一種基于六自由度機械手的水嘴耐久性智能試驗系統(tǒng)的研發(fā)

陳紅

摘 要：隨著社會發(fā)展，水嘴已經(jīng)在公共場所、辦公場所、家庭得到了廣泛應(yīng)用，成為人們?nèi)粘Ｉ钪兄匾暮乃a(chǎn)品。另外，對水嘴耐久性質(zhì)量安全進行管控是非常關(guān)鍵的，一方面，我國是水資源嚴重缺乏國家，水嘴長期使用后會出現(xiàn)跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，嚴重浪費水資源；另一方面，我國陶瓷片密封水嘴內(nèi)銷的生產(chǎn)水平參差不齊，對產(chǎn)品質(zhì)量控制不嚴，導(dǎo)致水嘴在長期冷熱水交替使用中，零部件容易出現(xiàn)變形、斷裂、轉(zhuǎn)換開關(guān)卡阻、復(fù)位失效、靈敏度降低等質(zhì)量情況，易引發(fā)燙傷等安全事故。

關(guān)鍵詞：水嘴；耐久性實驗；效果及推廣

中圖分類號：TS914.25 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）09-0056-02

1 傳統(tǒng)水嘴耐久性試驗檢測設(shè)備存在的主要問題

1.1 傳統(tǒng)水嘴耐久性檢測設(shè)備通用性差

目前市場上的水嘴各式各樣，有很多不同的類型，現(xiàn)有的水嘴耐久性試驗機需要針對每種類型樣品設(shè)計不同的執(zhí)行機構(gòu)，每個執(zhí)行機構(gòu)均占一個工位，而企業(yè)和質(zhì)檢機構(gòu)往往涉及產(chǎn)品類型較多，導(dǎo)致水嘴耐久性檢測設(shè)備工位很多，設(shè)備體積龐大，通用性差，利用率低。因此，水嘴生產(chǎn)企業(yè)和質(zhì)檢機構(gòu)均在尋求一種產(chǎn)品適應(yīng)性強的水嘴耐久性檢測設(shè)備。

1.2 企業(yè)缺乏智能檢測設(shè)備

國家對水嘴質(zhì)量的管控也越來越嚴格，市場競爭激烈，大中型企業(yè)為了不斷加強自身的競爭能力，必須從提高產(chǎn)品本身質(zhì)量出發(fā)，嚴格控制生產(chǎn)過程，這些企業(yè)都希望有一種更智能的檢測設(shè)備，可以實時采集、監(jiān)控試驗過程中各個參數(shù)的變化，使得研發(fā)人員、試驗人員對產(chǎn)品性能有更充分的了解，便于企業(yè)研發(fā)和質(zhì)量管控。

1.3 傳統(tǒng)檢測設(shè)備的穩(wěn)定性、精確性有待提高

水嘴耐久性試驗均要進行幾萬次甚至幾十萬次的循環(huán)，一個耐久性試驗如果機器每天24小時不間斷運轉(zhuǎn)也要持續(xù)十幾天，而傳統(tǒng)水嘴耐久性試驗機都是電機和氣缸配合，長時間運轉(zhuǎn)電機易發(fā)熱，設(shè)備故障率較高，這一問題亟待解決。

2 本試驗系統(tǒng)著重解決的技術(shù)能力

（1）開發(fā)六自由度機械手用于水嘴耐久性試驗系統(tǒng)的程序控制軟件，實現(xiàn)試驗系統(tǒng)的智能化，提高試驗系統(tǒng)的通用性；（2）研發(fā)水壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高壓力和流量控制精度；（3）通過水箱的優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合控制器對水嘴把手位置的監(jiān)控，實現(xiàn)高低溫水的精確控制。

3 本試驗系統(tǒng)依據(jù)的標準

3.1 國家標準

（1）GB 18145-2014《陶瓷片密封水嘴》；（2）GB 25501-2010《水嘴用水效率限定值及用水效率等級》；（3）QB/T 1334-2013《水嘴通用技術(shù)條件》；（4）JC/T 758-2008《面盆水嘴》；（5）JC/T 760-2008《浴盆及淋浴水嘴》。

3.2 國外標準

（1）歐系標準：EN817：2008《衛(wèi)浴龍頭 機械混合閥（PN10）通用技術(shù)要求》、EN200：2008《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》；（2）澳系標準：AS/NZS 3718：2005/AMD1：2006/AMD2：2008《供水裝置 水嘴》；（3）美系標準：ASME A112.18.1-2012/CSA B125.1-12《管道供水裝置》。

4 本試驗系統(tǒng)的工作原理

目前國內(nèi)外通常采用以下作業(yè)程序完成單柄雙控水嘴耐久性試驗，水嘴按使用狀態(tài)安裝在試驗設(shè)備上，在標準要求的試驗條件下，并保證水嘴手柄按圖1所示運動，一個循環(huán)包括三次開關(guān)運動和兩次完整的冷水—熱水—冷水運動。步驟如下：

（1）閥芯位于中間混合關(guān)閉位置0開始試驗；（2）在中間混合位置打開至位置1；（3）返回關(guān)閉位置2；（4）在關(guān)閉位置轉(zhuǎn)換到冷水位置3；（5）在冷水位置打開至4；（6）在開啟狀態(tài)下轉(zhuǎn)到熱水全開位置5，保持（5±0.5）s；（7）再在開啟狀態(tài)下轉(zhuǎn)到冷水全開位置6，保持（5±0.5）s；（8）關(guān)閉水嘴到位置7；（9）在關(guān)閉狀態(tài)下轉(zhuǎn)到熱水位置8；（10）在熱水位置打開到位置9，再關(guān)閉至位置10；（11）在關(guān)閉狀態(tài)回到11（0）位置。

以上為一個循環(huán)，連續(xù)進行測試，完成7×104個循環(huán)次數(shù)。

5 本試驗系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新點

5.1 在水嘴耐久性試驗系統(tǒng)中引入六自由度機械手

本項目是根據(jù)國標GB 18145-2014《陶瓷片密封水嘴》、EN817：2008《衛(wèi)浴龍頭 機械混合閥（PN10）通用技術(shù)要求》等國內(nèi)外相關(guān)標準中的水嘴壽命試驗來設(shè)計完成的，由于該標準中涵蓋了很多各式各樣不同類型的水嘴，例如：單柄單控水嘴、單柄雙控水嘴、雙柄雙控水嘴、抽取式水嘴、旋轉(zhuǎn)開關(guān)、旋轉(zhuǎn)出水管等，由于水嘴的多樣性，導(dǎo)致現(xiàn)有的壽命試驗機針對每一個樣品都設(shè)計了不同的執(zhí)行機構(gòu)，導(dǎo)致了設(shè)備龐大，通用性差等一系列問題，為了解決這些問題，我們創(chuàng)新性提出了用六自由度機械手測試系統(tǒng)的解決方案。

5.2 高精度壓力和流量控制系統(tǒng)

運用了計算機-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)分為三個模塊：給定模塊；采集模塊；控制模塊。

5.3 高低溫水精確控制系統(tǒng)

在單柄雙控水嘴的耐久性試驗中我們發(fā)現(xiàn)，水嘴的開啟狀態(tài)分為：極冷、極熱、混合水三種，其中混合水對主水箱的溫度會造成影響，我們?yōu)榇嗽O(shè)計了混合水的水箱，結(jié)合機器人測試系統(tǒng)和管路控制系統(tǒng)，對冷熱水溫有更高精度的控制。當機器人帶著樣品運行到混合水的位置時，通過控制器對機器人內(nèi)部位置信號的監(jiān)控，控制器得到該位置信號后，將水路中的多位電動閥調(diào)節(jié)到對應(yīng)混合水的水箱，避免混合水影響極冷或極熱水箱，最后對混合水進行加熱或制冷處理，重新回到極冷或極熱水箱，使得系統(tǒng)達到動態(tài)平衡。

5.4 在線監(jiān)測系統(tǒng)

本系統(tǒng)結(jié)合了前面三大系統(tǒng)，并對它們內(nèi)部所有的數(shù)據(jù)和運動軌跡通過總線連接器與互聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)通過人機界面顯示出來并通過互聯(lián)網(wǎng)共享給有打開權(quán)限的試驗人員或調(diào)試人員，使得設(shè)備維護的便利性和試驗人員的操作便利性大幅提高，將所有的試驗參數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸至互聯(lián)網(wǎng)，使得實驗人員可以通過互聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)控和操作，既有利于設(shè)備維護，也提高了試驗效率。

6 實施效果及推廣應(yīng)用情況

根據(jù)檢測結(jié)果分析，該檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠，能夠科學(xué)地、穩(wěn)定地的完成國標GB 18145-2014《陶瓷片密封水嘴》中水嘴開關(guān)壽命試驗，本系統(tǒng)提高了檢測的自動化、智能化，在實際使用中操作方便，各參數(shù)數(shù)據(jù)的實時、充分的采集和傳輸為試驗人員提供豐富的測試信息。西北國家計量測試中心對定性的設(shè)備進行了計量檢定，獲得合格的檢定證書。該設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)為水壓精度達到0.5級，溫度精度達到1.0級，流量精度達到3.0級，扭矩精度達到1.0級，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，并于2016年1月獲得科技部科技進步三等獎。

本系統(tǒng)的研發(fā)和制造成功在業(yè)內(nèi)反映良好，目前已在中國標準化研究院、重慶質(zhì)檢院、蘇州質(zhì)監(jiān)所、佛山質(zhì)監(jiān)所、開平奧斯曼陶瓷有限公司、潮州質(zhì)監(jiān)所、云南質(zhì)檢院、東陶（中國）有限公司等質(zhì)檢機構(gòu)與生產(chǎn)企業(yè)得以應(yīng)用，因檢測精度高，產(chǎn)品適用范圍廣，穩(wěn)定性好，智能化程度高，操作便利等優(yōu)點得到一致好評。

參考文獻

[1]張帆，張衛(wèi)星，陳媛媛，姚創(chuàng)藝，商蓓，吳浩，段坤利，陳文彬.基于六自由度機械手的水嘴耐久性智能試驗系統(tǒng).中國：CN205038043U[P].2016-02-17.

[2]高東輝，王曉鵬，夏金尉，丁洪流.陶瓷片密封水嘴產(chǎn)品質(zhì)量分析[J].陶瓷，2015，（05）：45-48.