Design and research for pression detection manipulator

陸　地1，任　龍1，王　勝2

LU Di1, REN Long1, WANG Sheng2

（1.西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710055；2.西安西京大學(xué)，西安 710000）

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按壓檢測(cè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)及研究

Design and research for pression detection manipulator

陸地1，任龍1，王勝2

LU Di1, REN Long1, WANG Sheng2

（1.西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710055；2.西安西京大學(xué)，西安 710000）

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)智能坐便器檢測(cè)裝置夾具的靈活性不夠、檢驗(yàn)過(guò)程人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低的不足，提出了一種新型機(jī)械手的智能坐便器檢測(cè)裝置。介紹了新型機(jī)械手的工作原理，硬件實(shí)現(xiàn)。該改進(jìn)的機(jī)械手檢測(cè)裝置具有自動(dòng)化程度高、檢測(cè)范圍大、檢測(cè)精度好、易于維修維護(hù)的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：檢測(cè)裝置；機(jī)械手；自動(dòng)化；智能坐便器

0 引言

隨著人們對(duì)生活品質(zhì)的追求，許多家庭都開(kāi)始青睞于使用智能坐便器。為了解智能坐便器的質(zhì)量狀況，向消費(fèi)者提供客觀、公正、可比較的信息，坐便器的質(zhì)量檢驗(yàn)成為重要環(huán)節(jié)[1,2]。傳統(tǒng)的坐便器質(zhì)量檢驗(yàn)采用固定夾具，夾具上連接氣缸來(lái)檢測(cè)按鍵的按壓壽命。但是夾具的靈活性不夠，因此一臺(tái)設(shè)備或者（一套夾具）只能檢測(cè)一種型號(hào)的智能坐便器。且檢驗(yàn)過(guò)程需要人員全程參與，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低。

本文是一種在老式按壓檢測(cè)設(shè)備上做出的改進(jìn)，用機(jī)械手替代了原先的固定夾具帶動(dòng)氣缸的按壓方式，機(jī)械手是將一些通用部件（如手臂伸縮部件，升降部件、回轉(zhuǎn)部件和腕部回轉(zhuǎn)、俯仰部份等）根據(jù)作業(yè)的要求,選擇必要的能完成預(yù)定機(jī)能的單元部件，以機(jī)座為基礎(chǔ)進(jìn)行組合，配上與其相適應(yīng)的控制部分, 即成為能完成特殊要求的機(jī)械手。機(jī)械手檢測(cè)裝置做到了所檢測(cè)位置的覆蓋面積增大，檢測(cè)點(diǎn)位精度提高，且更靈活、更方便，可用于各種不同型號(hào)的智能坐便器的檢測(cè)。

1 機(jī)械手國(guó)內(nèi)外研究綜述

機(jī)器手是當(dāng)今社會(huì)一門(mén)迅速發(fā)展起來(lái)的工業(yè)控制設(shè)備，具有效率高，可靠性強(qiáng)，勞動(dòng)強(qiáng)度低等特點(diǎn)，隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，各種各樣的機(jī)器手也被開(kāi)發(fā)出來(lái)去適應(yīng)制造領(lǐng)域以外的各個(gè)行業(yè)[3,4]，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者做了卓有成效的研究。

國(guó)外在這方面研究開(kāi)展較早，成果很多。Yamamoto Y[5]、Salehi[6]、Tahboub[7]、Tchon[8]等人研究了機(jī)械手控制器的設(shè)計(jì)；Seraji H[9]和Carriker W F[10]研究了機(jī)械手的路徑規(guī)劃問(wèn)題；Farkhatdinov[11]和Bai，Xiaobo[12]研究了機(jī)械手的遠(yuǎn)程控制問(wèn)題；

國(guó)內(nèi)的機(jī)械手研究起步較晚，但也取得了一定的成果。清華大學(xué)的徐文立教授設(shè)計(jì)了魯棒控制器[13]。北京科技大學(xué)的余達(dá)太教授提出了機(jī)械手優(yōu)化準(zhǔn)則，并利用遺傳算法進(jìn)行了求解[14]。上述研究工作對(duì)我國(guó)開(kāi)展移動(dòng)機(jī)械手的研究及應(yīng)用起到了積極的推動(dòng)作用。

2 原有檢測(cè)系統(tǒng)分析

本檢測(cè)設(shè)備依據(jù)GB/T 23131–2008標(biāo)準(zhǔn)，按照其中第6.1.4，6.1.5,6.7條，及附錄A，3條等相關(guān)內(nèi)容，對(duì)智能坐便器沖洗裝置，整機(jī)壽命，等性能進(jìn)行檢測(cè)。 其由試驗(yàn)柜與控制柜兩部分組成。試驗(yàn)柜分為三部分，一部分為坐便器安裝固定小車及集水槽，二部分為模擬900牛重量運(yùn)動(dòng)部件，三部分為智能座便器控制按鈕按壓裝置，如圖1所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)由透明有機(jī)玻璃和不銹鋼鋼板組合密封，方便實(shí)驗(yàn)功能可視化。

控制柜為觸摸屏與緊急按鈕控制方式。

圖1　改進(jìn)前的檢測(cè)設(shè)備

設(shè)備主要參數(shù)：外觀尺寸：

1800mm(長(zhǎng))×1400mm(寬)×1900mm (高)；

試驗(yàn)柜尺寸：

1260mm(長(zhǎng))×1400mm(寬)×1900mm (高)；

控制柜：

540mm(長(zhǎng))×830mm(寬)×1900mm (高)；

氣源壓力：≥0.55MPa；

水源溫度：（15±2）℃；

水源壓力：（0.18±0.02）MPa；

總用氣量：≤42L/Min；

進(jìn)氣接口：Φ10氣管快插連接方式。

原有智能坐便器一個(gè)完整的檢測(cè)工作流程為按壓停止按鈕→臀部洗凈按鈕→間隔30秒→停止按鈕→輕柔洗凈按鈕→間隔30秒→停止按鈕→干燥按鈕→間隔35秒，此為一個(gè)完整的流程。由于智能坐便器的工作全部由按鈕控制，因此按鈕的工作壽命是馬桶壽命的主要指標(biāo)之一，并且在按鈕按下的同時(shí)，智能坐便器同時(shí)啟動(dòng)并工作。一般規(guī)定，馬桶按鈕應(yīng)該保證連續(xù)按壓5000次不損壞，與此同時(shí)，智能坐便器也同時(shí)運(yùn)行5000個(gè)工作流程，保證運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定，無(wú)異常。坐便器的整體檢測(cè)系統(tǒng)就是通過(guò)氣泵驅(qū)動(dòng)氣缸，使氣缸上的測(cè)試裝置連續(xù)撞擊馬桶上的控制按鈕，每次撞擊代表按鈕的一次按壓過(guò)程，經(jīng)過(guò)5000個(gè)整體工作流程的撞擊，驗(yàn)證按鈕是否達(dá)到要求的使用壽命，同時(shí)檢測(cè)智能坐便器是否出現(xiàn)異常。舊式的檢測(cè)裝置主要分為兩個(gè)部分——支架和夾具：

1）支架：首先安裝底座是通過(guò)L型安裝板固定到設(shè)備的機(jī)架上的，然后通過(guò)40×40的鋁型材引出到需要按壓試驗(yàn)的按鍵上方，如圖2所示。

2）夾具：是通過(guò)氣缸安裝板，上安裝5個(gè)SMC的缸徑為Φ6的微型氣缸，來(lái)對(duì)控制器上的停止，臀部洗凈，輕柔洗凈，干燥，強(qiáng)力沖洗共5個(gè)按鍵進(jìn)行按壓試驗(yàn)，如圖2所示。

圖2　改進(jìn)前的設(shè)備結(jié)構(gòu)

縱觀此按壓檢測(cè)方案，雖然可實(shí)現(xiàn)對(duì)固定型號(hào)的智能坐便器做穩(wěn)定的檢測(cè)與試驗(yàn)，但其實(shí)存在較多不足：

1）所用SMC微型氣缸過(guò)多，在實(shí)際操作中，由于夾具一般安置在設(shè)備內(nèi)部，故運(yùn)行成本過(guò)高，故障率高，維修困難。

2）采用固定夾具裝夾氣缸的方式，只適合于一種或者少數(shù)幾種型號(hào)的只能坐便器，對(duì)于其他型號(hào)的智能坐便器，其控制面板在不同位置時(shí)，這種檢測(cè)方式則不適用。

3 新型檢測(cè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)

3.1 基本思想

針對(duì)老式檢測(cè)裝置的不足，本文設(shè)計(jì)一種可適用于多種型號(hào)智能坐便器的檢測(cè)方案。方案采用組合式移動(dòng)機(jī)械手代替原有檢測(cè)裝置，新型的機(jī)械臂部分是由組合式機(jī)械手組成的，一共有三個(gè)自由度，即上下，左右，前后（X軸，Y軸，Z軸）三個(gè)自由度。通過(guò)機(jī)械手的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)多種坐便器的檢測(cè)。新型的機(jī)械手工作時(shí)，首先通過(guò)PLC將氣缸運(yùn)行到所需按壓的點(diǎn)位，對(duì)準(zhǔn)然后通過(guò)控制系統(tǒng)記錄下此點(diǎn)位的位置，一共5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)位，后將機(jī)械手退回到坐標(biāo)原點(diǎn)，運(yùn)行連續(xù)動(dòng)作，進(jìn)行反復(fù)5000次檢測(cè)動(dòng)作。

改造后的機(jī)械手如圖3所示。

圖3　新型檢測(cè)機(jī)械手

該方案簡(jiǎn)化了檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)，兼顧了使用上的專用性和設(shè)計(jì)上的通用性，便于標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)和組織專業(yè)化生產(chǎn)，有利于提高機(jī)械手的質(zhì)量和降低造價(jià)，是一種有發(fā)展前途的機(jī)械手。

3.2 機(jī)械手硬件組成

實(shí)現(xiàn)手部按壓動(dòng)作的小型標(biāo)準(zhǔn)氣缸采用氣源控制，引出氣源后先通過(guò)SMC品牌的過(guò)濾減壓閥，使壓力平穩(wěn)的輸出，保證壓力穩(wěn)定，過(guò)濾減壓閥型號(hào)為AW30-03BDG，耐壓環(huán)境為1.5MPa，最高使用壓力為1.0MPa，設(shè)定壓力范圍為0.05MPa～0.7MPa，過(guò)濾精度為5um，并接壓力表，壓力表連接口徑為Rc1/8。

過(guò)濾減壓閥后連接一個(gè)SMC品牌的精密減壓閥，型號(hào)為IR1020-01，其作用使氣流的壓力降低，同時(shí)借助閥后壓力的作用調(diào)節(jié)啟閉件的開(kāi)度，使閥后壓力保持在一定范圍內(nèi)，最大耗氣量為4.4l/min在1.0MPa壓力下，設(shè)定的壓力范圍為0.01MPa～0.8MPa，接管口徑為Rc1/8。

然后接SMC品牌的兩位五通先導(dǎo)式電磁閥，型號(hào)為SY3120-5DD-C4-F2，機(jī)能位數(shù)為2位單電控，使用壓力范圍為0.15MPa～0.7MPa，最高動(dòng)作頻率為10Hz，使用電壓為24VDC，并裝配2個(gè)消音器，可接直徑為Φ4mm快換接頭。

實(shí)現(xiàn)手部按壓動(dòng)作的時(shí)采用SMC品牌的CJ2系列標(biāo)準(zhǔn)型氣缸，型號(hào)為CJ2B6-15，缸體直徑為Φ6mm，安裝形式為基本安裝形式，無(wú)內(nèi)置磁環(huán)，行程為15mm，氣缸的活塞桿末端安裝一個(gè)尼龍塊，做按壓動(dòng)作時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)按壓物體的緩沖保護(hù)。

氣缸上裝配兩個(gè)SMC品牌的速度控制閥，型號(hào)為AS1201F-M5-04，保證耐壓力為1.5MPa，最高使用壓力為1MPa，最低使用壓力為0.1MPa，控制方式為進(jìn)氣節(jié)流。

實(shí)現(xiàn)左右（X軸方向）運(yùn)動(dòng)的采用IAI品牌的小型X軸標(biāo)準(zhǔn)滑塊，型號(hào)為ISPB-SXM，采用伺服電機(jī)，導(dǎo)程為8mm，行程為800mm，最高運(yùn)行速度達(dá)480mm/s，最大負(fù)載能力為27kg，驅(qū)動(dòng)方式為滾珠絲杠，基座材質(zhì)為鋁制且表面經(jīng)過(guò)白色耐酸處理。

實(shí)現(xiàn)前后伸出（Y軸方向）的運(yùn)動(dòng)采用IKO品牌的RCP4系列的拉桿型電缸，型號(hào)為RCP-RA6C-I-56P-24-200-P3，導(dǎo)程為24mm，垂直最大負(fù)載為3kg，行程為200mm/s，最高運(yùn)行速度可達(dá)600mm/s，驅(qū)動(dòng)方式為滾珠絲杠。

機(jī)械臂部分，用于實(shí)現(xiàn)上下（Z軸方向）移動(dòng)的是SMC品牌的LEFS系列的薄型電缸，和一個(gè)直線導(dǎo)軌組成，電缸型號(hào)為L(zhǎng)EFS25AB-600B-R3AP3，缸徑為25mm，行程為600mm，驅(qū)動(dòng)方式為滾珠螺桿驅(qū)動(dòng)并帶自鎖功能，最高垂直重量可達(dá)16kg，最高運(yùn)行速度為250mm/s；直線導(dǎo)軌可采用品牌THK的LM系列標(biāo)準(zhǔn)光軸，直徑為Φ30mm，長(zhǎng)度為700mm，配合SL型滑塊，型號(hào)為SL30UU。電缸和直線導(dǎo)軌相互平行且垂直于地面放置。

以上3個(gè)方向的電缸相互之間均采用夾具連接固定，夾具材料為304＃不銹鋼。

3.3 PLC硬件實(shí)現(xiàn)

由于機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜操作，因此控制器采用PLC作為自動(dòng)化檢測(cè)的核心裝置。依據(jù)檢測(cè)裝置的實(shí)現(xiàn)思想，PLC主要的功能有：

1）以啟動(dòng)按鈕為輸入信號(hào)，機(jī)械手的各軸向電機(jī)為輸出，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在X軸、Y軸與Z軸的移動(dòng)，輸入、輸出信號(hào)采用開(kāi)關(guān)型；

2）機(jī)械手的行程控制，以X軸、Y軸與Z軸安裝的行程開(kāi)關(guān)為輸入信號(hào)，機(jī)械手的各軸向電機(jī)為輸出，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在X軸、Y軸與Z軸的停止，輸入、輸出信號(hào)采用開(kāi)關(guān)型；

3）機(jī)械手的按壓?jiǎn)?dòng)信號(hào)，以機(jī)械手的到位檢測(cè)傳感器為輸入信號(hào)，產(chǎn)生5000個(gè)脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)氣缸的按壓動(dòng)作。輸入、輸出信號(hào)采用開(kāi)關(guān)型；

4）機(jī)械手的停止、急?？刂?，以停止按鈕為輸入信號(hào)，機(jī)械手的各軸向電機(jī)為輸出，當(dāng)控制器接受到停止、急停信號(hào)后，各軸向電機(jī)動(dòng)作停止；

本文采用OMRON公司的CPM1A的PLC，該型號(hào)PLC屬于小型PLC，采用20輸入輸出型，其中輸入12點(diǎn)，輸出8點(diǎn)。PLC地址分配如表1所示。

表1　PLC地址分配表

3.4 其他元件硬件實(shí)現(xiàn)

本文采用的PLC、電機(jī)等均需要電源，對(duì)各元件的電源系統(tǒng)進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：

PLC電源采用交流50Hz，220V電源供電，由于PLC的輸出信號(hào)為直流24V，因此檢測(cè)裝置的驅(qū)動(dòng)電機(jī)均選擇24V可充電電池，三個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為步進(jìn)式電機(jī)或伺服電機(jī)；

機(jī)械手的檢測(cè)裝置分別進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：到位檢測(cè)傳感器采用RPR220型一體化反射型光電傳感器；檢測(cè)裝置由SMC微型直線式氣缸驅(qū)動(dòng)，直線活塞運(yùn)動(dòng)，缸體固定，缸體直徑Φ6mm，行程為30mm；

此外，機(jī)械手采用直角坐標(biāo)形式，實(shí)現(xiàn)機(jī)械的移動(dòng)；機(jī)械手手部形式采用氣動(dòng)式，氣動(dòng)裝置為空氣壓縮機(jī)。

原有的檢測(cè)裝置可用于檢測(cè)TOTO（品牌）所生產(chǎn)的型號(hào)為T(mén)CF326CS/TCF306CS的智能坐便器，這種坐便器的控制面板放置在坐便器的右手邊，且為水平放置。本檢測(cè)機(jī)械手不僅可適用于上述型號(hào)的智能坐便器，由于其廣泛的適用性，現(xiàn)在可適用于各種型號(hào)尺寸的智能坐便器，包括不同的高度，控制面板在坐便器的左邊或者右邊均可。由于本機(jī)械手本身不帶旋轉(zhuǎn)自由度，故仍然只適用于控制面板是水平放置的產(chǎn)品。如若要檢測(cè)的智能坐便器的控制面板是水平放置的，后期可再對(duì)本機(jī)械手加入旋轉(zhuǎn)自由度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的新型檢測(cè)機(jī)械手具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用了組合式機(jī)械手的檢測(cè)方案，使設(shè)備結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，各部分組態(tài)元件易于更換；可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種型號(hào)智能坐便器的檢測(cè)，提高了品種的檢測(cè)范圍，改觀了原設(shè)備先前對(duì)一些型號(hào)的智能坐便器檢測(cè)時(shí)帶來(lái)的不便；具有檢測(cè)覆蓋范圍增大，檢測(cè)精準(zhǔn)度高；通過(guò)PLC的控制，可實(shí)現(xiàn)在設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，對(duì)出現(xiàn)的位置偏離等問(wèn)題作出自動(dòng)補(bǔ)償；技術(shù)成熟，可靠性高，該裝置具有相當(dāng)高的檢測(cè)性能。設(shè)備適用范圍大，節(jié)約檢測(cè)成本。

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作者簡(jiǎn)介：陸地（1961 -），男，副教授，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)殡姎夤こ獭?/p>

基金項(xiàng)目：西安建筑科技大學(xué)學(xué)科重點(diǎn)培育計(jì)劃人才培養(yǎng)專項(xiàng)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（XK201104，XK201223）

收稿日期：2015-08-12

中圖分類號(hào)：TH134

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134(2016)01-0042-04