一种基于六自由度机械手的水嘴耐久性智能试验系统的研发

陈红

摘 要：随着社会发展，水嘴已经在公共场所、办公场所、家庭得到了广泛应用，成为人们日常生活中重要的耗水产品。另外，对水嘴耐久性质量安全进行管控是非常关键的，一方面，我国是水资源严重缺乏国家，水嘴长期使用后会出现跑、冒、滴、漏现象，严重浪费水资源；另一方面，我国陶瓷片密封水嘴内销的生产水平参差不齐，对产品质量控制不严，导致水嘴在长期冷热水交替使用中，零部件容易出现变形、断裂、转换开关卡阻、复位失效、灵敏度降低等质量情况，易引发烫伤等安全事故。

关键词：水嘴；耐久性实验；效果及推广

中图分类号：TS914.25 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）09-0056-02

1 传统水嘴耐久性试验检测设备存在的主要问题

1.1 传统水嘴耐久性检测设备通用性差

目前市场上的水嘴各式各样，有很多不同的类型，现有的水嘴耐久性试验机需要针对每种类型样品设计不同的执行机构，每个执行机构均占一个工位，而企业和质检机构往往涉及产品类型较多，导致水嘴耐久性检测设备工位很多，设备体积庞大，通用性差，利用率低。因此，水嘴生产企业和质检机构均在寻求一种产品适应性强的水嘴耐久性检测设备。

1.2 企业缺乏智能检测设备

国家对水嘴质量的管控也越来越严格，市场竞争激烈，大中型企业为了不断加强自身的竞争能力，必须从提高產品本身质量出发，严格控制生产过程，这些企业都希望有一种更智能的检测设备，可以实时采集、监控试验过程中各个参数的变化，使得研发人员、试验人员对产品性能有更充分的了解，便于企业研发和质量管控。

1.3 传统检测设备的稳定性、精确性有待提高

水嘴耐久性试验均要进行几万次甚至几十万次的循环，一个耐久性试验如果机器每天24小时不间断运转也要持续十几天，而传统水嘴耐久性试验机都是电机和气缸配合，长时间运转电机易发热，设备故障率较高，这一问题亟待解决。

2 本试验系统着重解决的技术能力

（1）开发六自由度机械手用于水嘴耐久性试验系统的程序控制软件，实现试验系统的智能化，提高试验系统的通用性；（2）研发水压闭环控制系统，提高压力和流量控制精度；（3）通过水箱的优化设计，结合控制器对水嘴把手位置的监控，实现高低温水的精确控制。

3 本试验系统依据的标准

3.1 国家标准

（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级》；（3）QB/T 1334-2013《水嘴通用技术条件》；（4）JC/T 758-2008《面盆水嘴》；（5）JC/T 760-2008《浴盆及淋浴水嘴》。

3.2 国外标准

（1）欧系标准：EN817：2008《卫浴龙头 机械混合阀（PN10）通用技术要求》、EN200：2008《卫浴龙头 1型和2型供水系统的单水龙头和组合水龙头通用技术要求》；（2）澳系标准：AS/NZS 3718：2005/AMD1：2006/AMD2：2008《供水装置 水嘴》；（3）美系标准：ASME A112.18.1-2012/CSA B125.1-12《管道供水装置》。

4 本试验系统的工作原理

目前国内外通常采用以下作业程序完成单柄双控水嘴耐久性试验，水嘴按使用状态安装在试验设备上，在标准要求的试验条件下，并保证水嘴手柄按图1所示运动，一个循环包括三次开关运动和两次完整的冷水—热水—冷水运动。步骤如下：

（1）阀芯位于中间混合关闭位置0开始试验；（2）在中间混合位置打开至位置1；（3）返回关闭位置2；（4）在关闭位置转换到冷水位置3；（5）在冷水位置打开至4；（6）在开启状态下转到热水全开位置5，保持（5±0.5）s；（7）再在开启状态下转到冷水全开位置6，保持（5±0.5）s；（8）关闭水嘴到位置7；（9）在关闭状态下转到热水位置8；（10）在热水位置打开到位置9，再关闭至位置10；（11）在关闭状态回到11（0）位置。

以上为一个循环，连续进行测试，完成7×104个循环次数。

5 本试验系统的技术创新点

5.1 在水嘴耐久性试验系统中引入六自由度机械手

本项目是根据国标GB 18145-2014《陶瓷片密封水嘴》、EN817：2008《卫浴龙头 机械混合阀（PN10）通用技术要求》等国内外相关标准中的水嘴寿命试验来设计完成的，由于该标准中涵盖了很多各式各样不同类型的水嘴，例如：单柄单控水嘴、单柄双控水嘴、双柄双控水嘴、抽取式水嘴、旋转开关、旋转出水管等，由于水嘴的多样性，导致现有的寿命试验机针对每一个样品都设计了不同的执行机构，导致了设备庞大，通用性差等一系列问题，为了解决这些问题，我们创新性提出了用六自由度机械手测试系统的解决方案。

5.2 高精度压力和流量控制系统

运用了计算机-控制器-数字采集板卡-传感器-变频器-多级增压水泵组成了高精度的水压闭环控制系统。该系统分为三个模块：给定模块；采集模块；控制模块。

5.3 高低温水精确控制系统

在单柄双控水嘴的耐久性试验中我们发现，水嘴的开启状态分为：极冷、极热、混合水三种，其中混合水对主水箱的温度会造成影响，我们为此设计了混合水的水箱，结合机器人测试系统和管路控制系统，对冷热水温有更高精度的控制。当机器人带着样品运行到混合水的位置时，通过控制器对机器人内部位置信号的监控，控制器得到该位置信号后，将水路中的多位电动阀调节到对应混合水的水箱，避免混合水影响极冷或极热水箱，最后对混合水进行加热或制冷处理，重新回到极冷或极热水箱，使得系统达到动态平衡。

5.4 在线监测系统

本系统结合了前面三大系统，并对它们内部所有的数据和运动轨迹通过总线连接器与互联网进行连接，再通过LabVIEW人机交互的界面进行编程，将所有试验数据通过人机界面显示出来并通过互联网共享给有打开权限的试验人员或调试人员，使得设备维护的便利性和试验人员的操作便利性大幅提高，将所有的试验参数和数据传输至互联网，使得实验人员可以通过互联网在线监控和操作，既有利于设备维护，也提高了试验效率。

6 实施效果及推广应用情况

根据检测结果分析，该检测系统数据可靠，能够科学地、稳定地的完成国标GB 18145-2014《陶瓷片密封水嘴》中水嘴开关寿命试验，本系统提高了检测的自动化、智能化，在实际使用中操作方便，各参数数据的实时、充分的采集和传输为试验人员提供丰富的测试信息。西北国家计量测试中心对定性的设备进行了计量检定，获得合格的检定证书。该设备主要技术参数为水压精度达到0.5级，温度精度达到1.0级，流量精度达到3.0级，扭矩精度达到1.0级，处于国内领先水平，并于2016年1月获得科技部科技进步三等奖。

本系统的研发和制造成功在业内反映良好，目前已在中国标准化研究院、重庆质检院、苏州质监所、佛山质监所、开平奥斯曼陶瓷有限公司、潮州质监所、云南质检院、东陶（中国）有限公司等质检机构与生产企业得以应用，因检测精度高，产品适用范围广，稳定性好，智能化程度高，操作便利等优点得到一致好评。

参考文献

[1]张帆，张卫星，陈媛媛，姚创艺，商蓓，吴浩，段坤利，陈文彬.基于六自由度机械手的水嘴耐久性智能试验系统.中国：CN205038043U[P].2016-02-17.

[2]高东辉，王晓鹏，夏金尉，丁洪流.陶瓷片密封水嘴产品质量分析[J].陶瓷，2015，（05）：45-48.