预制板的机器人喷涂

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马德里工业大学（DISAM）为西班牙Dragados S.A.建筑公司新开发出建筑工业用的预制GRC（玻璃纤维加强水泥）板的机器人加工单元。所开发系统的主要贡献是自动编程和全规划的控制。把在CAD系统上完成的建筑物外观的建筑三维图作为输入。通过CAD设计，就可获得（预制）板部分的优化外观面。为了制作每一块（预制）板，任务和路径自动规划由装备在加工单元中的设备：喷涂机器人、PLC、控制计算机等来完成。

虽然近年加强了工作，但建筑业的自动化水平仍比其他工业低好多。由于非重复性工艺、标准化水平低及现场环境的高度非结构性，在这个重要的工业部门应用自动化技术是非常困难的。

建筑工作可分为主要的两类：离场工作和现场工作。现场工序完成那些被认为是典型的建筑工作，即建造工作。这些工作最难于自动化，这主要是由于在其中工作的环境及其复杂多变。尽管有这种困难，但还是开发了这种用途的一些机器人。离场的建筑工序更适于机器人喷涂，这是因为工作是在结构性环境中进行并且工序变化是受控的。

一种普通的离场工序是制造预制板，其后预制板在现场进行装配。最近几年中，一种重要的村料玻璃纤维加强水泥（GRC）被应用于这种工业中。GRC技术已存在了30年，并且由于它的挠性变得非常普及。GRC材料是通过水泥与切碎的玻璃纤维条混合而预制成，达到足够的挠拉强度而同时保持轻的重量（40 kg/m2～60kg/m2），相比之下的传统混凝土板为210 kg/m2～230kg/m2）。这使得可以制造任何三维几何形状的非常大的板（6m×3m），具有易运输和易于在工地（现场）安装的双重优点。

很长时间以来，西班牙Dragados S.A.（DYC）建筑公司应用于手工制造的GRC板主要用作外观面部分（图1）。由GRC板构成的外表部分的优良成品质量使它们能应用于大变化的环境中。

图1
能否得到满意的质量是用这种手工方法制造GRC板的制约因素。因此一个开发预制GRC板的机器人制造单元的项目于1991年启动了。现在安装于马德里附近的工厂中的该自动单元是由马德里工业大学（DISAM）在西班牙工业与能源部的财政支持下为西班牙建筑公司（DYC）开发的。

一、问题的陈述

GRC板的手工制作使用的是装有玻璃纤维切割刀片的传统同轴喷枪。泥浆和玻璃纤维条以两股不同的但同时喷射的射流（它们在空气中混合并形成一个喷涂锥体）射在（预制）板的模子上（图2）。（预制）板所需的最终厚度（1cm～1.5cm）通过数次向模子中喷0.2cm～0.5cm层厚来逐渐达到。每喷一层厚度后,需要人工用滚子压实。通常以一个操作工做喷涂工序，而同时另有2～3个人进行压实。手工制作的周期依据（预制）板的式样及尺寸为15～30分，不包括喷涂前后的辅助操作和压实时间。

图2 同轴喷枪
在喷涂过程中，主要的要求是达到高度的均匀性。在手工生产中，这一特性（均匀性）取决于工人以固定速度使喷枪定位、定向和移动的能力及经验。工作条件及环境影响是另外的重要因素。工人们面对的是非常脏和污染的环境，这些不只影响他们的工作表现（能力），而且对他们的健康有很大危险。

另外一方面的事实是（预制）板的三维几何形状非常频繁地改变，需要高度的系统柔性。这些变化取决于建筑师的设计和他们指定的建筑物的用途。在Caracola DYC工厂最近17年中所供应的（预制）板的平均系列数是五套。甚至如果忽略（预制）板间细小差别时，系列数不超过50套，而且仅在非常罕见的情况下等于100套。在有关的预制板外观面中这种差异是不可避免的。

预制板根据式样和要喷的层数而有区别。第一层对所有的（预制）板都是一样的，构成成品板的外表面。它由总厚度达2mm、不带（玻璃纤维）的泥浆构成。根据剩余的各层，有五种不同式样的预制板（图3）：

图3 GRC板的不同式样
平壳板：总厚度达10mm两层以上的泥浆及（玻璃）纤维。
带肋的平壳板：与平壳板相同，但带有加强肋。
侧壁板架：与平壳板相同，但带有钢架。
带绝缘层的壳板：与平壳板相同，但带有带绝缘片。
夹心板：与带绝缘平壳板相同，带有附加的GRC顶层。

二、目标

从前述部分可以清楚地看到需要能改进柔性和质量的某种自动化。因此该自动化项目的目标是设计机器人系统，以便适当地取代手工操作，而同时改善劳动条件、减少废料、提高产品质量和均匀性，以及减低劳动量（图4）。

图4（a）传统的手工操作工序；（b）新开发的机器人操作工序
GRC板的生产包含几个步骤，其中喷涂和压实是最关键的。自动化工作集中在这两方面。在多年手工生产获得的经验基础上，所设计的系统是柔性的，足以复盖不同预制板的小批量生产，并集成了CAD和CAM。为开发一种集成的柔性的低成本系统作了很大努力，该系统将被应用在一定范围的相似用途上，诸如涂胶、密封和清洗。

在拟实时要求条件下能加工变化很大的小批量产品的高柔性生产单元, 现时对大多数公司来说是关系重大的。这种柔性达到了可在制造环境中使用属于计算机集成制造（CIM）的柔性制造系统（FMS）。这个概念现今已以计算机集成建筑（CIC）方法适用于建筑工业。CIC的FMS的发展必须考虑以下这些系统共有的固有障碍：（1）软件和/或硬件的低水平重复使用；（2）在新的制造条件下开发的算法的中等水平鲁棒（坚固）性；以及特别是（3）在开发研究所与接受者之间传递技术决窍的困难。因此为了提高效率，设计一种能对一套用途进行编程的柔性制造系统（FMS）是非常重要的。这就是在开发GRC喷涂/压实单元中已完成的工作。最初开始时的意图是开发一种FMS，它用于涉及三维表面处理的一组不同用途：喷涂、涂色、清洗、密封等，而喷涂/压实是用于特定的情况。

三、系统构成

GRC板的制造要经过几个步骤：（1）模子准备（包含安放以后现场装配用的夹板）；（2）喷涂/压实；（3）硬化；（4）从模子中取出（预制）板；以及（5）养护。

当前模子是用木材人工打制的，但是，随着新材料的出现，这一步骤的自动化将也能考虑加以解决。由于喷涂/压实是最关键的步骤，加之劳动非常紧张，自动化工作集中在这上面。余下的工序保持他们的通常操作程序，外加了两个步骤：把空模子自动地送入喷涂/压实单元及把填好的模子移出，这两者都用辊子输送装置来完成。