DE102013010463A1 - Method for selecting variants of robot e.g. industrial robot, involves determining energy requirements and clock times of selected robot variants for processing production objects under consideration of trajectories - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswählen von Robotervarianten, mittels welchen ein vorgegebener Produktionsprozess arbeitsteilig bearbeitet wird.The invention relates to a method for selecting robot variants, by means of which a predetermined production process is processed by the work piece.
Industrieroboter werden in unterschiedlichsten Varianten angeboten, um unterschiedlichste Produktionsprozesse durchführen zu können. Üblicherweise erfolgt die Bewegungsplanung der jeweils in der Produktion eingesetzten Roboter im Wesentlichen im Hinblick auf die Erfüllung einer vorgegebenen Taktzeit. Energieverbräuche bzw. Energiebedarfe der eingesetzten Roboter werden bei der Auswahl jeweiliger Robotervarianten zur Bearbeitung eines vorgegebenen Produktionsprozesses und bei entsprechenden Programmierungen der ausgewählten Robotervarianten üblicherweise nicht berücksichtigt. Zudem werden in der Produktion häufig nur wenige unterschiedliche Robotervarianten eingesetzt, insbesondere um entsprechende Instandhaltungskosten und Einkaufspreise niedrig zu halten. Dies führt häufig zum Einsatz von Robotervarianten, welche für Ihre jeweils vorgesehenen Aufgaben überdimensioniert sind. Beispielsweise werden Robotervarianten eingesetzt, welche im Hinblick auf eine bestimmte Produktionsaufgabe bezüglich Ihrer maximal zulässigen Traglasten überdimensioniert sind. Solche überdimensionierten Robotervarianten weisen üblicherweise ein relativ hohes Eigengewicht im Verhältnis zur tatsächlich abverlangten Traglast auf, da ihre Mechanik für teilweise wesentlich höhere Traglasten ausgelegt ist. Erhöhte Taktzeiten und insbesondere auch erhöhte Energieverbräuche können die Folge sein.Industrial robots are offered in a wide variety of variants in order to be able to carry out a wide variety of production processes. Usually, the movement planning of the robots used in each case takes place essentially with regard to the fulfillment of a predetermined cycle time. Energy consumptions or energy requirements of the robots used are usually not considered in the selection of respective robot variants for processing a given production process and with appropriate programming of the selected robot variants. In addition, in production often only a few different robot variants are used, in particular to keep corresponding maintenance costs and purchase prices low. This often leads to the use of robot variants, which are oversized for your intended tasks. For example, robot variants are used which are over-dimensioned with regard to a specific production task with regard to their maximum permissible load capacities. Such oversized robot variants usually have a relatively high weight in relation to the actual demanded load, since their mechanics is designed for sometimes much higher loads. Increased cycle times and in particular increased energy consumption can be the result.
Die
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Auswählen von Robotervarianten bereitzustellen, mittels welchem aus energetischer Sicht möglichst optimale Robotervarianten für einen vorgegebenen Produktionsprozess ausgewählt werden können.It is the object of the present invention to provide an improved method for selecting robot variants, by means of which the most optimal possible robot variants for a given production process can be selected from an energetic point of view.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Auswählen von Robotervarianten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method for selecting robot variants having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the dependent claims.
Das Erfindungsgemäße Verfahren zum Auswählen von Robotervarianten, mittels welchen ein vorgegebener Produktionsprozess arbeitsteilig bearbeitet wird, umfasst die folgenden Schritte:
- a. Unterteilen des Produktionsprozesses in einzelne, roboterspezifische Produktionsaufgaben;
- b. Ermitteln jeweiliger Basisanforderungen, welche zur Bearbeitung der jeweiligen Produktionsaufgaben erforderlich sind;
- c. Auswählen jeweiliger Robotervarianten aus einer Vielzahl von vorgegebenen Robotervarianten, welche die jeweiligen Basisanforderungen erfüllen;
- d. Ermitteln jeweiliger Bahnkurven für die ausgewählten Robotervarianten, zur Bearbeitung der jeweiligen Produktionsaufgaben;
- e. Ermitteln jeweiliger Energiebedarfe und Taktzeiten der ausgewählten Robotervarianten zur Bearbeitung der jeweiligen Produktionsaufgaben unter Berücksichtigung der Bahnkurven;
- f. Wiederholen der Schritte c. bis e. bis mit den jeweils ausgewählten Robotervarianten ein vorgegebener Energieverbrauch und eine vorgegebene Taktzeit zur Bearbeitung des vorgegebenen Produktionsprozesses unterschritten werden;
- g. Auswählen derjenigen Robotervarianten, mit welchen der vorgegebene Energieverbrauch und die vorgegebenen Taktzeiten unterschritten werden.
- a. Subdividing the production process into individual, robot-specific production tasks;
- b. Determining the respective basic requirements which are required for the processing of the respective production tasks;
- c. Selecting respective robot variants from a plurality of predetermined robot variants that satisfy the respective basic requirements;
- d. Determining respective trajectories for the selected robot variants, for processing the respective production tasks;
- e. Determining the respective energy requirements and cycle times of the selected robot variants for processing the respective production tasks taking into account the trajectories;
- f. Repeat steps c. to e. until, with the respective selected robot variants, a predetermined energy consumption and a predetermined cycle time for processing the predetermined production process are undercut;
- G. Selecting those robot variants with which the specified energy consumption and the predetermined cycle times are exceeded.
Um für einen vorgegebenen Produktionsprozess ein energetisches Optimum, also ein Minimum, zu erzielen, ist es erfindungsgemäß also vorgesehen, eine Vorab-Auswahl von zur arbeitsteiligen Bearbeitung des vorgegebenen Produktionsprozesses geeigneten Robotervarianten aus energetischen Gesichtspunkten vorzunehmen. Es wird eine Off-Line-Optimierung vorgeschlagen, wobei für den jeweils vorgegebenen Produktionsprozess eine Vielzahl von Robotervarianten ausgewählt und im Hinblick auf ihre jeweils benötigte Taktzeit und aufgewendete Energie analysiert werden, um ein Optimum unter den jeweiligen Ergebnissen zu ermitteln. Dadurch wird ermöglicht, den Gesamtenergieverbrauch der gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgewählten Robotervarianten bei gleichbleibender Taktzeit für den Produktionsprozesses erheblich zu senken. Insbesondere ist es bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht notwendig, Änderungen an Roboter-Hardware oder Basissoftware, insbesondere Software zur Bahnplanung, vorzunehmen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner von einem Nutzer entsprechender Robotervarianten auf einfache Weise implementiert und unabhängig von jeweiligen Roboterherstellern verwendet werden. Die Optimierung kann dabei mittels eines sogenannten Off-Line-CAR-Tools, zum Beispiel Delmia Robotics oder Siemens PLM, erfolgen, noch bevor die entsprechenden Robotervarianten gekauft werden, sodass keine Software- oder Hardwareänderungen entsprechender Robotersysteme erforderlich sind.In order to achieve an energetic optimum, that is to say a minimum, for a given production process, it is therefore provided according to the invention to carry out a preliminary selection of robot variants suitable for division of labor of the given production process from an energetic point of view. It is proposed an off-line optimization, wherein for the given production process a variety of robot variants are selected and analyzed with regard to their respective required cycle time and energy used to determine an optimum among the respective results. This makes it possible to significantly reduce the total energy consumption of the robot variants selected according to the method according to the invention with a constant cycle time for the production process. In particular, in the solution according to the invention it is not necessary to make changes to robot hardware or basic software, in particular software for path planning. Furthermore, the method according to the invention can be implemented in a simple manner by a user of corresponding robot variants and used independently of respective robot manufacturers. The optimization can be carried out by means of a so-called off-line CAR tool, for example Delmia Robotics or Siemens PLM, even before the corresponding robot variants are purchased, so that no software or hardware changes of corresponding robot systems are required.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass als Basisanforderung jeweilige Traglasten vorgegeben werden, welche zur Bearbeitung der jeweiligen Produktionsaufgaben erforderlich sind. Dadurch kann sichergestellt werden, dass nur solche Robotervarianten ausgewählt werden, welche entsprechend ausreichende Traglasten aufweisen, um die den jeweiligen Robotervarianten zugeordneten Produktionsaufgaben bearbeiten zu können. In an advantageous embodiment of the invention, it is provided that as a basic requirement respective payloads are given, which are required for processing the respective production tasks. In this way it can be ensured that only those robot variants are selected which have correspondingly sufficient payloads in order to be able to process the production tasks assigned to the respective robot variants.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass als Basisanforderung jeweilige Reichweiten vorgegeben werden, welche zur Bearbeitung der jeweiligen Produktionsaufgaben erforderlich sind. Mit anderen Worten werden als Basisanforderung jeweilige Arbeitsräume vorgegeben, welche von den jeweiligen Robotervarianten abgedeckt bzw. erreicht werden müssen, so dass sie die gestellten Produktionsaufgabe bewältigen können.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that as a basic requirement respective ranges are given, which are required for processing the respective production tasks. In other words, as the basic requirement, respective workspaces are specified, which must be covered or reached by the respective robot variants, so that they can cope with the production task.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass zur Ermittlung der jeweiligen Energiebedarfe eine jeweils benötigte mechanische Energie zur Durchführung der Produktionsaufgabe je Robotervariante berücksichtigt wird. Mit anderen Worten wird also die jeweils benötigte mechanische Energie eines Manipulators der jeweiligen Robotervariante berücksichtigt, welche zur Durchführung der jeweiligen Produktionsaufgabe aufgewendet werden muss.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that, in order to determine the respective energy demand, a respectively required mechanical energy for carrying out the production task per robot variant is taken into account. In other words, therefore, the respectively required mechanical energy of a manipulator of the respective robot variant is taken into account, which must be expended for carrying out the respective production task.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zur Ermittlung der jeweiligen Energiebedarfe jeweilige Verluste in elektrischen Antrieben der Robotervarianten bei der Durchführung der jeweiligen Produktionsaufgaben berücksichtigt werden. Dadurch kann die energetische Betrachtung für die jeweils ausgewählten Robotervarianten nochmals verfeinert werden.A further advantageous embodiment of the invention provides that, in order to determine the respective energy demand, respective losses in electrical drives of the robot variants are taken into account in carrying out the respective production tasks. This makes it possible to further refine the energy analysis for the robot variants selected in each case.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zur Ermittlung der jeweiligen Energiebedarfe jeweilige robotervariantenspezifisch parametrisierte Kinematikmodelle verwendet werden. Dadurch können besonders exakte Informationen hinsichtlich der jeweiligen Energiebedarfe der ausgewählten Robotervarianten erzielt werden.A further advantageous embodiment of the invention provides that respective robot variant-specific parameterized kinematics models are used to determine the respective energy demand. As a result, it is possible to achieve particularly exact information regarding the respective energy requirements of the selected robot variants.
Schließlich ist es gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass zur Ermittlung der jeweiligen Energiebedarfe zur Durchführung der jeweiligen Produktionsaufgaben erforderliche Energiemengen von Antriebsbussystemen sowie von weiteren statischen Verbrauchern der Robotervarianten, wie beispielsweise Steuerungs-PCs, Kühlsystemen, mechanischen Bremsen, Displays oder dergleichen, berücksichtigt werden. Dadurch wird eine nochmals genauere energetische Betrachtung der jeweils ausgewählten Robotervarianten ermöglicht.Finally, according to a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that required energy amounts of drive bus systems and of other static consumers of the robot variants, such as control PCs, cooling systems, mechanical brakes, displays or the like, for determining the respective energy requirements for carrying out the respective production tasks, be taken into account. This allows a more accurate energetic consideration of the selected robot variants.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegeben Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or alone, without the scope of To leave invention.
Die Zeichnung zeigt in:The drawing shows in:
Eine insgesamt mit
In
In Verfahrensschritt S1 wird zunächst der vorgegebene Produktionsprozess definiert und in einzelne roboterspezifische Produktionsaufgaben unterteilt. In Verfahrensschritt S2 werden entsprechende Basisanforderungen in Form von jeweiligen Traglasten und Reichweiten für die in Schritt S1 zuvor definierten roboterspezifischen Produktionsaufgaben ermittelt. Des Weiteren erfolgt in Verfahrensschritt S2 eine Auswahl jeweiliger Robotervarianten aus einer Vielzahl von vorgegeben Robotervarianten, welche beispielsweise durch eine Einkaufsabteilung eines Unternehmens zur Auswahl gestellt werden.In method step S1, the predetermined production process is first defined and subdivided into individual robot-specific production tasks. In method step S2, corresponding basic requirements in the form of respective payloads and ranges are determined for the robot-specific production tasks defined in step S1 above. Furthermore, in method step S2, a selection of respective robot variants from a multiplicity of predefined robot variants, which are made available, for example, by a purchasing department of a company, takes place.
In Verfahrensschritt S3 wird anschließend überprüft, ob die jeweils ausgewählten Robotervarianten die für die jeweils roboterspezifischen Produktionsaufgaben in Verfahrensschritt S2 definierten Basisanforderungen in Form der Traglasten und Reichweiten überhaupt erfüllen. Sollte dies nicht der Fall sein, erfolgt eine erneute Auswahl entsprechender Robotervarianten in Verfahrensschritt S2, wobei anschließend in Verfahrensschritt S3 erneut überprüft wird, ob die Basisanforderungen hinsichtlich der Traglasten und Reichweiten durch die nunmehr ausgewählten Robotervarianten erfüllt werden. Wird der Verfahrensschritt S3 positiv abgeschlossen, also indem durch die jeweils ausgewählten Robotervarianten die Basisanforderungen erfüllt werden, wird in einem nächsten Verfahrensschritt S4 eine energetische Betrachtung der jeweils ausgewählten Robotervarianten durchgeführt. In method step S3, it is subsequently checked whether the robot variants selected in each case fulfill the basic requirements in the form of load capacities and ranges defined for the respective robot-specific production tasks in method step S2. If this is not the case, a renewed selection of corresponding robot variants in method step S2, wherein subsequently in method step S3 it is again checked whether the basic requirements with respect to the loads and ranges are met by the now selected robot variants. If the method step S3 is completed positively, ie by the basic requirements being met by the respectively selected robot variants, in a next method step S4 an energetic consideration of the respectively selected robot variants is carried out.
In Verfahrensschritt S4.1 erfolgt zunächst eine Ermittlung jeweiliger Bahnkurven bzw. Trajektorien für die zuvor ausgewählten Robotervarianten, welche zur Bearbeitung der jeweiligen roboterspezifischen Produktionsaufgaben notwendig sind. Die ermittelten Bahnkurven umfassen nicht nur Informationen darüber, welche Raumpunkte mittels den jeweiligen Robotervarianten zur Bearbeitung der ihnen zugeordneten Produktionsaufgaben zu durchlaufen sind. Vielmehr enthalten die Bahnkurven auch Informationen über entsprechende Geschwindigkeiten und Beschleunigung, gemäß welchen entsprechende Bewegungen mit den Robotervarianten ausgeführt werden sollen, um die jeweiligen Produktionsaufgaben zu bearbeiten.In method step S4.1, a determination is first made of respective trajectories or trajectories for the previously selected robot variants which are necessary for processing the respective robot-specific production tasks. The determined trajectories do not only include information about which spatial points are to be traversed by means of the respective robot variants for processing the production tasks assigned to them. Rather, the trajectories also contain information about appropriate speeds and acceleration, according to which corresponding movements are to be performed with the robot variants in order to process the respective production tasks.
In den Verfahrensschritten S4.2, S4.3 und S4.4 werden jeweilige Energiebedarfe für die ausgewählten Robotervarianten zur Bearbeitung der jeweiligen Produktionsaufgaben unter Berücksichtigung der in Verfahrensschritt S4.1 ermittelten Bahnkurven ermittelt und analysiert.In process steps S4.2, S4.3 and S4.4, respective energy requirements for the selected robot variants for processing the respective production tasks are determined and analyzed taking into account the trajectories determined in method step S4.1.
Im Verfahrensschritt S4.2 wird zur Ermittlung der jeweilige Energiebedarfe der ausgewählten Robotervarianten eine jeweils benötigte mechanische Energie zur Durchführung der Produktionsaufgabe je ausgewählter Robotervariante berücksichtigt. Insbesondere werden dabei robotervariantenspezifisch parametrisierte Kinematikmodelle verwendet, mittels welchen die von jeweiligen Manipulatoren der jeweils ausgewählten Robotervarianten aufzubringende mechanische Energie analysiert wird.In method step S4.2, a respective required mechanical energy for carrying out the production task for each selected robot variant is taken into account in order to determine the respective energy demand of the selected robot variants. In particular, robot parameter-specific parameterized kinematics models are used by means of which the mechanical energy to be applied by respective manipulators of the respectively selected robot variants is analyzed.
Im Verfahrensschritt S4.3 werden des Weiteren zur Ermittlung der jeweiligen Energiebedarfe jeweilige Verluste in elektrischen Antrieben der ausgewählten Robotervarianten analysiert, welche bei der Durchführung der jeweiligen Produktionsaufgaben, also bei einer entsprechenden Ansteuerung der jeweiligen Robotervarianten zur Einhaltung der zuvor ermittelten Bahnkurven, erforderlich sind. Dafür kann ein eigens vorgesehenes Verlustmodell bereitgestellt werden, mittels welchem entsprechende elektrische Verluste insbesondere in den Antrieben der ausgewählten Robotervarianten vorhergesagt werden können.In method step S4.3, furthermore, respective losses in electrical drives of the selected robot variants are analyzed in order to determine the respective energy requirements, which are required when carrying out the respective production tasks, ie with a corresponding control of the respective robot variants to maintain the previously determined trajectories. For this purpose, a specially provided loss model can be provided, by means of which corresponding electrical losses, in particular in the drives of the selected robot variants, can be predicted.
Ferner werden in Verfahrensschritt S4.4 für die jeweils ausgewählten Robotervarianten entsprechende Energiebedarfe für weitere statische Verbraucher, wie beispielsweise Steuerung-PCs, Klimatisierungssysteme, Displays und dergleichen, ermittelt.Furthermore, in method step S4.4, corresponding energy requirements for further static consumers, such as control PCs, air-conditioning systems, displays and the like, are determined for the respectively selected robot variants.
Nach dem Durchlaufen der Verfahrensschritte S4.1 bis S4.4 sind somit wesentliche Energiebedarfe der gerade ausgewählten Robotervarianten zur Bearbeitung der jeweiligen roboterspezifischen Produktionsaufgaben unter Berücksichtigung der zuvor ermittelten Bahnkurven bekannt. In Verfahrensschritt S5 wird nun überprüft, ob zum einen eine vorgegebene Taktzeit zur Bearbeitung des vorgegeben Produktionsprozesses durch die ausgewählten Robotervarianten gewährleistet werden kann, und zudem wird überprüft, ob ein vorgegebener Energieverbrauch durch die ausgewählten Robotervarianten unterschritten wird. Sollten diese Bedingungen nicht erfüllt werden, werden die Verfahrensschritte S2, S3 und S4 in Form einer Optimierungsschleife und unter Auswahl unterschiedlichster Robotervarianten solange durchlaufen, bis die im Verfahrensschritt S5 gestellten Bedingungen hinsichtlich der Taktzeit und des vorgegeben Energieverbrauchs erfüllt werden.After passing through the method steps S4.1 to S4.4, substantial energy demands of the currently selected robot variants for processing the respective robot-specific production tasks are thus known taking into account the previously determined trajectories. In method step S5 it is now checked whether, on the one hand, a predetermined cycle time for processing the predetermined production process can be ensured by the selected robot variants, and, in addition, it is checked whether a predetermined energy consumption is undershot by the selected robot variants. If these conditions are not met, the method steps S2, S3 and S4 are carried out in the form of an optimization loop and with the selection of different robot variants until the conditions set in method step S5 with respect to the cycle time and the predetermined energy consumption are met.
Sobald die Taktzeitanforderungen und die Anforderungen hinsichtlich des vorgegebenen Energieverbrauchs in Verfahrensschritt S5 erfüllt werden, werden die zu diesem Zeitpunkt ausgewählten Robotervarianten in Verfahrensschritt S6 als diejenigen Robotervarianten definiert, mittels welchen der entsprechend vorgegebene Produktionsprozess arbeitsteilig bearbeitet werden soll. Anschließend kann eine entsprechende Durchführung des Produktionsprozesses mittels der ausgewählten Robotervarianten erfolgen.As soon as the cycle time requirements and the requirements with regard to the predetermined energy consumption are met in method step S5, the robot variants selected at this time are defined in method step S6 as those robot variants by means of which the correspondingly predefined production process is to be processed in a division of labor. Subsequently, a corresponding implementation of the production process can be carried out by means of the selected robot variants.
Des Weiteren ist es möglich, dass im Verfahrensschritt S4.1 mehrere Schleifen zur Optimierung einer Bahnplanung bzw. einer Trajektorienplanung für die entsprechend ausgewählten Robotervarianten durchlaufen werden. insgesamt wird durch das erläuterte Verfahren der notwendige Energieverbrauch einer mehrere Roboter umfassenden Produktionsanlage erheblich gesenkt, wobei gleichzeitig eine vorgegebene Taktzeit verbessert oder zumindest eingehalten wird.Furthermore, it is possible that in process step S4.1 several loops for optimizing a path planning or a trajectory planning for the correspondingly selected robot variants are run through. Overall, the necessary energy consumption of a production plant comprising several robots is considerably reduced by the described method, at the same time a prescribed cycle time being improved or at least being maintained.
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