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系統識別號 U0002-2608202014364800
中文論文名稱 以多向度榫卯接頭搭建的純木框架結構與機械手臂製造之應用
英文論文名稱 The Application of Robotic Fabrication for Pure Timber Construction with Multiple Directions of Tenon and Mortise Joints
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 108
學期 2
出版年 109
研究生中文姓名 王明洋
研究生英文姓名 Ming-Yang Wang
學號 607360020
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2020-06-28
論文頁數 183頁
口試委員 指導教授-陳珍誠
共同指導教授-柯純融
委員-蕭吉甫
委員-陳宏銘
中文關鍵字 機器人建造  規格化木材  參數化模型  互承結構  榫卯設計 
英文關鍵字 Robotic Fabrication  Timber  Parametric Modeling  Reciprocal Frame  Tenon and Mortise 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 面對地球環境的劇烈變化,環保、節能、永續等觀念在建築產業上也逐漸受到重視。相較於現代建築常使用但高汙染、高耗能且無法回收利用的鋼筋混凝土,木材是純自然生成的建築材料且具有質地輕、儲備碳元素的功能,以及可被生物分解的特性等。不僅如此,透過今日的技術,加工後的木料可具備了抗震、防火、與防蟲等優勢。隨著永續環境議題受到重視,今後木構造建築的發展不容忽視。

為求更有效率的生產與製造,在第三次工業革命後木材工業改以一機多用的方式提昇產量與效率。在電腦軟體可普遍輔助加工的環境下,結合電腦輔助設計(Computer-Aided Design,CAD)、電腦數值控制工具機(Computer Numerical Control,CNC)與機械手臂製造(Robotic Fabrication)的應用,增加了木材加工技術的發展與新的可能性。本研究著重於以機械手臂為主軸的自動化製程,並以木材材料性的結構特質為基礎,應用互承結構與榫構造的設計搭建多角度變化的幾何外型框架。

本研究主要分為四個部分:一、由傳統魯班鎖鎖件的幾何元件設計為基礎,以CAD軟體繪製可調整型態與角度的參數化榫卯模型,並且透過研究互承結構的幾何關係繪製基本的拱型結構。二、透過機器人離線編程(Off-line Programming, OLP )與機器人製造的方式,測試機械手臂側面銑削加工的路徑與系統配置並以第一部分設計的結構模型為基礎重新規劃製程並且實際製造。三、結合榫卯設計與互承結構的系統並將該系統套用至一多角度變化的連續幾何面,設計展示亭之外形與構造,並調整機械手臂的製程系統完成製造。四、記錄組裝與搭建展示亭的過程與成果。

以往複雜的木構造結構搭配榫卯設計或互承結構的系統必需仰賴極為精湛的木工手藝與技術方可完成施作。本研究透過設計機器人離線編程並使用機器人製造的方式完成木構造桿件單元的製造。此外,結合上述的系統與參數化模型的調整,可及時產出相對應模型結構單元的大量客製化製程,並且有效率的透過六軸機械手臂與轉盤的生產線來完成製造。期待在本研究完成後能提供後續的研究者參考,使得未來機械手臂製造於建築的應用上有更寬廣的發揮空間。
英文摘要 Facing the violent changes in today’s global environment, the eco-friendly, energy-saving and sustainability concept is gradually valued by the architectural industry in modern times. Compared to the reinforced concrete (RC) method that is high in pollution and energy-consuming and cannot be recycled as being used in modern buildings, timbers belong to the naturally grown architectural materials that are not only lighter in weight but also allow for storing carbon elements and biological decomposition. After being processed with today’s technology,wooden materials will be provided with vibration resistant, fire prevention and insect-resisting advantages. Along with the rise of sustainable environment issues, the development of wooden structure buildings should not be treated lightly in the future.

To achieve more efficient production and fabrication, the multi-purpose machines are used by the timber business after the Third Industrial Revolution to elevate their productivity and efficiency. Facing the popular trend in using computer software to support the fabrication, the industry is starting to carry out production by combining CAD (Computer-Aided Design), CNC (Computer Numerical Control) and Robotic Fabrication to accelerate the development of timber fabrication technologies and to create newer possibilities. This research is focusing on the automated process using the robotic arm as the main tool. Based on the structural features related to the timber properties, the reciprocal frame is used with the tenon and mortise for designing the geometrical frame that can present multi-angle changes.

This research comprises following four sectors: 1) Using the geometrical component resulting from the conventional Luban Lock as the referential basis by which the pattern and angle adjustable parametric tenon and mortise model is produced with CAD software. In the meantime, the basic arch-shaped structure is also drafted through the research of the geometric relationship of the reciprocal frame. 2) Based on the robotic arm OLP (Off-line Programming) and the robot fabrication method, the side-milled route of the robotic arm and the system layout is tested to re-program the process according to the structural model designed for the aforesaid sector so that it can be put into the actual manufacturing process. 3) Establishing the system that is configured by combining the tenon-and-mortise and reciprocal frame where it will be applied to a continuous geometric surface subjected to multi-angle change to design the outline and the configuration of the pavilion. In the meantime, the robotic process is also adjusted to complete the fabrication. 4) The recording for the process and the results related to the assembly and construction of the fabrication.

Previously, the complicated wooden structure using the tenon and mortise or the reciprocal frame system is normally fabricated by relying on exquisite carpentry workmanship and techniques. In this research, the wooden bars are designed with the robotic OLP and then fabricated with the robot. By combining the aforesaid system and adjusting the parametric model, the mass customization process corresponding to the model structure unit can be developed. In this way, the fabrication can be completed efficiently through the production line executed by the 6-axis industrial robot and the extra axis. It is hoped that the research results can be used by the researchers in the future so that a broader space will be allowed for using the robotic fabrication in the construction of buildings.
論文目次 目錄
第一章 緒論 1
1-1 研究動機 2
1-1-1.數位製造的經驗 2
1-1-2.現代主義精神的延續 3
1-1-3.工業4.0與參數化主義 3
1-1-4.悲劇事件與建築材料的沿革 4
1-1-5.木材料與永續環境 4
1-1-6.木材料的應用與智慧化生產鏈 4
1-2 研究目的 5
1-2-1. 轉換材料的結構屬性至幾何資訊 5
1-2-2. 木材料加工與電腦數值控制工具機 5
1-2-3. 機械手臂製程設計與木材料加工 5
1-2-4. 榫卯結構 5
1-2-5. 實驗性木加工與構築 6
1-3 相關領域 7
1-3-1. 機械化木工製造 7
1-3-2. 參數化模型 7
1-3-3. 機器人建造 7
1-4 研究成果 8

第二章 文獻回顧 9
2-1 機器人建造的發展背景 10
2-1-1. 大量生產至大量客製化 10
2-1-2. 機器手臂的沿革 11
2-1-3. 機器製程與建築 12
2-1-4. 工業 4.0 13
2-2 機器手臂簡介 14
2-2-1.機器手臂的軟硬體設備 14
2-2-2.機器手臂運動學 16
2-2-3.機械手臂末端執行器 19
2-2-4. 離線編程 - Grasshopper插件 20
2-3 錯層壓木材- CLT 22
2-3-1.錯層壓木材- CLT簡介 22
2-3-2. "CLT"製作工法 23
2-3-3. CLT的材料特性與細部設計 23
2-3-4.應用CLT的台灣建築 27
2-3-5. CLT於台灣的展望 27
2-4 互承結構- RF 28
2-4-1. 互承結構概述 28
2-4-2. 互承結構的起源 28
2-4-3. 互承結構的形態學 32
2-4-4. 互承結構的幾何學 34
2-5 榫卯結構- Tenon & Mortise 38
2-5-1. 榫卯結構概述 38
2-5-2. 榫卯結構主要的接合種類 39
2-5-3. 數位與機器人製造的榫卯結構 47
2-6 數位製造木構築案例 51
2-6-1. 機械手臂製造的木構築展示亭 51
2-6-2. 數位製造的大尺度建築案例 58

第三章 三向度榫卯研究 61
3-1. 孔明鎖的構成與分解 62
3-1-1. 魯班鎖與孔明鎖 62
3-1-2. 組合邏輯 1 :插銷式 63
3-1-3. 組合邏輯 2 :聯動式 64
3-1-4. 組合邏輯 3:旋轉式 64
3-1-5. 組合邏輯 4 :聯動旋轉式 65
3-2. 結合繪圖軟體的三向接頭設計與製程 66
3-2-1. Rhinoceros 的布林運算(Boolean) 66
3-2-2. 三向度接頭構件分割 67
3-3. 結合互承結構概念的三向度榫卯設計 69
3-3-1. 單一幾何中心的RF框架系統節點鍵接 69
3-3-2. 三向度插銷於節點榫卯結構的置入 70

第四章 機械手臂木料銑銷系統的測試與設計 73
4-1.銑削系統的硬體配置 74
4-1-1. 電主軸 74
4-1-2. 變頻器 75
4-1-3. KP1-V500 第七軸轉盤 79
4-2.銑削系統單位簡介 80
4-2-1.銑削速度 [V(m/min)] 80
4-2-2.給進量 [f(mm/s)] 80
4-2-3.給進速度 [F(mm/min)] 80
4-2-4.銑削深度 [a(mm)] 80
4-3. 銑削系統的刀具規格選型 80
4-3-1. 刀具刃數與加工特點 80
4-3-2. 右、左旋刀 81
4-3-3.刀具種類 82
4-4. 互承結構桿件銑削製程系統的刀徑設計與實驗 84
4-4-1. 互承結構的繪製與插件軟體之應用 84
4-4-2. 拱形互承結構的繪製與參數調整 86
4-4-3. 銑削製程的輔具設計 88
4-4-4. 銑削製程設計 90
4-5. 拱形互承結構實驗製造過程與組裝 96
4-5-1. 拱形互承結構桿件銑削製程 96
4-5-2. 拱形互承結構桿件組裝 104
4-5-3. 拱形互承結構實驗全貌 108
4-6.小結 110
4-6-1. 拱型互承結構實驗之設計與製造經驗小結 110
4-6-2. 拱型互承結構實驗之缺失與將修正的項目 110

第五章 木構造展示亭之幾何設計 113
5-1. 雙層互承結構與榫卯接點 114
5-1-1. 雙層互承結構的框架原型 114
5-2. 多角度之連續幾何面繪製 116
5-3. 展示亭之雙層互承結構配置 117
5-3-1. 主要結構- 單一格點式多單元組合的RF框架系統 117
5-3-2. 次要結構- 複雜式多單元組合的RF框架系統 117
5-4. 展示亭之基座設計 120
5-5. 展示亭木桿件榫卯設計 120

第六章 展示亭之機械手臂製造與組裝施工 123
6-1. 展示亭木桿件榫卯之機械手臂製程設計優化 124
6-1-1. 展示亭木桿件之幾何資料整理與排列 124
6-1-2. 銑削加工輔具設計與優化 125
6-1-3. 機械手臂銑削加工刀線優化 127
6-1-4. 機械手臂銑削製程流程規劃 129
6-2. 展示亭木桿件榫卯之機械手臂銑削加工 132
6-2-1. 木桿件清修 132
6-2-2. 機械手臂之實際測量 133
6-2-3. 機械手臂銑削製造之路徑規劃 136
6-3. 展示亭結構單元組裝 146
6-3-1.山峰型與山谷型複雜式多單元組合RF框架組裝 147
6-3-2.單一格點式多單元組合RF框架組裝 148
6-3-3.複層山峰型複雜式多單元組合RF框架組裝 150
6-4. 展示亭結構單元拼接與施工 151
6-4-1. 展示亭基座之位置放樣 152
6-4-2. 展示亭頂蓋幾何結構單元之加強固定 153
6-4-3. 展示亭頂蓋與基座的接合作業 154
6-5. 展示亭全貌拍攝 158

第七章 結論 165
7-1. 操作過程回顧 166
7-1-1.榫卯構造與互承結構的聯合應用 166
7-1-2.機器手臂製程設計與操作 166
7-1-3. 展示亭之設計與製造經驗 167
7-2. 後續研究建議 168
7-2-1.三向度相交之榫卯結構幾何型設計與互承結構之搭配 168
7-2-2.榫卯構造與互承結構的聯合應用之目標曲面設計 168
7-2-3.配合萬向夾具或是雙機械手臂的銑削製程 169
7-3. 未來發展 169
7-3-1.木構造建築的展望 169
7-3-2.機械手臂加工之應用 169

參考文獻 171
附錄 173
附錄一 2020 淡江建築船沉機械手臂製造工作營 173
圖片來源 177

圖目錄
【圖 1-1】大四設計操作 - 材料性與加工法研究 2
【圖 1-2】大四設計操作 - 研究成果於建築設計上的可能 2
【圖 1-3】大五畢業設計 - Weave x Wave 2
【圖 1-4】碩一設計 - Bending Stool 3
【圖 2-1】汽車工業大量生產 10
【圖 2-2】自動化生產線 10
【圖 2-3】Leonardo da Vinci 機器人想像圖 11
【圖 2-4】機器人Unimation 11
【圖 2-5】Standford Arm 12
【圖 2-6】Famulus robotic arm 12
【圖 2-7】木材的銑削 12
【圖 2-8】金屬切割彎曲 12
【圖 2-9】水泥三維列印 13
【圖 2-10】碳纖維編織 13
【圖 2-11】工業革命的過程 13
【圖 2-12】KR 30-3 硬體部份 14
【圖 2-13】KR 30-3 手臂本體 14
【圖 2-14】KR 30-3 六軸 14
【圖 2-15】KR 30-3 工作範圍(立面) 14
【圖 2-16】KR 30-3 工作範圍(頂視) 15
【圖 2-17】KR 30-3 控制箱(KR C4 Robot controller) 15
【圖 2-18】工業用機械手臂 IO 插孔 15
【圖 2-19】示教器(Teach pendant, KUKA smart- PAD 15
【圖 2-20】反向運動學針對同一幾何點的8種組合 16
【圖 2-21】肩部奇異點(左);肘部奇異點(中);腕部奇異點(右) 17
【圖 2-22】Linear Motion 18
【圖 2-23】Point-to-Point Motion (PTP) 18
【圖 2-24】Circular Motion 18
【圖 2-25】Zone 18
【圖 2-26】末端執行器(End Effector) 19
【圖 2-27】抓取式夾爪(Grippers) 19
【圖 2-28】電磁力式夾爪(Magnetic Grippers) 19
【圖 2-29】吸盤式夾爪(Suction Grippers) 19
【圖 2-30】電主軸(Electric Spindle) 19
【圖 2-31】"HAL" Image 20
【圖 2-32】"Scorpion" icon 20
【圖 2-33】"Scorpion" 範例檔 20
【圖 2-34】"Robots" 四個主要的組別 21
【圖 2-35】"Robots" 編程邏輯 21
【圖 2-36】CLT & Glulam 22
【圖 2-37】CLT 組構 22
【圖 2-38】5層CLT 木料 22
【圖 2-39】5層CLT 木料(剖面) 22
【圖 2-40】CLT 製造流程 23
【圖 2-41】CLT 橫紋和豎紋交錯堆疊 24
【圖 2-42】台灣森科總部- CLT 外層散熱細部設計 24
【圖 2-43】ASTM E119 的標準失火時間與溫度的曲線圖 24
【圖 2-44】結構對抗 24
【圖 2-45】整合性 24
【圖 2-46】獨立絕緣隔熱 24
【圖 2-47】義大利&日本合作之CLT抗震實驗 25
【圖 2-48】CLT天花板隔音配件安裝 25
【圖 2-49】CLT隔音配件安裝細部 25
【圖 2-50】預製之CLT部件 26
【圖 2-51】CLT部件現場組裝 26
【圖 2-52】Quartier Des Spectacles / Ædifica 26
【圖 2-53】台灣森科總部(室外) 26
【圖 2-54】台灣森科總部(室外) 27
【圖 2-55】台灣森科總部(室內) 27
【圖 2-56】台灣森科總部(室內) 27
【圖 2-57】台灣森科總部- CLT 外層散熱孔設計 27
【圖 2-58】基本的輻射狀RF構造 28
【圖 2-59】基本的輻射狀RF構造 28
【圖 2-60】Neolithic Pit Dwelling 29
【圖 2-61】Hogan Dwelling 29
【圖 2-62】Indian Teepee 29
【圖 2-63】典型中世紀木構造樓板結構 29
【圖 2-64】Honnecour木樓板結構 29
【圖 2-65】林肯大教堂集會堂屋頂結構 30
【圖 2-66】林肯大教堂集會堂屋頂下半部結構平面 30
【圖 2-67】樓板框架系統 30
【圖 2-68】互承式格點框架 30
【圖 2-69】RF拱形結構 30
【圖 2-70】John Wallis 四條與三條角料達成一單元的組態 31
【圖 2-71】John Wallis RF可能的平面幾何組態 31
【圖 2-72】Mill Creek Public Housing (平面) 31
【圖 2-73】Salt storage building (屋頂) 31
【圖 2-74】Stonemason Museum / 木島安史 32
【圖 2-75】Ferryhill house / Graham Brown 32
【圖 2-76】RF系統的幾何變形 32
【圖 2-77】Single Reciprocal Frame 33
【圖 2-78】Multiple Reciprocal Frame Grid 33
【圖 2-79】Complex Reciprocal Frame 33
【圖 2-80】Spinning house / 石井和紘 33
【圖 2-81】圓穹頂框架結構 / Vito Bertin 33
【圖 2-82】三維RF結構 / Oliver Baverel 33
【圖 2-83】單一幾何中心的RF框架系統的幾何關係公式 34
【圖 2-84】RF系統幾何要素 34
【圖 2-85】穩定RF結構h2/H值和多邊形邊數的關係圖 34
【圖 2-86】單一幾何中心RF木框架之各式組合關係圖 34
【圖 2-87】違反製造原則/不符合現實的RF框架系統 35
【圖 2-88】可伸縮的RF框架系統 35
【圖 2-89】較小內向輪廓線外切圓半徑+角度較傾斜的RF桿件力圖 37
【圖 2-90】較大內向輪廓線外切圓半徑+角度較平緩的RF桿件力圖 37
【圖 2-91】溝槽卡榫連接 37
【圖 2-92】摩擦力連接 37
【圖 2-93】基礎的榫卯結構 38
【圖 2-94】山西五台佛光寺東大殿(唐代)外檐轉角鋪作 38
【圖 2-95】半槽邊接 40
【圖 2-96】舌槽邊接 40
【圖 2-97】貫穿方栓邊接 40
【圖 2-98】止方栓邊接 40
【圖 2-99】舌槽邊接 40
【圖 2-100】橫槽對接 40
【圖 2-101】止橫槽對接 41
【圖 2-102】鳩尾橫槽對接 41
【圖 2-103】指接榫 41
【圖 2-104】貫穿鳩尾榫 41
【圖 2-105】不貫穿鳩尾榫 41
【圖 2-106】不貫穿鳩尾榫 41
【圖 2-107】斜角搭接 42
【圖 2-108】十字搭接 42
【圖 2-109】十字搭接 42
【圖 2-110】鳩尾搭接 42
【圖 2-111】轉角三缺榫 43
【圖 2-112】斜切三缺榫 43
【圖 2-113】T字三缺榫 43
【圖 2-114】斜錐三缺榫 43
【圖 2-115】夾頭榫 44
【圖 2-116】插肩榫 44
【圖 2-117】止方榫 45
【圖 2-118】止單添榫 45
【圖 2-119】止單添榫 45
【圖 2-120】夾角穿榫 45
【圖 2-121】翹皮夾角穿榫 45
【圖 2-122】隔間榫 45
【圖 2-123】粽角榫 46
【圖 2-124】粽角榫 46
【圖 2-125】掛榫 46
【圖 2-126】掛榫 46
【圖 2-127】楔釘榫 46
【圖 2-128】楔釘榫 46
【圖 2-129】手工製造(右)與CNC (左)機具製造的差異 47
【圖 2-130】更換工具加工木榫的過程 48
【圖 2-131】搭載於機械手臂上的四種工具頭 48
【圖 2-132】震動方頭鑿刀和震動平頭鑿刀的差異 48
【圖 2-133】日本傳統木構築五重塔 48
【圖 2-134】引擎式鏈鋸機+機械手臂 49
【圖 2-135】帶鋸機+機械手臂 49
【圖 2-136】操作搭載引擎式鏈鋸機的機械手臂 49
【圖 2-137】修整原木外觀 49
【圖 2-138】木構築接頭 50
【圖 2-139】Chainsaw Choreography木構築成果 50
【圖 2-140】搭載特殊帶鋸機的機械手臂 50
【圖 2-141】複雜木構榫頭 50
【圖 2-142】複雜木構榫頭 50
【圖 2-143】日本居合斬動作流程分析 50
【圖 2-144】Complex Timber Structures 2 / 2013 ETH 51
【圖 2-145】機械手臂-木框架組裝 51
【圖 2-146】簡單曲面為基礎的結構框架實驗 52
【圖 2-147】錯位X型的基礎框架 52
【圖 2-148】偏移延伸結構線和封閉三角形結構加強原理 52
【圖 2-149】Complex Timber Structures 2 細部構造 52
【圖 2-150】機械手臂協同人工組裝構件 52
【圖 2-151】引孔 52
【圖 2-152】Wood Chip Barn / AA 2016 53
【圖 2-153】Wood Chip Barn 結構構造分解圖 53
【圖 2-154】17世紀英法戰船依據原木材形狀設計主架構 54
【圖 2-155】三維掃描後Y字型原木料的虛擬模型 54
【圖 2-156】Wood Chip Barn 木材部件 54
【圖 2-157】搭載電主軸銑削刀具的六軸機械手臂 54
【圖 2-158】小結構單元組裝 54
【圖 2-159】結構單元組裝施工現場 54
【圖 2-160】BUGA Wood Pavilion / ICD+ITKE 2019 55
【圖 2-161】BUGA Wood Pavilion / ICD+ITKE 2019 55
【圖 2-162】LAGA Pavilion v.s BUGA Pavilion 55
【圖 2-163】BUGA Pavilion 參考海膽結構的幾何分割 55
【圖 2-164】小單元結構分解圖 56
【圖 2-165】BUGA Pavilion 跨領域合作設計 56
【圖 2-166】大單元結構 56
【圖 2-167】BUGA Pavilion 施工現場 56
【圖 2-168】14軸機械手臂製造平台 57
【圖 2-169】安裝吸盤式夾爪 57
【圖 2-170】安裝木工專用銑削刀頭的風扇式電主軸 57
【圖 2-171】結構單元的齒輪狀木榫(Finger Joints) 57
【圖 2-172】Tamedia Office Building 58
【圖 2-173】主結構框架 58
【圖 2-174】榫卯結構組裝施工 58
【圖 2-175】Shigeru Ban團隊獨創的榫卯結構 58
【圖 2-176】Shigeru Ban團隊獨創的榫卯結構分解圖 58
【圖 2-177】SunnyHills at Minami-Aoyama 59
【圖 2-178】"Jiigoku-Gumi" 桁架 59
【圖 2-179】"Jiigoku-Gumi" 桁架組構 59
【圖 3-1】魯班鎖組合 62
【圖 3-2】經典六單元魯班鎖(插銷式) 63
【圖 3-3】三通鎖(聯動式) 63
【圖 3-4】籠中取寶(聯動式) 63
【圖 3-5】二十四鎖(連動式) 63
【圖 3-6】籠中取鎖(旋轉式) 63
【圖 3-7】丁香花鎖(聯動旋轉式) 63
【圖 3-8】經典六單元魯班鎖(單元) 64
【圖 3-9】組合步驟一 64
【圖 3-10】組合步驟二 64
【圖 3-11】組合步驟三 64
【圖 3-12】組合步驟四 64
【圖 3-13】組合完成 64
【圖 3-14】籠中取寶(單元) 64
【圖 3-15】組合步驟一 64
【圖 3-16】組合步驟二 64
【圖 3-17】組合步驟三 64
【圖 3-18】組合步驟四 64
【圖 3-19】組合完成 64
【圖 3-20】籠中取鎖(單元) 65
【圖 3-21】組合步驟一 65
【圖 3-22】組合步驟二 65
【圖 3-23】組合步驟三 65
【圖 3-24】組合步驟四 65
【圖 3-25】組合步驟五 65
【圖 3-26】組合步驟六 65
【圖 3-27】組合完成 65
【圖 3-28】丁香花鎖(單元) 66
【圖 3-29】組合步驟一 66
【圖 3-30】組合步驟二 66
【圖 3-31】組合步驟三 66
【圖 3-32】組合步驟四 66
【圖 3-33】組合步驟五 66
【圖 3-34】組合步驟六 66
【圖 3-35】組合完成 66
【圖 3-36】交集 67
【圖 3-37】差集 67
【圖 3-38】聯集 67
【圖 3-39】分割 67
【圖 3-40】步驟一:變化1(左) 標準(中) 變化2(右) 68
【圖 3-41】步驟二:變化1(左) 標準(中) 變化2(右) 68
【圖 3-42】步驟三:變化1(左) 標準(中) 變化2(右) 68
【圖 3-43】步驟四:變化1(左) 標準(中) 變化2(右) 68
【圖 3-44】完成:變化1(左) 標準(中) 變化2(右) 68
【圖 3-45】雙邊卡榫的桿件 69
【圖 3-46】雙邊卡榫的接合 69
【圖 3-47】繪製雙邊卡榫形式步驟一 69
【圖 3-48】繪製雙邊卡榫形式步驟二 69
【圖 3-49】繪製雙邊卡榫形式步驟三 70
【圖 3-50】繪製雙邊卡榫形式步驟四 70
【圖 3-51】繪製三向度插銷 70
【圖 3-52】繪製三向度插銷步驟一 70
【圖 3-53】繪製三向度插銷步驟二 71
【圖 3-54】繪製三向度插銷步驟三 71
【圖 4-1】電主軸 74
【圖 4-2】電主軸(夾頭) 74
【圖 4-3】變頻器 75
【圖 4-4】變頻器電路圖 76
【圖4-5】變頻器+ 電主軸測試(接線) 76
【圖4-6】變頻器+ 電主軸測試(參數設定) 76
【圖 4-7】變頻器外接輸入/輸出設備 78
【圖 4-8】變頻器輸入端/輸出端 78
【圖 4-9】變頻器與機械手臂的輸入/輸出端 78
【圖 4-10】機械手臂輸入端 78
【圖 4-11】變頻器設備與機械手臂數字控制端相對位置 78
【圖 4-12】KUKA KP1-V500 第七軸轉盤 79
【圖 4-13】本研究KUKA KR30-3與KP1-V500 的工作環境 79
【圖 4-14】本研究KUKA KR30-3、KP1-V500與校正桌的工作環境 79
【圖 4-15】立銑刀圖解 80
【圖 4-16】單刃銑刀 81
【圖 4-17】雙刃銑刀 81
【圖 4-18】三刃銑刀 81
【圖 4-19】四刃銑刀 81
【圖 4-20】右旋刀與左旋刀之比較 ; 刀刃旋轉方向 82
【圖 4-21】右旋刀與左旋刀之比較 ; 排屑方向 82
【圖 4-22】普通刃 82
【圖 4-23】錐型刃 82
【圖 4-24】普通刃 83
【圖 4-25】錐型刃 83
【圖 4-26】平刀 83
【圖 4-27】球刀加工端點 83
【圖 4-28】球刀銑削端點差異比較 83
【圖 4-29】圓鼻刀加工端點 84
【圖 4-30】圓鼻刀銑削端點差異比較 84
【圖 4-31】三尖刀木工鑽 84
【圖 4-32】基本互承結構線繪製與角度變化 85
【圖 4-33】RecipricalEdges 85
【圖 4-34】RecipricalExtend 85
【圖 4-35】拱形互承結構的繪製- Grasshopper 86
【圖 4-36】三種結構線圖樣- 方形(左) ; 三角形(中); 菱形(右) 87
【圖 4-37】三種結構線圖樣- Grasshopper 定義 87
【圖 4-38】相鄰邊線判別式- Grasshopper 定義 87
【圖 4-39】放樣方形桿件與繪製卡榫- Grasshopper 定義 88
【圖 4-40】雙邊卡榫桿件 88
【圖 4-41】雙邊卡榫桿件 88
【圖 4-42】放樣方形桿件與繪製卡榫- Grasshopper 定義 88
【圖 4-43】測試點位的末端執行器 89
【圖 4-44】工作桌校正 89
【圖 4-45】輔具設計1.0 89
【圖 4-46】輔具設計1.0 定位基座 89
【圖 4-47】輔具設計2.0 90
【圖 4-48】輔具設計2.0 定位基座 90
【圖 4-49】加工向量平面測量之輔具與安裝 90
【圖 4-50】加工點位測量之兩點測量法- 第一點位 90
【圖 4-51】加工點位測量之兩點測量法- 第二點位 90
【圖 4-52】加工點位測量之兩點測量法- 第三點位 90
【圖 4-53】加工點位測量之四點測量法- 第一點位 91
【圖 4-54】加工點位測量之四點測量法- 第二點位 91
【圖 4-55】加工點位測量之四點測量法- 第三點位 91
【圖 4-56】加工點位測量之四點測量法- 第四點位 91
【圖 4-57】測量輔具於轉盤上的實際的工作平面- 第一點 91
【圖 4-58】測量輔具於轉盤上的實際的工作平面- 第二點 91
【圖 4-59】測量輔具於轉盤上的實際的工作平面- 第三點 92
【圖 4-60】測量輔具於轉盤上的實際的工作平面- 第四點 92
【圖 4-61】測量轉盤旋轉軸的指向- 第一點: -90 度 92
【圖 4-62】測量轉盤旋轉軸的指向- 第二點: 0 度 92
【圖 4-63】測量轉盤旋轉軸的指向- 第三點: +90 度 92
【圖 4-64】測量轉盤旋轉軸的指向- 第四點: +180 度 92
【圖 4-65】測量木料放置於輔具上的平面- 第一點 92
【圖 4-66】測量木料放置於輔具上的平面- 第二點 92
【圖 4-67】測量木料放置於輔具上的平面- 第三點 92
【圖 4-68】測量木料放置於輔具上的平面- 第四點 92
【圖 4-69】輔具定位的位置與末端執行器測量的誤差 93
【圖 4-70】調整前(左) ; 調整後(右) 93
【圖 4-71】側面銑削 93
【圖 4-˙72】正面銑削 93
【圖 4-73】側面銑削 94
【圖 4-˙74】正面銑削 94
【圖 4-75】第三向度插銷孔位引孔 94
【圖 4-76】雙邊卡榫銑削 94
【圖 4-77】斬斷角料一 94
【圖 4-78】斜面銑削- 台階面加工 94
【圖 4-79】斜面銑削- 平行式加工 95
【圖 4-80】斬斷角料二 95
【圖 4-81】機械手臂的編程 95
【圖 4-82】末端執行器的設置 95
【圖 4-83】末端執行器的設置 & 第七軸轉盤角度調整 96
【圖 4-84】無斜面拱形結構桿件銑削- 第三向度插銷引孔 97
【圖 4-85】無斜面拱形結構桿件銑削- 雙邊卡榫側銑削 98
【圖 4-86】無斜面拱形結構桿件銑削- 角料斬斷一 & 二 99
【圖 4-87】斜面拱形結構桿件銑削- 第三向度插銷引孔 99
【圖 4-88】斜面拱形結構桿件銑削- 雙邊卡榫側銑削 100
【圖 4-89】斜面拱形結構桿件銑削- 角料斬斷一 101
【圖 4-90】斜面拱形結構桿件銑削- 斜面銑削(台階面加工) 102
【圖 4-91】斜面拱形結構桿件銑削- 斜面銑削(平行式加工) 103
【圖 4-92】斜面拱形結構桿件銑削- 角料斬斷二 104
【圖 4-93】拱型互承結構單元分段示意圖 104
【圖 4-94】拱形互承結構桿件組裝- 插銷製作 105
【圖 4-95】拱形互承結構桿件組裝- 拱型結構單元組裝 106
【圖 4-96】拱形互承結構桿件組裝- 拱型結構單元與基座單元拼接 107
【圖 4-97】拱形互承結構試驗全貌 108
【圖 4-98】拱形互承結構試驗全貌 109
【圖 5-1】雙層互承結構的框架原型(四邊形; 頂視) 114
【圖 5-2】雙層互承結構的框架原型(四邊形; 透視) 114
【圖 5-3】雙層互承結構的框架原型(五邊形; 頂視) 114
【圖 5-4】雙層互承結構的框架原型(五邊形; 透視) 114
【圖 5-5】雙層互承結構的框架原型(六邊形; 頂視) 114
【圖 5-6】雙層互承結構的框架原型(六邊形; 透視) 114
【圖 5-7】雙層互承結構的框架繪製- Grasshopper 115
【圖 5-8】多角度變化的連續幾何面-基本平面分割 116
【圖 5-9】多角度變化的連續幾何面-目標幾何面 116
【圖 5-10】多角度變化的連續幾何面- 生成過程 116
【圖 5-11】多角度變化的連續幾何面繪製- Kangaroo 物理模擬器 116
【圖 5-12】展示亭主結構線(左-優化前; 右 - 優化後) 117
【圖 5-13】展示亭主結構 117
【圖 5-14】展示亭目標面各多邊形單元內曲率差異圖樣 118
【圖 5-15】山峰型RF 框架配置圖 118
【圖 5-16】展示亭主結構與山峰型RF框架系統 118
【圖 5-17】山谷型RF 框架配置圖 118
【圖 5-18】山谷型RF 框架簡易受力圖 118
【圖 5-19】展示亭主結構與山谷型RF框架系統 119
【圖 5-20】複層山峰型RF 框架配置圖 119
【圖 5-21】複層山峰型RF 框架- 多榫卯的互承結構關係 119
【圖 5-22】展示亭主結構與複層山峰型RF 框架系統 119
【圖 5-23】展示亭基座建模 120
【圖 5-24】展示亭基座- 前端(左) ; 後端(右) 120
【圖 5-25】展示亭與主結構接合示意圖- 前端(左) ; 後端(右) 120
【圖 5-26】展示亭木桿件榫卯設計- Grasshopper 121
【圖 5-27】展示亭木桿件榫卯設計: 設計前(左) ; 設計後(右) 121
【圖 5-28】展示亭全貌與結構分類 121
【圖 6-1】展示亭木桿件之資料編排與貼附放樣- Grasshopper 124
【圖 6-2】展示亭木桿件之資料編碼- Grasshopper 124
【圖 6-3】展示亭木桿件之資料編碼 124
【圖 6-4】第三代機械手臂銑削加工輔具 125
【圖 6-5】第三代機械手臂銑削加工輔具與木桿件放樣之關係 126
【圖 6-6】活動式基座之爆炸分解圖 126
【圖 6-7】第三代機械手臂銑削加工輔具之爆炸分解圖 126
【圖 6-08】銑削加工之目標榫卯幾何極限判別式- Grasshopper 127
【圖 6-09】目標榫卯幾何極限判別之數學關係式 127
【圖 6-10】桿件分類與次序設定- Grasshopper 128
【圖 6-11】桿件分類與次序設定視覺化圖示 128
【圖 6-12】第一次旋轉角度優化- Grasshopper 129
【圖 6-13】第一次旋轉角度優化-優化前(左) ; 優化前(右) 129
【圖 6-14】可手動調整的第二次旋轉角度優化- Grasshopper 129
【圖 6-15】機械手臂銑削加工製程設計- Grasshopper 130
【圖 6-16】木材搬運與整理 132
【圖 6-17】刨木機清修 132
【圖 6-18】加工平台向量平面測量 133
【圖 6-19】加工輔具與機械手臂之相對位置測量 133
【圖 6-20】第七軸轉盤旋轉軸指向測量 134
【圖 6-21】安裝電主軸於機械手臂法蘭盤 134
【圖 6-22】銑削刀具安裝 135
【圖 6-23】二點測量法- 加工點位之向量平面設置 135
【圖 6-24】四點測量法- 加工點位之位置設置 135
【圖 6-25】模型與實際位置差距之測量與補正 136
【圖 6-26】桿件標號 137
【圖 6-27】榫卯測銑- 1 138
【圖 6-28】榫卯測銑- 2 139
【圖 6-29】螺絲孔位加工 140
【圖 6-30】續加工標記 141
【圖 6-31】截斷加工 142
【圖 6-32】機械手臂銑削加工縮時攝影- 1 143
【圖 6-33】機械手臂銑削加工縮時攝影- 2 144
【圖 6-34】機械手臂銑削加工縮時攝影- 3 145
【圖 6-35】銑削加工完成的桿件分類與整理 146
【圖 6-36】展示亭組裝流程分解 146
【圖 6-37】山峰型與山谷型複雜式多單元組合RF框架組裝 147
【圖 6-38】單一格點式多單元組合RF框架組裝- 1 148
【圖 6-39】單一格點式多單元組合RF框架組裝- 2 149
【圖 6-40】複層山峰型複雜式多單元組合RF框架組裝 150
【圖 6-41】展示亭頂蓋與基座的接合施工流程預想圖 151
【圖 6-42】展示亭頂蓋 151
【圖 6-43】展示亭基座 151
【圖 6-44】展示亭基座之位置放樣 152
【圖 6-45】展示亭頂蓋幾何結構單元之加強固定 153
【圖 6-46】展示亭頂蓋與基座的接合作業- 1 154
【圖 6-47】展示亭頂蓋與基座的接合作業- 2 155
【圖 6-48】參與展示亭頂蓋與基座接合作業之工作人員合影 156
【圖 6-49】展示亭細節拍攝 158
【圖 6-50】展示亭夜間拍攝 159
【圖 6-51】展示亭全貌拍攝 160
【圖 6-52】展示亭全貌拍攝 162
【圖附-1】虛擬擴增實境於輔具放樣之成像效果 173
【圖附-2】使用Hololens 眼鏡之虛擬擴增實境放樣成像 173
【圖附-3】電主軸與測量點位之末端執行器 173
【圖附-4】非規格化銑削輔具 173
【圖附-5】2020 淡江建築船沉工作營宣傳版面 174
【圖附-6】非規格化的木材搭建的結構物 174
【圖附-7】機械手臂銑削製程 174
【圖附-8】應用Hololens 眼鏡虛擬擴增實境輔助施工 174
【圖附-9】學員版面 175
【圖附- 10】學員版面 176
【圖附-11】工作營合照 176
參考文獻 1.書籍:

杠作:一個原理、多種形式
作者 : Vito Bertin
出版社 : 中國建築工業出版社

小建築
譯者 : 鍾瑞芳
出版社 : (台北)五南圖書股份有限公司

Robotic Fabrication in Architecture,Art and Design 2018
Editers : Jan Willmann,Philippe Block, Marco Hutter,Kendra Byrne, Tim Schork
Publishing house : New York, NY : Spinger Publishing

New Architecture in Wood
Editers : Marc Wilhelm Lennartz, Susanne Jacob-Freitag
Publishing house : Birkhäuser

RECIPROCAL FRAME ARCHITECTURE
Editers : Larsen, Olga Popovic
Publishing house : Routledge

Advancing Wood Architecture
Editers : Achim Menges, Tobias Schwinn, Oliver David Krieg
Publishing house : Routledge

The Autopoiesis of Architecture, Volume I: A New Framework for Architecture
Editers : Patrik Schumacher
Publishing house : Wiley

2.雜誌:

Parametricism 2.0: Rethinking Architecture's Agenda for the 21st Century (Architectural Design)
Editers : Patrik Schumacher
Publishing house : Academy Press

3.論文:

以金屬加工為例之機械手臂於數位製造
作者 : 林晉瑩/ 淡江大學,新北市

曲木數位製造
作者 : 黃凱祺/ 淡江大學,新北市

應用機械手臂製造木構築
作者 :黃崇安 / 淡江大學,新北市

4.工具書:

CLT Handbook
Editers : Erol Karacabeyli, Brad Douglas
Publishing house : U.S. Department of Agriculture, Forset Service, Forest Products Laboratory, Binational Softwood Lumber Council (BSLC).

木工大圖鑑
作者 : 田中一幸, 山中晴夫
出版地: 日本

做一個漂亮的木榫—木工雕刻機與修邊機的進階使用
作者 : 陳秉魁
出版社 : 新形象文化出版社

5.使用手冊:

The URscript Programming Language
Retrieved from : http:// www.universal-robots.com/download/

UR10 User Manual
Retrieved from : http:// www.universal-robots.com/download/

6.網站:

Association for Robots in Architecture
https://www.robotsinarchitecture.org/

NCCR DFAB
https://www.dfab.ch/

Gramazio Kohler Research Group
https://gramaziokohler.arch.ethz.ch/

Computational Design and Construction
https://www.icd.uni-stuttgart.de/

AA Design + Make
http://designandmake.aaschool.ac.uk/

Laboratory for Timber Constructions IBOIS
https://www.epfl.ch/labs/ibois/

Grasshopper
https://www.grasshopper3d.com/

Petras Vestartas
http://petrasvestartas.com/

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