該木結構建筑物屋頂的每根梁都是獨一無二的：Erne木結構股份公司應用Guedel股份公司研制的門架式機器人直接通過CAD（計算機輔助設計）實現了高度個性化生產
當迄今為止的技術極限突然出乎人們的意料時，便被許多人稱作是一個新時代的開始，這當然不是偶然的。站在這項有潛力持續(xù)改變木結構生產自動化程度的項目后面的是瑞士ETH蘇黎世建筑技術研究院(ITA)和建筑學教授以及數字化生產方案(Gramazio Kohler Research)。這座名為Arch Tec Lab的建筑物屋頂由最大長度為3m的48?624根長短各異的木板條和64?944個不同樣式的桁架節(jié)點組成，是一個現代建筑的杰作，與此同時，還成了數字化木結構制造的里程碑。由機器人進行輔助裝配的168根桁梁組成了類型各異、外形尺寸復雜的建筑物屋頂結構。
圖1 木板條一旦定位，便全自動化地被釘子釘牢
從設計直至釘釘機全部使用通用的數字鏈
迄今為止，過去幾乎無法實現的更談不上可付費使用的數字化生產如今已經能夠精準而又經濟地實施。在此，Guedel股份公司研發(fā)的Woodflex56型多功能門架式機器人則是實現該數字化生產的關鍵。在此， Erne木結構股份公司草擬出了數字化生產方案(Gramazio Kohler Research)。當Arch Tec Lab股份公司設計出“排列順序屋頂”后，便可直接由CAD(計算機輔助設計)數據來實現數字化生產。Erne木結構股份公司的副總經理Thomas Wehrle表示：“我們草擬的方案只是指明，Arch Tec Lab建筑物屋頂的哪些部分可以采用木結構。”該試驗的首要目的是要實現數字化生產。通常要使傳統(tǒng)方式的桁梁生產實現數字化生產，那么口頭以及書面上草擬設計的工作需耗時約150個小時。其中只有50個小時是用于數字化生產的準備工作。而應用Guedel股份公司研發(fā)的門架式機器人卻不同，僅需極小的一部分時間用于數字化生產的準備工作：準備時間僅需要12個小時，之后，所有桁梁便可直接通過CAD數據進行數字化生產，生產過程中僅需一名工人進行設備操控，每層桁梁釘釘子的圖形、以及調整釘釘和補充耗材均可采用平板電腦進行光學控制。
7軸門架式機器人是歐洲當前最大型的門架式機器人
Guedel股份公司研發(fā)的可靈活進行作業(yè)的Woodflex 56型7軸門架式機器人由一個標準門架、一個3軸線性模塊以及一個結構設計得堅實耐用的3軸手動鉸鏈組成。該標準門架可運行的長度超過53?m。Woodflex 56型7軸門架式機器人的重要控制技術是由ROB技術股份公司(ROB-Technologies AG)研發(fā)的，其作用范圍長為48?m、寬為5.6?m、高為1.4?m。Woodflex 56型7軸門架式機器人是歐洲當前最大型的門架式機器人，其設計裝車能力為8?t，這是根據Erne木結構股份公司堆垛機的最大承載能力進行設計的。
圖2 現在，數字化、機器人生產開拓出木結構生產領域無法想象的可能性。如果不是使用機器人
進行生產，ETH蘇黎世建筑技術研究院（ITA）便不可能經濟地實現 Arch Tec Lab建筑物木結構屋頂的生產
根據生產作業(yè)的需要，Woodflex 56型7軸門架式機器人可在長度為100?m的廠房內延伸，全自動化實施鋸、鏜孔、桁梁設置、釘釘、夾緊等作業(yè)。該Woodflex 56型7軸門架式機器人裝有一個Schunk公司研制的大功率的刀具快速更換裝置、一個夾具系統(tǒng)控制裝置和一個張緊技術裝置，借助于該張緊技術裝置可在最短的時間內全自動化地更換各個刀具。
Erne木結構股份公司的副總經理Thomas Wehrle認為，該刀具快速更換裝置確實是實現其所要求的靈活作業(yè)的關鍵。迄今為止，在木結構的設備大多裝備有四個安裝位置固定的隨行機組的情況下，他強調說：“而裝有Schunk公司研發(fā)的離合器的門架式機器人的機組可不受限地由尾座頂住、且具有使用全套刀具的可能性。”這樣，門架式機器人即可完成例如可通過一個模塊用自身的控制裝置來設置木板條夾具這樣一類的工作。該模塊在一個線性軸上運行，并能夠通過一臺釘釘機接收Z方向上的兩個作業(yè)站點，即在木板條被夾緊時將其定位，以便進行釘釘作業(yè)。全部所需控制信號以及能源僅通過快速轉換離合器進行傳送。而一臺機動式圓鋸、水冷卻機器人心軸或用于控制木板的真空夾具所需控制信號以及能源也同樣僅通過快速轉換離合器進行傳送。“實現這樣的轉換我們既不需要使用一名工作人員也不需要使用一臺起重機。”Thomas Wehrle如是說。必要時，由一臺 XXL機器人全自動的轉換固定存放在所定義站點上的刀具。
用于穩(wěn)定連接的快速轉換模塊
來自世界范圍內最大的Schunk公司的機器人附件程序的快速更換模塊將非生產輔助時間縮短為最短，以能夠全自動化地實現行動件的轉換。該快速轉換模塊由兩部分組成：一部分是安裝在機器人臂上的快速轉換頭，另一部分是一個與當時所使用刀具相連接的快速轉換適配裝置。在進行刀具轉換時，這兩個部分自動相互耦合連接，以秒為單位快速地確保實現這樣的穩(wěn)定連接。與此同時，可靠接通機動系統(tǒng)、供電系統(tǒng)以及電信號系統(tǒng)。
圖3 為了進行墻模塊生產，該真空木板夾具能以秒計算地快速度進行更換，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)的快速轉換模塊采用專利產品“No Touch Locking System”(“非接觸式鎖定系統(tǒng)”)，可確保在快速轉換頭與適配器之間的最大距離為2.5?mm時可靠地進行刀具轉換。此外，鎖止系統(tǒng)裝備有一個自動制動裝置，該自動制動裝置也是Schunk公司的專利產品，其可確保快速轉換頭與快速轉換適配器之間按生產流程穩(wěn)定地連接，其轉換精準度為0.015?mm這是該模塊與當今市場上其它模塊的一個顯著區(qū)別。該快速轉換模塊的驅動系統(tǒng)和通風系統(tǒng)則可直接集成進快速轉換模塊的外殼內。
圖4 為了加工木結構的邊，機器人卸下了釘釘夾緊裝置，并換裝上了一個圓鋸。借助于Schunk公司研發(fā)的快速更換系統(tǒng)，
在短短幾秒時間內便流程可靠地實現換裝，并由一個自動化吸取裝置將刨屑和粉塵吸入到一個事先設置的容器內
可根據作業(yè)應用的具體需要連接集成電路組件和變形裝置
快速轉換模塊適配器的信號傳輸以及快速轉換頭的控制可使用各種不同的信號和母線模塊。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)應用的具體需要相匹配。根據具體的結構形式可通過DIP開關最多可實現99?999種各種不同刀具的編碼。而信號集成電路組件則是一個例外，快速轉換裝置通過該集成電路組件可自動進行連接或脫開連接，這樣，該系統(tǒng)繼續(xù)保持原來狀態(tài)的3個側面便可進行配件裝配。此外，在進行焊接作業(yè)時，帶有3個200?A/800 V觸點的高動力集成電路組件(High Power Module)還用于自主密封的射流技術集成電子組件8X3/8G的如冷卻水接通以及用于伺服模塊的焊接鉗定位。可根據具體應用來進行選擇具體單個集成電組組件和變形裝置，并進行連接。如果是在條件嚴苛的環(huán)境中作業(yè)，快速轉換裝置必須設置得堅實耐用且可耐受不潔和高達60℃的高溫。Schunk公司研發(fā)的快速轉換裝置總共有22種結構大小不同的產品，有效載荷從1.4～4080?t，其變形產品多達2000種，其多樣性在世界上獨樹一幟。Schunk公司研發(fā)的標準化快速轉換裝置可滿足世界范圍內的無數應用的需求。
XXL門架式機器人的特殊挑戰(zhàn)
迄今為止，Guedel股份公司在研制快速轉換離合器方面的經驗均是成功的。模塊毫無疑問也能夠經受得住門架式機器人相當堅實的手動鉸鏈在推進時自身沖撞所達到的電流極限值。 Guedel股份公司研發(fā)的快速轉換離合器能夠出色戰(zhàn)勝XXL門架式機器人所面對的如刀具尺寸大、媒介和信號數量多、機器人心軸的水冷卻以及布滿灰塵的嚴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向裝置也是該公司的專利產品，適合在布滿粉塵的作業(yè)條件及嚴苛的木結構作業(yè)環(huán)境中使用。
圖5 在更換夾具時，通過Schunk公司研發(fā)的快速更換系統(tǒng)自動將電流、壓縮空氣以及其他全部信號連通
與普通帶有T溝槽或是圓導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個標準化變形的獨一無二的程序能夠確保在夾緊刀具時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)對空間的需求。除此之外，客戶可以個性化地自行定義夾具的長度和行程。
圖6 Schunk公司研發(fā)的PHL大行程夾具適合在Erne木結構股份公司有粉塵的木結構生產環(huán)境中使用
門架式機器人可靈活與作業(yè)空間進行組合
為了盡可能經濟地設置生產流程，門架式機器人的作業(yè)空間分成3個能夠靈活組合的區(qū)。這樣，工作人員便可與機器人平行在一個區(qū)或是兩個區(qū)里進行手工作業(yè)，如可在墻單元里布設管子。這樣，可將自動化完成的工作任務與手工完成的工作任務進行有效組合，免去了費力地來回運輸各個模塊。各單個作業(yè)區(qū)段借助于光箱進行監(jiān)控，這樣，門架式機器人便能夠與工作人員進行順利合作。當門架式機器人更換作業(yè)區(qū)段時，則降低運行的速度。不管是造型自由的木桁架結構還是高功效的模塊結構：Erne木結構股份公司均可使用Guedel股份公司研發(fā)的門架式機器人經濟、高幾何尺寸精準度地完成各項工作作業(yè)任務。自Guedel股份公司研制的門架式機器人投入使用以來，Erne木結構股份公司以高獨創(chuàng)性潛質所完成的項目數量在快速增多，這種完成項目的速度超過了過去靠工作經驗完成項目的速度。Erne木結構股份公司的副總經理Thomas Wehrle給出的數據表明，該公司作業(yè)自動化程度的提升導致企業(yè)的擴大和工作人員數量的增加。Thomas Wehrle說：“對我們來說，新設備為我們提供的可能性是，以人們現在的觀點無法想象的種類多樣性生產項目將均可實現。”他確信，“尤其是在模塊結構的基礎上，我們隨時可以改裝或是擴展機器人。”恰巧那些已經放出大話的建筑師事務所也開始對木材使用的潛力進行新定義。人們有理由期待，Erne木結構股份公司將會用天然材料制造出怎樣美觀的杰作。
