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汽車(chē)工業(yè)機器人消耗的電能占車(chē)身制造能耗總量的一半以上。西門(mén)子攜手大眾汽車(chē)和弗勞恩霍夫協(xié)會(huì )共同開(kāi)發(fā)運動(dòng)優(yōu)化算法，大大降低了機器人的耗電量。

一家汽車(chē)制造廠(chǎng)一年消耗的電能堪比一座中型城市。工業(yè)機器人是其中的能耗大戶(hù)。通過(guò)優(yōu)化其運動(dòng)，可以將耗電量多降低50%。

一只巨型機械臂輕而易舉地舉起車(chē)門(mén)，并以毫米級的精度將其安裝到車(chē)身上。其他機械臂也幾幾乎同時(shí)迅速靠攏，相互之間以毫厘之距擦肩而過(guò)。這些機械臂是用來(lái)對車(chē)門(mén)進(jìn)行焊接的，一時(shí)間，火花四濺。當這項任務(wù)完成之后，這些機械臂和來(lái)時(shí)一樣迅速離去，而車(chē)身則滾滾向前，前往下一個(gè)裝配站。這如同一場(chǎng)精心排演的芭蕾舞，數以千計的工業(yè)機器人在工廠(chǎng)隨時(shí)“翩翩起舞”。然而，與舞者不同的是，機械臂不需要任何休息。但是，它們對電能的胃口則*饜足。

一家日產(chǎn)千輛的汽車(chē)廠(chǎng)，每年可輕而易舉地消耗數億度電能——堪比一座中型城市。負責驅動(dòng)傳送帶、機器和泵的電機，以及操作機械臂關(guān)節的電機，所消耗的電能要占工業(yè)耗電量的三分之二左右。然而，要從負責裝配車(chē)身的工業(yè)機器人的控制系統中挖掘節電潛力，還有很長(cháng)的路要走。

為了找出行之有效的辦法，大眾汽車(chē)、西門(mén)子和弗勞恩霍夫協(xié)會(huì )聯(lián)合發(fā)起了一個(gè)為期三年的研究項目，細致深入地考察制造機械臂的運動(dòng)。這個(gè)名為“綠色車(chē)身技術(shù)創(chuàng )新聯(lián)盟（InnoCaT）”的項目，旨在使用高效的軟件解決方案來(lái)優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，以大幅降低其耗電量。迄今為止，生產(chǎn)線(xiàn)機械臂的運動(dòng)路徑通常是由人工編程。機械臂運動(dòng)過(guò)程中遇到的障礙物和設置安裝高度時(shí)的失誤，是推高耗電量的一般因素。然而，費電的過(guò)程是機械臂頻頻變換運動(dòng)方向時(shí)發(fā)生的減速和加速。

西門(mén)子工業(yè)的整合經(jīng)理Matthias Frische是InnoCaT一個(gè)子項目的負責人，他說(shuō)：“目前，幾乎所有工業(yè)機器人都尚未實(shí)現運動(dòng)優(yōu)化。但突發(fā)運動(dòng)會(huì )造成耗電高峰和機械應力。”有鑒于此，Frische取得的一個(gè)重要研究成果是一個(gè)模擬模型，它能計算出不存在任何方向突變的優(yōu)化曲線(xiàn)。這個(gè)模型值得稱(chēng)道之處在于，它不要求更換機械臂，因為它只是改進(jìn)了它們的運動(dòng)方式。Frische說(shuō)：“這就好比學(xué)跳芭蕾舞。練習一段時(shí)間后，舞者的動(dòng)作會(huì )變得更加優(yōu)雅、高效，哪怕身體還是原來(lái)的。”

為了開(kāi)發(fā)運動(dòng)優(yōu)化算法，項目團隊將一個(gè)典型的汽車(chē)工業(yè)機器人搬到實(shí)驗室，對它執行多種不同任務(wù)時(shí)的能耗進(jìn)行了分析。然后根據分析結果，創(chuàng )建了一個(gè)模擬模型。每一次測定之后，科學(xué)家們都要調節多種不同的參數，由此逐步確定哪些設置的節電潛力大。Frische解釋道：“人類(lèi)在搬運重物時(shí)，他們會(huì )本能地以盡可能 人機工程學(xué)的方式運動(dòng)。同樣，模擬模型可以為機器人計算出實(shí)現了動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的節電運動(dòng)路徑。這樣的路徑，堪比跑車(chē)在彎道上行駛的軌跡。”試驗結果令項目團隊驚喜不已，因為結果表明，優(yōu)化路徑的節電潛力高達10%到50%。Frische補充道：“通過(guò)從突發(fā)運動(dòng)改為弧線(xiàn)運動(dòng)，機械臂的機械應力得以降低，從而降低了維護要求，縮短了停工時(shí)間。”

項目團隊對所取得的滿(mǎn)載希望的試驗結果進(jìn)行了分析，以確定能否將之轉化為實(shí)際操作。因為沿生產(chǎn)線(xiàn)分布的裝配站必須進(jìn)行嚴絲合縫的裝配，所以重新設計的機械臂運動(dòng)，必須與過(guò)去那種突發(fā)運動(dòng)一樣迅速，并且精確匹配動(dòng)作周期。

在*階段的工作中，研究人員為用于車(chē)身制造的機械臂人工編寫(xiě)了運動(dòng)路徑程序。這些路徑基于模擬中計算出的理想曲線(xiàn)。測定結果表明，甚至在實(shí)際生產(chǎn)條件下，節電也可高達50%。在2014年初開(kāi)展的第二階段工作中，工程師測試并改進(jìn)了一個(gè)能自動(dòng)優(yōu)化特定運動(dòng)耗電量的軟件模塊。

程序員首先規定機械臂必須到達的位置，如一系列焊點(diǎn)。軟件僅需數秒鐘就能計算出焊點(diǎn)之間節電的路徑。軟件還能保證機械臂相互之間保持短距離。這不是一件容易的事，因為機械臂必須沿著(zhù)復雜的位置順序快速移動(dòng)。軟件需在短短數秒之內完成全部計算。相比之下，以人工方式優(yōu)化每一條機械臂運動(dòng)路徑，則要花好幾天時(shí)間。由于汽車(chē)裝配廠(chǎng)通常具備數以千計的機械臂，因此，若以人工方式執行這一任務(wù)，所需的工作量將高得驚人。對Frische而言，其益處顯而易見(jiàn)，他說(shuō)：“我們的軟件，將有史以來(lái)*次允許自動(dòng)優(yōu)化運動(dòng)路徑的能效，因而十分經(jīng)濟劃算。”

今年晚些時(shí)候，一個(gè)與西門(mén)子Tecnomatix生產(chǎn)規劃軟件有關(guān)的軟件模塊可能面市。Frische表示： “事實(shí)上，制造企業(yè)僅需按下按鈕就能降低其耗電量，同時(shí)為保護環(huán)境做出貢獻。我們的軟件有助于程序員為機械臂設計出能節約資源的交互動(dòng)作。”

Stefan Schröder

機械臂和機床：智力融合

制造業(yè)的自動(dòng)化程度越來(lái)越高。因此，制造商正在探索既能提高資源使用效率，又能同時(shí)提升其生產(chǎn)過(guò)程靈活性的新途徑。要實(shí)現這樣的發(fā)展，一個(gè)重要的前提條件是，著(zhù)眼于機械臂與機床的交互作用方式，使生產(chǎn)機器精確地協(xié)調運轉。正因為如此，西門(mén)子正在與KUKA合作研究如何將機械臂和機床的控制系統合為一體。KUKA是機械臂和機器生產(chǎn)領(lǐng)域的 供應商之一。

對企業(yè)而言，技術(shù)*的機床是一筆重大投資。因此，大限度地提高其利用率和效率是明智之舉。過(guò)去，負責將工件插入機器，并在加工完畢之后將之取出的工業(yè)機器人的程序，是利用其自有控制單元來(lái)編寫(xiě)的。然而現在，可以在機床的用戶(hù)界面上直接為這樣的機械臂編程。這樣一來(lái)，就能更好地協(xié)調機器的加工工序，同時(shí)大幅降低為相關(guān)機械臂編寫(xiě)程序的工作量。

另一個(gè)目標是，進(jìn)一步改善工件加工過(guò)程中機械臂與機床之間的交互動(dòng)作。未來(lái)，將要求機械臂執行諸如磨、銑等簡(jiǎn)單任務(wù)，特別是在加工新材料時(shí)。到那時(shí)，機床將被專(zhuān)門(mén)用于要求巨大力量或*精度的生產(chǎn)工序。這有望提高機床的利用率。

由于其工作范圍廣，并且具備靈活的運動(dòng)軸，因此，機械臂也可以加工復雜或大型的部件。譬如，它們可以取代成本不菲的特制設備，加工風(fēng)輪機葉片或機翼等部件。在這種情況下，也可以在共享用戶(hù)界面上控制系統。從設計到模擬生產(chǎn)，再到工程和車(chē)間投產(chǎn)階段，所有這一切，將改善機器在其整個(gè)生命周期內的相互協(xié)調性。