机器人减材切割在立体切割中的应用和研究进展

可在ScienceDirect上获得目录列表计算设计与工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/jcde计算设计与工程学报6（2019）468立体切割的多标准框架--Shayani FernandoDahl，Simon Weir，Dagmar Reinhardt，Adam Hannouch悉尼大学建筑、设计与规划学院，Wilkinson Building G04，148 City Rd，Sydney University 2006，Australia阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2018年收到修订版，2018年6月19日接受，2018年在线提供2018年8月13日关键词：减影机器人制造立体切割声学性能工作流程结构优化A B S T R A C T在立体切割的背景下，机器人减材切割实现了将工艺与先进制造技术相结合的设计到生产过程本文讨论了通过机器人减材切割制造复杂和定制设计的几何形状的经验研究，特别关注形成自支撑石材结构的必要条件的模块化元素和关节类型本文分两部分介绍了研究结果在第一部分中，四个案例研究的连接技术和这些之间的交叉比较，介绍了多个标准，包括宏观和微观的几何形状，模块和关节，结构性能，材料变化，机器切割方法和末端执行器，和机器人工作空间的策略。在第二部分中，本文重点介绍了关节几何类型的结构性能，扩展到材料约束和机器人制造过程。本文最后讨论了这些不同的减材切割方法和由此产生的设计到制造的工作流程，并指出了未来的研究工作。©2018 计 算 设 计 与 工 程 学 会 Elsevier 的 出 版 服 务 这 是 一 个 在 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍立体切割或石材切割是一种建筑技术，几个世纪以来一直保持不变，但一直是一项艰苦的手工任务（Burry，2016）。特别是对于复杂的和定制设计的几何形状，传统的石匠是劳动密集型和昂贵的，因此克服人类工作能力的物理限制是令人感兴趣的。最近的变化，以先进的封装和制造方法，在这里提出了新的可能性，一个古老的做法。随着六轴机器人制造方法的引入，石材的新工艺已经成为可能。这代表了新材料实践的潜力，将复杂形状的计算建模扩展到获得用于制造的机器代码。通过集成复杂形状的定制部件，例如模块（宏观几何形状）的半自动化制造和结构效率的系列化q特刊将是CAADRIA 2017会议，“协议，流程和故障”，4000-6000字，20-40参考文献，基于：http：//papers。cumincad.org/cgi-bin/works/paper/caadria2017_018，包括新的研究工作。由计算设计与工程学会负责进行同行评审。*通讯作者。电 子 邮 件 地 址 ： shayani. sydney.edu.au （ S. 费 尔 南 多 ） ， simon.weir@sydney.edu.au （ S 。 Weir ） ， dagmar. sydney.edu.au （ D.Reinhardt ） ，ahan2991@uni.sydney.edu.au（A. Hannouch）。通过采用先进的连接方式（微几何形状），从设计到生产的工作流程实现了可用且经济的加工工艺，具有支持建筑行业的潜力，特别是石材行业和立体切割应用（Fallacara，2006; 2009; 2012）。存在用于加工石材的各种各样的方法，范围从包括CNC铣削或刨槽、锯切、磨料线切割或磨料水射流切割的标准减成法到使用工业机器人臂。尽管这些制造方法在工具应用、废物产生、经济可供性和加工时间方面不同，但一般而言，机器人工艺提供的精度、效率和特别是对于立体切割和石砌建筑，标准六轴机器人可以被用作生产模块化和自支撑块系统的工作工具因此，除了优化体力劳动，机器人应用程序还可以支持立体分割的复杂性，具有结构上引人注目的，形式上定义的或力主动的和自支撑结构。最近的研究项目探索了立体切割模块的工作流程，重点关注实际材料应用，细节和关节解决方案，开发定制的末端执行器，或作为复杂和双弯曲几何形状的表示。EPS泡沫的机器人减法已经成为快速原型制作（Brooks和Aitchison，2010）和石头的全尺寸物理表示的合适工具。机器人热线切割https://doi.org/10.1016/j.jcde.2018.07.0052288-4300/©2018计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。S. Fernando et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）468469EPS泡沫的六轴铣削有助于了解直纹表面几何形状和接头的机器公差和切削刀具路径，适用于原型制作和模拟传统工匠的数字雕刻（Burry，2016）。直接探索材料选择的研究项目包括使用定制的磨料金刚石锯对砂岩和大理石模块进行减材切割（Feringa，Søndergaard，2014;McGee，Feringa，&Søndergaard，2012），作为自支撑、仅压缩、无 砂 浆 的 砂 岩 结 构 （ Block Research Group ， 2016;Rippmann ，2016），或者例如作为薄壳拱顶砌体的多轴水射流切割（Kaczynski，McGee，Pigram，2011）。研究模块化元件和定制关节系统的研究项目包 括标 准模 块系统 的机 器人 沉积 （Gramazio ，Kohler ，2014;Trummer ， 2012 ） ， 索 状 RDM 拱 顶 的 优 化 段 （ McGee 等 人 ，2012），或离散可展曲面段（袁，2014）。自支撑石材或砖石建筑的特征在于模块化元件的布置，所述模块化元件在结构上具有表现性并且通过竖直力保持在一起，而不需要砂浆或连接器。这种构造方法在要求高效组装和拆卸的领域具有潜在的应用。由于不需要二次施工，因此考虑整体几何形状中各个石块的相对位置以及块体组件中的独特接缝成为决定整体建筑表达的驱动因素。然而，虽然立体切割实践已经发现了一个新的兴趣，联锁关节系统的石头还没有得到广泛的探讨。最近的定制连接研究项目集中在木节点上，例如ICD\ITKE 2011研究馆（Schwinn，Krieg，Menges，2012）或弯曲折板结构（Robeller，Nabaei，Weinand，2014）。因此，机器人制造方法与结构模拟和分析相结合，可以发挥重要作用的联锁关节组件在石头。机器人立体切割术在复杂几何形状的背景下具有显著的益处，所述复杂几何形状源自基于规则的结构系统，诸如悬链线结构、圆顶或拱顶。这些建筑先例的几何形状在很大程度上取决于整体形状的持续力流和应力性能，其中弹性取决于模块和接合表面的精度以及抵抗内部和外部力的能力。更重要的是，结构性能可以通过引入联锁连接系统的模块，以支持垂直压缩，扭转和剪切力。而以前的手工制作详细的关节是不可行的，现在，机器人减材切割技术呈现定制和定制的几何学是可用的。因此，该研究探索了案例研究，调查机器人工具路径开发和末端执行器应用（磨料线，水射流和路由头）的潜力，跨材料尺寸（泡沫聚苯乙烯，大理石和花岗岩），以及不同的关节几何形状（平面，刻面和规则表面），以测试无砂浆石材结构的选项此外，计算工作流程允许控制脚本设计变化，以进行结构分析和定制机器人制造协议。随着有限元和离散元建模以及经济性、公差和安全性分析的进步，这有效地允许控制拱、圆顶和拱顶的几何和材料表达，将结构性能与可负担得起的离散模块制造相在下文中，本文讨论了通过机器人减材切割制造复杂和定制设计的几何形状的实证研究，特别关注形成自支撑石材结构的必要条件的模块元素和关节类型本文分两部分介绍了这些研究结果。第一部分，四个案例研究为连接技术，介绍了多个标准，包括宏观和微观几何形状模块和关节，结构性能，材料变化，机器切割方法和末端执行器，和机器人工作空间的策略在第二部分中，本文着重于关节几何类型的结构性能，扩展到材料约束和机器人制造过程。2. 背景和环境这里讨论的机器人研究立体分割实践构成了正在进行的研究的一部分，由悉尼大学建筑，设计和规划学院的机器人研究小组位于计算和建筑设计、建筑历史和技术、结构和声学分析的交叉点，旨在为广泛的建筑行业定义新的战略围绕工业机器人手臂的多功能性，为各种制造技术提供支持，旨在支持新的建筑工作流程，并重新定义建筑行业中人工劳动与建筑自动化之间的关系。在此背景下，研究小组的不同研究工作之间同步了立体切割实践的一些目标，包括：(a) 关注实际问题，如人力和工艺，工作流程，机器能力，现场环境和可行性;(b) 探索复杂弯曲建筑几何形状、拱顶、悬链线、外壳或圆顶（宏观几何形状）的设计和制造的场景和应用(c) 开发基于传统和新型模块的装配方法和连接构造技术，这将解决新的切割方法（微观几何）的确定;(d) 使用与工业机械臂集成的标准和定制软件（McNeel Rhino中的3D建模、Grasshopper中的脚本编写、KUKA中的机器人仿真），通过形状生成方法和制造模拟研究石材切割和组装技术|prc和SprutCAM）;(e) 机器人仿真软件（KUKA）之间的桥接|prc）和标准机床软件（CAD/CAM）;(f) 探索并行设计原则，深入阐述与分析和优化工具（Karamba结构分析和其他FEM方法）相关的可生产形式;(g) 开发和实施当前的行业标准和定制设计的雕刻工具和其他末端执行器（从布线方法到磨料线锯）;(h) 在模拟材料（泡沫塑料）的机器人工作过程的初步详细研究的基础上，探索直接在石材（取决于材料的可用性和规格/大理石和砂岩）中的先进制造技术;以及(i) 结合直接建模和脚本方法、分析工具和机器人模拟开发原型，从而在此过程中生成高级知识。3. 案例研究：形状定义、模块、关节在下文中，本文讨论了机器人立体切割的一系列案例研究介绍了一种多面万向联轴器470S. Fernando et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）468可变模块的形式和三个相交圆顶的力配合连接（Jung，Reinhardt，Watt，2016），以及波形连接块模块，能够扩展结构能力，将大部分切割工作隐藏在连接块内（Weir，Moult，Fernando，2016）。然后，本文扩展到具有均匀模块的悬链线拱的波浪接头（Fernando，Reinhardt，&Weir，2017 a; Fernando，Reinhardt，&Weir，2017b）和具有多样化模块的悬链线拱系统（Weir等人，2018年）。在整个案例研究中，虽然整体几何形状各不相同，但对结构、模块连续性和接头连接性的共同关注起着主要作用。3.1. 案例研究1：万向节“RBDM_Robodome”调查了三个相交的具有不同球体直径和连接肋模块的圆顶（图1）（Jung等人，2016年）。穹顶属于球形桁架系统的一个家族，具有多种力，分布为环向力、子午线力、拱顶力、边缘力或径向力（Engel，1967）。穹顶的结构肋通过重复的无限连接每个模块的几何对称性结合了球面曲率的程度通过KUKA的机器人模拟，在模块系列中对结构系统进行了测试|prc，以便通过旋转来调整相交瓷砖的尺寸，然后使用定制脚本进行制造，用于针对每个特定表面角度、小平面和光洁度对顶面和底面进行SRF粗面和精面铣削（图2 a，b）。机器人铣削遵循用于体积铣削（如在砂岩或木材中）的行业惯例，具有附加的支脚的支持，其允许在路由床上稳定定位和材料样品的精确翻转。然后用KUKA KR 60 -3工业机器人对模块进行机器人铣削，使用具有10 mm刀头和3 mm跨距的标准平头4KW铣削主轴，在一系列机器人协议中，需要多次手动翻转，每个模块还包含一个三维接头，该接头插入到段之间的截面中（图2）。这些连接是多方面的元素，是作为传统日本木材连接的改进而开发的图1.一、由模块和互锁接头组成的肋结构穹顶：（a）三个相交的穹顶，从两侧整合不同的面;（b）一个肋，具有连接相交球体的模块系列;（c）不同的模块和万向接头。图二.木材和立体切割之间的混合接头：（a-c）顶部和底部铣削的机器人布线，（d）连接电缆的隧道铣削，（e）张紧拱交叉。S. Fernando et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）468471简单的指接系统，如三面半斜斜嵌接拼接（Sumiyoshi，Matsui，1989，1991）。RBDM使用类似的阴阳接头变体，此处构造为90°角的倍数。这个角度服务于多个目的：关节作为几何信息嵌入到脚本和机器人过程中，并利用工业逻辑。代替许多不同的连接，保持相同的精确的母几何形状，同时每个特定模块可以沿着分割表面在方向和取向上不同三角形连接还使两个模块之间的表面接触最大化;防止水平移动;并提供结构效率。3.2. 案例研究2：波浪拼接块在“波浪接合块”（Weir等人，2016年），该接头旨在利用石材的轻微拉伸强度和抵抗小弯曲载荷的能力。这允许建造小的悬臂，允许在没有模板的情况下建造拱门。该项目使用的块是设计有多个波长的相对较高的振幅，转移弯曲负荷之间的块。波浪的振幅可以根据不同的力大小而改变;浅的波浪传递较弱的力，而较深的波浪可以传递较强的力。此外，使用在短侧上设计有平坦边缘的块，可以使用磨料线锯从整个块自动切割多个模块（在此使用图中的泡沫聚苯乙烯上的热线切割机进行模拟）。 3）。波形连接块的刀具路径在矩形块上应用了两次切削。首先，使用低分辨率网格将块体切割成类似于传统的楔状体的弧形其次，“波浪接头”两端都被切断了。在波浪形节理切割中，网格分辨率增加了，这由波浪形节理周围大量的橙色线表示（图3）。这些模型展示了使用钢丝切割机生产波形连接块的实用性，这些块可以很容易地组装成拱门和拱顶。这种波形接头允许从结构解决方案的组装延伸到更大的天花板结构的设计变化此外，由于接头构造为两个波之间的直纹面，频率和振幅，以及它们的相对位置可以修改。3.3. 案例研究3：悬链线拱该 研 究 继 续 波 接 头 作 为 对 结 构 性 表 现 接 头 的 进 一 步 调 查（Fernando等人，2017 a，2017 b），并因此专注于定制模块的进一步开发，以测试不同的三维接头类型在各种负载情况下的性能、自重、罐式和产生的剪切力。虽然结构性能可能会根据块体的旋转、边界条件、支撑和载荷位置而变化，但奇异节点的结构性能及其最大曲率阈值的基础测试了变化（图）。图4A至图4E），范围从一般平面块（A）到正弦30度和45度曲线（B）和（C），然后分别朝向等效的30度和45度悬链线曲线（D）和（E）。然后，进一步应用波形接头几何形状来研究作为非笛卡尔几何形状的一部分的拱，类似于其他悬链线结构，并预测结构行为。图5示出了一般的悬链线拱，以及在两个基脚处具有90度扭转的结构复杂性的变化，宏观建模的悬链线拱结构充当一个连续部分。这些悬链线拱在经受单一方向的力冲击时保持稳定，而拱在经受力冲击的旋转时这在具有更复杂几何形状的系统（如图3所示）中尤其重要，其中变化的截面会削弱整体结构。这里，通过互锁接头中接触表面的摩擦角和内聚力来防止部件之间的相对旋转和滑动。因此，这些互锁块，特别是在无砂浆结构中，由于其在接头中允许的柔性和运动而提供一定程度的结构稳定性。组装和拆卸的方便性使得使用这些无砂浆联锁块建造拱形和拱形空间更加可行。利用有限元和离散元分析结构性能有助于图3.第三章。波形接头块2道次切割顺序示意图：（a）标准块;（b）切割两侧弧形;（c）切割波形接头;（d）机器人热线切割;(e)模块组件作为表面。见图4。具有正弦曲线和悬链线曲率变化的联锁基础块几何形状。472S. Fernando et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）468图五.上一行显示了使用七轴ABB机器人与锯片末端执行器的粗加工过程（a），卡拉拉大理石块的机器人雕刻（b），单个切割块模块（c）。下一行显示了波形接头组件（d），使用FEA网格显示了扭曲悬链线拱结构上的旋转轴（e），以及卡拉拉大理石制造的原型（f）。设计、方法、材料、机器和潜在结构之间的有效反馈回路3.4. 案例研究4：适用于多样化模块的在“规则表面拱顶：精致的尸体”中，宏观几何形状，多个悬链线拱顶，为在单个物体中连接的多种不同模块化图案和接头提供了地形，其中组成块的面由发泡聚苯乙烯机器人线切割而成（Weir等人，2018年）。设计过程的重点是从根本上重新定位石头建筑作为一个超现实主义的对象（达利，1932年），其中不同的设计师的贡献是加起来机器人制造原则上使用ABB多轴CNC机械臂进行测试，该机械臂具有磨料金刚石线锯末端执行器，用于Gosford Quarries切割砂岩（图6a）。将该机器人装置转移到KUKA KR 60 -3工业机器人臂上的1100 mm长的定制镍铬合金丝泡沫切割末端执行器（图6b），该机器人臂具有DKP 400旋转定位器，该DKP 400旋转定位器配备有保持膨胀聚苯乙烯坯料的基于真空的夹持台。在制造过程中，两条拱顶线之间的模块在几何形状上是不同的和连接的，而且，所有模块都是唯一的，因此需要定制的制造工艺。使用SprutCAM作为机器人制造接口生产模块。每个模块图六、（a）多轴CNC机器人，其具有切割砂岩的磨料金刚石线锯末端执行器;（b）KUKA KR 60 -3，其具有在提取室中切割泡沫的热线末端执行器S. Fernando et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）468473图7.第一次会议。接头类型的几何比较：万向接头（A）、简化波形接头（B）和复杂波形接头（C）。用沿着等曲线进行的修剪进行处理，并且具有最少四个边缘，其中一个边缘将用作控制路径，并且垂直边缘控制整个切割中的金属丝的倾斜而最初所有模块都是在McNeel Rhino中设计并在KUKA中测试的|prc为了拟合宏观几何形状，必须在SprutCAM中重建一些曲面以控制等曲线的位置。4. 结构性能：模块和节点类型众所周知的石头建筑，如圆顶和拱顶是基于模块，这些模块被系统地组装以形成整体建筑几何形状中的拱门。为此，需要基于规则的定义来允许模块的序列化或区分。此外，在自支撑和无砂浆结构中，稳定性在很大程度上取决于连接表面的精度力配合连接和互锁接头增加了稳定性，这在非线性结构中特别重要。梁上拱等非线性结构的一个基本方面是，它们的水平反力在结构的跨度上似乎是均匀的，如公式HA=HB= H所定义的，这被称为推力（Kanovsky，2012）。推力的存在要求在结构的受水平力的部分进行加固然而，系杆的存在可以吸收一些这种力，并且拱的支撑件然后变得仅受到竖直力。因此，拱必须承受各种条件，包括内力、变形能力、临界荷载、支座沉降的敏感性、振动频率、温度变化和制造误差。4.1. 接头类型：A、B、C区为了区分案例研究中使用的关节系统，研究进一步审查了关节类型学，如图7所示。这三种类型的接头是使用基于规则的几何形状参数化生成的模块，受整体结构系统及其相邻模块的约束。每个参数化定义都涉及一组规则，以根据拱顶段的设计意图聚合阵列定义。在一种类似于Barberio和Fallacara（2018）最近工作的方法中，工作流程包括用于将拱顶分割为模块化规则表面结构的测试脚本，以便它们可以被机器人线切割。在这里，还探讨了连接系统，以及在微观尺度上的结构系统。每一个关节都已经在微观层面上承载了制造过程的启示简化的万向节（A）可以在各种材料（包括泡沫聚苯乙烯/石材）中通过一系列水射流切割技术进行6轴机器人铣削（用于3D相交）简化的波接头（B）是基于平行的挤出，并可以用5轴水射流切割制造。相比之下，诸如复杂波形接头（C）的三维几何形状需要具有线（例如金刚石线，或者对于泡沫聚苯乙烯，热线）的六轴机器人工具这也为非中断刀具路径提供了复合波采用悬链线结构的正弦几何形状，以改善系统的整体结构性能，这对于接头和模块之间的加载条件是有益的;基于指状接头振幅的变化来测试块体的压缩力和拉伸力。初始测试用例的结果表明，表面积更大的块（采用更高的悬链线和正弦振幅建模）能够在结构载荷条件下表现更好，其中旋转块以测试其拉伸和轴向强度。4.2. 图解静校正确定原则：B/C区块振幅高对比，波节图形静力学可以在早期设计阶段帮助设计人员，因为它利用对静定结构原理的理解来设计更有效和优化的设计解决方案。为了加深对内力的理解，使用二维图解静力学方法进一步研究了B/C区波浪形节点的结构性能潜力。应注意的是，结构分析的图形表示仅提供内力方向，并需要通过物理模型试验、有限元和离散元素方法进行验证。目前的研究三维图形静力学作为一种设计工具，仍然没有适应更复杂的关节细节和接触表面区域。如图8所示，开发了五种接头表面变化，范围从无振幅/平面表面条件（A）到高波幅和扩大表面积（E）。这些图表显示了预期的结构性能，并显示了增量波浪几何形状（图8，左）和内力（图8，右），这些图显示了一种图解静力学方法，该方法指示与力线相关的理想接头条件。图10b示出了梁结构的两个测试条件（I和II），其中支撑件位于块体和具有固定侧支撑件的悬臂结构（III和IV）的下方。线表示系统中固有的力，红线表示拉伸力，蓝线表示压缩力，绿线表示外部载荷。虚线表示力或推力线垂直于到内部张力。对于每个块体场景，叠加力线用于叠加到关节变化上。因此，在这种情况下，理想的接头条件将遵循力的虚线。现有的砌块可以进一步简化和优化，以遵循这些推力线。然而，材料474S. Fernando et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）468图8.第八条。（a）左：5个测试用例场景的几何变化（b）右：显示每个块变化的内力的几何变化见图9。 石材（A）、混凝土（B）和木材（C）的机械强度（Muttoni，2011年）。和块的重量，然后在研究其它因素如摩擦和滑动效应时考虑4.3. 关节系统：力学性能石材的机械强度主要取决于其抗压强度，此外，抗压强度因类型而异（Muttoni，2011）。因此，这里讨论的接头的结构和机械性能是由内部不同程度的压缩力和拉伸力引起的。在每种类型中，曲率的互锁能力利用了石头固有的强度。如图9所示，与木材相比，石材的抗压强度在石材和混凝土中占主导地位。然而，木材表现更好的张力比压缩。这里，石头的非常轻微的张力（如图9A所示）是互锁波形接头基于振幅获得其结构强度和互锁能力的地方。4.4. 内力：万向节（A）、简化波形节（B）和复杂波形节（C）叠加法的进一步修改被应用于以图形方式确定块B与块C的接头内力，其中万向接头（A）被添加用于比较块B和块C。交叉比较（图10）。对于此处显示的力场景，应假设外部载荷E3针对自重，因此是现有重力的图形表示，而外力E1和E2是常数，作为侧支撑或连接模块。图10显示了接头的结构行为：绿线表示外力，红线表示拉力，蓝线表示压力。交点1、2、3和4对应于与所施加的载荷同时发生的反作用。相比之下，复杂的波形接头（C）显示出由于更多的接触表面积和力图中所示的更高的力的大小而增加的力反作用，其中合力的大小高于万向接头（A）和简化的波形接头（B）。因此，三维几何形状和由此产生的增加的表面积因此指示改进的结构性能。此外，这些考虑因素对石材选择、制造方法和公差、工具和机器人工具路径的选择以及附加的结构支撑系统有直接影响。5. 接头材料选择的比较整体形状、机器人和先进的制造工艺以及材料选择共同促进了关节和模块的有效性。计算数据可用于S. Fernando et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）468475见图10。定性近似2D内力流图;万向节（A）、简化波形节（B）和复杂波形节（C），力-载荷情况。生成复杂几何形状的切削刀具路径，并使用基于规则的曲面，简化多轴机器人和CNC机械的制造数据的实施。重要的是，切割公差，尺寸或角度可以直观地模拟。可以考虑不同的材料规格（EPS泡沫、砂岩、花岗岩、大理石）。可以考虑机器的限制，如线的厚度，速度和制造过程的工作空间。对于不同的接头和模块几何形状，进一步研究了与石材类型和工具工艺相关的切割时间，其中切割时间取决于各种因素，包括块体规模、材料密度和切割方法。磨料线锯仅适用于切割较大规模的模块，并且每次切割通常都需要进一步精加工，而水刀切割机不需要进一步精加工，因为切割精度更高。当在1：2比例的波形块中进行测试时，砂岩的CNC铣削比磨料线切割花费的时间稍长下面的目录（表1）提供了一个全面的比较，重点是通用和复杂的波接头模块（B，C）。为此，通过使用Axqua 5轴水射流机在小的测试系列中切割简化的几何形状块B这些由花岗岩和卡拉拉大理石板制成，深度为30mm，并松散地组装成拱形以测试配置。研究表明，不同的3个几何体的切割时间如在Waterjet和Wire-cutting Workflows（Fernando等人，2017年a、2017年b）。单关节（Jung等人， 2016）不包括在上述比较中，然而，作为简化的直线切割，它们将花费最少的时间来使用线切割和水射流方法进行切割。据观察，沉积石类型比变质石类型在相同规模下使用水射流切割机切割所需的时间更少然而，切割的精度随着材料质量和机器工作流程的性能而变化。如表1（a）所示，进一步研究了切割时间、石头类型和几何形状，特别比较了1：50比例的水射流切割工艺（表1a）与比较1：2比例的砂石和EPS泡沫的线切割机时间（表1b）。结果表明，材料的弹性模量、密度和块重等例如，在1：50比例块的水刀切割中，也如图所示。图11 a）和b）与较软的砂岩材料（约2分钟）相比，具有最高弹性模量的铝块需要更多的时间来切割（约5分钟）。同样，卡拉拉大理石比悉尼砂岩具有更高的块重量，这导致其切割时间略长如表1(b)指出，磨料线锯只适用于切割较大规模的模块和每个切口通常需要进一步finishing（如图所示）。 11 c）。另一方面，水刀切割机表1波形块切割时间/分钟/刻度块的材料/机器矩阵（Fernando等人，2017）。1（a）水刀机材料属性OMAX A-Jet Axqua 5 Axis Maxiem 3 Axis材料试样杨氏模量密度块重量近似值（g）一BC几何弹性kg/cm2G/cm3105沉积岩悉尼砂岩：怀特悉尼砂岩：戈斯福德8.98.12.272.23400/2502502分钟75毫米/分钟–––2分钟321 mm/min2 min缓冲器321 mm/min变质岩白色卡拉拉大理石8.12.7300–1分钟–灰色Calacatta大理石7.52.6300–250 mm/min1分钟–250 mm/min火成岩黑花岗岩（意大利马萨）铝7.0102.72.7320250–约5分钟1.5分钟200 mm/min–––1（b）线切割机EPS泡沫0.000360.8-0.92506轴Kuka热线20分钟11轴磨料线锯––（1：2比例）（A）悉尼砂岩：8.92.2715,000–2小时130毫米/秒–Mt White（1：2scale）（A）476S. Fernando et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）468见图11。 预制块、铝和砂岩的材料比较结果（a）（b），1：50比例的喷水切割波浪模块（c），波浪模块的磨料线切割。不需要进一步的精加工，因为切割的精度更精细。或者探索的替代解决方案是砂-石的CNC铣削，其比磨料线切割花费每1：2比例的波浪块稍长（大约4小时，3次工具更换）（Fernando等人，2017年a、2017年b）。切割时间取决于各种因素，包括块体的规模、材料密度和切割方法;这说明了标准如何影响机器流程和最终结果。6. 讨论通过对复杂曲面中不同几何形状、材料、制造技术和结构考虑的多方面探索，研究发现可以建立一个多准则框架。图12概述了设计、模拟和测试以及制造协议之间的关系范围。如图所示，设计、仿真和制造领域之间的关系可以通过多个的搜索.例如，可以在McNeel Rhino、Blender、Grasshopper中建立几何数据，以提供初始模型。计算设计和仿真之间的反馈回路可以通过可视化仿真程序进行集成，这些程序的范围从结构分析到制造的建模工具路径。结构性能分析可以通过有限元分析（FEA）进行，同时为规则曲面几何形状嵌入不同的切割和装配标准。Karamba3D（Grasshopper插件）中的参数化建模可以在设计不同的石材、接缝和拱类型以及厚度标准时帮助可视化结构性能。Dassault Systèmes Simulia- ABAQUS软件可以进一步以可视化和数值方式分析每个拱和整个拱形几何体内的拱腹块之间的接缝应力和轴向载荷。因此，用于定制接头、曲率和分段的不同材料策略可以被采用到多标准工作流程中，以简化从结构模拟和微几何形状的制造的转移，从而允许对设计和制造阶段的反馈。这对于将工作流程从设计扩展到模拟和分析再到制造选项特别有用。见图12。 设计、模拟和测试以及制造过程之间关系的工作流程图。S. Fernando et al./ Journal of Computational Design and Engineering 6（2019）468477因此，编排这种扩展的工作流程可以为分割策略、机器人制造和性能嵌入式设计建立反馈回路和相关过程作为案例研究的结果，可以导出规则表面几何形状的微接头拓扑结构的基于性能的设计的工作流程，以及拱形结构的结构和声学性能的宏观分析在此多标准目录和工作流程的基础上，未来的工作可以扩展到更大的立体结构的分割，以探索基于性能设计的声学条件的潜力。拱形空间中不同声音反射可能性的技术解决方案是基于最近讨论声学逆反射性能设计的结果的扩展（Cabrera，Holmes，Caldwell，Yadav，Gao，2018）。因此，立体声方法还可以在不同的声音环境中嵌入用于人类语音调节的声学性能未来的研究将调查不同类型的规则表面和刻面几何形状，作为局部表面调节的整体几何形状的拱门，圆顶和拱顶。设计和声学仿真之间的视觉反馈回路，类似于结构仿真的有限元分析，得到了认可。设计不同的表面和关节拓扑结构时，采用了Grasshopper的插件Pachyderm，用于同步建模和声音反射反馈。对于声学分析的更高级的基于射线的建模以及从复杂的建模环境中导入几何形状，ODEON用于在制造最终几何形状之前进行声学模拟石 材 类 型 和 表面 经 过 最 终 声 学 测 试 ， 使 用 头部 和 躯 干 模 拟 器（HATS）记录这些表面在不同dB水平下的声音反射能力，并从选定的角度和距离范围进行物理评估，并与模拟结果进行比较。7. 结论在立体切割的背景下，机器人制造方法和工艺可以应用于复杂和自支撑石材结构的模块和接头的精确、连续和个性化生产。为此，本文讨论了四个案例研究，其中包括一系列解决方案，这些解决方案研究了模块和关节的机器人制造，从而使关节的特定几何形状支持结构性能。通过测试这些关节几何形状对结构，材料和机床的约束，研究探索新的机器人工作过程中的材料和技术应用，以扩大石材结构的工艺。随着六轴机器人制造方法的引入，复杂形状的定制部件、模块的半自动化制造以及结构上有效的接头的系列化变得负担得起且可行。此外，该研究讨论了一个多标准框架，提供了一个概述材料规格，机器切削技术，工具和关节几何形状。这些标准可以组合成一个工作流程图，协调多个项目方面-从设计到模拟，再到制造。这有效地为设计师、建筑师和制造商提供了更好的控制，从而可以克服经济可行性的挑战因此，通过利用机器人技术进行立体切割，为建筑实践提供了可行的解决方案，可以支持当地虽然还需要更多的研究工作，但这些初步结果有可能增加制造知识，并支持建筑行业的石材贸易和立体应用。利益冲突作者声明与本手稿无利益冲突。确认这项研究得到了悉尼大学悉尼建筑，设计和规划学院的慷慨支持，通过种子补助金，并在DMaF制作。我们要感谢来自Gosford Quarries的行业赠款和奖学金的支持- Bradley See，Gary Hargreaves CharlieSarkis; Garfagnana Innovazione ， 意 大 利 ; 材 料 切 割 ， 意 大 利 ;Omax，美国; T D Robotics; ETH Zurich Structural Design ResearchGroup，瑞士; DMaF- Dylan引用Barberio，M.，&法拉卡拉湾（2018）参数形态发生，机器人制造构造新型立体分割hypar形态：Hypar Gate，Hypar Wall和Hypar Vault。在现代建筑背景下的形式和形态发生研究手册，9781522539933。IGI Global，DomenicoBlock Research Group，2016. http://block.arch.ethz.ch/brg/网站。布鲁克斯，H.，&Aitchison，D.（2010年）。大型泡沫切割快速成型与制造技术研究进展。Rapid PrototypingJournal，16（5），318-327.Burry，M.（2016年）。Sagrada Familia Basilica的机器人：机器人石材切割简史In D.莱因哈特河Saunders，J. 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