CN116963975A - 柔性高速制造单元(hsmc)系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高速制造单元(HSMC)(80)系统。该系统包括连接在一起的多个高速制造单元(80),使得生产线上的零件经过每个单元(80)并被处理。各个HSMC通过采用直接驱动线性和/或旋转电机来进行多种制造过程。本发明包括智能对准方法(SAM)以及用于HSMC的接口等，以减少在现场建立生产线所花费的总时间。

Description

柔性高速制造单元(HSMC)系统

技术领域

本发明涉及自动化制造中使用的柔性高速制造单元(HSMC)系统，具体地，各个HSMC能够对零件执行各种各样的制造加工，且便于零件在HSMC内从一个点转移到另一个点。该系统适用于电气和电子模块或组件及子组件的制造。

背景技术

如今，将工厂自动化技术引入制造业的主流方法是有选择地应用自动化并创建自动化孤岛，即一种允许从常规或机械制造过渡到自动化装配的方法。

在当今快速变化的环境中，产品的生命周期缩短，企业希望在短时间内提高产量或建立新的生产线，以满足消费者需求并获得市场竞争力。实现高产量的常规方法是增加平行线或同时处理多种产品。这些方法的缺点是占地面积增加，对产品公差的要求增加，以及加工站内堵塞或碰撞的风险增加。密歇根大学NSF可重构制造系统工程研究中心进行的一项调查显示，工业界对多级系统占据的大面积“非常不满意”(参见US2004/0255449A1)。当工厂考虑最大限度地利用制造空间时，这一关切非常重要。生产过程中与产品处理相关的问题也很重要，因为现今制造的产品越来越紧凑和复杂，需要各种复杂的制造过程。

出于以下经济或物流原因，生产线可能会迁移：国家对行业的吸引力、原材料的获取、物流成本的降低、地理上更靠近目标市场板块，或为生产车间内的二级生产线腾出空间。每次迁移，都需要时间在新的位置进行设置，降低了生产线的整体运行效率。

美国专利(No.2004/0255449A1)公开了一种用于非现场工厂建造结构的组合式底盘和地板系统，包括:一对平行的内部纵向梁构件，其具有限定公共平面的上表面；一对连接到内部纵向梁构件端部的端部周边构件，该端部周边构件横向延伸超出内部纵向梁构件，并延伸到公共平面上方；一对纵向周边构件，其连接到端部周边构件的端部以与端部周边构件一起形成矩形周边组件；固定到纵向周边构件的内表面的横木构件，该横木构件具有位于所述公共平面中的上表面，以及在纵向周边构件之间横向延伸的多个金属地板托梁，其具有位于所述公共平面的下表面和位于由周边构件的上表面限定的平面中的上表面。

名称为“柔性制造系统”的美国专利(No.8584349)公开了一种制造系统，该制造系统包括(a)为多个制造工艺提供设施的芯部，且优选地该芯部能够高容量供电，(b)以及至少两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或更多个可移动的制造舱，这些制造舱可拆卸地连接到芯部，用于接收由该芯部提供的设施。一些实施例中，在由每个隔间限定的工作空间内，具有用于执行一个或多个制造工艺或制造工艺的部分或步骤的设施，其可以可选地并行执行。该设施可以包括多个组件，每个组件执行化学、生物、药物或一些其他制造工艺的一个或多个部分或步骤。可选地，该制造系统包括多个清洁连接区域，当连接到芯部时，该清洁连接区域位于邻近制造隔间，用于控制接入制造隔间和/或提供清洁区域用于在芯部和制造隔间之间进行设施连接。可选地，该制造系统还包括多个上部对接环，当连接到芯部时，该多个上部对接环位于隔间上方，用于向隔间提供一个或多个设施(例如，在重力作用下)。可选地，该制造系统包括一个、两个或更多个保持区域，在该保持区域中可以清洁可移动的隔间，且可选地，在该保持区域中可以重新配置进行制造过程的部件的配置，或者制造过程的部分或步骤。可选地，该制造系统包括适于可移除地连接到一个或多个可移动制造隔间的排放装置，用于排放制造过程中产生的废物。优选地，用于排放废物的排水管与芯部隔离，以避免污染芯部。

名称为“超柔性生产制造”的美国专利(No.8798787)公开了一种具有一个或多个工作单元的制造系统，每个工作单元进行一个或多个制造过程。该系统还具有一个或多个移动运输单元(“MTU”)，其将包含工件的可运输容器输送到所述工作单元和从所述工作单元输送出。MTU将容器传送到工作单元，使得工件被定位在该工作单元。该制造系统还具有计算机系统，该计算机系统具有一个或多个MTU中的状态信息，且使用该状态信息来控制一个或多个MTU中，以将可运输容器运送到一个或多个工作单元或从一个或多个工作单元运送出。

发明内容

本发明的高速制造单元(HSMC)使用直接驱动电机(旋转和/或线性)的组合来实现高速和精确的运动，并使用智能对准方法来覆盖制造产品的各个方面：从零件处理到生产线调整。

本发明的主要目的是提供一种高速制造单元(HSMC)系统，用于对输入零件或多个零件进行各种制造过程，其特征在于，所述系统包括:

一个或多个主旋转台(100，100’)，其为圆形，具有旋转台(10，10’)，并由位于所述旋转台(10，10’)下方的直接驱动旋转电机(14)旋转，其中所述旋转电机(14)与所述旋转台(10，10’)一起定位在安装垫片上(16)，且所述主旋转台(10，10’)的圆周边安装有用于保持零件的多个嵌套(12)；和

沿着所述主旋转盘(100)的圆周边相邻定位的多个副旋转台(20，20’)，其中所述副旋转台(20)包括直接驱动旋转电机(24)；多个末端执行器(22，22’)，每个末端执行器(22，22’)设有一对机械爪(23)，以拾取零件并将其放置在所述主旋转台(10)的所述嵌套(12)上；

因此，在由所述副旋转台(20)的所述末端执行器(22)拾取和放置的过程中，零件被从一个地方转移到另一个地方进行处理和/或形成子组件。

本发明的主要目的是提供一种高速制造单元(HSMC)系统，用于对输入零件或多个零件进行各种制造过程，所述系统包括:

一个或多个主旋转台(100，100’)，其为圆形并由位于所述旋转台(10，10’)下方的直接驱动旋转电机(14)旋转，其中所述旋转电机(14)与所述旋转台(10，10’)一起定位在安装垫片上(16)，且所述主旋转台(10，10’)的圆周边安装有用于保持零件的多个嵌套(12)；和

沿着所述主旋转盘(100)的圆周边相邻定位的多个副旋转台(20，20’)，其中所述副旋转台(20)包括直接驱动旋转电机(24)；多个末端执行器(22，22’)，每个末端执行器(22，22’)设有一对机械爪(23)，以拾取零件并将其放置在所述主旋转台(10)的所述嵌套(12)上；和

至少一个工作站(30)，位于主旋转台(10)的圆周边上方，以向所述嵌套(12)上的零件提供制造过程。

在由所述副旋转台(20)的所述末端执行器(22)拾取和放置的过程中，零件被从一个地方转移到另一个地方进行处理和/或形成子组件。

本发明的另一个主要目的是提供一种高速制造单元(HSMC),其采用智能对准方法在输入零件上进行多种制造过程，该输入零件包括一个或多个具有安装间隔件(16)的高速加工控制系统，配备有可编程线性致动器(28)的副旋转台(20),以允许零件在垂直方向上组装，从而形成零件的子组件，其中，基于要拾取的零件的高度，将示教点设置到可编程线性致动器(28)。

本发明的又一个目的是提供一种采用智能对准方法的高速制造单元(HSMC),其还包括线性轨道系统，以便于多个HSMC在生产线上对准，其中线性轨道系统包括固定支架，以允许零件放置在线性轨道系统上或从其上拾取；和线性轨道组件，该组件包含具有孔的机加工零件，以允许流体介质通过，当组件与零件相互作用时，提供对零件的升力和推力。该线性轨道系统用于桥接生产线中的两个或多个HSMC(80)单元。

本发明的一个目的是提供一种柔性高速制造单元(HSMC)系统，该系统采用直接驱动电机来产生各个单独零件的高速吞吐量和精确运动，在非常短的时间内完成各个制造过程。

本发明的另一个目的是提供一种柔性高速制造单元系统，通过处理各个零件，可以进行调整以适应微小的零件变化。这使得公差更小的零件可以重复处理，而不会出现卡住、碰撞或脱落等问题。与传统的非直接驱动自动化方式(即皮带传动、齿轮、凸轮从动件)不同，直接驱动电机几乎不需要维护。电机维护所需的停机时间为零，因此自动HSMC的整体运行效率和处理量更高。

本发明的又一个目的是提供一种柔性高速制造单元系统，各个单独的高速制造单元(HSMCs)可以以正交和/或锐角/钝角方式彼此配置，形成生产线。

本发明的另一个目的是提供一种柔性高速制造单元系统，该系统能够以灵活的方式布置和相互作用，允许根据现场可用的占地面积设计生产线。

本发明的又一个目的是提供一种柔性高速制造单元系统，其中密集的生产线能够以快速和精确的方式完成各种制造过程，将允许企业降低运营成本，同时保持高产量。

本发明的另一个主要目的是提供一种柔性高速制造单元系统，其中与HSMC的发明相关联的智能对准方法包括使用线性可编程致动器，该线性可编程致动器用于允许沿Z轴操纵各个零件。通过HSMC在Z轴上设置示教点，可以消除组件中固有的累积公差。

本发明的又一个目的是提供一种柔性高速制造单元系统，减少对高技能工人机械校准生产线的各个方面的需求，从而降低了在不同位置设置生产线的总成本和时间。

结合附图，通过以下对实施本发明的最佳模式的详细描述，本发明的上述目的和其他目的、特征和优点将变得显而易见。

附图简述

图1是本发明提供系统的高速制造单元(HSMC)系统的示意性透视图，其中示出了两个工作站、三个副旋转台和一个主旋转台；

图2A是本发明提供的HSMC的主旋转台的立体图，其中圆形转台位于安装在安装垫片上的旋转电机的顶部；

图2B是本发明提供的HSMC的主旋转台的俯视图；

图3A是本发明提供的副旋转台的机械爪末端执行器的立体图；

图3B是本发明提供的副旋转台的真空抽吸末端执行器的立体图；

图4是示意性俯视图，示出了本发明提供的HSMC中的零件流程，其中该系统包括三个副旋转台和主旋转台以及两个工作站；

图5示意性示出了本发明提供的HSMC中的零件的2个输入到1个输出的会聚的俯视图；

图6示意性示出了本发明提供的HSMC中的零件的1个输入到2个输出的分散的俯视图；

图7为本发明提供的生产线的迭代1的俯视图，其中采用了三个HSMC；

图8为本发明提供的生产线的迭代2的俯视图，其中采用了四个HSMC；

图9为本发明提供的HSMC的主旋转台的立体图，其中多个嵌套沿着主旋转台的圆周边安装；

图10为本发明提供的HSMC的副旋转台的立体图；

图图11为本发明提供的安装在主旋转台边缘的嵌套的剖视图；

图11A为本发明提供的定位嵌套的剖视图；

图11B为本发明提供的平移嵌套的剖视图；

图11C为本发明提供的旋转嵌套的剖视图；

图11D为本发明提供的夹紧嵌套的剖视图；

图12A为与本发明提供的高速制造单元相关联的4UP副旋转台的示意图；

图12B为与本发明提供的高速制造单元相关联的6UP副旋转台的示意图；

图13示意地示出了本发明提供的高速制造单元(HSMC)的迭代，其由重新布置的主旋转台、副旋转台和/或工作站创建；

图14为通过组合2个不同的本发明提供的HSMC制造的生产线的迭代的示意图；

图15为本发明提供的不同高度的主旋转台的示意图，该主旋转台便于处理不同几何尺寸的零件，以及将两个不同的零件堆叠在一起形成子组件；

图16为本发明提供的高速制造单元(HSMC)的另一个迭代的示意图，该高速制造单元允许在自动化中包含冗余；

图17为通过本发明提供的HSMC的智能对准来拾取零件的示意图；

图18为本发明提供的生产线中相邻HSMC单元之间对准的示意图。

实施例

在下文中，将参照附图详细描述本发明提供的实施例，从而本发明所属领域的技术人员能够毫无困难地实现本发明。然而，本发明可以以不同的形式实施，不应被理解为限于本申请阐述的实施例。为清楚简洁，附图里将省略对本发明不必要的内容。同一附图标记表示同一元件。

图1是本发明提供的高速制造单元(HSMC)系统(80)的示意性立体图。图2A和2B是本发明提供的高速制造单元(80)的主旋转台(100)的示意图。

参考图1和2A、2B，该柔性高速制造单元(80)系统包括：主旋转台(100)；多个副旋转台(20，20’，20”)；和至少一个工作站(30，30’)。主旋转台(100)是圆形的，且由安装在安装垫片(16)上的直接驱动旋转电机(14)驱动旋转。直接驱动旋转电机(14)位于主旋转台(10)的下表面下方，在安装垫片(16)的上表面上。多个嵌套(12)沿着主旋转台(10)的圆周边设置，这些嵌套(12)用于制造过程在各个嵌套(12)中保持零件(未示出)，使得制造过程可在其上进行。

如图2A所示，主旋转台(10)包括上述的多个嵌套(12)、直接驱动旋转电机(14)和安装垫片(16)。主旋转台(10)由旋转电机(14)驱动，旋转电机(14)以快速和精确的方式将安装在主旋转台(10)上的嵌套(12)转位一个角度。使得零件从一点转移到另一点。

可以采用多种形式，沿着主旋转台(10)的圆周边安装嵌套(12)，取决于单独的功能和/或便于在制造过程中处理的零件的功能。在一优选实施例中，嵌套(12)可以是但不限于图11所示的那些。图11示意性地示出了与主旋转台(10)相关联的嵌套(12)的类型，包括定位嵌套(121)、平移嵌套(122)、旋转嵌套(123)和夹紧嵌套(124)。图11A为本发明提供的定位嵌套的剖视图；图11B为本发明提供的平移嵌套的剖视图；图11C为本发明提供的旋转嵌套的剖视图；图11D为本发明提供的夹紧嵌套的剖视图。

参见图11，在优选实施例中，定位嵌套(121)为待处理的零件提供了参考表面。柔性机构和/或装置可与该嵌套结合，以提供被动力，从而零件在由主旋转台(100)传送的过程中被保持在适当位置。定位嵌套(121)可经不同程度的表面处理，以与用于测量零件关键尺寸的视觉系统兼容。

平移嵌套(122)允许零件在线性方向上平移。零件可于不同的垂直和/或水平平面上，在主旋转台(100，100’，100”)之间转移。柔性机构和/或装置可与该平移嵌套(122)结合，以提供被动力，从而零件在由主旋转台(100)传送的过程中被保持在适当位置。平移嵌套(122)可以经热处理以增加其硬度因子，用于与待处理的零件相互作用。

旋转嵌套(123)允许零件绕其轴线旋转。待旋转的轴可以是经典笛卡尔坐标系中的任何轴。零件可旋转但不限于以下角度:45度、90度、180度和270度。柔性机构和/或装置可以与该旋转嵌套(123)结合，以提供被动和/或主动力，从而零件在由主旋转台(100)传送的过程中被保持在适当位置。旋转嵌套(123)可以包括制造具有孔的金属件，该金属件有助于流体流过孔，以提供主动和/或被动力来作用在待处理的零件上。

夹紧嵌套(124)允许零件即刻改变其几何尺寸。柔性机构和/或装置可以与该夹紧嵌套(124)结合，以提供被动和/或主动力，从而零件在由主旋转台(100)传送的过程中保持暂时变形。该夹紧嵌套(124)可受到外力和/或内力的作用，使零件恢复到其原始几何尺寸。

根据本发明的优选实施例，嵌套的其他迭代可以是上述功能的合并的结果，即在挤压零件的同时跨不同平面平移零件的嵌套。与主旋转台关联的各种嵌套可以处理不同几何形状、材料、尺寸的零件。因此，本发明的HSMC(80)足够灵活，可以在不同的输入零件上进行各种制造过程。可安装在主旋转台(10)上的各种嵌套使得HSMC(80)可灵活地处理不同输入形式的零件，例如冲压卷轴、胶带和卷轴、振动碗。

主旋转台(100)采用直接驱动旋转电机(14)，使得允许嵌套(121，122，123，124)的迭代可被精确和快速地定位。如本发明图9所示。9of the present invention.图9为本发明提供的HSMC(80)的主旋转台(100)的立体图，其中多个嵌套(12)沿着主旋转台(10)的圆周边安装。多个重复的嵌套(12)安装在主旋转台(10)上，且旋转电机(14)以角度θ标引每个嵌套(12)，其中θ＝360°/N(N为安装的嵌套的数量)。对于高速制造，角度θ的标引可在短时间内完成。为了实现更高的速度，可以通过设计优化和/或使用替代的轻质材料来减少嵌套的重量。待安装在主旋转台(10)上的嵌套(12)的数量取决于主旋转台(10)的直径；主旋转台(10)的直径越大，要安装在主旋转台(10)上的重复嵌套(12)的数量越多，以实现更低的θ角。例如:对于N≥16，其中主旋转台(10)的直径为470mm，每个嵌套(12)的转位可在0.06秒内完成，使得零件能够从一个点高速转移到另一个点。主旋转台(10)主要作为平台，在该平台上完成制造过程。为了使本发明的HSMC(80)保持高产量，通过采用直接驱动旋转电机(14)能够减少制造过程的周期时间。

能够制造独特的主旋转台(100)，使得HSMC(80)灵活并可适应工程变化，该主旋转台(100)通过对主旋转台(100)的基本元件进行最小改变来处理不同的零件。例如，如果要处理的零件的几何形状的设计有变化，则只需要改变嵌套(12)；转台(100)、直接驱动旋转电机(14)、安装垫片(16)可以保持不变，无需任何改变，嵌套的类型如图11所示。因此，针对具有不同几何形状的零件进行的工程变更，产生的成本将大幅降低，从而提高投资回报率。

图10为本发明提供的HSMC(80)的副旋转台(20)的立体图。副旋转台(20)包括安装板(26)、直接旋转电机(24)、带有一对机械爪(23)(如图3A所示)或带有抽吸装置的多个末端执行器(22，22’)，该抽吸装置由箭头(34)示出，指示抽吸方向，以及至少一个可编程线性致动器(28)。图3A是本发明提供的副旋转台(20)的机械爪(23)末端执行器(22)的立体图；3B是本发明提供的副旋转台(20)的真空抽吸末端执行器(22)的立体图。该末端执行器(22，22’)与零件相互作用，便于零件以旋转方式转移，如图4所示。机械爪(23)位于末端执行器(22)的一端，用于在本发明的HSMC(80)的旋转台(100)上拾取和放置零件，如图3A所示。

在本发明的优选实施例中，末端执行器(22，22’)可以包括使用机械爪(23)，以在传送过程中通过夹紧和/或夹持来保持零件。为了便于处理不同几何尺寸的不同零件，可相对容易地快速更换机械爪(23)或末端执行器尖端。可开发一种末端执行器尖端，以夹紧/抓取具有平坦表面的零件。在另一个优选实施例中，可开发用于夹持零件的另一种类型的尖端，可使得具有凹型特征的零件被紧紧地夹住。可开发另一种类型的用于抓取零件的尖端，以抓取具有凹型特征的零件。

根据本发明，末端执行器(22，22’)还可包括：在通过流体介质转移的过程中，使用吸力来保持零件。末端执行器的尖端也可容易地改变，以处理不同几何形状的零件。在某些情况下，可开发一种拾取器尖端，以拾取具有平坦表面的零件。可开发另一种类型的拾取器尖端，以安全地拾取具有凸型特征的零件。可开发另一种类型的拾取器尖端，以允许具有突出特征的零件被拾取器尖端定位。

在本发明的优选实施例中，末端执行器(22，33)可轻易地以最小的变化定制，使得HSMC(80)可以灵活地处理不同几何形状、材料和/或尺寸的零件。可以有多个末端执行器(22)，用于促进高速零件转移，且末端执行器(22)安装在末端执行器旋转台上。根据生产线的布置，可使用四个末端执行器副旋转台(20)和/或六个末端执行器副旋转台(20)的组合(如图12A和12B所示)。图12A为与本发明提供的高速制造单元(80)相关联的4UP副旋转台(20)的示意图；12B为与本发明提供的高速制造单元(80)相关联的6UP副旋转台(20)的示意图。图13示意地示出了本发明提供的高速制造单元(80)的迭代，其由重新布置的主旋转台(100，100’)、多个次级旋转台(20，20’，20”)和/或工作站(30，30’)创建。因此，HSMC(80)可以根据现场可用的地面空间灵活设计。

为副旋转台采用直接驱动旋转电机(24)，使得末端执行器(22，22’)的迭代可被精确且快速地定位。多个末端执行器(22，22’)被安装到副旋转台(20)上，且旋转电机(24)以角度α分度各个末端执行器(22)，其中α＝360°/X(X为安装的末端执行器的数量)。对于N≥4，各个末端执行器(22)的转位可在短时间内完成，实现一个点高速转移到另一个点，因此产量高。副旋转台(20)主要作为零件的运输工具。

如图10所示，沿着Z轴移动的可编程线性致动器(28)用于致动末端执行器(22，22’)；使得末端执行器(22，22’)与嵌套(12)上的零件相互作用。HSMC(80)的用户能够设置可编程线性致动器(28)的示教点。无需沿Z轴机械对准，以确保末端执行器(22，22’)和主旋转台(100)的嵌套(12)上的零件的关联。

转台安装板(26)用于为旋转电机(24)、末端执行器(22、22’)和可编程线性致动器(28)提供参照的基准面。当副旋转台(20)对准主旋转台(100)时(如图4)所示，只需移动转台安装板(26)需；副旋转台(20)的所有其它元件都安装在转台安装板(26)上。可减少设置单个HSMC(80)的时间。

能够制造独特的副旋转台(20，20’)，使得HSMC(80)灵活并可适应工程变化，该副旋转台(20，20’)通过对副旋转台(20，20’)的基本元件进行最小改变来处理不同的零件。例如，如果要处理的零件的几何形状的设计有变化，只需要改变末端执行器的末端。线性可编程致动器(28)、直接驱动旋转电机(24)、转台安装板(26)可以保持不变。因此，工程变更的成本将大幅降低，提高投资回报率。

根据本发明的优选实施例，除了图4中提到的HSMC(80)的典型布局之外，通过重新布置以下部件的位置和数量，可以将多个HSMC(80)配置成不同的迭代：主旋转台(100)、副旋转台(20)和/或至少一个工作站(30)。

在主旋转台(100)和副旋转台(20)的布局中，为创建HSMC(80)单元，在每次旋转一个标引度数后，在零件上执行一个过程，零件由副旋转台(20)拾取或放置，且制造过程由主旋转台(100)进行。

图4是示意性俯视图，示出了本发明提供的HSMC(80)中的零件流程，其中该系统包括三个副旋转台(20，20’，20”’)和主旋转台(100)以及两个工作站(30，30’)。

高速制造单元(HSMC)(80)与自动化制造领域有关。每个HSMC(80)具有在输入零件上进行各种制造过程的能力，便于零件在HSMC(80)内从一点转移到另一点。

主旋转台(100)包含多个保持零件的嵌套(12)。嵌套(12)由主旋转台(100)以固定角度围绕其转台分度，围绕转台(10)的圆周运输零件。

工作站位于沿着副旋转台(100)圆周的点上，当嵌套被转位通过各个工作站时，各个工作站对零件进行制造过程(即，激光焊接、关键尺寸的视觉检查、插入)。

副旋转台(20)进行拾取和放置操作，并将零件传送到或传送出主旋转台(100)。各个零件被放置在主旋转台(10)的各个嵌套(12)上，且在由工作站(30，30’)进行制造过程后，从主旋转台(10)的嵌套(12)中被拾取。副旋转台(20)包括多个末端执行器(22),末端执行器与零件相互作用以以便于转移。末端执行器(22)通过机械爪(23)和/或抽吸装置与零件机械地相互作用，如箭头(34)所示。根据待处理零件的几何形状，可任意选择合适的末端执行器(22)。

根据本发明的优选实施例，本发明的柔性HSMC(80)的零件工作流程的示例如下(如图4所示)：

一个零件在A点被安装在第一副旋转台(20)上的末端执行器(22)拾取；

第一副旋转台(20)以顺时针方式旋转，直到末端执行器(22)到达B点；

在进行步骤(a)和(b)的同时，第二副旋转台(20’)在D点拾取另一个零件；顺时针旋转零件，直到零件到达E点；

然后，步骤(c)的零件由第二副旋转台的末端执行器放置到安装在主旋转台(100)上的嵌套(12)上；

然后，主旋转台(100)以固定角度转位带有零件的嵌套(12)；

一旦带有零件的嵌套(12)在C点到达工作站(30)，制造过程被激活以在零件上执行；

在步骤(f)的零件的制造过程完成后，主旋转台(100)以相同的固定角度转动带有零件的嵌套(12),直到它到达E点。第二副旋转台(20’)将零件插入已位于嵌套(12)上的零件中，形成组件；

然后，主旋转台(100)将嵌套(12)转动相同的固定角度，直到它到达F点，在F点处，另一个制造过程被激活以在组件上进行；

嵌套(12)将完成了两个制造过程的组件运输到G点；

第三次旋转转台(20”)的末端执行器(22)在G点从嵌套(12)拾取零件，并以顺时针方式旋转，直到到达H点；和

零件从第三副旋转台(20”)的末端执行器(22”)被释放，并运送到别处。

图5示意性示出了本发明提供的HSMC中的零件的2个输入到1个输出的会聚的俯视图；图6示意性示出了本发明提供的HSMC中的零件的1个输入到2个输出的分散的俯视图。

单个HSMC(80)允许来自不同源的不同零件会聚并作为单个单元输出。HSMC(80)的另一个迭代允许来自单个源的零分被分散到单个输出，如图5和6所示。采用允许旋转方向在顺时针和逆时针之间交换的直接驱动旋转电机(14)，有助于HSMC(80)中各零件的会聚和分散。

图7为本发明提供的生产线的迭代1的俯视图，其中采用了三个HSMC；图8为本发明提供的生产线的迭代2的俯视图，其中采用了四个HSMC；通过零件的会聚和/或分散的组合来定制输入和输出路径的能力，允许单个HSMC(80)被配置在一起，以基于可用的占地面积形成不同形状的生产线(如图7和图8所示)。有利于在紧凑的空间中进行高产量的制造。

图13示意地示出了本发明提供的高速制造单元(80)的迭代，其由重新布置的主旋转台(100)、次级旋转台(20)和/或工作站(30)创建。图13是HSMC(80)的另一个迭代，包括多个主旋转台(100)和具有不同数量末端执行器的副旋转台的混合(如图1113)所示，且进行制造过程的工作站(30，30’)可围绕主旋转台(100，100’)的固定圆形节距装配，所述制造过程为，例如零件的加工、组装和/或子组装、零件组装、压制、插入、焊接、电测量、重新定向、关键尺寸的视觉检查。通过HSMC(80)的迭代的零件流程如下(如图13所示)：

一个零件在A点输入到HSMC(80)中；

第一副旋转台(20)用其末端执行器(22)在A点拾取零件，以顺时针方式旋转，直到它到达主旋转台(100)上的B点；

第一副旋转台(20)的线性可编程致动器(28)有助于将零件放置到主旋转台(100)的嵌套(12)上；

主旋转台(100)将带有零件的嵌套(12)旋转固定的倾斜角，直到它到达主旋转台(100)上的C点；

位于沿着主旋转台(100)圆周的C点处的工作站(30)对零件进行所需的制造过程；

完成后，主旋转台(100)以顺时针方式旋转，直到零件到达D点；

副旋转台(20’)用末端执行器(22’)在D点拾取零件，以顺时针方式旋转，直到到达E点；

主旋转台(20’)的线性可编程致动器(28)可便于将零件放置到主旋转台(100’)的嵌套(12)上；

主旋转台(100’)将带有零件的嵌套(12)旋转一个固定的倾斜角，直到它到达F点；

位于沿着主旋转台(100)圆周的F点处的工作站(30’)对零件进行所需的制造过程；

完成后，副旋转台(100’)以顺时针方式旋转，直到零件到达H点；

一个零件在G点输入到HSMC(80)中；

第三副旋转台(20″)用末端执行器(22″)在G点拾取零件，以顺时针方式旋转，直到它到达第二主旋转台(100′)上的H点；

第三副旋转台(20”)的线性可编程致动器(28)可便于将零件放置在H点处的嵌套(12)中，形成组件；

第二副旋转台(100’)以顺时针方式旋转组件，直到它到达I点；

第四副旋转台(20”)用末端执行器在I点拾取零件，以顺时针方式旋转，直到到达J点。

然后，已完成的组件移出HSMC(80)。

图16为本发明提供的高速制造单元(HSMC)的另一个迭代的示意图，该高速制造单元允许在自动化中包含冗余。HSMC(80)的这种迭代包括主旋转台(100)、副旋转台(20)、用于进行相同制造过程的两个工作站(30，30’)。零件通过HSMC(80)迭代的流程如下:

一零件经由A点处的第一工作站(30)输入到HSMC(80)中；

主旋转台(100)以顺时针方式旋转到B点；

副旋转台(20)通过安装在其上的末端执行器在B点拾取零件；

副旋转台(20)顺时针旋转到C点，且零件被转移出HSMC(80)；

当主旋转台(100)的A点处的物料供应结束时，A点处的工作站(30)将停止工作；

D点处的第二工作站(30’)将开始运行；零件在D点被输入到主旋转台(100)；

主旋转台(100)逆时针旋转到B点；

第二副旋转台(20)通过安装在其上的末端执行器拾取B点处的零件，并将零件传送到C点；和

当主旋转台(100)从D点获取零件时，于A点除的第一工作站(20’)补充材料。

在优选实施例中，引入在同一紧凑工作空间中进行相同制造过程的相同工作站(30，30’)，能减少停机时间，且相同的工作站(30，30’)彼此独立。两个工作站(30，30’)中的任何一个进行材料更换和/或维护时，另一个能较容易地进行所需的制造过程，确保HSMC(80)的持续高产量。本发明的这种柔性的HSMC允许用户在相同的紧凑制造空间中具有额外的冗余站，这与出于冗余目的而启用的副生产线相反。

在另一个优选实施例中，示出了生产线的另一迭代。图14为通过组合2个不同的本发明提供的HSMC制造的生产线的另一迭代的示意图。该迭代是图4所示的HSMC(80)的迭代与图13所示的HSMC(80)的迭代的组合。4with that of HSMC(80)shown in FIG.13.因此，一条能够与工程变更同步发展的柔性生产线具有以下特征:

创建独特的HSMC，能够处理不同的零件和制造过程，对HSMC基本元件的改动最小；

在直接驱动旋转动作下，柔性路径的零件在HSMC(80)中通过一系列的会聚和发散，意味着零件的输入和输出容易定制；和

生产线的可变占地面积取决于HSMC之间的连接方式。

根据本发明，在单个高速制造单元(HSMC)中采用智能对准方法(SAM),其包括使用存在于副旋转台(20)中的可编程线性致动器，如图10所示，以便于零件的拾取和放置操作。

图17为通过本发明提供的HSMC(80)的智能对准来拾取零件的示意图。参见图17，由副旋转台(30)(未示出)的末端执行器(22)拾取的用于传送的零件将位于某个Z高度。示教点被设置到位于末端执行器(22)正上方的可编程线性致动器(28)。示教点是用户输入到HSMC软件中的数值(80)。该值决定了可编程线性致动器(28)的行程。根据本发明，通过在HSMC软件中嵌入示教点选项，在未对准的情况下，用户不再需要物理地移动可编程线性致动器(28)的组装位置，只需要通过键入相关数值来校准组件。

在零件拾取操作期间，可编程线性致动器(28)将沿着Z轴移动，直到它到达其期望的示教点位置。末端执行器(22)由可编程线性致动器(28)推到期望的示教点位置。当就位时，末端执行器(22)与零件对接并拾取零件。然后，可编程线性致动器(28)从示教点位置移开，将带有拾取零件的末端执行器(22)与末端执行器(22)一起移走。接着，副旋转台(20)将带有零件的末端执行器(22)旋转到放置位置。位于放置位置的可编程线性致动器(28)将具有其自己独一的示教点，不同于位于拾取位置的示教点。位于放置位置的可编程线性致动器(28)移动到放置示教点，推动携带零件的末端执行器(22)。零件从末端执行器(22)释放。拾取和放置操作通过使用可编程线性致动器(28)来完成。

图15是本发明提供的不同高度的主旋转台(100)的示意图，用于不同几何尺寸的零件的处理，以及将两个不同的零件(222、223，如图15所示)堆叠在一起，以形成子组件。参见图15，智能对准方法(SAM)允许在垂直方向上组装零件，以形成零件的子组件。

主旋转台(100，100’)的安装垫片(16，16’)可以具有不同的厚度，允许主旋转台(100，100’)的高度变化。如图所示，一个主旋转台(100)的安装垫片(16)比另一个主旋转台(100’)的安装垫片(16’)厚。在零件(222)堆叠在零件(223)上的子组件的构建中，由于主旋转台(16)具有较厚的安装垫片，所以处理零件(22)的主旋转台(100)比处理零件(223)的主旋转台(16’)高。保持零件(222)位于零件(223)上以形成子组件的平面，使得副旋转台(20)可进行从主旋转台(100)到第二主旋转台(100’)的拾取和放置操作。图15中所示的虚线(220)示出了零件(222)堆叠到零件(223)上的平面。15illustrates the plane which thepart(222)is stacked onto the part(223).

在HSMC(80)中，在不同的点同时执行多个拾取和放置操作，为末端执行器各自的可编程线性致动器(28)设置唯一的示教点，能免去沿Z轴精确机械对准的要求。因此，由于累积公差引起的组件中Z的变化不再是一个因素，减少了设置HSMC(80)单元所需的总时间。

当多个HSMC(80)单元被配置在一起以形成生产线时，需要智能对准技术来减少生产线停用和在新位置再次设置HSMC(80)所花费的总时间。

图18为本发明提供的生产线中相邻HSMC(80，80’)单元之间对准的示意图。为了便于生产线上的HSMC(80，80’)单元，如第一HSMC(80)和第二HSMC(80’)之间的对准，本发明采用了线性轨道系统。本发明的线性轨道系统包括固定支架和线性轨道组件，固定支架允许零件放置在线性轨道系统上和/或从线性轨道系统上拾取零件，线性轨道组件包含具有孔的加工零件，孔允许流体介质通过，当与零件相互作用时，为零件提供升力和推力。

参见图18，示出了线性轨道系统如何用于在生产线上桥接两个HSMC(80，80’)单元的例子，步骤如下:

零件被放置在第一HSMC(80)的输出处的线性轨道系统的末端，表示为点(S1)；

零件流经线性轨道系统，直到零件到达位于线性轨道系统前部的固定机架，表示为点(S3)；

点(S3)处的固定支架与第二个HSMC(80’)的输入端对齐；和

点(S4)的第二HSMC(80’)的副旋转台(20)在点(S3)处从线性轨道系统的固定支架上拾取零件，并将零件向下传送到生产线。

根据本发明的优选实施例，通过智能对准方法(SAM),将不再出现生产线中沿X和Y轴的相邻的HSMC(80)单元的未对准情况，且设置生产线的时间减少，因为无需相邻HSMC(80)单元之间的精确机械对准。

线性轨道系统是长距离运输零件的一种低成本方式，线性轨道系统还兼作缓冲装置。如果第二HSMC(80’)由于堵塞而不可用，第一HSMC(80)将继续生产零件以填补线性轨道系统。若第二HSMC(80’)的问题被解决，保存于线性轨道系统中的零件会被利用起来。如果第一HSMC(80)由于堵塞而不可用，有了保存于线性轨道系统中的零件，第二HSMC(80’)能够照常工作。减轻了单个HSMC(80，80’)单元的故障停机对整个生产线的整体设备效率(OEE)的影响。

虽然本申请已经详细描述了实施本发明的最佳模式，但是熟悉本发明相关领域的技术人员仍可意识到用于实施由所附权利要求限定的本发明的各种替代设计和实施例。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种高速制造单元(HSMC)系统，用于对输入零件或多个零件进行各种制造过程，其特征在于，所述系统包括:

一个或多个主旋转台(100,100')，其为圆形，具有旋转台(10)，并由位于所述旋转台(10)下方的直接驱动旋转电机(24)旋转，其中所述旋转电机(14)与所述旋转台(10)一起定位在安装垫片(16)上，且所述主旋转台(100,100')的圆周边安装有用于保持零件的多个嵌套(12)，所述主旋转台的所述安装垫片改变所述主旋转台的高度；

沿着所述主旋转盘的圆周边相邻定位的多个副旋转台(20,20')，其中所述副旋转台(20,20')包括直接驱动旋转电机(24)；多个末端执行器(22)，每个末端执行器(22)设有一对机械爪(23)，以拾取零件并将其放置在所述主旋转台(100,100')的所述嵌套(12)上；

采用智能对准方法，其中所述末端执行器配备有可编程线性致动器，

以在由所述副旋转台的所述末端执行器拾取和放置的过程中，允许零件从一个地方转移到另一个地方进行处理和/或形成子组件，其中，基于要拾取的零件的高度，将示教点设置到所述可编程线性致动器，且所述可编程线性致动器沿着Z轴移动，直到所述末端执行器到达期望的示教点位置以拾取零件，所述示教点被设置到相应的所述可编程线性致动器的所述末端执行器，使得所述HSMC系统能够进行多个拾取和放置操作。

2.根据权利要求1所述的高速制造单元(HSMC)系统，用于对输入零件或多个零件进行各种制造过程，所述系统还包括:

至少一个工作站(30)，位于主旋转台(100)的圆周边上方，以向所述嵌套(12)上的零件提供制造过程。

3.根据权利要求1所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述机械爪(23)位于所述末端执行器(22)的一端，用于生产线零件的拾取和放置。

4.根据权利要求1或2所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述嵌套(12)选自定位嵌套(121)、平移嵌套(122)、旋转嵌套(123)和夹紧嵌套(124)。

5.根据权利要求1所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述末端执行器(22)形成真空装置，以提供用于在生产线上拾取和放置零件的吸力。

6.根据权利要求1所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述副旋转台(20)设有转台安装板(26)，位于所述直接驱动旋转电机(24)的顶部。

7.根据权利要求6所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，一个或多个所述可编程线性致动器(28)连接在所述转台安装板(26)的边缘，且所述线性致动器(28)与所述转台安装板(26)同时移动。

8.根据权利要求1所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述主旋转台(100,100')、所述副旋转台(20,20',20”)和一个或多个所述工作站(30,30',30”)被配置为提供处理各种制造过程的系统。

9.根据权利要求1所述的高速制造单元(HSMC)系统,其特征在于，所述主旋转台(100,100')和所述副旋转台(20,20')被配置为提供一种处理各种制造过程的系统。

10.根据权利要求1或2所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述末端执行器(22)能够拾取和放置零件，或者处理不同几何尺寸、重量和材料的零件。

11.根据权利要求1所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述机械爪(23)用于拾取和放置不同几何尺寸、重量和材料的零件。

12.根据权利要求5所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述真空装置用于拾取和放置几何尺寸、重量和材料不同的零件。

13.根据权利要求1所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，多个所述主旋转台(100,100',100”)和多个所述副旋转台(20,20',20'”)连同一个或多个工作站(30,30')，被配置成形成非线性生产线，所述非线性生产线是基于可用的占地面积定制的。

14.根据权利要求1所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，还包括线性轨道系统，以便于多个HSMC(80,80')在生产线上对准。

15.根据权利要求14所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述线性轨道系统包括固定支架，以允许零件放置在所述线性轨道系统上或从其上拾取；和线性轨道组件，所述线性轨道组件包括具有孔的机加工零件，以允许流体介质通过，当组件与零件相互作用时，为零件提供升力和推力。

16.根据权利要求14所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述线性轨道系统用于桥接所述生产线中的两个或更多个HSMC单元(80,80')。

17.根据权利要求1所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述示教点可在所述副旋转台(20)的所述线性致动器(28)中编程。

Claims (22)

1.一种高速制造单元(HSMC)系统，用于对输入零件或多个零件进行各种制造过程，其特征在于，所述系统包括:

一个或多个主旋转台(100,100')，其为圆形，具有旋转台(10)，并由位于所述旋转台(10)下方的直接驱动旋转电机(24)旋转，其中所述旋转电机(14)与所述旋转台(10)一起定位在安装垫片(16)上，且所述主旋转台(100,100')的圆周边安装有用于保持零件的多个嵌套(12)；

沿着所述主旋转盘的圆周边相邻定位的多个副旋转台(20,20')，其中所述副旋转台(20,20')包括直接驱动旋转电机(24)；多个末端执行器(22)，每个末端执行器(22)设有一对机械爪(23)，以拾取零件并将其放置在所述主旋转台(100,100')的所述嵌套(12)上；

从而，在由所述副旋转台(20)的所述末端执行器(22)拾取和放置的过程中，零件被从一个地方转移到另一个地方进行处理和/或形成子组件。

2.一种高速制造单元(HSMC)系统，用于对输入零件或多个零件进行各种制造过程，所述系统还包括:

一个或多个主旋转台(100,100')，其为圆形，具有旋转台(10)，并由位于所述旋转台(10，10')下方的直接驱动旋转电机(24)旋转，其中所述旋转电机(14)与所述旋转台(10,10')一起定位在安装垫片(16)上，且所述主旋转台(10)的圆周边安装有用于保持零件的多个嵌套(12)；和

沿着所述主旋转盘(100)的圆周边相邻定位的多个副旋转台(20,20')，其中所述副旋转台(20)包括直接驱动旋转电机(24)；多个末端执行器(22)，每个末端执行器(22)设有一对机械爪(23)，以拾取零件并将其放置在所述主旋转台(100)的所述嵌套(12)上；

至少一个工作站(30)，位于主旋转台(100)的圆周边上方，以向所述嵌套(12)上的零件提供制造过程；

从而在由所述副旋转台(20)的所述末端执行器(22)拾取和放置的过程中，零件被从一个地方转移到另一个地方进行处理和/或形成子组件。

3.根据权利要求2所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述机械爪(23)位于所述末端执行器(22)的一端，用于生产线零件的拾取和放置。

4.根据权利要求2所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述嵌套(12)选自定位嵌套(121)、平移嵌套(122)、旋转嵌套(123)和夹紧嵌套(124)。

5.根据权利要求2所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述末端执行器(22)形成真空装置，以提供用于在所述生产线上拾取和放置零件的吸力。

6.根据权利要求2所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述副旋转台(20)设有转台安装板(26)，位于所述直接驱动旋转电机(24)的顶部。

7.根据权利要求6所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，一个或多个所述可编程线性致动器(28)连接在所述转台安装板(26)的边缘，且所述线性致动器(28)与所述转台安装板(26)同时移动。

8.根据权利要求2所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述主旋转台(100,100')、所述副旋转台(20,20',20”)和一个或多个所述工作站(30,30',30”)被配置为提供处理各种制造过程的系统。

9.根据权利要求1所述的高速制造单元(HSMC)系统,其特征在于，所述主旋转台(100,100')和所述副旋转台(20,20')被配置为提供一种处理各种制造过程的系统。

10.根据权利要求1或2所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述末端执行器(22)能够拾取和放置零件，或者处理不同几何尺寸、重量和材料的零件。

11.根据权利要求10所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述机械爪(23)用于拾取和放置不同几何尺寸、重量和材料的零件。

12.根据权利要求5所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述真空装置用于拾取和放置几何尺寸、重量和材料不同的零件。

13.根据权利要求2所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，多个所述主旋转台(100,100',100”)和多个所述副旋转台(20,20',20'”)连同一个或多个工作站(30,30')，被配置成形成非线性生产线，所述非线性生产线是基于可用的占地面积定制的。

14.一种高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，采用智能对准方法在输入零件上进行多种制造过程，该输入零件包括一个或多个具有安装间隔件(16)的高速加工控制系统(80)，配备有可编程线性致动器(28)的带有末端执行器(22)的副旋转台(20),以允许零件在垂直方向上组装，从而形成零件的子组件，其中，基于要拾取的零件的高度，将示教点设置到可编程线性致动器(28)。

15.根据权利要求14所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述可编程线性致动器(28)沿着Z轴移动，直到所述副旋转台(20)的所述末端执行器(22)到达期望的示教点位置以拾取零件。

16.根据权利要求14所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述主旋转台(100)的安装垫片(16)可以具有不同的厚度，允许所述主旋转台(100)的高度变化。

17.根据权利要求14所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，其中一组示教点被设置到相应的所述可编程线性致动器(28)的所述末端执行器(22)，使得HSMC(80)可以执行各种拾取和放置操作。

18.根据权利要求14所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，还包括线性轨道系统，以便于多个HSMC(80,80')在生产线上对准。

19.根据权利要求18所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述线性轨道系统包括固定支架，以允许零件放置在所述线性轨道系统上或从其上拾取；和线性轨道组件，包括具有孔的机加工零件，以允许流体介质通过，当组件与零件相互作用时，为零件提供升力和推力。

20.根据权利要求18所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述线性轨道系统用于桥接所述生产线中的两个或更多个HSMC单元(80,80')。

21.根据权利要求2所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，一个或多个工作站(30,30')用于加工零件以形成子组件。

22.根据权利要求17所述的高速制造单元(HSMC)系统，其特征在于，所述示教点可在所述副旋转台(20)的所述线性致动器(28)中编程。