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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Mehrzahl von Robotern, mittels welchen ein mehrere, roboterspezifische Produktionsaufgaben umfassender Produktionstakt eines vorgegebenen Produktionsprozesses arbeitsteilig bearbeitet wird.
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Üblicherweise erfolgt eine Bewegungsplanung von in einer Produktionsanlage eingesetzten Industrierobotern im Wesentlichen im Hinblick auf die Erzielung einer vorgegebenen Taktzeit. Dies führt dazu, dass normalerweise alle eingesetzten Roboter mit ihrer maximal möglichen Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung programmiert sowie auch entsprechend bewegt werden, selbst wenn dies zur Erreichung der geforderten Taktzeit nicht erforderlich ist. Der Energieverbrauch der eingesetzten Roboter ist daher meist wesentlich höher als notwendig.
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Die Veröffentlichung „Increasing the energy efficiency of multi-robot production lines in the automotive industry" (2012 IEEE International Conference an automation science and engineering, Seoul, Korea, 20. bis 24.08.2012) zeigt theoretische Betrachtungen und Simulationsergebnisse einer Geschwindigkeitsanpassung von in Produktionseinlagen eingesetzten Robotern.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Mehrzahl von Robotern bereitzustellen, durch welches ein besonders energieeffizienter Betrieb der eingesetzten Roboter ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Mehrzahl von Robotern mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Mehrzahl von Robotern wird mittels der Roboter ein mehrere, roboterspezifische Produktionsaufgaben umfassender Produktionstakt eines vorgegebenen Produktionsprozesses arbeitsteilig bearbeitet. Um einen besonders energieeffizienten Einsatz der eingesetzten Roboter zu ermöglichen, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte:
- – Ermitteln einer jeweiligen Mindestdauer je Roboter, welche jeweilige Zeitspannen geplanter Bewegungsphasen und Zeitspannen geplanter Stillstandsphasen zur Durchführung einer der jeweils roboterspezifisch zugeordneten Produktionsaufgabe für den bevorstehenden Produktionstakt umfasst;
- – Ermitteln einer Gesamtmindestdauer zur Durchführung sämtlicher Produktionsaufgaben des bevorstehenden Produktionstaktes unter Berücksichtigung der roboterspezifisch ermittelten Mindestdauern;
- – Ermitteln jeweiliger Skalierungsfaktoren, um welche die jeweiligen Zeitspannen der geplanten Bewegungsphasen verlängerbar sind, ohne dass die ermittelte Gesamtmindestdauer des bevorstehenden Produktionstaktes verlängert wird;
- – Betreiben der Roboter unter Berücksichtigung der ermittelten Skalierungsfaktoren zur Durchführung des Produktionstaktes.
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Es ist also erfindungsgemäß vorgesehen, über entsprechende Skalierungsfaktoren jeweils geplante Bewegungsphasen der eingesetzten Roboter zu verlängern, wobei dies nur so weit erfolgt, dass eine zuvor ermittelte Gesamtmindestdauer eines bevorstehenden Produktionstaktes nicht verlängert wird. Mit anderen Worten erfolgt also eine energetische Optimierung jeweiliger Roboterbahnen unter Ausnutzung zuvor ermittelter Zeitreserven, so dass zur Durchführung entsprechender Bewegungsbahnen der jeweiligen Roboter zur Bearbeitung der ihnen jeweils zugeordneten Produktionsaufgaben insgesamt mehr Zeit zur Verfügung steht. Dadurch kann eine nicht unerhebliche Energieeinsparung je eingesetztem Roboter erzielt werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass unter Berücksichtigung der jeweils ermittelten Skalierungsfaktoren jeweils vorgegebene Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen reduziert werden, gemäß welchen die jeweiligen Roboter zur Durchführung der jeweiligen Produktionsaufgaben bewegt werden. Da gemäß den jeweils ermittelten Skalierungsfaktoren für die jeweils durchzuführenden Produktionsaufgaben den Robotern entsprechend mehr Zeit eingeräumt wird, können entsprechende Bewegungsgeschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen, gemäß welchen die jeweiligen Roboter entlang vorbestimmter Bewegungsbahnen zu bewegen sind, reduziert werden. Dadurch, dass die entsprechenden Roboter mit verringerten Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen bewegt werden, kann eine entsprechende Energieersparnis bei den jeweiligen Robotern erzielt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die jeweils vorgegebenen Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen im Hinblick auf eine Minimierung jeweiliger Energiebedarfe der Roboter zur Durchführung der jeweiligen Produktionsaufgaben reduziert werden. Mit anderen Worten erfolgt also vorzugsweise eine Optimierung der jeweils vorgegebenen Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen der Roboter im Hinblick auf eine Minimierung des Gesamtenergieverbrauchs der eingesetzten Roboter zur Durchführung des Produktionstaktes des vorgegebenen Produktionsprozesses. Insbesondere können auch für die Produktionsaufgabe nicht notwendige Haltezeiten der Roboter vermieden werden, welche ebenfalls – je nach zu tragender Last – energieintensiv sein können.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass für die jeweiligen Produktionsaufgaben roboterspezifisch parametrisierte Kinematikmodelle ermittelt und/oder bereitgestellt werden, anhand welcher die jeweiligen Energiebedarfe der Roboter zur Durchführung der jeweiligen Produktionsaufgaben ermittelt werden. Anhand dieser Kinematikmodelle können die jeweiligen Energiebedarfe der Roboter besonders exakt bestimmt werden, so dass eine besonders hohe Energieersparnis der jeweiligen Roboter durch Anpassung ihrer jeweiligen Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen zur Durchführung der jeweiligen Produktionsaufgaben erzielt werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass kritische Produktionsaufgaben, insbesondere Lackier- und/oder Klebevorgänge, für einzelne Roboter vorgegeben werden, bei welchen das Ermitteln der Skalierungsfaktoren unterbleibt. Insbesondere bei Klebe- und/oder Lackiervorgängen ist nämlich die Einhaltung vorgegebener Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen jeweiliger Roboter qualitätsentscheidend, so dass bei denjenigen Robotern, welche entsprechend als kritisch gekennzeichnete Produktionsaufgaben durchführen, keine Anpassung ihrer Bewegungsbahnen und somit ihrer Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen erfolgt.
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Schließlich ist es gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die jeweiligen Skalierungsfaktoren nur für diejenigen Roboter ermittelt werden, welche keine sich mit anderen Robotern überschneidenden Arbeitsräume aufweisen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass es durch die Bahn- beziehungsweise Energieoptimierung der jeweiligen Roboter zu keinen Kollisionen zwischen jeweiligen Robotern kommt.
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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 angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Darstellung einer Produktionsanlage mit einer Mehrzahl von Robotern, welche über ein gemeinsames Bussystem miteinander verbunden und über eine übergeordnete Steuerung ansteuerbar sind;
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2 ein schematisches Ablaufdiagramm, in welchem ein Verfahren zum Betreiben der Roboter dargestellt ist; und in
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3 zwei schematische Diagramme, in welchen jeweilige Zeitspannen geplanter Bewegungsphasen und Zeitspannen geplanter Stillstandsphasen zur Durchführung einer jeweils roboterspezifisch zugeordneten Produktionsaufgabe für zwei der Roboter dargestellt sind.
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Eine Produktionsanlage 10 mit einer Mehrzahl von Robotern 12, 14, 16 ist in einer schematischen Darstellung in 1 gezeigt. Die Roboter 12, 14, 16 sowie eine übergeordnete Steuerung 20 zur Steuerung der Roboter 12, 14, 16 sind über ein gemeinsames Bussystem 22 miteinander verbunden. Die Produktionsanlage 10 dient dazu, mittels der jeweiligen Roboter 12, 14, 16 einen vorgegebenen Produktionsprozess, beispielsweise in Form von Montagearbeiten, Lackierarbeiten, Schweißarbeiten und dergleichen, arbeitsteilig innerhalb eines vorgegebenen Produktionstaktes zu bearbeiten. Ein Energieverbrauch Ea aller Roboter 12, 14, 16 der Produktionsanlage 10 entspricht dabei der Summe der jeweiligen Energieverbräuche Ei der einzelnen Roboter 12, 14, 16. Neben einer reinen Einhaltung einer vorgegebenen Taktzeit für einen entsprechenden Produktionstakt ist der Energieverbrauch der gesamten Produktionsanlage 10 ebenfalls von erheblichem Interesse.
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Anhand des in 2 schematisch dargestellten Ablaufdiagramms wird ein Verfahren zum energieoptimierten Betreiben der Produktionsanlage 10 erläutert. In Verfahrensschritt S1 wird das Verfahren zunächst gestartet. In Verfahrensschritt S2 erfolgt eine Abfrage, ob innerhalb der übergeordneten Steuerung 20 jeweilige Energieprofile für die von den Robotern 10, 12, 16 durchzuführenden Bewegungen zur Bearbeitung der jeweils roboterspezifischen Produktionsaufgaben des Produktionstaktes des vorgegebenen Produktionsprozesses vorliegen beziehungsweise modelliert worden sind. Sollten diese Energieprofile zunächst nicht vorliegen, beispielsweise weil entsprechende Produktionsaufgaben erstmalig durchzuführen sind, werden in Verfahrensschritt S3 die noch fehlenden Energieprofile für die entsprechenden Roboter 12, 14, 16 unter Zuhilfenahme eines entsprechenden Robotermodells 24 ermittelt. In dem Robotermodell 24 sind für die jeweiligen Produktionsaufgaben roboterspezifisch parametrisierte Kinematikmodelle hinterlegt, anhand welcher die jeweiligen Energiebedarfe der Roboter 12, 14, 16 zur Durchführung der jeweiligen Produktionsaufgaben ermittelt werden können.
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Die in Verfahrensschritt S3 ermittelten Energieprofile beziehungsweise Energiebedarfe der jeweiligen Roboter 12, 14, 16 werden anschließend im Zuge des Verfahrensschrittes S3 in einer lokalen Datenbank 26 gespeichert. Somit kann für jede vorprogrammierte Roboterbewegung ein entsprechendes Energieprofil identifiziert und bereitgestellt werden.
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Ein eigentlicher Programmablauf sämtlicher Roboterbewegungen wird durch die Verfahrensschritte S4 bis S7 abgebildet. In Verfahrensschritt S4 werden zunächst jeweilige Mindestdauern t
i je Roboter
12,
14,
16 ermittelt. Die Mindestdauern t
i umfassen dabei jeweilige Zeitspannen t
i,b geplanter Bewegungsphasen und Zeitspannen t
i,s geplanter Stillstandsphasen zur Durchführung einer der jeweils roboterspezifisch zugeordneten Produktionsaufgabe für den bevorstehenden Produktionstakt. Vor jeder Roboterbewegung wird die entsprechende Mindestdauer t
i eines entsprechend aktuellen Programms, gemäß welchem die Bewegungsbahnen der jeweiligen Roboter
12,
14,
16 definiert sind, also folgendermaßen berechnet:
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Durch p ist die Anzahl der jeweiligen Bewegungen und durch h ist die Anzahl der jeweiligen Stillstände, deren jeweilige Dauer im Vorhinein bekannt ist, gekennzeichnet. Ein entsprechender Programmablauf kann auch Programmteile beinhalten, deren Dauer nicht lokal berechenbar ist, zum Beispiel aufgrund von Warteschleifen, die in Abhängigkeit von externen Signalen, beispielsweise in Abhängigkeit von anderen Robotern, vorgegeben werden. Zum Beispiel kann es sein, dass bei einer arbeitsteilig zu bearbeitenden Aufgabe zunächst der Roboter 12 eine Teilaufgabe abschließen muss, bevor der Roboter 14 die nächste Teilaufgabe erledigen kann. Die tatsächliche Mindestdauer ti je Roboter 12, 14, 16 kann also größer sein als die ermittelte Mindestdauer ti.
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Anschließend wird eine Gesamtmindestdauer tg zur Durchführung sämtlicher Produktionsaufgaben des bevorstehenden Produktionstaktes unter Berücksichtigung der roboterspezifisch ermittelten Mindestdauern ti ermittelt. Die Gesamtmindestdauer tg entspricht dabei der maximal ermittelten Mindestdauer ti: tg = max(t1...tn).
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Mit anderen Worten ergibt sich die Gesamtmindestdauer tg zur Durchführung sämtlicher Produktionsaufgaben des bevorstehenden Produktionstaktes anhand der maximalen Mindestdauer t, von demjenigen Roboter 12, 14, 16, welcher zur Durchführung seiner spezifischen Produktionsaufgabe innerhalb des bevorstehenden Produktionstaktes am längsten benötigt.
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Die ermittelten Mindestdauern ti werden in Verfahrensschritt S5 an die übergeordnete Steuerung 20 übergeben, wobei in Verfahrensschritt S6 die Gesamtmindestdauer tg mittels der übergeordneten Steuerung 20 ermittelt wird.
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Anschließend werden in Verfahrensschritt S6 jeweilige Skalierungsfaktoren βi,b ermittelt, um welche die jeweiligen Zeitspannen ti,b der geplanten Bewegungsphasen der jeweiligen Roboter 12, 14, 16 verlängerbar sind, ohne dass die ermittelte Gesamtmindestdauer tg des bevorstehenden Produktionstaktes verlängert wird.
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Um die entsprechende Taktzeit des bevorstehenden Produktionstaktes nicht zu überschreiten, dürfen die Skalierungsfaktoren β
i,b also nur so eingestellt werden, dass die Dauer aller skalierten Bewegungen und Stillstände kleiner als die ermittelte Mindestdauer t
g der gesamten Produktionsanlage
10 für den bevorstehenden Produktionstakt ist:
wobei t
* i,b dabei die resultierende Dauer einer Bewegung b des entsprechenden Roboters i mit einem Skalierungsfaktor β
i,b ist. Da jeweilige Energieprofile einzelner Bewegungen unterschiedlich sind, kann ein entsprechendes Energie-Minimum von zwei Bewegungen bei unterschiedlichen β
i,b-Werten erreicht werden:
βi,b ≠ βi,b+1. -
Unter Berücksichtigung der jeweils ermittelten Skalierungsfaktoren βi,b werden dabei jeweils vorgegebene Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen für die jeweiligen Roboter 12, 14, 16 reduziert, gemäß welchen die jeweiligen Roboter 12, 14, 16 zur Durchführung der jeweils anstehenden Produktionsaufgaben bewegt werden.
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Die jeweils vorgegebenen Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen werden im Hinblick auf eine Minimierung jeweiliger Energiebedarfe der Roboter 12, 14, 16 zur Durchführung der jeweiligen Produktionsaufgaben reduziert. Dafür werden die entsprechend bereitgestellten Energieprofile herangezogen.
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Falls kritische Produktionsaufgaben, insbesondere in Form von Lackier- und/oder Klebevorgängen, für einige der Roboter 12, 14, 16 vorgesehen sind, unterbleibt für diese Roboter 12, 14, 16 eine Ermittlung der Skalierungsfaktoren βi,b und somit auch eine Veränderung der ursprünglich geplanten Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen, gemäß welchen die jeweiligen Roboter 12, 14, 16 zur Bearbeitung der ihnen zugeordneten Produktionsaufgaben bewegt werden sollen. Ferner unterbleibt auch eine Ermittlung der Skalierungsfaktoren βi,b für diejenigen Roboter 12, 14, 16, welche mit jeweils anderen Robotern 12, 14, 16 überschneidende Arbeitsräume aufweisen.
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Anhand der
3, in welcher in zwei schematischen Darstellungen beispielhaft zwei Produktionsabläufe der Roboter
12,
14 dargestellt sind, wird eine energetische Bewegungsoptimierung erläutert. In
3 sind jeweilige zeitliche Abläufe von Bewegungen und Stillständen der Roboter
12,
14 dargestellt, wobei in dem oberen Diagramm die Bewegungs- und Stillstandszeiten für den Roboter
12 exemplarisch dargestellt und in dem unteren Diagramm entsprechende Bewegungs- und Stillstandszeiten für den Roboter
14 dargestellt sind. Mit der gestrichelten Linie
28 ist eine aktuelle zeitliche Position gekennzeichnet. In dem hier dargestellten Moment führt der Roboter
12 gerade eine Bewegung aus, während der Roboter
14 sich in einem unbekannten Stillstand befindet. Bis zum Ende des Programmablaufs haben beide Roboter
12,
14 entsprechend geplante Stillstände und Bewegungen. Die entsprechende Mindestdauer t
12 beträgt für den Roboter
12 somit noch 8 Sekunden, und die entsprechende Mindestdauer t
14 für den Roboter
14 beträgt im vorliegend gezeigten Fall noch 6 Sekunden, wobei die Gesamtmindestdauer t
g des hier schematisch dargestellten Produktionstaktes
8 Sekunden beträgt. Da die Bewegungsdauer des Roboters
12 nicht erhöht werden darf, da t
12 von der Dauer her t
g entspricht, wird lediglich ein entsprechender Skalierungsfaktor β
14,b,min für den Roboter
14 folgendermaßen berechnet:
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Ein entsprechend optimaler Skalierungsfaktor βi,b für die Bewegung b kann nun unter Zuhilfenahme der Datenbank 26 gefunden werden: βi,b = min(β2,b,min...1).
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Ist βi,b,min ≤ βi,b,opt, dann ist βi,b = βi,b,opt. Ansonsten hat βi,b einen Wert, bei dem der entsprechende Energieverbrauch des Roboters 14 minimal ist. Eine entsprechend veränderte Roboterbewegung des Roboters 14 kann dabei mit einer bis zu 50% reduzierten Geschwindigkeit ausgeführt werden, ohne dass die entsprechende Taktzeit negativ beeinflusst wird.
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Ein Energiebedarf für eine Roboterbewegung, welche unter Berücksichtigung des ermittelten, optimalen Skalierungsfaktor angepasst worden ist, kann daher wesentlich geringer sein als bei einer Bewegung, die mit einer maximal möglichen Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung durchgeführt wird. So kann der Energieverbrauch der gesamten Produktionsanlage 10 erheblich gesenkt werden, ohne eine entsprechend vorgegebene Taktzeit negativ zu beeinflussen, also zu erhöhen.
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Das vorgestellte Verfahren kann dabei dynamisch während des Einsatzes der Roboter 12, 14, 16 durchgeführt werden, so dass entsprechende Skalierungsfaktoren dynamisch in Abhängigkeit von einem jeweils vorliegenden Produktionsablauf angepasst werden können. So kann das Verfahren beispielsweise auch bei unterschiedlichen Produkttypen, wie beispielsweise Fahrzeugvarianten, oder auch bei kleinen Programmänderungen verwendet werden, was nicht der Fall wäre, wenn die Skalierungsfaktoren fest in den jeweiligen Roboterprogrammen definiert wären.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Increasing the energy efficiency of multi-robot production lines in the automotive industry” (2012 IEEE International Conference an automation science and engineering, Seoul, Korea, 20. bis 24.08.2012) [0003]
