预制板的机器人喷涂

alice

预制板的机器人喷涂

　　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3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它工业低好多。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(40～60kg/m2，相比之下的传统混凝土板为210～230kg/m2)。这使得可以制造任何三维几何形状的非常大的板(6×3m)，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。

　　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。

　

图1

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(1～1.5cm)通过数次向模子中喷0.2～0.5cm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至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。

　　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5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5种不同式样的预制板(图3)：

l        平壳板：总厚度达10mm两层以上的泥浆及（玻璃)纤维。

l        带肋的平壳板：与平壳板相同，但带有加强肋。

l        侧壁板架：与平壳板相同，但带有钢架。

l        带绝缘层的壳板：与平壳板相同，但带有带绝缘片。

l        夹心板：与带绝缘平壳板相同，带有附加的GRC顶层。

图2  同轴喷枪

                      图3   GRC板的不同式样　

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)。

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。

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。

        图4　a)　传统的手工操作工序　

b)  新开发的机器人操作工序　　

　　如上面所指出，目标是喷涂和压实两个工序的自动化，但是喷涂单元的初始经验显示喷涂的质量是如此之好致使中间的压实步骤将可取消。对这一事实的认可导致只用改进喷涂单元。

　　图5所示为该单元的简图，我们现在简要地描述与整个制造工序有关的设备。

·喷涂机器人：一台ABB IRB3200，6自由度关节式工业机器人，倒装于单元的中心位置。可用外部计算机通过一串行计算机接口进行实时控制。

·喷枪：装在机器人末端的同轴喷枪，喷量高达28kg/min(其压力比人工喷涂的最大可能压力大3倍)。它把玻璃纤维切成细条并由空气把它们与水泥浆混合起来。泥浆的参数由电子泵加以控制。

　　·在线主计算机：一台工业PC联接：1)机器人计算机接口；2)现场总线PLC网络，它控制单元的多台设备(电子泵，辊子输送装置及装料斗和混合器)；以及3）离线计算机。在线计算机监测所有设备的状态，通过人-接口（界面）显示信息。再者，它根据混合的方式、尺寸来规划每个工作日要制作的工件。

　

图5  单元简图

　  ·离线计算机：安装于设计室的PC机，配有工业的CAD软件包(AUTOCAD V12+AME V2.0)。它是完成CAD操作的计算机，随后是导至单元设备的一组控制命令及顺序生成的不同步骤。

　 ·可编程逻辑计算机(PLCs)：3台西门子PLCs，通过网络与在线主计算机相联接。它们分别控制电子泵，装料斗及混合器和辊子输送装置。

　 ·辊子输送装置：3米宽的辊子输送装置用于把模子导入喷涂单元并在完成喷涂后把模子送出。由于机器人的最大可达(工作)范围近似是3×3米的正方形面积，超过3米长的(预制)板在两个固定的不同位置上喷涂时，必须配置有辊子输送装置。

　 图6所示为所开发的GRC制造系统的控制系统构成。虽然其概念(原理)是通用的，但为了更好地理解其解释，将讲述制造预制板的具体应用。更重要的一个方面，其特征为该系统是CAD与CAM的集成，这点对不同(预制)板的小批量生产是必不可少的。模子是在工业CAD环境中设计的，通过专用接口能获取有关生产工具(喷枪)及产品的参数和设计规范。由CAD环境产生的信息涉及三维图及产品性能，即板层的厚度和数量等等。该模件由互联的三个子模件(机器人运动控制，路径规划及任务)构成。每个子模件产生发给制造单元中在线设备(机器人、计算机、PLCs等)的命令(路径，任务等)。

　 该系统是根据柔性制造概念来设计的。它的主要优点是：CAD/CAM环境的直接集成，快速的设计-生产周期及低成本的硬、软件结构。

　　选择了6自由度的工业机器人作为喷涂机器。由于不同(预制)板的复杂性和数量多而不可能用人工编程，采用了离线编程。因这一原因，通过计算机接口与机器人实时通信就成为选择机器人的关键因素。

CAD环境

　　本系统的一个优点是CAD和CAM的集成，以及特别是直接根据三维CAD

图进行自动的机器人路径规划。首先，CAD操作者作出所需的建筑物外观面的详图。为了便于设计，在AUTOCAD的菜单条中包含有一组软件实用程序。这些实用程序以容易的方法引导设计过程的对话框。一旦通过AME借助实体造型画出外观面，把外观面自动分割为基本板块的工作就完成了(图7)。为此目的，需要考虑工艺参数，即要制造的(预制)板的最大尺寸，窗和门的划分等等，最终就根据基本板块生成模子。

　　对于每块板，操作者必须指明(同样是在引导菜单的协助下)各种通用的工序及工具参数，对于一些(预制)板来说它们通常是保持不变的。这些参数包括：喷涂圆锥角，额定喷涂流量，涂层的式样和层数(底部或侧面、厚度、

材质)，绝缘层和夹板的式样及位置等。最终，操作者就可以首先在CAD环境中开始自动生成(预制)板的层面，然后生成机器人路径规划的程序(步骤)。

  

图6   控制系统简图

  

图7  a) 建筑外观面的三维图

b) 由外观面分割后获得的预制板模子

  评价和比较研究

　　为评价已获得的成绩，把已开发的机器人化系统与传统的手工制作进行

了比较。比较研究基于两个关键因素，产品质量和总生产率。

　　产品质量评定的主要标准是层面的均匀性及结构参数。机器人喷涂的层面比手工喷涂(获得)得更均匀，主要是由于机器人在模子的整个表面上的特定方向上沿着直线路径运动。手工喷涂平面较不规则，主要是由于工人能达到的工作范围没有大到可包围板所有的面积，该面积平均为5×3m。这就使机器人可不关断喷枪而喷涂到每一局部(面积)。还有，要使喷枪保持垂直于模子表面是困难的。由于喷枪的压力较大使机器人也喷涂得更均匀些。机器人喷枪的压力比手工喷枪的大两倍以上，达到使混合和带泥浆玻璃纤维的压实都较好。这一事实非常重要，因为它可消除层间的中等压实状况，节省时间和人工。

厚度的均匀性也是重要的质量因素。它对板每平方米的重量有直接影响。理想的层厚为10mm左右，并且没有板厚会小于这个数值。机器人喷涂的厚度可以通过调节机器人的线速度来加以控制。结果使平均厚度非常接近理想厚度并能显著地节约村料。

　　另一方面，机器人的喷涂时间略少于手工喷涂时间，这是因为机器人是使用28kg/min的枪进行喷涂的，而相比的手工喷涂是用的12kg/ min 的手工枪。因此，虽然在从一个点变化到其它点时有一定的无喷涂时间，机器人喷枪在保持相等的喷涂厚度时可移动得更快些。机器人喷涂的巨大优点是消除了层间的中等压实状态，因为泥浆是以更高的压力和均匀度来喷的。这也省去了输送时间及机器人的空运转阶段，对每块板显著地增加了整个工序的总生产率。

结论

　　所开发的系统代表了预制材料朝向全自动化制造发展的一个新阶段。这

一系统表现出一些巨大的优点，即在建筑业的离线制造工艺中自动化能带来质量和工厂生产率的提高：a)改善层面和厚度均匀性；b)与机械强度测试结果相似；c)消除层间所有的中等压实程度；d)提高生产率；e)节约村料。

　　这一研究项目的总周期已超过二年半。它证明了新的机器人技术能被引

入建筑并取得良好效果。这期间所作的研究也为更好的理解生产工艺及寻找新的自动化方法作出了贡献。