JP2008530705A - 適応型機械プログラミングのためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

本明細書では、周囲条件データに基づく資源再配分を行うためのシステム、方法及び装置が開示される。当該システムは、計画データが主順序及び副順序を含むように構成する計画モジュール（１０２）と、副順序を記憶する規則テーブル（１１６）と、周囲条件データを受信する周囲条件受信機（１２４）と、特定の周辺データが受信された場合に規則テーブル（１１６）にアクセスして主順序の代わりに副順序を割り当てる経路指定プロセッサ（１２６）とを備える。

Description

本開示は、製造環境における機械の適応型プログラミングに関する。
背景技術
自動車製造で使用される製造組立工場など大規模な製造組立工場では、それぞれ複数の機械から構成される数百ものステーションが同時に稼動することがある。大規模な生産環境では、生産ラインは数マイルにも及ぶコンベアを含むことがある。仕掛品は、生産単位、パレット、キャリア、製品及び部品を含むが、これに限られるものではない。ステーションは１つ又は複数の機械を含み得る。組立工場では、ステーションは無人であったり、作業員がいることもある。

バッファとは、ステーション間のコンベヤや輸送機（即ち、フォークリフト、カート、トラック等）のサイロのような貯蔵場所、又は単なる床上の場所である。一般に、上流バッファ及び下流バッファは、標準的な製造過程在庫量を上回る部品を保持することができる。バッファが空になると、当該バッファを供給元とするステーションに供給不足が発生する。バッファが満杯になると、当該バッファへの供給を行うステーションは阻止されることもある。

製造、組立、生産又は他の任意の型式の工場では、機械の操作工程は、工程及びプラント技術者によって事前に計画される。製造準備期間には、組立動作処理は製造工程を構成要素に細分化し、各種のタスクを個々のロボット又は機械に割り当てる。溶接機等の機械は複数の次元で動作するように構成され、製品上の特定のスポットを溶接するようにプログラムすることができる。スタッド溶接機又は接着剤供給機を含めた他の機械も同様の様式で構成される。

プラント工程が決定されると、特に溶接ロボットが、固定された組の溶接順序に手動で割り当てられる。周囲条件が変わった場合、即ち機械又はステーションが誤作動又は他の理由でラインから外された場合には、製造が停止され得る。機械が停止した場合には、停止した機械と同じ動作をするようにプログラムされた別の機械に製品を手動で経路変更することにより、製造を継続することが可能となる。

休止状態の機械又はステーションから稼動状態のステーションに作業を手動で再割り振りするには、多数の物理的なステップと多くの時間を要する。しかしながら、多くの場合、停止した機械が再始動されるまでは、手動での経路変更は行われず、ラインは再稼動されない。いずれの場合にも、上流のバッファは阻止され、下流のバッファは供給不足となる。製造の調整が必要とされる場合には、作業負荷の均衡を図り、製品変更に対応し、又は個々の機器故障時条件に対応するための再割当てが手動で実施される。

発明の概要
本明細書で記述されるのは、周囲条件に応答してそれぞれの動作順序を実時間で変更するように組立ラインの機械を適応的にプログラミングするためのシステム、方法及び装置である。

該システムは、工程プランナ・データベースからプランナ・データを受信する受信モジュールと、各機械毎の１つ又は複数の工程順序を決定する順序モジュールと、周囲条件データを受信する周囲条件受信機モジュールと、周囲条件データを処理する規則モジュールと、前記周囲条件データによって反映される前記プランナ・データからの偏差が生じた場合に資源を再配分する経路指定モジュールとを備える。

詳細な説明
製造組立工程においては、或る種のロボット及び機械は複数のタスクを実行することができる。本明細書に示される例では、ロボット又は機械は溶接ロボットである。理解されるように、本明細書は、製造又は組立工程で使用される任意の型式のロボット又は機械に適用できる。

現在、特定のプログラム・パスに対して構成されたドレス・ソリューションに起因する従来の固定的な動作順序要件を除去する６軸統合ドレス・パッケージを有する溶接ロボットが利用可能である。また、これらのロボットは、擬似ランダム動作順序制御を可能にするジオメトリ・ベースの干渉領域を含む。サーボ溶接ガンの使用によって一層広範な溶接状態が実現され、それによってシステム全体の柔軟性も高まることになる。更に、ビットマップからオブジェクト変数型インターフェースへの移行により、入力データから出力データへのデータ交換の容易性とサイズが増す。したがって、遠隔場所からプログラミングする能力と同様に、ロボット及び機械の動作範囲が拡大している。

本発明は、任意の数のコンピュータ実装型処理及びそれらの処理を実行する装置の形で実施され得る。本発明の実施の形態は、フロッピーディスケット、ＣＤ−ＲＯＭ、フラッシュドライブ、ハードドライブ、又は他の任意のコンピュータ読取り可能な記憶媒体のような有形の媒体において実施される命令を含むコンピュータ・プログラム・コードの形であり得、このコンピュータ・プログラム・コードがコンピュータにロードされて実行されると、コンピュータは本発明を実行する装置となる。

また、本発明は、例えば、記憶媒体に記憶され、コンピュータにロードされ及び／又はコンピュータによって実行され、或いは、電気配線、ケーブル、光ファイバのような伝送媒体を介して又は電磁放射によって伝送されるコンピュータ・プログラム・コードの形で実施され得、このコンピュータ・プログラム・コードがコンピュータにロードされて実行されたときに、コンピュータは本発明を実行する装置となる。コンピュータ・プログラム・コードの各セグメントは、汎用マイクロプロセッサに実装された場合、特定の論理回路を作るマイクロプロセッサを構成することになる。

機械読取り可能なフォーマットである（又は機械読取り可能なフォーマットに翻訳され得る）ビットマップ、状態テーブル、メッセージ・ストリング、又は他のデータ型式は、図１、図２及び図３のシステムによって実行される方法に従って処理されてロボット又は機械に対する命令に変換することが可能な入力を提供することができる。本明細書に記載される自動工程計画及びプラント・フロア・ネットワーキングは、工程データを人間が読み取ることのできるデータ・テーブルの形で受信するように構成され得る。

図１を参照すると、データベース１０４において工程入力１０３を受信し、後述のように構成データをスポット割当てサーバ１０６に出力する計画モジュール１０２を含むシステムが図示されている。工程入力データが操作されて、ライン、ライン・セグメント、ステーション、又は単一の機械に対する主工程が定義されると、順序モデリング・モジュール１０８によって、当該工程に関する溶接スポットが識別される。また、異なるライン上で又は同じラインに沿うステーションで発生し得る工程と相関関係がある特定の機械によって実行され得る副溶接スポット順序も識別される。

主順序及び副順序のコンピュータ生成型シミュレーションは、最適化モジュール１１２と通信するシミュレーション・モジュール１１０によって実施され得る。シミュレーション及び最適化は、標準的なシミュレーション及び最適化命令を実行するプロセッサによって実施される。最適化モデルは、スループット率に対する故障の影響を最小化するモデルを含む。例えば、ＯＰＬＳｔｕｄｉｏ数学解法パッケージを用いる混合整数計画法（ＭＩＰ）の直接解が使用され得る。ここで、（ｉ）単一ロボット・バックアップ・ストラテジ、（ｉｉ）複数ロボット・バックアップ・ストラテジ、（ｉｉｉ）バックアップ・ロボットの数が制限された複数ロボット・バックアップ・ストラテジ、及び（ｉｖ）線形サイクル時間推定法を用いた複数ロボット・バックアップ・ストラテジという４つの異なるバリエーションに対して、４種類のＭＩＰモデルが公式化される。

以下に示される一例として、単一ロボット・バックアップ（ＳＲＢ）モデルは復旧計画が単一のロボットによって実施されるものと仮定する。当初は故障状態のロボットと関連付けられていた全てのスポット群が、制約を満足し且つスループット損失を最小化する単一のロボットに再配分される。ＳＲＢモデルの目的は、バックアップ・ロボットの最適な選択を行うことである。

目的関数（１）は、システムのサイクル時間を最小化する、即ち等価的にスループット率を最大化する。サイクル時間制約（２）は、最も負荷の大きいロボットの組立時間よりもシステムのサイクル時間の方が長くなる又はそれと等しくなるようにする。稼動状態の単一のロボットの組立時間は、制約集合（２）の左辺において認められる２つの成分から成る。第１の成分は、いずれかのロボットの故障前の一定組立時間、即ち特定のロボットの当初組立時間を捕捉する。第２の成分は、故障状態のロボットを稼働ロボットがバックアップする場合、その稼働ロボットに追加される追加組立時間を含む。制約（３）は単一のロボットが復旧を実施することを保証する。スポット復旧制約（４）は、これまで故障状態のロボットによって実施されていた各スポット群を稼動状態の単一のロボットが復旧することを保証する。復旧実行可能性制約（５）によれば、故障状態のロボットのバックアップとして選択されたもの以外の稼働ロボットによって、復旧済みのスポット群が実施されることはない。能力制約（６）は、バックアップされたスポット群が、当該群を実施することが可能なロボットにのみ割り当てられることを保証する。制約集合（７）及び（８）は先行制約である。

これらの制約によれば、故障スポット群は、それらの直前のスポット群が完了した後、且つ、それらの直後のスポット群が開始される前に実施される。図１に示されるように、このモデルでは、バックアップされる全スポット群は同じ復旧用ロボットに割り当てられるので、故障スポット群間の先行関係に対処する必要はない。制約集合（９）及び（１０）は完全性制約であり、制約集合（１１）はサイクル時間ｃの非否定性制約である。

モデルＳＲＢを数学的な項で示すと、以下のようになる。
ｃを最小化する （１）
その条件は

である。
計画モジュール１０２は、主工程及び副工程のシミュレーションを実施し、次いで、それらの順序を最適化することによって、教示モジュール１１４からロボットに教示されたプランナ・データからの偏差が存在するとき、資源の配分及び再配分をスポット割当てサーバが行うための計画を生成することができる。また、シミュレーション・モジュール１１０等の、工程中の任意のポイントでの順序モデリング・モジュール１０８へのループバックは、例えば、工程入力データベース１０４からの新たな工程入力を追加することにより、順序を変更するために利用可能である。

本明細書で企図されるモジュールは、計画モジュール１０２の順序付け、シミュレーション、最適化及び教示を生成する暫定ステップを提供することができる。モジュール工程は必ずしも本明細書に記載される順序又は様式で達成される訳ではないが、周囲データ入力に応答して並列の及び／又は逐次的なロボットの溶接順序をスポット割当てテーブルのデータに従って変更することが達成される。

計画モジュール１０２によって実行されるステップは、スポット割当てテーブル１１６を生成する。スポット割当てテーブルは、特定のロボット及び溶接機器が到達し実行することができる副スポットの順序を含む。スポット割当てテーブル１１６等の規則テーブルは、特定の機械又はステーションの主溶接順序が中断されたときに代替順序に迅速にアクセスするための相関データを含むことができる。規則テーブルに記憶される情報のデータベース・サブセットは、ジオセット溶接及びリスポット溶接を含む、機器にとって実行可能なスポットを含むことができる。ジオセット溶接とは、部品が固定されている間に複数の部品の幾何学的関係を１つの構造にまとめる溶接を指す。リスポット溶接とは、特定の用途の各種要件を満足させるのに必要な強度を構造物に与える残りの溶接を指すが、各部品が特定の幾何学的設定固定状態にある場合は適用される必要はない。規則テーブルは教示工程期間ばかりでなく製造ライフサイクル期間に更新されてもよい。また、教示モジュール１１４は、順序統合器１１８による機械に対する初期順序命令のためにスポット割当てサーバ１０６に入力を与えることもできる。

ここで図２を概観すると、並列の複数のステーションを有する組立装置又は製造装置が示されている。ステーションは、スポット割当てサーバが或るステーションから別のステーションにジョブを経路変更するための命令を生成したときに、組立装置又は製造装置が当該ジョブを物理的に再配分することができるように相互接続される。ステーション２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２は、本明細書に記載の例示的な実施の形態では溶接ロボットである１つ又は複数の機械で構成される。スポット割当てサーバ１０６は、図２に示される複数のステーションに働きかけることも、単一のステーションに働きかけることもできる。図２では、ステーション２０２は上流バッファ２１４によって供給され、下流バッファ２１６に製品を送り出す。

ここで図３を概観すると、図３に示される集中システム３０２は、計画モジュール１０６からスポット割当てサーバ１０６に入力を提供することができる。図３は、以下で詳述する計画モジュール１０６と、ジョブ入力相関付けモジュール３０４と、監視及び故障報告モジュールとを含む集中システム３０２を示す。再び図２を参照すると、製品２１８、２２０、２２２は、ジョブ入力相関付けモジュール３０４に従って、ステーション２０２、２０４、２０６での溶接のために上流バッファ２１４、２２４、２２６に送り込まれる。処理された製品は、下流バッファ２１６、２２８、及び２３０に導入される。

ここで図１に戻ると、実時間１２０において、順序インストーラ１１８はロボットの主溶接順序を予め提供している。周囲条件１２２が発生したときは、周囲条件受信機１２４は周囲条件１２２に関するデータを受信する。周囲条件１２２は、例えば溶接故障、迂回モード、サイクル時間の最適化、及び柔軟な実時間工程変更等であってよい。スポット割当てサーバ１０６は、周囲条件に依存して、スポット割当てテーブル１１６へのアクセスを求める命令を処理して、流れが維持できるように組立ライン工程又は製造ライン工程をどのように変更するかに関する規則にアクセスする（又は、別の実施の形態では規則を生成する）。規則データが経路指定プロセッサ１２６に伝えられ、その結果、実時間調整の実行及び報告１２８を行うことができる。

再び図２を参照すると、複数の並列組立ライン又は直列組立ラインから成る製造システムを含む一つの実施の形態における製品の移動の様子を示す交叉チャネル２３２、２３４、２３６、２３８、２４０、２４２、２４４、２４６が示されている。製品は、周囲条件が変化し経路変更命令が発生したときに、ラインからラインへと手動で移動されても自動的に移動されてもよい。

ここで再び図３を参照すると、計画モジュール１０２、ジョブ入力相関付けモジュール３０４、ジョブ状態３０６及び故障報告モジュール３１４を含む集中システム３０２が示されている。上述のように、スポット割当てサーバ１０６におけるスポット割当てテーブル１１６の規則は、ジョブ入力３０５がジョブ入力相関付けモジュール３０４によって処理されるときに、周期的に又は連続的に更新され得る。更新後の相関データは、１つ又は複数のスポット割当てサーバ１０６−１、１０６−２、１０６−３に伝えられる。

スポット割当てサーバ１０６−１、１０６−２、１０６−３のネットワークは、スポット割当てサーバ１０６に記憶されたデータを連続的に更新するよう、ジョブ入力相関付けモジュール３０４と通信することが可能なジョブ状態モジュール３０６に対して報告を行う。ジョブがステーションに対して索引付けされると、従来からのスタイルのコード及びスポット割当てリスト（本実施の形態では、標準的な溶接スポット・ネーミング慣行に基づく）が、ステーション又はロボットのシステムに通信される。局所ロボット・プログラムはスポットに対する動作を実行し、何らかの溶接故障があればその報告を行う（サーバ故障の場合には、ロボットは、実行済みスポットのジョブ・リストの局所読出しに基づき、既に上流で実施された実行済みスポットを除いて、そのベースライン・スタイル・プログラムを実行する）。成功裏に実行されたスポットの現在高は、（コマンド・サーバ、シフトレジスタ及び／又はＲＦタグに記憶される場合と同様に）システムにおける各ジョブと共に維持される。

また、周囲条件受信機１２４及び経路指定プロセッサ１２６による動作時に、スポット割当てサーバ１０６−１、１０６−２、１０６−３から成るネットワークは故障報告モジュール３１４に対して報告を行う。いずれかのスポットでミスがあった場合には、それらのスポットは、最小システムサイクル時間影響に基づいて、後続の最良システムへの割り当てに対して、周囲データに基づく最適解において評価される。システム内のいずれかのロボットが迂回されたとき、その状態が周囲データの一部として分析され、そのスポットは上流と下流に動的に再配分される。代替のロボットでピックアップされ得ないスポットは、手動バックアップ・ステーションに割り当てられ得る。

サーバが手動スポット（手動ステーションの上流のいくつかのスポットであり得る）を解明すると直ちに、（時間投影によって）スポットをピックアップするよう、通常は無人のステーションに一時的に作業員を割り当てることを勧めるメッセージが、信号プロセッサ３０８を経由してゾーン管理者のＰＤＡ、ステータス・マーキーその他の電子通知デバイスに送信される。ジョブが手動ステーションに索引付けされると、一つの実施の形態では、工程計画モジュール１０２から抽出される、どのスポットを完了させるべきかに関するグラフィカルな命令が大型ＨＭＩ画面上に提示される。

手動ステーションでのエラー検査論理は、適切なバックアップ・ガン及びスケジュールが使用され、当該情報がジョブの完了スポット・リストに記録されることを保証する。例えば、集中システムは溶接品質訂正モジュール３１０を含み、そこでは、問題を特定の溶接ステーション及びロボットまで戻って追跡するように、情報が処理されて溶接品質検査との後の相関付けのために保持される。適応型割当てモジュール３１２は、システム・スループットに対する溶接割当ての影響を追跡することができる。ジョブ状態モジュール３０６及びモジュール３１４に対する報告の後に、工程計画モジュール１０２による工程計画活動が行われる。

複数のバックアップ・ソリューションを有する溶接は、過去にシステム・スループットへの影響が最も少なかった代替溶接に優先順位を与えるフォールバック・リストを構築する。システム・スループットが変化すると、工程スループットの均衡を図るために、スポットは連続的に移動される。少量の予備容量がシステムに組み込まれる場合は、システム動作に対して殆ど又は全く影響を与えない製造処理期間に、或る保守タスクを実施することができる。また、作業を動的に配分する能力は、柔軟な据え付けと組み合わされたとき、システムの柔軟性を大幅に高め且つモデル導入リードタイムを大幅に短縮することができる、工程における並行性を高めることができる。

図４は、図１〜図３のシステム及び装置によって実行されるステップを含む方法を示している。図１に関して詳述した工程計画ステップ４０２は、システム統合ステップ４０４に先行するステップとして示される。スポット割当てステップ４０６は、規則を規則データベースに集約する。このテーブルはロボットと溶接スポットとを相関付け、一つの実施の形態ではロボットとスポット溶接位置座標情報とを相関付ける。また、溶接ガン及び溶接能力との相関付けは、当該テーブルが実時間での調節のためにアクセスされ得るように調整される。

ジョブ入力３０５は、図３のジョブ入力相関付けモジュール３０４を参照して論じたジョブ索引付けステップ４０８で処理される。周囲条件感知ステップ４１０は周囲条件データを提供する。周囲検知ステップ４１０に関連する故障評価ステップ４１２で生成されたデータは、計画モジュール１０２による追加的な工程計画をトリガするスポット割当てサーバ１０６を動的に更新するのに使用される。

上記の記述は溶接機器及び同様の機能を有する機器に関して行われたが、本明細書に記載される技術は、様々な周囲条件においてステーション間又は機械間の製品転送の効率を改善することが可能な全ての動作で使用され得る。

本発明を例示的な実施の形態を参照して説明してきたが、当業者には理解されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行い、それらの実施の形態の要素を均等物で置換することができる。また、本発明の教示に対して、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料に適合するように様々な修正が施され得る。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として本明細書に開示された特定の実施の形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に含まれる全ての実施の形態を包含することを意図している。更に、「第１の」や「第２の」等の用語の使用は、何らかの序列関係又は重要度を示すものではなく、要素又はその機能を別の要素又は機能と区別するのに使用されている。

工程入力を受信して構成データを、ロボット及び機械の操作順序を実時間で調整可能なスポット割当てサーバに出力する計画モジュールを含むシステムを示す図である。 スポット割当てサーバが１つのステーションから別のステーションにジョブを経路変更する命令を生成したときに、その再配分を物理的に行うことができるように相互接続された複数の並列のステーションを有する組立又は製造装置を示す図である。 計画モジュールと、ジョブ入力相関付けモジュールと、監視及び故障報告モジュールと、を含む集中システムを示す図である。 図１〜図３のシステム及び装置によって行われるステップを実施する方法を示す図である。

Claims (21)

1. 周囲条件データに基づいて資源の再配分を行うためのシステムであって、
   計画データを主順序及び副順序を含むように構成する計画モジュールと、
   前記副順序を記憶する規則テーブルと、
   前記周囲条件データを受信する周囲条件受信機と、
   特定の周囲データが受信された場合に前記規則テーブルにアクセスして、主順序の代わりに副順序を割り当てる経路指定プロセッサと、
   を備えるシステム。
2. 前記計画モジュールによって使用される機械読取り可能な工程入力を受信する工程入力データベースを更に備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記計画モジュールが、工程入力を受信して、主順序及び副順序から成る予備設定を構成する順序モデリング・モジュールを備える、請求項２に記載のシステム。
4. 前記計画モジュールが、前記主順序及び前記副順序をシミュレートするシミュレーション・モジュールを更に備える、請求項３に記載のシステム。
5. 前記計画モジュールが、前記シミュレーション・モジュールと通信して前記主順序及び前記副順序を最適化する最適化モジュールを更に備える、請求項４に記載のシステム。
6. 前記計画モジュールが、前記規則モジュールと通信して前記主順序及び前記副順序を前記規則モジュールに割り当てる第１の教示モジュールを更に備える、請求項１に記載のシステム。
7. 機械を主順序でプログラミングする順序統合器を備えるスポット割当てサーバを更に備え、前記計画モジュールが順序統合器と通信する第２の教示モジュールを更に備える、請求項１に記載のシステム。
8. 前記スポット割当てサーバが、機械の順序を主順序から副順序に変更する実時間命令を該機械に提供する、請求項７に記載のシステム。
9. 周囲条件データに基づいて資源再配分を行うための方法であって、
   主順序及び副順序を含む計画データを構成するよう計画するステップと、
   前記副順序を規則テーブルに記憶するステップと、
   周囲条件データを受信するステップと、
   特定の周囲データが受信された場合に、前記規則テーブルにアクセスして主順序の代わりに副順序を割り当てるステップと、
   を含む方法。
10. 計画する前記ステップで使用される機械読取り可能な工程入力を受信するステップを更に含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記主順序及び前記副順序をシミュレートするステップを更に含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記計画モジュールが、前記主順序及び前記副順序を最適化するステップを更に含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記主順序及び前記副順序を前記ルールモジュールに割り当てるステップを更に含む、請求項９に記載の方法。
14. 機械を主順序でプログラミングするステップを更に含む、請求項９に記載の方法。
15. 周囲データが受信された場合、機械に対してその順序を主順序から副順序に変更するよう実時間で命令するステップを更に含む、請求項９に記載の方法。
16. 製品を処理して工程出力を生成するための装置であって、
    第１の機械及び第２の機械に命令することができるスポット割当てサーバと、
    周囲条件受信機と、
    前記スポット割当てサーバと通信し、主順序で動作することができる第１機械ステーションと、
    前記スポット割当てサーバと通信し、主順序及び副順序で動作することができる第２機械ステーションと、
    製品を前記第１機械のステーションに提供する第１上流バッファと、
    製品を前記第２機械のステーションに提供する第２上流バッファと、
    を備え、
    前記周囲条件受信機が周囲条件データを受信し、前記スポット割当てサーバが前記第２機械のステーションにその動作を主順序から副順序に再配分するよう命令した場合、前記第１上流バッファでの製品が前記第２上流バッファに転送可能である装置。
17. 前記第１上流バッファから前記第２上流バッファへの前記製品の転送が自動的に行われる、請求項１５に記載の装置。
18. 前記第１上流バッファから前記第２上流バッファへの前記製品の転送が手動で行われる、請求項１６に記載の装置。
19. 前記スポット割当てサーバは規則テーブルを備える、請求項１５に記載の装置。
20. 前記主順序及び前記副順序をシミュレートするシミュレータを備える、コンピュータ化されたプランナ・を更に備える、請求項１５に記載の装置。
21. 前記コンピュータ化されたプランナ・が、前記シミュレータと通信し、前記主順序及び前記副順序を最適化するオプティマイザを更に備える、請求項１９に記載の装置。

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