基于國標的工業機器人能耗影響因素分析

鄭柏恒 胡偉健 侯立本

【摘要】作為全球最大工業機器人應用國，我國工業機器人作業過程中能耗巨大。為響應國家碳達峰、碳中和的政策要求，本文先對工業機器人工作原理及其能量流動進行分析，然后依據國家標準的測試方法，使用萊卡激光跟蹤儀在保證工業機器人樣品運行軌跡和運行速度均符合標準要求的情況下，對靜態能耗、驅動器、負載質量、運動速度及加速度等影響工業機器人能耗影響較大的因素進行比對試驗，通過功率分析儀的能耗監測數據分析各因素對工業機器人能耗的影響，為工業機器人設計和應用節能方面的研究提供方向。

【關鍵詞】工業機器人；能耗

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.01.021

【基金項目】廣東省市場監督管理局科技計劃立項項目（2023ZZ02）。

Analysis of Factors Influencing Energy Consumption of Industrial Robots Based on National Standards

ZHENG Boheng1，2，3， HU Weijian1，2，3， HOU Liben1，2，3

（1.Guangdong Testing Institute of Product Quality Supervision， Foshan 528300， China； 2.National Key Laboratory for Market Regulation〔Intelligent Robot Safety〕， Foshan 528300， China； 3.National industrial robot quality inspection center〔Guangdong〕， Foshan 528300， China）

Abstract： As the largest industrial robot application country in the world， China has a huge energy consumption in the operation process of industrial robots. In response to the policy requirements of national carbon peak and carbon neutrality， this article first analyzes the working principle of industrial robots and their energy flow. Then， based on the testing method of national standards， using Leica laser tracker to ensure that the running trajectory and speed of industrial robot samples meet the standard requirements， several factors that have a significant impact on the energy consumption of industrial robots， such as static energy consumption， drivers， load mass， motion speed and acceleration， are compared and tested. The influence of each factor on the energy consumption of industrial robots is analyzed through the energy consumption monitoring data of power analyzer， providing direction for research on energy saving in the design and application of industrial robots.

Keywords： industrial robot；energy consumption

作為全球最大的機器人消費國，機器人能耗問題早已引起了我國的關注。為落實國家碳達峰部署要求《“十四五”機器人產業發展規劃》和《廣東省制造業高質量發展“十四五”規劃》都明確提出，推動制造業綠色低碳發展，持續開展節能監察、能效對標和能效“領跑者”引領行動，推廣先進節能技術裝備。為此，本文結合當前我國工業機器人能耗相關國家標準和國內外大量工業機器人產品實際能耗數據進行能耗影響的分析，并且對工業機器人能耗技術研究的發展提出方向建議。

1.1工業機器人工作原理及能量流動

作為最通用的工業機器人，6軸機械臂主要有電源系統、驅動系統、控制系統以及通信保護系統4個部分消耗電能。其中，電源系統包括隔離變壓器、調壓自耦變壓器等；驅動系統包括伺服驅動器、伺服電機、減速器、機械構件等；控制系統包括工控機、示教器、指示燈、開關按鈕等；通信保護系統包括I/O模塊、普通/安全繼電器、安全PLC、交換機等。如圖1所示。

1.2工業機器人能耗影響因素分析

工業機器人系統能耗影響因素可分為硬件因素和軟件因素。

1.2.1硬件因素

硬件因素主要包括電源系統、驅動系統、監控保護系統以及通信系統等電子元器件。

1）電源系統。電源系統一般為控制電路供電用的低壓開關電源，轉換效率一般在80%～90%，部分大功率高精度工業機器人為保證供電的質量甚至會在整體電源輸入端配置隔離變壓器，轉換率一般也只在95%～99%。因此，在高功耗的情況下，電源系統對工業機器人整體功耗的影響不容忽視。

2）驅動系統。當前的工業機器人驅動系統方案也是種類繁多，從最傳統的多臺驅動器方案到單臺多軸驅動器產品匹配多軸電機方案，甚至是ABB、FANUC、那智不二越等國外機器人廠家所使用的定制多軸驅動模塊的方案。從實現原理來看，多臺驅動器是最為簡單也是當下最為主流的方案，但是需要廠家配套性能較高功耗較大的工控機統籌運算各軸的運動參數和監控各驅動器的狀態，而且出于成本考慮一般不使用變頻器作為驅動器，然而工業機器人實際應用中又經常出現部分軸加速部分軸剎車的工況，因此多臺驅動器方案無法像單臺多軸驅動器等方案那樣利用統一的驅動器電源模塊將電機剎車產生的電能部分甚至絕大部分回收再利用，只能將剎車產生的電能通過剎車電阻進行泄放。因此，不同的驅動系統方案也對工業機器人整體功耗有較大的影響。

3）監控保護系統以及通信系統。監控保護系統以及通信系統使用了大量繼電器、安全繼電器、PLC等元器件，并且這類電子元器件的規模會根據其應用場景的需求。以汽車焊接生產線常用的那智不二越工業機器人（型號SRA100）為例，其通信IO鏈路數量和繼電器鏈路數量分別為1984個和2160個，然而以應用在搬運場景的廣州數控工業機器人（型號RB08）其通信IO鏈路數量和繼電器鏈路數量均在100個以內。但是根據該類電子元器件的廠家規格參數，其功耗一般較低。因此，監控保護系統以及通信系統能耗基本由其通信IO鏈路數量和繼電器鏈路數量決定，在機器人能耗中占比較小。

1.2.2軟件因素

軟件因素主要包括工業機器人系統本體運動所消耗的能量，由負載質量、運動路徑、運動速度、加速度等因素決定。

1）負載質量。負載質量是工業機器人設計的關鍵指標。依據其額定負載質量和實際應用需求的臂展，工業機器人殼體會采用不同的結構與用料，并匹配相適應的電機及驅動器。因此，為驅動較大的額定負載質量，工業機器人殼體質量必然增大，驅動電機及其驅動器的功率也相應增大。

通常，驅動的負載質量越大，系統能耗就會越大。然而，作為多軸運動控制系統的工業機器人，其通過特定算法優化運行軌跡和姿態，利用負載和機器人本體的重力勢能，最終可實現能耗的下降。

2）運動路徑。由于重力的影響，工業機器人驅動負載進行各方向運動時的能耗相差較大，而工業機器人在實際應用中的運動路徑又各不相同。因此，在對工業機器人能耗分析和評估時，應選用統一的運動路徑方法保證不同規格工業機器人間能效分析評估的可比性。為此，本文選用國家標準GB/T 40575—2021《工業機器人能效評估導則》中規定的立方體運動路徑，如圖2所示。

該運動路徑不僅涵蓋所有運動方向，且各向運動距離較為平均，為不同臂展的工業機器人提供多種邊長的立方體路徑，能較好地對工業機器人能效進行分析與評估。

3）運動速度。工業機器人運動速度主要由各軸電機轉速決定。在負載驅動扭矩不變的理論狀態下，增加工業機器人運動速度雖然能提高工業機器人的工作效率，但會增加各軸電機轉速。依據電機轉速、扭矩和功率的換算公式，電機功率將隨運動速度大幅上升。因此工業機器人運動速度對其能耗影響較大。

4）加速度。工業機器人運動的加速度由各軸電機轉矩決定，電機轉矩的增大不僅會讓驅動系統功率、增大，也會使系統效率下降。以工業機器人常用的安川伺服電機系統（電機型號：SGM7G-44AFC61，驅動器型號：SGD7S-330A10A002）為例，在額定輸入電壓三相220 V和額定的負載扭矩28.4 N·m的狀態下，控制驅動系統輸出轉速從0 rpm上升至額定轉速1500 rpm，驅動系統整體效率如圖3所示。因此工業機器人運動加速度的提高，在需要提高電機轉矩即相應的電機繞組輸入電流的同時，大量的低速大扭矩工況也會使驅動電機的實際能效下降。

國家標準《工業機器人能效評估導則》已于2022年5月1日實施，然而該標準僅提供了工業機器人能效的測試方法，并未對影響因素進行分析，也未給出評價工業機器人能效的方法。因此，下文依據國家標準的測試方法，對工業機器人能效影響較大的基礎因素設計比對試驗，并進行簡單的影響分析。

2.1電源系統能耗

電源系統作為工業機器人的動力源，存在一定的轉換效率。無論工業機器人是待機狀態還是作業狀態，電源系統在供電過程中均需要耗費電能，直接影響工業機器人的整體能耗。因此，對電源系統的實測分析，對降低工業機器人能耗十分重要。

依據國家標準《工業機器人能效評估導則》中的“上電平均功率”測試方法，對國內多臺不同品牌不同類型的工業機器人進行實際測試，并且對相同控制柜驅動不同的機器人本體、相同機器人本體不同控制柜等情況進行了復測，其上電平均功率，如表1所示。

其中，樣品代號為TT02、TT04、TT06均有相同控制柜驅動不同機器人本體，實測上電平均功率差值較小，均在1%以內。GS02、GS03、GS04樣品的機器人本體一致，僅在控制柜配置上存在差異。其中GS02使用了6臺獨立驅動器并配備了隔離變壓器，而GS03和GS04使用了1臺6合一驅動器的方案，使其上電平均功率相對于GS02下降15%以上，而且GS03未配置隔離變壓器也是其上電平均功率相對于GS04下降4%以上。結合上表數據不難看出，電源系統能耗影響主要來自工業機器人的控制柜，并且會隨著控制柜的配置復雜度以及需要驅動器額定功率上升而大幅上漲。

2.2驅動器

工業機器人作為多軸控制運動系統在實際運動過程中必定大量存在部分軸在輸出做工部分軸在剎車的工況。該工況下多臺單軸驅動器方案的工業機器人把電機剎車獲得的電能通過剎車電阻消耗掉。而多軸驅動器不僅通過集中的電源供電模塊提高了供電能效，還能將部分或全部電機剎車獲得的電能分配至需要加速的軸電機上，實現能耗的下降。

本文依據國家標準《工業機器人能效評估導則》中的“負載運行平均功率”測試方法，在除了驅動器以外機器人本體、負載、運行程序等其他配置一樣的2臺工業機器人進行實際測試，負載運行功率曲線如圖4所示，其中樣品1為配置6臺單軸驅動器，樣品2配置1臺6軸驅動器。從圖4中可以看出，樣品2的運行功率相對低于樣品1，其中樣品1負載運行平均功率為682.86 W，樣品1負載運行平均功率為577.25 W，能耗降幅超過15%。

2.3負載質量

負載質量會直接影響工業機器人能耗的大小，因此依據國家標準《工業機器人能效評估導則》中的“負載運行平均功率”測試方法，在除了負載質量以外機器人本體、控制柜、運行程序等其他配置一樣的工業機器人上進行實際測試，結果如圖5所示。該工業機器人4～6 kg負載段的負載運行平均功率曲線中出現了不增反降的情況，說明其應用在4～6 kg負載時工業級機器人通過利用負載重力勢能減少了驅動負載所需的能耗，使負載能效得到相應的提高。

2.4運動速度

由于工業機器人通常應用工況都是在固定負載下固定運動路徑的重復運動，因此在同等作業量的情況下如何控制工業機器人運動速度使其伺服電機驅動系統運行在高效率區間十分重要。本文依據國家標準《工業機器人能效評估導則》中的“負載運行平均功率”測試方法，在除了運動線速度以外其他配置都一樣的廣州數控RB08工業機器人上進行實際測試，其結果如表2所示。根據表2內容可以看出，工業機器人運行線速度較慢時并不能降低總能耗，且耗時較長，使其產值大幅下降。但并非工業機器人的運行線速度越高越好，由于工業機器人加速度性能有限，在固定運行軌跡上無法隨線速度的上升而減少耗時提高作業效率，同時在較高線速度的情況下，總能耗反而上升。

2.5加速度

廠家一般將工業機器人的運動加速度限制在滿足工業機器人在0.5～1.0 s末端加速至額定線速度的狀態下。為探究加速度對工業機器人能耗的影響，本文依據國家標準《工業機器人能效評估導則》中的“負載運行平均功率”測試方法，在機器人本體、控制柜、運行程序、負載質量等配置相同的情況下對安川AR14440和廣州數控R0081490T03001S兩臺工業機器人進行能耗的實際測試，并且通過激光跟蹤儀記錄下機器人末端運動軌跡后分析出所有加速過程的平均加速度，結果如表3所示，其中樣品負載為8 kg，運動立方體邊長為630 mm，運動速度為1.5 m/s。

從結果得出，工業機器人隨著運動加速度的提高會使整個運動過程的平均功率有較大提高，但是由于運動加速度的提高大幅降低了運動耗時，從而使整體的運動能耗降低了。

本文首先根據工業機器人的工作原理和應用工況，對影響工業機器人能耗的因素進行分析。然后，提出靜態能耗、驅動器、負載質量、運動速度及加速度等可實現性高、對能耗影響較大的因素。最后，依據國家標準進行實際測試和分析，為工業機器人設計和應用節能方面的研究提供方向。

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[3]劉歡.工業機器人本體能耗特性分析與動態建模研究[D].武漢：武漢理工大學，2019.

【作者簡介】

鄭柏恒，男，1990年出生，工程師，碩士，研究方向為機器人、智能制造。

（編輯：李鈺雙）