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机器人翩翩起舞

汽车工业机器人消耗的电能占车身制造能耗总量的一半以上。西门子携手大众汽车和弗劳恩霍夫协会共同开发运动优化算法，大大降低了机器人的耗电量。

一家汽车制造厂一年消耗的电能堪比一座中型城市。工业机器人是其中的能耗大户。通过优化其运动，可以将耗电量最多降低50%。

一只巨型机械臂轻而易举地举起车门，并以毫米级的精度将其安装到车身上。其他机械臂也几几乎同时迅速靠拢，相互之间以毫厘之距擦肩而过。这些机械臂是用来对车门进行焊接的，一时间，火花四溅。当这项任务完成之后，这些机械臂和来时一样迅速离去，而车身则滚滚向前，前往下一个装配站。这如同一场精心排演的芭蕾舞，数以千计的工业机器人在工厂随时“翩翩起舞”。然而，与舞者不同的是，机械臂不需要任何休息。但是，它们对电能的胃口则*餍足。

一家日产千辆的汽车厂，每年可轻而易举地消耗数亿度电能——堪比一座中型城市。负责驱动传送带、机器和泵的电机，以及操作机械臂关节的电机，所消耗的电能要占工业耗电量的三分之二左右。然而，要从负责装配车身的工业机器人的控制系统中挖掘节电潜力，还有很长的路要走。

为了找出行之有效的办法，大众汽车、西门子和弗劳恩霍夫协会联合发起了一个为期三年的研究项目，细致深入地考察制造机械臂的运动。这个名为“绿色车身技术创新联盟（InnoCaT）”的项目，旨在使用高效的软件解决方案来优化生产过程，以大幅降低其耗电量。迄今为止，生产线机械臂的运动路径通常是由人工编程。机械臂运动过程中遇到的障碍物和设置安装高度时的失误，是推高耗电量的一般因素。然而，最费电的过程是机械臂频频变换运动方向时发生的减速和加速。

西门子工业的整合经理Matthias Frische是InnoCaT一个子项目的负责人，他说：“目前，几乎所有工业机器人都尚未实现运动优化。但突发运动会造成耗电高峰和机械应力。”有鉴于此，Frische取得的一个重要研究成果是一个模拟模型，它能计算出不存在任何方向突变的优化曲线。这个模型值得称道之处在于，它不要求更换机械臂，因为它只是改进了它们的运动方式。Frische说：“这就好比学跳芭蕾舞。练习一段时间后，舞者的动作会变得更加优雅、高效，哪怕身体还是原来的。”

为了开发运动优化算法，项目团队将一个典型的汽车工业机器人搬到实验室，对它执行多种不同任务时的能耗进行了分析。然后根据分析结果，创建了一个模拟模型。每一次测定之后，科学家们都要调节多种不同的参数，由此逐步确定哪些设置的节电潜力最大。Frische解释道：“人类在搬运重物时，他们会本能地以尽可能符合人机工程学的方式运动。同样，模拟模型可以为机器人计算出实现了动力学优化的节电运动路径。这样的路径，堪比跑车在弯道上行驶的轨迹。”试验结果令项目团队惊喜不已，因为结果表明，优化路径的节电潜力高达10%到50%。Frische补充道：“通过从突发运动改为弧线运动，机械臂的机械应力得以降低，从而降低了维护要求，缩短了停工时间。”

项目团队对所取得的满载希望的试验结果进行了分析，以确定能否将之转化为实际操作。因为沿生产线分布的装配站必须进行严丝合缝的装配，所以重新设计的机械臂运动，必须与过去那种突发运动一样迅速，并且精确匹配动作周期。

在*阶段的工作中，研究人员为用于车身制造的机械臂人工编写了运动路径程序。这些路径基于模拟中计算出的理想曲线。测定结果表明，甚至在实际生产条件下，节电也可高达50%。在2014年初开展的第二阶段工作中，工程师测试并改进了一个能自动优化特定运动耗电量的软件模块。

程序员首先规定机械臂必须到达的位置，如一系列焊点。软件仅需数秒钟就能计算出焊点之间最节电的路径。软件还能保证机械臂相互之间保持最短距离。这不是一件容易的事，因为机械臂必须沿着复杂的位置顺序快速移动。软件需在短短数秒之内完成全部计算。相比之下，以人工方式优化每一条机械臂运动路径，则要花好几天时间。由于汽车装配厂通常具备数以千计的机械臂，因此，若以人工方式执行这一任务，所需的工作量将高得惊人。对Frische而言，其益处显而易见，他说：“我们的软件，将有史以来*次允许自动优化运动路径的能效，因而十分经济划算。”

今年晚些时候，一个与西门子Tecnomatix生产规划软件有关的软件模块可能面市。Frische表示： “事实上，制造企业仅需按下按钮就能降低其耗电量，同时为保护环境做出贡献。我们的软件有助于程序员为机械臂设计出能节约资源的交互动作。”

Stefan Schröder

机械臂和机床：智力融合

制造业的自动化程度越来越高。因此，制造商正在探索既能提高资源使用效率，又能同时提升其生产过程灵活性的新途径。要实现这样的发展，一个重要的前提条件是，着眼于机械臂与机床的交互作用方式，使生产机器精确地协调运转。正因为如此，西门子正在与KUKA合作研究如何将机械臂和机床的控制系统合为一体。KUKA是机械臂和机器生产领域的全球*供应商之一。

对企业而言，技术*的机床是一笔重大投资。因此，最大限度地提高其利用率和效率是明智之举。过去，负责将工件插入机器，并在加工完毕之后将之取出的工业机器人的程序，是利用其自有控制单元来编写的。然而现在，可以在机床的用户界面上直接为这样的机械臂编程。这样一来，就能更好地协调机器的加工工序，同时大幅降低为相关机械臂编写程序的工作量。

另一个目标是，进一步改善工件加工过程中机械臂与机床之间的交互动作。未来，将要求机械臂执行诸如磨、铣等简单任务，特别是在加工新材料时。到那时，机床将被专门用于要求巨大力量或*精度的生产工序。这有望提高机床的利用率。

由于其工作范围广，并且具备灵活的运动轴，因此，机械臂也可以加工复杂或大型的部件。譬如，它们可以取代成本不菲的特制设备，加工风轮机叶片或机翼等部件。在这种情况下，也可以在共享用户界面上控制系统。从设计到模拟生产，再到工程和车间投产阶段，所有这一切，将改善机器在其整个生命周期内的相互协调性。