用于将预制件定位在模具上的方法和设备与流程

相关申请的交叉引用

本申请根据35u.s.c.§119，要求2015年10月12日提交的序列号为62/240108的美国临时申请以及2014年12月15日提交的序列号为62/091816的美国临时申请的优先权的权益，本文以每一件申请的内容为基础并将其全文通过引用结合于此。

本公开一般涉及通过真空成形方法或其它平板玻璃/玻璃陶瓷重组方法，使玻璃或玻璃陶瓷预制件成形以形成三维(3d)形状。更具体地，本公开涉及具有可重复精度的将预制件定位在模具上的方法。

背景技术：

消费电子制造商越来越多地将三维(3d)形状的玻璃或玻璃陶瓷组件视为差异化的设计元素，使得他们能够继续发展其装置设计并且从市场中产生持续的兴趣。为了服务这一市场，玻璃制造商和组件供应商已经开发了几个相匹敌的工艺，以从平板玻璃预制件形成3d形状。这些方案包括双模工艺，如压制，其中，模具接触预制件的两侧；以及单模工艺，如真空成形和压制成形，其中，模具仅接触预制件的一侧。

节拍时间(takttime)短的高通量精密3d玻璃成形工艺(双模压制、单模真空成形或单模压力成形)可使得制造成本降低。“节拍时间”为符合消费者需求所需的平均单位生产时间。减少节拍时间的挑战之一在于保持2d预制件放置的所需精度。在单模工艺中可更加易于实现短的节拍时间。在双模工艺中，由于在压制玻璃的同时需要维持紧密容差，因此，在上部模具和下部模具之间存在高摩擦力。由于这一高摩擦力，因此不能施加快速压制动作。

需要将预制件精确地放置在模具上以满足3d部件的外周上的严格规格，并且具体来说，减少3d部件的长度、宽度和高度尺寸的变化并获得精度。如果预制件未被精确地放置在模具上，3d部件在轮廓尺寸上可能仍然良好地符合cad模型，但由于其长度、宽度或高度可能超出容差，因此，3d部件可能不适合于最终装置。通常的长度、宽度和高度尺寸的容差范围为+/-0.050mm至+/-0.150mm。对于3d部件，为了符合这些容差，需将预制件置于具有更紧密容差的模具上，取决于精确的规格要求和平板预制件容差，该更紧密容差通常在+/-0.050mm或更小的容差范围内。

常规的部件定位/传感技术不能满足这一应用的所有技术要求。例如，机器视觉系统不耐受在成形过程中模具上方存在的高环境温度。当将现有的视觉系统置于环境温度满足相机温度规格的位置时，其一般不具有满足这一应用的微米水平定位要求所需的分辨率。视觉系统还要求在预制件的玻璃边缘中极特定的照明，这是极难实现的，并且由于在工艺温度下在模具材料中发生的表面氧化而改变了模具光洁度(finish)，因此使得该极特定的照明进一步复杂化。

技术实现要素：

公开了借助力传感器将预制件定位在模具上的设备和方法。所述设备和方法可以包括在将预制件定位在模具上的过程期间，将力传感器维持在安全温度的装置。

在一个说明性的实施方式中，用于将预制件定位在模具上的设备包括预制件处理工具；力传感器，其偶联至预制件处理工具以使得力传感器能够感应在处理预制件期间，预制件处理工具向预制件施加的力；以及控制装置，安排该控制装置并且能够对其进行操作以使预制件处理工具相对于模具移动。所述控制装置可以包括机器人臂或可向预制件处理工具提供受控的运动的其它合适的机器。

在另一个说明性的实施方式中，用于将预制件定位在模具上的方法包括提供偶联至力传感器的预制件处理工具；用预制件处理工具拾起预制件并将预制件放置在模具附近；借助力传感器利用预制件的边缘在模具上映射(map)位置；以及根据所映射的位置将预制件置于模具上。

附图的简要说明

以下是对附图中各图的描述。为了清楚和简明起见，附图不一定按比例绘制，附图的某些特征和某些视图可能按比例放大显示或以示意图方式显示。

图1示出了根据一个实施方式的示例性的机器人预制件装载系统。

图1a示出了根据一个实施方式的在力传感器与图1的机器人预制件装载系统的冷却板之间的示例性的间隙器(standoff)。

图2示出了图1的机器人预制件装载系统的预制件处理工具剖视图。

图3示出了具有定位销的示例性模具。

图4示出了预制件在具有定位销的模具上的示例性位置。

图5示出了模型预制件尺寸的示例性定义。

详述

本文公开了一种将预制件(例如玻璃或玻璃陶瓷基材)定位在模具上的设备。还公开了使用该设备将预制件定位在模具上的方法。该设备可用于在期望位置的+/-0.050mm或以下的位置内，将预制件精确地定位在模具上。在一个实例中，所述模具可以为在连续成形机器上的加热模具，其中，如第8,701,443号美国专利所公开的，该模具在多个模具位置之间转换位置(indexed)，所述专利的全部内容通过引用纳入本文。在一个实施方式中，所述设备借助于力传感器将预制件定位在模具上。所述力传感器用于将模具上的位置映射到预制件的边缘以将预制件精确地置于模具上。

图1示出了根据一个实施方式，用于将预制件定位在模具上的设备10。设备10包括预制件处理组件90，其偶联至机器人臂102。在一个实施方式中，预制件处理组件90包括力传感器100，其可以通过力传感器适配器板104偶联至机器人臂102。预制件处理组件90还包括预制件处理工具106，其偶联至力传感器100以使得在预制件处理工具106上的力可传送到力传感器100。在一个实施方式中，预制件处理工具106可以包括真空(或吸)杯108用于夹持预制件。真空杯108可以与真空杯稳定器110相连，真空杯稳定器110可以进一步与真空杯接合器112相连。真空杯接合器112可以包括端口113以允许提供真空来激活真空杯108。在另一个实施方式中，预制件处理工具106可以包括伯努力吸盘(bernoullichuck)(未示出)，其将使得能够非接触性地处理预制件。伯努力吸盘使用真空和压力将基材漂浮及保持在适当的位置。可商购伯努力吸盘，例如费斯托公司(festocorp.)制造的费斯托伯努力夹钳(festobernoulligripper)或者mechatronic制造的伯努力真空末端执行器(bernoullivacuumend-effector)。

可商购力传感器。一些实例为从密歇根州罗切斯特山的发那科美国公司(fanucamericacorporation,rochesterhills,michigan)购得的发那科力传感器(fanucforcesensor)fs-250ia、fs-100ia、fs-40ia、fs-15ia和fs-15iae。购自发那科美国公司的力传感器或能够检测力和扭矩的其它合适的力传感器可被用作力传感器100。一些机器人制造商，例如发那科美国公司，提供了具有集成的力传感器的智能机器人。可使用这样的智能机器人来满足机器人臂102和力传感器100的功能。

通常，力传感器的额定温度为小于50℃。然而，在预制件装载位置处的环境温度可能远高于50℃，并且可能超过120℃。为了在将预制件定位在模具上的过程期间防止力传感器发生故障，预制件处理组件90可以包括用于力传感器100的冷却装置114。在一个实施方式中，冷却装置114在周围环境内形成了温度控制的气泡，其通过虚线101示例性地示出。力传感器100位于温度控制的气泡101内，从而免受于周围的加工温度。术语“气泡”用于“免于危险或不愉快的现实的地方或位置”的意思。在一个实施方式中，温度控制的气泡101内的温度通过冷却装置114维持在低于60℃，这将使得力传感器100能够在标准的商购力传感器的运行温度规格内。在另一个实施方式中，温度控制的气泡101内的温度通过冷却装置114维持在低于40℃。

在一个实施方式中，可以在使用预制件处理工具106和力传感器100将预制件装载到模具上的同时运行冷却装置114。在一个实施方式中，冷却装置114或其一部分可以大体上位于力传感器100和预制件处理工具106之间。在一个实施方式中，冷却装置114可以包括冷却板118，其设置在与力传感器100相邻处。冷却板118可以与力传感器100物理接触，例如，通过将冷却板118的上端与力传感器100物理连接，以使得可主要通过传导将热从力传感器100移除。在一个替代的实施方式中，间隙器(图1a中的118a)可以设置在冷却板118与力传感器100之间以形成小间隙，热可穿过该小间隙通过辐射从力传感器100中移除。冷却板118的下端可以偶联至预制件处理工具106，例如，通过使用任何合适的方式将冷却板118固定到真空接合器112。

在一个实施方式中，冷却板118具有一个冷却板室122，在冷却板室122内循环冷空气(或其它冷却流体)以从力传感器100中移除热。在一个实施方式中，冷却板118可以具有由内壁和外壁制成的双重壁120，并且冷却板室122可以位于双重壁120内的空隙中，即双重壁120的内壁与外壁之间的间隙。在这一实施方式中，循环空气包含在双重壁120内，这将会消除产生空气流的可能性，所述空气流可潜在地导致热梯度和导致由预制件形成的最终3d形部件中出现相应的尺寸缺陷，或者所述空气流可将颗粒携带到模具上，这可导致最终的3d形部件中的出现外观缺陷。

在一个实施方式中，冷却装置114还可以包括冷却罐128，设置该冷却罐128以至少部分地围绕力传感器100。冷却罐128可以连接，或者以其它方式偶联至力传感器100或冷却板118。一般而言，可以使用支撑冷却罐128的任何合适的方式以使其至少部分地围绕力传感器100。冷却罐128可以为单个罐或者可以由多个罐制成，所述多个罐并排排列以至少部分地围绕力传感器100。冷却罐128具有冷却罐室136。压缩的冷空气(或其它压缩流体)在冷却罐室136内循环以从周围的力传感器100中移除热。在一个实施方式中，冷却罐128具有由内壁和外壁制成的双重壁134，并且冷却罐室136位于双重壁134内的空隙中，即双重壁134的内壁与外壁之间的空隙。双重壁134可以以与先前对冷却板118所述相同的方式起作用。冷却罐128可以由铝或其它合适的材料(例如钢)制成。在一个实施方式中，如图2所示，冷却罐128可以包括窗130以在机器人臂102偶联至力传感器100时容纳机器人臂102。机器人臂102可以如所示延伸通过窗130。

如图1和2所示，冷却装置114还可以包括隔热屏132，其被安装在冷却罐128的外部上。隔热屏132可以用于阻断来自熔炉(未示出)或其它类似热源的指向力传感器100的热辐射。隔热屏132仅可以用于将面向热辐射源的部分冷却罐128上，或者可以围绕整个冷却罐128，其同时具有用于机器人臂102的合适的开口或余隙。隔热屏132可以由铝或其它合适的隔热屏材料制成。

冷却装置114还可以包括如图2中所示的涡流管140，其位于例如力传感器适配器板104内，用于在力传感器100上提供额外的局部冷却。涡流管使压缩空气旋转以将空气分成冷空气流和热空气流。合适的涡流管的实例购自俄亥俄州辛辛那提的沃特(vortec,cincinnati,ohio)。

回到图1，上文所述的预制件处理组件90可用于将玻璃或玻璃陶瓷预制件或者由其它材料制成的预制件装载到用于下垂工艺的模具上，以将预制件形成3d部件。在将预制件装载到模具上之前，通常先预热预制件。为了将预制件205装载到模具200上，机器人臂102使用预制件处理工具106从预热嵌套(nest)(未示出)中取出预制件205并接近模具200。然后机器人臂102将预制件205放置于接近模具200的表面处，使用力传感器100的将预制件205定位在模具200上的过程即开始。在将预制件205定位在模具200上的同时，运行冷却装置114以在力传感器100的周围提供所需的温度控制的气泡，从而使力传感器100保持在安全的运行温度范围内。安全运行温度范围将由制造商通过力传感器的额定值来确定。在一个实施方式中，冷却装置114将力传感器100的温度维持在力传感器的最大额定运行温度以下。在一个实施方式中，冷却装置114将力传感器100的温度维持在60℃以下。在另一个实施方式中，冷却装置114将力传感器100的温度维持在40℃以下。虽然没有示出，但是传感器可以用于监测温度控制的气泡内的温度，并且传感器的输出可以用于调节冷却装置114的运行。

图3示出了在一个实施方式中，待将预制件205装载于其上的模具200具有定位销202、204、206。两个销202、204沿着y轴排列，一个定位销206沿着x轴排列。即，三个定位销202、204、206不是共线的，或者三个定位销202、204、206形成了三角形。为了将预制件205准确地放置于模具200上，预制件205的外部边缘208需毗邻所有的这些销。

参考图4，根据一个实施方式，为了将预制件205准确地定位在模具200上，机器人臂(图1中的102)可以沿着y轴移动直至预制件205的边缘208接触x轴上的定位销206。为了这一移动，力传感器(图1中的100)可以为力模式，即感应力。当力传感器记录预定量的力，例如4n时，可以确认接触到了定位销206。当力传感器提供已经发现定位销206的反馈时，机器人臂停止移动。

机器人臂可以沿着y轴逆转方向并且使预制件205的边缘208从定位销206移动特定的距离，例如1mm。该距离通过力传感器模式中的特定工艺特征和销直径确定。

然后，机器人臂可以沿着x轴移动直至其使y轴上的销202、204中的一个与预制件205的边缘208接触。为了这一移动，力传感器可以为力模式。当力传感器记录预定量的力，例如4n时，可以确认接触。当力传感器提供已经发现y轴上的销202、204中的任一个的反馈时，机器人臂停止移动。

可以将力传感器置于扭矩模式以用于下一次移动。机器人臂可以通过移动搜索y轴上的其它销202或204，直至其检测到来自先前在y轴上发现的销的力矩(如上所述)。机器人臂可以以某一方向旋转以抵消该力矩，直至机器人施加的扭矩被反方向的相等的力矩消除为止。当y轴上的两个销202、204与预制件205的边缘208接触时满足这一条件。然后，力传感器提供已发现y轴上的两个销202、204的反馈。

可以提供与机器人臂和力传感器通信的机器人控制器。该机器人控制器可以包括处理器和网络通信能力。这样的机器人控制器可以从商业来源构建或获得。例如，系统r-30ib控制器(systemr-30ibcontroller)可购自发那科美国公司。可在机器人控制器中实施某一程序，当执行该程序时，进行如上所的步骤。具有该程序的机器人控制器可用于如上所述的移动机器人臂以将预制件定位在模具上。

在预制件205已经被定位到模具200上后，机器人可以通过关闭通向真空杯(图1中的108)的真空，将预制件205释放到模具表面。

如上所述的力传感器的应用使得机器人系统用待装载到每个模具上的预制件的边缘映射每个模具位置。这一方法使得机器人弥补了所有的机器系统容差、模具到模具的变化和预制件到预制件的变化，并且以满足刚形成的部件尺寸所需的准确水平和重复性水平将预制件置于模具上。拾起预制件及进行上述移动的整个操作通常需要在15秒内完成以维持高通量成形工艺。

定义：cp是工艺能力的量度。其以cp＝[usl-lsl]/6*(所有数据的标准偏差)计算。cpk为衡量相对于工艺的自然变化，一个工艺运行到接近于其规格限制的程度的指数。cpk＝最小值[(mean-lsl)/3*标准偏差),(usl-mean)/3*标准偏差)]。usl为规格上限，lsl为规格下限，并且mean为数据的工艺平均值。对于一个工艺来说，cp和cpk越高越好。cp和cpk基本上示出了工艺控制的良好程度。

实施例1(对比)：使用俄亥俄州rad的气动顺应装置(pneumaticcompliancedevicebyrad,ohio)将预制件放置在24模旋转分度真空成形机(24-moldrotaryindexingvacuumformingmachine)中的模具上。气动顺应装置基于压力响应反馈运行而无需激活计算机运动控制。相反，力传感器使用计算机控制并且可检测从外部来源施加其上的力和力矩(x轴、y轴、z轴、偏航轴(yaw)、纵倾轴(pitch)和翻滚轴(roll))。力传感器通常具有比气动顺应装置显著更高的精度。表1示出了长度(l1、l2、l3)和宽度(w1、w2、w3)尺寸的cp值。(图5示出了预制件模型p的l1、l2、l3、w1、w2和w3的定义)。长度/宽度/高度尺寸的产率(yield)低于50％(cp<0.5)。

表1

实施例2：使用力传感器(发那科fs-15ia(fanucfs-15ia))将预制件置于24模旋转分度真空成形机中的模具上，其中根据上文描述的工艺参考图4放置每个预制件。表2a和2b示出了长度(l1、l2、l3)、高度(h1、h2、h3、h4、h5、h6)和宽度(w1、w2、w3)尺寸的cp值。(l1、l2、l3、h1、h2、h3、h4、h5、h6、w1、w2和w3的定义示于图5)。对于所有测试的位置，cp大于或等于0.99(相当于93％产率)，其相对于对比实施例1来说是显著的改进。力传感器使用计算机控制并且可检测从外部来源施加其上的力和力矩(x轴、y轴、z轴、偏航轴、纵倾轴和翻滚轴)。力传感器通常具有比气动顺应装置显著更高的精度，这可以说明cp比实施例1得到显著改进。

表2a

表2b

尽管已经结合有限数量的实施方式描述了本发明，但是得益于本公开的本领域技术人员会理解，能够在不偏离本文所公开的本发明范围的前提下想出其它的实施方式。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求书限定。