专利名称：用于复杂系统的可靠协同装配及维护的系统的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及复杂系统，更具体而言涉及复杂系统使用电动工 具的协同装配及维护。
背景技术：
复杂系统由多个互连的部件组成，所述部件作为整体呈现出与单 个零件明显不同的一个或多个属性或行为。例如，飞机是复杂系统， 具有很多零件及要求正确维护的临界依赖性。机械零件工人依照详细 的维护及维修流程执行与飞机组件的机械零件的拆卸、检测、维修、 装配及维护等的各种任务。该工作一般包括从视觉及尺寸上检查例如 机翼、燃料箱、旋转机翼、压缩机叶片、油泵等的零件或复杂部件， 以查找例如裂紋、刮伤、泄漏或者腐蚀的明显故障，或者查找磨损、
弯曲或破损的零件；更换或再加工受损零件；以及对移动零件的可才喿 作性进行测试。检测的失败可能导致重大损失及失去生命。
由于存 在许 多具有临界安全要求的类似复杂系统，因此存在对可 准确追踪机械操作同时具有经济成本效应的协同装配及维护系统的 需要。
发明内容
公开了对在复杂系统的装配及维护中使用的电动工具的位置及 定位进行追踪的系统及方法。该系统可帮助维护之间的协作并警告维 护人员完成复杂系统活动。
该系统的各个方面涉及标识电动工具的下 一 操作位置并在预定 任务期间监视该工具的性能。
依照一个方面，用于复杂系统的协同装配及维护的系统包括网络、在操作上耦合到该网络的电动工具以及在操作上耦合到所述网络 的计算机，所述电动工具包括感测与该工具及工作任务相关联的操作 特性的感测器，所述操作特性包括位置及性能信息，所述计算机配置 成接收操作特性并给电动工具提供下一操作位置。
优选地，所述电动工具包括显示所述工具的操作指令的显示器。
优选地，所述操作指令包括所述工具的工具设置信息。优选地， 所述计算机提供显示与所述工具相关联的状态的用户界面，将所述状 态存储在任务状态数据存储器中，从任务设计数据存储器确定所述操 作指令，在与所述电动工具相关联的显示装置上提供所述操作指令。
在一种实施例中，该系统的感测器为单轴线加速度计、多轴线加 速度计、模拟加速度计、数字加速度计、转动速度感测器、角速度感 测器与激光环形陀螺仪中至少之一。优选地，所述感测器是无线的。
所述网络一般为无线网络。可与该系统配合使用的示例网络包括
802.11兼容网络、蓝牙网络、蜂窝数字分組数据(CDPD)网络、高
速电路交换数据(HSCSD)网络、分组数据蜂窝(PDC-P)网络、通
用分组无线业务(GPRS)网络、lx无线传输4支术(lxRTT)网络、
IrDA网络、多信道多点分布服务(MMDS )网络、本地多点分布服务
(LMDS)网络及全球孩i波接入互才喿作(WiMAX)网络。
在一种实施例中，电动工具为紧固件、例如动力起子。在另一实
施例中，该电动工具为静电放电(ESD)模拟器。优选地，电动工具
包括显示指令的显示器。例如，指令可包括用于定位该工具的位置信 自
该系统的计算^L包括显示与该工具相关^:的工具状态的显示装 置，并将所述工作状态存储在任务状态数据存储器中。该计算机还可 通过访问任务设计数据存储器提供控制电动工具的指令。在一种实施 例中，计算机在电动工具的显示器上提供指令。在另一实施例中，在 平视显示器上提供指令。在再一实施例中，在电动工具的使用者佩戴 的手表型显示器上提供指令。在另 一 方面，与复杂系统配合使用的电动工具包括感测器与显示 器，所述感测器感测与应用于任务的工具相关联的操作属性，所述操 作属性包括工具位置与工具性能中至少之一，所述显示器设置成响应 于所述操作属性给工具提供操作指令。
在一种实施例中，电动工具还包括通信端口，所述通信端口从计 算机接收操作指令并在完成该任务时向计算机发送操作属性。通信端
口为串行端口 、 USB端口及无线发射机/4妻收机端口中至少之一。
在再一实施例中，提供复杂系统的可靠装配及维护的方法，包括 感测与电动工具的操作相关联的操作属性，所述操作属性包括与该工 具的使用相关联的位置及性能信息；以及，基于所述操作属性追踪电 动工具的使用。
该方法可包括基于所述操作属性向电动工具发送指令，所述指令 包括该工具的下一操作。操作属性的感测可包括使用加速度计。该方 法可还包括无线传输^操作属性。
在一种实施例中，追踪所述电动工具的使用包括用初始电动工 具位置校准所述电动工具；使用初始位置生成所述电动工具的下一操 作位置的指令；以及，在所述电动工具的显示单元上显示所述指令。
在一种实施例中，控制该工具的使用的方法包括生成用于电动 工具的操作的指令，以及在电动工具的显示单元上显示指令。该方法 还可包括追踪与电动工具相关联的位置坐标。在再一实施例中，该方 法可包括将操作属性与阈值进行比较并基于所述比较控制电动工具。
本发明的另 一方面提供与复杂系统配合使用的电动工具，包括 感测器，感测与正在被应用于任务的所述工具相关联的操作属性，所 述操作属性包括工具位置及工具性能中至少之一；以及显示器，布置 成响应于所述操作属性给所述工具提供操作指令。
在一种实施例中，所述电动工具包括通信端口，所述通信端口,人 计算机接收所述操作指令，并在完成所述任务时向所述计算机发送所 述操作属性，所述通信端口为串行端口 、 USB端口及无线发射机/接收机端口中至少之一。所述操作指令由所述电动工具执行。
可从本系统及技术得到若干优点。例如，系统可通过监^L维护的
完成而改善复杂系统的可靠性。系统还可通过追踪已完成及余下工作 来帮助各个工人的协作。本系统及技术还可提供维修记录以供风险评 估/事故分析，并标识被忽视的维修操作。
此外，本系统及技术提供便携式用户界面，并可设置可减少导致 其它损失的过失、减少工人的训练要求、并通过消除无用的工具移动 加快复杂系统的维修时间的工具性能属性。
例如，在车辆救援操作的情况下，本系统的电动工具可用于开发 车辆的设计知识，以便帮助救4爰人员安全地拆卸车辆以救出事故受伤者。
优选地，本系统可支持多种电动工具并可与多种系统相互作用。 例如，在装配线情况下，在装配的产品可暂时配置有感测器。接着， 该系统可追踪产品的位置信息，并计算该产品上的搡作的相对位置。
根据以下详细说明、附图及权利要求书，其它特征及优势就显而 易见了 。然而要理解，只将附图设计为示例而不是对本发明的限制的 定义。
图1示出了用于复杂系统的协同装配及维护的系统的框图。
图2示出了显示操作任务状态的图形用户界面的示例。
图3示出了显示操作任务的图形用户界面的示例。
图4A-C是对图1的系统中所包含的电动工具进行校准的流程图。
在各个附图中，同样的参考标号表示相同单元。
具体实施例方式
现在参考图1,示出了对可在复杂系统的装配及维护中使用的电 动工具20的位置及定位进行追踪的示例系统10。本文所用短语"电动工具"是指任意电力或电池驱动的钻头、锤、 起子、可将两个或两个以上物件结合或固定在一起的紧固件装置、例
如静电放电(ESD)模拟器的静电放电装置、以及分别例如冲击式扳 手与液压千斤顶的气动工具与液压工具。
本文所用短语"复杂系统，，是指作为整体呈现出与单个部件明显 不同的一个或多个属性或行为的多个互连部件。例如，飞初4皮一见为复 杂系统，因为飞机能够支持航空旅行，并包括例如副翼、翼梢、支撑 及连接配件、引擎等的各种零件。
本文所用短语"操作属性"是指与电动工具的使用相关联的工具 位置、定位及性能信息。
本文所用短语"操作指令"是指预定系统流程的步骤。该系统流 程可包括装配或维修流程。
本文所用短语"感测器"是指单轴线加速度计、多轴线加速度计、 模拟加速度计、数字加速度计、转动速度感测器、角速度感测器和/ 或激光环形陀螺仪。
本文所用短语"计算机"是指以明确定义方式响应特定指令集合 并可执行预先记录的指令列表的电子数字机器。
本文所用短语"网络"是指链接电子装置的一个或多个通信路径。
本文所用短语"在操作上耦合"是指有线或无线连接。
本文所用短语"平视显示器"是指在不使使用者的视线模糊的情 况下呈现数据的任意显示装置。
如图1所示，示例系统10包括无线网络14、在操作上经无线接 入点路由器12耦合到无线网络14的至少一个电动工具20、以及在操 作上耦合到网络14并与电动工具20通信的计算机40。计算机40配 置成接收电动工具20的操作属性，并给要用于完成工作任务的电动 工具20提供下一位置。虽然图1中只示出了一个电动工具20,但是 本发明不限于一个电动工具，并可包括能够使用有线或无线协议进行 通信的多个有变化的电动工具。计算机40是电子装置，其包括中央处理单元(CPU)42、随机存 取存储器(RAM) 44、输入输出控制模块46以及非易失存储器50， 其中，所有所述部件经由总线48互连且CPU42控制其它所有部件。 在一种示范实施例中，装置40的非易失存储器50配置成包括工作于 通过网络14向/从电动工具20发送并接收消息的任务设计模块52与 任务状态模块54。下面论述任务设计模块52与任务状态模块54的细 节。
任务设计数据存储器56与任务状态数据存储器58提供代表复杂 系统任务的一个或多个数据项的存储。在一种实施例中，数据存储器 56、 58为关系数据库。在另一实施例中，数据存储器56、 58建立在 目录月良务器、例如轻重目录访问十办i义(Lightweight Directory Access Protocol: LDAP )服务器上。在其它实施例中，数据存储器56、 58为 计算机40的存储器50中的配置区。
无线网络14可包括802.11兼容网络、蓝牙网络、蜂窝数字分组 数据(CDPD)网络、高速电路交换数据(HSCSD)网络、分组数据 蜂窝(PDC-P)网络、通用分組无线业务(GPRS)网络、lx无线传 输技术(lxRTT)网络、IrDA网络、多信道多点分布服务(MMDS) 网络、本地多点分布服务(LMDS )网络、全球孩t波接入互搡作 (WiMAX)网络和/或使用无线协议进行通信的任意其它网络。
如图1所示，电动工具20可为手持旋转起子。在针对旋转起子 提供的以下描述时，易于理解本发明的更宽方面可应用于其它类型的 电动工具，包括钻头、例如静电放电(ESD)模拟器的静电放电装置、 锤以及分别例如沖击式扳手与液压千斤顶的气动工具与液压工具。
例如，在一种示范实施例中，电动工具20包括可驱动地耦合到 电动机22上的主轴28 (即转轴)。电动机22的驱动轴24经齿轮26 连接到主轴28的另一端。这些组件装在工具20的壳25内。工具20 的操作通过使用包含在工具的手柄中的揭:作者启动开关35来控制， 开关35控制从电源34到电动机22的电流。电源34可为直流电源、交流(A.C.)电源或二者的组合。
电动工具20还配置有控制器32,所述控制器用于响应于从计算 机40接收到的指令而设置工具的操作属性。例如，工具20的转矩情 况由计算机接收并可由控制器32设置。在另一实施例中，在工具的 角速度满足阈值时，控制器可切断至电动机22的电源。在再一实施 例中，如果工具20为静电放电装置，则要放电的静电电荷的量从计 算机接收并由控制器32设置。
如图l所示，工具20配置有与控制器32通信的感测器30。感测 器30用于感测与工具相关联的操作属性。例如，工具位置及定位由 感测器30感测并净皮传递到控制器32。在另一实施例中，工具20的位 置及性能信息由感测器30传递到控制器32。
感测器30为^t拟多轴线加速度计，它用于在将电动工具应用于 特定工作任务时测量该工具的位置及定位。例如角速度感测器、数字 加速度计和/或激光环形陀螺仪等的其它类型的感测器也在本发明的 范围之内。此外，对于不同的电动工具，预计感测器30可设置在与 图l所示不同的位置，和/或配置成才企测到沿一个或多个轴线的运动。
如图1所示，电动工具20包括与控制器32及计算机40通信的 收发装置33。例如，在一种示范实施例中，收发装置33布置成向计 算机40无线发送控制器32从感测器30接收到的操作属性，并从计 算机40接收与电动工具的下一操作位置有关的指令。指令包含在图 形用户界面中，所述图形用户界面包含电动工具20的操作设置，例 如转矩设置、；改电量及保持时间。
感测器30向计算机40无线发送工具20的操作属性。结合图3 论述从计算机40向工具20提供的图形用户界面的示例。
在工具20的操作期间，例如角度转动、转动速率以及静电放电 的操作属性由控制机32基于从感测器30接收到的一个或多个信号进 行监视。在工具20的转动速率超过从计算机40接收到的阔值时，这 可指示特定工作任务的完成。例如，旋转起子某数量的转动或与ESD模拟器的操作相关联的放电量或放电时间可指示完成了某任务。本领 域技术人员要理解可使用各种感测器信号来确定特定任务的完成。
任务设计模块52向电动工具提供指令，所述指令包含工具的操 作者为用工具20完成特定任务将做的选择。如图1所示，任务设计 模块52与任务设计数据存储器56通信，所述任务设计数据存储器包 含用于与复杂系统有关的预定任务的数据。例如，在一种实施例中， 任务设计数据存储器56包括与飞机维护的指定维修流程相关联的所 有相关零件及任务信息。在另一实施例中，任务设计数据存储器56 包括用于装配飞机的所有相关零件及任务信息。任务设计模块52从 电动工具20接收操作属性，并可提供要被使用的电动工具20的下一 位置。
例如，飞机的维修情形可操作如下。首先，将飞机停住并用楔子 塞住，通过将电动工具20置于机身上的一个或多个固定位置来校准 该工具。接着，任务设计模块52从设计数据存储器56选择指定维修 流程，例如更换主边缘副翼。接着，电动工具20指示在哪里附上起 重设备以及去除哪些紧固件，在其显示器上显示各个所需的转矩。在 更换副翼之后，任务设计模块52设置工具20的预期转矩，并在工具 的显示器上显示放置紧固件的每个位置，将各个操作的实际工具性能 记录在任务状态数据存储器58中。优选地，如果某个工人在移动结 束时或休息时离开，则任务状态数据存储器58可用于指导另一工人 来恢复与下一紧固件有关的工作。此外，追踪工具性能，例如转矩及 每分钟转数(RPM)可还检测到提供不足够紧固的螺紋牙断缸的螺丝 或螺栓。系统10可基于工具20性能调度补救维护。下面论述任务设 计模块52如何接收操作属性并向电动工具提供下一位置的其它细节。
结合图4A-C描述任务设计模块52执行的用于初始化并校准电动 工具20的示范方法。如图4A所示，为了开始任务，标识电动工具的 初始位置。 一般，这个步骤包括对于特定任务将电动工具定位在预定 开始位置。如图4A所示，感测器可追踪并显示工具20的X、 Y及Z坐标位置100。
工具20的使用者选择启动开关102时，控制器32指示收发装置 33向任务设计模块52发送初始位置(O，O，O )。在任务设计模块52接 收到初始位置(O,O，O)时，任务设计模块52将该初始位置信息传递 到将其记录在任务状态数据存储器58中的任务状态模块54。接着， 任务设计模块52向电动工具20提供图形用户界面90以便显示操作 任务。
图4B示出了记录与工具20相关联的定位位置的方法。例如，如 前文所述，电动工具包括追踪并显示工具的位置信息106的感测器30。 启动开关的选择导致108控制器32指示收发装置33向任务设计模块 52发送当前位置(X,Y,Z ),任务设计模块52将该当前位置传递到任 务状态模块54以供在任务状态数据存储器58中的记录110。
该方法还可包括提供再现(playback)位置。这个特征对希望知 晓工具先前在哪些任务上使用的工具使用者尤其有利。如图4C所示， 例如，任务设计模块52首先访问来自任务状态数据存储器58的存储 位置坐标112,并接着将工具的位置坐标显示为绝对坐标或对特定目 标的相对坐标。
现在转到图3,示出了任务设计模块52所提供的用于在电动工具 20的视频显示器38上显示的示例图形用户界面90。该界面90包括 方向指示符72、 74、 76及78，用于指导装置的使用者将工具20定位 在特定位置；指令区84，用于显示任务的目标；图形区88,示出作 为任务主题的特定零件或项目；操作设置区88，显示要为特定任务而 应用于工具的操作属性；显示区80，可向使用者提供与工具20的使 用有关的交互式指令；以及状态区82,用于指示工具位置是否校准。
任务状态模块54监视并追踪电动工具20的使用及性能，并与任 务状态数据存储器58通信以便记录已完成的、正在进行的以及要完 成的任务的当前状态。任务状态模块54可提供示出任务状态的图形 用户界面50。例如，现在参考图2，示出了任务状态模块54所提供的示例图形 用户界面50。用户界面50被显示在在操作上耦合到计算机40的显示 装置上。例如，在一种实施例中，界面50被显示在附于计算机40的 计算机监视器上。在另一实施例中，界面50被显示在在操作上耦合 到计算机40的远程显示装置上。本领域技术人员要理解某些维修流 程可能不需要精确顺序，并可由本系统进行处理。此外，本领域技术 人员要理解本发明的本教导可应用于各种任务。例如，本系统可用于 提供要求补救的紧固件的指示，例如更换螺紋牙断缸的螺母和/或螺 栓。
界面50包括图形纵览区52,示出了要用工具20进行工作的所 选复杂系统；以及图形详视区54,示出了要用工具20进行工作的复 杂系统的特定区域或局部装配。在一种实施例中，局部装配的详细组 件56可还随状态以图形方式示出。例如，如图2所示，所示螺栓中 的四(4)个具有指示其需要用工具进行工作的空白中心，螺栓中的 三(3)个具有指示其已经用工具进行工作的阴影中心，而螺栓中的 一 (1)个具有指示其是下一个要进行工作的螺栓的加黑中心。
如图2所示，图形用户界面50还包括以矩阵形式布置的细节区 58，包含搮:作列60,指示要用工具执行的操作的类型；零件列62, 指示要用工具进行工作的组件项；组件62的物理属性64;该组件要 在工具上设置的操作属性66;以及状态列68，指示该组件的操作任 务是否完成或没有完成。在状态列68中的状态指示符被用颜色编码 以帮助矩阵58的阅读。
要理解，上文公开及其它特征及功能或其备选中的各个可按照需 要组合到许多其它不同系统或应用中。例如，在某些实施例中，电动 工具以独立工具工作，其中在启动任务之前将操作指令从计算机下载 到工具。工具的存储器在本地存储操作指令。工具响应于从工具感测 器接收到操作属性而执行本地存储的操作指令。
完成任务时，工具向计算机上载与应用于任务的工具相关联的操作属性。例如，在一种实施例中，将工具应用于任务的任务结果被上 载到计算机。电动工具一般包括允许工具接收操作指令并向计算机发
送操作属性的通信端口 。通信端口可为串行端口 、通用串行总线(USB ) 端口或者无线发射机/接收机端口 。
要理解，本领域技术人员可随后进行还要被随附权利要求书嚢括 的各种当前未预见或未预期的替代、改进、变型或改良。此外，权利 要求书可嚢括以硬件、软件或其组合的实施例。
权利要求
1.一种用于复杂系统的可靠装配及维护的系统，包括网络；电动工具，在操作上耦合到所述网络，所述电动工具包括感测与正被应用于任务的所述工具相关联的操作属性的感测器，所述操作属性包括工具位置与工具性能信息中至少之一；以及计算机，在操作上耦合到所述网络，所述计算机布置成响应于接收到所述操作属性而给所述电动工具提供操作指令。
2. 如权利要求l所述的系统，其中，所述感测器为单轴线加速度 计、多轴线加速度计、模拟加速度计、数字加速度计、转动速度感测 器、角速度感测器及激光环形陀螺仪中至少之一。
3. 如权利要求l所述的系统，其中，所述操作指令包括所述电动 工具的操作位置。
4. 如权利要求l所述的系统，其中，所述电动工具包括显示所述 工具的操作指令的显示器。
全文摘要
公开了对用于在复杂系统的装配及维护中使用的电动工具的位置及定位进行追踪的系统与方法。该系统可帮助维护间的协作并警告维护人员完成复杂系统活动。
文档编号G05B23/02GK101581935SQ200910145610
公开日2009年11月18日 申请日期2009年5月15日 优先权日2008年5月16日
发明者G·F·维塞拉克, P·R·奥斯丁, S·D·韦伯 申请人:施乐公司