机器人技术和降低能源成本

随着化石燃料价格处于历史高位，降低生产中能源成分的成本成为全球制造商关注的焦点。应对这一挑战有几种策略。一个行之有效的方法是部署机器人。

“与电力使用相比，配备伺服电机的机器人已经非常高效。今天的交流伺服控制机器人比多年前的直流伺服控制机器人使用的电力要少得多，”Chris Anderson说，他是Motoman公司的焊接技术主管，该公司是一家总部位于俄亥俄州西卡罗顿的机器人制造商和系统集集商。

熄灯，没人在家
因为机器人可以在无人监督的情况下操作，所以它们可以在人们不在场的情况下生产商品。在黑暗或非加热环境下操作的能力可以为制造商节省大量的能源。

密歇根州罗彻斯特希尔斯FANUC机器人美国公司的材料处理部门总经理迪克·约翰逊断言:“如果工厂使用机器人，他们可以有照明设施。”约翰逊补充说，机器人可以减少工厂的加热和冷却需求，从而帮助节省能源成本。“机器人被设计用于在各种温度范围内工作，比人类操作人员更不脆弱。对生产工厂进行制冷或供暖的需求减少了，”约翰逊说。

同样，南卡罗来纳州邓肯Stäubli Robotics公司的业务开发和营销经理大卫·阿塞尼奥(David Arceneaux)表示，机器人执行功能所需的公用设施更少。“机器人可以在黑暗的环境中工作，所以在完全自动化的工作单元中不需要顶灯。如果同样的操作是手工完成的，就需要架空照明和其他设施。”

Arceneaux在Stäubli的同事詹姆斯·库克(James Cook)对此表示赞同。库克是Stäubli网站的一名应用工程师，他表示，机器人可以通过提供更小的工作单元来帮助降低建筑成本。库克说:“制造商可以在同一空间安装更多的紧凑型电池，以提高产量，而无需增加供暖、照明或制冷成本。”

伊利诺伊州绍姆堡ELAU Inc.的全球营销经理约翰•科瓦尔(John Kowal)也担心在公用事业上节省开支。ELAU是包装机器人方面的专家。“地板面积是能源使用的一个衡量标准，因为地板面积需要加热、冷却和照明。在小空间里生产的越多，建筑成本就越低。通过使用小型机器人可以降低能源成本。

FANUC Robotics的Dick Johnson还表示，机器人控制器可以通过在不需要外设时关闭外设来帮助降低能量底线。控制器可以关闭电机、机床冷却液泵和主轴。随着时间的推移，这将大大减少能源的使用。一个人可能会也可能不会记得在午餐或休息时关掉机器，但如果一个机器人被编程去这么做，它就永远会这么做。”

机器人控制器管理工作单元各个方面的能力为更有效地利用能源提供了途径。ABB公司产品管理副总裁Michael Calardo谈到了机器人控制器在降低能源成本方面的作用。ABB是一家位于密歇根州奥本山的机器人制造商和系统集成商。

卡拉多说:“机器人已经改进了运动控制，因此可以节省很多能量，因为加速和减速是以一种更可控的方式完成的。”卡拉多补充说，这种改进来自于控制技术中更复杂的算法。

卡拉多接着说，从标准的60周交流电到直流焊枪控制的变化是机器人工作单元的节能来源。直流焊枪的工作频率是1000赫兹，而不是60赫兹。这就减少了变压器的尺寸和所用电缆的尺寸，从而减少了机器人手臂需要承受的重量。”卡拉多说。重量更轻的机械臂意味着更少的能量消耗和更高的有效载荷能力。

另一项帮助机器人系统使用更少能源的创新来自110伏继电器对现场总线I/O系统的改变。“现场总线I/O系统使用24伏特而不是110伏特，这使得设备更节能，因为它们不会为很多继电器线圈供电，”卡拉多说。继电器线圈以热损失的形式浪费能量。

效率
通过集成应用程序，机器人可以降低生产的能源成本。

“机器人非常节能。根据应用程序的不同，运行一个机器人的能源成本可能每天不到1美元。Motoman涂料技术负责人Randy Schuetz认为，机器人喷漆比手工喷漆，甚至比固定喷漆自动化系统更节省能源。

“机器人喷雾器的排气和补充空气需求减少。一个典型的
手动喷淋室需要风速为每分钟100英尺，而机器人设备需要风速小于60英尺每分钟。“为机器人喷漆间提供气流的设备需要输送不到60%的空气，因此执行任务所需的能量更少。

Schuetz补充说，机器人喷漆可以减少对流体流动的要求，所以它比手工喷漆更节能。与手动喷涂设备相比，机器人喷涂设备通常可以实现更高的传输效率，并减少涂料的使用量。油漆使用量越高，就需要更多的能量来控制温度，以保证油漆的正常流通。

物料搬运是机器人可以帮助节省能源成本的另一个应用。FANUC机器人公司的迪克·约翰逊谈到了这一点。“大有效载荷的材料处理节省了最多的能源。FANUC Robotics安装了一个机器人系统，取代了液压控制的固定自动化系统。一个电动机器人，在不移动的时候，会自动关闭，所以只消耗很少的能量，”约翰逊说。约翰逊继续解释说，最初的设备有一个标准的液压泵，对流体进行加压，以完成工作。

当系统不工作时，流体被倾倒到减压阀上，导致流体加热。有一个冷却器可以冷却液压油。人们可以争辩说，系统不工作时比工作时消耗更多的能量。

点焊是另一个能源密集型应用，机器人技术可以帮助控制能源成本。这主要是由于伺服控制焊接枪的使用比相对低效的气动焊接枪的使用增加。

“我认为点焊效率提高最大的原因不仅在于更高效的机器人，还在于更高效的焊接控制器。ABB使用伺服点焊枪而不是气动点焊枪，”ABB的Michael Calardo说。

末端执行器是工作单元中的重要组成部分，其消耗的能量也不容小觑。为了降低能量消耗，一个很好的方法就是通过末端执行器。

Andy Lovell是美国马萨诸塞州Hingham市PIAB真空产品公司的应用工程师，该公司是一家末端工具供应商，致力于解决节能末端执行器的问题。洛弗尔说:“如果设计师可以制造一个末端执行器来完成它所需要的工作，并使它尽可能轻且简单，那就意味着机器人会变得更轻，更容易操作。”

系统集成商必须考虑产品生产的质量以及处理产品的末端执行器的质量。“拥有一个小而轻的末端执行器会影响机器人的尺寸和复杂性。更小、更轻的机器人通过缩小尺寸来节省能源，”洛维尔补充道。使用合适尺寸的设备可以节省重量，因此随着时间的推移可以节省大量的能源。

FANUC机器人的Dick Johnson比较了液压端部执行器和伺服控制的。“液压端部执行器不再使用很多。伺服末端执行器的使用在增加，因为它们是最有效的，”Johnson说。“伺服控制的末端执行器在转动时使用能量。当伺服停止转动时，末端执行器可以保持产品而不消耗任何能量。”

约翰逊继续回顾了一个使用真空作为末端执行器电源的工作单元。“一种方法是驱动放置在机器人基座附近的真空电机。在一个工作单元中，FANUC机器人公司有一个码垛机器人，它使用一个真空充气箱来拾取和码垛成袋的产品。它的能源效率相对较低。”

约翰逊解释了更节能的替代系统。“我们用一个由气瓶驱动的叉夹钳替换了增压箱。这样更节能，”约翰逊说。“吞吐量从每分钟12袋增加到28袋。无论从能源角度还是从产量角度来看，这都是一种双赢的安排。”

约翰逊补充说，真空动力增压系统可以承载袋子，但不够牢固，无法高速输送。用叉子，袋子被牢牢地抓住了。

减少浪费，提高效率
机器人是同时减少材料浪费和能源消耗的完美解决方案。Stäubli的詹姆斯·库克(James Cook)将机器人的使用与减少浪费材料和能源联系起来。

“机器人比手工生产或硬自动化浪费的材料要少得多。机器人喷漆系统为每个部件使用相同数量的油漆，大大减少了过度喷涂，并消除了修补的需要，”库克说。库克补充说:“用于组装或材料处理的机器人总是完全重复这一过程，减少或消除有缺陷的部件。”焊接和点胶应用也是如此。

硬自动化设备闲置或不得不返工，既浪费材料又浪费能源。所有应用程序都可以从机器人的使用中受益。节省了能源，减少了浪费，提高了产量、效率和利润。

能源期货
在可预见的未来，化石燃料的价格很可能会停留在当前的历史高位，甚至会进一步攀升。现在是制造商考虑在盈利的同时生产产品的战略的时候了。聪明的公司将研究柔性机器人作为这一战略的一部分。机器人产业将通过制造更好、更轻、更快的产品来满足这一需求。ABB的迈克尔·卡拉多(Michael Calardo)认为机器人行业正在这样做。

“我看到了重量更轻、更小、更小的机械臂，同时增加了有效载荷。我们的目标是提高这个比例。”卡拉多说。“手臂重量和有效载荷之间的比例越能得到改善，机器人的能源效率就越高。“这种密度更小但更硬的机械臂的改进比例，加上先进的控制算法，将使机器人技术实现更高的能源效率。”

编者按-编者按-更多信息，您可以联系本文中列出的任何专家或访问机器人在线，科技论文．

-克里斯·安德森，Motoman Inc.， 937/847-6200, chris.anderson@motoman.com
-Dick Johnson, FANUC Robotics America, Inc, 248/377-7678, Richard.Johnson@fanucrobotics.com
-David Arceneaux, Stäubli Robotics, 864/486-5416, d.arceneaux@staubli.com
-James Cook, Stäubli Robotics, 864/433-1980, j.cook@staubli.com
-John Kowal, ELAU Inc.， 847/490-4270, john.kowal@elau.com
-Michael Calardo, ABB Inc.， 248/391-8478, mike.a.calardo@us.abb.com
-Andy Lovell, PIAB真空产品，800/321-7422,alovell@piab.com