文藝博，段中興，曹建福，雷小康

(1.西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，西安 710055;2.西安交通大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710049)

0 引言

混凝土裝配式建筑是一種標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、預(yù)制化生產(chǎn)、裝配化施工的新型建造方式，具有建筑質(zhì)量?jī)?yōu)異、生產(chǎn)快速、資源節(jié)約等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-2]。這種新型建造模式通?；诮ㄖ畔⒛Ｐ?(BIM,building information model)一體化設(shè)計(jì)[3-7]，經(jīng)構(gòu)件拆分后在工廠流水化完成各預(yù)制混凝土(PC,precast concrete)構(gòu)件的生產(chǎn)，最后運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝。該技術(shù)是實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化的核心技術(shù)之一，受到國(guó)家的高度重視和大力推廣[8-9]。

近年來(lái)，基于參數(shù)化設(shè)計(jì)的裝配式異型建筑日益流行(圖1)，此類建筑不僅具有極佳的藝術(shù)美感，而且在平衡外部環(huán)境(如適應(yīng)復(fù)雜地形、風(fēng)環(huán)境等)與內(nèi)部功能(聲學(xué)性能、熱學(xué)性能[10-11]等)方面亦具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而，由于現(xiàn)有的PC構(gòu)件生產(chǎn)設(shè)備智能化程度不高，作業(yè)自由度有限，一般僅能完成抹平、拉毛等簡(jiǎn)單表面整型處理，導(dǎo)致此類含有大量非標(biāo)準(zhǔn)化自由曲線或曲面的復(fù)雜異型PC構(gòu)件面臨難于自動(dòng)化高效預(yù)制的問(wèn)題。

圖1 具有特殊表面紋理的建筑外墻

目前，對(duì)于異型混凝土構(gòu)件的制造主要采用增材成型[12]和等材成型[13]兩種技術(shù)。增材成型方面，以建筑3D打印相關(guān)技術(shù)為代表，如美國(guó)南加州大學(xué)的輪廓工藝(CC,contour crafting)[14]、意大利學(xué)者Enrico Dini提出的D型工藝(D-Shape)[15]和米蘭理工學(xué)院的激光粉床燒結(jié)成型工藝[16]等，主要關(guān)注異型建筑體或部件的整體制造問(wèn)題。等材成型工藝方面，目前主要關(guān)注于異型模具的快速制作，如韓國(guó)漢巴大學(xué)的自由形式模具(Free-form Panel)[17]、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的網(wǎng)格模具(Mesh-Mould)[18]等。上述兩類成型工藝適用于非規(guī)則混凝土構(gòu)件的整體預(yù)制，但不適應(yīng)異型表面紋理的加工。為解決此問(wèn)題，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)提出增減材混合制造工藝[19]，利用機(jī)械臂3D打印形成標(biāo)準(zhǔn)尺寸的混凝土塊，再通過(guò)異型刀具刮除余料創(chuàng)建出異型表面紋理。該方法加工靈活性高，然而由于沿襲自混凝土一體化成型模式，因此并不契合PC構(gòu)件的流水化生產(chǎn)方式。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種面向PC構(gòu)件流水化生產(chǎn)線的減材表面整型機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)BIM模型驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜異型表面紋理的自動(dòng)化快速作業(yè)。首先分析減材制造下的紋理成型機(jī)制，建立整型刀具及其加工軌跡與紋理成型之間的關(guān)系，進(jìn)而提出異型紋理BIM模型驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人離線路徑規(guī)劃方法。結(jié)合PC生產(chǎn)線的實(shí)際需求，完成了表面整型機(jī)器人的機(jī)構(gòu)及末端刀具設(shè)計(jì)，并開(kāi)發(fā)了原型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出的PC構(gòu)件表面整型機(jī)器人系統(tǒng)的可行性和有效性。

1 PC構(gòu)件異型表面紋理成型機(jī)制

利用傳統(tǒng)數(shù)控雕刻的方式在硬化后的混凝土墻板表面上刻畫(huà)紋理是最常見(jiàn)的一種減材表面紋理加工方法，然而該方法可能對(duì)混凝土強(qiáng)度造成潛在的危害，因此如何在混凝土預(yù)制墻板上刻畫(huà)出具有復(fù)雜曲線紋理的表面樣式就成為了一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。本文選擇在混凝土墻板沒(méi)有完全凝固的狀態(tài)下進(jìn)行表面紋理加工作業(yè)，在混凝土未凝固狀態(tài)下作業(yè)有以下兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：(1)可保證加工后混凝土墻板的強(qiáng)度不受影響?；炷猎谀糖笆遣痪邆鋸?qiáng)度的，其成型的最終形體與凝固前的形體相一致，并且隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加[20]，其強(qiáng)度將逐漸增大，這樣就避免了雕刻刀對(duì)凝固后混凝土強(qiáng)度的破壞。(2)混凝土未凝固前更易加工出多樣化的表面紋理。凝固前的混凝土具有優(yōu)良的可塑性，刮除余料時(shí)刀具所受的阻力更小，配合形狀各異的加工刀具，將具備比單一化的圓柱銑刀更強(qiáng)的表面紋理加工能力。因此本節(jié)后續(xù)將著重進(jìn)行混凝土加工特性分析以及基于未凝固混凝土的減材表面紋理成型機(jī)制分析。

1.1 混凝土特性分析

混凝土構(gòu)件的生產(chǎn)原料為預(yù)拌混凝土，這是一種在凝固前具有優(yōu)良可塑性的流變性材料[21]，因其由多種材料攪拌混合而成，在一定的凝結(jié)時(shí)間后，砂粒、石子以及水泥分析之間相互的粘結(jié)力逐漸增大抵消水泥漿的流動(dòng)，從而可以在邊模拆除后維持其形狀不發(fā)生坍落，即所謂的可塑性。此時(shí)混凝土擁有一定的強(qiáng)度，可承受一定的刀具刮除力而不變形，即該階段混凝土具備一定的可加工性。隨著時(shí)間的推移，水泥水化反應(yīng)不斷加劇，水分不斷蒸發(fā)，混凝土內(nèi)部的粘結(jié)力成倍增加，即混凝土開(kāi)始失去塑性并硬化，此時(shí)便不再具備可加工性。因此，表面紋理加工應(yīng)在混凝土硬化前具有最佳可加工性即最佳可塑性的凝結(jié)階段。值得注意的是，不同的配比和材料種類拌合而成的混凝土的最佳可塑性的階段不同，故通過(guò)調(diào)整原料配比和選擇最佳加工時(shí)間，可獲得適宜的可加工性來(lái)進(jìn)行紋理加工。

1.2 減材表面紋理成型機(jī)制分析

基于減材制造的表面紋理成型即是利用預(yù)拌混凝土的可塑性， 在混凝土未完全凝固的條件下結(jié)合末端刀具和走刀軌跡完成復(fù)雜表面形狀的加工。圖2給出了幾種復(fù)雜紋理的參數(shù)化設(shè)計(jì)建模的樣式，可見(jiàn)不同切除路徑配合三角形、圓弧形等切除輪廓可產(chǎn)生樣式各異的表面紋理。其中第一列由規(guī)則平面曲線形成的等深紋理。第二列是具有深度信息的等間隔直線紋理，即刀具進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)。第三列為具備深度信息的不規(guī)則曲線形成的非標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜異型表面。值得注意的是，后兩類紋理難以通過(guò)傳統(tǒng)模具或混凝土3D打印來(lái)制作。

圖2 幾種典型的表面紋理模型

減材制造模式下，改變紋理形狀的關(guān)鍵為切除路徑和切除輪廓，分別對(duì)應(yīng)于走刀軌跡和刀具輪廓，如圖3(a)所示。其成型過(guò)程可看作是末端刀具在混凝土表面沿預(yù)設(shè)路徑進(jìn)行的一系列刮除動(dòng)作，刀具輪廓將顯著改變紋理的截面形狀。同時(shí)，紋理截面還受到刀具繞垂直軸旋轉(zhuǎn)角度θ的影響，如圖3(b)所示。當(dāng)θ不變時(shí)，紋理截面寬度W為刀具輪廓在路徑法線方向上的投影。反之，當(dāng)?shù)毒咂矫娣ň€與路徑切線方向始終平行時(shí)，紋理截面寬度W等于刀具截面寬度。注意此處的紋理截面指刀具沒(méi)入混凝土表面以下部分的輪廓。

圖3 表面紋理成型影響因素示意圖

表1分別以三角形、圓弧形和拱形刀具為例，給出了當(dāng)?shù)毒咂矫娣ň€始終與路徑切線平行時(shí)，實(shí)際切削寬度W與刀具寬度Wtool、刀具深度Htool和切削深度H間的關(guān)系。當(dāng)θ為0，且不隨路徑變化時(shí)，實(shí)際切削寬度為：

表1 3種典型刀具下切削寬度與切削深度等的關(guān)系

W=Wtool·cosθ′

(1)

其中：θ′為相鄰兩路徑點(diǎn)連線與X軸的夾角：

(2)

可見(jiàn)，減材模式下PC構(gòu)件表面紋理成型的主要因素包括：1)走刀軌跡；2)切削輪廓；3)刀具平面繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)角度。因此要完成紋理的自動(dòng)化加工，需設(shè)定刀具運(yùn)動(dòng)軌跡(對(duì)應(yīng)為走刀軌跡)、刀具的輪廓樣式(對(duì)應(yīng)為切削輪廓)和刀具旋角(對(duì)應(yīng)為刀具平面繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)角度)等參數(shù)。那么基于機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)BIM模型驅(qū)動(dòng)的紋理高效、高質(zhì)量自動(dòng)化加工，其中的技術(shù)挑戰(zhàn)包括如下。

1)多自由度表面整型機(jī)器人構(gòu)型和末端刀具設(shè)計(jì)。機(jī)器人結(jié)合定制刀具需實(shí)現(xiàn)復(fù)雜異型紋理的自動(dòng)化加工，且PC構(gòu)件實(shí)際生產(chǎn)場(chǎng)景為大尺度作業(yè)和相對(duì)惡劣的加工環(huán)境。因此機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在滿足多樣化紋理的加工以外，如何與流水線生產(chǎn)環(huán)境特征相適配也是一個(gè)研究重點(diǎn)，即該機(jī)器人與原有產(chǎn)線中的自動(dòng)化集成，不同的機(jī)器人構(gòu)型與產(chǎn)線集成后的效果不同，即對(duì)PC構(gòu)件的生產(chǎn)節(jié)拍造成影響。此外，末端整型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是十分關(guān)鍵的一點(diǎn)。對(duì)于紋理加工來(lái)說(shuō)，機(jī)器人作為一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)，起著攜帶末端刀具空間運(yùn)動(dòng)從而增多紋理的樣式的作用，但紋理加工質(zhì)量的好壞卻取決于加工末端，其尺寸規(guī)格、刀具材料以及刀具的加工姿態(tài)等都會(huì)使紋理的加工品質(zhì)發(fā)生變化。

2)BIM模型驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化紋理加工方法研究。對(duì)于異型表面紋理的設(shè)計(jì)建模，多通過(guò)使紋理子特征與主特征即PC構(gòu)件產(chǎn)生依附和參考關(guān)系從而進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。每個(gè)特征紋理在BIM中的表現(xiàn)形式為一系列路徑控制點(diǎn)，那么如何將路徑控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換成為機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)路徑就成為一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。

2 表面整型機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)

本文提出一種機(jī)器人化的PC構(gòu)件表面紋理自動(dòng)化加工方案，并結(jié)合目前PC構(gòu)件生產(chǎn)線的實(shí)際狀況，設(shè)計(jì)了多自由度表面整型機(jī)器人構(gòu)型與末端刀具。

考慮到表面整型是PC構(gòu)件流水化生產(chǎn)的一環(huán)，表面整型機(jī)器人需兼容上下游工序，滿足以下要求：1)工作空間。典型的PC構(gòu)件(如預(yù)制疊合板)長(zhǎng)度一般為2.2～4 m，預(yù)制填充墻最長(zhǎng)可達(dá)6 m，要求機(jī)器人能夠大范圍移動(dòng)；2)自由度。依據(jù)前文紋理成型機(jī)制分析，機(jī)器人至少須具備5個(gè)自由度以實(shí)現(xiàn)多樣化復(fù)雜表面紋理的加工，包括三維空間移動(dòng)的3個(gè)平移自由度與改變末端刀具姿態(tài)的2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，以實(shí)現(xiàn)紋理特殊點(diǎn)位的加工以及加工傾角的控制；3)可靠性。PC構(gòu)件生產(chǎn)中存在大量粉塵和污水，機(jī)器人須保證長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行并便于保養(yǎng)維護(hù)[22]；4)速度與精度。PC構(gòu)件的制造誤差要求在1～3 mm以內(nèi)[23]，加工速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，故機(jī)器人需滿足低速、大負(fù)載和非高精度作業(yè)的要求。

綜合上述因素，本文基于高可靠性的桁架構(gòu)型設(shè)計(jì)表面整型機(jī)器人系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。此系統(tǒng)具有5個(gè)自由度，X、Y、Z三個(gè)平移自由度(移動(dòng)范圍為10 m×5 m×0.5 m)滿足刀具平面移動(dòng)及深度控制需求。末端具備兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，其中繞z軸旋轉(zhuǎn)的自由度控制刀具平面繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)；繞y軸旋轉(zhuǎn)的自由度則為控制刀具傾斜度(刀具平面與混凝土表面的夾角)，以便壓實(shí)混凝土。此外，考慮到振動(dòng)對(duì)混凝土的稀化效應(yīng)可顯著提高余料的刮除效率，在末端設(shè)置振動(dòng)電機(jī)，其與機(jī)器人通過(guò)減震器連接，使振動(dòng)有效傳導(dǎo)至刀具末端而減少對(duì)機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)精度的影響。

圖4 表面整型機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)與末端刀具示意圖

末端刀具的設(shè)計(jì)需滿足兩方面要求，一是與紋理截面適配的刀具輪廓，二是余料的高效刮除。與傳統(tǒng)薄片式抹灰刀相比，本文采用立體式設(shè)計(jì)。以圖4(b)所示的三角形和圓弧形刀具為例，定制刀具尖端用于切割分離前方堆積的混凝土，提高刮除效率。刀頭前30度傾角可增加與混凝土表面的接觸面并壓實(shí)混凝土，提高成型后的表面平整度。

3 BIM驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人路徑規(guī)劃

PC構(gòu)件異型表面紋理的BIM模型一般通過(guò)參數(shù)化建模生成。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模型的高效自動(dòng)化加工，由BIM模型直接生成機(jī)器人加工路徑，其關(guān)鍵是模型中刀具切除軌跡的自動(dòng)識(shí)別與提取，并通過(guò)坐標(biāo)變換將路徑點(diǎn)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人末端位姿。

BIM中多采用準(zhǔn)均勻B樣條曲線描述異型表面。此類曲線具有過(guò)首尾控制點(diǎn)的性質(zhì)[24]，易于確定路徑起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)。故采用準(zhǔn)均勻B樣條曲線表示紋理成型的刀軌，即機(jī)器人末端的作業(yè)路徑。

為建立BIM模型和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑的聯(lián)系，將BIM模型的控制點(diǎn)坐標(biāo)Pi作為輸入，輸出為機(jī)器人的三維路徑點(diǎn)坐標(biāo)Dx,y,z。設(shè)某三維曲線C有P0(x0,y0,z0),P1(x1,y1,z1),…,Pn(xn,yn,zn)共n+1個(gè)控制點(diǎn)，則基于三維空間內(nèi)準(zhǔn)均勻B樣條曲線的參數(shù)化方程，可得到Dx,y,z與Pi之間的表達(dá)式如下式：

(3)

式中,t(0到1之間的有理數(shù))為路徑點(diǎn)分辨率控制參數(shù)。給定一組參數(shù)t，將獲取到的控制點(diǎn)坐標(biāo)Pi代入式(3)中可得到機(jī)器人離散化路徑點(diǎn)。k為階數(shù)，階數(shù)越小，曲線路徑越逼近控制點(diǎn)。取k=3，即可復(fù)現(xiàn)BIM中的樣條曲線。Ni,k(t)為基函數(shù)即控制點(diǎn)系數(shù)表達(dá)式，通常表示為：

(4)

(5)

式(3)中參數(shù)t控制生成的機(jī)器人路徑的離散化程度，即輸出路徑點(diǎn)的數(shù)量。參數(shù)t可采用均勻間隔取值，亦可采用非均勻間隔取值，如在曲率自適應(yīng)取值下可提高加工精度。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，本文采用均勻離散化方式，并且通過(guò)改變t取值的間隔，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人加工路徑從粗略到精細(xì)的分辨率控制。

此外，鑒于切削余料堆積過(guò)多會(huì)導(dǎo)致混凝土坍落，不能一次加工到位，實(shí)際中可進(jìn)一步采用分層加工的模式。與之相對(duì)應(yīng)，機(jī)器人加工路徑可采用分層規(guī)劃，即進(jìn)行多次重復(fù)路徑加工，每層加工深度逐步增加以實(shí)現(xiàn)表面紋理的逐步凸顯。將紋理加工路徑點(diǎn)Dx,y,z(t)的z坐標(biāo)同時(shí)增加或減小Δz即為下一層路徑點(diǎn)坐標(biāo)Dx,y,z±Δz(t)。綜上，即可實(shí)現(xiàn)BIM模型到機(jī)器人加工路徑的自動(dòng)生成。

4 表面整型機(jī)器人原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

為驗(yàn)證上述方案的可行性，開(kāi)發(fā)了一款10∶1的縮比實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(圖5)，包括機(jī)器人本體、控制系統(tǒng)、人機(jī)交互界面、末端工具及環(huán)境傳感器等三部分。

圖5 表面整型機(jī)器人系統(tǒng)

本文只關(guān)注于刀具旋轉(zhuǎn)角度不隨路徑變化情況下的表面紋理加工，因此機(jī)器人本體采用三軸桁架構(gòu)型?？紤]到PC構(gòu)件的加工制造精度要求在1～3 mm，屬于非高精度，且加工速度在50 mm/s以內(nèi)，故采用三套兩相四線制的86步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)整機(jī)運(yùn)動(dòng)，其中垂直方向選用具備電磁抱閘功能的電機(jī)以實(shí)現(xiàn)斷電自鎖，提高機(jī)器人系統(tǒng)的安全性。分別選用移動(dòng)距離為1 000 mm、800 mm、500 mm的直線模組來(lái)搭建表面整型機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。首先通過(guò)光軸和聯(lián)軸器將兩條X導(dǎo)軌連接以保證同步運(yùn)動(dòng)，并將兩個(gè)立柱分別固定在X滑塊上。Y軸導(dǎo)軌兩端分別固定于兩個(gè)立柱，Z軸導(dǎo)軌與Y軸滑塊固定。最終的平面加工范圍為600 mm×600 mm，垂直方向最大移動(dòng)距離為300 mm，末端最大速度200 mm/s，末端定位精度為2～3 mm，最大負(fù)載10 kg。

控制系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)型運(yùn)動(dòng)控制卡、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，各軸均設(shè)限位開(kāi)關(guān)構(gòu)成。運(yùn)動(dòng)控制卡的型號(hào)為摩升泰NMC3401，單卡最多支持4軸連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器為與86步進(jìn)電機(jī)適配的DM860H驅(qū)動(dòng)器。限位開(kāi)關(guān)選擇TL-Q5MC1-Z常開(kāi)型感應(yīng)式接近開(kāi)關(guān)，感應(yīng)距離為5 mm，即當(dāng)金屬靠近該限位開(kāi)關(guān)5 mm以內(nèi)時(shí)，信號(hào)線輸出高電平。每個(gè)軸兩端分別安裝一個(gè)限位開(kāi)關(guān)，一端為正限位，另一端為原點(diǎn)限位和負(fù)限位。值得注意的是，原點(diǎn)和負(fù)限位共用一個(gè)限位開(kāi)關(guān)，即將該限位開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)共同接至運(yùn)動(dòng)控制卡的軸負(fù)限位和軸原點(diǎn)限位。

人機(jī)交互界面功能模塊包括以下四部分：①單軸點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制；②多軸多點(diǎn)連續(xù)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制；③原點(diǎn)歸零；④機(jī)器人本體各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息及加工路徑信息的顯示。每個(gè)模塊中，用戶均可方便設(shè)置各軸的位置、速度、加速度、點(diǎn)動(dòng)模式、回原點(diǎn)方式等參數(shù)，用戶與表面整型機(jī)器人的交互更加友好，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各軸的位置和運(yùn)行速度，顯示當(dāng)前機(jī)器人的離散運(yùn)動(dòng)路徑點(diǎn)。在該界面頂部，還添加了運(yùn)動(dòng)控制卡的打開(kāi)、關(guān)閉功能以及急停。此外，還具備緩沖區(qū)剩余空間的計(jì)算和顯示的能力。

整型末端是表面紋理加工的關(guān)鍵部件，由定制刀具和振動(dòng)電機(jī)構(gòu)成，不同的刀具結(jié)合機(jī)器人多樣化的運(yùn)動(dòng)軌跡即可完成復(fù)雜異型紋理的制作。定制整型刀具由PLA材料3D打印而成，可手動(dòng)更換。本節(jié)按照第2節(jié)中設(shè)計(jì)的刀具輪廓進(jìn)行實(shí)際制作，共制作出了兩組不同輪廓(三角形和圓弧形)、不同規(guī)格(刮除寬度分為別10 mm、20 mm和30 mm)的整型刀具，刀具刮除深度均為5 mm。外部振動(dòng)采用可調(diào)頻偏心振動(dòng)電機(jī)，該電機(jī)固定于末端刀具，使其發(fā)散振動(dòng)限制在機(jī)器人行進(jìn)方向。振動(dòng)頻率在1～100 Hz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。此外，機(jī)器人四周布置多個(gè)溫濕度傳感器，以研究環(huán)境變化對(duì)混凝土性能的影響。

圖6 表面整型機(jī)器人上位機(jī)界面

5 表面整型實(shí)驗(yàn)與分析

參照實(shí)際PC構(gòu)件加工的原料配比，實(shí)驗(yàn)選擇水、P.C42.5型水泥、細(xì)砂(粒徑在2 mm以內(nèi))的配合比為0.4∶1∶0.5。此配比混凝土具備足夠的可加工性，可保證成型過(guò)程中紋理維持形狀不坍落。混凝土試件尺寸為300 mm×250 mm×20 mm(長(zhǎng)×寬×高)。環(huán)境溫度為26～28 ℃，空氣相對(duì)濕度為60～72%。PC構(gòu)件表面紋理BIM模型利用Revit軟件建立，通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)和二次開(kāi)發(fā)獲取紋理路徑的控制點(diǎn)坐標(biāo)，利用第3節(jié)中的路徑規(guī)劃方法離線規(guī)劃出機(jī)器人的末端作業(yè)路徑。

5.1 減材表面紋理加工步驟

為驗(yàn)證基于減材工藝的混凝土表面紋理自動(dòng)化加工的可行性，采用較為簡(jiǎn)單的等厚分層的方式進(jìn)行作業(yè)，且經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)總結(jié)后，規(guī)定表面紋理的精細(xì)加工主要由表面抹平、紋理粗加工、紋理精加工和紋理修整四步組成，各步驟的具體表述如下。

1)表面抹平。混凝土澆筑后立即進(jìn)行人工或自動(dòng)抹平，一般做平面往復(fù)運(yùn)動(dòng)以清除多余的堆積物，為機(jī)器人紋理加工提供平整的表面。這是紋理加工的前序步驟，混凝土表面平整與否將很大程度上影響加工效果的評(píng)判。

2)紋理粗加工。多次重復(fù)振動(dòng)刮除，每次刮除深度增加1～2 mm，使紋理特征逐步凸顯。此步驟可減小切削過(guò)程中余料對(duì)周圍材料的壓力，避免單次切削過(guò)深使余料堆積的問(wèn)題。

3)紋理精加工。加工深度增加0.5 mm，利用高頻振動(dòng)對(duì)混凝土的稀化作用使水泥漿填補(bǔ)上一步粗加工產(chǎn)生的紋理凹陷，再次清除余料及表面水，提高平整度。

4)紋理修整。經(jīng)以上步驟后會(huì)使得混凝土表面泌水并在紋理凹槽中聚集，即水泥漿回流現(xiàn)象。待混凝土靜置凝固15分鐘并重新清理刀具表面后再次對(duì)紋理進(jìn)行加工，刮除深度與步驟(3)相同，旨在清除紋理積水并提高平整度。

以上步驟是從粗加工逐步向精加工過(guò)渡。后續(xù)實(shí)驗(yàn)均基于此流程進(jìn)行。

5.2 表面紋理最佳加工條件分析

為獲得理想的紋理加工效果，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析不同加工時(shí)機(jī)和振動(dòng)頻率對(duì)紋理成型的影響規(guī)律。

圖7 表面紋理加工條件實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1)最佳加工時(shí)機(jī)實(shí)驗(yàn)與分析。

最佳加工時(shí)機(jī)即混凝土澆筑完成至開(kāi)始加工的凝結(jié)時(shí)長(zhǎng)T。在原材料種類和配合比不變的條件下，凝結(jié)時(shí)長(zhǎng)會(huì)改變混凝土的流動(dòng)性和可加工性，影響紋理成型的效果。凝結(jié)時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致坍落度大，凝結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)又使得混凝土硬度太高而無(wú)法加工。采用三角形刀具，加工深度5 mm，運(yùn)動(dòng)路徑為直線，分別在澆筑后20～90 min時(shí)進(jìn)行整型加工，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8(a)所示。很明顯，隨著加工開(kāi)始時(shí)間延后，紋理表面粗糙度逐漸降低并且紋理輪廓特征愈發(fā)明顯，最終在凝結(jié)50 min時(shí)成型效果最佳。加工時(shí)機(jī)繼續(xù)推遲，紋理表面粗糙度上升并出現(xiàn)裂縫。具體而言，澆筑20 min內(nèi)混凝土因凝固時(shí)間太短，坍落度大，無(wú)法加工。凝固20～30 min時(shí)其具備一定的可塑性，但粘度較大，機(jī)器人行進(jìn)時(shí)聚集刀頭的余料會(huì)附帶刮除額外的材料，導(dǎo)致紋理寬度超出刀頭輪廓寬度，使紋理表面平整度降低。當(dāng)凝固時(shí)間超過(guò)60 min后，混凝土漿體逐漸失去塑性，開(kāi)始凝結(jié)硬化。澆筑后60～80 min時(shí)加工，紋理特征逐漸模糊，并出現(xiàn)表面撕裂現(xiàn)象，平整度降低。澆筑后90 min時(shí)，由于混凝土硬度過(guò)高而導(dǎo)致邊緣塌陷。

2)最佳振動(dòng)頻率實(shí)驗(yàn)與分析。

混凝土在搗振過(guò)程中表面會(huì)產(chǎn)生浮漿[25]，少量浮漿可防止表面過(guò)快干燥，便于表面修整?；诖爽F(xiàn)象，考慮在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中引入外部振動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率f，在加工過(guò)程中使砂漿泌出部分拌合水并聚集在刀具末端，使得表面趨于平整。在最佳加工時(shí)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，振動(dòng)頻率從1～22 Hz變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8(b)所示，相較于無(wú)振動(dòng)，振動(dòng)頻率為1～13 Hz時(shí)可明顯增強(qiáng)紋理的輪廓特征，并在10～13 Hz時(shí)具備較好的表面平整度。振動(dòng)使得刀具尖端得以更高效的破除前方混凝土材料，但振動(dòng)頻率超過(guò)16 Hz時(shí)，紋理邊緣出現(xiàn)余料堆積現(xiàn)象，并且振動(dòng)稀化作用使得紋理特征逐漸弱化。因此，適度振動(dòng)可提高刀具刮除效率，但過(guò)高的振動(dòng)頻率會(huì)使混凝土稀化甚至坍落。

綜上，在給定混凝土配比下，澆筑后50 min并配合13 Hz的振動(dòng)可獲得最佳表面整型效果。值得注意的是，最佳加工時(shí)間和振動(dòng)頻率會(huì)隨混凝土材料配比和環(huán)境溫濕度的不同而發(fā)生變化，實(shí)際應(yīng)用中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)具體確定。

5.3 表面紋理成型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

本節(jié)驗(yàn)證不同刀具輪廓與軌跡組合的紋理實(shí)際成型效果。如圖8所示，共設(shè)計(jì)了3種紋理樣式，每種樣式分別用三角形和圓弧形刀具加工。樣式1為相同輪廓、不同寬度刀具在同一混凝土試件上加工的效果。樣式2的刀具路徑由直線和準(zhǔn)均勻B樣條曲線路徑構(gòu)成。樣式3展示了刀路交叉的紋理特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，基于減材制造的PC構(gòu)件表面紋理自動(dòng)化加工方法具備創(chuàng)造異型表面的能力，末端刀具輪廓和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃所形成的刀軌使表面紋理具有靈活廣闊的設(shè)計(jì)空間。相比于圓弧形刀具，三角形刀具刻畫(huà)的紋理線條特征更為鋒銳，特別在樣式3的刀具軌跡交接區(qū)域，其紋理邊緣突變明顯，輪廓陰暗對(duì)比強(qiáng)烈。

圖8 不同刀具輪廓與不同路徑形成的表面紋理實(shí)際加工驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，如：1)余料堆積，其產(chǎn)生的壓力會(huì)導(dǎo)致混凝土塌陷。2)刀具旋轉(zhuǎn)角度一定程度上限制了刀軌交叉紋理的加工。刀具尖端必須保證面向機(jī)器人的行進(jìn)方向，否則刀具輪廓特征無(wú)法在紋理上清晰體現(xiàn)。為此，可增加末端旋轉(zhuǎn)軸，使刀具姿態(tài)成為受控變量，提高加工自由度。3)紋理加工的效果難以準(zhǔn)確評(píng)判?？山Y(jié)合三維激光掃描和BIM技術(shù)量化紋理加工的誤差[26]。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種PC構(gòu)件表面整型機(jī)器人系統(tǒng)，可完成復(fù)雜異型表面紋理的自動(dòng)化快速加工。在減材制造模式下，分析了表面紋理的成型機(jī)制，并提出異型表面紋理BIM模型驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人路徑規(guī)劃方法。根據(jù)PC構(gòu)件生產(chǎn)線的實(shí)際情況和紋理加工需求，設(shè)計(jì)了多自由度表面整型機(jī)器人構(gòu)型及末端工具，并開(kāi)發(fā)了原型系統(tǒng)。最后進(jìn)行了紋理的最佳加工時(shí)機(jī)、振動(dòng)頻率實(shí)驗(yàn)和復(fù)雜表面紋理的實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提表面整型機(jī)器人方案及技術(shù)路線的可行性和有效性。

后續(xù)工作將重點(diǎn)關(guān)注以下內(nèi)容：1)整型效果量化評(píng)價(jià)方法研究。包括整型結(jié)果和模型間的幾何重合度及其表面粗糙度測(cè)定。2)機(jī)器人構(gòu)型優(yōu)化及智能加工末端改進(jìn)。增加機(jī)器人作業(yè)末端自由度，提高加工靈活性；設(shè)計(jì)定向線性振動(dòng)裝置，開(kāi)展單方向線性振動(dòng)和多方向混合振動(dòng)的影響研究。3)面向大粒徑骨料的機(jī)器人走刀軌跡優(yōu)化和針對(duì)表面紋理熱學(xué)、聲學(xué)等性能的機(jī)器人路徑規(guī)劃方法研究。