数字工程 | 德国莱普工大：5G赋能闭环控制对铣削加工零件质量的影响评估

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Evaluation of 5G-based closed-loop control on part quality for milling processes

Jan Mertes ^a, Marius Schmitz ^a, Daniel Lindenschmitt ^b, Christian Schellenberger ^b, Matthias Klar ^a, Bahram Ravani ^c, Hans D. Schotten ^b, Jan C. Aurich ^a

a Institute for Manufacturing Technology and Production Systems, RPTU Kaiserslautern-Landau, Kaiserslautern, 67663, Rhineland-Palatinate, Germany

b Institute for Wireless Communication and Navigation, RPTU Kaiserslautern-Landau, Kaiserslautern, 67663, Rhineland-Palatinate, Germany 

c Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of California Davis, Davis, 95616, CA, USA

Abstract

Implementing wireless communication technologies in manufacturing systems shows the potential for a disruptive shift towards wireless networked control systems and edge computing for machine tool control. Especially 5G mobile communications enable wireless closed-loop control with ultra-reliable low-latency communication (uRLLC) and time-sensitive networking (TSN)-features. However, currently available hardware and software cannot yet meet the high requirements for closed-loop control of machine tools. This study evaluates the quality of a manufactured part when produced on a wireless closed-loop machine tool. A setup for emulating network characteristics (latency, jitter) is developed and implemented into a computerized numerical control (CNC) of a machine tool to synthesize the effects of 5G connectivity. The main objective is to evaluate how different network performance characteristics in combination with machine parameters influence surface quality parameters and geometric dimensioning and tolerancing (GD&T) of a milled specimen. Full factorial experimental design paradigm is used in the evaluation. The results show that latency and feed rate have no or insignificant influence on the surface quality of the manufactured part while jitter does have a significant influence. The surface quality deteriorates significantly above a jitter level of 100μs, so that the quality of the manufactured components is no longer sufficient. Moreover, the deviation of quality parameters starts to increase significantly with higher jitter. GD&T are just influenced by the variation of the feed rate, independent of latency and jitter. The results indicate that processes with lower requirements on the control loop (e.g. robot control, control of automated guided vehicles, etc.) can already be implemented using 5G mobile communications. However, closed-loop control of machine tools to achieve high quality manufactured parts, will only be possible with future developments in wireless communications. The results experimentally determine the minimum requirements for the communication architecture and the resulting quality losses for milling if these are not met.

Keywords

Manufacturing, Machine tool control, Wireless communication performance, Surface quality, Experiments, 5G, uRLLC

Fig. 1. Components for machine tool control with exemplarily cycle times 

Fig. 4. Functionality of NetEm for bidirectional influencing network characteristics.

摘要

在制造系统中实施无线通信技术展现了向无线网络化控制系统和用于机床控制的边缘计算进行颠覆性转变的潜力。特别是5G移动通信技术，凭借其超可靠低时延通信（uRLLC）和时间敏感网络（TSN）功能，实现了无线闭环控制。然而，当前可用的硬件和软件尚无法满足机床闭环控制的高要求。本研究评估了在无线闭环机床上生产的零件的质量。开发并实施了一个用于模拟网络特性（延迟、抖动）的设置，并将其整合到机床的计算机数控（CNC）系统中，以综合模拟5G连接的影响。主要目标是评估不同的网络性能特性与机床参数相结合时，如何影响铣削试样的表面质量参数以及几何尺寸和公差（GD&T）。

研究采用全因子实验设计范式进行评估。结果表明，延迟和进给速度对制造零件的表面质量没有或仅有不显著的影响，而抖动则有显著影响。当抖动水平超过100微秒时，表面质量会显著恶化，以至于制造零件的质量不再符合要求。此外，随着抖动的增加，质量参数的偏差也开始显著增大。GD&T仅受进给速度变化的影响，与延迟和抖动无关。研究结果表明，对于控制回路要求较低的过程（如机器人控制、自动导引车控制等），已经可以使用5G移动通信技术实现。然而，要实现高质量零件制造的机床闭环控制，还需要未来无线通信技术的进一步发展。本研究通过实验确定了通信架构的最低要求以及如果不满足这些要求时铣削导致的质量损失。

制造业, 机器工具控制, 无线通信性能, 表面质量, 实验, 5G, uRLLC

研究背景：

1. 制造业系统中无线通信技术的实施： 无线通信技术在制造业系统中的应用有潜力实现无线网络化控制系统和边缘计算，特别是5G移动通信技术，它支持超可靠低延迟通信(uRLLC)和时间敏感网络(TSN)特性。

2. 无线通信技术的挑战： 目前可用的硬件和软件还不能满足机器工具闭环控制的高要求。本研究评估了在无线闭环机器工具上生产零件的质量。

3. 研究目标： 本研究的主要目标是评估不同网络性能特征与机器参数相结合对零件表面质量参数和几何尺寸及公差(GD&T)的影响。

研究方法：

1. 实验设计：采用全因子实验设计范式，评估不同网络性能特征（延迟、抖动）与机器参数（进给率）对零件表面质量参数和GD&T的影响。

2.  实验设置： 开发并实施了一套模拟网络特征（延迟、抖动）的设置，将其集成到机器工具的计算机数控（CNC）中，以模拟5G连接的效果。

3. 测量技术与评估方法： 使用触觉测量仪器（MarSurf GD 120）和坐标测量机（Hexagon TIGO SF）来确定表面质量和GD&T。

实验设计：

1. 系统配置： 使用3轴CNC铣床进行实验，机器工具基于LinuxCNC操作系统运行。

2. 软件配置： 使用LinuxCNC版本2.10进行铣削实验，通过NetEm包进行网络仿真。

3. 研究对象与过程参数： 评估延迟、抖动和进给率对标准化零件的表面质量和GD&T的影响。

结果分析：

1. 表面质量评估： 实验结果表明，延迟对表面质量没有显著影响，而抖动对表面质量有显著影响。当抖动超过100微秒时，表面质量显著下降。

2. GD&T评估：延迟对GD&T的影响可以忽略不计，而进给率对GD&T有预期的影响，较低的进给率导致更好的平面度、圆度和角度公差。

3. 讨论： 研究结果表明，对于高精度制造，需要实施严格的抖动控制机制以确保表面质量在可接受的范围内。此外，无线控制环可以容忍一定程度的延迟，只要它是可预测的并且在循环时间内。

总体结论：

1. 无线控制环的实现： 本研究为制造业中无线控制环的实现铺平了道路，并为未来无线通信在工业中的应用提供了见解。

2. 未来研究方向： 未来的研究应探索高精度机床的无线网络化控制系统，并研究如何通过流量整形和实时协议来提高WNCS的性能。

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于2021年加入德国莱普工业大学制造技术和生产系统研究所（FBK）生产系统团队并攻读博士学位。他的研究重点是数字孪生机床和先进通讯技术，至今已发表多篇高水平论文。

美国加州大学戴维斯分校机械学院杰出首席教授（Distinguished Professor）。他的研究领域包括动力学和机器人，他是美国机械工程师学会（ASME）的会士，曾获ASME机器设计奖（Machine Design Award）、ASME致力服务奖（Dedicated Service Award）、ASME Gustus Larson纪念奖（Gustus Larson Memorial Award）、ASME设计自动化奖（Design Automation Award）、SME杰出青年制造工程师奖（Outstanding Young Manufacturing Engineer Award）和斯坦福大学荣誉教授。

德国莱普工业大学无线通信与导航讲席教授，人工智能研究领域的杰出专家。自2012年以来，他担任德国人工智能研究中心（DFKI）科学主任并负责“智能网络”领域的工作。他的研究重点包括5G、B5G和6G技术的开发与实施、网络架构、工业通信与安全解决方案，以及人工智能在通信和移动领域的应用。Schotten教授还积极参与国际标准化工作，例如3GPP和IEEE，同时在信息技术协会（ITG）和德国电气工程师协会（VDE）等机构中担任重要职务。此外，他曾于2013至2017年间担任莱普工业大学电气工程与信息技术系主任，为学术界和工业界的协作作出了重要贡献。

德国工程院院士、CIRP院士及董事会委员、德国生产技术科学协会（WGP）会士及前主席，德国莱普工业大学制造技术与生产系统首席教授。长期致力于数字化制造、先进制造和可持续生产的研究，主持数十项欧盟、德国教育部及德国科学基金会重点项目，荣获富布赖特高级访问学者和CIRP泰勒奖章等荣誉。现任德国莱普工业大学校理事会成员、工业4.0应用中心Potsdam顾问委员及德国工程师协会VDI北巴登-普法尔茨分会董事，并担任德国研究基金会（DFG）、瑞士国家科学基金会（SNF）、美国国家科学基金会（NSF）评委，同时为《CIRP制造科学与技术》、《数字工程》等期刊编委会成员。