智能坐便器智能化綜合檢測(cè)裝置*

陳天予 馮盼盼 曹雅文 / 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院；國(guó)家建筑材料及裝飾裝修材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外智能坐便器涉及的標(biāo)準(zhǔn)較多、檢測(cè)要求逐漸升高，檢測(cè)業(yè)務(wù)量不斷增大，現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備的能力較弱，無(wú)法滿(mǎn)足檢測(cè)時(shí)效，老舊檢測(cè)裝置無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足多種標(biāo)準(zhǔn)要求。為了提升檢測(cè)能力，提高檢測(cè)效率，亟需打造一種智能化程度更高，準(zhǔn)確度更好的高效檢測(cè)裝置。

1 智能坐便器智能化綜合檢測(cè)裝置研發(fā)目的

目前，根據(jù)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)智能坐便器坐圈加熱功能等項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、準(zhǔn)確度不高、智能化差、集成度低的情況，極大地影響了檢測(cè)效率，且額外增加了場(chǎng)地的要求。傳統(tǒng)智能坐便器清洗水溫度穩(wěn)定性、清洗力、暖風(fēng)溫度等項(xiàng)目需要使用不同的工裝進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)備線(xiàn)路繁雜、工裝過(guò)多、擺放占用空間，且每項(xiàng)檢測(cè)都需要重新放置不同的工裝，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，檢測(cè)時(shí)也缺乏連貫性。不同種類(lèi)智能坐便器的檢測(cè)位置各不相同，現(xiàn)有單一工裝并不能完全覆蓋，需要定制專(zhuān)用檢測(cè)工裝，后續(xù)花費(fèi)極大。依據(jù)GB/T 34549-2017《衛(wèi)生潔具 智能坐便器》、GB/T 23131-2019《家用和類(lèi)似用途電坐便器便座》、CBMF 15-2019《智能坐便器》，對(duì)坐圈加熱功能檢測(cè)時(shí)，均需在坐圈上按長(zhǎng)度、寬度手工畫(huà)等分線(xiàn)后標(biāo)出6～30個(gè)測(cè)量點(diǎn)。各種品牌型號(hào)的智能坐便器坐圈樣式繁多、尺寸各異，手工測(cè)量定位畫(huà)線(xiàn)準(zhǔn)確度及效率低。

為解決上述問(wèn)題，研發(fā)了一種智能坐便器智能化綜合檢測(cè)裝置（以下簡(jiǎn)稱(chēng)裝置）。該裝置具有機(jī)器視覺(jué)快速高效定位、六自由度機(jī)械手全方位檢測(cè)壽命、便捷高速采集清洗力檢測(cè)工裝數(shù)據(jù)等智能化能力，且檢測(cè)適應(yīng)范圍廣。經(jīng)試驗(yàn)，該裝置智能化、機(jī)器自由度、自動(dòng)化水平高。

2 裝置的組成

裝置由供水系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成，滿(mǎn)足多種標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)要求的機(jī)械手代替?zhèn)鹘y(tǒng)工裝，并利用視覺(jué)傳感器配合機(jī)械手檢測(cè)坐圈加熱功能均勻性。

2.1 供水系統(tǒng)

供水系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 供水系統(tǒng)

2.1.1 水溫控制

GB/T 34549-2017《衛(wèi)生潔具 智能坐便器》中要求進(jìn)水溫度（5±1）℃，供水水壓（0.18±0.02）MPa，制冷機(jī)為5 ℃水箱提供冷水，水箱與制冷機(jī)之間使用循環(huán)泵，保證水箱內(nèi)的水溫與制冷機(jī)水溫一致。由于標(biāo)準(zhǔn)所要求的水溫為進(jìn)水溫度，即裝置的出水口溫度與設(shè)定溫度保持一致，偏差不大于±1 ℃。對(duì)于該問(wèn)題的解決方案為水路自循環(huán)：水泵通過(guò)控制閥將水箱內(nèi)的水抽出經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓罐、溫度計(jì)再通過(guò)控制閥返回水箱，形成一級(jí)自循環(huán)，此時(shí)管道內(nèi)的水一直保持流動(dòng)狀態(tài)。一段時(shí)間后打開(kāi)壓力表后面的另一個(gè)控制閥，形成二級(jí)自循環(huán)，再打開(kāi)球閥給待測(cè)樣品供水。檢測(cè)前需要通過(guò)一級(jí)自循環(huán)將管道內(nèi)多余的常溫水排出。

2.1.2 水壓控制

裝置的管道出水口處裝有高精度壓力傳感器，計(jì)算機(jī)通過(guò)壓力傳感器反饋的水壓數(shù)據(jù)調(diào)整參數(shù)，控制變頻器改變水泵的轉(zhuǎn)速，從而保持水泵出水壓力的穩(wěn)定，并在供水管道中加裝穩(wěn)壓罐，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

2.2 電氣控制系統(tǒng)

2.2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

裝置的電氣控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、可編程控制器（有in、out、讀取輸出0、1數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的功能，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）、機(jī)械手、機(jī)器視覺(jué)傳感器和溫度巡檢儀組成。其中，PLC包含模擬量輸入模塊（AI）和模擬量輸出模塊（AO），外接溫度熱電偶、壓力傳感器、水泵變頻器、電磁閥等，如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模擬量輸入模塊（AI）是PLC的外接模塊，能夠接收溫度熱電偶、壓力傳感器發(fā)送的模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了裝置出水溫度、供水水壓、清洗力等檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集；模擬量輸出模塊（AO）控制水泵變頻器，實(shí)現(xiàn)裝置供水水壓的變頻控制；機(jī)械手是終端執(zhí)行模塊，能夠接收計(jì)算機(jī)指令，夾持溫度熱電偶、壓力傳感器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)檢測(cè)夾具，實(shí)現(xiàn)多位置、多角度的檢測(cè)。機(jī)器視覺(jué)傳感器利用Cmos攝像頭拍攝坐圈圖像，并傳輸至計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)處理，生成三維坐標(biāo)系，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)與機(jī)械手相結(jié)合，準(zhǔn)確地畫(huà)出坐圈測(cè)溫點(diǎn)的位置。溫度巡檢儀外接30個(gè)溫度熱電偶，采集坐圈測(cè)溫點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。

2.2.2 閉環(huán)控制

水路的閉環(huán)控制主要利用PLC和水泵變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。PLC控制水泵轉(zhuǎn)動(dòng)，水泵運(yùn)行時(shí)輸出電壓反饋信號(hào)至PLC的模擬量輸入模塊（AI），經(jīng)PLC模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)，經(jīng)處理，與設(shè)定值進(jìn)行差值運(yùn)算后，輸出修正信號(hào)至PLC模塊，控制PLC的模擬量輸出模塊（AO），輸出0～10 V模擬信號(hào)，并控制水泵變頻器改變水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的供水壓力的閉環(huán)控制。

2.2.3 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)利用Cmos攝像頭拍攝坐圈圖像，將圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，提取目標(biāo)的特征，輸出坐標(biāo)并傳輸至計(jì)算機(jī)，控制機(jī)械手進(jìn)行檢測(cè)。坐圈表面溫度檢測(cè)流程如圖3所示。

圖3 坐圈表面溫度檢測(cè)流程

（1）電氣控制系統(tǒng)初始化。電氣控制系統(tǒng)檢測(cè)前自動(dòng)初始化，使機(jī)械手、視覺(jué)傳感器回到初始位置。

（2）圖像采集。打開(kāi)LED輔助光源，機(jī)器視覺(jué)傳感器拍攝被測(cè)樣品圖像，經(jīng)內(nèi)部圖像采集卡計(jì)算，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，將模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳輸至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)完成圖像預(yù)處理、灰度計(jì)算、高斯濾波，最終輸出圖像。

（3）輸出坐標(biāo)軸。經(jīng)計(jì)算機(jī)處理分析，輸出整個(gè)坐圈相對(duì)機(jī)械手的空間三維坐標(biāo)系，并標(biāo)出測(cè)溫點(diǎn)，由檢測(cè)人員判斷是否滿(mǎn)足要求。如果不滿(mǎn)足，繼續(xù)采集更多圖像，疊加分析，直到輸出符合要求的數(shù)據(jù)。

（4）執(zhí)行。機(jī)械手根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的坐標(biāo)，在機(jī)械手尾端夾具夾裝油性筆，自動(dòng)畫(huà)線(xiàn)，標(biāo)出測(cè)溫點(diǎn)，由檢測(cè)人員確認(rèn)正確與否。

（5）使用溫度巡檢儀，用3M鋁箔膠帶粘貼熱電偶線(xiàn)。點(diǎn)擊程序開(kāi)始檢測(cè)，每2 min自動(dòng)采集1次溫度值，共采集5次，程序自動(dòng)計(jì)算并輸出檢測(cè)結(jié)果。

3 裝置主要技術(shù)參數(shù)

1）高精度力值傳感器，最大允差±0.001 N；

2）高速視覺(jué)傳感器，可高精度定位，集成光源，且圖像處理速度快，成像質(zhì)量?jī)?yōu)異；

3）多級(jí)循環(huán)供水系統(tǒng)，水溫誤差1%，水壓誤差0.5%；

4）六自由度機(jī)械手，臂展750 mm，重復(fù)定位誤差0.03 mm，準(zhǔn)確定位測(cè)溫點(diǎn)，具有優(yōu)異的重復(fù)性；

5）高速溫度采集，具有40路溫度熱電偶，采樣周期0.01 s；

6）適用多種坐便器，不限于電子便蓋，且不受便蓋形狀、高度限制。

4 結(jié)語(yǔ)

智能坐便器智能化綜合檢測(cè)裝置滿(mǎn)足了多種不同類(lèi)型智能坐便器以及電子蓋板的檢測(cè)要求，適用范圍廣、智能化程度高、操作方便、準(zhǔn)確度及效率高，大大提高了智能坐便器的檢測(cè)水平，為企業(yè)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品提供技術(shù)支持及產(chǎn)品質(zhì)量控制。