基于六軸機械手在水暖衛浴產品中檢驗研究與應用*

區卓琨 黃振穎 楊志雄

(佛山市質量計量監督檢測中心國家陶瓷及水暖衛浴產品質量檢驗檢測中心 廣東 佛山 528225)

水暖衛浴產品與工農業生產和百姓生活緊密相關,使用范圍廣泛,包括通用節水器具、水嘴、節水型生活用水器具、便器沖洗閥、非接觸式給水器具等。隨著新一代新興技術在水暖衛浴產品中的應用,近年來其產品正向智能化、節能、多功能、高附加值、高性能、人體工程學方向發展,各類新產品的銷量也不斷地增長,滿足了人們個性化的需要,產品系列功能還在不斷延伸。目前,國內市場整處在開發和快速發展階段,是我國又一新的經濟增長點。

隨著我國產品質量檢驗事業蓬勃發展,在產品的標準、質量、計量等技術要求方面逐步提高,為保證我國的產品質量和國計民生不斷提高作出了貢獻。作為建筑物內與人直接接觸的五金水暖產品正處于勢頭良好的發展階段。全國范圍內建筑五金水暖產品生產企業近萬家,并且以20%的增長速度銷往世界各地。我國正逐步成為世界五金水暖生產大國。近年來,為了提高我國產品質量水平,國家制定發布了一些國家、行業標準,目的是規范產品質量,盡快與國際先進水平接軌。所以,產品質量檢驗技術應不斷提高智能化水平,實現產品質量檢驗技術更科學、精準、高效。

1 基于六軸機械手在水嘴閥芯壽命檢驗中研究與應用

水嘴類產品作為水暖衛浴類產品的主要系列,水嘴類產品的閥芯是水嘴的核心部位,其種類一般分為陶瓷片閥芯、鋼球閥芯和軸滾式閥芯。閥芯的使用壽命是評定閥芯的密封性能、耐磨性能和物理性能穩定性的重要指標,也是產品質量的關鍵技術。傳統的水嘴類產品閥芯壽命檢驗方式主要以較為單一的單軸或單軸氣缸聯動機械設備控制來循環檢驗,但是隨著產品的多元化設計和功能的多樣性,單一的機械設備難以滿足多樣化產品的檢驗需求。所以基于以上問題,亟待研發一臺基于六軸機械手的水嘴閥芯壽命檢驗系統設備,實現科學、精準、高效的水嘴閥芯壽命檢驗工作。本系統設備依據標準GB18145-2014第8.6.9.1條款、EN817-2008 第12.1 條 款、EN200-2008 第11.2.4 條 款、ASMEA112.18.1-2012/CSAB125.1-12第5.6.1.2條款的標準要求來研發設計,采用最新的六軸機械手完成壽命動作檢測。系統組成由主控制系統、供水系統、檢測系統和數據采集系統,主控制系統采用PCL、工控機和計算機對整個檢測過程進行全自動化控制。供水系統包括冷熱水恒溫系統、恒壓供水系統,并且可實現測試冷熱水高效循環再利用功能。檢測系統由六軸機械手及三維六分力傳感器和高精密電磁流量傳感器組成。數據采集系統由溫度和壓力數據采集系統及組態軟件等組成,恒壓供水系統采用HLP變頻器+南方特種泵、OMEGA 高速溫度熱電偶、霍尼韋爾壓力變送器及數據采集系統和組態系統組成。圖1為基于機械手的水嘴閥芯壽命檢驗系統設備總設計圖。

圖1 基于機械手的水嘴閥芯壽命檢驗系統設備總設計圖

2 基于六軸機械手的水嘴閥芯壽命檢驗設備結構功能設計

本系統設備由操作臺、六軸機械手、三維六分力傳感器、高精密電磁流量傳感器、電控柜和輔助配套系統組成。

2.1 水嘴閥芯機械手檢測結構設計

機械手采用六軸機械手+三維六分力傳感器組成,如圖2所示。機械手可通過手持示教器操控運動,快速到達指定的位置;也可單獨每個關節軸分別運動精確調整位置;也可通過傳感器檢測6個方向的力值,反饋給機械手,機械手通訊到上位機,在控制界面上顯示出來相應傳感器受力情況以及精準調節位置。機械手通過以上任意一種方式從起始點到達終點后,這兩點之間的位移和運動軌跡自動生成,并保存當前狀態,待所有點位全部設置好后,設定好運行速度和循環次數后,機械手將自動進行循環測試。在測試過程中將全程監控被測樣品的力值反饋情況,若操作力大于設定力,將不再進行測試下去,機器人將自動停止測試并保持當前狀態。

圖2 水嘴閥芯機械手檢測結構設計圖

2.2 設備供水系統控制部件設計

設備前部位上方安裝有3個溫度表分別為顯示冷水供壓管道溫度表、熱水供壓管道溫度表和出水口溫度表;兩個壓力表分別為冷、熱水供壓管道壓力表;檢測實時數據可通過通信由PLC模塊直接發送數據。

操作臺面安裝有不銹鋼水槽,設計有3個回水口分別連接冷水回水閥、熱水回水閥、排水閥;冷水回水閥接到冷水箱回水口;熱水回水閥接到熱水箱回水口;排水閥直接連接到排水管道;水槽上方安裝有固定座,并可前后及左右調節;在安裝座的旁邊安裝有一根裸露式熱電偶,用于檢測產品出水口的溫度值,采集速率可達50 Hz。

操作臺下方的左邊位置設計安裝有熱水供水系統組件,如圖3所示。用于提供測試所需的熱水壓力,包含:熱水箱、Y 型過濾器、熱水離心泵、不銹鋼管件接頭、熱水壓力傳感器、流量計、熱水管道熱電偶、熱水循環閥、熱水球閥等;熱水箱中安裝有濾網、熱電偶、加熱裝置、液位開關等;濾網安裝在水箱抽水口內側,用于第一道水質過濾;熱電偶采用OMEGA 對插型,如圖4所示,方便拆裝;加熱裝置采用三根U 型加熱管(380 V、3 k W);液位控制由三個液位開關組成閉環補水控制,水箱底部一個液位開關用于水泵安全液位控制,水箱上部采用兩個液位開關組合液位差控制水箱加水。操作臺下方的右邊位置安裝有冷水供水系統組件,如圖3所示,用于提供測試所需的冷水壓力:包含冷水箱、Y 型過濾器、熱冷水離心泵、不銹鋼管件接頭、冷水壓力傳感器、冷水管道熱電偶、冷水循環閥、冷水球閥等;冷水箱中安裝有濾網、熱電偶、液位開關等;濾網安裝在水箱抽水口內側,用于第一道水質過濾;熱電偶采用OMEGA 對插型,方便拆裝;液位控制由3個液位開關組成閉環補水控制,水箱底部一個液位開關用于水泵安全液位控制,水箱上部采用兩個液位開關組合液位差控制水箱加水。

3 基于機器人的水嘴閥芯壽命檢驗設備控制設計

3.1 PLC控制系統

本PLC系統主要由CPU 一體機、熱電偶模塊、模擬量輸入/輸出混合模塊、數字量輸出擴展模塊組成。

3.2 組態系統

組態系統主要采用杰控組態軟件,變量256 點。主要技術要求有冷、熱水壓力和溫度。冷、熱水壓力:各有設定值和顯示值參數,0.01 MPa 或1 k Pa 或1 PSI,水壓穩定性應在±0.01 MPa、±10 k Pa或±2 PSI以內。冷、熱水溫度:各有設定值和顯示值參數,0.1℃,溫度穩定性在±1℃以內。

3.3 靈敏度測試參數

靈敏度測試參數的角度范圍:0°～300°,轉速設定0.5°/s或1°/s,精度±0.05°/s以內,全冷停留時間:1～60 s可設,全熱停留時間:1～60 s可設。

4 系統上位機軟件設計

采用SIEMENS公司的人機交互界面,實現分散控制、集中管理的人機對話方式,在主界面中用戶可以切換左右工位測試界面和參數設定,各按鈕之間互鎖,點擊按鈕之后可以進入相應試驗的操作界面。在主界面中可以監視實時水箱溫度、進水管的進水壓力及流量、安全性與出水穩定性測試水路出水口的溫度、流量、壓力等,同時,還可以監控冷熱水泵、電磁氣閥的開關狀態。

制冷、加熱系統及冷水恒壓變頻控制系統;冷水、熱水供水和冷水回水的自動切換功能;低壓出水密封測試;測試結束時的自動停機、報警及信息提示功能。

電腦界面可設定及顯示相關狀態、數據,記錄相應數值,生成曲線,存檔為報表,并另有觸摸屏控制界面,安裝于操作臺附近,便于控制及主要參數數據的設定和顯示觀看。

供水溫度:冷水5～30℃,溫度波動±1℃;熱水:室溫～90℃,溫度波動±1℃;有“自動回水”和“不自動回水”的模式可選擇,“自動回水”則根據設定溫度區間回冷水箱或熱水箱或直接排掉;(當出水溫度T≤25℃時,全部回冷水箱;當出水溫度25℃＜T≤35℃時,一半回熱水箱,一半直接排掉;當出水溫度T＞35℃時,全部回熱水箱)“自動不回水”則全部都不會,而是儲存在水槽內,后面由人工手動排水。測試水槽上方增加可拆卸式不銹鋼防護網,目的是防止人手伸到存水里被燙傷的可能,或物體進入水槽,水飛濺。測試完畢后混合水箱內水回冷水箱或熱水箱進行循環使用。

有“恒壓模式”和“恒頻模式”可供選擇,即冷、熱供水可在恒壓輸出和恒頻輸出之間簡易切換(恒壓模式:動壓和靜壓的壓力相同,在額定的流量和壓力曲線范圍內,二者壓力都能一樣;恒頻模式:動壓的壓力＜靜壓壓力,且流量越大,二者的差值越大)。

目前,隨著水暖衛浴類產品的多元和高速的更新發展,傳統的檢驗方式難以滿足發展的需求,產品的檢驗方式往智能化方向發展也有很多新突破。六軸機械手應用于產品檢驗中,具有精度高、效率高、標準覆蓋廣、穩定性好,適合多種檢測方法的比對研究;同時可以探索更好的質量檢驗和評價方法,持續提高檢測能力,促進水暖衛浴類產品檢驗領域智能化裝備的發展。