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機(jī)器人翩翩起舞

汽車工業(yè)機(jī)器人消耗的電能占車身制造能耗總量的一半以上。西門子攜手大眾汽車和弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)共同開發(fā)運(yùn)動(dòng)優(yōu)化算法，大大降低了機(jī)器人的耗電量。

一家汽車制造廠一年消耗的電能堪比一座中型城市。工業(yè)機(jī)器人是其中的能耗大戶。通過優(yōu)化其運(yùn)動(dòng)，可以將耗電量最多降低50%。

一只巨型機(jī)械臂輕而易舉地舉起車門，并以毫米級(jí)的精度將其安裝到車身上。其他機(jī)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。這些機(jī)械臂是用來對(duì)車門進(jìn)行焊接的，一時(shí)間，火花四濺。當(dāng)這項(xiàng)任務(wù)完成之后，這些機(jī)械臂和來時(shí)一樣迅速離去，而車身則滾滾向前，前往下一個(gè)裝配站。這如同一場(chǎng)精心排演的芭蕾舞，數(shù)以千計(jì)的工業(yè)機(jī)器人在工廠隨時(shí)“翩翩起舞”。然而，與舞者不同的是，機(jī)械臂不需要任何休息。但是，它們對(duì)電能的胃口則*饜足。

一家日產(chǎn)千輛的汽車廠，每年可輕而易舉地消耗數(shù)億度電能——堪比一座中型城市。負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)傳送帶、機(jī)器和泵的電機(jī)，以及操作機(jī)械臂關(guān)節(jié)的電機(jī)，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(fù)責(zé)裝配車身的工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)中挖掘節(jié)電潛力，還有很長(zhǎng)的路要走。

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

西門子工業(yè)的整合經(jīng)理Matthias Frische是InnoCaT一個(gè)子項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，他說：“目前，幾乎所有工業(yè)機(jī)器人都尚未實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)優(yōu)化。但突發(fā)運(yùn)動(dòng)會(huì)造成耗電高峰和機(jī)械應(yīng)力。”有鑒于此，F(xiàn)rische取得的一個(gè)重要研究成果是一個(gè)模擬模型，它能計(jì)算出不存在任何方向突變的優(yōu)化曲線。這個(gè)模型值得稱道之處在于，它不要求更換機(jī)械臂，因?yàn)樗皇歉倪M(jìn)了它們的運(yùn)動(dòng)方式。Frische說：“這就好比學(xué)跳芭蕾舞。練習(xí)一段時(shí)間后，舞者的動(dòng)作會(huì)變得更加優(yōu)雅、高效，哪怕身體還是原來的。”

為了開發(fā)運(yùn)動(dòng)優(yōu)化算法，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將一個(gè)典型的汽車工業(yè)機(jī)器人搬到實(shí)驗(yàn)室，對(duì)它執(zhí)行多種不同任務(wù)時(shí)的能耗進(jìn)行了分析。然后根據(jù)分析結(jié)果，創(chuàng)建了一個(gè)模擬模型。每一次測(cè)定之后，科學(xué)家們都要調(diào)節(jié)多種不同的參數(shù)，由此逐步確定哪些設(shè)置的節(jié)電潛力最大。Frische解釋道：“人類在搬運(yùn)重物時(shí)，他們會(huì)本能地以盡可能符合人機(jī)工程學(xué)的方式運(yùn)動(dòng)。同樣，模擬模型可以為機(jī)器人計(jì)算出實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的節(jié)電運(yùn)動(dòng)路徑。這樣的路徑，堪比跑車在彎道上行駛的軌跡。”試驗(yàn)結(jié)果令項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)驚喜不已，因?yàn)榻Y(jié)果表明，優(yōu)化路徑的節(jié)電潛力高達(dá)10%到50%。Frische補(bǔ)充道：“通過從突發(fā)運(yùn)動(dòng)改為弧線運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂的機(jī)械應(yīng)力得以降低，從而降低了維護(hù)要求，縮短了停工時(shí)間。”

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)所取得的滿載希望的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，以確定能否將之轉(zhuǎn)化為實(shí)際操作。因?yàn)檠厣a(chǎn)線分布的裝配站必須進(jìn)行嚴(yán)絲合縫的裝配，所以重新設(shè)計(jì)的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，必須與過去那種突發(fā)運(yùn)動(dòng)一樣迅速，并且精確匹配動(dòng)作周期。

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

程序員首先規(guī)定機(jī)械臂必須到達(dá)的位置，如一系列焊點(diǎn)。軟件僅需數(shù)秒鐘就能計(jì)算出焊點(diǎn)之間最節(jié)電的路徑。軟件還能保證機(jī)械臂相互之間保持最短距離。這不是一件容易的事，因?yàn)闄C(jī)械臂必須沿著復(fù)雜的位置順序快速移動(dòng)。軟件需在短短數(shù)秒之內(nèi)完成全部計(jì)算。相比之下，以人工方式優(yōu)化每一條機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)路徑，則要花好幾天時(shí)間。由于汽車裝配廠通常具備數(shù)以千計(jì)的機(jī)械臂，因此，若以人工方式執(zhí)行這一任務(wù)，所需的工作量將高得驚人。對(duì)Frische而言，其益處顯而易見，他說：“我們的軟件，將有史以來*次允許自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)動(dòng)路徑的能效，因而十分經(jīng)濟(jì)劃算。”

今年晚些時(shí)候，一個(gè)與西門子Tecnomatix生產(chǎn)規(guī)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(hù)環(huán)境做出貢獻(xiàn)。我們的軟件有助于程序員為機(jī)械臂設(shè)計(jì)出能節(jié)約資源的交互動(dòng)作。”

Stefan Schröder

機(jī)械臂和機(jī)床：智力融合

制造業(yè)的自動(dòng)化程度越來越高。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)過程靈活性的新途徑。要實(shí)現(xiàn)這樣的發(fā)展，一個(gè)重要的前提條件是，著眼于機(jī)械臂與機(jī)床的交互作用方式，使生產(chǎn)機(jī)器精確地協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。正因?yàn)槿绱耍鏖T子正在與KUKA合作研究如何將機(jī)械臂和機(jī)床的控制系統(tǒng)合為一體。KUKA是機(jī)械臂和機(jī)器生產(chǎn)領(lǐng)域的全球*供應(yīng)商之一。

對(duì)企業(yè)而言，技術(shù)*的機(jī)床是一筆重大投資。因此，最大限度地提高其利用率和效率是明智之舉。過去，負(fù)責(zé)將工件插入機(jī)器，并在加工完畢之后將之取出的工業(yè)機(jī)器人的程序，是利用其自有控制單元來編寫的。然而現(xiàn)在，可以在機(jī)床的用戶界面上直接為這樣的機(jī)械臂編程。這樣一來，就能更好地協(xié)調(diào)機(jī)器的加工工序，同時(shí)大幅降低為相關(guān)機(jī)械臂編寫程序的工作量。

另一個(gè)目標(biāo)是，進(jìn)一步改善工件加工過程中機(jī)械臂與機(jī)床之間的交互動(dòng)作。未來，將要求機(jī)械臂執(zhí)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(jī)床將被專門用于要求巨大力量或*精度的生產(chǎn)工序。這有望提高機(jī)床的利用率。

由于其工作范圍廣，并且具備靈活的運(yùn)動(dòng)軸，因此，機(jī)械臂也可以加工復(fù)雜或大型的部件。譬如，它們可以取代成本不菲的特制設(shè)備，加工風(fēng)輪機(jī)葉片或機(jī)翼等部件。在這種情況下，也可以在共享用戶界面上控制系統(tǒng)。從設(shè)計(jì)到模擬生產(chǎn)，再到工程和車間投產(chǎn)階段，所有這一切，將改善機(jī)器在其整個(gè)生命周期內(nèi)的相互協(xié)調(diào)性。