如果我們在討論5G的時候，腦海中浮現的只有閃電般快速下載和流媒體視頻，那麼或許是時候應該重新考慮一下，進行更深入的思考了。
顯而易見，人們都希望獲得與硬有線連接一樣快速和可靠的無線能力。在位於德國亞琛(Aachen)的5G工業園區歐洲(5G Industry Campus Europe)，應用程式正在重新定義機器人的角色，一部分原因是讓全功率工業設備像它們「合作」的同類產品一樣安全。5G工業園區是一個廣闊的研究和合作空間。其他研究，還包括如使用安裝在工件和刀具套上的傳感器，對振動和尖端磨損進行自動過程中修正，將5G應用於刀具的金屬接觸層面。
據了解，該園區由瑞典電信公司愛立信和德國研究機構夫琅和費生產技術研究所(Fraunhofer IPT)聯合運營，也是一個規模更大的5G試驗場。除了廣闊的戶外網絡，它還覆蓋了超過20,000平方英尺的室內空間，包括弗勞恩霍夫IPT自己的模擬數控工具機車間。此覆蓋被分割成多個網絡，但僅用於測試目的。毫無疑問，5G技術可以使任何機器人、工具機或幾乎任何其他資產(即使是最大的工廠)在單一網絡上安全地、可靠地、幾乎實時地交換數據，而不會出現性能下降的情況。
無論數控工具機車間在何種程度上接受5G，這些早期應用都顯示出不可否認的潛力，可能會帶來巨大的車間變革。愛立信歐洲5G項目經理Andreas Thuelig表示:「你也許可以找到其他方法來實現同樣的目標。但是如果你縱觀整個車間，看看它所有的設備、所有的任務和所有的需求，不難發現，沒有其他辦法能在一個網絡中把所有這些東西都結合在一起，並保證服務質量。」
5G是什麼?
5G代表第五代電信行業協會為蜂窩網絡定義的最新無線技術標準。5G設備主要是通過使用高頻無線電波來定義的。頻率越高，每波傳輸的數據包越大(帶寬越高);減少在兩點之間來回傳輸數據包所需的時間(延遲更低);以及限制數據流中斷開或中斷的風險(連接可靠性可以超過99.9%)。無論是在設施範圍內還是在單個工作站的水平上，更高的帶寬、更低的延遲和更大的可靠性，使消除電線和電纜變得更加實用。
並不是所有的5G網絡都是平等的。比如，接近即時的視頻流就是增強移動寬帶(eMBB)的一個例子。構成「物聯網」的各種「智能」儀表和監視器都使用大型機器類型通信(mMTC)網絡。本文中討論的項目(以及任務或關鍵安全應用，比如手術設備的遠程控制，或者未來的自動駕駛汽車)要求更高。只有超可靠的低延遲通信(URLLC)網絡才可以。
例如，與德國汽車製造商奧迪(Audi)合作的研究涉及到遊牧式機器人組裝單元(本質上是帶輪子的機器人)，可以在需要時移動，以協助工人完成組裝任務。在一個演示中，一個移動機器人在方向盤上安裝安全氣囊並不是協作的，而是一個完全的工業模型，如果任其發展，可能會造成損害、傷害甚至更糟。行檢查的系統是在細胞開放的一側的一個光幕，當所有的運動被破壞時，它就會停止所有的運動。Thuelig表示，這個應用程式展示了5G在PROFINET和PROFISAFE等行業標準協議方面的潛力，它們在通信信道的可靠性和上限延遲方面要求非常高。「為了保護工人，組裝過程中的中斷應該只由真正的安全事故造成，而不是由數據包姍姍來遲，甚至通信通道上的數據包丟失所造成。」
在歐洲一些校園的其他應用包括材料處理自動引導車輛(agv)，它被設計用來自由地與人流混合。與十字路口的雷射雷達(光探測和測距)傳感器的實時連接，以及彼此之間的連接，為這些系統提供了一個「智能」水平，使它們能夠在各種「安全穿越」測試中更快地移動和反應。同樣值得注意的是，這些AGV的整個車隊都可以在同一家工廠與其他5G應用程式一起運行，它們都在同一個網絡上運行。這是可行的，因為5G更多的兩個關鍵優勢：支持更多設備的原始功能，以及將網絡劃分為具有專用於特定應用程式的帶寬的子部分。
進入工作區
在數控加工中，常見的任務是計算和輸入偏移量:在確定切削刃相對於工件其他部分的位置時，為了確保工具機CNC能夠計算出刀架的長度、跳動和刀具磨損，從而進行參數調整。然而，弗勞恩霍夫和愛立信已經證明，事實並非如此。有了專用的5G URLLC網絡和合適的軟體，工具盒上的傳感器有可能使CNCs在主軸轉動時做出反應。
具體來說，研究人員使用了支持5G的聲發射(AE)傳感器來測量從切割區域輻射到支架的聲波(由材料變形產生)的頻率。對數據流的持久分析可以檢測讀數中的峰值，表明刀具斷裂並將數據反饋回CNC。研究人員指出，這種能力對小型鑽頭和銑削工具尤其有用。
AE傳感器的數據甚至可以用來跟蹤刀具的磨損情況，並在斷裂前糾正工藝參數。一直以來，不斷地關聯特定刀具的當前狀態與聲發射光譜中的特定「指紋」，據說是一項困難的任務——一個可能適合機器學習的任務——因為指紋是非常特定於應用程式的。切削刃的幾何形狀、工件的材料和工藝參數都會影響傳感器的讀數。弗勞恩霍夫研究所的Niels Konig通過電子郵件表示:「到目前為止，我們已經在一個簡單的鑽井過程中使用了它，但我們專注於傳感器的開發，還沒有進行廣泛的試驗和數據收集。」
通過進一步的研究，5G聲發射傳感器在CNC加工中的應用不僅僅是檢測刀具的破損和磨損。研究人員認為，材料接觸檢測可以為主軸碰撞控制提供一種替代方法。基於切削條件的變化，傳感器也可能為檢測工件材料中的不均勻性提供新的選擇。另一個潛在的應用是「間隙控制」:減慢刀具速度的做法，以彌補實際切削條件和工藝規劃假設的理想條件之間的任何「間隙」。
Fraunhofer項目涉及將5G傳感器直接安裝到工件上。在這種情況下，研究人員使用加速度計來監測渦輪葉片盤五軸銑削過程中的顫振(一種自誘導的加工振動形式)。這個想法是為了更快地掌握工藝的最佳參數，因為每個工件需要超過20個小時的時間，而且成本佔blisk生產成本的一半。5G技術的應用，顯示出將平均blisk返工率從25%降低到15%的潛力。
5G傳感器不需要局限於聲發射傳感器和加速度計。例如，三自由度切削力傳感器可以幫助防止刀具偏轉。位置傳感器可以防止工件夾緊錯誤，而熱傳感器可以幫助防止機器元件過熱。應變傳感器可以警告可能導致紡錘體變形的壓力水平。工具機和其他設備上的傳感器可以促進狀態監測和預測維護。通過利用雲或基於邊緣的人工智慧(AI)，增加傳感器可以為機器人手臂提供新的能力，來解釋並對周圍環境做出反應。
這些應用的底層基礎設施基本上與前一代技術相同(事實上，5G被設計為與4G/LTE共存)。在愛立信的無線點系統中，數據從車間的傳感器傳輸到天花板上的小的、扁平狀的天線(「點」)，然後(通過光纖電纜)傳輸到基站和更廣泛的車間網絡。
在工具持有者安裝的AE傳感器的情況下，數據返回到工作站，在工作站上收集數據，以便從Marposs監控解決方案的GENIER模塊(GEM)監控系統上進行邊緣處理。該系統通過現場總線連接直接連接到工具機上。它還連接到一臺單獨的PC，它提供了用於跟蹤過程和存儲數據以供以後分析的人機界面。然而，Fraunhofer的文檔指出，使用基於私有工廠雲中的虛擬版本的GEM監控系統(即只有軟體組件)來擴展系統可能更容易，硬體「網關」將提供與工具機的直接連接。其他雲應用程式可以用於任何領域，從設備健康指標到AGV車隊的指導信息。在這個宏觀的尺度上，5G不僅對生產自動化，而且對生產物流也是有用的。
Thuelig表示，讓5G實現實時加工過程監控的部分障礙與硬體有關。Fraunhofer IPT的聲發射傳感器和加速度計是為研究所的研究配置的。每個傳感器依次連接到一個裝有5G數據機的路由器上。然而，多傳感器平臺的研究正在進行中，該平臺將把加速度計、陀螺儀、麥克風、溫度和溼度傳感器以及所有必要的電子設備集成到一個單一的緊湊設備中。這給微型化帶來了挑戰，愛立信的設備製造合作夥伴正在努力解決。
與此同時，5G標準繼續提高。最新的更新就包括了關鍵的功能，URLLC網絡，剛剛公布了今年早些時候。此外，還需要密集的電纜基礎設施網絡來支持公共5G網絡，這些網絡可用於與其他企業和業務單位進行協調。對未來的預測可能是令人窒息的，但5G在製造業中的潛力不容忽視。其他正在探索的應用包括使用計算機化眼鏡或耳機，以促進與增強現實補充的培訓。這些連接的設備還可以用來診斷設備內部裝有傳感器的部件，或者讓參觀工廠外的設施(甚至是更複雜的事情，比如去現場參觀)變得可行。工具機甚至可能由移動的機器人手臂來管理，它們可以自己在設備之間移動。
事實上，工具機製造商已經在為此努力了。例如，牧野2019年的EMO展臺就展出了iAssist，這是一款頂部裝有無線協作機器人的AGV，以根據需要在模擬單元的預置和加工設備中自動移動工具和工件。這樣的應用並不一定需要5G——事實上，這個演示在2017年的EMO上首次亮相。然而，沒有5G的速度、靈活性或可靠性能與之匹敵，所有這些都有助於將5G以及其他新應用擴展到商展和實驗室之外。
(來源：Modern Machine Shop)