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系統識別號 U0002-1909201802361200
中文論文名稱 應用機械手臂製造於金屬板加工
英文論文名稱 Applying Robotic Fabrication for the Metal Sheet Processing
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 建築學系碩士班
系所名稱(英) Department of Architecture
學年度 106
學期 2
出版年 107
研究生中文姓名 林哲瑋
研究生英文姓名 Tse-Wei Lin
學號 605360030
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2018-07-02
論文頁數 104頁
口試委員 指導教授-陳珍誠
共同指導教授-柯純融
委員-倪順成
委員-張恭領
中文關鍵字 金屬加工  機械手臂製造  參數化設計  數位製造 
英文關鍵字 Metal Processing  Robotic Fabrication  Parametric Design  Digital Fabrication 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 以往的建築設計數位化之後,由二維繪圖延伸至三維形體的探討;然而在電腦模型存在於虛擬的螢幕裡,並缺少了建造時的建構邏輯思考。在電腦軟體與數位製造工具日新月異的進步之下,建築設計跳脫無重力下的虛擬螢幕,數位建築與營造之間的距離日益縮小,由一開始的電腦輔助設計銜接到電腦輔助製造,並思考數位建築變為真實建築的可能性,改變了以往的繪圖邏輯,整合了施工流程、細部設計與構造的流程。今日能與電腦溝通的工具日益增加,相較於以往介面友善許多,大大增加了真實製造的可行性。而機械手臂自1970年代投入重工業裡使用,其三維的運動方式能能縮短加工流程中的時間與人力,有助於實踐建築設計中複雜形體製作與組裝的可能性。

本研究以金屬板材作為實驗材料,研究如何應用機械手臂進行金屬加工。本研究主要選用兩種金屬加工技術:單點加壓成型(SPIF,Single Point Incremental Forming)與摺疊(Folding)作為研究對象。研究初期以機械手臂離線編程軟體Scorpion搭配UR10進行單點加壓成型,由於UR的安全保護模式讓UR不適合金屬加工。後期改以離線編程軟體Robots與硬體KUKA KR30進行金屬加工。第一階段在Grasshopper圖像介面下做參數化編程,透過軟體了解機械手臂的操作與整體編程邏輯,以單點加壓成型加工作為研究主軸。加工路徑偏向二維平面,並沒有複雜的三維空間操作模式與訊號控制,運用自製的末端執行器搭配圓形沖頭安裝於機械手臂上進行加工,透過機械手臂在鋁板材上一層一層往下壓,利用金屬延展性所造成薄的板形變,製成可以受力的元件。在第二階段則是以摺疊加工為主軸,將金屬板材固定於輔具上,使用訊號控制安裝於機械手臂上的氣動夾爪,對板材進行彎折加工製成具有形抗能力的單元,以鑲嵌或鉚釘接合成為小型的拱,足以乘受自重而站於平面上。最後以實際尺寸建構小型展示亭,其外型為三面不以同單元加工方式所相接的三角錐;在實際空間中的構築需要考慮結構強度、材料細部接合、預算等問題,透過機械手臂加工的精準性以減少整個設計造流程中的誤差與成本。

本研究對於金屬的延展特性進行數位製造與技術的探討,而應用機械手臂的優勢在於適合多元的加工流程與彈性,將不同的設計、製造與加工加以程序化,並搭配不同的自製末端執行器對於各種材料的加工進行相對應的實驗。以機械手臂作為工具有別以往金屬加工廠的加工方式,並思考如何建立屬於新型態金屬加工技術的流程,將其運用在建築的真實建構上。
英文摘要 The development of technology has brought us to an age of digitalization, virtualization, and automation, and the computer-aided design environment has been shifted from two-dimensional (2D) graphical drawing to three-dimensional (3D) modelling design. However, computer modelling is virtual and lack of the information for the structural system in real construction. Along with the advancement of computer technology and digital fabrication, and it becomes possible of making the virtual digital architecture design into the physical world. The distance between digital architecture design and digital fabrication are shortened thanks to the development of computer-aided design and manufacturing. Digital design software changes the logic of design thinking, as well as integrates the fabrication process, detail design and construction. In addition, the interfaces of computer software are much more user-friendly nowadays, this also benefits digital design and fabrication a lot. Robotic arm has been applied to heavy industry since the 1970s, that reduces the manpower of works. Robotic arm also helps the fabrication and construction of sophisticated structures designed by digital modelling.

In this study, metal sheets are used as experimental materials to study how to apply robotic arms for metal processing, and two metal processing technologies are selected: single point incremental forming (SPIF) and folding. At the beginning of this research, the robotic off-line programming software Scorpion is used with UR10 for SPIF, however, the safety mode of UR10 limits itself from the metal processing. Subsequently, the KUKA KR30 and the off-line programming software, Robots are used to do the metal processing. In the first stage, the parametric modeling is performed under the Grasshopper. The operation of the robot arm and the programming logic are conducted by the software, and the SPIF process is the objective of this stage. The machining path emphasizes on the two-dimensional plane, and there is no complicated three-dimensional operation mode and signal control at this stage. The self-made end effector is mounted on the robot arm with a circular punch for processing, and the robotic arm presses the aluminum plate down layer by layer. A thin metal plate deformation caused by the ductility of the metal helps to form a force-receiving behavior. In the second stage, the focus is on the metal processing folding technique, the metal plate is fixed on the jig, and the pneumatic grippers mounted on the robotic arm is controlled by signals to bend the plate to form a folding unit. The units are joined with rivets into a small arch, which is strong enough to stand on the ground by self-weight. Finally, a pyramid shaped pavilion is built up with the units which are processed with different metal processing techniques. It is essential to consider the strength of structure, joint techniques, budgets, etc., in actual constructions, and the planning can be more accurate and economical with the advantage of robotic arm fabrication.

This study applies the digital fabrication and technology to explore the ductile properties of metal, and the advantage of robotic arm application is suitable for multiple processing processes, thus different design programming, manufacturing and processing are able to conducted by self-made end effectors. Corresponding experiments were performed on the processing of various materials. With the robotic arm as a tool, it is different from the traditional metal processing methods, this research establishes a process for the new state of metal processing and the implementation for the real construction of the building.
論文目次 目錄
第一章緒論
1-1研究動機1
1-1-1對於數位設計與製造經驗1
1-1-2 2015、2016年機械手臂工作營2
1-1-3工業3.0演進至工業4.03
1-1-4參數化設計與製造延伸至營建4
1-2研究目的5
1-2-1金屬加工之研究5
1-2-2金屬材料之討論5
1-2-3機械手臂加工之案例研究6
1-2-5數位製造與組裝研究6
1-3研究領域7
1-4研究流程8
1-5研究成果9

第二章文獻
2-1案例10
2-1-1Stressed Skins/CITA10
2-1-2 Ninety Nine Failures12
/The University of Tokyo Digital Fabrication Lab12
2-1-3 University of Stuggart13
2-1-4 Arum/Zaha Hadid15
2-1-5 菅野美術館/阿部仁史16
2-1-6 Patkau Architects17
2-2相關書籍19
2-2-1The Robotic Touch19
2-3機械手臂運動學21
2-3-1正向運動學21
2-3-2反向運動學21
2-3-3奇異點22
2-4機械手臂品牌23
2-4-1 KUKA23
2-4-2 ABB23
2-4-3Universal Robots24
2-5程式庫與插件25
2-5-1Taco25
2-5-2HAL26
2-5-3 Scorpion27
2-5-4 Kangaroo28
2-5-5 Robots29
第三章SPIF
3-1 前言31
3-1-1 前製作業31
3-1-2 機械手臂UR編程34
3-1-3 Robots36
3-2 SPIF41
3-3 小結52

第四章 Folding
4-1 前言54
4-2設計一56
4-2-1 Grasshopper56
4-2-2 機械手臂編程61
4-2-3製作組裝65
4-3設計二68
4-3-1 Grasshopper68
4-3-2 機械手臂編程73
4-2-3製作組裝77

第五章 展示亭
5-1 設計發想80
5-2 3D模擬規劃81
5-3機械手臂加工與組裝85

第六章 結論與建議
6-1 設計操作與檢討99
6-1-1 SPIF99
6-1-2 Folding99
6-2個人研究心得100
6-3後續研究與建議101
6-3-1軟體研究建議101
6-3-2硬體研究建議101

參考文獻

圖目錄
第一章緒論
【圖1-1-1】畢業設計局部渲染透視圖1
【圖1-1-2】畢業設計模型照片1
【圖1-1-3】2015年傳承工作營海報2
【圖1-1-5】2016年傳承工作營海報2
【圖1-1-4】2015年傳承工作營機械手臂製造過程2
【圖1-1-6】2016年傳承工作營機械手臂製造過程2
【圖1-4-1】研究流程圖8

第二章文獻
【圖2-1-1】Stressed Skins 置於美術館照片10
【圖2-1-3】Stressed Skins 電腦演算模擬圖10
【圖2-1-2】Stressed Skins 內層局部特寫10
【圖2-1-4】Stressed Skins 機械手臂移動路徑模擬圖11
【圖2-1-6】Stressed Skins 內外皮層間細部特寫11
【圖2-1-5】Stressed Skins 單元施作過程11
【圖2-1-7】Stressed Skins 外層Pattern11
【圖2-1-8】Ninety Nine Failures 全景照片12
【圖2-1-10】Ninety Nine Failures 設計想法12
【圖2-1-9】Ninety Nine Failures 內部照片12
【圖2-1-11】小模型測試過程12
【圖2-1-12】ICD/ITKE Research Pavilion 2010全景照片13
【圖2-1-13】ICD/ITKE Research Pavilion 2010組裝方式13
【圖2-1-14】ICD/ITKE Research Pavilion 2011全景照片14
【圖2-1-16】ICD/ITKE Research Pavilion 2012局部照片14
【圖2-1-15】ICD/ITKE Research Pavilion 2011結構運算14
【圖2-1-17】ICD/ITKE Research Pavilion 2012編織圖形與算法14
【圖2-1-18】Arum 全景照片15
https://www.archdaily.com/269061/venice-biennale-2012-arum-zaha-hadid15
【圖2-1-19】Arum 局部照片15
https://www.archdaily.com/269061/venice-biennale-2012-arum-zaha-hadid15
【圖2-1-20】菅野美術館全景16
http://a-slash.net/index.php/projects/ssm/16
【圖2-1-21】Dane Zeiler手稿16
http://cargocollective.com/danezeiler/JAPAN-FELLOWSHIP16
【圖2-1-22】Onefold17
https://patkau.ca/projects/one-fold/17
【圖2-1-23】GNaum立面照片18
https://patkau.ca/projects/gnaum/18
【圖2-1-25】Cut/Drawn模型照片118
https://patkau.ca/projects/cut-drawn/18
【圖2-1-24】GNaum局部18
https://patkau.ca/projects/gnaum/18
【圖2-1-26】Cut/Drawn模型照片218
https://patkau.ca/projects/cut-drawn/18
【圖2-2-1】The Robotic Touch封面19
【圖2-2-2】Robotic Fabrication in Architecture,Art and Design封面20
【圖2-3-1】腕關節奇異點22
【圖2-3-2】肩關節奇異點22
【圖2-3-3】肘關節奇異點22
【圖2-4-1】KUKA商標23
【圖2-4-2】ABB商標23
【圖2-4-4】Kuka Robot KR 30-324
【圖2-4-5】ABB Robot IRB 160024
【圖2-4-3】UR商標24
【圖2-4-6】Universal Robots UR524
【圖2-5-2】Taco Logo25
【圖2-5-3】Taco指令欄25
【圖2-5-1】Grasshopper 讀取畫面25
【圖2-5-4】HAL Logo26
【圖2-5-5】HAL OSC控制介面26
【圖2-5-6】HAL 指令欄26
【圖2-5-7】HAL Logo27
【圖2-5-9】Scorpion Example in Grasshopper27
【圖2-5-8】Scorpion指令欄27
【圖2-5-10】Kangaroo Logo28
【圖2-5-11】Kangaroo 指令欄28
【圖2-5-12】Robots Logo29
【圖2-5-13】Robots 指令欄29

第三章SPIF
【圖3-1-1】輔具拆解圖31
【圖3-1-2】輔具製作過程31
【圖3-1-3】Dapper Punch32
http://www.cooksongold.com/Jewellery-Tools/Set-Of-24-Steel-Doming- Punches----Value-Range-prcode-999-304632
【圖3-1-5】Tipped Punch32
http://www.ebay.com/bhp/roll-pin-punch32
【圖3-1-7】Straight Punch32
https://www.harborfreight.com/9-piece-punch-and-die-set-95547.html32
【圖3-1-4】Dapper Punch沖壓示意圖32
【圖3-1-6】Tipped Punch沖壓示意圖32
【圖3-1-8】Straight Punch沖壓示意圖32
【圖3-1-9】漸進成形所用末端執行器33
【圖3-1-10】漸進成形所用末端執行器233
【圖3-1-11】UR開機畫面34
【圖3-1-12】UR Program Robot34
【圖3-1-13】UR 初始介面35
【圖3-1-15】UR Waypoint35
【圖3-1-17】UR Command IO35
【圖3-1-14】UR Program編寫35
【圖3-1-16】UR Command Popup35
【圖3-1-18】UR Command Wait35
【圖3-1-20】KUKA-KR30 3D檔案36
【圖3-1-21】KUKA-KR30 XML編碼36
【圖3-1-19】Load Robot System36
【圖3-1-22】Create Tool36
【圖3-1-23】Tool_Punch_XY plane37
【圖3-1-25】Tool_Punch_XZ plane37
【圖3-1-27】Coordinate System37
【圖3-1-28】Tool以XY平面模擬37
【圖3-1-24】Create Tool以XY平面為例37
【圖3-1-26】Create Tool以XZ平面為例37
【圖3-1-29】Tool以XZ平面模擬37
【圖3-1-31】Joint Target38
【圖3-1-30】Create Target38
【圖3-1-32】Cartesian Target38
【圖3-1-33】Command38
【圖3-1-34】Create Program39
【圖3-1-35】Simulation39
【圖3-1-36】Rhino視窗裡模擬狀況40
【圖3-1-37】Save Program/Remote UR40
【圖3-2-1】金屬退火41
【圖3-2-3】PVC塑膠片測試141
【圖3-2-2】SPIF Tool Path41
【圖3-2-4】PVC塑膠片測試241
【圖3-2-5】SPIF路徑方式42
【圖3-2-6】Scorpion 控制UR10設定43
【圖3-2-7】Robots控制KUKA Kr30設定43
【圖3-2-8】Tool Path Diagram145
【圖3-2-9】製造過程145
【圖3-2-10】電腦模擬145
【圖3-2-11】模型照片145
【圖3-2-12】製造過程246
【圖3-2-13】實際測量246
【圖3-2-14】模型照片246
【圖3-2-15】Tool Path Diagram347
【圖3-2-16】製造過程347
【圖3-2-17】電腦模擬347
【圖3-2-18】模型照片347
【圖3-2-19】Tool Path Diagram448
【圖3-2-20】製造過程448
【圖3-2-21】電腦模擬448
【圖3-2-22】模型照片448
【圖3-2-23】Tool Path Diagram549
【圖3-2-24】製造過程549
【圖3-2-25】電腦模擬549
【圖3-2-26】模型照片549
【圖3-2-27】製造過程650
【圖3-2-28】實際測量650
【圖3-2-29】模型照片650
【圖3-2-30】製造過程751
【圖3-2-31】實際測量751
【圖3-2-32】模型照片751

第四章 Folding
【圖4-1-1】以UR5測試54
【圖4-1-2】雙活動式真空吸盤座54
【圖4-1-3】GP410N-C作為末端執行器55
【圖4-1-4】Folding角度測試55
【圖4-1-5】0.6mm厚度鋁片Folding成各角度結果55
【圖4-1-6】Folding角度測試結果55
【圖4-2-1】Grasshopper定義單元56
【圖4-2-2】設計一單元56
【圖4-2-3】單曲曲面分割邏輯定義57
【圖4-2-4】矩形分割面積57
【圖4-2-5】單曲曲面分割方式57
【圖4-2-6】單元貼附到所有分割矩形58
【圖4-2-7】整理資料結構58
【圖4-2-8】單元貼附於矩形上58
【圖4-2-9】模擬透視圖58
【圖4-2-10】單元貼附到格狀系統59
【圖4-2-11】單元貼附到格狀系統59
【圖4-2-12】單元修正60
【圖4-2-13】單元切割線圖60
【圖4-2-14】路徑生成61
【圖4-2-15】檢查路徑順序、平面向量61
【圖4-2-16】機械手臂Program生成63
【圖4-2-17】機械手臂Simualtion63
【圖4-2-18】機械手臂實際運作65
【圖4-2-19】單元組裝過程66
【圖4-2-20】4-2模型照片167
【圖4-2-22】4-2模型照片367
【圖4-2-24】4-2模型照片567
【圖4-2-21】4-2模型照片267
【圖4-2-23】4-2模型照片467
【圖4-2-25】4-2模型照片667
【圖4-3-1】GH曲面分割68
【圖4-3-2】不同曲面分割68
【圖4-3-3】b、c組檢查單元尺寸和Folding角度69
【圖4-3-4】GH定義切割單元69
【圖4-3-5】切割單元方式69
【圖4-3-6】b單元生成修正70
【圖4-3-7】單元攤平貼附到格子系統70
【圖4-3-8】單元貼附完結果70
【圖4-3-9】單元攤平貼附修正71
【圖4-3-10】單元貼附完修正完結果71
【圖4-3-11】單元連接片71
【圖4-3-12】單元切割檔71
【圖4-3-13】單元依Folding其中一面貼附72
【圖4-3-14】貼附單元修正72
【圖4-3-15】運算每片單元角度72
【圖4-3-16】單元角度算法72
【圖4-3-17】路徑生成73
【圖4-3-18】檢查不同單元路徑順序、平面向量73
【圖4-3-19】機械手臂Program生成75
【圖4-3-20】末端執行器尺寸75
【圖4-3-21】Folding時末端執行器與單元間關係75
【圖4-3-22】機械手臂實際運作77
【圖4-3-23】單元組裝過程78
【圖4-3-24】4-3模型照片179
【圖4-3-26】4-3模型照片379
【圖4-3-28】4-3模型照片579
【圖4-3-25】4-3模型照片279
【圖4-3-27】4-3模型照片479
【圖4-3-29】4-3模型照片679

第五章 展示亭
【圖5-1-1】展示亭初步形狀80
【圖5-1-2】展示亭初步尺寸80
【圖5-1-3】每片單元分割80
【圖5-1-4】整理單元分割80
【圖5-2-1】SPIF單元生成81
【圖5-2-2】Folding單元生成81
【圖5-2-3】複合單元生成81
【圖5-2-4】模擬展示亭平面82
【圖5-2-6】落腳設計說明82
【圖5-2-7】展示亭最後設計平面82
【圖5-2-5】模擬展示亭立面82
【圖5-2-8】展示亭最後設計立面82
【圖5-2-9】施工流程圖83
【圖5-3-1】SPIF模具85
【圖5-3-3】SPIF實際加工85
【圖5-3-4】SPIF實際加工過程於機械手臂上視角86
【圖5-3-5】末端執行器用於連續Folding87
【圖5-3-7】Grasshopper用於計算多面體夾角87
【圖5-3-8】Grasshopper計算末端執行器下壓深度87
【圖5-3-6】連續Folding搭配用輔具87
【圖5-3-9】Folding單元加工步驟88
【圖5-3-10】機械手臂實際運作Folding加工89
【圖5-3-11】單元複合加工步驟90
【圖5-3-12】機械手臂實際複合加工91
【圖5-3-13】單元組裝過程92
【圖5-3-14】SPIF加工完成單元相接93
【圖5-3-15】Folding加工完成單元相接93
【圖5-3-16】複合加工完成單元相接93
【圖5-3-17】展示亭組裝到第三層結果的照片93
【圖5-3-18】落腳單元加工過程94
【圖5-3-19】落腳組裝過程照片95
【圖5-3-20】落腳單元細部照片95
【圖5-3-21】展示亭最後全部組裝過程96
【圖5-3-22】展示亭全景照片97
【圖5-3-23】展示亭細節照片98
參考文獻 參考文獻

【相關書目】

楊啟杰
2014 The Robotic Touch. Zurich:Park Books Wesley McGee, Monica Ponce De Leon
2014 Robotic Fabrication in Architecture, Art and Design 2014. Cham:Springer International Publishing AG

Chris Anderson
2013 《自造者時代》,連育德 譯,天下文化。

Fabio Gramazio、 Matthias Kohler、 Jan Willmann
2014 《The Robotic Touch》,Park Books。

Rob Thompson
2012 《原型製作與少量製造-產品製造工法入門》,陳建男 陳維隆 譯, 龍溪國際圖書。

Paul Jackson
2012 《設計摺學》,李弘善 譯,積木文化。

Wes McGee, 、Monica Ponce de Leon
2014 《Robotic Fabrication in Architecture,Art and Design 2014》。

【相關論文及期刊】

王祈雅
2013 《參數化折疊表面之建築設計應用》,淡江大學建築學系碩士論文。

林宏祈
2013 《以田口方法探討AA150鋁板單點增量成形之厚度改善》,國立台北科技大學製 造科技研究所碩士論文。

束道衛
2015 《金屬材料之數位構築與數位製造》,淡江大學建築學系碩士論文

盧彥臣
2015 《機械手臂技術及材料實驗於建築數位製造之應用》淡江大學建築學系碩士論文。

黃崇安
2017 《應用機械手臂製造木構築》,淡江大學,建築學系碩士論文

【參考電子文件及網站】

Universal Robots
2013 URScript API Reference. Denmark. Unversal Robots
2013 UR10 Safety manual. Denmark. Universal Robots
2014 Technical specifications UR10. Denmark. Universal Robots
https://www.universal-robots.com/

KUKA
2010 KUKA.ExpertTech 3.1 For KUKA System Software 8.2. Germany. KUKA
2011 機器人編程1. Germany. KUKA
2013 KUKA.ExpertTech 3.2 For KUKA System Software 8.2 and 8.3. Germany. KUKA
2017 KUKA KR30, 60-3; KR 30 L16-2 With F and C Variants Specification. Germany.KUKA
https://www.kuka.com/en-de

RoboFold
〈RoboFold〉http://www.robofold.com/

Grasshopper
〈KingKong〉https://www.grasshopper3d.com/group/kingkong
〈Scorpion〉https://www.grasshopper3d.com/group/scorpion
〈Taco〉https://www.grasshopper3d.com/group/taco-abb-robot-programming-for- grasshopper
〈Hal〉https://www.grasshopper3d.com/group/hal
〈Pufferfish〉https://www.grasshopper3d.com/group/pufferfish

Digital AIEOU
https://www.facebook.com/digitalaieou/

GitHub
https://github.com/visose/Robots

Wiki-Wikipedia, the free encyclopedia
https://en.wikipedia.org/wiki/KUKA
https://en.wikipedia.org/wiki/Universal_Robots

論文使用權限
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