該木結(jié)構(gòu)建筑物屋頂?shù)拿扛憾际仟?dú)一無(wú)二的：Erne木結(jié)構(gòu)股份公司應(yīng)用Guedel股份公司研制的門(mén)架式機(jī)器人直接通過(guò)CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）實(shí)現(xiàn)了高度個(gè)性化生產(chǎn)
當(dāng)迄今為止的技術(shù)極限突然出乎人們的意料時(shí)，便被許多人稱作是一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)始，這當(dāng)然不是偶然的。站在這項(xiàng)有潛力持續(xù)改變木結(jié)構(gòu)生產(chǎn)自動(dòng)化程度的項(xiàng)目后面的是瑞士ETH蘇黎世建筑技術(shù)研究院(ITA)和建筑學(xué)教授以及數(shù)字化生產(chǎn)方案(Gramazio Kohler Research)。這座名為Arch Tec Lab的建筑物屋頂由最大長(zhǎng)度為3m的48?624根長(zhǎng)短各異的木板條和64?944個(gè)不同樣式的桁架節(jié)點(diǎn)組成，是一個(gè)現(xiàn)代建筑的杰作，與此同時(shí)，還成了數(shù)字化木結(jié)構(gòu)制造的里程碑。由機(jī)器人進(jìn)行輔助裝配的168根桁梁組成了類型各異、外形尺寸復(fù)雜的建筑物屋頂結(jié)構(gòu)。
圖1 木板條一旦定位，便全自動(dòng)化地被釘子釘牢
從設(shè)計(jì)直至釘釘機(jī)全部使用通用的數(shù)字鏈
迄今為止，過(guò)去幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)的更談不上可付費(fèi)使用的數(shù)字化生產(chǎn)如今已經(jīng)能夠精準(zhǔn)而又經(jīng)濟(jì)地實(shí)施。在此，Guedel股份公司研發(fā)的Woodflex56型多功能門(mén)架式機(jī)器人則是實(shí)現(xiàn)該數(shù)字化生產(chǎn)的關(guān)鍵。在此， Erne木結(jié)構(gòu)股份公司草擬出了數(shù)字化生產(chǎn)方案(Gramazio Kohler Research)。當(dāng)Arch Tec Lab股份公司設(shè)計(jì)出“排列順序屋頂”后，便可直接由CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)。Erne木結(jié)構(gòu)股份公司的副總經(jīng)理Thomas Wehrle表示：“我們草擬的方案只是指明，Arch Tec Lab建筑物屋頂?shù)哪男┎糠挚梢圆捎媚窘Y(jié)構(gòu)?！痹撛囼?yàn)的首要目的是要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)。通常要使傳統(tǒng)方式的桁梁生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)，那么口頭以及書(shū)面上草擬設(shè)計(jì)的工作需耗時(shí)約150個(gè)小時(shí)。其中只有50個(gè)小時(shí)是用于數(shù)字化生產(chǎn)的準(zhǔn)備工作。而應(yīng)用Guedel股份公司研發(fā)的門(mén)架式機(jī)器人卻不同，僅需極小的一部分時(shí)間用于數(shù)字化生產(chǎn)的準(zhǔn)備工作：準(zhǔn)備時(shí)間僅需要12個(gè)小時(shí)，之后，所有桁梁便可直接通過(guò)CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化生產(chǎn)，生產(chǎn)過(guò)程中僅需一名工人進(jìn)行設(shè)備操控，每層桁梁釘釘子的圖形、以及調(diào)整釘釘和補(bǔ)充耗材均可采用平板電腦進(jìn)行光學(xué)控制。
7軸門(mén)架式機(jī)器人是歐洲當(dāng)前最大型的門(mén)架式機(jī)器人
Guedel股份公司研發(fā)的可靈活進(jìn)行作業(yè)的Woodflex 56型7軸門(mén)架式機(jī)器人由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)門(mén)架、一個(gè)3軸線性模塊以及一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得堅(jiān)實(shí)耐用的3軸手動(dòng)鉸鏈組成。該標(biāo)準(zhǔn)門(mén)架可運(yùn)行的長(zhǎng)度超過(guò)53?m。Woodflex 56型7軸門(mén)架式機(jī)器人的重要控制技術(shù)是由ROB技術(shù)股份公司(ROB-Technologies AG)研發(fā)的，其作用范圍長(zhǎng)為48?m、寬為5.6?m、高為1.4?m。Woodflex 56型7軸門(mén)架式機(jī)器人是歐洲當(dāng)前最大型的門(mén)架式機(jī)器人，其設(shè)計(jì)裝車(chē)能力為8?t，這是根據(jù)Erne木結(jié)構(gòu)股份公司堆垛機(jī)的最大承載能力進(jìn)行設(shè)計(jì)的。
圖2 現(xiàn)在，數(shù)字化、機(jī)器人生產(chǎn)開(kāi)拓出木結(jié)構(gòu)生產(chǎn)領(lǐng)域無(wú)法想象的可能性。如果不是使用機(jī)器人
進(jìn)行生產(chǎn)，ETH蘇黎世建筑技術(shù)研究院（ITA）便不可能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn) Arch Tec Lab建筑物木結(jié)構(gòu)屋頂?shù)纳a(chǎn)
根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)的需要，Woodflex 56型7軸門(mén)架式機(jī)器人可在長(zhǎng)度為100?m的廠房?jī)?nèi)延伸，全自動(dòng)化實(shí)施鋸、鏜孔、桁梁設(shè)置、釘釘、夾緊等作業(yè)。該Woodflex 56型7軸門(mén)架式機(jī)器人裝有一個(gè)Schunk公司研制的大功率的刀具快速更換裝置、一個(gè)夾具系統(tǒng)控制裝置和一個(gè)張緊技術(shù)裝置，借助于該張緊技術(shù)裝置可在最短的時(shí)間內(nèi)全自動(dòng)化地更換各個(gè)刀具。
Erne木結(jié)構(gòu)股份公司的副總經(jīng)理Thomas Wehrle認(rèn)為，該刀具快速更換裝置確實(shí)是實(shí)現(xiàn)其所要求的靈活作業(yè)的關(guān)鍵。迄今為止，在木結(jié)構(gòu)的設(shè)備大多裝備有四個(gè)安裝位置固定的隨行機(jī)組的情況下，他強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“而裝有Schunk公司研發(fā)的離合器的門(mén)架式機(jī)器人的機(jī)組可不受限地由尾座頂住、且具有使用全套刀具的可能性?！边@樣，門(mén)架式機(jī)器人即可完成例如可通過(guò)一個(gè)模塊用自身的控制裝置來(lái)設(shè)置木板條夾具這樣一類的工作。該模塊在一個(gè)線性軸上運(yùn)行，并能夠通過(guò)一臺(tái)釘釘機(jī)接收Z(yǔ)方向上的兩個(gè)作業(yè)站點(diǎn)，即在木板條被夾緊時(shí)將其定位，以便進(jìn)行釘釘作業(yè)。全部所需控制信號(hào)以及能源僅通過(guò)快速轉(zhuǎn)換離合器進(jìn)行傳送。而一臺(tái)機(jī)動(dòng)式圓鋸、水冷卻機(jī)器人心軸或用于控制木板的真空夾具所需控制信號(hào)以及能源也同樣僅通過(guò)快速轉(zhuǎn)換離合器進(jìn)行傳送?！皩?shí)現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)換我們既不需要使用一名工作人員也不需要使用一臺(tái)起重機(jī)?！盩homas Wehrle如是說(shuō)。必要時(shí)，由一臺(tái) XXL機(jī)器人全自動(dòng)的轉(zhuǎn)換固定存放在所定義站點(diǎn)上的刀具。
用于穩(wěn)定連接的快速轉(zhuǎn)換模塊
來(lái)自世界范圍內(nèi)最大的Schunk公司的機(jī)器人附件程序的快速更換模塊將非生產(chǎn)輔助時(shí)間縮短為最短，以能夠全自動(dòng)化地實(shí)現(xiàn)行動(dòng)件的轉(zhuǎn)換。該快速轉(zhuǎn)換模塊由兩部分組成：一部分是安裝在機(jī)器人臂上的快速轉(zhuǎn)換頭，另一部分是一個(gè)與當(dāng)時(shí)所使用刀具相連接的快速轉(zhuǎn)換適配裝置。在進(jìn)行刀具轉(zhuǎn)換時(shí)，這兩個(gè)部分自動(dòng)相互耦合連接，以秒為單位快速地確保實(shí)現(xiàn)這樣的穩(wěn)定連接。與此同時(shí)，可靠接通機(jī)動(dòng)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)以及電信號(hào)系統(tǒng)。
圖3 為了進(jìn)行墻模塊生產(chǎn)，該真空木板夾具能以秒計(jì)算地快速度進(jìn)行更換，該真空木板夾具裝備有Schunk 公司研發(fā)的快速更換系統(tǒng)
Schunk公司研發(fā)的快速轉(zhuǎn)換模塊采用專利產(chǎn)品“No Touch Locking System”(“非接觸式鎖定系統(tǒng)”)，可確保在快速轉(zhuǎn)換頭與適配器之間的最大距離為2.5?mm時(shí)可靠地進(jìn)行刀具轉(zhuǎn)換。此外，鎖止系統(tǒng)裝備有一個(gè)自動(dòng)制動(dòng)裝置，該自動(dòng)制動(dòng)裝置也是Schunk公司的專利產(chǎn)品，其可確?？焖俎D(zhuǎn)換頭與快速轉(zhuǎn)換適配器之間按生產(chǎn)流程穩(wěn)定地連接，其轉(zhuǎn)換精準(zhǔn)度為0.015?mm這是該模塊與當(dāng)今市場(chǎng)上其它模塊的一個(gè)顯著區(qū)別。該快速轉(zhuǎn)換模塊的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)則可直接集成進(jìn)快速轉(zhuǎn)換模塊的外殼內(nèi)。
圖4 為了加工木結(jié)構(gòu)的邊，機(jī)器人卸下了釘釘夾緊裝置，并換裝上了一個(gè)圓鋸。借助于Schunk公司研發(fā)的快速更換系統(tǒng)，
在短短幾秒時(shí)間內(nèi)便流程可靠地實(shí)現(xiàn)換裝，并由一個(gè)自動(dòng)化吸取裝置將刨屑和粉塵吸入到一個(gè)事先設(shè)置的容器內(nèi)
可根據(jù)作業(yè)應(yīng)用的具體需要連接集成電路組件和變形裝置
快速轉(zhuǎn)換模塊適配器的信號(hào)傳輸以及快速轉(zhuǎn)換頭的控制可使用各種不同的信號(hào)和母線模塊。此外，Schunk公司為客戶提供用于Profibus、Profinet、CAN、RS232和Ethernet TCP/IP的集成電路組件，以便與客戶作業(yè)應(yīng)用的具體需要相匹配。根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)形式可通過(guò)DIP開(kāi)關(guān)最多可實(shí)現(xiàn)99?999種各種不同刀具的編碼。而信號(hào)集成電路組件則是一個(gè)例外，快速轉(zhuǎn)換裝置通過(guò)該集成電路組件可自動(dòng)進(jìn)行連接或脫開(kāi)連接，這樣，該系統(tǒng)繼續(xù)保持原來(lái)狀態(tài)的3個(gè)側(cè)面便可進(jìn)行配件裝配。此外，在進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，帶有3個(gè)200?A/800 V觸點(diǎn)的高動(dòng)力集成電路組件(High Power Module)還用于自主密封的射流技術(shù)集成電子組件8X3/8G的如冷卻水接通以及用于伺服模塊的焊接鉗定位。可根據(jù)具體應(yīng)用來(lái)進(jìn)行選擇具體單個(gè)集成電組組件和變形裝置，并進(jìn)行連接。如果是在條件嚴(yán)苛的環(huán)境中作業(yè)，快速轉(zhuǎn)換裝置必須設(shè)置得堅(jiān)實(shí)耐用且可耐受不潔和高達(dá)60℃的高溫。Schunk公司研發(fā)的快速轉(zhuǎn)換裝置總共有22種結(jié)構(gòu)大小不同的產(chǎn)品，有效載荷從1.4～4080?t，其變形產(chǎn)品多達(dá)2000種，其多樣性在世界上獨(dú)樹(shù)一幟。Schunk公司研發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化快速轉(zhuǎn)換裝置可滿足世界范圍內(nèi)的無(wú)數(shù)應(yīng)用的需求。
XXL門(mén)架式機(jī)器人的特殊挑戰(zhàn)
迄今為止，Guedel股份公司在研制快速轉(zhuǎn)換離合器方面的經(jīng)驗(yàn)均是成功的。模塊毫無(wú)疑問(wèn)也能夠經(jīng)受得住門(mén)架式機(jī)器人相當(dāng)堅(jiān)實(shí)的手動(dòng)鉸鏈在推進(jìn)時(shí)自身沖撞所達(dá)到的電流極限值。 Guedel股份公司研發(fā)的快速轉(zhuǎn)換離合器能夠出色戰(zhàn)勝XXL門(mén)架式機(jī)器人所面對(duì)的如刀具尺寸大、媒介和信號(hào)數(shù)量多、機(jī)器人心軸的水冷卻以及布滿灰塵的嚴(yán)苛使用條件的特殊挑戰(zhàn)。同樣，Schunk公司研制的用于控制所使用木板條的模塊化PGL大行程夾具也能夠出色戰(zhàn)勝上述特殊挑戰(zhàn)。Schunk公司研制的PHL大行程夾具的多齒狀導(dǎo)向裝置也是該公司的專利產(chǎn)品，適合在布滿粉塵的作業(yè)條件及嚴(yán)苛的木結(jié)構(gòu)作業(yè)環(huán)境中使用。
圖5 在更換夾具時(shí)，通過(guò)Schunk公司研發(fā)的快速更換系統(tǒng)自動(dòng)將電流、壓縮空氣以及其他全部信號(hào)連通
與普通帶有T溝槽或是圓導(dǎo)軌的大行程夾具相比，Schunk公司研制的PHL模塊在相同的空間所取得的作業(yè)效率明顯更高。首先，其行程大，這樣便有利于控制大小不同的刀具。有著90個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化變形的獨(dú)一無(wú)二的程序能夠確保在夾緊刀具時(shí)避免夾具超出所夾刀具的外形尺寸，并且確保將所需高壓空氣和能源的消耗量降至最低，還能夠確保降低作業(yè)對(duì)空間的需求。除此之外，客戶可以個(gè)性化地自行定義夾具的長(zhǎng)度和行程。
圖6 Schunk公司研發(fā)的PHL大行程夾具適合在Erne木結(jié)構(gòu)股份公司有粉塵的木結(jié)構(gòu)生產(chǎn)環(huán)境中使用
門(mén)架式機(jī)器人可靈活與作業(yè)空間進(jìn)行組合
為了盡可能經(jīng)濟(jì)地設(shè)置生產(chǎn)流程，門(mén)架式機(jī)器人的作業(yè)空間分成3個(gè)能夠靈活組合的區(qū)。這樣，工作人員便可與機(jī)器人平行在一個(gè)區(qū)或是兩個(gè)區(qū)里進(jìn)行手工作業(yè)，如可在墻單元里布設(shè)管子。這樣，可將自動(dòng)化完成的工作任務(wù)與手工完成的工作任務(wù)進(jìn)行有效組合，免去了費(fèi)力地來(lái)回運(yùn)輸各個(gè)模塊。各單個(gè)作業(yè)區(qū)段借助于光箱進(jìn)行監(jiān)控，這樣，門(mén)架式機(jī)器人便能夠與工作人員進(jìn)行順利合作。當(dāng)門(mén)架式機(jī)器人更換作業(yè)區(qū)段時(shí)，則降低運(yùn)行的速度。不管是造型自由的木桁架結(jié)構(gòu)還是高功效的模塊結(jié)構(gòu)：Erne木結(jié)構(gòu)股份公司均可使用Guedel股份公司研發(fā)的門(mén)架式機(jī)器人經(jīng)濟(jì)、高幾何尺寸精準(zhǔn)度地完成各項(xiàng)工作作業(yè)任務(wù)。自Guedel股份公司研制的門(mén)架式機(jī)器人投入使用以來(lái)，Erne木結(jié)構(gòu)股份公司以高獨(dú)創(chuàng)性潛質(zhì)所完成的項(xiàng)目數(shù)量在快速增多，這種完成項(xiàng)目的速度超過(guò)了過(guò)去靠工作經(jīng)驗(yàn)完成項(xiàng)目的速度。Erne木結(jié)構(gòu)股份公司的副總經(jīng)理Thomas Wehrle給出的數(shù)據(jù)表明，該公司作業(yè)自動(dòng)化程度的提升導(dǎo)致企業(yè)的擴(kuò)大和工作人員數(shù)量的增加。Thomas Wehrle說(shuō)：“對(duì)我們來(lái)說(shuō)，新設(shè)備為我們提供的可能性是，以人們現(xiàn)在的觀點(diǎn)無(wú)法想象的種類多樣性生產(chǎn)項(xiàng)目將均可實(shí)現(xiàn)?！彼_信，“尤其是在模塊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，我們隨時(shí)可以改裝或是擴(kuò)展機(jī)器人?！鼻∏赡切┮呀?jīng)放出大話的建筑師事務(wù)所也開(kāi)始對(duì)木材使用的潛力進(jìn)行新定義。人們有理由期待，Erne木結(jié)構(gòu)股份公司將會(huì)用天然材料制造出怎樣美觀的杰作。
