姚創(chuàng)藝　周文錦　張　帆　陳文彬　吳　浩

(1 中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)(陜西)有限公司　西安　710116)(2 國家建筑衛(wèi)生陶瓷質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心　西安　710116)

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基于六自由度機(jī)械手的水嘴耐久性智能試驗(yàn)系統(tǒng)

近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，以及人們對高品質(zhì)生活的迫切需求，衛(wèi)生潔具產(chǎn)品(如水嘴、便器等)已在我國絕大部分城鎮(zhèn)和廣大農(nóng)村的普通居民家庭廣泛應(yīng)用。水嘴類產(chǎn)品作為衛(wèi)生潔具的主導(dǎo)產(chǎn)品，成為日常生活中的主要用水器具，也是生活節(jié)水中的重點(diǎn)產(chǎn)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(yán)”水嘴國標(biāo)GB 18145-2014中對水嘴耐久性做出了強(qiáng)制性要求。因此，水嘴耐久性監(jiān)管非常關(guān)鍵。筆者主要介紹一種關(guān)于水嘴耐久性的檢測設(shè)備：包括機(jī)械手系統(tǒng)、恒壓力冷熱供水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。該設(shè)備提高了對樣品檢測時(shí)的檢測精度，改善了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，擴(kuò)大了被測樣品的適用范圍。

水嘴耐久性機(jī)械手系統(tǒng)

前言

在水嘴耐久性試驗(yàn)中，通常機(jī)器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間較長，傳統(tǒng)水嘴耐久性試驗(yàn)機(jī)都是電機(jī)和氣缸配合，且長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)易發(fā)熱，設(shè)備故障率較高。通過采用伺服電機(jī)，為了提高測試系統(tǒng)的重復(fù)精度和長期運(yùn)行的穩(wěn)定性該項(xiàng)目開發(fā)了六自由度機(jī)械手應(yīng)用于水嘴耐久性試驗(yàn)系統(tǒng)的程序控制軟件，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)時(shí)采集、記錄和互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)冗^程的智能化，解決了傳統(tǒng)試驗(yàn)系統(tǒng)適應(yīng)性差的問題，提高了試驗(yàn)系統(tǒng)的通用性;開發(fā)了水壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過對采集模塊和控制模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對比、調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了檢測系統(tǒng)水壓力及流量的穩(wěn)定與精確控制;通過對水箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)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(jī)械手的水嘴耐久性智能試驗(yàn)系統(tǒng)中的機(jī)械手系統(tǒng)、恒壓力冷熱供水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)對水嘴耐久性試驗(yàn)的改進(jìn)和創(chuàng)新。

1　設(shè)備簡述

1.1適用的標(biāo)準(zhǔn)

本試驗(yàn)系統(tǒng)通過提供較寬的管道壓力、流量、溫度等控制參數(shù)，較大的控制精度，適用于以下國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中水嘴產(chǎn)品的耐久性測試：

1)國家標(biāo)準(zhǔn)。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(shù)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(biāo)準(zhǔn)。歐系標(biāo)準(zhǔn)：EN 817:2008《衛(wèi)浴龍頭-機(jī)械混合閥(PN10)通用技術(shù)要求》、EN 200:2008《衛(wèi)浴龍頭-1型和2型供水系統(tǒng)的單水龍頭和組合水龍頭通用技術(shù)要求》；澳系標(biāo)準(zhǔn)：AS/NZS 3718:2005/AMD1:2006/AMD2:2008《供水裝置-水嘴》；美系標(biāo)準(zhǔn)：ASME A112.18.1-2012/CSA B125.1-12《管道供水裝置》。

圖1　基于六自由度機(jī)械手的水嘴耐久性智能試驗(yàn)系統(tǒng)

1.2適用的產(chǎn)品范圍

本試驗(yàn)系統(tǒng)通過關(guān)鍵的六自由度數(shù)控機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了完成任意水嘴產(chǎn)品的循環(huán)動(dòng)作要求，可適用于以下各類水嘴產(chǎn)品的耐久性測試。

水嘴開關(guān)：單柄單控水嘴開關(guān)、單柄雙控水嘴開關(guān)、雙柄雙控水嘴開關(guān)等；轉(zhuǎn)換開關(guān)：浴缸轉(zhuǎn)換開關(guān)、淋浴轉(zhuǎn)換開發(fā)等；旋轉(zhuǎn)出水管；抽取式水嘴。

1.3適用的對象

本試驗(yàn)系統(tǒng)既可用于水嘴生產(chǎn)企業(yè)的研發(fā)中心、生產(chǎn)線末端的產(chǎn)品質(zhì)量控制，又可以用于國內(nèi)各從事水嘴產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)的國家質(zhì)檢中心、行業(yè)質(zhì)檢中心、質(zhì)量監(jiān)督系統(tǒng)以及各省、地、市、縣級檢測機(jī)構(gòu)。

圖2　六自由度數(shù)控機(jī)器人

2　設(shè)備特點(diǎn)

2.1六自由數(shù)控技術(shù)的先進(jìn)性

傳統(tǒng)的水嘴耐久性檢測設(shè)備采用的是固定執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)氣缸以實(shí)現(xiàn)對水嘴的開關(guān)控制，通過控制過程實(shí)現(xiàn)：

圖3傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)對水嘴開關(guān)的控制過程

該設(shè)備雖然可實(shí)現(xiàn)對多種類型水嘴做耐久性的檢測試驗(yàn)，但仍然存在較多不足：

1)所采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)過多，在實(shí)際操作中，由于各部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)在連接時(shí)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(wù)于生產(chǎn)。

本試驗(yàn)系統(tǒng)采用六自由度結(jié)合手抓夾具，簡化了檢測設(shè)備的結(jié)構(gòu)，通用性強(qiáng)，控制方便。圖5為本方案使用的數(shù)控機(jī)器人及機(jī)器人的連桿坐標(biāo)系。

圖4　傳統(tǒng)水嘴耐久性試驗(yàn)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)示例

本試驗(yàn)系統(tǒng)同時(shí)解決了原先存在的多種問題：

1)提高了運(yùn)行軌跡的運(yùn)行精度；

2)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償；

3)提高了整體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度和相應(yīng)的頻率；

4)提高了機(jī)器人手爪或手腕的操作能力、靈活性與快速反應(yīng)能力；

5)采用了模塊化組合方式這種結(jié)構(gòu)，可適用于各種型號(hào)、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(jì)算機(jī)-數(shù)據(jù)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(huán)控制模塊，控制器具有良好的信息實(shí)時(shí)處理能力，與高精度高靈敏度壓力傳感器組合，能實(shí)現(xiàn)壓力輸出的即時(shí)反饋；采用先進(jìn)的PID編程方法將反饋信號(hào)進(jìn)行對比并高速處理并進(jìn)行調(diào)整；采用可靠的電氣變頻控制系統(tǒng)，對水泵的輸出實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，其控制系統(tǒng)如圖6所示。

圖5　六自由度數(shù)控機(jī)器人連桿坐標(biāo)系

圖6　水壓閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.3控制軟件的研究與開發(fā)

通過程序之間的有機(jī)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(dòng)作等重要參數(shù)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(jī)械手臂控制程序編碼；

11)各路傳感器模數(shù)轉(zhuǎn)換程序編碼；

12)扭矩控制程序編碼。

3　設(shè)備改進(jìn)與創(chuàng)新

3.1引入六自由度數(shù)控機(jī)器人

在設(shè)備運(yùn)行系統(tǒng)中引入六自由度數(shù)控機(jī)器人，提高了被測樣品的高度適用性以及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和精確性。

六自由度數(shù)控機(jī)器人采用了6個(gè)伺服控制系統(tǒng)，每個(gè)維度都由高精度的伺服電機(jī)和伺服控制器組成，其優(yōu)點(diǎn)主要有：

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

它可適用于以下類型產(chǎn)品耐久性試驗(yàn)：

單柄單控水嘴、雙柄雙控水嘴、單柄雙控水嘴、轉(zhuǎn)換開關(guān)、旋轉(zhuǎn)出水管、抽取式水嘴等。

2)超高的運(yùn)行穩(wěn)定性和精確性。傳統(tǒng)的水嘴耐久性試驗(yàn)機(jī)采用電機(jī)和氣缸配合的方式，重復(fù)精度差，水嘴的耐久性試驗(yàn)需要進(jìn)行幾萬次甚至幾十萬次的循環(huán)，試驗(yàn)周期在機(jī)器每天24 h不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)也要持續(xù)十幾天，且長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行容易致使電機(jī)發(fā)熱，尤其是故障率較高，而本系統(tǒng)采用的伺服電機(jī)，重復(fù)精度在0.02 mm，工作周期可不斷電連續(xù)運(yùn)行一年。

3.2實(shí)現(xiàn)了對試驗(yàn)參數(shù)的共享

本試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對試驗(yàn)參數(shù)實(shí)時(shí)采集、生成曲線、網(wǎng)絡(luò)共享，利于企業(yè)研發(fā)和質(zhì)量管控，提高了試驗(yàn)效率，也便于設(shè)備維護(hù)。

試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)合動(dòng)靜態(tài)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(zhǔn)，對樣品的扭矩力和荷載力能夠?qū)崟r(shí)采集并通過計(jì)算機(jī)的上位機(jī)軟件進(jìn)行曲線生成，幫助研發(fā)人員、試驗(yàn)人員更充分的了解產(chǎn)品性能，便于企業(yè)研發(fā)和質(zhì)量管控。

同時(shí)本系統(tǒng)可對內(nèi)部所有的數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)軌跡通過總線連接器與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，再通過Labview人機(jī)交互的界面進(jìn)行編程，將所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過人機(jī)界面來顯示出來并通過互聯(lián)網(wǎng)共享給有打開權(quán)限的試驗(yàn)或調(diào)試人員，使得設(shè)備維護(hù)的便利性和試驗(yàn)的操作便利性大幅提高，將所有的試驗(yàn)參數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸至互聯(lián)網(wǎng)，使得實(shí)驗(yàn)可以通過互聯(lián)網(wǎng)來在線監(jiān)控和操作，既有利于設(shè)備維護(hù)，也提高了試驗(yàn)效率。

3.3采用閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)系統(tǒng)采用閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對壓力和流量的高精度控制。

運(yùn)用了計(jì)算機(jī)-控制器-數(shù)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(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為3個(gè)模塊：給定模塊；采集模塊；控制模塊。

在實(shí)際操作過程中，首先，試驗(yàn)人員通過給定模塊設(shè)定好所需的試驗(yàn)參數(shù)；其次，采集模塊通過采集板卡對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；最后，通過控制模塊對變頻器等進(jìn)行調(diào)節(jié)，把采集的數(shù)據(jù)和設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，使得設(shè)定參數(shù)和采集參數(shù)達(dá)到相等，最終實(shí)現(xiàn)對壓力流量的高精度控制。

3.4增加混合水箱的設(shè)計(jì)

通過增加了混合水箱的設(shè)計(jì)，結(jié)合六自由度數(shù)控機(jī)器人測試系統(tǒng)和管路控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對高低溫水精確控制。

4　結(jié)語

耐久性是考察水嘴質(zhì)量水平的主要參數(shù)，耐久性檢測設(shè)備的開發(fā)、革新和推廣為陶瓷片密封水嘴產(chǎn)品的規(guī)范、發(fā)展進(jìn)步起到了一定的作用。隨著衛(wèi)生陶瓷行業(yè)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步、新產(chǎn)品的開發(fā)、市場需求的變化等原因，水嘴生產(chǎn)企業(yè)與水嘴質(zhì)量監(jiān)督檢測機(jī)構(gòu)對檢測設(shè)備的需求也發(fā)生了變化，另外隨著我國水暖行業(yè)的不斷走出國門，進(jìn)入國際市場，產(chǎn)品存在的不足和缺陷慢慢暴露出來，作為產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)品質(zhì)量控制的主要檢測設(shè)備，傳統(tǒng)的水嘴耐久性檢測設(shè)備中存在運(yùn)行參數(shù)控制不穩(wěn)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(yè)的快速發(fā)展提供技術(shù)支持，因此新型智能化檢測設(shè)備的研發(fā)與推廣對于進(jìn)一步提升產(chǎn)品的質(zhì)量，貫徹我國的節(jié)水政策，促進(jìn)國際貿(mào)易的往來具有長遠(yuǎn)的、現(xiàn)實(shí)的意義。

1中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB18145-2014.陶瓷片密封水嘴.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011

2張帆,姚創(chuàng)藝,等.實(shí)用新型專利.基于六自由度機(jī)械手的水嘴耐久性智能試驗(yàn)系統(tǒng).中國,2015 2 0804081.0，2016-02-17

3崔繼仁.電氣控制與應(yīng)用技術(shù).北京:中國電力出版社,2010

4聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊.北京:機(jī)械工業(yè)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(chuàng)藝(1987-)，本科，助理工程師；主要從事電氣工程研究工作。

姚創(chuàng)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(yàn)認(rèn)證集團(tuán)(陜西)有限公司西安710116)(2 國家建筑衛(wèi)生陶瓷質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心西安710116)

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1002-2872(2016)09-0047-05