CN104603704A - 超高柔性的生产制造 - Google Patents

Abstract

一种制造系统具有一个或多个工作单元，每个工作单元执行一个或多个制造工序。该系统还具有一个或多个移动运送单元(“MTU”)，其将包含工件的可运送容器递送至所述工作单元并且从所述工作单元递送出。MTU以在工作单元中确定工件的位置的方式将容器递送至工作单元。制造系统还具有计算机系统，其具有用于一个或多个MTU中的每个MTU的状态信息，并且使用状态信息控制一个或多个MTU中的每个MTU以将可运送容器递送至一个或多个工作单元或者从一个或多个工作单元递送出。

Description

超高柔性的生产制造

技术领域

本发明涉及一种使用众多标准化的移动运送单元(“MTU”)、可运送容器(如桌子或箱子)和各种类型的工作单元来构建高度柔性的制造环境的制造系统。

背景技术

在制造环境中，工作单元对本文也称为工件的零件和组件执行各种工序，如焊接、组装、加工、检查等。必须将零件和组件递送至工作单元，并且也可以在工作单元之间移动零件和组件用于进一步的工作，或在工序流程中将零件和组件递送到制造环境中的非工作单元位置，所述工序流程是对工件执行的所有工序以及这些工序的次序的集合。

用于在制造环境中递送工件的传统方法是使用传送机系统。传送机系统被设计并构建成在工作单元之间以特定次序运送工件。通常将工件安装在可随传送机部分行进并且将其精确地定位在工作单元内的固定装置上。

传送机是固定到地板的刚性结构。使用传送机系统时，总是存在将前面的工件移出单元且将新的工件递送至单元的工作单元等待时间。这导致显著部分的时间内并没有使用工作单元。由于不同工作单元在循环时间上的不同，也会在传送机系统中产生瓶颈。该瓶颈导致了将工件递送至工作单元的延迟。

发明内容

一种制造系统，具有：

一个或多个工作单元，其中每个工作单元对相关联的一个或多个工件之一执行一个或多个制造工序；

一个或多个移动运送单元(“MTU”)，以将包含工件的可运送容器递送至工作单元或从工作单元递送出，一个或多个移动运送单元独立于一个或多个工作单元之间的固定就位路径并且以使得在工作单元中确定工件的位置的方式、将容器递送到工作单元；以及

计算机系统，在其中具有用于一个或多个MTU中的每个MTU的状态信息，并且使用该状态信息来控制一个或多个MTU的每个MTU而将可运送容器递送至一个或多个工作单元或从一个或多个工作单元递送出。

附图说明

图1示出了示例性的制造环境，其由工作单元以及相关联的容器站、MTU和缓冲站所构成。

图2示出了用于在每个工作单元中的计算机系统和控制设备的相互连接的框图。

图3示出了在计算机系统和控制设备与如图1所示的MTU的移动之间进行的协调的流程图。

图4示出了计算机系统使用的用来协调MTU的一个实施例的流程图。

图5示出了可运送容器的一个示例。

图6示出了对接站的一个示例。

图7示出了在仓库位置、制造位置以及装运位置之间的关系的框图。

图8示出了用于协调输入工件递送的流程图。

具体实施方式

如下面更详细的描述，众多MTU将包含工件的可运送容器递送至用于制造工序的工作单元。可运送容器可以是桌子、箱子、托盘、货板等形式。众多MTU还将其制造工序已经在一个工作单元处完成的工件递送到用于待对工件执行的另一个制造工序的另一个工作单元，或者递送到制造设施中的非工作单元位置(例如，装运或存储位置)。应当理解，同样可将工件从非工作单元位置递送至工作单元。本文所使用的术语“工作单元”包括但不限于机器人单元、硬自动化单元、手动单元和测试单元。

现参考图1，图1中示出了在示例性制造环境10中的工作单元12、14、16、18以及相关联容器站24a、24b，MTU 20a、20b以及缓冲站26的布局。图1所示工作单元包括：机器人工作单元12；硬自动化工作单元14，其是用于特定生产目的的设备，例如CNC机械设备；测试单元16；以及手动工作单元18，由人在其处执行操作。MTU 20a前进至某位置拿起可运送容器，MTU 20b将可运送容器运载至期望位置。如下面所述，当在工作流程中的下一个工作单元并未准备好接收可运送容器的情况下，缓冲站26在工序中暂时保持工作，直到工作单元准备好接收该工作。应注意，在图1中不同类型的工作单元12、14、16和18，相关联的容器站24a、24b，两个MTU20a、20b以及缓冲单元26中的每个不仅具有唯一的参考编号而且具有唯一的符号。

参考图5，图5示出了以桌子60的形式的个可运送容器的实施例。桌子60包括铰接夹62形式的固定装置，用于将工件固定到桌子60，以及接合销64，用于将工件定位在桌子上。如本领域技术人员所已知的，存在将工件固定于桌子的许多其他方式。一个或多个工件还可以在箱子、托盘、货板等中递送，而不是被固定到容器。在工件未被固定到容器的情况下，并且如本领域技术人员所已知的，可以实现视觉系统或其他定位方式以确定工件在箱子、托盘、货板等中的位置和/或定向。本文所使用的术语“定位”或“确定位置”表示在工作单元中确定容器和/或工件的位置和/或定向，其中针对工件的确定伴随或者不伴随确定容纳或包含工件的容器、箱子等的位置和/或定向。

再次参考图1，每个硬自动化单元14可以包含用于执行各种制造工序的一件或多件机械设备。机械设备可以包括但不限于机床(例如，CNC铣床或车床)、自动化压机或本领域技术人员公知的其他标准化机械设备。

本文所使用的术语“机械设备”不仅包括硬自动化单元14中的上述机械设备，而且包括在单元中下述机器人12，以及在测试单元16和手动单元18中的设备。

众所周知，每个机器人工作单元12还包括一个或多个机器人。例如，机器人工作单元12可以具有两个机器人，其中一个保持待加工工件，而另一个保持工具，该工具可以对工件执行特定工作，或者该工具可以是自适应的或柔性的，使得可将其用于对工件执行几项任务。单元中的每个机器人可以是例如具有多个自由度的工业机器人臂。这种机器人臂的示例包括串联和并联的臂结构。

机器人工作单元12还可以包括工具更换装置，如例如可从ATIIndustrial Automtion(ATI工业自动化)获得的多个工具更换装置之一的QC系列工具更换装置。众所周知，工具更换装置可以是要求手动更换工具的类型，或者可以是包括允许自动更换工具的工具库的类型。

如图2的框图中所示，每个机器人工作单元12还包括相关联的机器人控制器或其他控制装置12a。还如图2所示，硬自动化工作单元14、测试单元16、手动工作单元18和MTU 20a和20b中的每一个还分别包括相关联的控制装置14a、16a、18a和20c。控制装置是可编程装置，其执行程序并具有与其他控制装置或计算机系统通信的能力。

还如图2所示，计算机系统22通过与它们各自的控制装置12a、14a、16a、18a和20c通信以协调工作单元12、14、16和18与移动运送单元20a、20b之间的交互。特别地，按需(预测性地)调用MTU 20a、20b以如MTU 20a那样从存储区域或之前的工作单元取得可运送的容器，并且如MTU 20b那样向下一个工作单元或站递送所取得的可运送容器。通过比如工序完成、在完成工序之前或之后的指定时间量、工序错误等的事件来触发按需请求。

如图1所示，工作单元12、14、16和18中的每个工作单元可以具有一个或多个容器站24a和24b。容器站24是工作单元中的每个工作单元中的这样的位置，在该位置处，可运送容器在该工作单元内被定位并且可以被加工。图1示出了容器站24a、24b在给定时刻的示例。容器站24b，其在图1中的唯一符号是正方形，是在该时刻具有可运送容器的容器站，并且容器站24a，其唯一符号是圆圈，是在该时刻为空的容器站。在每个工作单元中的多个容器站24允许工作单元在该工作单元已经完成它对在该工作单元中的另一可运送容器上的工件的加工之后，立即开始对尚未加工的工件的加工。因此，在每个工作单元中的多个容器站24将优化地保持工作单元在接近100％的使用率下运行。

每个工作单元可以具有使用基于机械的或传感器的方案来确定可运送容器的位置的方法。参考图6，图6示出了在对接站88的形式中基于机械的定位方法的实施例，可以在容器站24中使用对接站88来准确并安全地将可运送容器定位在特定位置。在该实施例中，对接站88具有两个线形致动器90，设有附装卡钳92和两个固定卡钳94。

针对该实施例，可运送桌子在框架顶端拐角中具有横向构件，用于在线形致动器被致动时将卡钳接合。在线形致动器上的两个卡钳推进横向构件，从而沿对接站88的顶端滑动桌子直到固定卡钳94与剩余的横向构件接合，准确地将桌子固定至工作单元中的已知位置和定向。该接合方法允许MTU放置桌子接近其最终位置，而无须极度准确，极度准确可能对MTU来说是困难的。本领域的技术人员可以实现其他对接站的设计。

在另一个实施例中，本领域的技术人员已知，可以实现基于传感器的方法以在工作单元中定位可运送容器。该基于传感器的方法可使用视觉或位置传感器(例如，接近传感器)或本领域技术人员已知的任何其他传感器技术。还应当理解，可以使用基于机械和基于传感器的技术的组合以定位容器和/或工件。如上所述，可以直接定位工件，而无需定位可运送容器。

现参考图3，图3示出了在计算机系统22与用于在制造环境10中移动MTU 20a、20b的控制设备12a、14a、16a、18a和20c之间进行协调的流程图30。

如方框32所示，当工作单元具有预定数目的剩余秒数来完成对该单元中的可运送容器的内容的加工时，工作单元在方框34处控制设备与计算机系统22通信并请求将MTU 20a或20b发送至该单元。一些情况下，在方框32中剩余的秒数在可以为零，例如，当发生工序错误并且应该停止对当前工件的加工时。响应于请求，在方框36处，计算机系统22找到可满足请求的可用MTU。如果MTU没有主动执行或未被分配任务，则MTU“可用”。例如，在MTU成功执行其任务，比如将工件、箱子、货板等递送至工作单元之后，MTU的状态可以被改变为“可用”。

计算机系统22在其内存中具有信息以用来找到可用MTU。该信息包括每个MTU的当前状态、用于MTU移动的路网和交通规则。路网定义了MTU遵循的车道/路径。交通规则例如定义了必要时车道/路径的单行方向，以及在可能的冲突情况下哪个MTU拥有通行权。

参考图4，图4示出了计算机系统22使用的用来找到待发送至工作单元的MTU的一个实施例的流程图。在方框78处，计算机系统22接收来自工作单元12、14、16或18的请求以发送MTU。在方框80处，计算机系统22响应于来自工作单元的请求，从MTU群体中创建可用MTU列表，MTU群体即MTU总数，N。计算机系统22基于每个MTU的当前状态创建列表。在方框82处，计算机系统22基于一些因素来计算可用MTU的性能指标并对其排等级，这些因素比如每个MTU的状态、路网和交通规则。这可以和只对那些没有运载可运送容器的MTU排等级一样简单，并且基于距工作单元的距离对它们排等级。给最近的MTU等级1，给最远的MTU最高数值等级。在方框84处，计算机系统选择最低等级(等级1)的MTU并将该MTU发送至请求MTU的工作单元。

返回图3，在方框38处，将可用的MTU 20a或20b发送至请求MTU的工作单元。在方框40处，请求MTU的工作单元使用其控制设备使得计算机系统22获知是否正确地完成了即将或正在完成的工作(见方框32)。众所周知，工作单元可以通过多种方式、比如使用视觉系统来做出这样的确定，或者可以在工作单元工具上结合比如通过/不通过量规的测试系统，以确定工作是否正确完成。

判定方框42基于从请求MTU 20a或20b的工作单元接收到的信息询问在该单元处的工作是否正确完成。如果在该单元处的工作没有正确完成，即，在制造工序中出现错误，那么，在方框44处，计算机系统22将命令发送至与工作相关联的MTU 20b的控制设备22c，以使该MTU将具有未正确完成的工作的可运送容器移动至再加工站(例如，手动站18，其中，人将未正确完成的工作正确完成)。可替换地，取决于工序错误，MTU可以将可运送容器移动至处理区。针对该工件的流程然后结束。

如果工作正确完成，则在判定方框54处计算机系统确定是否针对在工作流程中正在加工的工件的所有工序都已完成。如果确定不再存在对工件执行的工序，则计算机系统22在方框56处命令相关联的MTU 20b将在其上具有已完成的工件的可运送容器移动至工作流程中的下一阶段，该下一阶段可以是装运位置，并且针对该工件的流程结束。工作流程中的下一阶段还可以是仓库，其中将完成的工件保留在库存中，从而例如，其可以在工作单元关闭进行维护时被用于履行订单。

如果计算机系统在判定方框54处确定仍对该工件执行的工序，那么流程前进至方框46。在方框46处，计算机系统22检查将接收已完成工作的下一个工作单元以观察是否该单元已经准备好接收具有正确完成工作的可运送容器。计算机系统22在制造环境10中保持工作单元12、14、16和18的连续更新的状态记录，以及在环境10中的工作单元与由该工作单元执行的工作的关系。

在判定方框48处，计算机系统22确定在工作流程中的下一个工作单元12或14或16或18是否准备好接收正确完成的工作。如果计算机系统22通过查询工作流程中的下一个工作单元的控制设备确定下一个单元没有准备好接收该工作，那么在方框50处，计算机系统22命令MTU控制单元20c使相关联的MTU 20b将具有正确完成工作的可运送容器移动至缓冲站，图1中26，在缓冲站中存放完成的工作直到工作流程中的下一个工作单元准备好接收工作。工作流程然后返回至方框46。

如果计算机系统22确定工作流程中的下一个工作单元准备好接收正确完成的工作，那么，在方框52处，计算机系统命令相关联的MTU控制设备20c，使MTU 20b将具有正确完成的工作的可运送容器移动至工作流程中的针对该工件的下一个工作单元，并且针对该工件的工作流程结束。

参考图8，图8示出了用于协调通过MTU将输入工件递送至工作单元的流程图。输入工件为那些被添加到主工件或主组件的工件(例如，铆钉、螺母或螺栓)。将这些工件递送至可运送容器上，该可运送容器可以是以桌子、箱子、托盘、货板等形式。如方框100中所示，当工作单元在容器中具有预定数量的输入工件剩余时，在方框102处产生对计算机系统22的请求，将MTU发送至单元。响应于该请求，在方框104处，计算机系统找到可满足该请求的可用MTU，并且在方框106处，系统22将该MTU发送至该单元。如方框108中所示，通过计算机系统22命令MTU将工作单元容器移动至存储位置或待由输入工件填装的位置。在方框110中，MTU或等待容器被填装，或拿起贮存有输入工件的另一个容器。如方框112中所示，命令MTU将容器移动至工作单元。

现参考图7，图7示出了待加工工件和/或已完成工件被存储在的仓库位置68、工作单元被定位在的制造位置70、和已完成的工作被装箱以便装运给顾客的装运位置72之间关系的框图。应当理解，一些实施配置可以具有任意这些类型的位置中的一个或多个，或者具有由存储位置所取代的装运位置。

应当理解，众多标准化的设备可被用于所述柔性的生产制造环境中。标准化的设备包括但不限于机器人、移动运送单元和可运送容器，并且提供该制造环境的高度柔性本质。当在制造环境中存在工序流程的改变时，将必须做出的主要改变是对规划软件的更新，而几乎不或无硬件改变。对软件的更新会包括对路径的改变，必要时规划以添加或移除工作单元。可能需要的硬件改变可能包括工具更换，其不论递送方式如何都会被要求，或添加或移除移动平台与可运送容器。因此，该标准化设备的使用允许从一个生产流程快速改变至另一个生产流程。

同样应当理解：

在机器人、硬自动化或手动工作单元中执行的工序可以包括清洗、喷涂、镀膜或表面处理；

当工作单元中的一个将制造工序从该单元正在执行的工序改变到该单元能够执行的一个或多个制造工序中的另一个工序时，计算机系统将有关待执行的制造工序的信息传送给该工作单元，其中所传送的信息可以是与单元工序相关联的软件的改变。制造工序中的改变可要求改变单元使用的工具以执行工作、和MTU路线选择调度中的改变；

由一个或多个工作单元执行的一个或多个待执行的制造工序具有不同的流程，这允许同时制造多个工件。

制造工序流程可以是对工件执行至少一个制造工序的一个或多个工作单元之一，并且还可以包括在一个或多个工作单元之一已经对工件执行了至少一个制造工序后，添加工作单元中的另一工作单元以对工件执行另一制造工序。添加另一工作单元可以要求软件改变以更新MTU的路线选择调度，要求软件更新以添加在新工作单元处待执行的任务，以及还要求添加至新工作单元的工具；以及

第一制造工序流程，其具有两个或更多工作单元，每个工作单元对工件执行至少一个制造工序，该第一制造工序流程可以被改变为第二制造工序流程，其要求具有在用于MTU的路线选择调度中做出的任何所需相关联改变的更少的工作单元。

还应当理解，所述柔性生产制造环境：

使得将生产线进行分割以制造多个不同的工件变得容易；

如果需要修理一个单元，则通过将更换装置上的执行或将会执行在待被修理的单元中的工作的工具移动到接替该工作的性能的另一单元中的更换装置，以允许另一单元接替该工作。

使得重复整个制造工序流变的简单，这样，可以并行地运行工序流程的多个实例以提高产率；

针对较长工序，使得添加并行工序以保持产率变得容易；

因为最优地不存在对运送时间的等待，所以允许单元以接近100％的使用率工作；

允许需要再加工的工件自动重新选择路径至手动站，而无需行进通过其他站，因此保持了工作单元使用率接近100％；

允许工件缓冲站位于制造环境中的任意地点，而不会像它们与传送机一起时的情况一样占用线路空间，并且可根据需要基于可用开放空间的先验知识动态地分配缓冲站；

使得随时间调谐系统变得简单，因为不需要固定的输送机重复工作；以及

在工序事件发生时，允许调度和路线选择用于将MTU递送到至少待预先规划与更新的一个或多个工作单元之一，其中，该事件例如可以是错误、次序改变、使用的MTU数目改变、工序改变请求或等待请求。

应当理解，本发明的前述示例性实施例的描述意图仅是说明性的、而非穷尽性的。本领域技术人员将能够在不偏离本发明的精神或者如由随附的权利要求所定义的其范围的前提下，对所公开主题的实施例做出某些添加、删除、和/或修改。

Claims (28)

1.一种制造系统，包括：

一个或多个工作单元，其中所述工作单元中的每个单元对一个或多个工件中的相关联工件执行一个或多个制造工序；

一个或多个移动运送单元(“MTU”)，用来将包含所述工件的可运送容器递送至所述工作单元以及从所述工作单元中递送出，所述一个或多个移动运送单元独立于所述一个或多个工作单元之间的固定就位路径并且以使得在所述工作单元中确定所述工件的位置的方式、将所述容器递送至所述工作单元；以及

计算机系统，在其中具有用于所述一个或多个MTU中的每个MTU的状态信息，并且使用所述状态信息来控制所述一个或多个MTU中的每个MTU而将所述可运送容器递送至所述一个或多个工作单元，以及从所述一个或多个工作单元递送出。

2.根据权利要求1所述的系统，其中存在由所述计算机系统所使用的已知工序流程来执行MTU选择。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述计算系统执行生产调度以及工件路线选择。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个工作单元中的至少一个工作单元包括能够执行所述一个或多个制造工序的机械设备。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述一个或多个工作单元中的至少一个工作单元包括一个或多个工业机器人臂。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述一个或多个工业机器人臂中的一个或多个臂包括工具更换装置，所述工具更换装置允许当所述一个或多个机器人中的每个机器人必须执行另一特定任务时，将适于执行所述特定任务的所述工具更换为适于执行所述另一特定任务的另一工具。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述计算机系统在其中具有用于控制所述一个或多个MTU中的每个MTU的移动的路网和交通规则。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述路网定义所述MTU遵循的车道或路径，并且所述交通规则定义必要时的用于车道或路径的单行方向、以及在可能的冲突的情况下所述一个或多个MTU中的哪个MTU拥有通行权。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个工作单元的至少一个工作单元将所述可运送容器定位在所述一个或多个工作单元的至少一个工作单元中。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个工作单元中的、正对所述可运送容器中的递送至所述工作执行工作单元的工具执行工作的每个工作单元基于还剩余多少时间来完成所述工作在预定时间请求向所述请求工作单元发送所述一个或多个MTU中的所需的MTU。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，由所述一个或多个工作单元中的每个工作单元所执行的所述制造工序以及MTU流动根据相关生产调度来进行控制。

12.根据权利要求11所述的系统，其中当工序事件发生时，所述MTU流动能够进行改变。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，在做出对于所述相关联工件在所述一个或多个工作单元之一处执行的工作发生错误的确定时，所述计算机系统命令所述一个或多个MTU中的所述相关联的MTU将具有对其执行所述工作的所述工件的所述可运送的容器递送至再加工站或处理区域中的一种。

14.根据权利要求1所述的系统，其中能够改变在所述一个或多个工作单元处的所述一个或多个制造工序，使得所述工作单元执行所述一个或多个制造工序中的不同的工序。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述计算机系统向所述工作单元传送关于所述一个或多个制造工序中的待执行的不同的工序的信息。

16.根据权利要求1所述的系统，其中同时执行多于一个的不同的工序流程，并且在多于一个不同的工序流程中使用所述工作单元中的一个或多个工作单元。

17.根据权利要求1所述的系统，其中添加所述工作单元中的一个或多个工作单元，以将所述工序中的一个或多个工序添加至所述工序流程，或者移除所述工作单元中的一个或多个工作单元，以通过改变所述MTU的交通流动而从所述工序流程中移除所述工序中的一个或多个工序。

18.根据权利要求1所述的系统，其中将一个或多个其他工作单元添加到所述一个或多个工作单元的集合中，由此提高在所述一个或多个工作单元的所述集合中的工作单元数量。

19.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个工作单元的两个或更多工作单元执行相同的一个或多个工序。

20.根据权利要求1所述的系统，其中存在一个或多个缓冲站，用于保持所述可运送容器直到所述工作单元准备好接收所述可运送容器，并且所述一个或多个缓冲容器的位置被动态分配。

21.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个工作单元中的一个或多个工作单元包括一个或多个容器站，用于接收递送至工作单元的所述可运送容器。

22.根据权利要求21所述的系统，其中所述容器站中的一个或多个容器站位于所述工作单元内的预定位置。

23.根据权利要求21所述的系统，其中所述容器站中的一个或多个容器站是对接站，用于确定所述可运送容器在所述工作单元中的位置。

24.根据权利要求1所述的系统，其中能够使用所述MTU中的多于一个MTU来运送多于一种类型的所述可运送容器。

25.根据权利要求1所述的系统，其中由所述工作单元中的每个工作单元执行的所述一个或多个制造工序在能够被动态改变的流程中执行。

26.根据权利要求25所述的系统，其中，用于所述一个或多个制造工序的所述流程仅通过软件来改变。

27.根据权利要求25所述的系统，其中，用于所述一个或多个制造工序的所述流程由于与所述制造工序相关的事件而改变。

28.根据权利要求25所述的系统，其中，改变用于所述一个或多个制造工序的所述流程以添加或移除所述工作单元中的一个或多个工作单元。