CN205735414U - 计算机控制的系统和混凝土喷射装置 - Google Patents

计算机控制的系统和混凝土喷射装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种计算机控制的系统和用于制备和喷射混凝土的混凝土喷射装置。优选由聚苯乙烯制得的工件被成形为具有所需结构的三维模型，其中优选通过热丝泡沫切割机以及随后的铣削来进行所述成形过程。将一层聚合物（优选蜡和油的混合物）应用至所述模型，随后再将建筑材料（例如混凝土、石膏、粘土、人造大理石等）铺设在所述模型上，接着在建筑材料初凝后从所述模型上拆下所述建筑构件。在本实用新型的优选实施例中，所述模型的成形和所述建筑材料的铺设是电脑控制的，并且进行所述成形和铺设的同时，所述工件或模型被支撑在可移动的支撑台上。

Description

计算机控制的系统和混凝土喷射装置
相关申请
本申请要求2014年7月28日提交的第62/029612号美国临时专利申请的优先权，其全文以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明通常涉及结构部件的构建，具体地，涉及使用计算机控制的机械臂在聚合物模型上制造大规模的建筑混泥土分层板。
背景技术
目前，建筑行业在很大程度上依赖于现场体力劳动。这个过程效率很低，因为其浪费人力资源和材料，经常导致成本超支、延期交付和建筑改造。尽管3D打印技术的出现颇有前景，但是现在的3D技术由于通过连续的聚合物或热塑性材料的分层采用额外的打印工艺，因此面临着制造的规模和质量的问题。此外，3D打印工艺通常不适用于制造大型建筑结构或在任何建筑规模上创建覆面构件。计算机数控(Computer Numerical Control，CNC)机床可以大型对象进行操作。然而，CNC机床对工件的几何尺寸和材料施加严厉限制。客户日益要求更复杂、更困难地制造建筑结构，例如，带有曲线形状的结构或由复合材料制成的结构。因此，目前本领域已知的数字制造技术和批量生产技术的基本限制限制了这些方法可以解决上述问题的程度。
因此需要经济有效的、可应用在工厂或建筑工地中的自动化施工技术，其不受建筑师的设计、几何或材料选择的限制，允许简单、快速地从初始设计实现最终制造(现场或非现场)。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用机械臂和末端功能器制造所需形状和结构的建筑构件的计算机实施系统。公开了一种从定制模块制备建筑构件的系统，其中，建筑材料(合适的建筑材料包括但不限于：石膏、混凝土、人造大理石、粘土等)铺设在定制的三维模型的表面。
因此，本发明的一个目的是公开了一种根据三维模型制造建筑构件的计算机控制系统，包括：支撑台，其用于支撑和移动三维模型，所述支撑台配置用于平移或旋转运动；多任务机械臂，其具有底座和远端，所述底座配置用于沿着靠近所述支撑台的路径的受控运动，所述多任务机械臂的所述远端配置为相对所述底座延伸、平移和/或旋转，并且还被配置为包括末端功能器，以便在所述支撑台将连续的多层材料应用在所述模型上和/或将材料从所 述模型上移除；可选地包括，直线导轨，所述底座连接到该直线导轨；以及计算机处理器，其包括多个指令，这些指令用于控制所述支撑台和所述多任务机械臂的所述底座和所述远端的一连串运行，并且用于确定和将多层材料连续地应用在所述三维模型上和/或从所述三维模型上移除材料，从而形成预定形状和尺寸的建筑构件。
在本发明的一些优选实施例中，所述三维模型由发泡聚苯乙烯制成。
在本发明的一些优选实施例中，所述末端功能器包括选自以下末端功能器中的至少一个末端功能器：(1)用于从所述三维模型移除材料的热丝泡沫切割机；和(2)用于执行选自钻孔、铰孔、锪孔、铣削、打线、去毛边、冲击和紧固连接中的至少一个动作的加工末端功能器。
在本发明的一些实施例中，所述末端功能器配置为在所述三维模型的表面上喷涂物质。在本发明的一些优选实施例中，所述物质选自油、蜡、聚合物、水泥、石膏、粘土、人造大理石和混凝土。
本发明的另一个目的是公开了一种如上所定义的系统，其中，所述末端功能器配置为在所述三维模型的表面喷涂物质，其中：所述物质包括蜡；所述系统包括：(1)连接所述喷头和所述储存容器的所述出口的加热蜡传输线；以及(2)封闭地连接到所述储存容器和所述喷头中的至少一个上的加压气体系统；所述蜡储存容器包括密炼机；以及所述末端功能器包括：(1)喷头；以及(2)储存容器，其配置为加热包含在其中的物质，所述储存容器包括与所述喷头流体连通的出口。
本发明的另一个方面公开了一种如上所定义的系统，其中，所述末端功能器配置为在所述三维模型的表面喷涂物质，其中，所述末端功能器特征在于配置为以10秒到5分钟之间的初凝时间在所述三维模型上喷涂形成建筑材料。
本发明的另一个目的是公开了一种如上所定义的系统，其中，所述末端功能器包括混凝土喷涂装置，所述混凝土喷涂装置包括喷头。在本发明的一些优选实施例中，所述喷头包括至少三个喷头入口；所述混凝土喷头装置包括(1)第一混合室，其包括与第一喷头入口流体连通的出口；(2)振动装置，其机械连接到所述第一混合室，用于使所述第一混合室的至少一部分振动；(3)第二混合室，其包括至少一个入口，以及与第二喷头入口流体连通的出口；以及(4)第三混合室，其包括至少一个入口，以及与第三喷头入口流体连通的出口；所述喷头配置为使得当材料同时经过所述第一喷头入口和至少一个所述第二喷头入口和所述第三喷头入口进入所述喷头时，从所述第一喷头入口进入所述喷头的至少部分材料遇到从材料进入所述喷头所经过的任意其他喷头入口进入的材料；所述第一混合室和所述第一喷头入口之间的所述流体连接包括软管，所述软管可选地机械连接到所述振动装置。
本发明的另一方面公开了一种如上定义的系统，其中，所述指令包括选自以下软件包中的至少一种：(1)实时碰撞检测软件，其配置为使得所述系统能够自动检测选自以下状态中的至少一个状态：(i)两个构件正移动在致使它们碰撞的路线上；(ii)两个构件彼此之间的间隔在预定的距离内；以及(iii)一个构件处在自碰撞的路线上；(2)实时模拟软件，配置为使得操作人员能够观察到所述系统的至少一个构件的运动的模拟；(3)接口，其配置为允许不限数量的点能够从所述计算机处理器传输到所述系统的任意其他构件；以及(4)软件，其配置为接收所述三维模型的所需几何结构作为输入，以控制所述系统从所述输入到建筑构件的最终结构无需由系统的操作人员介入。
本发明的另一个目的是公开了一种混凝土喷涂装置，其用于制备和喷涂混凝土，其中，所述混凝土喷涂装置包括：喷头；第一混合室，其包括与第一喷头入口流体连通的出口；第二混合室，其包括至少一个入口，以及与第二喷头入口流体连通的出口；以及第三混合室，其包括至少一个入口，以及与第三喷头入口流体连通的出口，所述出口可选地包括软管；可选地，振动装置，其机械连接到所述第一混合室和/或说是软管，用于使所述第一混合室的至少一部分和/或所述软管振动；以及，其中，所述喷头配置为使得当材料同时经过所述第一喷头入口和至少一个所述第二喷头入口和所述第三喷头入口进入所述喷头时，从所述第一喷头入口进入所述喷头的至少部分材料遇到从材料进入所述喷头所经过的任意其他喷头入口进入的材料。
本发明的另一个目的是公开了一种如上所定义的系统，其中，所述末端功能器包括用于从所述三维模型移除材料的热丝泡沫切割机。在本发明的一些优选实施例中，所述系统包括铣削末端功能器，其用于在所述热丝泡沫切割机移除材料后对所述三维模型进行铣削。
本发明的另一个目的是公开了一种如上所定义的系统，其中，所述末端功能器包括用于执行选自钻孔、铰孔、锪孔、铣削、打线、去毛边、冲击和紧固连接中的至少一个动作的加工末端功能器。
本发明的另一个目的是公开了一种如上所定义的系统，其中，所述末端功能器配置为在所述三维模型的表面上喷涂物质。在本发明的一些优选实施例中，所述末端功能器配置为在所述三维模型的表面上喷涂厚度在2毫米和3毫米之间的多层物质。在本发明的一些优选实施例中，所述末端功能器配置为将一个或多个聚合物构件合并和/或混合为单一的聚合物，并且将所述单一的聚合物喷涂在所述三维模型的表面。在本发明的一些优选实施例中，所述物质选自油、蜡、聚合物、水泥、石膏、粘土、人造大理石和混凝土。在本发明的一些优选实施例中，所述物质选自油、蜡，及其组合和混合物。
在所述系统中的所述末端功能器配置为在所述三维模型的表面喷涂物质的一些优选 实施例中，所述末端功能器包括：喷头；以及储存容器，其配置为加热包含在其中的物质，所述储存容器包括与所述喷头流体连通的出口。在本系统的一些优选实施例中，该系统包括连接所述喷头和所述储存容器的所述出口的加热蜡传输线。在本发明的一些优选实施例中，所述储存容器包括密炼机。在本发明的一些优选实施例中，该系统包括封闭地连接到所述储存容器和所述喷头中的至少一个上的加压气体系统。
本发明的另一个目的是公开了一种如上所定义的系统，其中，所述末端功能器包括混凝土喷涂装置，所述混凝土喷涂装置包括喷头。在本发明的一些优选实施例中，所述喷头包括至少三个喷头入口，所述混凝土喷头装置包括：第一混合室，其包括与第一喷头入口流体连通的出口；第二混合室，其包括至少一个入口，以及与第二喷头入口流体连通的出口；以及第三混合室，其包括至少一个入口，以及与第三喷头入口流体连通的出口；以及，其中，所述喷头配置为使得当材料同时经过所述第一喷头入口和至少一个所述第二喷头入口和所述第三喷头入口进入所述喷头时，从所述第一喷头入口进入所述喷头的至少部分材料遇到从材料进入所述喷头所经过的任意其他喷头入口进入的材料。在本系统的一些实施例中，该系统还包括振动装置，其机械连接到所述第一混合室，用于使所述第一混合室的至少一部分振动。在本系统的一些实施例中，至少一个所述混合室包括用于混合所述混合室中的内容物的混合装置，在本系统的一些实施例中，所述第一混合室和所述第一喷头入口之间的所述流体连接包括软管。在本发明的一些优选实施例中，所述软管机械连接到所述振动装置。
本发明的另一个目的是公开了一种如上所定义的系统，其中，所述指令包括实时碰撞检测软件，其配置为使得所述系统能够自动检测选自以下状态中的至少一个状态：(1)两个构件正移动在致使它们碰撞的路线上；(2)两个构件彼此之间的间隔在预定的距离内。
本发明的另一个目的是公开了一种如上所定义的系统，其中，所述指令包括实时模拟软件，配置为使得操作人员能够观察到所述系统的至少一个构件的运动的模拟。
本发明的另一个目的是公开了一种如上所定义的系统，其中，所述指令包括接口，其配置为允许不限数量的点能够从所述计算机处理器传输到所述系统的任意其他构件。
本发明的另一个目的是公开了一种如上所定义的系统，其中，所述指令包括软件，其配置为接收所述三维模型的所需几何结构作为输入，以控制所述系统从所述输入到建筑构件的最终结构无需由系统的操作人员介入。
本发明的另一方面公开了一种用于制备和喷涂混凝土的混凝土喷涂装置，其中，所述混凝土喷涂装置包括：喷头；第一混合室，其包括与第一喷头入口流体连通的出口；第二混合室，其包括至少一个入口，以及与第二喷头入口流体连通的出口；以及，其中，所述喷头配置为使得当材料同时经过所述第一喷头入口和至少一个所述第二喷头入口和所述第三喷 头入口进入所述喷头时，从所述第一喷头入口进入所述喷头的至少部分材料遇到从材料进入所述喷头所经过的任意其他喷头入口进入的材料。
在所述混凝土喷涂装置的一些实施例中，该混凝土喷涂装置还包括振动装置，其机械连接到所述第一混合室，用于使所述第一混合室的至少一部分振动。在所述混凝土喷涂装置的一些实施例中，至少一个所述混合室包括用于混合所述混合室中的内容物的混合装置，在所述混凝土喷涂装置的一些实施例中，所述第一混合室和所述第一喷头入口之间的所述流体连接包括软管。在所述混凝土喷涂装置的一些优选实施例中，所述软管机械连接到所述振动装置。
本发明的另一个目的是提供了一种采用增加和删减装置从优选地由聚合物制成的工件创建模具，从而制造基于混凝土的建筑构件的系统。
本发明的另一个目的是提供了一种机械臂和支撑台，它们对来自计算机处理器和相关软件的命令做出响应，从而沿着路径移动，并且从事旋转、延伸和平移等运动。所述支撑台配置为支撑建筑模具或工件，机械臂在其上进行增加和/或删减处理，从而制造建筑构件。所述支撑台优选地配置为用于旋转运动的旋转台。
本发明的还有一个方面是提供了重量轻的、牢固的分层的混凝土板，其由喷涂在聚合物模具上的多个混凝土薄层组成，并且能够形成复杂的、非常规的壳体。
根据本发明的一个方面，所述机械臂的底座可移动地安装在导轨上，所述机械臂的远端配置为延伸、平移和/或旋转，并且还配置为接收用于喷涂材料(例如，混凝土或聚合物)、用于加工操作(例如，铣削、钻孔、锪孔、热丝操作等)或者用于连接紧固件的末端功能器。所述机械臂和所述支撑台选择的运动可以采用可操作地连接到计算机处理器的步进电机和/或气动/液压执行器实现。
根据本发明的另一方面，所述系统利用一个或多个设置在连续位置的机械臂对在所述可移动支撑台上的建筑模具的一个或多个面上连续铺设材料(例如，喷涂多个混凝土层)，并且在喷涂层之间进行连续的加工操作(例如，计算机数字控制(CNC)加工处理)，从而形成复杂的、非常规形状的建筑构件。
根据其中一个实施例，用于根据三维建筑模具制造建筑构件的计算机控制系统包括：(1)旋转台，其可旋转地支撑和移动三维建筑模具，所述支撑台配置为平移和/或旋转运行；(2)多任务机械臂，其具有底座和远端，所述底座配置用于沿着靠近所述支撑台的路径的受控运动，所述多任务机械臂的所述远端配置为相对所述底座延伸、平移和/或旋转，并且还被配置为包括末端功能器，以便在所述支撑台将连续的多层材料应用在所述建筑模具上和/或将材料从所述建筑模具上移除；以及(3)计算机处理器，其包括多个指令，这些指令用 于控制所述支撑台和所述多任务机械臂的所述底座和所述远端的一连串运行，并且用于确定和将多层材料连续地应用在所述建筑模具上和/或从所述建筑模具上移除材料，从而从所述建筑模具形成预定形状和尺寸的建筑构件。
通过以下结合附图的详细描述，本发明的其他目的和特征将是显而易见的。然而，可以理解的是，提出的附图只是为了举例说明，而不是对本发明的限制，本发明的范围应当参考所附的权利要求书。还应当理解的是，除非另有说明，附图不必等比例绘制，它们只是用来在概念上说明本文所述的结构和流程。
附图说明
下面将参照以下附图对本发明进行描述：
图1描绘了机械臂和支撑台；
图2为举例说明了本发明所公开的系统的使用的流程图；
图3为举例说明了热丝末端功能器的一个实施例的结构示意图；
图4为举例说明了铣削末端功能器的一个实施例的结构示意图；
图5为举例说明了聚合物喷涂末端功能器的一个实施例的结构示意图；
图6为举例说明了混凝土喷涂末端功能器的一个实施例的结构示意图；
图7为举例说明了混凝土喷涂末端功能器的第二实施例的结构示意图；
图8为举例说明了本发明所公开的系统的自动控制的逻辑流程示意图；
图9为举例说明了本发明所公开的系统的一个示范性实施例的结构示意图。
具体实施方式
在下面的描述中，将描述本发明的各个方面。为了说明的目的，具体细节的提出是为了提供对本发明的全面理解。对于本领域技术人员显而易见的是，本发明有细节不同的其他实施例，而不影响其本质特征。因此，本发明不限于附图所示和说明书所述的内容，但是，仅有所附的权利要求书指明，本发明合适的范围只由所述权利要求的最宽的理解所确定。
这里所使用的术语“建筑构件”指的是可以用于构建或连接到建筑或结构中的任何构件。该术语可以用于涉及具有纯粹装饰性功能，以及建筑材料板的功能的构件。
这里所使用的术语“建筑材料”指的是可以用于构建或连接到建筑或结构中的任何材料，具体地，这些材料包括多个在使用前必须混合的组分。建筑材料的例子包括但不限于水泥和混凝土。
这里所使用的术语“三维模型”指的是具有至少一个表面的物体，其中，建筑材料铺设在该物体的表面上以便形成建筑构件。该三维模型可能是模具或任何形状的物体，其中，当从所述铺设的材料上移除时，将产生所需形状和尺寸的建筑构件。注意到，在该模型感兴 趣的表面是部分或完全平的情形是发明人在这里所述的该术语的范围内所考虑的。
这里所使用的术语“Beyon3D”指的是这里所公开的用于制造建筑构件的系统或方法。
本发明针对的是用于制造建筑构件(在优选的实施例中，为用户设计或定制的构件)的计算机控制的机器人系统。该系统通过可选地连接到一个或多个可移动和关节连接的机械臂上的末端功能器的使用，采用增加和删减制造工艺。该末端功能器可控制地和可选择地将工件的表面塑造为三维模型(例如，模具)，制备模具的表面(在优选的实施例中，通过聚合物材料层的喷涂，例如，在模具的表面喷涂蜡油混合物，从而将模具密封)，接着，将聚合物材料(例如，混凝土(如自密实混凝土)、石膏、粘土、人造大理石等)层应用在制备的模型的表面，从而形成包括多个建筑材料层的建筑构件。在建筑材料熟化后，使用，例如，通过机械臂嵌入在板中的紧固螺栓和螺母，可以将子结构连接到构件上。通过将子结构和连接的构件从模型中推出，可以从模型中提取该构件。该子结构还可以用于在构件和现有的建筑结构之间提供接口，或者为建筑构件提供额外的强度或硬度。有利地，本发明方法为土木工程师和建筑师生产具有所需形状的牢固的、轻的混凝土或水泥建筑构件提供了有经济效益的解决方案，而无须在意所需的形状是简单平板或复杂曲线形状。
现在参照图1，其展示了本发明的系统的一个实施例的结构示意图。FIG.1A举例说明了能够六轴运行(在图中用双箭头表示)的计算机控制的机械壁10。如图1B所示，机械臂10安装在连接到导轨12的可控制地移动的滑动架上。在优选的实施例中，该机械臂协同计算机控制的定位器工作，以便为机械臂的工件定位。该定位器提供用于安装工件的旋转台14，该旋转台14为本发明的系统增加运动的旋转轴。根据本发明方法的一个方面，工件通过删减工艺塑造为模具，根据该删减工艺，建筑构件可以根据下面所述的方法的增加和删减工艺制造。这里公开的系统是由任何商业可用的计算机控制机器人施工系统可操作的通用系统。与这里所公开的系统相匹配的商业可用的构件包括但不限于：KukaTMKR Quantec Extra HA机械臂；KukaTMKL 1500-3直线导轨；以及KukaTMKP1-MB计算机控制的定位器。
参见图2，图中展示了本申请所公开的系统的使用流程图。图中图解了机器人单元20，其限定为供机械臂10在其中移动，以根据来自包含商用Beyon3D软件模块24的控制器22的指令，制作建筑构件。向该机器人单元和机械臂提供原材料26，以供末端功能器应用。原材料可以是建筑材料，例如混凝土或石膏、构件或其前体(例如水泥)、聚合物、蜡类、油类等。
在一些实施例中，要使用所述建筑材料进行涂覆的模型无法从市场购得，则所述系统可用于制作三维模型(例如，模具)。可以在转盘14上连接工件，从该工件制作所述模型。该工件可以由任意合适材料制成，即，能够在本申请所述加工条件下保持其模型且能被加工 到期望表面光滑度的材料。在优选实施例中，该工件由聚合物(例如塑料或热塑性塑料)材料或其组合制成。在更优先的实施例中，该工件由聚苯乙烯制成。在最为优选的实施例中，该工件由发泡聚苯乙烯(EPS)制成。在步骤32中，使用设于机械臂(10)远端的热线末端功能器，来根据控制器22通过Beyon3D软件模块24传输的几何结构或几何形状要求28，塑造工件表面以生产一种模型(模具)30。该过程称为“粗加工”，其产生近似的期望几何形状。在本发明的优选实施例中，每次切削后，移除该切削产生的废料，优选地通过真空夹持器来移除。
在本发明的一些实施例中，持续监控所述三维模型的位置，例如，通过与系统控制软件通讯的摄影机。
在优选实施例中，根据需要，铣削末端功能器铣削该成形表面，以将其进一步精制。在本发明的优选实施例中，移除该铣削过程中产生的废料，优选地，通过设在支撑台附近的可选的真空系统抽吸来移除。
根据需要，该表面还可进行其他制备或精加工。在优选的实施例中，使用设在机械臂远端的聚合物喷涂末端功能器来完成该额外的制备步骤。从该聚合物喷涂末端功能器向该模型的成形外表面应用或喷涂一层预定厚度(在优选的实施例中为2-3mm)的密封剂(优选为包含至少一种聚合物的组合物)，来对该表面进行制备。在本发明的优选实施例中，该聚合物包含蜡类。在更优选的实施例中，该聚合物包含古体诗啦和油类(优选为芥花油)的90/10(w/w)混合物。该聚合物层为该模型提供了表面处理，密封缝隙，并填充该模型表面的其他瑕疵，制造出可用于多次铸件的光滑刚性模具。在本发明的优选实施例中，所述完工表面使用了镜面处理。与要求更昂贵的高密度EPS的本领域已知方法相比，使用该方法，可以将高密度或低密度的EPS泡沫塑形为高质量模型。
本发明的优选实施例中，所述三维模型的表面质量决定于该表面的高度图的制作。该高度图可以通过以可制作表面高度图的3D扫描仪来分析制作高度图，所述高度图可以通过标准统计方法进行数学处理来确定表面光滑度。本发明的其他实施例中，该表面质量可以通过使用机械表面光度仪来决定。若表面质量未达标，则可以执行追加的平滑处理。
下一阶段是将建筑材料层，例如混凝土，施加于该模型，以制作成形的建筑构件。所述机械臂使用混凝土喷涂末端功能器，将适用于本发明体系的建筑材料喷涂在完工表面上。在本发明的优选实施例中，使用的是定制混凝土混合物。本发明的一些实施例中，使用的是自密实的混凝土混合物。本发明的一些优选实施例中，该建筑材料的初凝时间为10秒～5分钟。本发明的其他优选实施例中，该建筑材料的初凝时间低于3分钟；本发明的更优选实施例中，该建筑材料的初凝时间低于1分钟。本发明的优选实施例中，水泥粘度在铸件后的最 初3分钟内以至少50％min-1的速度增加。具有所述期望性质的水泥为本领域所熟知。本发明的一些实施例中，建筑材料的组分的重量在混合前自动决定。
将该建筑材料喷涂到所述模型的完工表面上，以构成多层建筑材料，直至达到期望的总厚度，从而形成层状建筑构件。本发明的优选实施例中，每层厚度低于1mm；本发明的更优选实施例中，每层厚度在0.5～1mm之间。定制混凝土混合物被设计为，可通过控制混合物的粘度和流动性，在达到高质量表面处理的同时，保持良好的可加工性。
本发明的一些实施例中，使用类似上述的方法来分析完工建筑构件的表面质量，以确定该三维模型的表面质量。本发明的一些实施例中，在将该建筑材料喷涂到该模型上之后，测量该建筑材料的其他物理性质(例如其厚度或厚度剖面)。
本发明的一些实施例中，制备该建筑构件后，将结构支撑架锚定到该构件上。在步骤52和54中，机械臂在锚50上锪孔(优选为使用铣削或钻孔末端功能器)，并使用紧固螺栓将锚连接到支撑框架上。步骤56中，机械臂使用所述锚将框架58连接到建筑构件上。
然后，将所述结构构件和框架组件(若存在)从所述模型上分离，以连接到建筑结构上(步骤60)。
在该建筑构件的制作期间，所述机械臂使用了多种末端功能器。用于本发明多个实施例中的所述末端功能器的非限制性示例包括热线末端功能器、铣削末端功能器、聚合物喷涂末端功能器和混凝土喷涂末端功能器。本发明的一些实施例中，所述系统包括自动工具更换装置，根据需要更换末端功能器。优选的实施例中，所述系统包括自动工具替换装置，末端功能器在控制软件的指示下更换。
参见图3，图中展示了热线末端功能器200的实施例之一的示意图。图3A展示了热线末端功能器到机械臂10的连接，以及通向气动活塞的供气进入2000的位置，和用于热线加热元件的电引线2010的位置。图3B展示了宽度调节装置2020、热线电源引线2030和拉线器2040的位置。图3C展示了宽度调节装置2020的更详细的示例图。图中展示了末端功能器2021(在优选实施例中为100×50mm铝轨)和2025(优选实施例中为50×50mm铝轨)两条臂。臂2025在虚线箭头所示方向上的移动是通过马达2022完成的，所述马达2022通过缠绕或反绕越过滑轮2023绕在弹簧2023上的线，来沿轨推动臂2025。图3D展示了热线电源引线的详细示意图，其包括滑轮2031、用于将线固定在适当位置的促动器2032和用于操纵该热线的马达2033。图3E中展示了拉线器的示意图。气动活塞2041受控于促动器2042。
参见图4，图中展示了连接在机械臂10上的铣削末端功能器300的实施例之一的示意图。该铣削末端功能器包括：用于翻译数字信号的数字变换器3010，其尤其是提供制动 阻力保护、热保护、自动推进、滑差补偿、主轴故障检测和速度控制；和气动控制箱3020，其连接在压缩器(图中未显示)上。该气动控制箱包括调节器、工具释放螺线管、气压开关和主轴冷却控制器。马达(图中未显示)连接在所述数字转换器上和气动控制箱上。所述洗消末端功能器还可以包括用于主轴和其他标准工具的筒夹。
参见图5，图中展示了用于加工所述三维模型表面的聚合物喷涂末端功能器400的示意图。图5A展示了连接(通常是通过配接法兰)在机械臂10上的聚合物喷涂末端功能器的总示意图。图中所示的实施例中，末端功能器包括：喷嘴4010；与喷嘴流体连通的混合室4020，聚合物组分在此混合然后流向喷嘴；组分存放容器4030；气动室4040，控制系统中的压缩气体(例如空气)的气压；以及进入管线4050，将组分存放容器连接至混合室。本发明的优选实施例中，该混合室的位置尽可能靠近喷嘴。
参见图5B，图中展示了图5A所示实施例中的混合室和喷嘴的扩展视图。聚合物通过管线4051(在2种聚合物组分的实施例中，第二种同时通过管线4052)，而压缩空气或其他惰性气体通过进入管线4052。在一些实施例中，聚合物包含两种组分，则聚合物组分在混合室中混合成最终的可固化单一聚合物混合物。然后，聚合物在气压驱动下通过喷嘴，到达模型表面。本发明的一些实施例中，所用聚合物为蜡类。本发明的优选实施例中，使用了蜡类和油类的混合物。本发明的更优选实施例中，使用了蜡类和芥花油的混合物。本发明的最优选实施例中，使用了蜡类和芥花油的90:10(w/w)混合物。
图5C展示了用于将蜡类从存放容器4030传送至喷嘴4010的蜡类传送系统的一个优选实施例的示意图。蜡类被送入加热的容器4030中，在一些实施例中为固体蜡。系统工作中时，存放容器加热到足以令蜡类融化的温度。可以使用任何本领域已知的合适加热系统。在优选实施例中，容器4030的主体、盖、法兰和连接件均以不锈钢制成，且存放容器时热绝缘的。在典型实施例中，该容器的直径为5英寸，且容器底部为圆锥形(典型为30°)以供排放。该容器可以设置浮标开关、压力开关灯来为低蜡类水平条件设置警报反馈。该容器包含混合器4031，在蜡类融化后进行搅拌；可以使用本领域已知的任何合适搅拌器。本发明的优选实施例中，通过自动供给系统(通常为气动或电动)将蜡类引入存放容器。从气源4033将压缩气体(通常为空气)供入所述系统。通过供给管线4034将压缩气体送入蜡类组分传送系统中。通过供给管线4035将液体蜡传送到喷嘴。在优选实施例中，供给管线4035外部加热，且热绝缘。所述喷嘴上配有防滴盖4036，以捕获从喷嘴滴落的所有蜡滴。所述防滴盖可以机动化以进行远程促动。所述蜡类传送系统还包含固定在聚合物喷涂末端功能器底盘上且朝向该聚合物喷涂末端功能器的加热灯4037，优选为通过能够进行线性和角度调整的底座进行固定。在优选实施例中，该加热灯上盖有罩盖4038，其保持所述灯清洁， 不沾染蜡类和其他材料。所述罩盖可以机动化以进行远程促动，其可以使用任何能够耐受融化蜡类的温度(通常为约100℃)的合适材料制成。
在本发明的范围中，所述密封剂以液体形式涂覆三维模型；但在本发明的优选实施例中，所述密封剂(蜡类)在转移到该三维模型后固化并以固体粉末层形式涂覆该模型。然后，加热(例如通过红外加热元件)该固体粉末层直至其至少部分液化，此时停止加热，从而密封剂流形成均匀平滑的密封剂固体层。
参见图6，图中展示了混凝土喷涂末端功能器500的实施例之一的示意图。图6A展示了连接在机械臂10上的混凝土喷涂末端功能器。混凝土进入管线510将可喷涂的混凝土组合物(或其他可喷涂的建筑材料)从建筑材料存放容器530输送到混凝土喷嘴520；在图示实施例的情况下，存放容器530包括混凝土混合器。在图示实施例中，蠕动泵540将混凝土从混凝土混合器移动至混凝土进入关键。压缩空气(或其他气体)从压缩气体源(图中未显示)通过空气进入管线560输送到混凝土喷嘴处；所述压缩气体受控于气动控制箱550。本发明的优选实施例中，压缩气体和建筑材料在混合室525中混合，然后将建筑材料引入混凝土喷嘴520。存放容器530和蠕动泵540沿与混凝土喷涂末端功能器串联的轨12a移动。
图6B展示了混合室和混凝土喷嘴的优选实施例的扩展示意图。在此实施例中，混凝土喷嘴包括双喷嘴系统。建筑材料通过第一喷嘴520a经过进入管线510进入混合室525。同时，压缩气体通过进入管线560进入混合室。混合室中的气体压力迫使可喷涂建筑材料通过混合喷嘴520b。优选地，使用O型圈570和可拆卸盖580密封该混合喷嘴。
参见图7，图中展示了混凝土喷涂末端功能器的有一个实施例的构件的示意图。该实施例在快凝建筑材料中尤其有用，因为建筑材料组分在现场混合，允许甚至是快凝材料在硬化前沉积。
图7A展示了混凝土喷涂功能器和用于将建筑材料组分输送到模型的装置的总示意图。第一存放容器5305中装有包含至少一种所述建筑材料组分的溶液(或者该组分自身，若其是一种粘度足够低的液体的话)，所述第一存放容器5305与第一混合室5250流体连通，第一混合室5250与喷嘴混合室525流体连通。根据该建筑材料包含多少种组分，可以在第二存放容器5207中装入含有至少一种第二组分的第二溶液，所述第二存放容器5307与第二混合室5255流体连通，第二混合室5255也与喷嘴混合室525流体连通(独立于第一混合室)。根据需要，还可以添加额外的存放容器和混合室。该存放容器可以与压缩气体管线5600流体连通；气压驱动溶液进入混合室，并由此进入喷嘴混合室，然后进入喷嘴。
建筑材料组分通过入口5305被引入第三混合室中。本发明的一个示例实施例中，向第三混合室中加入干水泥混合物、骨料相(例如，沙)、纤维素、超增塑剂和水，其比例允 许水泥具有期望的物理性质(例如凝固时间和粘度)。第三混合室包含混合器5310，用于将各组分混合成浆料，并将第三混合室的内容物保持在恒定搅拌下。该浆料通过第一混合室进入喷嘴混合室525，优选为通过软管5250。本发明的优选实施例中，将振动构件物理连接到第三混合室、软管和喷嘴顶端中的至少一个上，以保证颗粒不会沉淀或相互粘结。
将其他组分的溶液或分散相(例如凝固时间加速剂和粘度调节材料)引入喷嘴混合室。优选地，所述组分喷洒或喷射以保证所述溶液或分散相的最大分散。可以从喷嘴混合室的不同(优选为相对)侧引入所述材料，由此两种溶液流或喷雾在喷嘴混合室中相交。随着水泥浆料从第三混合室到喷嘴混合室，其穿过所述其他组分的流体或喷雾，从而随着所述组分通过喷嘴混合室流到喷嘴，现场得到可固化流体建筑材料。所述可固化流体建筑材料通过喷嘴喷涂到模型上并在此凝固。该过程如图7B中的示意图所示。作为可以用此方式生产的建筑材料种类的一个非限制性实施例，包含凝固时间加速剂(例如Al(OH)3)和增稠剂(例如Rheomatrix150)的分散相独立地通过第二入口从第二混合室流到喷嘴混合室，同时含有商用波特兰水泥混合物、骨料相(例如石英砂)、纤维素、超增塑剂和水的浆料通过第三入口从第三混合室流向喷嘴混合室。在喷嘴混合室中，粉末状顾体组分与所述两种溶液流或喷雾相交，从而与之混合并形成快凝水泥，然后从水泥喷嘴喷出。
本发明的一个非限制性优选实施例中，本发明的喷涂过程使用了压缩机来促动第一高粘度泵以将混凝土混合物输送到机械臂10的混凝土喷涂末端功能器。还可以使用压缩器(可以是同一台或另外一台)来促动第二高粘度泵以将涂层材料的一种或多种组分输送到机械臂10的聚合物喷涂末端功能器。作用于最优流速的控制参数包括气压、流速以及混凝土和聚合物组分的混合组成成分。
如上所述，本发明的优选实施例中，该系统的三维模型制作和建筑构件制作均受到电脑控制。该电脑控制是由本文简述的商用Beyon3D软件包执行的。软件模块24(图2)设计为具有简单、易用且直观的用户界面(UI/UX)，以用于具有最少6个可调节轴机器人单元的通用机器人单元。该用户界面甚至可由未受训练的操作人员使用。该软件模块产恒并监控产品加工的完整几何结构(机器人工具路径生成)，而无需操作人员的任何干涉或任何种类的人工。
所述软件模块提供了三个子模块，用于本发明过程的三个阶段，以允许用户定制整个制作过程：(a)机器人单元设定子模块2410；(b)任务配置子模块2420；和(c)模拟/输出至控制器子单元2430。该软件还在通用机器人控制器中提供了实时冲突检测器和实况子模块，作为该软件和各机器人设备之间的通用界面。
用户使用单元设定子模块2410来在各种机器人类型中选择配置单元，限定允许机械 臂移动的工作单元或空间(作为非限制性示例，在笛卡尔坐标系内)，并限定机械臂相对于工作单元的位置。完成这些任务后，该单元设定子模块输出空间关系和控制数据。
用户使用任务配置子模块2420在选择期望的制作过程，在一些实施例中，从资料馆或数据库中选择。该软件可以根据当前单元配置(还包括可用的末端功能器种类)，向用户建议期望制作过程，并限定工件的位置和维度。
所有前述节段的信息被输入模拟/输出至控制器播放子模块2430，其输出机械臂模拟供操作人员查看，并且，在当制作过程被设定为在预定参数外执行任务时，或当一个或多个系统元件设定为沿预定边界或参数外的路径移动或在预定边界或参数外执行任务时，提供错误信息。若该模拟顺利完成，则子模块向机器人单元截面-实况子模块输出用于机械臂和末端功能器的最终制作参数和设定。该模块允许该软件控制机械臂、末端功能器、可移动平台和工件的移动，且提取机器人设备的当前位置并执行实时冲突检测，以检测可能的实时冲突并实时绕开所述冲突。此外，所述播放子模块向操作人员持续显示机器人单元的实时模拟，以进行实时查看并监控当前活动和制作过程。
所述实况子模块将机器人和其他子模块集成在单一截面中的软件包。该实况子模块可以用适合所用机器人设备的任何语言编写。该实况子模块能够对机器人单元进行完全控制，并能够创建制作任务，无视任何本地机器人控制器限制，例如点数。亦即，与本领域已知软件系统相比，该Control3D软件的实况子模块能够将无限数目的点传输到机器人控制器。
图8展示了软件控制的逻辑流程图。
参见图9，图中展示了本发明过程的一个非限制性应用的示意图。如图所示，安装在导轨12上的机械臂(10)具有包含喷嘴300的混凝土喷涂末端功能器。混凝土混合器340供应混凝土混合物，而喷嘴300将一层混凝土从该混凝土混合器中施加到三维模型30的表面上。可以施加多层混凝土，来达到由控制器22的Beyon3D软件模块24决定的期望厚度。
如上所述，本发明的制作过程始于优选为由EPS制得的工件，该工件通过热线末端功能器的规格化和粗加工，然后使用铣削末端功能器通过两个不同阶段进行表面加工，从而形成模具(三维模型)。向该模具喷涂一层密封聚合物，来使得因使用低密度EPS造成的瑕疵平滑化，从而保证该模型可重复使用。然后，以连续层形式喷涂建筑材料(例如混凝土)，直至达到期望厚度。由此，建筑师或工程师可以使用传统商用软件(例如Rhino3DTM)可以快速地设计建筑构件，且来自建模软件的任何模拟几何结构均被软件模块24转化为向机械臂的制作指令。由此，使用本申请所述的新型系统和过程来制作新设计的建筑构件。有利地，可以使用此述的本发明的系统和方法，为建筑结构制作复杂的曲线外形(包括非重复性形状)。

Claims (12)

1.一种计算机控制的系统，用于从三维模型建造建筑构件，所述系统包括：
支撑台，用于支撑和移动三维模型，所述支撑台被配置用于平移和/或旋转运动；多任务机械臂，其具有底座和远端，所述底座被配置用于沿靠近所述支撑台的路径受控移动，所述多任务机械臂的所述远端被配置为相对于所述底座延伸、平移和/或旋转，还被配置为包括一末端功能器，该末端功能器用于将连续的多层材料应用至所述支撑台处的所述模型上和/或从所述支撑台处的所述模型上拆除材料；和
计算机处理器，其适合于控制所述支撑台以及所述多任务机械臂的所述底座和所述远端中的每一个的移动顺序，以及用于确定并随后应用多层材料至所述三维模型上、和/或随后将材料从所述三维模型上拆卸下来，以形成具有预定形状和尺寸的建筑构件。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包含线性轨道，所述底座连接至该线性轨道。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三维模型由发泡聚苯乙烯制成。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述末端功能器包括选自下组的至少一个功能器：
热丝泡沫切割机，其用于将材料从所述三维模型上拆卸下来；和
加工末端功能器，其用于进行选自下组的至少一个动作：钻孔、铰孔、锪孔、铣削、打线、去毛边、冲击和紧固连接。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述末端功能器被配置用于将物质喷涂到所述三维模型的表面上。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述物质选自油、蜡、聚合物、水泥、石膏、粘土、人造大理石和混凝土。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述物质包括蜡；所述系统包括：加热蜡传输线，该加热蜡传输线将喷头和储存容器的出口连接起来；和
加压气体系统，其封闭地连接至所述储存容器和所述喷头中的至少其中之一；所述末端功能器包括：
喷头；和
储存容器，其被配置为加热包含在该储存容器内的物质，所述储存容器包括与所述喷头流体连通的出口，还包括密炼机。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述末端功能器被配置为将初凝时间为10秒至5分钟的建筑材料喷涂到所述三维模型上。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述末端功能器包括混凝土喷射装置，所述混凝土喷射装置包括喷头。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：
所述喷头包括至少三个喷头入口；
所述混凝土喷射装置包括：
第一混合室，其包括与第一喷头入口流体连通的出口；
振动装置，其机械地连接至所述第一混合室，用于使所述第一混合室的至少一部分发生振动；
第二混合室，其包括至少一个入口和与第二喷头入口流体连通的出口；和
第三混合室，其包括至少一个入口和与第三喷头入口流体连通的出口；
所述喷头被配置为使得，当材料通过所述第一喷头入口和同时通过所述第二喷头入口与所述第三喷头入口的至少其中之一进入所述喷头时，至少一部分从第一喷头入口进入喷头的材料与从其它喷头入口进入喷头的材料相遇；且
所述第一混合室与所述第一喷头入口之间的流体连通包括软管，该软管可选地机械连接至所述振动装置。
11.用于制备和喷射混凝土的混凝土喷射装置，其特征在于，所述混凝土喷射装置包括：
喷头；
第一混合室，其包括与第一喷头入口流体连通的出口；
第二混合室，其包括至少一个入口和与第二喷头入口流体连通的出口；和
第三混合室，其包括至少一个入口和与第三喷头入口流体连通的出口，该出口可选地包括软管；
并且进一步地，所述喷头被配置为使得，当材料通过所述第一喷头入口和同时通过所述第二喷头入口与所述第三喷头入口的至少其中之一进入所述喷头时，至少一部分从第一喷头入口进入喷头的材料与从其它喷头入口进入喷头的材料相遇。
12.根据权利要求11所述的混凝土喷射装置，其特征在于，还包括振动装置，该振动装置机械地连接至所述第一混合室和/或所述软管，用于使所述第一混合室的至少一部分和/或所述软管发生振动。
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