基于六軸機械手在水暖衛(wèi)浴產(chǎn)品中檢驗研究與應(yīng)用*

區(qū)卓琨 黃振穎 楊志雄

(佛山市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測中心國家陶瓷及水暖衛(wèi)浴產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測中心 廣東 佛山 528225)

水暖衛(wèi)浴產(chǎn)品與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和百姓生活緊密相關(guān),使用范圍廣泛,包括通用節(jié)水器具、水嘴、節(jié)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(shù)在水暖衛(wèi)浴產(chǎn)品中的應(yīng)用,近年來其產(chǎn)品正向智能化、節(jié)能、多功能、高附加值、高性能、人體工程學(xué)方向發(fā)展,各類新產(chǎn)品的銷量也不斷地增長,滿足了人們個性化的需要,產(chǎn)品系列功能還在不斷延伸。目前,國內(nèi)市場整處在開發(fā)和快速發(fā)展階段,是我國又一新的經(jīng)濟增長點。

隨著我國產(chǎn)品質(zhì)量檢驗事業(yè)蓬勃發(fā)展,在產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量、計量等技術(shù)要求方面逐步提高,為保證我國的產(chǎn)品質(zhì)量和國計民生不斷提高作出了貢獻。作為建筑物內(nèi)與人直接接觸的五金水暖產(chǎn)品正處于勢頭良好的發(fā)展階段。全國范圍內(nèi)建筑五金水暖產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)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(chǎn)大國。近年來,為了提高我國產(chǎn)品質(zhì)量水平,國家制定發(fā)布了一些國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),目的是規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量,盡快與國際先進水平接軌。所以,產(chǎn)品質(zhì)量檢驗技術(shù)應(yīng)不斷提高智能化水平,實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗技術(shù)更科學(xué)、精準(zhǔn)、高效。

1 基于六軸機械手在水嘴閥芯壽命檢驗中研究與應(yīng)用

水嘴類產(chǎn)品作為水暖衛(wèi)浴類產(chǎn)品的主要系列,水嘴類產(chǎn)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(wěn)定性的重要指標(biāo),也是產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的水嘴類產(chǎn)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(lián)動機械設(shè)備控制來循環(huán)檢驗,但是隨著產(chǎn)品的多元化設(shè)計和功能的多樣性,單一的機械設(shè)備難以滿足多樣化產(chǎn)品的檢驗需求。所以基于以上問題,亟待研發(fā)一臺基于六軸機械手的水嘴閥芯壽命檢驗系統(tǒng)設(shè)備,實現(xiàn)科學(xué)、精準(zhǔn)、高效的水嘴閥芯壽命檢驗工作。本系統(tǒng)設(shè)備依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)要求來研發(fā)設(shè)計,采用最新的六軸機械手完成壽命動作檢測。系統(tǒng)組成由主控制系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),主控制系統(tǒng)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(tǒng)包括冷熱水恒溫系統(tǒng)、恒壓供水系統(tǒng),并且可實現(xiàn)測試冷熱水高效循環(huán)再利用功能。檢測系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由溫度和壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及組態(tài)軟件等組成,恒壓供水系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和組態(tài)系統(tǒng)組成。圖1為基于機械手的水嘴閥芯壽命檢驗系統(tǒng)設(shè)備總設(shè)計圖。

圖1 基于機械手的水嘴閥芯壽命檢驗系統(tǒng)設(shè)備總設(shè)計圖

2 基于六軸機械手的水嘴閥芯壽命檢驗設(shè)備結(jié)構(gòu)功能設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)組成。

2.1 水嘴閥芯機械手檢測結(jié)構(gòu)設(shè)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(guān)節(jié)軸分別運動精確調(diào)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(yīng)傳感器受力情況以及精準(zhǔn)調(diào)節(jié)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(dāng)前狀態(tài),待所有點位全部設(shè)置好后,設(shè)定好運行速度和循環(huán)次數(shù)后,機械手將自動進行循環(huán)測試。在測試過程中將全程監(jiān)控被測樣品的力值反饋情況,若操作力大于設(shè)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(dāng)前狀態(tài)。

圖2 水嘴閥芯機械手檢測結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2.2 設(shè)備供水系統(tǒng)控制部件設(shè)計

設(shè)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(shù)據(jù)可通過通信由PLC模塊直接發(fā)送數(shù)據(jù)。

操作臺面安裝有不銹鋼水槽,設(shè)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(diào)節(jié);在安裝座的旁邊安裝有一根裸露式熱電偶,用于檢測產(chǎn)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(shè)計安裝有熱水供水系統(tǒng)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(huán)閥、熱水球閥等;熱水箱中安裝有濾網(wǎng)、熱電偶、加熱裝置、液位開關(guān)等;濾網(wǎng)安裝在水箱抽水口內(nèi)側(cè),用于第一道水質(zhì)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(guān)組成閉環(huán)補水控制,水箱底部一個液位開關(guān)用于水泵安全液位控制,水箱上部采用兩個液位開關(guān)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(tǒng)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(huán)閥、冷水球閥等;冷水箱中安裝有濾網(wǎng)、熱電偶、液位開關(guān)等;濾網(wǎng)安裝在水箱抽水口內(nèi)側(cè),用于第一道水質(zhì)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(guān)組成閉環(huán)補水控制,水箱底部一個液位開關(guān)用于水泵安全液位控制,水箱上部采用兩個液位開關(guān)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(shè)備控制設(shè)計

3.1 PLC控制系統(tǒng)

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

3.2 組態(tài)系統(tǒng)

組態(tài)系統(tǒng)主要采用杰控組態(tài)軟件,變量256 點。主要技術(shù)要求有冷、熱水壓力和溫度。冷、熱水壓力:各有設(shè)定值和顯示值參數(shù),0.01 MPa 或1 k Pa 或1 PSI,水壓穩(wěn)定性應(yīng)在±0.01 MPa、±10 k Pa或±2 PSI以內(nèi)。冷、熱水溫度:各有設(shè)定值和顯示值參數(shù),0.1℃,溫度穩(wěn)定性在±1℃以內(nèi)。

3.3 靈敏度測試參數(shù)

靈敏度測試參數(shù)的角度范圍:0°～300°,轉(zhuǎn)速設(shè)定0.5°/s或1°/s,精度±0.05°/s以內(nèi),全冷停留時間:1～60 s可設(shè),全熱停留時間:1～60 s可設(shè)。

4 系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計

采用SIEMENS公司的人機交互界面,實現(xiàn)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(shù)設(shè)定,各按鈕之間互鎖,點擊按鈕之后可以進入相應(yīng)試驗的操作界面。在主界面中可以監(jiān)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(wěn)定性測試水路出水口的溫度、流量、壓力等,同時,還可以監(jiān)控冷熱水泵、電磁氣閥的開關(guān)狀態(tài)。

制冷、加熱系統(tǒng)及冷水恒壓變頻控制系統(tǒng);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(jié)束時的自動停機、報警及信息提示功能。

電腦界面可設(shè)定及顯示相關(guān)狀態(tài)、數(shù)據(jù),記錄相應(yīng)數(shù)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(shù)數(shù)據(jù)的設(shè)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(jù)設(shè)定溫度區(qū)間回冷水箱或熱水箱或直接排掉;(當(dāng)出水溫度T≤25℃時,全部回冷水箱;當(dāng)出水溫度25℃＜T≤35℃時,一半回?zé)崴?一半直接排掉;當(dāng)出水溫度T＞35℃時,全部回?zé)崴?“自動不回水”則全部都不會,而是儲存在水槽內(nèi),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(wǎng),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(nèi)水回冷水箱或熱水箱進行循環(huán)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(nèi),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(wèi)浴類產(chǎn)品的多元和高速的更新發(fā)展,傳統(tǒng)的檢驗方式難以滿足發(fā)展的需求,產(chǎn)品的檢驗方式往智能化方向發(fā)展也有很多新突破。六軸機械手應(yīng)用于產(chǎn)品檢驗中,具有精度高、效率高、標(biāo)準(zhǔn)覆蓋廣、穩(wěn)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(zhì)量檢驗和評價方法,持續(xù)提高檢測能力,促進水暖衛(wèi)浴類產(chǎn)品檢驗領(lǐng)域智能化裝備的發(fā)展。