CN106249705A - 装配系统配置 - Google Patents

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Abstract

一种用于生成被装配产品的候选装配系统布局的方法包括：输入包括用于被装配产品的部件列表的材料清单，以及确定用于被装配产品的多种装配模式，所述被装配产品包括多个中间组件和子组件。基于装配模式中选定的一种确定基本任务布局，其包括用于装配所述被装配产品的装配任务。基于用于选定的装配模式的基本任务布局确定整体任务布局。选择候选装配机器用于整体任务布局，并且标识用于与装配任务有关的候选装配机器的分区约束。基于整体任务布局、选定的候选装配机器和分区约束生成候选装配系统布局，从候选装配系统布局生成候选装配系统的模拟模型。

Description

装配系统配置
关于联邦资助研究或者研发的声明
本发明是在美国能源部颁发的DE-EE-0002217的政府支持下完成的。美国政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
本发明涉及研发并且评估装配系统配置。
背景技术
研发候选装配系统配置是重复复杂和耗时的过程，其可能是最初生产计划、供应商方案评估和最终系统优化所必需的。一种方法包括手动系统建模和模拟，这可能要求高技能水平和大量时间以满意地探察选项。已知设计者采用与过去经验匹配的模式和简化的电子表格估计，这经常导致严重的预算超支或者预算不足以及非最优的最佳配合系统选择或设计。设计者在计划装配系统配置中考虑的参数包括：周期时间、报废率以及涉及处理时间、成本和生产率的生产目标。
发明内容
描述了一种用于生成被装配产品的候选装配系统布局的方法，其包括：输入包括用于被装配产品的部件列表的材料清单；以及确定用于被装配产品的多种装配模式，所述被装配产品包括多个中间组件和子组件。基于装配模式中选定的一种确定基本任务布局，其包括用于装配所述装配产品的装配任务。基于用于选定的装配模式的基本任务布局确定整体任务布局。选择候选装配机器用于整体任务布局，并且标识用于与装配任务有关的候选装配机器的分区约束。基于整体任务布局、选定的候选装配机器和分区约束生成候选装配系统布局，并且基于候选装配系统布局生成候选装配系统的模拟模型。基于候选装配系统的模拟模型执行候选装配系统的模拟以评估周期时间和吞吐量以实现被装配产品。
从以下结合附图对如随附权利要求所限定的实施本教导的一些最佳方式及其他实施例的以下详细描述中，很容易地了解本教导的上述特征和优点，以及其他特征和优点。
附图说明
现参照附图，通过实例对一个或多个实施例进行描述，其中：
图1根据本发明示意性地示出了包括多个离散的、优选有序的步骤的例程，用于标识和评估用于生产被装配产品的候选装配系统；
图2-1根据本发明图示性地示出了针对用于生产被装配产品的过程的第一开始菜单屏幕；
图2-2根据本发明图示性地示出了针对用于生产被装配产品的过程的第二开始菜单屏幕；
图3根据本发明图示性地示出了材料清单输入屏幕的实施例，其使用户能够输入用于被装配产品的材料清单用于生成候选装配系统布局；
图4根据本发明图示性地示出了装配模式输入屏幕的实施例，其使用户能够输入装配模式，该装配模式是被装配产品的中间组件或子组件；
图5根据本发明图示性地示出了基本任务布局选择屏幕的实施例，其包括屏幕窗口，该屏幕窗口示出了用于布置成菜单形式的示例装配模式的多个候选装配任务布局；
图6根据本发明图示性地示出了选定单个候选整体任务布局屏幕的实施例，即用于产生被装配产品的候选装配系统布局；
图7根据本发明图示性地示出了装配机器数据库屏幕的实施例，其用于标识多个装配机器；
图8根据本发明图示性地示出了装配机器选择屏幕的实施例，其用于选择侯选装配机器，包括具有多种装配机器类型和任务的菜单；
图9根据本发明图示性地示出了电子表格屏幕的实施例，其表明用于多个被标识任务的任务、候选机器、周期时间和成本；
图10-1和图10-2根据本发明图示性地示出了分区约束屏幕的多种实施例，该分区约束屏幕包括第一屏幕和第二屏幕，第一屏幕示出了将装配任务限制到单个装配机器的约束，第二屏幕示出了要求某些装配任务在单独的机器上执行的约束；
图11根据本发明图示性地示出了根据本发明的候选装配系统布局的一部分的框图；
图12根据本发明图示性地示出了屏幕，其包括与候选整体任务布局中的一个相关联的候选装配系统的模拟模型的图示的一部分；
图13根据本发明图示性地示出了基本机器工作表，其为用户提供向模拟器的输入，该模拟器与候选装配系统的模拟模型相关联；
图14根据本发明图示性地示出了多周期机器输入工作表的示例，其用于模拟用于零件的重复装配的多周期机器中的一个；
图15根据本发明图示性地示出了多任务机器输入工作表的示例，其用于模拟用于零件的重复装配的多任务机器中的一个；
图16根据本发明图示性地示出了多任务装配机器输入工作表的示例，其用于模拟用于零件的重复装配的多任务装配机器中的一个；
图17根据本发明图示性地示出了缓冲区工作表的示例，其用于模拟用于候选装配系统的缓冲区中的一个；
图18根据本发明图示性地示出了输送机工作表的示例，其用于模拟用于候选装配系统的输送机中的一个；
图19根据本发明图示性地示出了控制逻辑选择工作表的示例，其用于选择输入控制逻辑或输出控制逻辑中的一个，例如，用于选择用于处理零件报废的机构和用于候选装配系统模拟的机器补充；
图20根据本发明示意性地示出了直接补充控制例程，其用于控制多任务装配机器；
图21根据本发明示意性地示出了标记补充控制例程，其用于控制多任务装配机器；
图22根据本发明图示性地示出了输出工作表屏幕的示例，所述输出工作表屏幕为来自与候选装配系统的模拟模型相关联的模拟器的输出，该候选装配系统与候选整体任务布局中的一个相关联；以及
图23根据本发明示意性地示出了模拟过程概况，其用于收集信息以生成候选装配系统配置，该候选装配系统配置可进行过程模拟以结合系统要求和约束进行评估。
具体实施方式
参照附图，其中在所述这些视图中，相同数字表示相同或对应的零件，描述了用于生成、选择、优化和模拟候选装配系统配置的方法以及关联系统，其包括结合系统要求和约束，标识和评估候选装配系统布局。基于材料清单和多种优选装配模式的输入，通过计算算法自动生成多个候选任务和系统布局。可选择候选系统布局中的一个并对其进行优化以在成本和生产率方面最好地满足目标函数，包括选择优选的机器和相关的机器约束(分区)。所选装配系统布局中的装配机器可以是单任务机器、多周期机器、多任务机器和多任务装配机器中的一种。可通过考虑到生产报废、零件补充和装配任务分配的离散模拟进一步对装配系统布局进行评估。因此，结合系统要求和约束对候选装配系统配置进行标识和评估。可选择就成本、生产率和/或质量而言满足了目标函数的候选系统布局中的一个作为用于实施的优选系统布局。简化该方法以作为灵活、快速处理及易用的基于数学的工具来实践，用于装配系统的高水平规划及配置。
用于生成被装配产品的候选装配系统布局的方法包括：输入包括用于被装配产品的部件列表的材料清单，以及确定用于被装配产品的多种装配模式，所述被装配产品包括多个中间组件和子组件。基于选定的成组装配模式确定基本任务布局，其包括用于装配所述被装配产品的装配任务。可向基本任务布局中加入非标准装配任务，比如检查和电测试，以完成整体任务布局。选择候选装配机器用于整体任务布局，以及标识分区约束，其用于与装配任务相关的候选装配机器，无论是标准装配任务还是非标准装配任务。通过基于整体任务布局、选定的候选装配机器和分区约束的优化算法计算生成候选装配系统布局。基于候选装配系统布局生成候选装配系统的模拟模型以及用于模拟数据输入/输出的工作表。基于候选装配系统的模拟模型执行模拟以评估周期时间和生产量以实现被装配产品。现对此进行详细描述。
图1示意性地示出了例程100，其包括多个离散的、优选有序的步骤，用于标识和评估用于生产被装配产品的候选装配系统。每个步骤包括通过图形用户界面的用户输入或算法的执行。提供表1作为密钥，其中下面阐明了以数字标记的方框以及相应的函数，与例程100相对应。
表1
总体而言，例程100可被简化来作为基于数学的、用于配置用于生产被装配产品的装配系统的工具来实施。例如，用于布局在地面车辆上的锂电池组的一个实施例包括几个模块。在每个模块中，具有电池单元堆和辅助部件，诸如框架、散热片和压缩泡沫。部件可以某些重复模式进行装配，诸如框架-电池-泡沫-电池-片的模式。多个重复模式单元可与非重复模式或堆的两端上的部件一起直接堆叠在一起，以形成模块或部分。可选地，若干重复模式单元可被封闭在硬金属容器或罐中，其中硬金属容器或罐接着被堆叠入模块中。在生产中，有不同的方式来配置电池装配系统。例如，每个电池部件都可通过单独的机器或站点相继地进行堆叠，从而产生串行传送线。可选地，所有电池部件都可在灵活的机器或站点中进行装配，从而产生具有多个重复设置的并行系统。可选地，可存在串并行混合系统配置，其包括一些预装配入子组件中的电池部件，其中子组件接着与其他部件或子组件一同装配以形成最终产品。
例程100可被用来结合特殊的系统要求或约束生成候选装配系统布局，并选择满足与成本、生产率和质量的用户选择约束相关的目标函数的最佳系统，其中所有这些操作都通过分析或计算系统引擎进行。例程100可被实施为一个或多个控制器执行的算法，其采用用户通过计算机屏幕上显示的多个图形用户界面输入的信息。例程100的某些元素允许或需要用户输入，其通过具有实线105的方框来表示。例程100的某些元素为可执行元素或计算引擎，其通过具有虚线110的方框来表示。
术语控制器、控制模块、模块、控制、控制单元和处理器以及类似的术语指的是专用集成电路(ASIC)、电子电路、中央处理单元(例如微处理器)和形式为内存和存储设备(只读、可编程只读、随机访问、硬驱动等等)的相关的非瞬时存储部件中的任意一种或各种组合。非瞬时存储部件能够以一个或多个软件或固件程序或例程、组合逻辑电路、输入/输出电路及装置、信号调制及缓冲电路以及可被一个或多个处理器访问以提供所述功能的其他部件的形式，来存储机器可读指令。软件、固件、程序、指令、控制例程、代码、算法和类似的术语指的是任何控制器可执行的指令集，包括校准和查找表。各个控制器执行控制例程来提供期望的功能，包括监测来自于传感装置和其他联网控制器的输入，以及执行控制和诊断例程来控制致动器的运作。控制器间的通信、以及控制器与致动器和/或传感器之间的通信可通过直接有线链路、联网通信总线链路、无线链路或任何其他合适的通信链路来实现。通信包括以任何合适形式的数据信号交换，包括例如经由导电介质的电信号、经由空气的电磁信号、经由光波导的光信号等等。
用户可通过开始菜单200启动例程100，参照图2-1所示，开始菜单200包括第一开始菜单屏幕201，以通过利用用于生产被装配产品的装配系统布局的示例性配置、用于生产被装配产品的装配系统布局的现有配置或用于生产被装配产品的装配系统布局的新配置中的一个，来研发用于生产被装配产品的优选程序。参照表2所示，第一开始菜单屏幕201可包括形式为用户可选元素的屏幕布置，如下所示。
表2
用户可选元素包括示例性配置210、现有配置A204、B 206和C 208以及用于生产被装配产品的新配置212。当用户选择用于装配系统布局的配置(204、206、208、210或212)中的一个时，例程100从用户处寻求与生产能力相关的输入，其显示在生产能力屏幕250上，参照图2-2所示。用户可在生产能力屏幕250中输入期望的生产信息。
如参照表3所示出的，如下所示，生产能力屏幕250可包括屏幕布置，其中屏幕布置包括用于基本生产运行数据的用户可选内容。
表3
图3图示性地示出了材料清单输入屏幕301的实施例，其使得用户能够输入材料清单，该材料清单包括用于生成候选装配任务和系统布局(300)的被装配产品的部件清单。输入屏幕301优选地包括第一部分310，其中第一部分310包括多个可被选择用于被装配产品中的已知或常用部件。输入屏幕301还可包括第二部分320，第二部分320包括用于增加其他用于被装配产品中的部件的输入屏幕。用户可选择已知部件，并为被装配产品增加其他部件，包括为各部件分配字符，例如A-Z。诸如尺寸和质量等部件规格可在此时由用户输入。标准或常用部件可在菜单的左窗格上显示或输入，特殊部件可在右窗格上显示或输入。用户还可指示输入或装入部件是否需要独立的装配机器或经由预装载盒的操作。
图4图示性地示出了装配模式输入屏幕401的实施例，装配模式输入屏幕401使用户能够为被装配产品(400)输入装配模式402。输入的装配模式402可以是被装配产品的中间组件或者子组件。用户优选地将整个组件分解成多个中间组件或子组件，称为装配模式(R1、R2、...)。每个装配模式402可以含有多个部件或子组件的混合，它们的符号按照与被装配产品的实际设计相同的顺序列出。
在每个装配模式中，可能存在多种装配部件的方法，同时对于被装配产品保持相同的顺序。例如，ABC可以是(AB)C，即先将A和B装配成(AB)，然后装配(AB)和C；或者A(BC)，即先将B和C装配成(BC)，然后装配A和(BC)；或者(ABC)，即这次装配可以是(AB)C，另外一次是A(BC)。(AC)B的顺序不是可接受的方法，这是因为它改变了要求B夹在A和C之间的装配顺序。
用于标识把装配模式进行排序的所有组合的一种方法可以被称为枚举。枚举包括标识装配部件的保持用于被装配产品的相同顺序的所有候选布置，包括确定装配模式，该装配模式包括部件或子组件的顺序的组合。控制例程可以通过将装配布局转换成字符串，诸如((((AB)C)D)E)、(ABCDE)、((AB)(CDE))，来自动枚举所有的候选装配任务或系统配置，其中字符{A、B、C、D、E}表示将被按照列出的ABCDE的顺序装配的部件，并且每对圆括号代表装配操作或任务，例如堆叠。枚举一般可以被表述为具有n个元素{a1，a2，a3，…an}的P(n)要按照列出的顺序分组的分层分组问题。因而，候选配置可以通过下面的分层和递归分组过程来生成。总的来说，这包括步骤1，其包括枚举所有的用于分组两个元素的非重复情况，例如{(a1a2)a3…an}，{a1a2(a3a4)…an}，…{a1a2a3…(an-1an)}。在同一时间只有两个元素被合并，并且不允许多个两元素的分组，例如{(a1a2)a3…(an-1an)}。在每种情况下，分组的元素被当作一个完整的元素，并且由于只剩下n-1个元素，枚举问题简化成P(n-1)问题。接着是步骤2，其中枚举所有的用于分组三个元素的非重复情况，例如{(a1a2a3)…an}，…{a1…an-3(an-2an-1an)}。在每种情况下，分组的元素被当作一个完整的元素，并且由于只剩下n-2个元素，枚举问题简化成P(n-2)问题。该枚举操作通过索引步骤继续进行到步骤n-1，步骤n-1包括枚举用于分组所有n个元素的非重复情况。显然，只有一组功能配置，即(a1，a2，a3，…an)。在P(n)的每一个步骤，例如第i个步骤处，上面的过程被用于解决枚举问题P(n-i)。类似地，在P(n-i)的第j个步骤处，上面的过程又被用于解决枚举问题P(n-i-j)。相同的递归枚举方法继续进行连续的分层级数，直到仅存在一组候选系统配置。由于特殊的装配要求或约束，过滤功能可以被嵌入到递归算法中以筛选出不期望的配置。
表4示出了对于元素A、B、C、D进行枚举分析以确定候选装配模式的一个实例，该候选装配模式包括部件或子组件的顺序的组合，其包括用于标识候选装配模式的数字索引，装配部件同时保持用于被装配产品的相同顺序的多种方法的枚举，以及枚举的物理解释。可以为被装配产品形成这种候选装配模式。
表4
图5图示性地示出了基本任务布局选择屏幕501的实施例，包括屏幕窗口，其示出了用于以菜单形式排列的示例性装配模式504的多个候选基本任务布局502。基本任务布局包括用于基于所选择的一个装配模式来装配所述被装配产品的装配任务。为了单个装配模式完成基本装配布局，可存在多种装配模式按串联、并联和/或级联顺序排列用于整个装配任务。示例性的装配模式504包括下面的模式，其仅出于说明的目的：E–R3–R4–R3-R2-F，其中该模式的每个元素表示单个部件或子组件。如图所示，由于与屏幕大小、窗口大小、字体大小及其他因素相关的限制，多个候选装配布局502是所有可能的基本任务布局的子集。具体的一个候选装配任务布局502，即候选装配任务布局506也被示出。以菜单形式显示的多个候选装配任务布局502表明了用于组合部件或子组件的顺序制作装配模式的所有候选方式，并且如参考枚举算法所描述的被确定。用户选择基本任务布局(500)中的一个。
相关的装配布局流程图550可以由控制器生成，并反映用于特定候选装配布局506的装配流程图，该装配流程图表明用于与候选装配任务布局506相关联的装配模式的关联组合顺序。如图所示，每个气球552表明原料，每个方框554表明装配任务，例如移动或组合原料或子组件。表明装配任务的方框554通过箭头556连接，箭头556表示实现被装配产品或者子组件560的动作的顺序。用户选择一个以便进行到下一组合模式(500)的组合顺序选择。
图6图示性地示出了单个候选的整体任务布局屏幕601的实施例，即产生被装配产品的候选装配系统布局，该候选装配系统布局是基于先前的输入(600)由控制器生成的。候选的整体任务布局屏幕601是使用基本任务布局选择屏幕501的结果和用于每一装配模式的顺序组合的用户选择来产生的，其中的一个由候选装配任务布局506表明。候选的整体任务布局屏幕601的元素包括标准装配任务，其被包括在基本任务布局中，基本任务布局包括中间组件，其中的一些由白色背景表明，诸如元素602。元素进一步包括需要添加到候选装配系统中的非标准任务，诸如泄漏测试、视觉检查、电气测试(OCV或开路电压)，其中的一些由具有虚线的方框604指示。用户能够通过在屏幕上指出和点击适当的位置并输入非标准任务名称，在任何标准装配任务之前、之间或之后添加非标准操作。通过将一对方括号添加到它前面任务的符号的周围来表示非标准任务，不管前面的任务是标准的还是非标准的都是如此。
图7图示性地示出了装配机器数据库屏幕701的实施例，该屏幕使用户能够输入并更新各装配机器(700)的参数。装配机器数据库屏幕701标识并且优选图示性地示出了多个装配机器702，包括例如桁架式机器人、SCARA(选择顺应性关节机器人手臂)机器人、PKM(并联运动机器)机器人和关节机器人。每一装配机器702具有与性能和成本有关的相应参数704，包括例如最大速度、加速率和年度成本投资。用户可以根据需要改变任意参数704。
图8图示性地示出了用于选择候选装配机器的装配机器选择屏幕801的实施例，其优选包括菜单810，菜单810包括多个装配机器类型802和任务804。这使用户能够选择候选装配机器(800)。列出的装配机器类型802是出于说明目的的实例，并且包括例如桁架式机器人、SCARA机器人、PKM机器人、关节机器人和非标准装配机器。数据库中单独机器的参数数据可以通过首先点击屏幕光标从而在屏幕801中高亮显示装配机器的工作表单元格，然后点击编辑机器按钮803，来进行修改。子菜单(未示出)将弹出给用户以改变参数数据。编辑机器按钮803还可以用于通过点击并高亮显示装配机器类型802的列中的空白单元格，来添加新的装配机器。
桁架式机器人被配置为沿着三个线性轴线(X,Y,Z)移动，因而具有呈矩形块形状的工作行程。笛卡尔(X,Y,Z)配置允许桁架式机器人在其工作行程内高度可定制。有效载荷和速度可以随着致动器、轴线长度和支承结构的选择或设计而变化。桁架式机器人的优点包括容易的工作空间布局、通过堆叠线性致动器易于进行配置，以及由于较高的结构刚性带来的最佳精确性和可重复性。一些桁架式机器人由于移动轴线的固定长度在空间利用上是低效率的。
SCARA机器人可以具有四个运动轴线，其中三个轴线在圆柱形工作行程中运行，而剩下的一个用于旋转零件定向。机器人手臂在X-Y平面中可以是稍微水平顺应的，但是在垂直的Z方向上是刚性的。SCARA机器人对于可重复的移动是快速的，并且对于小的足迹是低成本的。SCARA已知在尺寸上是小的，并且具有相对低的有效载荷容量。
由于六个旋转轴线或关节，关节机器人具有高度的灵活性，最接近人类组合的手臂和腕部。六个旋转关节允许关节机器人达到球形工作空间，并且同时让关节机器人能够在所有方向或路径上灵活地抓住或移动零件，该球形工作空间比单独机械连接件的长度大得多。关节机器人因此是最紧凑的材料处理设备。然而，具有伺服马达和连接电缆的串联连接件手臂和关节形成了相对重的、长拉伸的质量或惯性，这可能妨碍它们的速度、响应时间和结构刚性。此外，由于相对于桁架式机器人轴线的固定的、独立的不精确性，串联旋转关节具有通过连接件放大运动误差的特性，关节机器人是精确度较差的。
PKM机器人具有某种配置，该配置具有多组串行连接件，这些串行连接件在固定基座和移动平台上均连接在一起。每一串行连接件具有可独立控制的线性或旋转致动器。通过调整致动器的运动，PKM机器人可以用作三轴线机器人以在锥状工作空间中移动零件。类似地，通过添加具有额外轴线的腕部，PKM机器人可在移动平台上改变零件方向。存在各种PKM概念。
非直接装配任务可包括开路电压测试器(OCV)、条形码标签读取器(条形码标签)、焊接机(激光焊)、焊接检查器(激光检查)、电连续性测试器(电测试)、质量控制监视器(QC)和压缩装置。其他机器类型可被所列的示例性机器类型802取代或与所列的示例性机器类型802一起被使用。任务804与每种机器类型802相关联并且包括标准或非标准任务，例如第一行所示的R1、R2、R3和R4。任务名称包括例如电池翻转、堆叠和OVC。菜单801的阴影部分805表示该关联装配机器类型可能无法完成的任务。阴影部分805表示用于非标准装配任务的装配机器不能被选用于标准任务，反之亦然。对于非标准任务，通常仅一种特定的机器类型可被选用于装配过程。所选的元素807(Y)表示用于相关任务的选定或优选机器类型。菜单801显示用于执行标准或非标准装配任务的所有可用装配机器。对于标准任务，用户可以挑选多种类型的装配机器。优化算法将有助于选择一种优选的装配机型。诸如每种装配机器类型的周期时间和成本等机器参数可由用户根据需要进行修改。
图9图示性地示出了电子表格屏幕901的实施例，电子表格屏幕901表明任务、候选机器和用于多项被标识任务的周期时间和成本，例如那些与参照图6所示在此描述的候选整体任务布局601相关联的任务。电子表格901的单行902(1-25号)表明被标识的任务。单列904包括任务号(编号)、装配模式(模式)、装配任务的描述(任务描述)、所选的装配机器类型(机器类型)、完成单项任务的操作时间(单位操作时间(sec))、操作数量(Operations)、完成装配任务的操作时间(单位周期时间(秒))、总周期时间(总周期时间(秒))、单件成本(单件操作成本($))以及用于装配机器的总货币投资($MM)。数据由控制例程基于之前用户输入及嵌入式数据库和计算公式(900)自动生成。电子表格中的数据将被输入系统优化计算用于确定优化的系统布局。用户仍然可以微调电子表格屏幕901中的单位周期时间和成本数据，以提高精确度。
图10-1和10-2图示性地示出了分区约束屏幕的实施例，分区约束屏幕向控制例程提供输入。用户能够通过分区约束屏幕(1000)将分区约束输入到控制例程。分区约束包括将装配任务限定到单个装配机器的约束以及将装配任务分离到独立的装配机器的约束。图10-1图示了第一屏幕1001，其表示了将装配任务限定到单个装配机器的约束，这里称为类型1分区约束(分区约束类型1)。这些约束可以是用户可选约束，用户可选约束表明必须被执行或应该被指定到相同装配机器的任务。第一屏幕1001包括第一菜单1002，第一菜单1002包括多个可被添加或删除的可选约束(约束1，…约束8)。每个可选约束是可限定的。用户可以限定或添加约束到装配任务，以实现更高的装配效率和更好的装配性质。第一屏幕1001包括第二菜单1004，第二菜单1004包括多个可选的任务1014，例如R1、R2、R3、R4和R6，这些可选的任务可以具有被指定作为类型1分区约束的一部分的可选约束中的一个，该可选约束表明必须被执行或应该被指定到相同装配机器的任务。例如，一台可以扫描、打印和传真的多功能办公机器比三台单独执行每项任务的独立机器更省空间，因此表明了类型1分区约束的一种形式。
图10-2图示性地示出了第二屏幕1050，其表示了一个或多个约束，该约束将装配任务强制地分离到不同的装配机器，这里称为类型2分区约束(分区约束类型2)。这些约束可以是用户可选约束，用户可选约束表明装配任务不兼容并且应该被指定到不同的装配机器。不兼容的装配任务实例包括涂漆和焊接。第二屏幕1050包括第一菜单1052，第一菜单1052包括可被添加或删除的可选约束(约束1)。每个可选约束是可限定的。用户可以限定或添加不兼容的约束。第二屏幕1050包括第二菜单1054，第二菜单1054包括多个可选的任务，例如R3、R4和R7，这些可选的任务可以具有被指定作为部分类型2分区约束的一部分的可选约束中的一个，其表明任务不兼容并且应该被指定到不同装配机器。
执行优化算法(1080)，以生成形式为候选装配系统布局(1100)的优化系统布局。
图11图示性地示出了屏幕1101，其与生成候选装配系统布局的结果相关联，例如参照图6所描述的并且考虑到参照图10-1和图10-2所述的类型1和类型2分区约束。屏幕1101如框图所示，形成了候选装配系统布局1110的一部分和相关联的用户输入菜单1150。装配系统布局1110如流程图所示，该流程图包括多个框图元素1112至1120。示例性的装配系统布局1110对应参照图6所述的候选整体任务布局601中的一个。框图元素1112至1120中的每一个代表装配站点，例如站点1、站点2等，并示出了相关联的装配站点中所涉及到的示例性部件、子组件和程序。相关信息可包括在站点处的装配机器的数量(例如数量＝1)以及来自相关联的装配站点的每小时工作量(JPH)。结果可以进一步包括与年吞吐量、投资和运行成本相关的信息。
用户输入菜单1150包括与装配站点相对应的多个站点描述符，例如站点1、站点2等。每个站点描述符包括站点名称(例如站点1)、机器类型、在站点处的机器的数量(机器的数量(Number of Machines))以及相关联的名称(名称(Name))、分配至站点的任务的数量(已分配任务的总数量(Total Number of Allocated Tasks))、以及已分配任务的列表(已分配任务列表(Allocated Task List))，其中，已分配任务来源于参照图6所述的候选整体任务布局601。用户输入菜单1150允许用户手动选择并输入在站点处的机器的数量(机器的数量)1152，由此允许用户通过改变在站点中的机器的数量并基于更新后的值生成相关候选装配系统布局来执行假设场景。由此，用户能够生成与候选装配系统布局1110相关联的候选装配系统的模拟模型。候选装配系统可以在模拟器中用于评估吞吐量。
图12图示性地示出了屏幕1201，其包括与通过控制例程(1200)生成的候选装配系统布局1110相关联的候选装配系统1210的模拟模型的一部分。用于候选装配系统布局1100的候选装配系统1210的模拟模型可以作为向商用模拟软件包的输入以便评估周期时间和吞吐量以完成被装配产品。考虑到涉及装置性能、约束、资源和其他因素，已知的模拟软件包采用数学公式按照方便预测实验的方式表示并建模包括涉及元素行为的多个离散事件的过程。候选装配系统1210的元素包括多个站点(电池负载(CellLoad)、开路电压(OCV)等)1212、多个缓冲区(缓冲区1(Buffer_1)等)1214、多个输送机(Conv_1等)1216，以及相关输入、输出(SHIP)1218和报废操作(SCRAP)1220。
图13示意性地示出了基本机器工作表1301，其被生成用于输入至与参照图12(1300)的候选装配系统1210的模拟模型1201相关联的模拟器。基本机器工作表1301标识多个被标识站点(站点ID(Station ID))1310、以及相关联的名称(机器名称(Machine Name))1320，示例性的相关联因子包括负载的数量1322、机器的数量1324、周期时间1326、平均故障间隔时间(MTBF)(秒)1328、平均修复时间(MTTR)(秒)1330、报废百分比1332、可靠性1334，以及用于每个站点的购买成本1336。
基本机器工作表1301被自动地生成用于候选装配系统1210，具有输入值，例如来源于输入的周期时间。用于MTBF(“平均故障间隔时间”)1328、MTTR(“平均修复时间”)1330和报废率1332的值被填入默认值，并且可以由用户设置。此外，多周期机器(“多周期”)、多任务机器(“多任务”)和多任务装配机器(“MT组件”)的细节可以经由工作表而输入。借由定义，简单机器具有单个输入和单个输出，装配机器具有多个输入和单个输出，多任务机器具有单个输入和多个输出，多任务装配机器具有多个输入和多个输出。生产报废，如果在零件补充或者装配任务分配中没有适当地处理，由于空输入(缺乏)或者过满输出(阻塞)可以引起系统停止。
图14示意性地示出了多周期机器输入工作表1401的实例，其被生成用于模拟涉及零件重复装配(1400)的多周期机器中的一个。工作表1401可以被自动地生成并被供应作为至参照图13所示的基本机器工作表1301的输入以便输入至与参照图12的候选装配系统1210的模拟模型1201相关联的模拟器。输入包括在邻近列中示出的操作数(OP#)1402、操作说明(OP说明)1404和周期时间(周期时间(秒))1406，其包括多种装配模式(R1等)1410和部件(CellP等)1420。装配模式(R1等)1410和部件(CellP等)1420来源于参照图4至图6所述的任务布局输入。用户能够改变工作表1400中的任何数据以执行假设模拟和分析。
图15示意性地示出了多任务机器输入工作表1501的实例，其用于模拟涉及零件重复装配(1500)的多任务机器中的一个。工作表1501可以被自动地生成并被供应作为至参照图13所示的基本机器工作表1301的输入以便输入至与参照图12的候选装配系统1210的模拟模型1201相关联的模拟器。输入包括在邻近列中示出的操作说明(OP说明)1504和周期时间(周期时间(秒))1506，其包括多种装配模式(R1等)1510和部件(CellP等)1520。装配模式(R1等)1510和部件(CellP等)1520来源于参照图4至图6所述的任务布局输入。用户能够改变工作表1500中的任何数据以执行假设模拟和分析。
图16示意性地示出了多任务装配机器输入工作表1601的实例，其用于模拟涉及零件重复装配(1600)的多任务装配机器中的一个。工作表1601可以被自动地生成并被供应作为至参照图13所示的基本机器工作表1301的输入以便输入至与参照图12的候选装配系统1210的模拟模型1201相关联的模拟器。输入包括在邻近列中示出的操作数(OP#)1602、操作说明(OP说明)1604和周期时间(周期时间(秒))1606，其包括多种装配模式(R1等)1610和部件(CellP等)1620。装配模式(R1等)1610和部件(CellP等)1620来源于参照图4至图6所述的任务布局输入。用户能够改变工作表1600中的任何数据以执行假设模拟和分析。
图17示意性地示出了缓冲区工作表1701的实例，其用于模拟涉及装配系统(1700)的缓冲区中的一个。工作表1701可以被自动地生成并被供应作为至参照图13所示的基本机器工作表1301的输入以便输入至与参照图12的候选装配系统1210的模拟模型1201相关联的模拟器。输入包括在邻近列中示出的缓冲区标识(缓冲区ID)1702、位置描述(描述)1704和容量(容量)1706。每个缓冲区的容量的默认值为1。用户能够改变工作表1701中的任何数据以执行假设模拟和分析。
图18示意性地示出了输送机工作表1801的实例，其用于模拟涉及装配系统(1800)的输送机中的一个。输送机工作表1801可以被自动地生成并被供应作为至参照图13所示的基本机器工作表1301的输入以便输入至与参照图12的候选装配系统1210的模拟模型1201相关联的模拟器。输入包括在邻近列中示出的输送机转位时间(输送机转位时间(秒/步骤))1810、输送机名称(输送机名称)1802、位置描述(描述)1804和线性长度(长度)1806。每个输送机的长度的默认值为1。输送机转位时间1810的默认值为1秒。用户能够改变工作表1801中的任何数据以执行假设模拟和分析。
图19示意性地示出了控制逻辑选择工作表1901的实例，其用于选择输入控制逻辑或输出控制逻辑中的一个，例如用于选择用于处理零件报废的机构和用于模拟装配系统(1900))的机器补充。控制逻辑选择工作表1901可以被自动地生成并被供应作为至参照图13所示的基本机器工作表1301的输入以便输入至与参照图12的候选装配系统1210的模拟模型1201相关联的模拟器。输入包括一个或多个控制变量1902和相关值1904。示出了单个控制变量，其表示为具有用户可选值为1的控制逻辑1903，如图所示。用户能够改变控制逻辑选择工作表1901中的任何数据以执行假设模拟和分析。产品报废如果在部件补充或装配任务分配中未能适当地加以处理，可能由于空输入(缺乏)或过满输出(阻塞)导致系统停止。可能存在两种控制逻辑算法，用于处理在多任务装配机器处的零件报废，其被称为直接补充和标记补充。
图20示意性地示出了用于控制多任务装配机器的直接补充控制例程2001。在正常生产中，每个多任务装配机器基于规定任务顺序和数量处理零件。多任务装配机器恒定地检查其输入线和输出线的零件库存。如果对于当前任务，输入线是空的或者输出线是满的，那么机器直接跳过该任务直到具有可用的输入零件和输出空间的任务(2000)。在直接补充控制例程2001的实例中，该操作被执行。提供表5作为密钥，其中下面阐明了数字标记方框以及相对应的函数，其与直接补充控制例程2001相对应。
表5
直接补充控制例程2001优选在完成其每个指定任务之后执行，这些任务优选地按顺序被执行。一旦启动新任务(2010)，多任务装配机器确定输入零件是否已被供应至其输入线，即输入零件是否可用(2010)，如果是(2012)(1)，则确定是否存在输出空间(2014)。如果存在(2014)(1)，则零件根据其分配任务被输入至多任务装配机器(2016)，并按照所分配的任务执行任务装配过程(2018)，并且所装配的零件被推动至多任务装配机器的输出(2020)。如果没有输入零件可用(2010)(0)，或者如果没有可用的输出空间(2014)(0)，那么多任务装配机器跳过该任务以执行下一任务，并且被装配的零件被推动至多任务装配机器的输出(2020)。作为分析的一部分，可以采用并在模拟器中模拟该直接补充控制例程2000。
图21示意性地示出了用于控制多任务装配机器的标记补充控制例程2101。在正常生产中，每个多任务装配机器基于规定任务顺序和数量处理零件。就在当前原材料常规释放周期完成之后，系统中出现的任何报废将通知前部装载机器补充构成已报废装配的原材料。补充的材料或部件被标记以标识任务，特别是在多任务装配机器报废的情况下。将按照标记的任务进行补充，然后机器恢复其装配的常规任务顺序。如果补充恰巧由与标记相关的机器处理，那么将标记从组件移除；否则，标记留在补充零件处(2100)。在标记补充控制例程2101的实例中，执行该操作。提供表6作为密钥，其中下面阐明了数字标记方框的以及相对应的函数，其与标记补充控制例程2101相对应。
表6
用于控制多任务装配机器的标记补充控制例程2101的一种实施例的操作包括将新零件输入至多任务装配机器(2102)并确定零件是否被标记(2104)。如果未被标记(2104)(0)，按照预定顺序处理任务(2112)，评估零件以确定它是否为报废零件(2114)。如果不是报废零件(2114)(0)，按照任务将组件推至输出(2122)。如果已被标记(2104)(1)，按照标记处理任务(2106)，评估零件以确定它是否为报废零件(2108)。如果不是报废零件(2108)(0)，评估标记以确定它是否被标记至任务(2110)。如果任务被标记(2110)(1)，那么移除标记(2120)，并按照任务将组件推至输出(2122)。如果任务未被标记(2110)(0)，那么按照任务将组件推至输出(2122)。如果部件为报废零件(2114)(1)或(2108)(1)，那么将零件推至报废过程(2130)。激活报废过程(2130)，该报废过程(2130)包括执行补充请求(2132)，并且补充材料和报废任务机器都被标识(2134)。例程验证了补充(2136)，并且如果补充存在(2136)(1)，那么执行补充材料释放周期(2138)、标记补充零件(2140)并评估是否完成补充材料释放周期(2142)。该操作继续执行补充材料释放周期(2138)、标记补充零件(2140)直到补充材料释放周期完成(2142)(1)。当补充材料释放周期完成(2142)(1)或补充请求不存在(2136)(0)时，执行下一释放周期(2144)，包括执行常规原料释放周期直到完成(2146)、(2148)(0)及(2148)(1)。作为分析的一部分，可以使用并在模拟器中模拟该标记补充控制例程2100。
将前述信息输入至模拟工具，即模拟器中，其评估候选装配系统并提供结果。市场上可以买到采用控制器-可执行软件形式的模拟工具，因此本文未做详细讨论。此类模拟工具包括生成统计精确的模型，例如候选整体任务布局600其中之一，其表示用于预测性实验的系统的行为。
图22图示性地示出了输出工作表屏幕2201的实例，它是来自模拟器的输出，该模拟器与参照图12的候选装配系统1210的模拟模型1201相关联，以生成模拟输出(2200)。输出工作表2201用前述评估2240的相关图形描绘来标识多个已被标识的站点(站点ID)2220、相关名称(详细说明)2222、形式为“时间工作％”的所得评估(工作)2224、闲置或空缺时间的％(空缺闲置)2226、阻塞时间的％(阻塞)2228以及正在维修时间的％(正在维修)2230。
图23示意性地示出了模拟过程概况2300，其用于收集信息以生成候选装配系统配置，可对该配置进行过程模拟以结合系统要求和约束进行评估。模拟过程概况2300包括算法形式的控制例程及驻留在控制器2350可操作的存储器中的相关控制例程，包括形式为触摸屏、键盘或其他合适机构的图形用户界面。控制例程优选地包括与参照图1及相关图2-图22所述的例程100的元素相关的算法，其形式为离散的、有序的步骤，用于标识并评估候选装配系统以产生被装配产品。这优选地包括产品及过程输入菜单、任务布局生成及选择、系统约束选择菜单、基本机器数据生成以优化系统布局和机器数据(2310)。
如参照图1-图21所述，第一应用程序界面(API)2320将有关机器、缓冲区、输送机、控制逻辑的用户输入转译成模拟软件中可用的信息，并且第二API 2330生成候选装配系统配置的模拟模型以及对于模拟软件中可用信息的废弃控制逻辑。所有前述信息通过通信传输至过程模拟器2180，其模拟了操作并生成评估，例如如参照图22的输出工作表2200所示。用户能检查该信息并决定执行附加模拟(2380)(1)或结束执行(2380)(0)，2390。就成本而言，候选系统布局其中之一满足了目标函数，可选择生产率和/或质量作为用于实施的优选系统布局。简化该方法以作为灵活、快速处理及易用的基于数学的工具来实践，用于装配系统的高水平规划及配置。
多个候选系统的结果可与任何约束相结合，诸如要求将每个任务只分配给一种类型的装配机器的简化系统策略、要求在下游任务可被处理之前完成上游组件或子组件的平衡材料流量策略、要求总投资及运行成本不超过预算限制的系统成本约束，以及系统吞吐量必须满足或超过所需生产量的要求。可对候选系统的结果进行线性编程以标识优选装配系统布局，其能最小化目标函数，例如将成本降至最低。文中所述概念提供了用户友好的模拟，手动建模不复杂，包括能够快速建模并模拟用于系统优化及决策制定的候选装配系统。这有助于装配系统规划和决策制定，并减少用于生产系统模拟的时间及成本。
具体实施方式和附图是对本发明教导的辅助性描述，但本发明教导的范围仅由权利要求限定。尽管已经对用于实施本发明的一些最佳方式及其他实施例进行了详细描述，但各种用于实践本发明的备选设计和实施例限定在所附权利要求中。

Claims (10)

1.一种用于生成被装配产品的候选装配系统布局的方法，所述方法包括：
将材料清单输入到控制器，所述材料清单包括用于所述被装配产品的部件列表；
由所述控制器确定用于所述被装配产品的多种装配模式，所述被装配产品包括多个中间组件和子组件；
基于所述装配模式中选定的一种确定基本任务布局，所述基本任务布局包括用于装配所述被装配产品的装配任务；
由所述控制器基于用于所述选定的装配模式的所述基本任务布局生成整体任务布局；
选择候选装配机器用于所述整体任务布局；
标识用于与装配任务有关的所述候选装配机器的分区约束；
由所述控制器基于所述整体任务布局、所述选定的候选装配机器和所述分区约束生成候选装配系统布局；
基于所述候选装配系统布局生成候选装配系统的模拟模型；以及
基于所述模拟模型执行所述候选装配系统的模拟以评估周期时间和吞吐量以实现所述被装配产品。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定用于包括多个中间组件和子组件的所述被装配产品的所述多种装配模式进一步包括执行枚举以标识部件和子组件的顺序的候选组合以装配维持所述被装配产品的相同次序的所述部件。
3.根据权利要求1所述的方法，其中基于用于所述选定的装配模式的所述基本任务布局生成整体任务布局包括将非标准任务整合到所述基本任务布局中。
4.根据权利要求3所述的方法，其中整合非标准任务包括将有关泄漏测试和电测试的任务整合到所述基本任务布局中。
5.根据权利要求1所述的方法，其中标识用于所述候选装配机器的分区约束包括标识将装配任务限制到单个装配机器的约束，以及标识将装配任务分离至独立的装配机器的约束。
6.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述候选装配系统布局生成候选装配系统的模拟模型进一步包括生成基本机器工作表，所述基本机器工作表标识工作站以及与装配机器的数量、周期时间、可靠性和成本有关的相关因素。
7.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述候选装配系统布局生成候选装配系统的模拟模型进一步包括生成多周期机器输入工作表以将多周期机器模拟为涉及所述装配模式之一的所述候选装配系统的元素。
8.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述候选装配系统布局生成候选装配系统的模拟模型进一步包括生成多任务机器输入工作表以将多任务机器模拟为涉及所述装配模式之一的所述候选装配系统的元素。
9.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述候选装配系统布局生成候选装配系统的模拟模型进一步包括生成多任务装配机器输入工作表以将多任务装配机器模拟为涉及所述装配模式之一的所述候选装配系统的元素。
10.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述候选装配系统布局生成候选装配系统的模拟模型进一步包括生成缓冲区工作表以将缓冲区模拟为涉及所述装配模式之一的所述候选装配系统的元素。
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