一種基于bim建筑模型的水泥砂漿砌體自動(dòng)建造裝置及其工作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于水泥砂漿砌體的自動(dòng)建造領(lǐng)域，提供一種基于BIM建筑模型的水泥砂漿砌體自動(dòng)建造裝置及其工作方法，本發(fā)明采用數(shù)控程序生成系統(tǒng)將BIM模型轉(zhuǎn)換為數(shù)控程序執(zhí)行裝置可以識(shí)別的程序代碼，將得到的程序代碼導(dǎo)入數(shù)控程序執(zhí)行裝置中，以控制機(jī)械臂的運(yùn)行、電子噴嘴的開停和水泥砂漿泵的開停，最終實(shí)現(xiàn)水泥砂漿砌體的自動(dòng)建造。本發(fā)明采用BIM技術(shù)與數(shù)控技術(shù)進(jìn)行水泥砂漿砌體的自動(dòng)建造，速度快、成本低、效率高。
【專利說明】一種基于BIM建筑模型的水泥砂漿砌體自動(dòng)建造裝置及其工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水泥砂漿砌體的自動(dòng)建造領(lǐng)域，具體涉及一種基于BIM建筑模型的水泥砂漿砌體自動(dòng)建造裝置及其工作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]三維快速成型技術(shù)是20世紀(jì)90年代開始逐漸興起的一項(xiàng)先進(jìn)的制造技術(shù)，其基本原理是在電腦程序的精確驅(qū)動(dòng)下，將預(yù)先制作好的電腦三維模型細(xì)分成許多層，原材料按照電腦模型一層一層疊加，最終完成物品的制造，實(shí)現(xiàn)從虛擬三維模型到實(shí)體三維物體的直接轉(zhuǎn)化，故該技術(shù)亦俗稱三維打印。
[0003]三維快速成型技術(shù)所涉及的不同耗材對(duì)應(yīng)不同的成型工藝，例如光固化、燒結(jié)、熔融沉積等，該技術(shù)的實(shí)施面臨諸多技術(shù)難題，例如三維模型轉(zhuǎn)化為一層層的二維模型、噴嘴運(yùn)行路徑的優(yōu)化以及材料選取等問題。三維快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域包括航空學(xué)、醫(yī)學(xué)、建筑學(xué)以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)等等。很長(zhǎng)一段時(shí)間以來，快速成型技術(shù)在建筑方面的應(yīng)用一直局限于建筑模型的快速制造，但是，近年來，快速成型技術(shù)在建筑方面的研究開始從簡(jiǎn)單的建筑模型的制造向真正的建筑構(gòu)件的快速成型轉(zhuǎn)化。當(dāng)前建筑構(gòu)件的快速成型有三種主要的方法，分別是:D-Shape, Contour Crafting 和 Concrete Printing。D-Shape 米用的材料是粘接劑和沙子，采用粘接劑有選擇性的固化沙子，已達(dá)到其快速成型。Contour Crafting和Concrete Printing采用的材料均為水泥,利用水泥的層層疊加來達(dá)到成型的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于BIM建筑模型的水泥砂漿砌體自動(dòng)建造裝置及其工作方法，能夠快速高效的進(jìn)行水泥砂漿砌體的自動(dòng)建造。本發(fā)明采用數(shù)控程序生成系統(tǒng)將BIM模型轉(zhuǎn)換為數(shù)控程序執(zhí)行裝置可以識(shí)別的程序代碼，將得到的程序代碼導(dǎo)入數(shù)控程序執(zhí)行裝置中，以控制機(jī)械臂的運(yùn)行、電子噴嘴的開停和水泥砂漿泵的開停，最終實(shí)現(xiàn)水泥砂漿砌體的自動(dòng)建造。
[0005]本發(fā)明所述的一種基于BM建筑模型的水泥砂漿砌體自動(dòng)建造裝置，包括BM建筑模型生成系統(tǒng)、數(shù)控程序生成系統(tǒng)、人工送料系統(tǒng)和數(shù)控程序執(zhí)行裝置；
所述BM建筑模型生成系統(tǒng)，利用BIM技術(shù)建立三維建筑模型；
所述數(shù)控程序生成系統(tǒng)，用于解析BIM建筑模型生成系統(tǒng)生成的BIM模型，并生成包括控制水泥砂漿泵、電子噴嘴、機(jī)械臂的CNC數(shù)控程序；
人工送料系統(tǒng)，是指由人工預(yù)先攪拌好包含有速凝劑、減水劑及其他外加劑的水泥砂漿，并通過人工的方式送料至泵送裝置上的料斗中；
數(shù)控程序執(zhí)行裝置包括數(shù)控操作柜、帶料斗的水泥砂漿泵、利用膠管連接到料斗上的電子噴嘴及XYZ三軸龍門式機(jī)械臂，數(shù)控操作柜用于識(shí)別并運(yùn)行數(shù)控程序生成系統(tǒng)生成的CNC數(shù)控程序，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥砂漿泵、電子噴嘴和機(jī)械臂的控制。[0006]本發(fā)明還提供一種基于BM建筑模型的水泥砂漿砌體自動(dòng)建造裝置的工作方法，該方法包括以下步驟:
(1)BIM建筑模型生成系統(tǒng)用三維BIM建模工具建立所要建造的構(gòu)件或者砌體的BM模型；
(2)將BIM模型導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)生成系統(tǒng)中，數(shù)控系統(tǒng)對(duì)其解析，獲取其形狀尺寸信息；
(3)在數(shù)控程序生成系統(tǒng)中提供的參數(shù)設(shè)置界面設(shè)置相關(guān)參數(shù):設(shè)置堆積層高H(_)、出料寬度D (mm)、機(jī)械臂移動(dòng)速度V (mm/s)、初始起點(diǎn)XYZ軸坐標(biāo)X*，Y*，Z* (mm);堆積層高H (mm)、出料寬度D (mm)與噴嘴出料量、機(jī)械臂移動(dòng)速度V (mm/s)及材料特性有關(guān)，可以經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定；機(jī)械臂移動(dòng)速度根據(jù)需要設(shè)定；設(shè)置初始起點(diǎn)(X*，Y*，Z*)的目的是使水泥砂漿泵送裝置準(zhǔn)備充分；
(4)數(shù)控程序生成系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)參數(shù)以及BIM模型生成控制機(jī)械臂運(yùn)行、噴嘴及水泥砂漿泵開關(guān)的CNC數(shù)控程序；
(5)將步驟(4)中生成的CNC數(shù)控程序?qū)霐?shù)控程序執(zhí)行裝置中；
(6)數(shù)控程序執(zhí)行裝置執(zhí)行得到的CNC數(shù)控程序，開始建筑構(gòu)件或砌體的自動(dòng)建造工作。
[0007]所述的數(shù)控程序生成系統(tǒng)中，生成控制機(jī)械臂運(yùn)行、噴嘴開關(guān)及泵送開關(guān)的算法為:系統(tǒng)對(duì)BIM模型進(jìn)行解析，獲取其形狀、尺寸信息，并根據(jù)設(shè)置的層高將其分為若干層，提取各層二維平面圖的信息，根據(jù)該平面圖生成機(jī)械臂的運(yùn)行路徑，首先勾勒平面圖的內(nèi)外輪廓，然后進(jìn)行內(nèi)部填充，按照奇關(guān)偶開的原則控制噴嘴及泵送的開關(guān)，即第奇數(shù)次碰到輪廓，關(guān)閉開關(guān)，第偶數(shù)次碰到輪廓時(shí)打開開關(guān)，并且，內(nèi)部填充時(shí)，機(jī)械臂的運(yùn)行路徑總是平行于X軸或平行于Y軸，第奇數(shù)層平行于X軸，第偶數(shù)層平行于Y軸。
[0008]本發(fā)明采用BIM技術(shù)與數(shù)控技術(shù)進(jìn)行水泥砂漿砌體的自動(dòng)建造，具有如下優(yōu)點(diǎn): (I)速度快。采用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行水泥砂漿砌體的自動(dòng)建造，顛覆了傳統(tǒng)的單純依靠人工
進(jìn)行砌體建造的方法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的建造，速度較傳統(tǒng)的施工工藝有明顯提高。
[0009](2)成本低。只要有BM建筑模型與相應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)，即可進(jìn)行水泥砂漿砌體的自動(dòng)建造，不需要龐大數(shù)量的工作人員，也不需要支模板，可以節(jié)約大量人、材、機(jī)的費(fèi)用。
[0010](3)效率高。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的建造，效率比人工建造有較大的提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明一種基于BIM建筑模型的水泥砂漿砌體自動(dòng)建造技術(shù)的流程圖。
[0012]圖2是本發(fā)明列舉實(shí)例所用的BIM建筑三維模型，尺寸如圖。
[0013]圖3是實(shí)例中BM建筑模型的分層示意圖，每一層高度為10mm。
[0014]圖4是BIM建筑模型中I層的二維平面圖，以及機(jī)械臂路徑的示意圖。
[0015]圖5是BIM建筑模型中2層的二維平面圖，以及機(jī)械臂路徑的示意圖。
[0016]圖6是BM建筑模型中3層以上奇數(shù)層的二維平面圖，以及機(jī)械臂路徑示意圖。
[0017]圖7是BM建筑模型中3層以上偶數(shù)層的二維平面圖，以及機(jī)械臂路徑示意圖。
【具體實(shí)施方式】[0018]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0019]如圖1所示，本發(fā)明裝置包括BM建筑模型生成系統(tǒng)、數(shù)控程序生成系統(tǒng)、人工送料(水泥砂漿)系統(tǒng)和數(shù)控程序執(zhí)行裝置，最終實(shí)現(xiàn)使用水泥砂漿這一建筑材料將BIM建筑模型實(shí)體化的過程。
[0020]BIM建筑模型生成系統(tǒng)是利用BM技術(shù)生成三維建筑構(gòu)件模型，由于該發(fā)明是采用的水泥砂漿的堆積及快速成型原理，因此支持的是中間非鏤空的三維模型，如圓柱體、長(zhǎng)方體、圓環(huán)體及各類下層可支撐上層的異型構(gòu)件，并且由于水泥砂漿的噴嘴是豎直布置的，所以本發(fā)明不適用于斜面體(如錐體)的成型。
[0021]數(shù)控程序生成系統(tǒng)用于對(duì)BIM建筑模型進(jìn)行解析，獲取其形狀、尺寸信息，并提供數(shù)控程序執(zhí)行裝置的參數(shù)設(shè)置，通過填充算法形成包括控制水泥砂漿泵送、噴嘴開關(guān)、機(jī)械臂XYZ三軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)控程序。數(shù)控程序生成系統(tǒng)的具體實(shí)施過程如下:
(1)數(shù)控程序生成系統(tǒng)接收到BIM建筑模型后，對(duì)其進(jìn)行解析，根據(jù)參數(shù)設(shè)置界面中設(shè)置的層高將其分為若干層，然后將每一層的二維平面圖提取出來，轉(zhuǎn)換為可供軟件識(shí)別的DXF格式文件流，根據(jù)DXF文件格式規(guī)范，將文件流中的Element段中的每個(gè)圖形元素文件段分離出來，即獲得點(diǎn)、線、面等圖形元素的矢量信息。
[0022](2)提供參數(shù)設(shè)置界面，設(shè)置堆積層高H (mm)、出料寬度D (mm)、機(jī)械臂移動(dòng)速度V (mm/s)、初始起點(diǎn)XYZ軸坐標(biāo)X*，Y*，Z* (mm)。堆積層高H (mm)、出料寬度D (mm)與噴嘴出料量、機(jī)械臂移動(dòng)速度V (mm/s)及材料特性有關(guān)，可以經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定；機(jī)械臂移動(dòng)速度根據(jù)需要設(shè)定；設(shè)置初始起點(diǎn)(X*，Y*，Z*)的目的是使送料系統(tǒng)中的水泥砂漿準(zhǔn)備充分后，才開始水泥砂漿構(gòu)件的自動(dòng)建造過程。
[0023](3)圖形預(yù)處理。圖形預(yù)處理是指將圖形的各端點(diǎn)坐標(biāo)按照一定的計(jì)算方法轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的容易處理的新坐標(biāo)，圖形預(yù)處理的目的是使得圖形各端點(diǎn)之間在X軸方向的距離和在Y軸方向上的距離能夠被出料寬度整除。具體算法為(x，y，z) ([x/D+l]*D，[y/D+1]*D，z),[]表示取整符號(hào)。
[0024](4)系統(tǒng)通過內(nèi)置的填充算法形成包括控制水泥砂漿泵送、噴嘴開關(guān)、機(jī)械臂XYZ三軸運(yùn)動(dòng)的CNC數(shù)控程序。具體的算法如下:
步驟1:第一層輪廓勾勒。輪廓勾勒可以分為外輪廓勾勒和內(nèi)輪廓勾勒。
[0025]首先，進(jìn)行外輪廓的勾勒。外輪廓勾勒時(shí)，機(jī)械臂的運(yùn)行路徑(也即圓形噴嘴圓心的運(yùn)行路徑，下同)位于外輪廓線向內(nèi)偏移D/2所形成的新外輪廓線上，起點(diǎn)為新外輪廓線上離(0，0，Zl)最近的一個(gè)端點(diǎn)(X1，Yl, Zl),終點(diǎn)為新外輪廓線上離起點(diǎn)距離為D的若干點(diǎn)中的一點(diǎn)(該點(diǎn)為從起點(diǎn)開始沿新輪廓線順時(shí)針行走遇到的第一個(gè)與起點(diǎn)距離為D的點(diǎn))，記為(Χ1，Y1’，Z1)，輪廓勾勒的方向?yàn)槟鏁r(shí)針，輪廓勾勒完畢即噴嘴圓心到達(dá)輪廓勾勒終點(diǎn)坐標(biāo)(Χ1’，Υ1，Zl)后，泵送及噴嘴開關(guān)自動(dòng)關(guān)閉。
[0026]其次，進(jìn)行內(nèi)輪廓的勾勒。外輪廓勾勒完畢后，噴嘴圓心從外輪廓勾勒的終點(diǎn)坐標(biāo)移動(dòng)至內(nèi)輪廓勾勒的起點(diǎn)坐標(biāo)，同時(shí)打開泵送及噴嘴開關(guān)。內(nèi)輪廓勾勒時(shí)，機(jī)械臂的運(yùn)行路徑位于內(nèi)輪廓線向外偏移D/2所形成的新內(nèi)輪廓線上，起點(diǎn)為新內(nèi)輪廓線上離(0，0，Zl)最近的一個(gè)端點(diǎn)(Χ2, Υ2, Zl),終點(diǎn)為新內(nèi)輪廓線上離起點(diǎn)距離為D的若干點(diǎn)中的一點(diǎn)(該點(diǎn)為從起點(diǎn)開始沿新內(nèi)輪廓線順時(shí)針行走遇到的第一個(gè)與起點(diǎn)距離為D的點(diǎn)),記為(Χ2’，Υ2’，Ζ1)，輪廓勾勒的方向?yàn)槟鏁r(shí)針，內(nèi)輪廓勾勒完畢即噴嘴圓心到達(dá)內(nèi)輪廓勾勒終點(diǎn)坐標(biāo)(X2’，Y2’，Z1)后，泵送及噴嘴開關(guān)自動(dòng)關(guān)閉。該內(nèi)輪廓勾勒完畢后，如還有其它內(nèi)輪廓，仍然按照上述規(guī)則，從近到遠(yuǎn)，直到所有內(nèi)輪廓都勾勒完畢；
步驟2:第一層內(nèi)部填充。
[0027]內(nèi)部填充就是根據(jù)填充區(qū)域(a.)、機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)路徑(b.)以及機(jī)械臂上噴嘴開閉規(guī)則(d.)將水泥沙漿注入的過程。如圖4
規(guī)則及關(guān)鍵詞解釋如下:
a.確定填充區(qū)域:
第一層平面圖的外輪廓線向內(nèi)偏移D，內(nèi)輪廓線向外偏移D所形成的的連通區(qū)域?yàn)樾枰畛涞膮^(qū)域。
[0028]b.機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)路徑由填充線段(bl.)及填充方向規(guī)則(b2.)確定，機(jī)械臂從步驟I的終點(diǎn)開始移動(dòng)到第一條填充線段的起點(diǎn)，然后運(yùn)動(dòng)到該線段的終點(diǎn)，再到下一條填充線段的起點(diǎn)，并運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)……直到最后一條填充線段的終點(diǎn)。如圖4
bl.確定填充方向:根據(jù)奇數(shù)層沿X軸方向填充、偶數(shù)層沿Y軸方向填充原則。
[0029]b2.確定填充線段:
首先確定填充線段所在直線，因?yàn)樵搶邮瞧鏀?shù)層，所以這些直線都是平行與X軸的依
次為 y=ymin+D/2, y=ymin+3D/2, y=ymin+5D/2,......，y=ymax_D/2 (其中 ymin 為填充區(qū)`域上離X軸最近的點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)，ymax為填充區(qū)域上離X軸最遠(yuǎn)的點(diǎn)的Y軸坐標(biāo))。
[0030]其次根據(jù)填充線段所在直線確定第一條填充線段，起點(diǎn)坐標(biāo)為圓心位于填充線段所在直線上、直徑為D、與填充區(qū)域輪廓線內(nèi)切的圓中離Y軸最近的一個(gè)圓的圓心坐標(biāo)，終點(diǎn)坐標(biāo)為圓心位于填充線段所在直線上、直徑為D、與填充線區(qū)域輪廓線內(nèi)切的圓中離Y軸最遠(yuǎn)的一個(gè)圓的圓心坐標(biāo)。
[0031]最后確定余下填充線段，根據(jù)填充線段所在直線，確定每條填充線段的起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)，第奇數(shù)條填充線段的確定規(guī)則同第一條，第偶數(shù)條填充線段的確定規(guī)則同第一條相反。
[0032]d.噴嘴開閉規(guī)則:當(dāng)機(jī)械臂第奇數(shù)次“碰到”填充區(qū)域輪廓線時(shí)，噴嘴關(guān)閉，第偶數(shù)次碰到(同上)填充區(qū)域輪廓線時(shí)，噴嘴“延遲D”打開
碰到:是指機(jī)械臂運(yùn)行至噴嘴圓心與填充區(qū)域輪廓線相距為D/2，即以噴嘴圓心為圓心、D為直徑的圓與輪廓線相切。
[0033]延遲D:即噴嘴碰到輪廓線后再運(yùn)行D的距離之后
步驟3:第二層輪廓勾勒。第二層輪廓勾勒時(shí)，機(jī)械臂運(yùn)行路徑、起點(diǎn)和終點(diǎn)的確定規(guī)則同步驟I ;
步驟4:第二層內(nèi)部填充。
[0034]因?yàn)樵搶訛榕紨?shù)層所以填充方向?yàn)檠豗軸方向填充其他規(guī)則同步驟2。
[0035]步驟5:根據(jù)奇數(shù)層X軸填充、偶數(shù)層Y軸填充原則層層堆積，直到提升的Z軸坐標(biāo)大于模型中端點(diǎn)最大Z軸坐標(biāo)為止；
人工送料系統(tǒng)是指由人工預(yù)先攪拌好包括有速凝劑、減水劑及其他外加劑的水泥砂漿，并通過人工的方式送料至泵送裝置上的料斗中。
[0036]數(shù)控程序執(zhí)行裝置包括數(shù)控操作柜、帶料斗的水泥砂漿泵、利用膠管連接到料斗上的電子噴嘴及XYZ三軸龍門式機(jī)械臂(長(zhǎng)寬高為1.5米、傳送帶為X軸1.2m、Y軸1.2m、Z軸1.2m，噴嘴垂直綁定在機(jī)械臂上)。數(shù)控操作柜接收數(shù)控程序生成系統(tǒng)生成的CNC數(shù)控程序，利用現(xiàn)行的數(shù)控系統(tǒng)予以執(zhí)行，通過控制機(jī)械臂的XYZ三軸運(yùn)動(dòng)、水泥砂漿泵的開關(guān)及噴嘴的開關(guān)實(shí)現(xiàn)水泥砂漿的層層堆積，最終實(shí)現(xiàn)BIM建筑模型的實(shí)體化。
[0037]下面列舉實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0038]模型建立。本發(fā)明中使用的模型為利用REVIT建立的BM三維模型，由于受數(shù)控程序執(zhí)行裝置中機(jī)械臂龍門架尺寸的限制，擬建立的BIM模型的尺寸應(yīng)控制在O-lOOOmm，并且建立的模型應(yīng)位于第一象限，為便于數(shù)控程序的生成，還應(yīng)使建立的模型的某一端點(diǎn)盡可能的位于坐標(biāo)(0，0，0)。本實(shí)例建立了如圖2所示的BM模型。
[0039]生成數(shù)控程序。將建立的如圖2所示的BM建筑模型導(dǎo)入數(shù)控程序生成系統(tǒng)中，系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別、解析，在系統(tǒng)提供的參數(shù)設(shè)置界面設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，包括堆積層高H(mm)、出料寬度D (mm)、機(jī)械臂移動(dòng)速度V (mm/s)、初始起點(diǎn)XYZ軸坐標(biāo)X*，Y*，Z* (mm)。同時(shí)，根據(jù)堆積層高H將BIM模型分為若干層，本實(shí)例中的BIM模型分層示意圖如圖3所示。然后系統(tǒng)再根據(jù)填充算法生成每一層的可以控制機(jī)械臂速度、噴嘴的流量和噴嘴的開停的數(shù)控程序，然后對(duì)各層的數(shù)控程序進(jìn)行組合，即得到整個(gè)BIM模型的數(shù)控程序。具體實(shí)施方法如下:
步驟1:第一層輪廓勾勒，見圖4。 本實(shí)例所用BIM模型的第一層既有外輪廓又有內(nèi)輪廓。
[0040]首先進(jìn)行外輪廓的勾勒，機(jī)械臂的運(yùn)行路徑，也即圓形噴嘴圓心的運(yùn)行路徑，下同，位于外輪廓線向內(nèi)偏移D/2=5mm所形成的新外輪廓線上,方向?yàn)槟鏁r(shí)針,起點(diǎn)坐標(biāo)為(5,5,10),新外輪廓線上離(O, 0,10)最近的一個(gè)端點(diǎn)，終點(diǎn)坐標(biāo)為(5,15,10),新外輪廓線上離起點(diǎn)距離為D=IOmm的若干點(diǎn)中的一點(diǎn)，該點(diǎn)為從起點(diǎn)開始沿新輪廓線順時(shí)針行走遇到的第一個(gè)與起點(diǎn)距離為D=IOmm的點(diǎn)。
[0041]其次進(jìn)行內(nèi)輪廓的勾勒，機(jī)械臂的運(yùn)行路徑，也即圓形噴嘴圓心的運(yùn)行路徑，下同，位于內(nèi)輪廓線向外偏移D/2=5mm所形成的新內(nèi)輪廓線上，外輪廓勾勒完畢后，噴嘴關(guān)閉，噴嘴圓心從外輪廓勾勒的終點(diǎn)坐標(biāo)(5，15，10)移動(dòng)至內(nèi)輪廓勾勒的起點(diǎn)坐標(biāo)，同時(shí)打開泵送及噴嘴開關(guān)。起點(diǎn)坐標(biāo)為(95，95，10)，新內(nèi)輪廓線上離(0，0，10)最近的一個(gè)端點(diǎn)，終點(diǎn)坐標(biāo)為(95,105,10),新外輪廓線上離起點(diǎn)距離為D=IOmm的若干點(diǎn)中的一點(diǎn)，該點(diǎn)為從起點(diǎn)開始沿新輪廓線順時(shí)針行走遇到的第一個(gè)與起點(diǎn)距離為D=IOmm的點(diǎn)。
[0042]步驟2:第一層內(nèi)部填充。
[0043]內(nèi)部填充就是根據(jù)填充區(qū)域(a.)、機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)路徑(b.)以及機(jī)械臂上噴嘴開關(guān)規(guī)則(d.)將水泥沙漿注入的過程。如圖4
規(guī)則及關(guān)鍵詞解釋如下:
a.確定填充區(qū)域:
第一層平面圖的外輪廓線向內(nèi)偏移D=IOmm,內(nèi)輪廓線向外偏移D=IOmm所形成的的連通區(qū)域?yàn)樾枰畛涞膮^(qū)域。
[0044]b.機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)路徑:
由填充線段(bl.)及填充方向規(guī)則(b2.)確定，機(jī)械臂從步驟I的終點(diǎn)開始移動(dòng)到第一條填充線段的起點(diǎn)，然后運(yùn)動(dòng)到該線段的終點(diǎn)，再到下一條填充線段的起點(diǎn)，并運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)……直到最后一條填充線段的終點(diǎn)。[0045]bl.確定填充方向:沿X軸方向填充。
[0046]b2.確定填充線段:首先確定填充線段所在直線，因?yàn)樵搶邮瞧鏀?shù)層，所以這些直線都是平行與X軸的依次為y=15，y=25, y=35,……，y=485
其次根據(jù)填充線段所在直線確定第一條填充線段，起點(diǎn)坐標(biāo)為(15，15，10)，圓心位于填充線段所在直線上直徑為D=10、與填充區(qū)域輪廓線內(nèi)切的圓中離Y軸最近的一個(gè)圓的圓心坐標(biāo)，終點(diǎn)坐標(biāo)為(485，15，10)，圓心位于填充線段所在直線上、直徑為D=10、與填充線區(qū)域輪廓線內(nèi)切的圓中離Y軸最遠(yuǎn)的一個(gè)圓的圓心坐標(biāo)。
[0047]最后確定余下填充線段，根據(jù)填充線段所在直線，確定每條填充線段的起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)，第奇數(shù)條填充線段的確定規(guī)則同第一條，第偶數(shù)條填充線段的確定規(guī)則同第一條相反。
[0048]所以第二條填充線段起點(diǎn)坐標(biāo)(485，25，10)終點(diǎn)坐標(biāo)(15，25，10)
第三條填充線段起點(diǎn)坐標(biāo)(15，35，10)終點(diǎn)坐標(biāo)(485，35，10)
……最后一條填充線段
d.噴嘴開閉規(guī)則:當(dāng)機(jī)械臂第奇數(shù)次“碰到”填充區(qū)域輪廓線時(shí)，噴嘴關(guān)閉，第偶數(shù)次碰到(同上)填充區(qū)域輪廓線時(shí)，噴嘴“延遲D=10”打開
碰到:是指機(jī)械臂運(yùn)行至噴嘴圓心與填充區(qū)域輪廓線相距為5mm，即以噴嘴圓心為圓心、D=IO為直徑的圓與輪廓線相切。
[0049]延遲D=IO:即噴嘴碰到輪廓線后再運(yùn)行D=IO的距離之后` 步驟3:第二層輪廓勾勒，見圖5。將機(jī)械臂提升H=IOmm,并快速移動(dòng)至(5，5，20)，即以此點(diǎn)為起點(diǎn)開始第二層的輪廓勾勒，由于第二層與第一層的平面圖是完全一樣的，內(nèi)外輪廓線也是完全一樣的，因此第二層輪廓勾勒除Z軸坐標(biāo)不同外，其他同步驟一；
步驟4:第二層內(nèi)部填充，見圖5。
[0050]內(nèi)部填充就是根據(jù)填充區(qū)域(a.)、機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)路徑(b.)以及機(jī)械臂上噴嘴開關(guān)規(guī)則(d.)將水泥沙漿注入的過程。如圖4
規(guī)則及關(guān)鍵詞解釋如下:
a.確定填充區(qū)域:同步驟2
b.機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)路徑:同步驟2 bl.填充方向:沿Y軸方向填充 b2.確定填充線段:
首先確定填充線段所在直線，因?yàn)樵搶邮桥紨?shù)層，所以這些直線都是平行與Y軸的依
次為 x=15, x=25, x=35,......，x=485
其次根據(jù)填充線段所在直線確定第一條填充線段，起點(diǎn)坐標(biāo)為(15，15，20)，圓心位于填充線上直徑為D=10、與填充區(qū)域輪廓線相切的圓中離X軸最近的一個(gè)圓的圓心坐標(biāo)，終點(diǎn)坐標(biāo)為(15，485，20)，圓心位于填充線上、直徑為D=10、與填充線區(qū)域輪廓線相切的圓中離X軸最遠(yuǎn)的一個(gè)圓的圓心坐標(biāo)。
[0051]根據(jù)填充線段所在直線，確定每條填充線段的起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)，第奇數(shù)條填充線段的確定規(guī)則同第一條，第偶數(shù)條填充線段的確定規(guī)則同第一條相反。
[0052]所以第二條填充線段起點(diǎn)坐標(biāo)(25，485，20)終點(diǎn)坐標(biāo)(25，15，20)
第三條填充線段起點(diǎn)坐標(biāo)(35，15，20)終點(diǎn)坐標(biāo)(35，485，20)……最后一條填充線段 其他規(guī)則同步驟2。
[0053]步驟5:第三層以上的輪廓勾勒與內(nèi)部填充的具體規(guī)則同一二層，根據(jù)奇數(shù)層X軸填充、偶數(shù)層Y軸填充原則層層堆積，直到提升至Z軸坐標(biāo)大于模型中端點(diǎn)最大Z軸坐標(biāo)為止，圖6和圖7分別為第三層和第四層的示意圖。
[0054](3)執(zhí)行數(shù)控程序。人工將水泥砂漿添加到料斗中，并將數(shù)控程序生成系統(tǒng)生成的控制機(jī)械臂運(yùn)行、泵送及噴嘴開關(guān)的的數(shù)控程序?qū)霐?shù)控操作柜中，點(diǎn)開始按鈕，數(shù)控程序執(zhí)行裝置根據(jù)內(nèi)嵌的數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行接收到的CNC數(shù)控程序最終實(shí)現(xiàn)BIM建筑模型的實(shí)體化。`
【權(quán)利要求】
1.一種基于BIM建筑模型的水泥砂漿砌體自動(dòng)建造裝置，其特征在于:包括BIM建筑模型生成系統(tǒng)、數(shù)控程序生成系統(tǒng)、人工送料系統(tǒng)和數(shù)控程序執(zhí)行裝置； 所述BM建筑模型生成系統(tǒng)，利用BIM技術(shù)建立三維建筑模型； 所述數(shù)控程序生成系統(tǒng)，用于解析BIM建筑模型生成系統(tǒng)生成的BIM模型，并生成包括控制水泥砂漿泵、電子噴嘴、機(jī)械臂的CNC數(shù)控程序； 人工送料系統(tǒng)，是指由人工預(yù)先攪拌好包含有速凝劑、減水劑及其他外加劑的水泥砂漿，并通過人工的方式送料至泵送裝置上的料斗中； 數(shù)控程序執(zhí)行裝置包括數(shù)控操作柜、帶料斗的水泥砂漿泵、利用膠管連接到料斗上的電子噴嘴及XYZ三軸龍門式機(jī)械臂，數(shù)控操作柜用于識(shí)別并運(yùn)行數(shù)控程序生成系統(tǒng)生成的CNC數(shù)控程序，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥砂漿泵、電子噴嘴和機(jī)械臂的控制。
2.一種如權(quán)利要求1所述的基于BIM建筑模型的水泥砂漿砌體自動(dòng)建造裝置的工作方法，其特征在于該方法包括以下步驟: (1)BIM建筑模型生成系統(tǒng)用三維BIM建模工具建立所要建造的構(gòu)件或者砌體的BM模型； (2)將BIM模型導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)生成系統(tǒng)中，數(shù)控系統(tǒng)對(duì)其解析，獲取其形狀尺寸信息； (3)在數(shù)控程序生成系統(tǒng)中提供的參數(shù)設(shè)置界面設(shè)置相關(guān)參數(shù):堆積層高H、出料寬度D、機(jī)械臂移動(dòng)速度V、初始起點(diǎn)XYZ軸坐標(biāo)X*，Y*，Z* ； (4)數(shù)控程序生成系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)參數(shù)以及BIM模型生成控制機(jī)械臂運(yùn)行、噴嘴及水泥砂漿泵開關(guān)的CNC數(shù)控程序； (5)將步驟(4)中生成的CNC數(shù)控程序?qū)霐?shù)控程序執(zhí)行裝置中； (6)數(shù)控程序執(zhí)行裝置執(zhí)行得到的CNC數(shù)控程序，開始建筑構(gòu)件或砌體的自動(dòng)建造工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于BIM建筑模型的水泥砂漿砌體自動(dòng)建造裝置的工作方法，其特征在于所述的數(shù)控程序生成系統(tǒng)中，生成控制機(jī)械臂運(yùn)行、噴嘴開關(guān)及泵送開關(guān)的算法為:系統(tǒng)對(duì)BIM模型進(jìn)行解析，獲取其形狀、尺寸信息，并根據(jù)設(shè)置的層高將其分為若干層，提取各層二維平面圖的信息，根據(jù)該平面圖生成機(jī)械臂的運(yùn)行路徑，首先勾勒平面圖的內(nèi)外輪廓，然后進(jìn)行內(nèi)部填充，按照奇關(guān)偶開的原則控制噴嘴及泵送的開關(guān)，即第奇數(shù)次碰到輪廓，關(guān)閉開關(guān)，第偶數(shù)次碰到輪廓時(shí)打開開關(guān)，并且，內(nèi)部填充時(shí)，機(jī)械臂的運(yùn)行路徑總是平行于X軸或平行于Y軸，第奇數(shù)層平行于X軸，第偶數(shù)層平行于Y軸。
【文檔編號(hào)】E04G21/22GK103774859SQ201410021851
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】丁烈云, 駱漢賓, 魏然, 李國(guó)衛(wèi), 車海潮 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)