影响;另一方面，5G技术在传统金属切削加工领域的应用，将促使更多高端人员投身智能制造行业，也对人才的需要和知识结构提出更高的要求，有助于推进从业人员的知识技能，从而带动制造业专业人员整体素质提升。

　　1 电机端盖生产线搭建

　　电机端盖数字化生产线可代表典型盘类零件的加工，整条产线布局如图1所示。产线由4台车床(采用双备份设计模式，保证有机床故障时，产线仍能正常运行)、2台钻攻中心、3台GSK-RB08机器人，1套检测仪器、1套冷却输送线等组成，实现毛坯端盖从车削、检验、钻攻的成品加工，整条产线的生产节拍控制为60s。

图 1 端盖生产线布局图

　　2 产线数字化设计与关键技术

　　电机端盖数字化产线设计，采用5G技术实现IOT物联网技术、3D数字孪生技术、AR增强现实技术、AI智能分析技术，其中实现包括设备远程管理、设备服务管理、实时仿真监控、远程碰撞预警、操作流程辅助、专家指导系统、视觉识别应用、数据分析应用等功能。

　　(一)IOT物联网设计

　　如图2 所示，最底层是辅组层，其中传感器负责采集大量产线数据以供上层(设备层、服务等)使用;摄像头作为安全监控和AI视觉识别使用;测量仪器包括了手动和自动测量，手动测量仪器需要具有无线传输技术。

　　第二层是设备层，包括了智能制造中核心的自动化装备CNC、机器人、PLC等，它们都可提供符合工业标准通信技术。

　　第三层是边缘层，包括了工厂内的边缘服务器，还包括了工厂外的MEC边缘服务器，这得益于5G技术，让边缘服务器的覆盖范围更广。在边缘层中，数据服务负责与设备层和传感层通信，对外提供一个统一的接口;视觉识别服器用于视觉分析和数据汇报，MEC边缘服务器用于提供边缘服务载体，AI数据分析服务不属于MEC边缘服务器中，用于收集传感器数据进行数据分析和数据汇报。

　　第四层是平台层，包括了IOT云服务，向下用于与边缘层的服务对接，向上用于向应用层服务对接，是数据的汇集地。视频云服务，是支持摄像头监控的远程查看服务平台;Maps云服务，采用强大且完善的百度/高德地图的云服务接口，获得完善的地理信息资源以及丰富的UI呈现。

　　第五层是应用层，包括了设备管理和产线监控两个应用，方案如下：

　　• 权限管理(设备/产线)，使用组(Group)管理，设备/产线/用户在同一组，则用于具有该设备/产线的权限;

　　• 数据监控，包括了实时数据监控、AI服务器的数据监控、环境数据监控等，通过IOT服务，用丰富的图表展现方式呈现出来;

　　• 文件传输和加工程序控制，能远程向CNC进行文件的上传和下载，显示当前程序和正在执行的行号，以及对CNC

　　执行程序的切换;

　　• 地理信息(设备/产线)，显示当前设备或产线在地图中的哪个地方，通过地图能直观查看，通过云平台API显示设备数量的区域分布;

　　• 异常处理，包括4部分，分别是报警历史记录，能显示CNC和机器人的报警历史，便于故障分析处理;设定报警阈值，便于自定义报警时间，比如设定机床倍率大于等于90的时候提示报警;设备维保推送，设定设备的维保时间和内容到期进行信息推送;故障自动推送：包括但不限于上述四种情况的事件推送通知，通过APP消息推送方式推送给用户手机;

　　• MES数据监控，通过管理层的MES服务器中获取数据，包括了订单任务页面和工艺页面;

图 2 IOT 物联网应用框图

图 3 3D 仿真监控图

图 4 AR 专家远程指导示意图

图 5 视觉识别结构图

图 6 刀具磨损检测与环境监测示意图

　　• 自定义看板页面，用组态软件的思想设计的一款软件，通过在页面中用鼠标拖拽方式，按用户需求自定义看板需要显示的内容和布局，主要用于设备数据模块的拖拽布局编排，设备、产线的数据展示。

　　第六层是管理层，包括了ERP企业管理系统，MES是GSK制造执行系统GMES，WMS物流管理系统。

　　(二)3D数字孪生技术

　　(1)实时仿真监控

　　开发3D数字看板用于根据实际场地、添加 3D 模型进行大小方向位置等信息的修改，配置连接实际设备后，便可通过网页中跟实际场地布局相似的 3D 场景，来进行设备信息的获取及情况的查看。产线的运行状态如图3所示，用 3D 技术模拟车间产线，同时可以通过 3D 看板查看设备的运行状态。抽象数据转换成直观画面，使数据可读性更高。

　　(2)远程碰撞预警

　　碰撞预警(安全辅助)能预警调试过程中是否有碰撞发生，并把检测结果实时反馈给现场机器人。碰撞检测数据源从现场机器人控制器利用5G网络实时传输到专家端电脑，分析后把结果回传到现场机器人，若发生碰撞预警则机器人立刻停下避免发生碰撞事故。该功能实现了产线机器人对机床和传送带等设备的碰撞预警功能，有效预防由于调试人员误操作导致的撞击问题。

　　(三)AR增强现实技术

　　(1)AR产线启动与巡检

　　该项功能可保证电机端盖产线的正常启动与判断设备运行状态，很好地解决人为疏漏等问题。电机端盖产线的启动流程：

　　物料识别→物料上架→确保CNC安全门打开→确保工装锁紧→确保机床坐标回零→机器人零点确认→传送带无异物→操作台按键操作流程。

　　AR巡检实现如下功能：安全区域提醒、油箱状态检查、查看机床内部摄像头是否出现异常现象、设备保养时间提醒、设备状态显示。

　　(2)AR专家远程指导

　　利用AR眼镜，结合5G技术与开发的AR远程专家应用， 可解决技术专家数量有限，而技术服务需求量大的矛盾。现场作业人员可与技术专家进行远程面对面高清语音视频沟通，技术专家可利用5G网络在电脑端直接查看现场作业人员用AR眼镜所呈现的内容，技术专家可在电脑端对AR眼镜所看到的实时视频进行虚实叠加的批注，批注内容直接呈现在现场作业人员的眼镜上，且能对实物锁定，实现“手把手”指导。

　　(四)AI智能分析技术

　　(1)视觉识别技术

　　利用视觉识别技术，实现对产线的反馈控制，通过摄像头采集产线的状态，传输到AI视觉识别服务器中，通过已训练的模型得出分析结果，并把结果通过数据服务分发到指定的产线设备，如出现断刀、夹具打开失败、夹具夹持不正等异常情况需要产线停机，则结果发送到PLC，如需要清理残留铁屑，则结果发送到机器人等等。分析结果同时通过采集服务发送到云端，并把异常信息推送到手机APP中，让技术人员及时获取异常信息，再通过远程信息诊断故障原因，安排后续的故障恢复工作，大大提高了产线的稳定性、产品的良率和故障的解决效率。

　　(2)数据分析与智能检测技术

　　数据分析技术主要用于刀具磨损检测与车间环境监测。

　　刀具的磨损状态分为新刀未磨损、早期磨损、严重磨损以及失效的4种状态，对应的切削温度是不同的，利用这一点开展实验，得出不同刀具在不同状态下工作时的温度值，实现了对刀具磨损状态的实时监控，对提高机床的加工效率、加工精度以及良品率起了很大作用。

　　为保障工厂内工作人员的健康和生产环境的安全，环境检测是重要的一环。在每条产线的控制台旁边部署环境参数检测模块，更靠近人和机器。采用5G通信技术把模块数据通过采集服务器传输到AI数据分析服务器进行环境数据的统计和预判分析。

　　3 电机端盖数字化生产线应用与性能提升指

　　标

　　广数基于5G技术的电机端盖数字化生产线于2019年12月建造完成，用于自动化生产电机前、后端盖等盘类工件。产线建成后日产量提升57.53%，人均日产量提升1061%，年度产品不良率下降1.5‰。

　　(1)生产效率提升

　　2019年之前，一条产线中生产电机端盖标准工时为：前端盖加工4min，后端盖加工5min，合计9min，每日挡产时间约为2h，每日所需现场作业及运维人员8人，每日可产约146套电机端盖，每日人均产出约18套。

　　2020年生产电机端盖标准工时为：前端盖加工3min，后端盖加工3min，合计6min，每日挡产时间约为1h，每日所需现场作业及运维人员1.1人，每日可约产出230套电机端盖，每日人均产出约209套。

　　日产量提升率=(230-146)/146*100%=57.53%，人均日产量提升率=(209-18)/18*100%=1061%。

　　(2)产品不良率降低

　　2019年之前，一条生产电机端盖的产线年约生产53000套电机端盖，其中不良产品约为106套;2020年一条电机端盖数字化产线全年约生产82000套电机端盖，其中不良产品约为123套。不良产品率变幅=(123/82000-106/53000)*‰=-0.5‰

　　4 总结

　　电机端盖数字化生产线是广数设计的基于5G技术的智能制造转型建设方案，能够立足精密智造，通过5G、3D数字孪生、AR、AI、机器学习等多项技术手段，减少人为误差，实现高带宽、低时延、高可靠性的数字化生产线。