2025年工业机器人节能降耗专项训练试题及答案

2025年工业机器人节能降耗专项训练试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填入括号内）1.在工业机器人关节伺服系统中，采用“再生制动+超级电容”方案回收制动能量，其能量回收效率最高可达（）。A.15%B.35%C.55%D.75%答案：C2.某六轴机器人在额定负载下运行，若将末端线速度从1.0m/s降至0.7m/s，理论上电机铜耗下降比例最接近（）。A.30%B.42%C.51%D.65%答案：C3.根据GB/T126422020，测量工业机器人重复定位精度时，激光跟踪仪采样频率应不低于（）。A.100HzB.500HzC.1kHzD.2kHz答案：C4.在节能评估中，若某机器人年运行时间3000h，平均功率2.3kW，负载率65%，则年耗电量（kWh）为（）。A.4485B.4785C.4985D.5185答案：A5.采用“动力学参数辨识+模型预测转矩”策略后，实测某型号机器人节电率12%，其节电效果主要来源于（）。A.降低铁耗B.降低铜耗C.降低机械摩擦D.降低风扇损耗答案：B6.在RobotStudio中启用“GreenMotion”插件，系统默认的优化目标权重最高的是（）。A.节拍时间B.能量消耗C.关节jerkD.工具姿态误差答案：B7.某SCARA机器人减速机效率η=0.92，电机效率η=0.89，则电—关节功率传递总效率为（）。A.0.82B.0.85C.0.88D.0.91答案：A8.对同一轨迹，若采用S曲线加减速替代梯形加减速，峰值电流下降约18%，则变压器容量可相应下调（）。A.8%B.12%C.18%D.25%答案：B9.在节能型机器人控制柜中，将传统风冷改为热管+外壳散热后，控制柜风扇功耗可降低（）。A.15WB.35WC.55WD.75W答案：C10.根据ISO15066:2016，人机协作模式下，若机器人功率限值被设定为80W，则其最大允许速度（m/s）与力（N）乘积不得超过（）。A.80B.120C.150D.200答案：A二、多项选择题（每题3分，共15分。每题有两个或两个以上正确答案，多选、少选、错选均不得分）11.下列措施可直接降低工业机器人伺服驱动器开关损耗的有（）。A.提高PWM载波频率至20kHzB.采用SiCMOSFETC.降低母线电压至额定值的90%D.优化死区时间至100nsE.增大输出电感量答案：B、D12.在轨迹规划层面实现节能，可采纳的算法有（）。A.时间最优轨迹（TOPP）B.能量最优轨迹（EOPP）C.jerk受限轨迹（JTOPP）D.梯形速度规划E.模型预测控制（MPC）答案：B、C、E13.关于机器人能量回馈装置的描述，正确的有（）。A.回馈电网需满足THD<5%B.超级电容容量越大，回馈距离越远C.回馈能量可用于同一母线上其他机器人D.能量回馈单元效率通常为85%～92%E.必须加装隔离变压器方可并网答案：A、C、D14.下列属于机器人“轻量—节能”一体化设计原则的有（）。A.采用中空力矩电机取消减速机B.连杆结构拓扑优化C.碳纤维前臂D.将电缆外置以减少发热E.采用低摩擦谐波减速机答案：B、C、E15.在工厂级节能诊断中，需采集的底层数据有（）。A.单轴瞬时电流B.末端TCP坐标C.控制柜内部温度D.压缩空气压力E.电网三相电压答案：A、C、E三、填空题（每空2分，共20分）16.某机器人关节电机额定功率P=1.5kW，额定转速n=3000r/min，则其额定转矩T=________N·m。（保留一位小数）答案：4.817.若将机器人工作节拍从12s压缩至10s，理论上电机铜耗与节拍的关系近似为________（填“线性”或“平方反比”）。答案：平方反比18.在能量回馈系统中，双向DC/AC变流器并网电压为380V，则直流母线电压最低需稳定在________V以上。答案：65019.采用“双电机消隙”驱动方案，相比单电机同负载工况，单台电机电流可下降约________%。答案：3020.根据《工业机器人能效限定值及能效等级》（GB302542020），一级能效机器人在额定负载与额定速度下的比能耗不得超过________Wh/m·kg。答案：0.4521.某型号机器人减速机润滑脂更换周期从1年延长至3年，可节省维护能耗约________kWh/次（已知单次更换耗能2kWh）。答案：1.322.在热管散热设计中，若控制柜总损耗150W，环境温度35℃，允许温升30℃，则热管总热阻需低于________℃/W。答案：0.223.采用“动力学参数辨识”后，模型误差从8%降至2%，则基于模型的前馈节能率可提升约________个百分点。答案：624.若机器人工作于“力控打磨”模式，电机平均电流10A，采用“脉冲节能”策略后，占空比80%，则铜耗下降________%。答案：3625.在RobotStudio中，使用“EnergyEvaluation”模块，默认电价设置为________元/kWh。答案：0.75四、判断题（每题1分，共10分。正确打“√”，错误打“×”）26.机器人节能与精度不可兼得，降低能耗必然导致轨迹误差增大。（）答案：×27.采用SiC器件后，开关频率可提升至50kHz而不显著增加损耗。（）答案：√28.在协作机器人中，功率限值80W是持续功率，而非瞬时峰值。（）答案：√29.超级电容的能量密度高于锂电池，因此更适合长时能量回馈。（）答案：×30.机器人减速机效率随负载增大而单调上升。（）答案：×31.采用“虚拟墙”技术可减少碰撞检测能耗。（）答案：√32.在轨迹优化中，能量最优轨迹一定比时间最优轨迹慢。（）答案：√33.机器人控制柜的EMI滤波器损耗属于无功损耗，不影响有功电度。（）答案：×34.采用“云边协同”调度，可在工厂级实现机器人错峰用电。（）答案：√35.对于同一任务，六轴机器人比SCARA机器人能耗一定更高。（）答案：×五、简答题（共25分）36.（封闭型，6分）列出工业机器人节能评估的四大边界条件，并给出典型取值范围。答案：1.负载率：30%～100%；2.环境温度：20℃～45℃；3.电网电压：380V±10%；4.工作节拍：额定节拍的50%～120%。37.（开放型，9分）某企业计划对200台机器人进行节能改造，已知单台年均耗电6000kWh，电价0.75元/kWh。现有三种方案：A.更换高效伺服电机，节电率8%，单台改造成本8000元；B.加装能量回馈单元，节电率12%，单台成本12000元；C.轨迹优化+模型预测转矩，节电率10%，单台成本5000元。若投资回收期要求≤3年，请用净现值法（贴现率6%）给出最优方案并说明理由。答案：年节电量：A=480kWh，B=720kWh，C=600kWh；年节约电费：A=3600元，B=5400元，C=4500元；3年净现值：A=3600×(P/A,6%,3)−8000=3600×2.673−8000=1622.8元；B=5400×2.673−12000=2434.2元；C=4500×2.673−5000=7028.5元；结论：方案C净现值最高，且投资回收期1.11年<3年，最优。38.（封闭型，5分）说明“模型预测转矩（MPT）”节能原理，并指出其依赖的两大模型。答案：原理：利用机器人动力学模型预测未来1～2ms所需转矩，提前调整电流，减少转矩过冲与电流裕量，从而降低铜耗。依赖模型：1.刚性动力学模型；2.电机电流—转矩线性模型。39.（开放型，5分）列举三种“非电气”节能手段，并给出量化效果。答案：1.轻量化前臂：质量减20%，能耗降5%～7%；2.低摩擦密封圈：关节摩擦降30%，能耗降2%～3%；3.热管散热：风扇功耗降55W/柜，年节电480kWh。六、计算题（共30分）40.（10分）某六轴机器人在水平面内执行直线轨迹，总质量m=45kg，负载mL=5kg，运行距离s=1.2m，最大速度vmax=0.8m/s，加速度a=2m/s²，减速度d=2m/s²，电机+减速机总效率η=0.85，忽略势能变化。求：（1）理论运行时间t；（2）电机输出能量Eout；（3）电网输入电能Ein。答案：（1）加减速段：t1=t3=vmax/a=0.4s，s1=s3=0.5×2×0.4²=0.16m；匀速段：s2=1.2−0.32=0.88m，t2=0.88/0.8=1.1s；总时间t=0.4+1.1+0.4=1.9s。（2）动能变化ΔK=0.5×(45+5)×0.8²=16J；摩擦耗功Wf=μ·m总·g·s，取μ=0.02，Wf=0.02×50×9.8×1.2=11.76J；总机械能Em=16+11.76=27.76J；电机输出能量Eout=Em=27.76J。（3）电网输入电能Ein=Eout/η=27.76/0.85=32.7J≈0.0091Wh。41.（10分）某工厂有50台机器人，单台平均功率2kW，年运行3000h，负载率60%。现通过“削峰填谷”调度，将高峰时段（电价1.0元/kWh）10%电量转移至低谷（0.4元/kWh），求年节约电费。答案：年总电量=50×2×3000×0.6=180000kWh；转移电量=18000kWh；节约电费=18000×(1.0−0.4)=10800元。42.（10分）某机器人关节采用永磁同步电机，额定线电压U=220V，额定电流I=5A，功率因数cosφ=0.95，效率η=0.88。若采用“弱磁节能”策略，将转速提高20%，转矩下降15%，保持输出功率不变，求新工况下电流I′及铜耗下降比例。（忽略铁耗变化，电阻不变）答案：原输出机械功率Pout=√3×220×5×0.95×0.88=1596W；新工况转速n′=1.2n，转矩T′=0.85T，Pout不变；因Pout∝T·n，故T′/T=1/1.2=0.833，与题设0.85接近，误差可接受；电流与转矩成正比，I′=0.85I=4.25A；铜耗比=(I′/I)²=0.85²=0.7225，下降27.75%。七、综合分析题（共30分）43.（30分）背景：某白车身焊装线有120台六轴机器人，年运行6000h，单台平均功率3.2kW，负载率70%，电价0.75元/kWh。企业拟在三年内分阶段实施节能改造，目标综合节电率≥20%。提供数据：1.高效电机+驱动：节电率9%，单台成本10000元；2.能量回馈：节电率13%，单台成本15000元；3.轨迹优化+调度：节电率11%，单台成本6000元；4.轻量化改造：节电率5%，单台成本8000元；5.热管散热：节电率2%，单台成本2000元。要求：（1）建立数学模型，以净现值最大为目标，考虑贴现率7%，寿命10年，给出最优组合及投资顺序；（2）计算节电量、年节约电费、总投资、投资回收期；（3）列出实施风险及应对措施。答案：（1）设决策变量xi∈{0,1}表示是否采用方案i，目标函数：maxNPV=Σ(年节约电费i×(P/A,7%,10)−投资i·xi)；约束：1−Π(1−节电率i)^xi≥0.20；通过枚举组合，最优解：方案1+2+3，即高效电机、能量回馈、轨迹优化。（2）综合节电率=1−(1−0.09)(1−0.13)(1−0.11)=30.6%>20%；年总电量=120×3.2×6000×0.7=1612800kWh；年节电量=1612800×0.306=49351