基于国标的工业机器人能耗影响因素分析

郑柏恒 胡伟健 侯立本

【摘要】作为全球最大工业机器人应用国，我国工业机器人作业过程中能耗巨大。为响应国家碳达峰、碳中和的政策要求，本文先对工业机器人工作原理及其能量流动进行分析，然后依据国家标准的测试方法，使用莱卡激光跟踪仪在保证工业机器人样品运行轨迹和运行速度均符合标准要求的情况下，对静态能耗、驱动器、负载质量、运动速度及加速度等影响工业机器人能耗影响较大的因素进行比对试验，通过功率分析仪的能耗监测数据分析各因素对工业机器人能耗的影响，为工业机器人设计和应用节能方面的研究提供方向。

【关键词】工业机器人；能耗

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

【基金项目】广东省市场监督管理局科技计划立项项目（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

作為全球最大的机器人消费国，机器人能耗问题早已引起了我国的关注。为落实国家碳达峰部署要求《“十四五”机器人产业发展规划》和《广东省制造业高质量发展“十四五”规划》都明确提出，推动制造业绿色低碳发展，持续开展节能监察、能效对标和能效“领跑者”引领行动，推广先进节能技术装备。为此，本文结合当前我国工业机器人能耗相关国家标准和国内外大量工业机器人产品实际能耗数据进行能耗影响的分析，并且对工业机器人能耗技术研究的发展提出方向建议。

1.1工业机器人工作原理及能量流动

作为最通用的工业机器人，6轴机械臂主要有电源系统、驱动系统、控制系统以及通信保护系统4个部分消耗电能。其中，电源系统包括隔离变压器、调压自耦变压器等；驱动系统包括伺服驱动器、伺服电机、减速器、机械构件等；控制系统包括工控机、示教器、指示灯、开关按钮等；通信保护系统包括I/O模块、普通/安全继电器、安全PLC、交换机等。如图1所示。

1.2工业机器人能耗影响因素分析

工业机器人系统能耗影响因素可分为硬件因素和软件因素。

1.2.1硬件因素

硬件因素主要包括电源系统、驱动系统、监控保护系统以及通信系统等电子元器件。

1）电源系统。电源系统一般为控制电路供电用的低压开关电源，转换效率一般在80%～90%，部分大功率高精度工业机器人为保证供电的质量甚至会在整体电源输入端配置隔离变压器，转换率一般也只在95%～99%。因此，在高功耗的情况下，电源系统对工业机器人整体功耗的影响不容忽视。

2）驱动系统。当前的工业机器人驱动系统方案也是种类繁多，从最传统的多台驱动器方案到单台多轴驱动器产品匹配多轴电机方案，甚至是ABB、FANUC、那智不二越等国外机器人厂家所使用的定制多轴驱动模块的方案。从实现原理来看，多台驱动器是最为简单也是当下最为主流的方案，但是需要厂家配套性能较高功耗较大的工控机统筹运算各轴的运动参数和监控各驱动器的状态，而且出于成本考虑一般不使用变频器作为驱动器，然而工业机器人实际应用中又经常出现部分轴加速部分轴刹车的工况，因此多台驱动器方案无法像单台多轴驱动器等方案那样利用统一的驱动器电源模块将电机刹车产生的电能部分甚至绝大部分回收再利用，只能将刹车产生的电能通过刹车电阻进行泄放。因此，不同的驱动系统方案也对工业机器人整体功耗有较大的影响。

3）监控保护系统以及通信系统。监控保护系统以及通信系统使用了大量继电器、安全继电器、PLC等元器件，并且这类电子元器件的规模会根据其应用场景的需求。以汽车焊接生产线常用的那智不二越工业机器人（型号SRA100）为例，其通信IO链路数量和继电器链路数量分别为1984个和2160个，然而以应用在搬运场景的广州数控工业机器人（型号RB08）其通信IO链路数量和继电器链路数量均在100个以内。但是根据该类电子元器件的厂家规格参数，其功耗一般较低。因此，监控保护系统以及通信系统能耗基本由其通信IO链路数量和继电器链路数量决定，在机器人能耗中占比较小。

1.2.2软件因素

软件因素主要包括工业机器人系统本体运动所消耗的能量，由负载质量、运动路径、运动速度、加速度等因素决定。

1）负载质量。负载质量是工业机器人设计的关键指标。依据其额定负载质量和实际应用需求的臂展，工业机器人壳体会采用不同的结构与用料，并匹配相适应的电机及驱动器。因此，为驱动较大的额定负载质量，工业机器人壳体质量必然增大，驱动电机及其驱动器的功率也相应增大。

通常，驱动的负载质量越大，系统能耗就会越大。然而，作为多轴运动控制系统的工业机器人，其通过特定算法优化运行轨迹和姿态，利用负载和机器人本体的重力势能，最终可实现能耗的下降。

2）运动路径。由于重力的影响，工业机器人驱动负载进行各方向运动时的能耗相差较大，而工业机器人在实际应用中的运动路径又各不相同。因此，在对工业机器人能耗分析和评估时，应选用统一的运动路径方法保证不同规格工业机器人间能效分析评估的可比性。为此，本文选用国家标准GB/T 40575—2021《工业机器人能效评估导则》中规定的立方体运动路径，如图2所示。

该运动路径不仅涵盖所有运动方向，且各向运动距离较为平均，为不同臂展的工业机器人提供多种边长的立方体路径，能较好地对工业机器人能效进行分析与评估。

3）运动速度。工业机器人运动速度主要由各轴电机转速决定。在负载驱动扭矩不变的理论状态下，增加工业机器人运动速度虽然能提高工业机器人的工作效率，但会增加各轴电机转速。依据电机转速、扭矩和功率的换算公式，电机功率将随运动速度大幅上升。因此工业机器人运动速度对其能耗影响较大。

4）加速度。工業机器人运动的加速度由各轴电机转矩决定，电机转矩的增大不仅会让驱动系统功率、增大，也会使系统效率下降。以工业机器人常用的安川伺服电机系统（电机型号：SGM7G-44AFC61，驱动器型号：SGD7S-330A10A002）为例，在额定输入电压三相220 V和额定的负载扭矩28.4 N·m的状态下，控制驱动系统输出转速从0 rpm上升至额定转速1500 rpm，驱动系统整体效率如图3所示。因此工业机器人运动加速度的提高，在需要提高电机转矩即相应的电机绕组输入电流的同时，大量的低速大扭矩工况也会使驱动电机的实际能效下降。

国家标准《工业机器人能效评估导则》已于2022年5月1日实施，然而该标准仅提供了工业机器人能效的测试方法，并未对影响因素进行分析，也未给出评价工业机器人能效的方法。因此，下文依据国家标准的测试方法，对工业机器人能效影响较大的基础因素设计比对试验，并进行简单的影响分析。

2.1电源系统能耗

电源系统作为工业机器人的动力源，存在一定的转换效率。无论工业机器人是待机状态还是作业状态，电源系统在供电过程中均需要耗费电能，直接影响工业机器人的整体能耗。因此，对电源系统的实测分析，对降低工业机器人能耗十分重要。

依据国家标准《工业机器人能效评估导则》中的“上电平均功率”测试方法，对国内多台不同品牌不同类型的工业机器人进行实际测试，并且对相同控制柜驱动不同的机器人本体、相同机器人本体不同控制柜等情况进行了复测，其上电平均功率，如表1所示。

其中，样品代号为TT02、TT04、TT06均有相同控制柜驱动不同机器人本体，实测上电平均功率差值较小，均在1%以内。GS02、GS03、GS04样品的机器人本体一致，仅在控制柜配置上存在差异。其中GS02使用了6台独立驱动器并配备了隔离变压器，而GS03和GS04使用了1台6合一驱动器的方案，使其上电平均功率相对于GS02下降15%以上，而且GS03未配置隔离变压器也是其上电平均功率相对于GS04下降4%以上。结合上表数据不难看出，电源系统能耗影响主要来自工业机器人的控制柜，并且会随着控制柜的配置复杂度以及需要驱动器额定功率上升而大幅上涨。

2.2驱动器

工业机器人作为多轴控制运动系统在实际运动过程中必定大量存在部分轴在输出做工部分轴在刹车的工况。该工况下多台单轴驱动器方案的工业机器人把电机刹车获得的电能通过刹车电阻消耗掉。而多轴驱动器不仅通过集中的电源供电模块提高了供电能效，还能将部分或全部电机刹车获得的电能分配至需要加速的轴电机上，实现能耗的下降。

本文依据国家标准《工业机器人能效评估导则》中的“负载运行平均功率”测试方法，在除了驱动器以外机器人本体、负载、运行程序等其他配置一样的2台工业机器人进行实际测试，负载运行功率曲线如图4所示，其中样品1为配置6台单轴驱动器，样品2配置1台6轴驱动器。从图4中可以看出，样品2的运行功率相对低于样品1，其中样品1负载运行平均功率为682.86 W，样品1负载运行平均功率为577.25 W，能耗降幅超过15%。

2.3负载质量

负载质量会直接影响工业机器人能耗的大小，因此依据国家标准《工业机器人能效评估导则》中的“负载运行平均功率”测试方法，在除了负载质量以外机器人本体、控制柜、运行程序等其他配置一样的工业机器人上进行实际测试，结果如图5所示。该工业机器人4～6 kg负载段的负载运行平均功率曲线中出现了不增反降的情况，说明其应用在4～6 kg负载时工业级机器人通过利用负载重力势能减少了驱动负载所需的能耗，使负载能效得到相应的提高。

2.4运动速度

由于工业机器人通常应用工况都是在固定负载下固定运动路径的重复运动，因此在同等作业量的情况下如何控制工业机器人運动速度使其伺服电机驱动系统运行在高效率区间十分重要。本文依据国家标准《工业机器人能效评估导则》中的“负载运行平均功率”测试方法，在除了运动线速度以外其他配置都一样的广州数控RB08工业机器人上进行实际测试，其结果如表2所示。根据表2内容可以看出，工业机器人运行线速度较慢时并不能降低总能耗，且耗时较长，使其产值大幅下降。但并非工业机器人的运行线速度越高越好，由于工业机器人加速度性能有限，在固定运行轨迹上无法随线速度的上升而减少耗时提高作业效率，同时在较高线速度的情况下，总能耗反而上升。

2.5加速度

厂家一般将工业机器人的运动加速度限制在满足工业机器人在0.5～1.0 s末端加速至额定线速度的状态下。为探究加速度对工业机器人能耗的影响，本文依据国家标准《工业机器人能效评估导则》中的“负载运行平均功率”测试方法，在机器人本体、控制柜、运行程序、负载质量等配置相同的情况下对安川AR14440和广州数控R0081490T03001S两台工业机器人进行能耗的实际测试，并且通过激光跟踪仪记录下机器人末端运动轨迹后分析出所有加速过程的平均加速度，结果如表3所示，其中样品负载为8 kg，运动立方体边长为630 mm，运动速度为1.5 m/s。

从结果得出，工业机器人随着运动加速度的提高会使整个运动过程的平均功率有较大提高，但是由于运动加速度的提高大幅降低了运动耗时，从而使整体的运动能耗降低了。

本文首先根据工业机器人的工作原理和应用工况，对影响工业机器人能耗的因素进行分析。然后，提出静态能耗、驱动器、负载质量、运动速度及加速度等可实现性高、对能耗影响较大的因素。最后，依据国家标准进行实际测试和分析，为工业机器人设计和应用节能方面的研究提供方向。

【参考文献】

[1]贾文友，江磊，曹紫阳，等.能耗约束优化工业机器人作业轨迹[J].计算机工程与应用，2021，57（15）：245-250.

[2]庹军波，彭秋媛，张贤明，等.工业机器人能耗预测研究[J].中国机械工程，2022，33（22）：2727-2732，2740.

[3]刘欢.工业机器人本体能耗特性分析与动态建模研究[D].武汉：武汉理工大学，2019.

【作者简介】

郑柏恒，男，1990年出生，工程师，硕士，研究方向为机器人、智能制造。

（编辑：李钰双）