工業(yè)機器人運行效率評價方法

1、工業(yè)機器人運行效率評價方法編制說明(征求意見稿)一、工作簡況1、任務來源工業(yè)機器人運行效率評價方法 國家標準制定任務由全國自動 化系統(tǒng)與集成標準化技術委員會(SAC/TC159)歸口，列入2019年國 家標準制修訂項目計劃，計劃號為 20194035-T-604。2、編制過程起草階段：本標準初稿由中級生產力促進中心、 重慶大學等單位起草， 工作 組成立后， 廣泛收集和檢索了國內外相關標準和文獻資料， 并開展了 相關調研。在標準方面，參考了 GB/T 12643-2013 機器人與機器人 裝備詞匯、GB/T 12642-2013工業(yè)機器人性能規(guī)范及其試驗方法、GB/T 12644-2001 工業(yè)

2、機器人特性表示等國家標準。標準工作組 調研了工業(yè)機器人能耗檢測的技術條件、 常用方法與分類等內容， 在 此基礎上研究確定了標準的框架和主要內容，于 2017年 5 月形成了 標準初稿。2017 年 5 月 9 日，召開了國家標準工作組成立大會暨標準討論 會，會上中機生產力促進中心、重慶大學、蘇州大學相城機器人與智 能裝備研究院、重慶郵電大學等單位的多名專家對本標準檢測內容、 檢測方法等進行了討論修改， 會后工作組對標準稿進行修改， 形成標 準討論稿，并確定了標準的工作方案與進度安排。2017 年 10 月 23 日，召開標準討論會，會上中機生產力促進中心、重慶大學、 蘇州大學相城機器人與智能裝

3、備研究院、重慶華數(shù)機 器人有限公司等單位的多名專家對本標準涉及的機器人運行能耗術 語、運行能耗測試方法、實驗方案等進行了討論，會后工作組對標準 稿進行修改，形成標準討論稿，并確定了標準的工作方案與進度安排。2018年 9月 12日，召開標準討論會，會上中機生產力促進中心、 重慶大學、 中國科學院沈陽自動化研究所、 蘇州大學相城機器人與智 能裝備研究院、重慶華數(shù)機器人有限公司等單位的多名專家對本標準 機器人運行能耗術語、 運行能耗標稱值測試方法、 能耗限額持續(xù)改進 方案等進行了討論修改， 會后工作組對標準稿進行修改， 形成標準討 論稿，并確定了標準的工作方案與進度安排。2018年 11月 30日

4、，在全國自動化系統(tǒng)與集成標準化技術委員 會（SAC TC159）召開的大會上討論了該標準，召開標準討論會，會 上 TC159 標委會的多名專家對本標準中運行能耗限額值與標稱值的 關系、工業(yè)機器人與運行能耗限額制定方法的關聯(lián)性等問題進行了討 論，會后工作組對標準稿進行修改，形成本標準征求意見稿。二、標準編制的依據與指導思想1、標準編制原則（ 1）統(tǒng)一性原則 立足國內工業(yè)機器人運行能耗監(jiān)控技術的發(fā)展趨勢，針對任務， 工業(yè)機器人運行效率評價方法尚未形成統(tǒng)一的標準規(guī)范， 通過標準的 制定，明確工業(yè)機器人運行能耗限額制定、 運行效率評價和限額持續(xù) 改進方法，為工業(yè)機器人的高效、節(jié)能運行提供依據，以實現(xiàn)工

5、業(yè)機 器人運行過程中的能耗管控。2）適用性原則本標準對工業(yè)機器人運行效率評價和限額持續(xù)改進提供了指導 要求，同時標準技術要求和指標可檢測； 綜合考慮不同工業(yè)機器人應 用企業(yè)、不同產品類型，適用于不同企業(yè)。2、標準主要內容（1）目標和范圍本標準規(guī)定工業(yè)機器人在制造環(huán)境中運行能耗測試、 運行能耗限 額制定、運行效率評價和限額持續(xù)改進方法。 本標準適用于串聯(lián)型工 業(yè)機器人運行過程能耗限額的制定， 以實現(xiàn)工業(yè)機器人運行過程中的 能耗管控。本標準評估對象工業(yè)機器人運行過程中總體能耗， 包括工業(yè)機器 人操作機和控制器的能耗。 但未包含機器人末端執(zhí)行器運行消耗的電 能，如安裝在機器人機械接口的焊槍、 噴槍、

6、切削主軸等消耗的電能。 主要原因是由于根據現(xiàn)行國標 GB/T 12643-2013 機器人與機器人裝 備詞匯 3.6中定義的工業(yè)機器人只包括操作機和控制系統(tǒng)不包含末 端執(zhí)行器；工業(yè)機器人末端執(zhí)行器種類多樣，通常為能耗部件，并具 有復雜的能耗特征， 因此本標準研究對象不包括機器人末端執(zhí)行器運 行消耗的能量。（2）總體要求針對具體任務的工藝方案， 根據標準中規(guī)定的工業(yè)機器人運行能 耗測試要求， 測定工業(yè)機器人在標準工況下的運行能耗值， 在兼顧實 際生產情況的前提下， 制定的工業(yè)機器人運行能耗限額， 以實現(xiàn)對運 行過程中工業(yè)機器人能耗的管控。3、解決的主要問題(1) 工業(yè)機器人運行能耗限額制定方法工

7、業(yè)機器人應用量大面廣，涉及拋磨磨、噴涂、搬運等多用類型 加工作業(yè)方式。而在不同作業(yè)工藝下，工業(yè)機器人負載大小差異明顯， 能耗差異巨大；在相同作業(yè)工藝下，工藝方案中工藝參數(shù)、工藝路線 的也對工業(yè)機器人運行過程中的能耗具有直接影響。 另一方面，工業(yè) 機器人運行限額定義為工業(yè)機器人完成一個合格任務，允許消耗能量 的最高值。這使得工業(yè)機器人能耗限額值同時會受到生產合格率、工業(yè)機器人有效加工時間等工況因素的影響。 如何兼顧工業(yè)機器人作業(yè) 工況和工藝方案的影響，制定工業(yè)機器人運行能耗限額，實現(xiàn)對工業(yè) 機器人任務能耗的有效監(jiān)管，將是本標準制定中的關鍵問題。雖然工業(yè)機器人作業(yè)工況和工藝方案均對工業(yè)機器人運行能

8、耗具 有影響，但是兩者影響相對獨立，因此本標準采用以下方式計算工業(yè) 機器人運行能耗限額Ea :其中，E N為運行能耗標稱值，為標準工況下,工業(yè)機器人運行能耗。'=為運行能耗限額系數(shù)，且0廠沁1。厶的值的設定應該充分考慮工業(yè)機器人運行中生產環(huán)境、產品合格率等 其他因素對工業(yè)機器人運行能耗的影響。而這些因素和生產實際相關，因此在標準中不直接對的厶值設定方式進行定義，而由工業(yè)機器人運行限額制定者根據實際情況設定。(2) 工業(yè)機器人運行能耗標稱值測定方法工業(yè)機器人運行標稱值是在標準工況下工業(yè)機器人的運行能耗， 和工業(yè)機器人工藝參數(shù)、工藝路線密切相關。如何確定工業(yè)機器人運 行標稱值，是計算工業(yè)機

9、器人運行能耗限額的關鍵。工業(yè)機器人運行標稱值可以通過計算法或實驗法測定。計算法根 據工業(yè)機器人動力學參數(shù)、運動軌跡及工業(yè)機器人的負載，通過動力 學方程及電機的機電模型計算工業(yè)機器人運行能耗。 而工業(yè)機器人在 運行過程中負載具有復雜性和時變性， 難以直接計算或估計； 同時工 業(yè)機器人生產商通常不提供工業(yè)機器人動力學參數(shù)， 因此無法通過計 算法計算工業(yè)機器人運行。 因此本標準采用實驗法對工業(yè)機器人任務 運行能耗標稱值進行測定。參考GB/T XXXX工業(yè)機器人 能效評估導則草案中定義的方 法，根據工業(yè)機器人作業(yè)任務所定義的工藝方案， 編寫工業(yè)機器人運 行程序。在標準工況下，執(zhí)行工業(yè)機器人運行程序，通

10、過能耗測試設 備獲取工業(yè)機器人運行總能耗， 計算十次標準工況下運行能耗的平均 值即為工業(yè)機器人運行標稱值。此處選取十次標準工況下運行能耗的平均值，是參考了現(xiàn)行標準GB/T 12642 - 2013工業(yè)機器人 性能規(guī)范及其試驗方法規(guī)定工業(yè) 機器人的位姿特性、軌跡特性、最小定位時間等性能指標試驗均采用， 十次循環(huán)測試， 減少測試過程中偶然偏差對測試結果的影響。 本標準 對工業(yè)機器運行標稱值得測試和 GB/T 12642 - 2013規(guī)定的機器人性 能實驗具有一定相似性。因此，本標準將重復運行次數(shù)設定為十次。(3) 運行能耗限額效率評估評價與的持續(xù)改進工業(yè)機器人運行能耗受工業(yè)機器人運行的工況、 工藝

11、設備、 機器 人運行軌跡等諸多因素影響， 進而影響工業(yè)機器人運行效率。 而隨著 生產過程中，工藝方案、生產工況的提升，工業(yè)機器人運行限額可能 不再具備有效性。因此，對工業(yè)機器人運行能耗限額應進行持續(xù)改進。 而工業(yè)機器人運行限額持續(xù)改進和工業(yè)機器人能效優(yōu)化具有直接聯(lián) 系，而工業(yè)機器人能效優(yōu)化和工業(yè)機器人作業(yè)具體情況聯(lián)系緊密， 因 此本標準只提供工業(yè)機器人運行限額持續(xù)改進的途徑(1) 軌跡優(yōu)化：對工業(yè)機器人的軌跡進行優(yōu)化，合理規(guī)劃其運動 路徑和運行速度。避免過于頻繁的加減速，增強軌跡的平滑性，并選擇恰當?shù)目臻g運動曲線， 降低機器人運行能耗標稱值， 進而降低運行 能耗限額；(2) 匹配性優(yōu)化：提高工

12、業(yè)機器人負載能力和運行任務負載的匹 配程度，降低運行過程中工業(yè)機器人本體消耗的能量， 降低工業(yè)機器 人運行能耗標稱值，進而降低運行能耗限額；(3) 質量優(yōu)化：提升生產過程中產品的合格率，提高運行能耗限 額系數(shù)，進而降低運行能耗限額。三、主要試驗(或驗證)情況本標準草案提出了工業(yè)機器人運行能耗限額制定、 運行效率評價 和限額持續(xù)改進方法， 需要通過實驗方式驗證本標準的正確性、 統(tǒng)一 性和實用性。本實驗以工業(yè)機器人打磨某箱體任務為實例評價工業(yè)機 器人運行效率。(1) 標準循環(huán)能耗測試1) 確定工業(yè)機器人運行能耗測試的生產任務、工藝方案；2) 根據生產任務、工藝參數(shù)及工藝路線，通過示教編程、人工輸入

13、數(shù)據或離線編程的方法編寫工業(yè)機器人運行程序；3) 安裝工業(yè)機器人末端執(zhí)行器，布置生產環(huán)節(jié)；4) 將能耗測試設備接入工業(yè)機器人主電源；5) 打開工業(yè)機器人主電源，使能工業(yè)機器人各電機；6) 執(zhí)行工業(yè)機器人運行程序；7) 下使能工業(yè)機器人各電機，關閉工業(yè)機器人主電源。8) 獲取標準循環(huán)功率曲線如圖 1 所示，并計算運行能耗。功率 （WD|020304D50M7D時間 （S）圖1持續(xù)改進前標準循環(huán)運行功率曲線9）分別重復空載運行測試和載荷運行測試十次，并計算任務平均空 載運行能耗52189焦耳。（2）運行能耗限定值計算選定一個班次，將功率分析儀 HIOKI-3390接入工業(yè)機器人主電 源，測量工業(yè)機

14、器人在一個班次時段的總能耗 10565332焦耳。在該 班次內工業(yè)機器人共完成188次箱體打磨任務，其中173件箱體打磨 工序質量合格，工序質量合格率為 92.02%。按照公式（2）計算運行 能耗限額系數(shù)如下：5218 礁耳 X188 X 92.02%A=0.854510565332斛按照公式（3）計算出運行能耗限額值61075焦耳。（3）運行效率評價與持續(xù)改進在生產過程中，技術人員對工業(yè)機器人打磨任務中運行軌跡進行 優(yōu)化，使工業(yè)機器人運行軌跡更加平滑，并減少了機器人加速、減速 過程中的能耗，從而減小打磨任務中工業(yè)機器人的運行能耗，如圖所 示，將運行標稱能耗減低到45399焦耳；通過對打磨任務

15、排產優(yōu)化， 減少工業(yè)機器人待機時間，將班次內工業(yè)機器人完成任務數(shù)提升至 195次，運行總能耗降低至9440350焦耳；通過質量優(yōu)化并將打磨工 序的合格率提升至93.84%,重復步驟（1）可獲取優(yōu)化后標準循環(huán)運行能耗測試功率曲線， 如圖所示，再重復步驟（1）至（4）可計算出改進后的打磨任務的運 行能耗限額系數(shù)？=0.88，運行能耗限額值51590焦耳。圖2持續(xù)改進后標準循環(huán)運行功率曲線四、標準中涉及專利的情況本標準不涉及專利問題。五、預期達到的社會效益、對產業(yè)發(fā)展的作用等情況本標準針對工業(yè)機器人運行任務的多樣性和復雜性， 運行能耗限 額制定、運行效率評價和限額持續(xù)改進方法。，為工業(yè)機器人高效、 節(jié)能優(yōu)化技術的推廣應用提供了有力的技術支撐，為指導工業(yè)機器人運行效率評價和限額持續(xù)改進提供了依據， 有利于提高工業(yè)機器人產品的技術性能、環(huán)保性能。國外標