随着“工业4.0”、“中国制造2025”的提出，制造业不仅关注于经济效益，同时更加关注生态效益。近年来，由于我国工业技术和工业设备存在较大的局限性，我国的能源呈现出消耗量大、利用率低、能源的生产速度低于消耗速度的现状，由此引起的能源紧缺现已严重制约着我国经济健康稳定地发展。因此，如何高效合理地开发和使用能源，降低能耗便成了当前制造企业必须重视的问题。

工业机器人作为新型的智能制造装备，在可持续制造和绿色制造中占据着越来越重要的地位。工业机器人具有工作效率高、通用性好、稳定性好、可编程以及能在高危环境下作业等优势,在传统的制造业,尤其是劳动密集型产业的转型和升级中也发挥着越来越重要的作用。因而对生产过程中工业机器人的能耗进行监测、管理、分析和预测具有十分重大的意义。

为了对工业机器人车间的能源监控并对能耗系统中的各环节进行实时能耗数据的采集、处理以及对比分析，以此达到高效合理地开发和使用能源、减少能源浪费和实现企业节能环保要求的目标，工业机器人车间能耗管理系统可以对加工能耗进行实时监测和科学有效的管理，提高信息化和智能化程度，从而降低企业能耗成本，节约资源，提高企业的综合竞争实力。

国外最先开发能耗管理系统的是日本，其八幡制铁所研发了第一个能源管理系统（EMS）。美国福特公司在其各大分厂建立能耗信息体系，改善能耗监管水平，提高了能源的利用率，通过节能降耗提高企业的综合竞争实力。国外的研究人员首先着眼于影响工业机器人能耗的因素，进行了大量的实验、仿真和对比分析。德国FAPS系统通过对六轴工业机器人的能耗与动态分析后发现：机器人的运行参数，包括有效荷载和运行速度，都会对工业机器人的能耗和产生很大影响。瑞典查尔摩斯理工大学的研究人员也发现：工业机器人工作时的运动速度和加速度等都是影响其能耗的重要因素。基于此发现，他们开发了一种优化算法，使工业机器人运动时加速度达到最小，减少了40%的能耗。

在国内，能耗管理系统建设经历了从无到有的长期发展过程，起步相对国外来说比较晚，宝钢是国内第一个使用EMS的企业。宝钢1985年在一期工程中从日本引进了第一代集中式EMS（宝钢能源中心），三期工程能源中心则采用了更加先进的分布式计算机信息系统。随后，梅钢，鞍钢，武钢等多家钢铁公司也开发了能耗管理系统。关于工业机器人能耗的研究，目前国内很多高校、研究所也有不错的成果。如2016年3月，操鹏飞、许德章、杨伟超等人发现优化工业机器人的运动路径可以减少其能耗，他们研究出了基于遗传算法的工业机器人最小化能耗的路径规划方法：机器人的运动轨迹可视为由空间内一系列型值点组合而成，相邻的型值点间用5次B样条曲线连接起来，通过这种方法可以得到机器人的运动轨迹函数，再结合关节运动学，以动能为目标能耗函数，再通过改良遗传算法的性能，优化能耗函数，即可减少能耗。与此类似，湖南大学的邓乾旺、罗正平、张丽科等人针对点焊工业机器人也提出了一种最优能耗轨迹优化方法，这些研究成果，为解决工业机器人能耗问题提供了很好的思路。

综上所述，工业机器人车间能耗管理系统的开发还是很有必要的。在实践生产中，可以通过开发能耗管理系统，对工业机器人在制造加工过程中的能耗进行实时的智能化地采集、监测和高效化的对比分析，这样不仅减少了人力成本，达到节能降耗的目的，而且带来了巨大的经济效益，全面提高企业的综合竞争实力。

2. 研究的基本内容与方案

通过对工业机器人车间能耗管理的研究，本次设计拟以单机器人设备、车间的能耗数据为研究对象，设计完成一个工业机器人车间能耗管理系统，对其能耗数据进行采集、分析和管理。整体框架如图1所示：

图1 系统整体框架