馬德里工業大學（DISAM）為西班牙Dragados S.A.建筑公司新開發出建筑工業用的預制GRC（玻璃纖維加強水泥）板的機器人加工單元。所開發系統的主要貢獻是自動編程和全規劃的控制。把在CAD系統上完成的建筑物外觀的建筑三維圖作為輸入。通過CAD設計，就可獲得（預制）板部分的優化外觀面。為了制作每一塊（預制）板，任務和路徑自動規劃由裝備在加工單元中的設備：噴涂機器人、PLC、控制計算機等來完成。

雖然近年加強了工作，但建筑業的自動化水平仍比其他工業低好多。由于非重復性工藝、標準化水平低及現場環境的高度非結構性，在這個重要的工業部門應用自動化技術是非常困難的。

建筑工作可分為主要的兩類：離場工作和現場工作。現場工序完成那些被認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境及其復雜多變。盡管有這種困難，但還是開發了這種用途的一些機器人。離場的建筑工序更適于機器人噴涂，這是因為工作是在結構性環境中進行并且工序變化是受控的。

一種普通的離場工序是制造預制板，其后預制板在現場進行裝配。最近幾年中，一種重要的村料玻璃纖維加強水泥（GRC）被應用于這種工業中。GRC技術已存在了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制成，達到足夠的撓拉強度而同時保持輕的重量（40 kg/m2～60kg/m2），相比之下的傳統混凝土板為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），具有易運輸和易于在工地（現場）安裝的雙重優點。

很長時間以來，西班牙Dragados S.A.（DYC）建筑公司應用于手工制造的GRC板主要用作外觀面部分（圖1）。由GRC板構成的外表部分的優良成品質量使它們能應用于大變化的環境中。

圖1

能否得到滿意的質量是用這種手工方法制造GRC板的制約因素。因此一個開發預制GRC板的機器人制造單元的項目于1991年啟動了。現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大學（DISAM）在西班牙工業與能源部的財政支持下為西班牙建筑公司（DYC）開發的。

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（預制）板的模子上（圖2）。（預制）板所需的最終厚度（1cm～1.5cm）通過數次向模子中噴0.2cm～0.5cm層厚來逐漸達到。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個人進行壓實。手工制作的周期依據（預制）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，主要的要求是達到高度的均勻性。在手工生產中，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驗。工作條件及環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境，這些不只影響他們的工作表現（能力），而且對他們的健康有很大危險。

另外一方面的事實是（預制）板的三維幾何形狀非常頻繁地改變，需要高度的系統柔性。這些變化取決于建筑師的設計和他們指定的建筑物的用途。在Caracola DYC工廠最近17年中所供應的（預制）板的平均系列數是五套。甚至如果忽略（預制）板間細小差別時，系列數不超過50套，而且僅在非常罕見的情況下等于100套。在有關的預制板外觀面中這種差異是不可避免的。

預制板根據式樣和要噴的層數而有區別。第一層對所有的（預制）板都是一樣的，構成成品板的外表面。它由總厚度達2mm、不帶（玻璃纖維）的泥漿構成。根據剩余的各層，有五種不同式樣的預制板（圖3）：

圖3 GRC板的不同式樣

平殼板：總厚度達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，但帶有加強肋。
側壁板架：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

從前述部分可以清楚地看到需要能改進柔性和質量的某種自動化。因此該自動化項目的目標是設計機器人系統，以便適當地取代手工操作，而同時改善勞動條件、減少廢料、提高產品質量和均勻性，以及減低勞動量（圖4）。

圖4（a）傳統的手工操作工序；（b）新開發的機器人操作工序

GRC板的生產包含幾個步驟，其中噴涂和壓實是最關鍵的。自動化工作集中在這兩方面。在多年手工生產獲得的經驗基礎上，所設計的系統是柔性的，足以復蓋不同預制板的小批量生產，并集成了CAD和CAM。為開發一種集成的柔性的低成本系統作了很大努力，該系統將被應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品的高柔性生產單元, 現時對大多數公司來說是關系重大的。這種柔性達到了可在制造環境中使用屬于計算機集成制造（CIM）的柔性制造系統（FMS）。這個概念現今已以計算機集成建筑（CIC）方法適用于建筑工業。CIC的FMS的發展必須考慮以下這些系統共有的固有障礙：（1）軟件和/或硬件的低水平重復使用；（2）在新的制造條件下開發的算法的中等水平魯棒（堅固）性；以及特別是（3）在開發研究所與接受者之間傳遞技術決竅的困難。因此為了提高效率，設計一種能對一套用途進行編程的柔性制造系統（FMS）是非常重要的。這就是在開發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、系統構成

GRC板的制造要經過幾個步驟：（1）模子準備（包含安放以后現場裝配用的夾板）；（2）噴涂/壓實；（3）硬化；（4）從模子中取出（預制）板；以及（5）養護。

當前模子是用木材人工打制的，但是，隨著新材料的出現，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，這兩者都用輥子輸送裝置來完成。

如上面所指出，目標是噴涂和壓實兩個工序的自動化，但是噴涂單元的初始經驗顯示噴涂的質量是如此之好致使中間的壓實步驟將可取消。對這一事實的認可導致只用改進噴涂單元。圖5所示為該單元的簡圖，我們現在簡要地描述與整個制造工序有關的設備。

圖5 單元簡圖

1．噴涂機器人：一臺ABB IRB3200，6自由度關節式工業機器人，倒裝于單元的中心位置。可用外部計算機通過一串行計算機接口進行實時控制。

2．噴槍：裝在機器人末端的同軸噴槍，噴量高達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條并由空氣把它們與水泥漿混合起來。泥漿的參數由電子泵加以控制。

3．在線主計算機：一臺工業PC聯接：（1）機器人計算機接口；（2）現場總線PLC網絡，它控制單元的多臺設備（電子泵，輥子輸送裝置及裝料斗和混合器）；以及（3）離線計算機。在線計算機監測所有設備的狀態，通過人—接口（界面）顯示信息。再者，它根據混合的方式、尺寸來規劃每個工作日要制作的工件。

4．離線計算機：安裝于設計室的PC機，配有工業的CAD軟件包（AUTOCAD V12+AME V2.0）。它是完成CAD操作的計算機，隨后是導至單元設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（PLCs）：三臺西門子PLCs，通過網絡與在線主計算機相聯接。它們分別控制電子泵，裝料斗及混合器和輥子輸送裝置。

6．輥子輸送裝置：3米寬的輥子輸送裝置用于把模子導入噴涂單元并在完成噴涂后把模子送出。由于機器人的最大可達（工作）范圍近似是3×3米的正方形面積，超過3米長的（預制）板在兩個固定的不同位置上噴涂時，必須配置有輥子輸送裝置。

圖6所示為所開發的GRC制造系統的控制系統構成。雖然其概念（原理）是通用的，但為了更好地理解其解釋，將講述制造預制板的具體應用。更重要的一個方面，其特征為該系統是CAD與CAM的集成，這點對不同（預制）板的小批量生產是必不可少的。模子是在工業CAD環境中設計的，通過專用接口能獲取有關生產工具（噴槍）及產品的參數和設計規范。由CAD環境產生的信息涉及三維圖及產品性能，即板層的厚度和數量等等。該模件由互聯的三個子模件（機器人運動控制，路徑規劃及任務）構成。每個子模件產生發給制造單元中在線設備（機器人、計算機、PLCs等）的命令（路徑，任務等）。

圖6 控制系統簡圖

該系統是根據柔性制造概念來設計的。它的主要優點是：CAD/CAM環境的直接集成，快速的設計——生產周期及低成本的硬、軟件結構。

選擇了圖6自由度的工業機器人作為噴涂機器。由于不同（預制）板的復雜性和數量多而不可能用人工編程，采用了離線編程。因這一原因，通過計算機接口與機器人實時通信就成為選擇機器人的關鍵因素。

四、CAD環境

本系統的一個優點是CAD和CAM的集成，以及特別是直接根據三維CAD圖進行自動的機器人路徑規劃。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設計過程的對話框。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，即要制造的（預制）板的最大尺寸，窗和門的劃分等等，最終就根據基本板塊生成模子。

圖7 （a）建筑外觀面的三維圖；（b）由外觀面分割后獲得的預制板模子

對于每塊板，操作者必須指明（同樣是在引導菜單的協助下）各種通用的工序及工具參數，對于一些（預制）板來說它們通常是保持不變的。這些參數包括：噴涂圓錐角、額定噴涂流量、涂層的式樣和層數（底部或側面、厚度、材質），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環境中開始自動生成（預制）板的層面，然后生成機器人路徑規劃的程序（步驟）。

五、評價和比較研究

為評價已獲得的成績，把已開發的機器人化系統與傳統的手工制作進行了比較。比較研究基于兩個關鍵因素，產品質量和總生產率。產品質量評定的主要標準是層面的均勻性及結構參數。機器人噴涂的層面比手工噴涂（獲得）得更均勻，主要是由于機器人在模子的整個表面上的特定方向上沿著直線路徑運動。手工噴涂平面較不規則，主要是由于工人能達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。這就使機器人可不關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器人也噴涂得更均勻些。機器人噴槍的壓力比手工噴槍的大兩倍以上，達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，節省時間和人工。

厚度的均勻性也是重要的質量因素。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值。機器人噴涂的厚度可以通過調節機器人的線速度來加以控制。結果使平均厚度非常接近理想厚度并能顯著地節約村料。

另一方面，機器人的噴涂時間略少于手工噴涂時間，這是因為機器人是使用28kg/min的槍進行噴涂的，而相比的手工噴涂是用的12kg/ min 的手工槍。因此，雖然在從一個點變化到其他點時有一定的無噴涂時間，機器人噴槍在保持相等的噴涂厚度時可移動得更快些。機器人噴涂的巨大優點是消除了層間的中等壓實狀態，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器人的空運轉階段，對每塊板顯著地增加了整個工序的總生產率。

六、結論

所開發的系統代表了預制材料朝向全自動化制造發展的一個新階段。這一系統表現出一些巨大的優點，即在建筑業的離線制造工藝中自動化能帶來質量和工廠生產率的提高：（1）改善層面和厚度均勻性；（2）與機械強度測試結果相似；（3）消除層間所有的中等壓實程度；（4）提高生產率；（5）節約村料。

這一研究項目的總周期已超過二年半。它證明了新的機器人技術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工藝及尋找新的自動化方法作出了貢獻。(e