基于六自由度機械手的水嘴耐久性智能試驗系統

姚創藝　周文錦　張　帆　陳文彬　吳　浩

(1 中國建材檢驗認證集團(陜西)有限公司　西安　710116)(2 國家建筑衛生陶瓷質量監督檢驗中心　西安　710116)

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基于六自由度機械手的水嘴耐久性智能試驗系統

近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，以及人們對高品質生活的迫切需求，衛生潔具產品(如水嘴、便器等)已在我國絕大部分城鎮和廣大農村的普通居民家庭廣泛應用。水嘴類產品作為衛生潔具的主導產品，成為日常生活中的主要用水器具，也是生活節水中的重點產品。由于水嘴在日常生活中使用頻繁，必須具備一定的壽命周期，“史上最嚴”水嘴國標GB 18145-2014中對水嘴耐久性做出了強制性要求。因此，水嘴耐久性監管非常關鍵。筆者主要介紹一種關于水嘴耐久性的檢測設備：包括機械手系統、恒壓力冷熱供水系統、控制系統和通信系統。該設備提高了對樣品檢測時的檢測精度，改善了設備運行的穩定性，擴大了被測樣品的適用范圍。

水嘴耐久性機械手系統

前言

在水嘴耐久性試驗中，通常機器連續運轉時間較長，傳統水嘴耐久性試驗機都是電機和氣缸配合，且長時間運轉電機易發熱，設備故障率較高。通過采用伺服電機，為了提高測試系統的重復精度和長期運行的穩定性該項目開發了六自由度機械手應用于水嘴耐久性試驗系統的程序控制軟件，實現了試驗參數、運動軌跡的實時采集、記錄和互聯網傳輸等過程的智能化，解決了傳統試驗系統適應性差的問題，提高了試驗系統的通用性;開發了水壓閉環控制系統，通過對采集模塊和控制模塊實現數據對比、調節，實現了檢測系統水壓力及流量的穩定與精確控制;通過對水箱的優化設計，實現了高低溫水的精確控制和低能耗。

以下主要介紹基于六自由度機械手的水嘴耐久性智能試驗系統中的機械手系統、恒壓力冷熱供水系統、控制系統和通信系統對水嘴耐久性試驗的改進和創新。

1　設備簡述

1.1適用的標準

本試驗系統通過提供較寬的管道壓力、流量、溫度等控制參數，較大的控制精度，適用于以下國內外標準中水嘴產品的耐久性測試：

1)國家標準。GB 18145-2014《陶瓷片密封水嘴》、GB 25501-2010《水嘴用水效率限定值及用水效率等級》、QBT 1334-2013《水嘴通用技術條件》、JC/T 758-2008《面盆水嘴》、JC/T 760-2008《浴盆及淋浴水嘴》。

2)國際標準。歐系標準：EN 817:2008《衛浴龍頭-機械混合閥(PN10)通用技術要求》、EN 200:2008《衛浴龍頭-1型和2型供水系統的單水龍頭和組合水龍頭通用技術要求》；澳系標準：AS/NZS 3718:2005/AMD1:2006/AMD2:2008《供水裝置-水嘴》；美系標準：ASME A112.18.1-2012/CSA B125.1-12《管道供水裝置》。

圖1　基于六自由度機械手的水嘴耐久性智能試驗系統

1.2適用的產品范圍

本試驗系統通過關鍵的六自由度數控機器人技術，實現了完成任意水嘴產品的循環動作要求，可適用于以下各類水嘴產品的耐久性測試。

水嘴開關：單柄單控水嘴開關、單柄雙控水嘴開關、雙柄雙控水嘴開關等；轉換開關：浴缸轉換開關、淋浴轉換開發等；旋轉出水管；抽取式水嘴。

1.3適用的對象

本試驗系統既可用于水嘴生產企業的研發中心、生產線末端的產品質量控制，又可以用于國內各從事水嘴產品質量監督檢驗的國家質檢中心、行業質檢中心、質量監督系統以及各省、地、市、縣級檢測機構。

圖2　六自由度數控機器人

2　設備特點

2.1六自由數控技術的先進性

傳統的水嘴耐久性檢測設備采用的是固定執行機構帶動氣缸以實現對水嘴的開關控制，通過控制過程實現：

圖3傳統檢測系統對水嘴開關的控制過程

該設備雖然可實現對多種類型水嘴做耐久性的檢測試驗，但仍然存在較多不足：

1)所采用的執行機構過多，在實際操作中，由于各部分執行機構在連接時存在不可避免的精度誤差，因此故障率高，維修困難。

2)由于目前市面上銷售的水嘴的類型較多，水嘴的安裝方式也多種多樣，故此方案通用性較低。

3)智能化程度低，不能有效的服務于生產。

本試驗系統采用六自由度結合手抓夾具，簡化了檢測設備的結構，通用性強，控制方便。圖5為本方案使用的數控機器人及機器人的連桿坐標系。

圖4　傳統水嘴耐久性試驗系統執行機構示例

本試驗系統同時解決了原先存在的多種問題：

1)提高了運行軌跡的運行精度；

2)通過實時監測對機器人的運動誤差進行實時補償；

3)提高了整體系統的運動速度和相應的頻率；

4)提高了機器人手爪或手腕的操作能力、靈活性與快速反應能力；

5)采用了模塊化組合方式這種結構，可適用于各種型號、各種款式的水嘴。

2.2壓力、流量的精確控制

壓力和流量的精確控制采用(計算機-數據采集板卡-邏輯控制器-傳感器-變頻器-多級增壓泵-電磁閥)閉環控制模塊，控制器具有良好的信息實時處理能力，與高精度高靈敏度壓力傳感器組合，能實現壓力輸出的即時反饋；采用先進的PID編程方法將反饋信號進行對比并高速處理并進行調整；采用可靠的電氣變頻控制系統，對水泵的輸出實現穩定控制，其控制系統如圖6所示。

圖5　六自由度數控機器人連桿坐標系

圖6　水壓閉環控制系統

2.3控制軟件的研究與開發

通過程序之間的有機銜接，保證了各類水嘴耐久性檢測過程的壓力、水溫、流量、扭矩以及模擬動作等重要參數得到有效、精確的控制。

控制程序分為以下幾部分：

1)主程序編碼；

2)熱泵控制程序編碼；

3)冷泵控制程序編碼；

4)冷溫控制程序編碼；

5)熱溫控制程序編碼；

6)單柄雙控控制程序編碼；

7)單柄單控控制程序編碼；

8)雙柄雙控控制程序編碼；

10)機械手臂控制程序編碼；

11)各路傳感器模數轉換程序編碼；

12)扭矩控制程序編碼。

3　設備改進與創新

3.1引入六自由度數控機器人

在設備運行系統中引入六自由度數控機器人，提高了被測樣品的高度適用性以及系統運行的穩定性和精確性。

六自由度數控機器人采用了6個伺服控制系統，每個維度都由高精度的伺服電機和伺服控制器組成，其優點主要有：

1)對被測樣品的高度適用性。由于在各個維度的高精度自由運行中，對各式各樣的樣品均能精確的按照標準中的運行軌跡來完成試驗。

它可適用于以下類型產品耐久性試驗：

單柄單控水嘴、雙柄雙控水嘴、單柄雙控水嘴、轉換開關、旋轉出水管、抽取式水嘴等。

2)超高的運行穩定性和精確性。傳統的水嘴耐久性試驗機采用電機和氣缸配合的方式，重復精度差，水嘴的耐久性試驗需要進行幾萬次甚至幾十萬次的循環，試驗周期在機器每天24 h不間斷運轉也要持續十幾天，且長時間連續運行容易致使電機發熱，尤其是故障率較高，而本系統采用的伺服電機，重復精度在0.02 mm，工作周期可不斷電連續運行一年。

3.2實現了對試驗參數的共享

本試驗系統實現了對試驗參數實時采集、生成曲線、網絡共享，利于企業研發和質量管控，提高了試驗效率，也便于設備維護。

試驗系統結合動靜態扭矩傳感器，荷載力傳感器，溫度傳感器，對水箱的溫度控制和管路中混合水的流向控制更加精準，對樣品的扭矩力和荷載力能夠實時采集并通過計算機的上位機軟件進行曲線生成，幫助研發人員、試驗人員更充分的了解產品性能，便于企業研發和質量管控。

同時本系統可對內部所有的數據和運動軌跡通過總線連接器與互聯網進行連接，再通過Labview人機交互的界面進行編程，將所有試驗數據通過人機界面來顯示出來并通過互聯網共享給有打開權限的試驗或調試人員，使得設備維護的便利性和試驗的操作便利性大幅提高，將所有的試驗參數和數據傳輸至互聯網，使得實驗可以通過互聯網來在線監控和操作，既有利于設備維護，也提高了試驗效率。

3.3采用閉環控制系統的設計

本試驗系統采用閉環控制系統的設計，實現了對壓力和流量的高精度控制。

運用了計算機-控制器-數字采集板卡-傳感器-變頻器-多級增壓水泵組成了高精度的水壓閉環控制系統。該系統分為3個模塊：給定模塊；采集模塊；控制模塊。

在實際操作過程中，首先，試驗人員通過給定模塊設定好所需的試驗參數；其次，采集模塊通過采集板卡對傳感器的數據進行實時采集；最后，通過控制模塊對變頻器等進行調節，把采集的數據和設定的數據進行對比，使得設定參數和采集參數達到相等，最終實現對壓力流量的高精度控制。

3.4增加混合水箱的設計

通過增加了混合水箱的設計，結合六自由度數控機器人測試系統和管路控制系統，實現了對高低溫水精確控制。

4　結語

耐久性是考察水嘴質量水平的主要參數，耐久性檢測設備的開發、革新和推廣為陶瓷片密封水嘴產品的規范、發展進步起到了一定的作用。隨著衛生陶瓷行業的發展、技術的進步、新產品的開發、市場需求的變化等原因，水嘴生產企業與水嘴質量監督檢測機構對檢測設備的需求也發生了變化，另外隨著我國水暖行業的不斷走出國門，進入國際市場，產品存在的不足和缺陷慢慢暴露出來，作為產品研發和產品質量控制的主要檢測設備，傳統的水嘴耐久性檢測設備中存在運行參數控制不穩定、適用范圍窄、智能化程度低、故障率高等問題，已不能為水嘴行業的快速發展提供技術支持，因此新型智能化檢測設備的研發與推廣對于進一步提升產品的質量，貫徹我國的節水政策，促進國際貿易的往來具有長遠的、現實的意義。

1中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB18145-2014.陶瓷片密封水嘴.北京:中國標準出版社，2011

2張帆,姚創藝,等.實用新型專利.基于六自由度機械手的水嘴耐久性智能試驗系統.中國,2015 2 0804081.0，2016-02-17

3崔繼仁.電氣控制與應用技術.北京:中國電力出版社,2010

4聞邦椿.機械設計手冊.北京:機械工業出版社,2010

Gravity Flush Device Improvement and Innovation of Comprehensive Testing Machine

Yao Chuangyi1,2, Zhou Wenjin1,2, Zhang Fan1,2, Chen Wenbin1,2, Wu Hao1,2

(1 China Building Material Test&Certification Group (Shaanxi) Co.,Ltd.,Xi'an,710116) (2 National Quality Supervision Inspection Center of Building and Sanitary Ceramics,Xi'an,710116)

In recent years, as people living standard unceasing enhancement, as well as the urgent demand for high quality life people, sanitary ware products, such as faucets, toilets, etc., has been in our country the majority of ordinary residents of town and the countryside family widely used. Hydrovalve products as the leading sanitary ware products, become the main water appliance of daily life, also the key products in life saving water. Because the hydrovalve frequent use in daily life, must have certain life cycle, the history of the most severe hydrovalve in GB 18145-2014 has made a mandatory requirement to the durability of hydrovalve. Therefore, hydrovalve durability regulation is critical. This paper mainly introduces a kind of of hydrovalve durability testing equipment: including manipulator system, constant pressure hot and cold water supply system, control system and communication system. The device improves the detection of the sample detection accuracy, improve the stability of equipment operation, expand the scope of application of tested samples.

Hydrovalve; Durability; The manipulator system

姚創藝(1987-)，本科，助理工程師；主要從事電氣工程研究工作。

姚創藝1,2周文錦1,2張帆1,2陳文彬1,2吳浩1,2

(1 中國建材檢驗認證集團(陜西)有限公司西安710116)(2 國家建筑衛生陶瓷質量監督檢驗中心西安710116)

TQ174.5

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1002-2872(2016)09-0047-05