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（玻璃纖維加強水泥）板的機器人加工單元。所開發(fā)系統(tǒng)的主要貢獻是自動編程和全規(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(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(jié)構(gòu)性環(huán)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(yù)制板，其后預(yù)制板在現(xiàn)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(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(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），具有易運輸和易于在工地（現(xiàn)場）安裝的雙重優(yōu)點。

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(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(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。這種柔性達到了可在制造環(huán)境中使用屬于計算機集成制造（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。

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，這兩者都用輥子輸送裝置來完成。