基于六轴机械手在水暖卫浴产品中检验研究与应用*

区卓琨 黄振颖 杨志雄

(佛山市质量计量监督检测中心国家陶瓷及水暖卫浴产品质量检验检测中心 广东 佛山 528225)

水暖卫浴产品与工农业生产和百姓生活紧密相关,使用范围广泛,包括通用节水器具、水嘴、节水型生活用水器具、便器冲洗阀、非接触式给水器具等。随着新一代新兴技术在水暖卫浴产品中的应用,近年来其产品正向智能化、节能、多功能、高附加值、高性能、人体工程学方向发展,各类新产品的销量也不断地增长,满足了人们个性化的需要,产品系列功能还在不断延伸。目前,国内市场整处在开发和快速发展阶段,是我国又一新的经济增长点。

随着我国产品质量检验事业蓬勃发展,在产品的标准、质量、计量等技术要求方面逐步提高,为保证我国的产品质量和国计民生不断提高作出了贡献。作为建筑物内与人直接接触的五金水暖产品正处于势头良好的发展阶段。全国范围内建筑五金水暖产品生产企业近万家,并且以20%的增长速度销往世界各地。我国正逐步成为世界五金水暖生产大国。近年来,为了提高我国产品质量水平,国家制定发布了一些国家、行业标准,目的是规范产品质量,尽快与国际先进水平接轨。所以,产品质量检验技术应不断提高智能化水平,实现产品质量检验技术更科学、精准、高效。

1 基于六轴机械手在水嘴阀芯寿命检验中研究与应用

水嘴类产品作为水暖卫浴类产品的主要系列,水嘴类产品的阀芯是水嘴的核心部位,其种类一般分为陶瓷片阀芯、钢球阀芯和轴滚式阀芯。阀芯的使用寿命是评定阀芯的密封性能、耐磨性能和物理性能稳定性的重要指标,也是产品质量的关键技术。传统的水嘴类产品阀芯寿命检验方式主要以较为单一的单轴或单轴气缸联动机械设备控制来循环检验,但是随着产品的多元化设计和功能的多样性,单一的机械设备难以满足多样化产品的检验需求。所以基于以上问题,亟待研发一台基于六轴机械手的水嘴阀芯寿命检验系统设备,实现科学、精准、高效的水嘴阀芯寿命检验工作。本系统设备依据标准GB18145-2014第8.6.9.1条款、EN817-2008 第12.1 条 款、EN200-2008 第11.2.4 条 款、ASMEA112.18.1-2012/CSAB125.1-12第5.6.1.2条款的标准要求来研发设计,采用最新的六轴机械手完成寿命动作检测。系统组成由主控制系统、供水系统、检测系统和数据采集系统,主控制系统采用PCL、工控机和计算机对整个检测过程进行全自动化控制。供水系统包括冷热水恒温系统、恒压供水系统,并且可实现测试冷热水高效循环再利用功能。检测系统由六轴机械手及三维六分力传感器和高精密电磁流量传感器组成。数据采集系统由温度和压力数据采集系统及组态软件等组成,恒压供水系统采用HLP变频器+南方特种泵、OMEGA 高速温度热电偶、霍尼韦尔压力变送器及数据采集系统和组态系统组成。图1为基于机械手的水嘴阀芯寿命检验系统设备总设计图。

图1 基于机械手的水嘴阀芯寿命检验系统设备总设计图

2 基于六轴机械手的水嘴阀芯寿命检验设备结构功能设计

本系统设备由操作台、六轴机械手、三维六分力传感器、高精密电磁流量传感器、电控柜和辅助配套系统组成。

2.1 水嘴阀芯机械手检测结构设计

机械手采用六轴机械手+三维六分力传感器组成,如图2所示。机械手可通过手持示教器操控运动,快速到达指定的位置;也可单独每个关节轴分别运动精确调整位置;也可通过传感器检测6个方向的力值,反馈给机械手,机械手通讯到上位机,在控制界面上显示出来相应传感器受力情况以及精准调节位置。机械手通过以上任意一种方式从起始点到达终点后,这两点之间的位移和运动轨迹自动生成,并保存当前状态,待所有点位全部设置好后,设定好运行速度和循环次数后,机械手将自动进行循环测试。在测试过程中将全程监控被测样品的力值反馈情况,若操作力大于设定力,将不再进行测试下去,机器人将自动停止测试并保持当前状态。

图2 水嘴阀芯机械手检测结构设计图

2.2 设备供水系统控制部件设计

设备前部位上方安装有3个温度表分别为显示冷水供压管道温度表、热水供压管道温度表和出水口温度表;两个压力表分别为冷、热水供压管道压力表;检测实时数据可通过通信由PLC模块直接发送数据。

操作台面安装有不锈钢水槽,设计有3个回水口分别连接冷水回水阀、热水回水阀、排水阀;冷水回水阀接到冷水箱回水口;热水回水阀接到热水箱回水口;排水阀直接连接到排水管道;水槽上方安装有固定座,并可前后及左右调节;在安装座的旁边安装有一根裸露式热电偶,用于检测产品出水口的温度值,采集速率可达50 Hz。

操作台下方的左边位置设计安装有热水供水系统组件,如图3所示。用于提供测试所需的热水压力,包含:热水箱、Y 型过滤器、热水离心泵、不锈钢管件接头、热水压力传感器、流量计、热水管道热电偶、热水循环阀、热水球阀等;热水箱中安装有滤网、热电偶、加热装置、液位开关等;滤网安装在水箱抽水口内侧,用于第一道水质过滤;热电偶采用OMEGA 对插型,如图4所示,方便拆装;加热装置采用三根U 型加热管(380 V、3 k W);液位控制由三个液位开关组成闭环补水控制,水箱底部一个液位开关用于水泵安全液位控制,水箱上部采用两个液位开关组合液位差控制水箱加水。操作台下方的右边位置安装有冷水供水系统组件,如图3所示,用于提供测试所需的冷水压力:包含冷水箱、Y 型过滤器、热冷水离心泵、不锈钢管件接头、冷水压力传感器、冷水管道热电偶、冷水循环阀、冷水球阀等;冷水箱中安装有滤网、热电偶、液位开关等;滤网安装在水箱抽水口内侧,用于第一道水质过滤;热电偶采用OMEGA 对插型,方便拆装;液位控制由3个液位开关组成闭环补水控制,水箱底部一个液位开关用于水泵安全液位控制,水箱上部采用两个液位开关组合液位差控制水箱加水。

3 基于机器人的水嘴阀芯寿命检验设备控制设计

3.1 PLC控制系统

本PLC系统主要由CPU 一体机、热电偶模块、模拟量输入/输出混合模块、数字量输出扩展模块组成。

3.2 组态系统

组态系统主要采用杰控组态软件,变量256 点。主要技术要求有冷、热水压力和温度。冷、热水压力:各有设定值和显示值参数,0.01 MPa 或1 k Pa 或1 PSI,水压稳定性应在±0.01 MPa、±10 k Pa或±2 PSI以内。冷、热水温度:各有设定值和显示值参数,0.1℃,温度稳定性在±1℃以内。

3.3 灵敏度测试参数

灵敏度测试参数的角度范围:0°～300°,转速设定0.5°/s或1°/s,精度±0.05°/s以内,全冷停留时间:1～60 s可设,全热停留时间:1～60 s可设。

4 系统上位机软件设计

采用SIEMENS公司的人机交互界面,实现分散控制、集中管理的人机对话方式,在主界面中用户可以切换左右工位测试界面和参数设定,各按钮之间互锁,点击按钮之后可以进入相应试验的操作界面。在主界面中可以监视实时水箱温度、进水管的进水压力及流量、安全性与出水稳定性测试水路出水口的温度、流量、压力等,同时,还可以监控冷热水泵、电磁气阀的开关状态。

制冷、加热系统及冷水恒压变频控制系统;冷水、热水供水和冷水回水的自动切换功能;低压出水密封测试;测试结束时的自动停机、报警及信息提示功能。

电脑界面可设定及显示相关状态、数据,记录相应数值,生成曲线,存档为报表,并另有触摸屏控制界面,安装于操作台附近,便于控制及主要参数数据的设定和显示观看。

供水温度:冷水5～30℃,温度波动±1℃;热水:室温～90℃,温度波动±1℃;有“自动回水”和“不自动回水”的模式可选择,“自动回水”则根据设定温度区间回冷水箱或热水箱或直接排掉;(当出水温度T≤25℃时,全部回冷水箱;当出水温度25℃＜T≤35℃时,一半回热水箱,一半直接排掉;当出水温度T＞35℃时,全部回热水箱)“自动不回水”则全部都不会,而是储存在水槽内,后面由人工手动排水。测试水槽上方增加可拆卸式不锈钢防护网,目的是防止人手伸到存水里被烫伤的可能,或物体进入水槽,水飞溅。测试完毕后混合水箱内水回冷水箱或热水箱进行循环使用。

有“恒压模式”和“恒频模式”可供选择,即冷、热供水可在恒压输出和恒频输出之间简易切换(恒压模式:动压和静压的压力相同,在额定的流量和压力曲线范围内,二者压力都能一样;恒频模式:动压的压力＜静压压力,且流量越大,二者的差值越大)。

目前,随着水暖卫浴类产品的多元和高速的更新发展,传统的检验方式难以满足发展的需求,产品的检验方式往智能化方向发展也有很多新突破。六轴机械手应用于产品检验中,具有精度高、效率高、标准覆盖广、稳定性好,适合多种检测方法的比对研究;同时可以探索更好的质量检验和评价方法,持续提高检测能力,促进水暖卫浴类产品检验领域智能化装备的发展。