支撑装置、支撑单元系统及支撑单元控制系统的制作方法

本发明是涉及一种支撑装置、支撑单元系统及支撑单元控制系统，且特别是涉及一种能主动调整支撑装置以贴合工件的支撑装置、支撑单元系统及支撑单元控制系统。

背景技术：

夹治具在加工的品质上扮演关键的角色，但在面对少量多样的客制化产品时，设计治具往往成为沉重的负担，治具不但要特别开发，其拆装过程繁复，使得产线弹性不足，无法快速的转换生产模式。此外，在如船舶、航太等大型零件或者汽车板金的加工中，所需治具非常庞大，使得加工成本居高不下，而储存这些治具也需要相当大的空间。

现有技术中，现有支撑结构以万向接头连接吸盘，以被动方式来适应工件曲面，因为是被动吸附方式的自由支撑，当工件受到压迫时，吸盘便会自由位移，使得后续加工时也随之变形，而无法有效地贴合工件曲面以固定工件。再者，现有技术虽有利用真空吸盘结构来强化吸附支撑工件的能力，然而万向接头旋转角度不足，无法贴合倾斜角度太大的工件表面。若旋转角度过大，会压迫真空吸盘内部管线，使吸盘无法运作。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种支撑装置，其能主动贴合工件表面。

本发明的再一目的在于提供一种支撑单元系统，其通过一多工器来驱动多个驱动马达单元，以主动贴合工件表面，并能减少设置控制驱动元件的成本。

本发明的另一目的在于提供一种支撑单元控制系统，能主动控制前述支撑装置自动排列成工件曲面所需的形状，便能贴合工件表面以降低调整支撑装置的时间。

为达上述目的，本发明的一实施例提出一种支撑装置，支撑装置包括一支撑本体、一第一角度转动单元、一第二角度转动单元、一高度调整单元、一吸附元件以及一驱动马达单元。第一角度转动单元设该支撑本体的一端。第二角度转动单元设于支撑本体内。高度调整单元设于支撑本体的另一端。吸附元件可转动地设于第一角度转动单元。驱动马达单元包含一第一驱动元件、一第二驱动元件及一第三驱动元件，其中第一驱动元件耦接于第一角度转动单元，第一驱动元件驱动第一角度转动单元以调整吸附元件的旋转角度，第二驱动元件耦接于第二角度转动单元，第二驱动元件驱动第二角度转动单元以带动支撑本体绕支撑本体的轴心转动，第三驱动元件耦接于高度调整单元，第三驱动元件驱动高度调整单元以带动支撑本体沿着支撑本体的轴心移动。

本发明的一实施例提出一种支撑单元系统。支撑单元系统包括一工件平台、多个支撑装置以及一控制单元。多个支撑装置位于工件平台，各支撑装置包含一支撑本体、一第一角度转动单元、一第二角度转动单元、一高度调整单元、一吸附元件以及一驱动马达单元。第一角度转动单元设于支撑本体的一端。第二角度转动单元设于支撑本体内。高度调整单元设于支撑本体的另一端。吸附元件可转动地设于第一角度转动单元。驱动马达单元包含一第一驱动元件、一第二驱动元件及一第三驱动元件，其中第一驱动元件耦接于第一角度转动单元，第二驱动元件耦接于第二角度转动单元，第三驱动元件耦接于高度调整单元。控制单元耦接于多个支撑装置，控制单元用以驱动各支撑装置的驱动马达单元，其中第一驱动元件驱动第一角度转动单元以调整吸附元件的旋转角度，第二驱动元件驱动第二角度转动单元以带动支撑本体绕支撑本体的轴心转动，第三驱动元件驱动高度调整单元以带动支撑本体沿着支撑本体的轴心移动。

本发明的一实施例提出一种支撑单元控制系统，包括至少一支撑装置、一坐标汇入单元以及一控制单元。各支撑装置包含一支撑本体、一第一角度转动单元、一第二角度转动单元、一高度调整单元、一吸附元件以及一驱动马达单元。第一角度转动单元设于支撑本体的一端。第二角度转动单元设于支撑本体内。高度调整单元设于支撑本体的另一端。吸附元件可转动地设于第一角度转动单元。驱动马达单元包含一第一驱动元件、一第二驱动元件及一第三驱动元件，其中第一驱动元件耦接于第一角度转动单元，第二驱动元件耦接于第二角度转动单元，第三驱动元件耦接于高度调整单元。坐标汇入单元耦接于各支撑装置，坐标汇入单元提供一位置坐标值及一法线向量，其中法线向量由位置坐标值转换而来。控制单元耦接于坐标汇入单元，控制单元依据法线向量而控制第一驱动元件及第二驱动元件，控制单元依据位置坐标值而控制第三驱动元件，其中第一驱动元件驱动第一角度转动单元以调整吸附元件的旋转角度，第二驱动元件驱动第二角度转动单元以带动支撑本体绕支撑本体的轴心转动，第三驱动元件驱动高度调整单元以带动支撑本体沿着支撑本体的轴心移动。

基于上述，本发明的支撑装置具备可调整旋转角度且可升降的机制，并且，通过驱动马达单元来主动调整吸附元件于第一旋转轴角度及第二旋转轴角度的转动，并通过驱动马达单元来主动调整吸附元件的高度，用于符合各式各样不同曲面的工件外型，让吸附元件贴合或吸附工件而能稳固地支撑工件。

再者，在本发明的支撑单元系统中，当多个支撑装置排列在工件平台时，通过多工器的设置，以形成一共用控制驱动设备，而可同时控制多个驱动马达单元，如此能减少整体支撑单元系统设置上的结构，并降低设置控制驱动元件(如控制器及驱动器)的成本。

此外，在本发明的支撑单元控制系统中，利用电脑辅助设计文件，而自动取得所欲支撑工件曲面的位置坐标值及法线向量，且通过坐标汇入单元将上述位置坐标值及法线向量转换成支撑装置的第一旋转轴角度、第二旋转轴角度以及高度方向的坐标信息，并汇入控制单元，进而控制支撑装置自动排列成工件曲面所需的形状，而无需通过人力调整，故能大幅降低调整支撑装置的时间。

附图说明

图1为本发明的支撑装置的示意图；

图2为图1的支撑装置的具体结构示意图；

图3为本发明的吸附元件一实施例的示意图；

图4为本发明的吸附元件另一实施例的示意图；

图5为本发明的支撑单元系统的示意图；

图6为图5中控制单元与支撑装置的示意图；

图7为本发明的控制坐标的支撑系统的示意图；

图8为本发明的工件位置坐标值及法线向量的示意图；

图9为本发明图8中法线向量坐标的示意图；

符号说明

100 支撑装置

110 支撑本体

112 第一连接部

114 第二连接部

116 第三连接部

118 第四连接部

120 第一角度转动单元

122 蜗杆

124 蜗轮

126 第一减速机

130 第二角度转动单元

132 旋转台

134 第二减速机

140、240 吸附元件

142、242 吸盘

243 缓冲件

144 开孔

146 底座

148 真空管

149 轴杆

150 高度调整单元

152 时规皮带轮

154 导螺杆

160 驱动马达单元

162 第一驱动元件

164 第二驱动元件

166 第三驱动元件

50 支撑单元系统

52 工件平台

60 控制单元

62 控制器

64 驱动器

66 多工器

70 支撑单元控制系统

72 电脑辅助设计文件

74 坐标汇入单元

742 位置坐标值

744 法线向量

A 第一旋转轴角度

B 第二旋转轴角度

C 圆心

G 网格

n 法线

P1 第一点

P2 第二点

P3 第三点

r 距离

x 侧边

S1 信号

S2 驱动信号

S21～S24 多工信号

S31～S34 回传信号

W 工件

Z 高度方向

具体实施方式

以下谨结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明的支撑装置的示意图。图2为图1的支撑装置的具体结构示意图。请参阅图1及图2。本实施例的支撑装置100用以支撑汽车板金、飞机机翼等大型零件，支撑装置100包括一支撑本体110、一第一角度转动单元120、一第二角度转动单元130、一吸附元件140、一高度调整单元150以及一驱动马达单元160。

吸附元件140可转动地设于第一角度转动单元120。第二角度转动单元130设于支撑本体110内。第一角度转动单元120设于支撑本体110的一端，高度调整单元150设于支撑本体110的另一端。

驱动马达单元160包含一第一驱动元件162、一第二驱动元件164及一第三驱动元件166，其中第一驱动元件162耦接于第一角度转动单元120，第二驱动元件164耦接于第二角度转动单元130，第三驱动元件166耦接于高度调整单元150。

在此配置之下，第一驱动元件162驱动第一角度转动单元120以调整吸附元件140的旋转角度，使得吸附元件140能在一第一旋转轴角度A范围内旋转，第二驱动元件164驱动第二角度转动单元130以带动支撑本体110绕支撑本体110的轴心转动，使吸附元件140能绕着一第二旋转轴角度B转动，第三驱动元件166驱动高度调整单元150以带动支撑本体110沿着支撑本体110的轴心移动，使吸附元件140具有沿着一高度方向Z上下升降移动的机制。如此一来，本实施例的支撑装置100具备可调整吸附元件140旋转角度且可升降的机制，并且，通过驱动马达单元160来主动调整吸附元件140于第一旋转轴角度A及第二旋转轴角度B的转动，并通过驱动马达单元160来主动调整吸附元件140的高度，用于符合各式各样不同曲面的工件外型，让吸附元件140主动地贴合或吸附工件而能稳固地支撑工件。

具体而言，如图3所示，为本发明的吸附元件一实施例的示意图。吸附元件140包含一吸盘142、一底座146、一真空管148以及一轴杆149，其中轴杆149穿设于底座146。

吸盘142例如为一橡胶的弹性材质所制成，且吸盘142具有一开孔144，真空管148连通吸盘142，也就是，本实施例的吸盘142为一软性真空吸盘结构。吸盘142设于底座146，底座146为一硬质材质所制成，也就是，本实施例底座146本身为一硬质支撑结构。如此配置之下，真空管148抽真空时，本实施例的吸附元件140通过吸盘142本身的弹性，而提供拉力固定工件以外，更在吸盘142外设置具硬质支撑结构的底座146，而使工件有更多的支撑接触面积，用于提供足够的支撑力，进而能承载大型工件较大的重量。

进一步地，如图4所示，为本发明的吸附元件另一实施例的示意图。在一实施例中，吸附元件240还包含一缓冲件243。缓冲件243位于吸盘242与底座146之间。吸盘242为一硬质材质所制成，而缓冲件243例如为一橡胶的弹性材质所制成，而底座146为一硬质材质所制成。在此配置之下，真空管148抽真空时，吸盘242吸附工件，而缓冲件243因抽取真空而包覆吸盘242，如此亦能提供足够的吸附力来吸附工件。

请复参阅图2。支撑本体110还具有一第一连接部112、一第二连接部114、一第三连接部116及一第四连接部118，其中第一连接部112与第三连接部116分别位于第二连接部114的两端，而第三连接部116则可上下移动地设于第四连接部118。

第一角度转动单元120位于第一连接部112，第一角度转动单元120包含一蜗杆122、一蜗轮124及一第一减速机126，其中第一减速机126的输出轴驱动蜗杆122，蜗杆122再带动蜗轮124旋转。

蜗轮124耦接于吸附元件140的轴杆149，蜗杆122相邻蜗轮124而设置于第一角度转动单元120中，第一减速机126例如为一谐和式减速机，且第一减速机126位于第一驱动元件162与蜗杆122之间，第一减速机126连接于蜗杆122。

如此配置之下，第一驱动元件162用以驱动蜗杆122转动以带动蜗轮124旋转，为了有效减少支撑装置100的体积，本实施例第一驱动元件162采用小型的马达，搭配体积小且具有高减速比的第一减速机126，如此一来，第一减速机126用以放大第一驱动元件162的扭力而能调整蜗杆122的转速，用于调整吸附元件140在第一旋转轴角度A范围内的旋转角度。此外，此蜗杆122与蜗轮124的组合也可对吸附元件140形成自锁效应以提升足够的支撑力，使得支撑装置100能在有限的体积下也能提供相当高的承载能力。

第二角度转动单元130位于第二连接部114，第二角度转动单元130包含一旋转台132及一第二减速机134。第二减速机134耦接于旋转台132，第二减速机134耦接于第二驱动元件164，第二驱动元件164且用以驱动旋转台132以带动支撑本体110绕支撑本体110的轴心转动，为了有效减少支撑装置100的体积，本实施例第二驱动元件164采用小型的马达，搭配体积小且具有高减速比的第二减速机134，第二减速机134例如为一谐和式减速机，如此一来，第二减速机134用以放大第二驱动元件164的扭力而能调整旋转台132的转速，用于使吸附元件140绕着第二旋转轴角度B转动。

高度调整单元150位于第三连接部116及第四连接部118内，高度调整单元150包含一时规皮带轮152与一导螺杆154，导螺杆154耦接于时规皮带轮152，时规皮带轮152耦接于第三驱动元件166。如此配置之下，第三驱动元件166例如为一马达且用以驱动时规皮带轮152转动，与此同时，时规皮带轮152用以带动导螺杆154沿着支撑本体110的轴心移动，以驱使第三连接部116能沿着高度方向Z上下移动，并调整吸附元件140于高度方向Z的高度位置。

图5为本发明的支撑单元系统的示意图。图6为图5中控制单元与支撑装置的示意图。请参阅图5及图6。支撑单元系统50包含一工件平台52、多个支撑装置100以及一控制单元60。

多个支撑装置100例如以矩阵排列方式而位于工作平台52，而工件W置于多个支撑装置100上，其中支撑装置100的具体说明可参阅前述图1至图4。

控制单元60耦接于多个支撑装置100，控制单元60用以驱动各支撑装置100的驱动马达单元160。

详细而言，控制单元60包含一控制器62、一驱动器64以及一多工器(multiplexer)66。

控制器62用以输出一信号S1，驱动器64电性连接控制器62驱动器64接收控制器62输出的信号S1，驱动器64用以发出一驱动信号S2至多工器66，多工器66根据驱动信号S2而分配发送多工信号S21～S24至支撑装置100的驱动马达单元160，也就是说，此多工器66位于控制信号传递的路径中，以形成一共用控制驱动设备。各支撑装置100的驱动马达单元160接收对应的多工信号S21～S24以驱动如图2所示该支撑装置100的第一角度转动单元120、第二角度转动单元130及高度调整单元150，换言之，各支撑装置100具有一对应的驱动马达单元160，各驱动马达单元160控制吸附元件140的转动方向(第一旋转轴角度A及第二旋转轴角度B)以及上下移动方向(高度方向Z)，以吸附并支撑工件W，而通过本实施例的控制单元60的多工器66分配发送多工信号以控制相应的各驱动马达单元160，故各驱动马达单元160不需要个别对应一控制驱动元件(控制器62及驱动器64)，通过多工器66的设置便能将一控制驱动元件(控制器62及驱动器64)同时控制多个驱动马达单元160，如此能减少整体支撑单元系统50设置上的结构，并降低设置控制驱动元件(控制器62及驱动器64)的成本。

此外，各支撑装置100的驱动马达单元160发送一回传信号(S31～S34)至多工器66，以告知吸附元件140的转动方向(第一旋转轴角度A及第二旋转轴角度B)以及上下移动方向(高度方向Z)的信息是否符合此时工件W的曲度及高度，而能适时地调整吸附元件140的转动方向(第一旋转轴角度A及第二旋转轴角度B)以及上下移动方向(高度方向Z)，并且此第一旋转轴角度A、第二旋转轴角度B以及高度方向Z的调整信息则可在控制完毕后暂存于记忆体中，待下一次控制时再取回即可。

图7为本发明的支撑单元控制系统的示意图。请参阅图7。在本实施中，支撑单元控制系统70包括至少一支撑装置100、一电脑辅助设计(Computer Aided Design,CAD)文件72、一坐标汇入单元74以及一控制单元60。

利用一电脑软件以多个网格G组成以模拟出欲支撑工件的外型，而得到电脑辅助设计文件72。

接着，将上述电脑辅助设计文件72中的每一个网格G解码而得出一位置坐标值742。如图8，为本发明的工件位置坐标值及法线向量的示意图。图8中坐标绘制三维方向，分别代表X轴、Y轴及Z轴，而位置坐标值742例如为第一点P1、第二点P2及第三点P3，且第一点P1、第二点P2及第三点P3三点坐标共圆且具有一圆心C，并由此得出一法线n。

坐标汇入单元74提供上述位置坐标值742及法线向量744，其中法线向量744由位置坐标值742转换而来。如图9，为本发明

图8中法线向量坐标的示意图。图9中绘制法线n的三维方向，分别代表ni轴、nj轴及nk轴。而距离r则为某一特定坐标点至原点的距离，即距离一侧边x、距离r与nk轴所围绕一直角三角形，由数学公式可知，因此，侧边如此便可经由三角函数公式而求出第一旋转轴角度A以及第二旋转轴角度B，而数学公式如下所述。

就第一旋转轴角度A而言，因此，第二旋转轴角度

就第二旋转轴角度B而言，因此，第二旋转轴角度

控制单元76依据法线向量744而控制第一驱动元件162及第二驱动元件164，也就是法线向量744提供第一旋转轴角度A以及第二旋转轴角度B的坐标信息。控制单元76依据位置坐标值742而控制第三驱动元件166，也就是此位置坐标值742中的圆心C在Z轴方向的高度值，能提供第三驱动元件166于高度方向Z上下升降移动的坐标信息，其中第一驱动元件162驱动第一角度转动单元120以调整吸附元件140的旋转角度，使得吸附元件140能在第一旋转轴角度A范围内旋转，第二驱动元件164驱动第二角度转动单元130以带动支撑本体110绕支撑本体110的轴心转动，使吸附元件140能绕着第二旋转轴角度B转动，第三驱动元件166驱动高度调整单元150以带动支撑本体110沿着支撑本体110的轴心移动，使吸附元件140具有沿着高度方向Z上下升降移动的机制。

在此配置之下，支撑单元控制系统70利用电脑辅助设计文件72，而自动取得所欲支撑工件曲面的位置坐标值742及法线向量74，且通过坐标汇入单元74将上述位置坐标值742及法线向量74转换成支撑装置100的第一旋转轴角度A、第二旋转轴角度B以及高度方向Z的坐标信息，并汇入控制单元76，进而控制支撑装置100自动排列成工件曲面所需的形状，而无需通过人力调整，故能大幅降低调整支撑装置100的时间。

综上所述，本发明的支撑装置具备可调整旋转角度且可升降的机制，并且，通过驱动马达单元来主动调整吸附元件于第一旋转轴角度A及第二旋转轴角度B的转动，并通过驱动马达单元来主动调整吸附元件的高度，用于符合各式各样不同曲面的工件外型，让吸附元件贴合或吸附工件而能稳固地支撑工件。

再者，本发明所提供的吸附元件具有软性真空吸盘结构及硬质支撑结构的底座所构成，如此一来，真空管抽真空时，本实施例的吸附元件通过吸盘本身的弹性，而提供拉力固定工件以外，硬质支撑结构的底座使工件有更多的支撑接触面积，用于提供足够的支撑力，进而能承载大型工件较大的重量。进一步地，可选择性地将吸盘设计成硬质结构，而在吸盘与底座之间设置一具弹性的缓冲件，如此一来，真空管抽真空时，吸盘吸附工件，此硬质材质制成的吸盘可提供另一支撑力，而缓冲件因抽取真空而包覆吸盘，如此亦能提供足够的吸附力来吸附工件。

另外，为了有效减少支撑装置的体积，驱动元件采用小型的马达，搭配体积小且具有高减速比的谐和式减速机，如此一来，减速机用以放大驱动元件的扭力，用于调整吸附元件的旋转角度。

此外，蜗杆与蜗轮的组合也可对吸附元件形成自锁效应以提升足够的支撑力，故不需使得支撑装置能在有限的体积下也能提供相当高的承载能力，进而有效地简化整体支撑装置的体积。

再者，在本发明的支撑单元系统中，当多个支撑装置排列在工件平台时，通过多工器的设置，以形成一共用控制驱动设备，而可同时控制多个驱动马达单元，如此能减少整体支撑单元系统设置上的结构，并降低设置控制驱动元件(如控制器及驱动器)的成本。

此外，在本发明的支撑单元控制系统中，利用电脑辅助设计文件，而自动取得所欲支撑工件曲面的位置坐标值及法线向量，且通过坐标汇入单元将上述位置坐标值及法线向量转换成支撑装置的第一旋转轴角度、第二旋转轴角度以及高度方向的坐标信息，并汇入控制单元，进而控制支撑装置自动排列成工件曲面所需的形状，而无需通过人力调整，故能大幅降低调整支撑装置的时间。

以上所述，仅记载本发明为呈现解决问题所采用的技术手段的优选实施方式或实施例而已，并非用来限定本发明专利实施的范围。即凡与本发明权利要求文义相符，或依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都为本发明专利范围所涵盖。