馬德里工業(yè)大學(xué)（DISAM）為西班牙Dragados S.A.建筑公司新開發(fā)出建筑工業(yè)用的預(yù)制GRC（玻璃纖維加強(qiáng)水泥）板的機(jī)器人加工單元。所開發(fā)系統(tǒng)的主要貢獻(xiàn)是自動編程和全規(guī)劃的控制。把在CAD系統(tǒng)上完成的建筑物外觀的建筑三維圖作為輸入。通過CAD設(shè)計，就可獲得（預(yù)制）板部分的優(yōu)化外觀面。為了制作每一塊（預(yù)制）板，任務(wù)和路徑自動規(guī)劃由裝備在加工單元中的設(shè)備：噴涂機(jī)器人、PLC、控制計算機(jī)等來完成。
雖然近年加強(qiáng)了工作，但建筑業(yè)的自動化水平仍比其他工業(yè)低好多。由于非重復(fù)性工藝、標(biāo)準(zhǔn)化水平低及現(xiàn)場環(huán)境的高度非結(jié)構(gòu)性，在這個重要的工業(yè)部門應(yīng)用自動化技術(shù)是非常困難的。
建筑工作可分為主要的兩類：離場工作和現(xiàn)場工作。現(xiàn)場工序完成那些被認(rèn)為是典型的建筑工作，即建造工作。這些工作最難于自動化，這主要是由于在其中工作的環(huán)境及其復(fù)雜多變。盡管有這種困難，但還是開發(fā)了這種用途的一些機(jī)器人。離場的建筑工序更適于機(jī)器人噴涂，這是因為工作是在結(jié)構(gòu)性環(huán)境中進(jìn)行并且工序變化是受控的。
一種普通的離場工序是制造預(yù)制板，其后預(yù)制板在現(xiàn)場進(jìn)行裝配。最近幾年中，一種重要的村料玻璃纖維加強(qiáng)水泥（GRC）被應(yīng)用于這種工業(yè)中。GRC技術(shù)已存在了30年，并且由于它的撓性變得非常普及。GRC材料是通過水泥與切碎的玻璃纖維條混合而預(yù)制成，達(dá)到足夠的撓拉強(qiáng)度而同時保持輕的重量（40 kg/m2～60kg/m2），相比之下的傳統(tǒng)混凝土板為210 kg/m2～230kg/m2）。這使得可以制造任何三維幾何形狀的非常大的板（6m×3m），具有易運(yùn)輸和易于在工地（現(xiàn)場）安裝的雙重優(yōu)點(diǎn)。
很長時間以來，西班牙Dragados S.A.（DYC）建筑公司應(yīng)用于手工制造的GRC板主要用作外觀面部分（圖1）。由GRC板構(gòu)成的外表部分的優(yōu)良成品質(zhì)量使它們能應(yīng)用于大變化的環(huán)境中。
圖1
能否得到滿意的質(zhì)量是用這種手工方法制造GRC板的制約因素。因此一個開發(fā)預(yù)制GRC板的機(jī)器人制造單元的項目于1991年啟動了。現(xiàn)在安裝于馬德里附近的工廠中的該自動單元是由馬德里工業(yè)大學(xué)（DISAM）在西班牙工業(yè)與能源部的財政支持下為西班牙建筑公司（DYC）開發(fā)的。
一、問題的陳述
GRC板的手工制作使用的是裝有玻璃纖維切割刀片的傳統(tǒng)同軸噴槍。泥漿和玻璃纖維條以兩股不同的但同時噴射的射流（它們在空氣中混合并形成一個噴涂錐體）射在（預(yù)制）板的模子上（圖2）。（預(yù)制）板所需的最終厚度（1cm～1.5cm）通過數(shù)次向模子中噴0.2cm～0.5cm層厚來逐漸達(dá)到。每噴一層厚度后,需要人工用滾子壓實。通常以一個操作工做噴涂工序，而同時另有2～3個人進(jìn)行壓實。手工制作的周期依據(jù)（預(yù)制）板的式樣及尺寸為15～30分，不包括噴涂前后的輔助操作和壓實時間。
圖2 同軸噴槍
在噴涂過程中，主要的要求是達(dá)到高度的均勻性。在手工生產(chǎn)中，這一特性（均勻性）取決于工人以固定速度使噴槍定位、定向和移動的能力及經(jīng)驗。工作條件及環(huán)境影響是另外的重要因素。工人們面對的是非常臟和污染的環(huán)境，這些不只影響他們的工作表現(xiàn)（能力），而且對他們的健康有很大危險。
另外一方面的事實是（預(yù)制）板的三維幾何形狀非常頻繁地改變，需要高度的系統(tǒng)柔性。這些變化取決于建筑師的設(shè)計和他們指定的建筑物的用途。在Caracola DYC工廠最近17年中所供應(yīng)的（預(yù)制）板的平均系列數(shù)是五套。甚至如果忽略（預(yù)制）板間細(xì)小差別時，系列數(shù)不超過50套，而且僅在非常罕見的情況下等于100套。在有關(guān)的預(yù)制板外觀面中這種差異是不可避免的。
預(yù)制板根據(jù)式樣和要噴的層數(shù)而有區(qū)別。第一層對所有的（預(yù)制）板都是一樣的，構(gòu)成成品板的外表面。它由總厚度達(dá)2mm、不帶（玻璃纖維）的泥漿構(gòu)成。根據(jù)剩余的各層，有五種不同式樣的預(yù)制板（圖3）：
圖3 GRC板的不同式樣
平殼板：總厚度達(dá)10mm兩層以上的泥漿及（玻璃）纖維。
帶肋的平殼板：與平殼板相同，但帶有加強(qiáng)肋。
側(cè)壁板架：與平殼板相同，但帶有鋼架。
帶絕緣層的殼板：與平殼板相同，但帶有帶絕緣片。
夾心板：與帶絕緣平殼板相同，帶有附加的GRC頂層。
二、目標(biāo)
從前述部分可以清楚地看到需要能改進(jìn)柔性和質(zhì)量的某種自動化。因此該自動化項目的目標(biāo)是設(shè)計機(jī)器人系統(tǒng)，以便適當(dāng)?shù)厝〈止げ僮鳎瑫r改善勞動條件、減少廢料、提高產(chǎn)品質(zhì)量和均勻性，以及減低勞動量（圖4）。
圖4（a）傳統(tǒng)的手工操作工序；（b）新開發(fā)的機(jī)器人操作工序
GRC板的生產(chǎn)包含幾個步驟，其中噴涂和壓實是最關(guān)鍵的。自動化工作集中在這兩方面。在多年手工生產(chǎn)獲得的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，所設(shè)計的系統(tǒng)是柔性的，足以復(fù)蓋不同預(yù)制板的小批量生產(chǎn)，并集成了CAD和CAM。為開發(fā)一種集成的柔性的低成本系統(tǒng)作了很大努力，該系統(tǒng)將被應(yīng)用在一定范圍的相似用途上，諸如涂膠、密封和清洗。
在擬實時要求條件下能加工變化很大的小批量產(chǎn)品的高柔性生產(chǎn)單元, 現(xiàn)時對大多數(shù)公司來說是關(guān)系重大的。這種柔性達(dá)到了可在制造環(huán)境中使用屬于計算機(jī)集成制造（CIM）的柔性制造系統(tǒng)（FMS）。這個概念現(xiàn)今已以計算機(jī)集成建筑（CIC）方法適用于建筑工業(yè)。CIC的FMS的發(fā)展必須考慮以下這些系統(tǒng)共有的固有障礙：（1）軟件和/或硬件的低水平重復(fù)使用；（2）在新的制造條件下開發(fā)的算法的中等水平魯棒（堅固）性；以及特別是（3）在開發(fā)研究所與接受者之間傳遞技術(shù)決竅的困難。因此為了提高效率，設(shè)計一種能對一套用途進(jìn)行編程的柔性制造系統(tǒng)（FMS）是非常重要的。這就是在開發(fā)GRC噴涂/壓實單元中已完成的工作。最初開始時的意圖是開發(fā)一種FMS，它用于涉及三維表面處理的一組不同用途：噴涂、涂色、清洗、密封等，而噴涂/壓實是用于特定的情況。
三、系統(tǒng)構(gòu)成
GRC板的制造要經(jīng)過幾個步驟：（1）模子準(zhǔn)備（包含安放以后現(xiàn)場裝配用的夾板）；（2）噴涂/壓實；（3）硬化；（4）從模子中取出（預(yù)制）板；以及（5）養(yǎng)護(hù)。
當(dāng)前模子是用木材人工打制的，但是，隨著新材料的出現(xiàn)，這一步驟的自動化將也能考慮加以解決。由于噴涂/壓實是最關(guān)鍵的步驟，加之勞動非常緊張，自動化工作集中在這上面。余下的工序保持他們的通常操作程序，外加了兩個步驟：把空模子自動地送入噴涂/壓實單元及把填好的模子移出，這兩者都用輥?zhàn)虞斔脱b置來完成。
如上面所指出，目標(biāo)是噴涂和壓實兩個工序的自動化，但是噴涂單元的初始經(jīng)驗顯示噴涂的質(zhì)量是如此之好致使中間的壓實步驟將可取消。對這一事實的認(rèn)可導(dǎo)致只用改進(jìn)噴涂單元。圖5所示為該單元的簡圖，我們現(xiàn)在簡要地描述與整個制造工序有關(guān)的設(shè)備。
圖5 單元簡圖
1．噴涂機(jī)器人：一臺ABB IRB3200，6自由度關(guān)節(jié)式工業(yè)機(jī)器人，倒裝于單元的中心位置。可用外部計算機(jī)通過一串行計算機(jī)接口進(jìn)行實時控制。
2．噴槍：裝在機(jī)器人末端的同軸噴槍，噴量高達(dá)28kg/min（其壓力比人工噴涂的最大可能壓力大3倍）。它把玻璃纖維切成細(xì)條并由空氣把它們與水泥漿混合起來。泥漿的參數(shù)由電子泵加以控制。
3．在線主計算機(jī)：一臺工業(yè)PC聯(lián)接：（1）機(jī)器人計算機(jī)接口；（2）現(xiàn)場
總線PLC網(wǎng)絡(luò)，它控制單元的多臺設(shè)備（電子泵，輥?zhàn)虞斔脱b置及裝料斗和混合器）；以及（3）離線計算機(jī)。在線計算機(jī)監(jiān)測所有設(shè)備的狀態(tài)，通過人—接口（界面）顯示信息。再者，它根據(jù)混合的方式、尺寸來規(guī)劃每個工作日要制作的工件。
4．離線計算機(jī)：安裝于設(shè)計室的PC機(jī)，配有工業(yè)的CAD軟件包（AUTOCAD V12+AME V2.0）。它是完成CAD操作的計算機(jī)，隨后是導(dǎo)至單元設(shè)備的一組控制命令及順序生成的不同步驟。
5．可編程邏輯計算機(jī)（PLCs）：三臺西門子PLCs，通過網(wǎng)絡(luò)與在線主計算機(jī)相聯(lián)接。它們分別控制電子泵，裝料斗及混合器和輥?zhàn)虞斔脱b置。
6．輥?zhàn)虞斔脱b置：3米寬的輥?zhàn)虞斔脱b置用于把模子導(dǎo)入噴涂單元并在完成噴涂后把模子送出。由于機(jī)器人的最大可達(dá)（工作）范圍近似是3×3米的正方形面積，超過3米長的（預(yù)制）板在兩個固定的不同位置上噴涂時，必須配置有輥?zhàn)虞斔脱b置。
圖6所示為所開發(fā)的GRC制造系統(tǒng)的控制系統(tǒng)構(gòu)成。雖然其概念（原理）是通用的，但為了更好地理解其解釋，將講述制造預(yù)制板的具體應(yīng)用。更重要的一個方面，其特征為該系統(tǒng)是CAD與CAM的集成，這點(diǎn)對不同（預(yù)制）板的小批量生產(chǎn)是必不可少的。模子是在工業(yè)CAD環(huán)境中設(shè)計的，通過
專用接口能獲取有關(guān)生產(chǎn)工具（噴槍）及產(chǎn)品的參數(shù)和設(shè)計規(guī)范。由CAD環(huán)境產(chǎn)生的信息涉及三維圖及產(chǎn)品性能，即板層的厚度和數(shù)量等等。該模件由互聯(lián)的三個子模件（機(jī)器人運(yùn)動控制，路徑規(guī)劃及任務(wù)）構(gòu)成。每個子模件產(chǎn)生發(fā)給制造單元中在線設(shè)備（機(jī)器人、計算機(jī)、PLCs等）的命令（路徑，任務(wù)等）。
圖6 控制系統(tǒng)簡圖
該系統(tǒng)是根據(jù)柔性制造概念來設(shè)計的。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：CAD/CAM環(huán)境的直接集成，快速的設(shè)計——生產(chǎn)周期及低成本的硬、軟件結(jié)構(gòu)。
選擇了圖6自由度的
工業(yè)機(jī)器人作為噴涂機(jī)器。由于不同（預(yù)制）板的復(fù)雜性和數(shù)量多而不可能用人工編程，采用了離線編程。因這一原因，通過計算機(jī)接口與機(jī)器人實時通信就成為選擇機(jī)器人的關(guān)鍵因素。
四、CAD環(huán)境
本系統(tǒng)的一個優(yōu)點(diǎn)是CAD和CAM的集成，以及特別是直接根據(jù)三維CAD圖進(jìn)行自動的機(jī)器人路徑規(guī)劃。首先，CAD操作者作出所需的建筑物外觀面的詳圖。為了便于設(shè)計，在AUTOCAD的菜單條中包含有一組軟件實用程序。這些實用程序以容易的方法引導(dǎo)設(shè)計過程的對話框。一旦通過AME借助實體造型畫出外觀面，把外觀面自動分割為基本板塊的工作就完成了（圖7）。為此目的，需要考慮工藝參數(shù)，即要制造的（預(yù)制）板的最大尺寸，窗和門的劃分等等，最終就根據(jù)基本板塊生成模子。
圖7 （a）建筑外觀面的三維圖；（b）由外觀面分割后獲得的預(yù)制板模子
對于每塊板，操作者必須指明（同樣是在引導(dǎo)菜單的協(xié)助下）各種通用的工序及工具參數(shù)，對于一些（預(yù)制）板來說它們通常是保持不變的。這些參數(shù)包括：噴涂圓錐角、額定噴涂流量、涂層的式樣和層數(shù)（底部或側(cè)面、厚度、材質(zhì)），絕緣層和夾板的式樣及位置等。最終，操作者就可以首先在CAD環(huán)境中開始自動生成（預(yù)制）板的層面，然后生成機(jī)器人路徑規(guī)劃的程序（步驟）。
五、評價和比較研究
為評價已獲得的成績，把已開發(fā)的機(jī)器人化系統(tǒng)與傳統(tǒng)的手工制作進(jìn)行了比較。比較研究基于兩個關(guān)鍵因素，產(chǎn)品質(zhì)量和總生產(chǎn)率。產(chǎn)品質(zhì)量評定的主要標(biāo)準(zhǔn)是層面的均勻性及結(jié)構(gòu)參數(shù)。機(jī)器人噴涂的層面比手工噴涂（獲得）得更均勻，主要是由于機(jī)器人在模子的整個表面上的特定方向上沿著直線路徑運(yùn)動。手工噴涂平面較不規(guī)則，主要是由于工人能達(dá)到的工作范圍沒有大到可包圍板所有的面積，該面積平均為5m×3m。這就使機(jī)器人可不關(guān)斷噴槍而噴涂到每一局部（面積）。還有，要使噴槍保持垂直于模子表面是困難的。由于噴槍的壓力較大使機(jī)器人也噴涂得更均勻些。機(jī)器人噴槍的壓力比手工噴槍的大兩倍以上，達(dá)到使混合和帶泥漿玻璃纖維的壓實都較好。這一事實非常重要，因為它可消除層間的中等壓實狀況，節(jié)省時間和人工。
厚度的均勻性也是重要的質(zhì)量因素。它對板每平方米的重量有直接影響。理想的層厚約為10mm，并且沒有板厚會小于這個數(shù)值。機(jī)器人噴涂的厚度可以通過調(diào)節(jié)機(jī)器人的線速度來加以控制。結(jié)果使平均厚度非常接近理想厚度并能顯著地節(jié)約村料。
另一方面，機(jī)器人的噴涂時間略少于手工噴涂時間，這是因為機(jī)器人是使用28kg/min的槍進(jìn)行噴涂的，而相比的手工噴涂是用的12kg/ min 的手工槍。因此，雖然在從一個點(diǎn)變化到其他點(diǎn)時有一定的無噴涂時間，機(jī)器人噴槍在保持相等的噴涂厚度時可移動得更快些。機(jī)器人噴涂的巨大優(yōu)點(diǎn)是消除了層間的中等壓實狀態(tài)，因為泥漿是以更高的壓力和均勻度來噴的。這也省去了輸送時間及機(jī)器人的空運(yùn)轉(zhuǎn)階段，對每塊板顯著地增加了整個工序的總生產(chǎn)率。
六、結(jié)論
所開發(fā)的系統(tǒng)代表了預(yù)制材料朝向全自動化制造發(fā)展的一個新階段。這一系統(tǒng)表現(xiàn)出一些巨大的優(yōu)點(diǎn)，即在建筑業(yè)的離線制造工藝中自動化能帶來質(zhì)量和工廠生產(chǎn)率的提高：（1）改善層面和厚度均勻性；（2）與機(jī)械強(qiáng)度測試結(jié)果相似；（3）消除層間所有的中等壓實程度；（4）提高生產(chǎn)率；（5）節(jié)約村料。
這一研究項目的總周期已超過二年半。它證明了新的機(jī)器人技術(shù)能被引入建筑并取得良好效果。這期間所作的研究也為更好的理解生產(chǎn)工藝及尋找新的自動化方法作出了貢獻(xiàn)。(e
