專利名稱：利用基于電磁的局部定位能力優(yōu)化生產(chǎn)過程的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及制造環(huán)境中局部定位能力的使用，尤其涉及用于優(yōu)化制造工作單兀內(nèi)的產(chǎn)生過程的基于電磁的局部定位系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
存在各種用于確定人或物體相對(duì)位置的方法和設(shè)備，其中精度根據(jù)使用的特殊技術(shù)變化很大。例如，嵌入或包含在便攜式或車載導(dǎo)航系統(tǒng)中的全球定位系統(tǒng)(GPS)感受器使用戶能夠接收衛(wèi)星發(fā)送的定位信息。根據(jù)給定時(shí)刻在感受器瞄準(zhǔn)線內(nèi)定位的GPS信號(hào)發(fā)送衛(wèi)星的數(shù)量，定位信息在相對(duì)精度和特異性上都會(huì)變化。也就是說，利用GPS性能，可以在一定精度內(nèi)提供2維(2D)信息(即用戶現(xiàn)在的緯度和經(jīng)度)或者3D位置信息(即用戶的緯度、經(jīng)度和海拔)，在某些情況下大約低至用戶的真實(shí)位置的+/-3米。通過比較，局部定位系統(tǒng)(LPS)可以用于提供更精確的位置信息。例如，通過在大·型制造場所中使用LPS設(shè)備，人們可以識(shí)別一貨架用品或一項(xiàng)存貨所在的場所的特殊區(qū)域或地區(qū)或者貨物等待裝運(yùn)或接收的裝載碼頭。幾個(gè)更普通的LPS技術(shù)包括光學(xué)檢測設(shè)備、紅外系統(tǒng)、超寬帶檢測以及射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽，其中每個(gè)技術(shù)具有其自身的優(yōu)勢和劣勢。例如，雖然RFID標(biāo)簽對(duì)于某些目的，例如安全地標(biāo)記一件商品來說非常有用，以減少偷盜，但是該設(shè)備具有有限的有效距離和精度。同樣地，當(dāng)用在某些高精度的應(yīng)用時(shí)，在某種程度上由于在現(xiàn)代工作空間中(例如金屬結(jié)構(gòu)和/或接近熱源)遇到的許多障礙造成的潛在的干擾，光學(xué)系統(tǒng)和紅外系統(tǒng)以稍略于最優(yōu)的方式來執(zhí)行。在大體積的制造組裝環(huán)境中，組裝過程中的某些步驟可以被自動(dòng)化以減少成本以及增加生產(chǎn)處理能力和精度。組裝機(jī)器人具有相關(guān)的用于每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的硬接線數(shù)據(jù)編碼器，該機(jī)器人可以快速地執(zhí)行傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型組裝步驟，例如緊固、焊接、噴漆等。但是，當(dāng)工作件放置在相對(duì)受限或有限的工作空間中時(shí)，使用自動(dòng)化組裝機(jī)器人會(huì)無效，甚至不可行。在這種情況下，具有手持組裝工具的操作者可以進(jìn)入有限的工作空間以執(zhí)行所需的組裝步驟，例如這些操作者對(duì)于某些汽車組裝過程足夠有經(jīng)驗(yàn)。在這些應(yīng)用中，尤其當(dāng)定位設(shè)備用于測量組裝工具由于在有限的工作空間內(nèi)在組裝位置之間移動(dòng)而經(jīng)常增加的位置變化時(shí)，上述傳統(tǒng)的全局和局部定位設(shè)備和方法不是最優(yōu)的。

發(fā)明內(nèi)容
相應(yīng)地，提供了一種基于電磁的局部定位系統(tǒng)(ELPS)和方法，以用在相對(duì)有限的工作空間，即工作單元。ELPS和該方法利用電磁引導(dǎo)能力以優(yōu)化組裝或生產(chǎn)過程，例如用于將螺紋緊固件安裝入工作件的手持轉(zhuǎn)矩扳手的操作，需要在工作單元內(nèi)完成校準(zhǔn)工作順序,該工作單元在這里示例為大約3米(3m)x3m的工作空間。尤其在汽車生產(chǎn)中，物理的進(jìn)入放置在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙、客艙或車輛的其他部分中的部分會(huì)受到車輛框架或車身的阻礙，因此，阻止了上述組裝機(jī)器人的有效利用。在該種環(huán)境下，操作者利用手持工具手動(dòng)安裝緊固件或執(zhí)行其他步驟，在這里手持工具以自動(dòng)轉(zhuǎn)矩扳手示例，但是該工具不必限制于該特殊實(shí)施例。此外，通常根據(jù)特定的順序完成生產(chǎn)步驟，并且在校準(zhǔn)順序的每個(gè)位置具有可能不同的設(shè)定，例如轉(zhuǎn)矩扳手的不同的轉(zhuǎn)矩設(shè)定。由此，操作者通常受到給定生產(chǎn)過程的正確順序和設(shè)置的訓(xùn)練，其中如果需要，操作者通過使用諸如所屬領(lǐng)域已知類型的自動(dòng)化插座輸入/輸出(I/O)盤(socket input/output tray)。利用傳統(tǒng)的方法，直到該步驟完成之后，操作者才能檢測與下一個(gè)正確的順序位置或設(shè)定有關(guān)的誤差，潛在地增加了成本很高的返工。在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)，ELPS包括手持組裝工具，例如但不限于上述的示例性手持轉(zhuǎn)矩扳手，其構(gòu)造為在工作單元內(nèi)執(zhí)行生產(chǎn)過程。電磁信號(hào)發(fā)射器或“標(biāo)記器”連接至手持工具以提供追蹤移動(dòng)元件，其適用于在工作單元內(nèi)發(fā)送校準(zhǔn)的磁場。一個(gè)或多個(gè)靜態(tài)的檢測元件或感受器位于工作單元內(nèi)以接收或測量校準(zhǔn)的磁場，以及響應(yīng)其產(chǎn)生或中繼原始位置信號(hào)。核心器件包含所需的處理電子電路，并與主機(jī)和感受器通信。該位置信號(hào)被發(fā)送至處理核心器件，其計(jì)算位置值(即X、Y和Z卡迪爾坐標(biāo))以及姿態(tài)值(即偏航角、俯仰角、搖擺角)。主機(jī)22利用位置和姿態(tài)值，連續(xù)計(jì)算或監(jiān)視工作單元內(nèi)手持工具或者工具當(dāng)前所做工作的現(xiàn)在位置，由此確定由工具安裝的任何物體(例如螺紋緊固件或者其他工作件)的實(shí)際位置。
·
主機(jī)通過處理核心器件與感受器通信。手持工具的計(jì)算位置可以與校準(zhǔn)順序中相應(yīng)編程的、所需的或其他期望的位置比較?？刂茊卧?例如緊固件控制單元(FCU)或其他取決于工具設(shè)計(jì)的控制單元)可以用于和主機(jī)、感受器以及手持工具通信，并可以自動(dòng)更新工具所需的性能設(shè)定。因此，主機(jī)構(gòu)造為向F⑶發(fā)出信號(hào)以自動(dòng)更新設(shè)定，并當(dāng)手持工具或者工作的現(xiàn)在位置不等于校準(zhǔn)順序中希望的位置時(shí)，執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)控制動(dòng)作。ELPS可以通過顯示設(shè)備，向工具的操作者發(fā)出信號(hào)或提示操作者序列中下一個(gè)正確的生產(chǎn)位置，即“期望的位置”，該顯示設(shè)備構(gòu)造為圖形用戶界面(GUI)或另一恰當(dāng)?shù)娘@示設(shè)備。該標(biāo)記器充分小型化，并安裝在手持工具上或手持工具內(nèi)。如果工具構(gòu)造為轉(zhuǎn)矩扳手，例如，工具的位置，這樣由工具安裝的任何緊固件可以被快速確定在幾分之幾英寸內(nèi)的精度，其中工具和標(biāo)記器與緊固件之間的距離是已知的或校準(zhǔn)值。主機(jī)與標(biāo)記器和工具之間的通信允許自動(dòng)校驗(yàn)正確的順序位置，其在這里示意為下一個(gè)緊固件位置或其他期望的位置，以及允許在校準(zhǔn)順序的期望的位置立即確認(rèn)正確的組裝設(shè)定。在安裝緊固件之后，操作者再次通過GUI或其他設(shè)備被提示下一個(gè)正確的緊固件位置，其中由主機(jī)自動(dòng)參考校準(zhǔn)順序確定期望的位置。主機(jī)可以在本地或在獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫中收集和存儲(chǔ)歷史的組裝數(shù)據(jù)，以提供記錄。該記錄可以用于質(zhì)量保證或質(zhì)量控制目的，以改進(jìn)操作者的培訓(xùn)，以支撐保證退回或修復(fù)過程等?？梢酝ㄟ^將數(shù)據(jù)連續(xù)下載至主機(jī)和/或相關(guān)的數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)地或者預(yù)定間隔地(例如在預(yù)設(shè)的間隔，諸如在預(yù)定長度的組裝執(zhí)行的最后)自動(dòng)收集歷史組裝數(shù)據(jù)?？梢栽诮M裝執(zhí)行的任意點(diǎn)執(zhí)行所需的恰當(dāng)?shù)目刂苿?dòng)作，例如但不限于，通過GUI直接向操作者傳送或發(fā)送消息、臨時(shí)禁用工具直到采取糾正動(dòng)作、選擇性地啟動(dòng)獨(dú)立于或遠(yuǎn)程于GUI的音頻和/視頻設(shè)備等。一種在工作單元內(nèi)優(yōu)化緊固件安裝過程的方法包括，利用電磁感受器陣列感測由電磁標(biāo)記器發(fā)出的校準(zhǔn)的磁場，其中電磁標(biāo)記器連接至工作單元中的手持轉(zhuǎn)矩扳手。利用感受器陣列產(chǎn)生原始位置信號(hào)。該方法也包括利用處理核心器件處理原始位置信號(hào)，由此將原始位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁標(biāo)記器的位置和姿態(tài)值，并基于位置值和姿態(tài)值在工作單元內(nèi)利用主機(jī)監(jiān)視轉(zhuǎn)矩扳手現(xiàn)在的位置，將轉(zhuǎn)矩扳手現(xiàn)在的位置與校準(zhǔn)順序中期望的位置進(jìn)行比較，以及當(dāng)轉(zhuǎn)矩扳手現(xiàn)在的位置不等于校準(zhǔn)順序中期望的位置時(shí)，執(zhí)行控制動(dòng)作。當(dāng)結(jié)合附圖時(shí)，本發(fā)明的上述特征和優(yōu)勢以及其他特征和優(yōu)勢可以從下述用于實(shí)施本發(fā)明的最佳實(shí)施方式的詳細(xì)描述中容易顯而易見。


圖I是用在有限的工作單元中的電磁局部定位系統(tǒng)(ELPS)的示意性圖示；圖2是圖I中ELPS的手持工具和主機(jī)的示意性圖示；以及圖3是描述利用圖I的ELPS的控制算法或方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式參照附圖，其中在整個(gè)若干附圖中，類似的附圖標(biāo)記器對(duì)應(yīng)類似或相似的元件，以圖I開始，相對(duì)有限的制造工作空間或單元10由其三個(gè)主軸限定，即，描述了單元10的深度的X軸、描述了其寬度的Y軸以及描述了其高度的Z軸。在圖I的示例性實(shí)施例中，軸X、Y和Z限定了代表相對(duì)受限的有限組裝工作空間的大約3mx3m的面積，但是在不脫離意在創(chuàng)新范圍的情況下，也可以使用或大或小的工作單元10。如上所述，車輛或另一相似復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)需要操作者14在物理上進(jìn)入由車體限定的車輛區(qū)域，例如，但不限于客艙、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙或者另一相對(duì)有限的工作空間。在該工作空間中，通常由圖I中的緊固件32代表的螺釘、螺栓或其他螺紋緊固件必須根據(jù)校準(zhǔn)順序安裝。此外，每個(gè)緊固件32可以具有唯一的扭矩規(guī)格或設(shè)定，即本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的扭矩和角度設(shè)定，因此，對(duì)于給定位置來說，操作者14相對(duì)于正確的下一緊固件位置和/或轉(zhuǎn)矩設(shè)定的誤差潛在地會(huì)導(dǎo)致組裝誤差和成本高昂的返工。為了在有限的工作空間中工作，操作者14把持一個(gè)便攜式或手持式組裝工具16，其在圖I和2的示例性實(shí)施例中構(gòu)造為便攜式和可充電式電轉(zhuǎn)矩扳手，但是如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)，可以使用其他組裝設(shè)備，例如焊炬、沖擊鉆、鉚槍、噴膠槍等。如果構(gòu)造為圖I所示的轉(zhuǎn)矩扳手，當(dāng)操作者14例如通過觸發(fā)工具內(nèi)部的電動(dòng)機(jī)(未示出)在扳柄47 (參見圖2)上施加力時(shí)，工具16具有能夠向緊固件32傳遞預(yù)定轉(zhuǎn)矩(箭頭T)的旋轉(zhuǎn)軸18。工具16用作電磁局部定位系統(tǒng)(ELPS)50(參照圖2)的一部分，其中利用單元10內(nèi)的磁場發(fā)射和檢測持續(xù)監(jiān)視和跟蹤工具的位置。為此，工具16包括一個(gè)或多個(gè)電磁源或標(biāo)記器48，其適用于相對(duì)于該工具保持校準(zhǔn)的電磁場33，其中通過位于單元10內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)感受器(R) 13持續(xù)測量該電磁場。在一個(gè)實(shí)施例中，感受器13包含在圍繞工具16的陣列中。感受器13適用于測量來自標(biāo)記器48的校準(zhǔn)的磁場33，并響應(yīng)于校準(zhǔn)的磁場產(chǎn)生原始位置信號(hào)11。處理核心器件21處理原始位置信號(hào)11，以由此校準(zhǔn)工具16的位置值(即X、Y和Z笛卡爾值)以及姿態(tài)值(即偏航角、俯仰角、搖擺角)。主機(jī)22在生產(chǎn)期間(例如在工具構(gòu)造為轉(zhuǎn)矩扳手的實(shí)施例中，在安裝圖I示出的緊固件32時(shí))監(jiān)視XYZ慣性參考系內(nèi)單元10內(nèi)的工具16的位置。
在單元10內(nèi)，多個(gè)緊固件32可以根據(jù)校準(zhǔn)順序(如分別由緊固件位置A-F的特殊順序所代表)安裝在工作件12中。例如，可以首先在位置A安裝緊固件32，接著是在位置B安裝另一個(gè)緊固件，接著在位置C安裝再一個(gè)緊固件等。順序A、B、C等是示意性的，并且可以是可用位置的任意組合，例如C、B、A或B、A、C等，如由主機(jī)22存儲(chǔ)或可訪問的校準(zhǔn)順序34(參照圖2)所確定。此外為了簡單起見，圖I僅示出六個(gè)緊固件位置(A-F)。但是，可以理解，在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)，可以根據(jù)圖2的校準(zhǔn)順序34提供或多或少的緊固件32，其中每個(gè)緊固件具有期望的位置。主機(jī)22包括適用于執(zhí)行本發(fā)明方法的控制算法100。ELPS 50包括核心器件21，其中主機(jī)22通過通信路徑17與核心器件21連續(xù)地有線或無線通信。核心器件21依次與感受器13進(jìn)行連續(xù)無線通信，當(dāng)工具在單元10內(nèi)移動(dòng)時(shí)，感受器13依次與標(biāo)記器48和工具16進(jìn)行連續(xù)地?zé)o線通信。當(dāng)工具16構(gòu)造為示出的轉(zhuǎn)矩扳手時(shí)，ELPS 50也可以包括緊固件控制單元(F⑶)25，其中F⑶通過電纜70連接至該工具。當(dāng)工具構(gòu)造為轉(zhuǎn)矩扳手時(shí)，F(xiàn)⑶25適用于例如通過自動(dòng)下載或更新工具的轉(zhuǎn)矩和/或角度設(shè)定自動(dòng)更新工具16的組裝設(shè)定。同樣，F(xiàn)CU 25可以在安裝期間確定施加于任何緊固件32的轉(zhuǎn)矩和角度，并且可以通過將該數(shù)據(jù)傳遞至用于驗(yàn)證的主機(jī)22減少交叉的扣紋或錯(cuò)誤的轉(zhuǎn)矩測量實(shí)例的發(fā)生?！⑶25適用于通過另一電纜71或其他恰當(dāng)?shù)耐ㄐ怕窂较蛑鳈C(jī)22發(fā)送用于描述轉(zhuǎn)矩和角度測量的信息、數(shù)據(jù)和/或信號(hào)(箭頭80)，以由此使得主機(jī)收集和記錄數(shù)據(jù)。主機(jī)22同樣地適用于通過電纜71或其他恰當(dāng)?shù)耐ㄐ怕窂较騀CU25發(fā)送信息、數(shù)據(jù)或信號(hào)(箭頭81)，以使工具16能夠自動(dòng)和優(yōu)化的控制。最后，具有校準(zhǔn)坐標(biāo)，即固定或已知位置的靜態(tài)基座單元20通過電纜72與F⑶25通信?；鶈卧?0構(gòu)造為在系統(tǒng)故障和/或再啟動(dòng)期間等，基于標(biāo)記器48的功率周期，在開始生產(chǎn)時(shí)接收工具16，以如參照下面圖3所描述那樣恰當(dāng)?shù)卦俅涡?zhǔn)或調(diào)零工具，由此使得位置誤差最小。簡要參照圖2，主機(jī)22包括通信控制模塊(CCM) 38，其能夠與工具16和標(biāo)記器48遠(yuǎn)程或無線通信。CCM 38執(zhí)行各種程序或算法，包括下述圖3的算法100，其一起控制工具16的操作。相應(yīng)地，CCM 38可以構(gòu)造為基于微處理器的設(shè)備，其具有諸如微處理器或CPU39的公共元件、包括但不限于只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、電可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)等的存儲(chǔ)器54以及任何所需的電子電路55，其包括但不限于高速時(shí)鐘(未示出)、模數(shù)(A/D)電路、數(shù)模(D/A)電路、數(shù)字信號(hào)處理器或DSP以及必要的輸入/輸出(I/O)設(shè)備和其他信號(hào)調(diào)節(jié)和/或緩沖電路。但是，最終構(gòu)造為，主機(jī)22優(yōu)選地支持最普遍使用的現(xiàn)場總線，例如但不限于DeviceNet、Profibus、Ethernet IP、ProfiNet等，以與可編程邏輯控制器(PLC)或其他設(shè)備容易地通信。工具16包括能量存儲(chǔ)系統(tǒng)(ESS) 30，例如可充電鎳鎘或鋰離子電池、電容模塊和/或另一恰當(dāng)?shù)哪芰看鎯?chǔ)設(shè)備。工具16可以包括用于當(dāng)工具返回至基座單元20時(shí)為ESS 30充電的電觸點(diǎn)或?qū)Ь€23，和/或一旦工具連接或返回至基座單元20就向主機(jī)22傳輸信息或數(shù)據(jù)的信號(hào)。如果這樣構(gòu)造的話，作為替換，可以通過電纜70由FCU 25提供向ESS 30的再次充電。ESS 30可以用于為標(biāo)記器48的傳感器供電，或者為運(yùn)行工具16所需的部分或所有能量供電。當(dāng)工具16構(gòu)造為各個(gè)附圖示出的轉(zhuǎn)矩扳手時(shí)，通過經(jīng)由電纜70從F⑶25傳遞由主機(jī)22根據(jù)校準(zhǔn)順序34所確定的轉(zhuǎn)矩設(shè)定(箭頭84)來自動(dòng)更新或改變工具的轉(zhuǎn)矩設(shè)定，可以自動(dòng)改變施加的轉(zhuǎn)矩(箭頭T)。將工具16的信號(hào)(箭頭86)發(fā)送至F⑶25以描述例如工具當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩設(shè)定或其他結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。再次參照圖1，主機(jī)22根據(jù)圖2的校準(zhǔn)順序34自動(dòng)提示操作者14正確的第一螺栓位置，然后驗(yàn)證和/或更新工具16在特殊位置使用的轉(zhuǎn)矩設(shè)定。通過顯示設(shè)備，例如放置在單元10內(nèi)或者在其附近放置的觸摸屏圖形用戶界面或GUI 40，給操作者14提供提示，以使得在單元10內(nèi)組裝進(jìn)行時(shí)，GUI容易被操作者觀察到。在生產(chǎn)開始之前，基于標(biāo)記器周期功率，基于故障/再啟動(dòng)等，利用校準(zhǔn)的或已知的基座單元20的固定位置，調(diào)零或再次校準(zhǔn)工具16及其連接的標(biāo)記器48的位置，使得任何位置誤差都最小。在每個(gè)步驟之后，操作者14再次被提示有圖2的校準(zhǔn)順序34中正確的下一個(gè)緊固件位置，同時(shí)由FCU 25自動(dòng)收集任何相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)矩和角度數(shù)據(jù)，并被實(shí)時(shí)地或者以預(yù)定間隔(例如，當(dāng)工具16返回至基座單元20時(shí)的運(yùn)行或順序的結(jié)束)中繼至主 機(jī)22，用于歷史數(shù)據(jù)收集。在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)，工具16、主機(jī)22、算法100、F⑶25、核心器件21、感受器13、標(biāo)記器48以及基座單元20是ELPS 50的整體元件。利用ELPS50，在單元10內(nèi)可以精確確定工具16的當(dāng)前位置，以及由此可以精確確定利用工具安裝的每個(gè)緊固件32，并利用校準(zhǔn)順序34提供的值確認(rèn)(參照圖2)。在組裝過程中，可以在任意點(diǎn)采取一個(gè)或多個(gè)控制行動(dòng)，例如但不限于暫時(shí)禁用工具16，直到主機(jī)22確認(rèn)校準(zhǔn)順序34中用于對(duì)應(yīng)位置的期望的位置或校準(zhǔn)的轉(zhuǎn)矩和角度設(shè)定，在GUI 40上向操作者14顯示消息，暫時(shí)禁用工具直到實(shí)現(xiàn)正確的相應(yīng)的位置，激活單元10外部的可選的外部音頻/視頻報(bào)警設(shè)備41或者任何其他理想的控制動(dòng)作。在圖I的示例性實(shí)施例中，可選的外部音頻/視頻設(shè)備41包括恰當(dāng)?shù)囊曨l指示器(例如紅燈(R) 42和綠燈(G) 43)和/或音頻話筒44，以簡化或定制與操作者14和/或位于單元10外部的另一個(gè)人(例如生產(chǎn)監(jiān)督員、遠(yuǎn)程質(zhì)量控制監(jiān)視站等)溝通的反饋消息。在該實(shí)施例中，紅燈42發(fā)光指示故障情況或錯(cuò)誤，綠燈43發(fā)光指示定位和轉(zhuǎn)矩設(shè)定與每個(gè)緊固件的任意校準(zhǔn)的設(shè)定恰當(dāng)?shù)囊恢?，并且如果定位?或轉(zhuǎn)矩設(shè)定不符合校準(zhǔn)規(guī)范等，那么音頻話筒44可以用于發(fā)音或報(bào)警。ELPS 50適用于收集用于最終識(shí)別單個(gè)物體的X、Y和Z坐標(biāo)的位置數(shù)據(jù)，在這種情況下，在單元10內(nèi)，標(biāo)記器48定位在工具16中或工具16上。因?yàn)檎诎惭b的緊固件的頭部總是與工具上的標(biāo)記器間隔相同距離，所以標(biāo)記器48與緊固件32的距離是已知的。因此，主機(jī)22可以基于計(jì)算的標(biāo)記器48的位置，計(jì)算緊固件32現(xiàn)在的位置。通過標(biāo)記器48利用多個(gè)校準(zhǔn)的電磁場，可以將緊固件32現(xiàn)在的位置在單元10內(nèi)分解為一英寸的幾分之幾。由單元10限定的空間內(nèi)感興趣的一個(gè)點(diǎn)可以在二分之一分辨率內(nèi)被識(shí)別，使得當(dāng)緊固件32擰緊時(shí)，主機(jī)22能夠立即獲得其相關(guān)的坐標(biāo)信息，以允許轉(zhuǎn)矩信息和校準(zhǔn)順序中預(yù)定的緊固件的位置相關(guān)聯(lián)。換言之，標(biāo)記器48構(gòu)造為捕捉或收集原始位置信號(hào)11以全面描述搖擺角、俯仰角和偏航角，其統(tǒng)稱為物體(例如緊固件32)分別相對(duì)于單元10中XYZ慣性系內(nèi)X、Y和Z軸的姿態(tài)。再次參照圖2，更詳細(xì)示出了 ELPS 50，其中工具16與主機(jī)22通信。工具16包括上述的標(biāo)記器48。標(biāo)記器48可以構(gòu)造為小型化的電磁源模塊，其不會(huì)給工具16過度增加負(fù)擔(dān)或阻礙工具16。在與標(biāo)記器48通信中，感受器13測量由標(biāo)記器保持的校準(zhǔn)電磁場的強(qiáng)度、方向和其他特性?？梢詮母鞣N來源在商業(yè)上獲得標(biāo)記器48和感受器13，其能夠電磁地發(fā)射和接收能夠用在ELPS 50內(nèi)位置數(shù)據(jù)。例如，參照由佛蒙特州的科爾切斯特市的Polhemus 提供的 “Liberty Latus，，。標(biāo)記器48可以定位在工具16的軸18的旋轉(zhuǎn)軸28上或周圍，例如，定位在臨近軸的可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部分49上或鄰近處。例如，標(biāo)記器48可以具有圓形橫截面并直接放置在軸18附近，或者可以是環(huán)形或圓圈形，使得標(biāo)記器包圍軸，因此，允許軸自由地沿著標(biāo)記器徑向向內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)標(biāo)記器固定在工具16上。作為替換，如圖2中的陰影所示，標(biāo)記器48可以安裝在把手部分35上方的工具16的尾端，其中標(biāo)記器的中心優(yōu)選地依然定位在旋轉(zhuǎn)軸28上，以提高計(jì)算的整體精度。在這種情況下，標(biāo)記器48與緊固件32的距離是已知的，因此算法100容易相對(duì)于標(biāo)記器的位置計(jì)算出緊固件的位置。因此，緊固件32現(xiàn)在的位置可以和校準(zhǔn)順序34中相應(yīng)的位置做比較，同時(shí)可以根據(jù)需要更新此位置現(xiàn)在的轉(zhuǎn)矩設(shè)定，以由此和校準(zhǔn)順序或參考順序中的任何轉(zhuǎn)矩設(shè)定一致。也就是說，一個(gè)或多個(gè)感受器13連續(xù)地測量由圖I和2中標(biāo)記器48保持和/或發(fā)送的校準(zhǔn)的電磁場，以精確描述標(biāo)記器和工具相對(duì)于X、Y和Z軸的運(yùn)動(dòng)。在圖2軸18末·端的緊固件的距離是已知的，因此主機(jī)22可以利用該值來通過該數(shù)據(jù)連續(xù)地計(jì)算工具16相對(duì)于緊固件的現(xiàn)在的位置。也就是說，主機(jī)22最終利用了原始位置信號(hào)11以確定給定的緊固件32圍繞X軸的搖擺角或旋轉(zhuǎn)度(參照圖I)、工具16圍繞X軸的俯仰角或旋轉(zhuǎn)度、工具圍繞Y軸的俯仰角或旋轉(zhuǎn)度以及工具16圍繞Z軸的偏航角或旋轉(zhuǎn)度，并在單元10的慣性參考系中建立X、Y和Z坐標(biāo)。在這種情況下，工具的位置可以精確確定。再次參照圖1，GUI 40構(gòu)造為允許向操作者14發(fā)送字母數(shù)字混合的提示。當(dāng)中繼至核心器件21時(shí)，由核心器件處理來自感受器13的原始位置信號(hào)11，以確定工具16的位置和姿態(tài)值。這些被發(fā)送至主機(jī)22，其監(jiān)視單元10中工具16的位置，并且下一個(gè)緊固件位置A-F被顯示在⑶I 40上。當(dāng)前的緊固件位置與主機(jī)22中存儲(chǔ)的正確的或校準(zhǔn)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定相關(guān)聯(lián)。這些設(shè)定通過FCU 25直接下載至工具16，以用于自動(dòng)調(diào)整工具16，而不需要傳統(tǒng)的插座盤I/O的幫助。如果需要的話，在⑶I 40上顯示關(guān)于工作件12的板塊的用戶友好的符號(hào)，例如浮動(dòng)圖標(biāo)，使得操作者14被連續(xù)告知組裝進(jìn)度和過去的歷史。例如，工作件12的板塊可以顯示在⑶I 40上，并且圓形或其他恰當(dāng)?shù)膱D標(biāo)可以朝向校準(zhǔn)順序34中下一個(gè)正確的位置(參見圖2)移動(dòng)以引導(dǎo)或提示操作者14，和/或?yàn)榱讼嗤哪康娘@示文本。利用圖I和2中示出的ELPS 50的各種元件，算法100確定了慣性參考系XYZ中每個(gè)卡迪爾坐標(biāo)XYZ以及歐拉角或姿態(tài)，即偏航角、俯仰角和搖擺角。算法100將工具16的位置和姿態(tài)結(jié)合，并且通過使用慣性參考系XYZ中標(biāo)記器48和工具16的原始方位作為初始狀態(tài)以及連續(xù)地監(jiān)視標(biāo)記器48提供的工具的姿態(tài)，連續(xù)更新標(biāo)記器和工具當(dāng)前的方位。換言之，對(duì)于六個(gè)自由度，即X、Y、Z、偏航角、俯仰角以及搖擺角中每一個(gè)來說，算法100連續(xù)計(jì)算和更新工作單元10內(nèi)標(biāo)記器48和工具16的當(dāng)前的位置和方位。參照圖3，參照圖2的ELPS 50的各種元件，該流程圖更詳細(xì)地描述了方法100。如上所述，通過由主機(jī)22執(zhí)行的計(jì)算機(jī)執(zhí)行算法，實(shí)現(xiàn)方法100。方法100或者更具體地，方法的算法實(shí)施例可以容易地訪問和使用任何由主機(jī)在工具16處收集的和/或駐留在主機(jī)22內(nèi)的數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)包括校準(zhǔn)順序34中包括的任何數(shù)據(jù)。以步驟102開始，利用基座單元20的校準(zhǔn)的、固定的或已知的位置或坐標(biāo)，在新生產(chǎn)開始時(shí)校準(zhǔn)或調(diào)零工具16。如電磁控制方法中典型具有的，在各種金屬存在的影響下，在由標(biāo)記器48提供的數(shù)據(jù)內(nèi)會(huì)出現(xiàn)積分漂移。也就是說，未校準(zhǔn)的金屬存在會(huì)引起標(biāo)記器48和工具16的位置和姿態(tài)的測量誤差。因此，在開始運(yùn)行之前，在步驟102校準(zhǔn)或調(diào)零工具16的初始位置。在這種方式中，誤差可以最小并可預(yù)測。在步驟102，例如通過設(shè)定圖I的示例性A-F實(shí)施例中的N =A，可以初始化或設(shè)定指針值“N”，其對(duì)應(yīng)于第一個(gè)緊固件的期望的或期待的第一位置。然后，方法100前進(jìn)至步驟104。在步驟104，通過⑶I 40提示操作者14至單元10內(nèi)期望的或相應(yīng)的位置(Pn)，其中N的值對(duì)應(yīng)于校準(zhǔn)順序34內(nèi)正確的緊固件位置。如所期望的，之前已經(jīng)收集和記錄校準(zhǔn) 順序34中每個(gè)緊固件32的正確的位置，以恰當(dāng)?shù)赜?xùn)練算法100，算法100立刻知道操作者14現(xiàn)在的位置是否正確或是相應(yīng)的位置(Pn)。在通過例如但不限于在⑶I 40上顯示文本消息或其他恰當(dāng)?shù)姆?hào)提示操作者14之后，算法100前進(jìn)至步驟106。在步驟106，利用上述的ELPS 50，電磁地測量、檢測、計(jì)算或確定工具16的當(dāng)前位置(P。)。也就是說，感受器13收集標(biāo)記器48發(fā)出的電磁場33 (例如，磁場)，并將其變換為原始位置信號(hào)11，以在XYZ參考系內(nèi)確定描述標(biāo)記器48和工具16運(yùn)動(dòng)的位置數(shù)據(jù)?？梢岳脕碜愿惺芷?3的原始位置信號(hào)11，通過主機(jī)22計(jì)算距標(biāo)記器48已知距離的緊固件32現(xiàn)在的位置，以如上所述確定當(dāng)前位置(Pc)。然后，算法100前進(jìn)至步驟108。在步驟108，將當(dāng)前位置(P。)與正確的或?qū)?yīng)的位置(Pn)比較。如果Pc和值不相等，那么算法100前進(jìn)至步驟110。否則，算法100前進(jìn)至步驟112。在步驟110，可以由主機(jī)22有選擇性地執(zhí)行預(yù)定的控制動(dòng)作?？刂苿?dòng)作可以包括任意數(shù)量的期望的響應(yīng)，例如但不限于暫時(shí)禁用工具16直到操作者14移動(dòng)至正確的位置，在GUI 40或其他設(shè)備上顯示警告消息，暫時(shí)關(guān)閉進(jìn)程直到采取糾正的動(dòng)作，照射外部A/V設(shè)備41等。然后算法100重復(fù)步驟104。在步驟112，在步驟108已經(jīng)確定操作者14位于恰當(dāng)?shù)木o固件位置，即P。= Pn，那么算法100測量、檢測或者確定工具16當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩設(shè)定T。。一旦確定當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩設(shè)定(Te)，那么方法100前進(jìn)至步驟114。在步驟114，參照校準(zhǔn)順序34或一組相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定，將步驟112的當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩設(shè)定(Te)與校準(zhǔn)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定Tn相比較。如果T。= Tn，那么算法100前進(jìn)至步驟116。否貝U，算法100前進(jìn)至步驟115。在步驟115，自動(dòng)調(diào)整當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩設(shè)定(Tc)。如上所述，向FCU 25發(fā)出信號(hào)，以通過電纜70自動(dòng)調(diào)整、更新或下載所需的轉(zhuǎn)矩設(shè)定至工具16。然后算法100前進(jìn)至步驟116。在步驟116，利用在當(dāng)前位置Pc處現(xiàn)在確認(rèn)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定T。，完成緊固件32的安裝，其中當(dāng)前位置Pc之前已經(jīng)在上述步驟108確認(rèn)。然后算法100前進(jìn)至步驟118。在步驟118，ELPS 50以自動(dòng)模式收集過程數(shù)據(jù)，使得在其收集或者數(shù)據(jù)值改變時(shí)，連續(xù)收集過程數(shù)據(jù)，并且下載至主機(jī)22。這里使用的過程數(shù)據(jù)是指任何數(shù)據(jù)、測量值或者其他在步驟116中描述安裝的信息，其可以用于各種目的，例如但不限于，質(zhì)量保證或質(zhì)量控制目的，以改進(jìn)操作者的培訓(xùn)、支持質(zhì)量保證退還或修復(fù)過程等。作為替換，例如通過將數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)在工具16中以及在預(yù)定間隔或者當(dāng)工具16返回至基座單元20時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送或下載至主機(jī)22，算法100可以包括周期性的收集該過程數(shù)據(jù)。然后，算法100前進(jìn)至步驟120。在步驟120，再次參考校準(zhǔn)順序34，以查看最新完成的緊固件安裝N是否對(duì)應(yīng)于順序34的最后或最終步驟，即Nf。如果對(duì)應(yīng)，那么工具16返回至其基座單元20，其空閑直到下一周期開始。然后，方法100完成。否則，方法100前進(jìn)至步驟122。在步驟122，增加N的值，其中N對(duì)應(yīng)于每個(gè)校準(zhǔn)順序34中相應(yīng)的位置。例如，如果正確的或相應(yīng)的位置是圖I中的B，那么主機(jī)22自動(dòng)更新，以使得其期待或期望操作者14移至位置B。然后，方法100重復(fù)上述的步驟108。相應(yīng)地，通過利用上述提出的本發(fā)明的裝置和方法，因?yàn)椴僮髡弑蛔詣?dòng)地提示至正確的位置，所以緊固工具的位置被定位、確認(rèn)和防止誤差?？梢酝ㄟ^觸屏設(shè)備(例如圖I 的GUI 40)啟動(dòng)與該裝置和方法相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)收集，以確定任何安裝的緊固件的數(shù)量和位置以及相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)矩和角度數(shù)據(jù)，所有這些可以顯示在GUI 40上或者另一設(shè)備上以提供及時(shí)反饋。例如通過識(shí)別與比期望誤差率高的誤差率常規(guī)一致的特殊的安裝步驟、批處理和/或獨(dú)立的操作者，可以自動(dòng)收集和存儲(chǔ)最終的運(yùn)行數(shù)據(jù)以用于今后的參考。在這種方式下，質(zhì)量安全可以最優(yōu)，和/或可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)訓(xùn)練，每個(gè)都確保最優(yōu)的處理效率。雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了實(shí)施本發(fā)明的最佳實(shí)施方式，但是本發(fā)明涉及的本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)知道用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的各種替換的設(shè)計(jì)和實(shí)施例也落入所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.ー種優(yōu)化工作単元內(nèi)具有校準(zhǔn)順序的過程的系統(tǒng)，所述裝置包括 手持工具，其構(gòu)造為執(zhí)行校準(zhǔn)順序的步驟； 連接至所述手持工具的電磁標(biāo)記器，所述電磁標(biāo)記器構(gòu)造為在所述工作単元內(nèi)發(fā)射校準(zhǔn)的磁場； 電磁感受器，其定位在所述工作単元中并適用于測量校準(zhǔn)的磁場，以及響應(yīng)于校準(zhǔn)的磁場產(chǎn)生原始位置信號(hào)； 與所述電磁感受器通信的處理核心器件，所述處理核心器件適用于處理原始位置信號(hào)，以由此計(jì)算手持工具的位置值和姿態(tài)值中的每個(gè)；以及與所述處理核心器件通信的主機(jī)，所述主機(jī)適用于 利用所述位置值和姿態(tài)值，連續(xù)監(jiān)視所述工作単元內(nèi)的手持工具現(xiàn)在的位置； 將所述手持工具現(xiàn)在的位置與校準(zhǔn)順序中期望的位置進(jìn)行比較；以及 當(dāng)所述手持工具現(xiàn)在的位置不等于校準(zhǔn)順序中期望的位置時(shí)，執(zhí)行控制動(dòng)作。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，進(jìn)一歩包括與主機(jī)和手持工具中每ー個(gè)通信的控制單元，所述控制単元用于響應(yīng)于主機(jī)的信號(hào)、自動(dòng)更新手持工具的性能設(shè)定； 其中所述主機(jī)用于向控制單元發(fā)送信號(hào)以自動(dòng)更新所述性能設(shè)定。
3.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述處理核心器件利用校準(zhǔn)的磁場，以沿著手持エ具的各個(gè)X軸、Y軸和Z軸確定電磁標(biāo)記器和手持工具中每ー個(gè)的位置。
4.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述手持工具包括具有縱軸的可旋轉(zhuǎn)的軸部分，以及其中所述電磁標(biāo)記器定位在縱軸上。
5.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，進(jìn)一歩包括顯示設(shè)備，用于顯示來自主機(jī)的消息。
6.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中從實(shí)質(zhì)由下述組成的組中選擇控制動(dòng)作暫時(shí)禁用手持工具、啟動(dòng)音頻/視頻設(shè)備以及向手持工具的操作者顯示消息。
7.ー種優(yōu)化工作単元內(nèi)緊固件安裝過程的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 手持轉(zhuǎn)矩扳手，其適用于將螺紋緊固件安裝至工作件內(nèi)，所述手持轉(zhuǎn)矩扳手具有旋轉(zhuǎn)軸； 在旋轉(zhuǎn)軸上連接至所述手持轉(zhuǎn)矩扳手的電磁標(biāo)記器，所述電磁標(biāo)記器適用于在工具單元內(nèi)緊鄰手持轉(zhuǎn)矩扳手處產(chǎn)生校準(zhǔn)的磁場； 電磁感受器陣列，其定位在所述工作単元中并適用于測量磁場，以及響應(yīng)于所述磁場產(chǎn)生原始位置信號(hào)； 與所述感受器陣列通信的處理核心器件，所述處理核心器件適用于處理位置信號(hào)，以由此計(jì)算電磁標(biāo)記器的位置值和姿態(tài)值；以及 與所述電磁標(biāo)記器通信的主機(jī)，所述主機(jī)用于 利用所述位置值和姿態(tài)值，連續(xù)監(jiān)視手持轉(zhuǎn)矩扳手現(xiàn)在的位置； 利用所述手持轉(zhuǎn)矩扳手現(xiàn)在的位置，計(jì)算螺紋緊固件現(xiàn)在的位置； 將所述螺紋緊固件現(xiàn)在的位置與校準(zhǔn)緊固件順序中期望的緊固件位置進(jìn)行比較；以及 當(dāng)所述螺紋緊固件現(xiàn)在的位置不等于期望的緊固件位置時(shí)，執(zhí)行至少ー個(gè)控制動(dòng)作。
8.
9.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，進(jìn)一歩包括與主機(jī)和手持轉(zhuǎn)矩扳手中每ー個(gè)通信的緊固件控制單元(FCU)，所述FCU適用于響應(yīng)來自主機(jī)的信號(hào)、自動(dòng)更新手持轉(zhuǎn)矩扳手現(xiàn)在的轉(zhuǎn)矩設(shè)定。
10.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中從實(shí)質(zhì)由下述組成的組中選擇至少ー個(gè)控制動(dòng)作暫時(shí)禁用所述自動(dòng)手持轉(zhuǎn)矩扳手、向所述轉(zhuǎn)矩扳手的操作者顯示消息以及激活音頻報(bào)警。
11.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，進(jìn)一歩包括圖形用戶界面(Gn)，其中至少ー個(gè)控制動(dòng)作包括利用⑶I顯示消息。
12.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述電磁標(biāo)記器具有圓形截面，并且接近可旋轉(zhuǎn)的軸放置。
13.ー種優(yōu)化工作単元內(nèi)緊固件安裝過程的方法，所述方法包括 利用電磁感受器陣列感測由電磁標(biāo)記器發(fā)出的校準(zhǔn)的磁場，其中所述電磁標(biāo)記器連接至工作単元內(nèi)的手持轉(zhuǎn)矩扳手； 利用所述感受器陣列產(chǎn)生原始位置信號(hào)； 利用處理核心器件處理原始位置信號(hào)，由此將原始位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁標(biāo)記器的位置值和姿態(tài)值，以及 將主機(jī)用于 基于所述位置值和姿態(tài)值，連續(xù)監(jiān)視工作単元內(nèi)轉(zhuǎn)矩扳手現(xiàn)在的位置； 將轉(zhuǎn)矩扳手現(xiàn)在的位置與校準(zhǔn)順序中期望的位置進(jìn)行比較；以及 當(dāng)所述轉(zhuǎn)矩扳手現(xiàn)在的位置不等于校準(zhǔn)順序中期望的位置時(shí)，執(zhí)行控制動(dòng)作。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)ー步包括利用轉(zhuǎn)矩扳手現(xiàn)在的位置計(jì)算由手持轉(zhuǎn)矩扳手安裝的螺紋緊固件的現(xiàn)在的位置，以及當(dāng)緊固件現(xiàn)在的位置不等于校準(zhǔn)順序中相應(yīng)的緊固件位置時(shí)，暫時(shí)禁用手持轉(zhuǎn)矩扳手。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)ー步包括 檢測手持轉(zhuǎn)矩扳手現(xiàn)在的轉(zhuǎn)矩設(shè)定； 將現(xiàn)在的轉(zhuǎn)矩設(shè)定與校準(zhǔn)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定進(jìn)行比較；以及 當(dāng)現(xiàn)在的轉(zhuǎn)矩設(shè)定不等于校準(zhǔn)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定時(shí)，自動(dòng)更新現(xiàn)在的轉(zhuǎn)矩設(shè)定以匹配校準(zhǔn)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，包括圖形用戶界面(GUI)，所述方法進(jìn)ー步包括利用GUI提示手持轉(zhuǎn)矩扳手的操作者相應(yīng)的位置。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)ー步包括當(dāng)所述螺紋緊固件的所述現(xiàn)在的位置不等于相應(yīng)的位置時(shí)，激活工作単元外部的音頻/視頻報(bào)警設(shè)備。
全文摘要
一種系統(tǒng)包含用于在工作單元內(nèi)執(zhí)行順序步驟的手持工具。連接至工具的電磁標(biāo)記器在單元中發(fā)出磁場。感受器檢測磁場，并響應(yīng)其產(chǎn)生原始位置信號(hào)。控制單元更新工具的組裝設(shè)定。當(dāng)利用原始數(shù)據(jù)確定的位置不等于順序中期望的位置時(shí)，主機(jī)執(zhí)行控制動(dòng)作。一種方法利用由標(biāo)記器產(chǎn)生并由感受器陣列測量的磁場，計(jì)算轉(zhuǎn)矩扳手現(xiàn)在的位置，并計(jì)算工具或緊固件現(xiàn)在的位置。將緊固件現(xiàn)在的位置和校準(zhǔn)順序中期望的位置進(jìn)行比較，當(dāng)緊固件位置不等于期望的位置時(shí)，可以禁用轉(zhuǎn)矩扳手。
文檔編號(hào)B25B23/142GK102695992SQ201080057814
公開日2012年9月26日 申請日期2010年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月19日
發(fā)明者H·A·盧斯, J·斯坦塞爾 申請人:費(fèi)福思塞奈提科斯有限公司