基于六自由度机械手的水嘴耐久性智能试验系统

姚创艺　周文锦　张　帆　陈文彬　吴　浩

(1 中国建材检验认证集团(陕西)有限公司　西安　710116)(2 国家建筑卫生陶瓷质量监督检验中心　西安　710116)



基于六自由度机械手的水嘴耐久性智能试验系统

近年来，随着人们生活水平的不断提高，以及人们对高品质生活的迫切需求，卫生洁具产品(如水嘴、便器等)已在我国绝大部分城镇和广大农村的普通居民家庭广泛应用。水嘴类产品作为卫生洁具的主导产品，成为日常生活中的主要用水器具，也是生活节水中的重点产品。由于水嘴在日常生活中使用频繁，必须具备一定的寿命周期，“史上最严”水嘴国标GB 18145-2014中对水嘴耐久性做出了强制性要求。因此，水嘴耐久性监管非常关键。笔者主要介绍一种关于水嘴耐久性的检测设备：包括机械手系统、恒压力冷热供水系统、控制系统和通信系统。该设备提高了对样品检测时的检测精度，改善了设备运行的稳定性，扩大了被测样品的适用范围。

水嘴耐久性机械手系统

前言

在水嘴耐久性试验中，通常机器连续运转时间较长，传统水嘴耐久性试验机都是电机和气缸配合，且长时间运转电机易发热，设备故障率较高。通过采用伺服电机，为了提高测试系统的重复精度和长期运行的稳定性该项目开发了六自由度机械手应用于水嘴耐久性试验系统的程序控制软件，实现了试验参数、运动轨迹的实时采集、记录和互联网传输等过程的智能化，解决了传统试验系统适应性差的问题，提高了试验系统的通用性;开发了水压闭环控制系统，通过对采集模块和控制模块实现数据对比、调节，实现了检测系统水压力及流量的稳定与精确控制;通过对水箱的优化设计，实现了高低温水的精确控制和低能耗。

以下主要介绍基于六自由度机械手的水嘴耐久性智能试验系统中的机械手系统、恒压力冷热供水系统、控制系统和通信系统对水嘴耐久性试验的改进和创新。

1　设备简述

1.1适用的标准

本试验系统通过提供较宽的管道压力、流量、温度等控制参数，较大的控制精度，适用于以下国内外标准中水嘴产品的耐久性测试：

1)国家标准。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级》、QBT 1334-2013《水嘴通用技术条件》、JC/T 758-2008《面盆水嘴》、JC/T 760-2008《浴盆及淋浴水嘴》。

2)国际标准。欧系标准：EN 817:2008《卫浴龙头-机械混合阀(PN10)通用技术要求》、EN 200:2008《卫浴龙头-1型和2型供水系统的单水龙头和组合水龙头通用技术要求》；澳系标准：AS/NZS 3718:2005/AMD1:2006/AMD2:2008《供水装置-水嘴》；美系标准：ASME A112.18.1-2012/CSA B125.1-12《管道供水装置》。

图1　基于六自由度机械手的水嘴耐久性智能试验系统

1.2适用的产品范围

本试验系统通过关键的六自由度数控机器人技术，实现了完成任意水嘴产品的循环动作要求，可适用于以下各类水嘴产品的耐久性测试。

水嘴开关：单柄单控水嘴开关、单柄双控水嘴开关、双柄双控水嘴开关等；转换开关：浴缸转换开关、淋浴转换开发等；旋转出水管；抽取式水嘴。

1.3适用的对象

本试验系统既可用于水嘴生产企业的研发中心、生产线末端的产品质量控制，又可以用于国内各从事水嘴产品质量监督检验的国家质检中心、行业质检中心、质量监督系统以及各省、地、市、县级检测机构。

图2　六自由度数控机器人

2　设备特点

2.1六自由数控技术的先进性

传统的水嘴耐久性检测设备采用的是固定执行机构带动气缸以实现对水嘴的开关控制，通过控制过程实现：

图3传统检测系统对水嘴开关的控制过程

该设备虽然可实现对多种类型水嘴做耐久性的检测试验，但仍然存在较多不足：

1)所采用的执行机构过多，在实际操作中，由于各部分执行机构在连接时存在不可避免的精度误差，因此故障率高，维修困难。

2)由于目前市面上销售的水嘴的类型较多，水嘴的安装方式也多种多样，故此方案通用性较低。

3)智能化程度低，不能有效的服务于生产。

本试验系统采用六自由度结合手抓夹具，简化了检测设备的结构，通用性强，控制方便。图5为本方案使用的数控机器人及机器人的连杆坐标系。

图4　传统水嘴耐久性试验系统执行机构示例

本试验系统同时解决了原先存在的多种问题：

1)提高了运行轨迹的运行精度；

2)通过实时监测对机器人的运动误差进行实时补偿；

3)提高了整体系统的运动速度和相应的频率；

4)提高了机器人手爪或手腕的操作能力、灵活性与快速反应能力；

5)采用了模块化组合方式这种结构，可适用于各种型号、各种款式的水嘴。

2.2压力、流量的精确控制

压力和流量的精确控制采用(计算机-数据采集板卡-逻辑控制器-传感器-变频器-多级增压泵-电磁阀)闭环控制模块，控制器具有良好的信息实时处理能力，与高精度高灵敏度压力传感器组合，能实现压力输出的即时反馈；采用先进的PID编程方法将反馈信号进行对比并高速处理并进行调整；采用可靠的电气变频控制系统，对水泵的输出实现稳定控制，其控制系统如图6所示。

图5　六自由度数控机器人连杆坐标系

图6　水压闭环控制系统

2.3控制软件的研究与开发

通过程序之间的有机衔接，保证了各类水嘴耐久性检测过程的压力、水温、流量、扭矩以及模拟动作等重要参数得到有效、精确的控制。

控制程序分为以下几部分：

1)主程序编码；

2)热泵控制程序编码；

3)冷泵控制程序编码；

4)冷温控制程序编码；

5)热温控制程序编码；

6)单柄双控控制程序编码；

7)单柄单控控制程序编码；

8)双柄双控控制程序编码；

10)机械手臂控制程序编码；

11)各路传感器模数转换程序编码；

12)扭矩控制程序编码。

3　设备改进与创新

3.1引入六自由度数控机器人

在设备运行系统中引入六自由度数控机器人，提高了被测样品的高度适用性以及系统运行的稳定性和精确性。

六自由度数控机器人采用了6个伺服控制系统，每个维度都由高精度的伺服电机和伺服控制器组成，其优点主要有：

1)对被测样品的高度适用性。由于在各个维度的高精度自由运行中，对各式各样的样品均能精确的按照标准中的运行轨迹来完成试验。

它可适用于以下类型产品耐久性试验：

单柄单控水嘴、双柄双控水嘴、单柄双控水嘴、转换开关、旋转出水管、抽取式水嘴等。

2)超高的运行稳定性和精确性。传统的水嘴耐久性试验机采用电机和气缸配合的方式，重复精度差，水嘴的耐久性试验需要进行几万次甚至几十万次的循环，试验周期在机器每天24 h不间断运转也要持续十几天，且长时间连续运行容易致使电机发热，尤其是故障率较高，而本系统采用的伺服电机，重复精度在0.02 mm，工作周期可不断电连续运行一年。

3.2实现了对试验参数的共享

本试验系统实现了对试验参数实时采集、生成曲线、网络共享，利于企业研发和质量管控，提高了试验效率，也便于设备维护。

试验系统结合动静态扭矩传感器，荷载力传感器，温度传感器，对水箱的温度控制和管路中混合水的流向控制更加精准，对样品的扭矩力和荷载力能够实时采集并通过计算机的上位机软件进行曲线生成，帮助研发人员、试验人员更充分的了解产品性能，便于企业研发和质量管控。

同时本系统可对内部所有的数据和运动轨迹通过总线连接器与互联网进行连接，再通过Labview人机交互的界面进行编程，将所有试验数据通过人机界面来显示出来并通过互联网共享给有打开权限的试验或调试人员，使得设备维护的便利性和试验的操作便利性大幅提高，将所有的试验参数和数据传输至互联网，使得实验可以通过互联网来在线监控和操作，既有利于设备维护，也提高了试验效率。

3.3采用闭环控制系统的设计

本试验系统采用闭环控制系统的设计，实现了对压力和流量的高精度控制。

运用了计算机-控制器-数字采集板卡-传感器-变频器-多级增压水泵组成了高精度的水压闭环控制系统。该系统分为3个模块：给定模块；采集模块；控制模块。

在实际操作过程中，首先，试验人员通过给定模块设定好所需的试验参数；其次，采集模块通过采集板卡对传感器的数据进行实时采集；最后，通过控制模块对变频器等进行调节，把采集的数据和设定的数据进行对比，使得设定参数和采集参数达到相等，最终实现对压力流量的高精度控制。

3.4增加混合水箱的设计

通过增加了混合水箱的设计，结合六自由度数控机器人测试系统和管路控制系统，实现了对高低温水精确控制。

4　结语

耐久性是考察水嘴质量水平的主要参数，耐久性检测设备的开发、革新和推广为陶瓷片密封水嘴产品的规范、发展进步起到了一定的作用。随着卫生陶瓷行业的发展、技术的进步、新产品的开发、市场需求的变化等原因，水嘴生产企业与水嘴质量监督检测机构对检测设备的需求也发生了变化，另外随着我国水暖行业的不断走出国门，进入国际市场，产品存在的不足和缺陷慢慢暴露出来，作为产品研发和产品质量控制的主要检测设备，传统的水嘴耐久性检测设备中存在运行参数控制不稳定、适用范围窄、智能化程度低、故障率高等问题，已不能为水嘴行业的快速发展提供技术支持，因此新型智能化检测设备的研发与推广对于进一步提升产品的质量，贯彻我国的节水政策，促进国际贸易的往来具有长远的、现实的意义。

1中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB18145-2014.陶瓷片密封水嘴.北京:中国标准出版社，2011

2张帆,姚创艺,等.实用新型专利.基于六自由度机械手的水嘴耐久性智能试验系统.中国,2015 2 0804081.0，2016-02-17

3崔继仁.电气控制与应用技术.北京:中国电力出版社,2010

4闻邦椿.机械设计手册.北京:机械工业出版社,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

姚创艺(1987-)，本科，助理工程师；主要从事电气工程研究工作。

姚创艺1,2周文锦1,2张帆1,2陈文彬1,2吴浩1,2

(1 中国建材检验认证集团(陕西)有限公司西安710116)(2 国家建筑卫生陶瓷质量监督检验中心西安710116)

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1002-2872(2016)09-0047-05