智能坐便器智能化综合检测装置*

陈天予 冯盼盼 曹雅文 / 上海市质量监督检验技术研究院；国家建筑材料及装饰装修材料质量监督检验中心

0 引言

目前，国内外智能坐便器涉及的标准较多、检测要求逐渐升高，检测业务量不断增大，现有检测设备的能力较弱，无法满足检测时效，老旧检测装置无法同时满足多种标准要求。为了提升检测能力，提高检测效率，亟需打造一种智能化程度更高，准确度更好的高效检测装置。

1 智能坐便器智能化综合检测装置研发目的

目前，根据国内外标准对智能坐便器坐圈加热功能等项目进行检测时，存在费时费力、准确度不高、智能化差、集成度低的情况，极大地影响了检测效率，且额外增加了场地的要求。传统智能坐便器清洗水温度稳定性、清洗力、暖风温度等项目需要使用不同的工装进行检测，设备线路繁杂、工装过多、摆放占用空间，且每项检测都需要重新放置不同的工装，不仅费时费力，检测时也缺乏连贯性。不同种类智能坐便器的检测位置各不相同，现有单一工装并不能完全覆盖，需要定制专用检测工装，后续花费极大。依据GB/T 34549-2017《卫生洁具 智能坐便器》、GB/T 23131-2019《家用和类似用途电坐便器便座》、CBMF 15-2019《智能坐便器》，对坐圈加热功能检测时，均需在坐圈上按长度、宽度手工画等分线后标出6～30个测量点。各种品牌型号的智能坐便器坐圈样式繁多、尺寸各异，手工测量定位画线准确度及效率低。

为解决上述问题，研发了一种智能坐便器智能化综合检测装置（以下简称装置）。该装置具有机器视觉快速高效定位、六自由度机械手全方位检测寿命、便捷高速采集清洗力检测工装数据等智能化能力，且检测适应范围广。经试验，该装置智能化、机器自由度、自动化水平高。

2 装置的组成

装置由供水系统和电气控制系统组成，满足多种标准检测要求的机械手代替传统工装，并利用视觉传感器配合机械手检测坐圈加热功能均匀性。

2.1 供水系统

供水系统如图1所示。

图1 供水系统

2.1.1 水温控制

GB/T 34549-2017《卫生洁具 智能坐便器》中要求进水温度（5±1）℃，供水水压（0.18±0.02）MPa，制冷机为5 ℃水箱提供冷水，水箱与制冷机之间使用循环泵，保证水箱内的水温与制冷机水温一致。由于标准所要求的水温为进水温度，即装置的出水口温度与设定温度保持一致，偏差不大于±1 ℃。对于该问题的解决方案为水路自循环：水泵通过控制阀将水箱内的水抽出经过稳压罐、温度计再通过控制阀返回水箱，形成一级自循环，此时管道内的水一直保持流动状态。一段时间后打开压力表后面的另一个控制阀，形成二级自循环，再打开球阀给待测样品供水。检测前需要通过一级自循环将管道内多余的常温水排出。

2.1.2 水压控制

装置的管道出水口处装有高精度压力传感器，计算机通过压力传感器反馈的水压数据调整参数，控制变频器改变水泵的转速，从而保持水泵出水压力的稳定，并在供水管道中加装稳压罐，实现恒压供水。

2.2 电气控制系统

2.2.1 控制系统结构

装置的电气控制系统由计算机、可编程控制器（有in、out、读取输出0、1数字信号和模拟信号的功能，简称PLC）、机械手、机器视觉传感器和温度巡检仪组成。其中，PLC包含模拟量输入模块（AI）和模拟量输出模块（AO），外接温度热电偶、压力传感器、水泵变频器、电磁阀等，如图2所示。

图2 控制系统结构

模拟量输入模块（AI）是PLC的外接模块，能够接收温度热电偶、压力传感器发送的模拟信号，实现了装置出水温度、供水水压、清洗力等检测数据的采集；模拟量输出模块（AO）控制水泵变频器，实现装置供水水压的变频控制；机械手是终端执行模块，能够接收计算机指令，夹持温度热电偶、压力传感器，代替传统检测夹具，实现多位置、多角度的检测。机器视觉传感器利用Cmos摄像头拍摄坐圈图像，并传输至计算机，经过处理，生成三维坐标系，机器视觉系统与机械手相结合，准确地画出坐圈测温点的位置。温度巡检仪外接30个温度热电偶，采集坐圈测温点的温度数据。

2.2.2 闭环控制

水路的闭环控制主要利用PLC和水泵变频器调节水泵转速。PLC控制水泵转动，水泵运行时输出电压反馈信号至PLC的模拟量输入模块（AI），经PLC模块转换成数字信号传输至计算机，经处理，与设定值进行差值运算后，输出修正信号至PLC模块，控制PLC的模拟量输出模块（AO），输出0～10 V模拟信号，并控制水泵变频器改变水泵转速，实现供水系统的供水压力的闭环控制。

2.2.3 机器视觉系统

机器视觉系统利用Cmos摄像头拍摄坐圈图像，将图像转换成数字信号，提取目标的特征，输出坐标并传输至计算机，控制机械手进行检测。坐圈表面温度检测流程如图3所示。

图3 坐圈表面温度检测流程

（1）电气控制系统初始化。电气控制系统检测前自动初始化，使机械手、视觉传感器回到初始位置。

（2）图像采集。打开LED辅助光源，机器视觉传感器拍摄被测样品图像，经内部图像采集卡计算，对信号进行分析，将模拟信号经A/D转换器转换成数字信号，传输至计算机，由计算机完成图像预处理、灰度计算、高斯滤波，最终输出图像。

（3）输出坐标轴。经计算机处理分析，输出整个坐圈相对机械手的空间三维坐标系，并标出测温点，由检测人员判断是否满足要求。如果不满足，继续采集更多图像，叠加分析，直到输出符合要求的数据。

（4）执行。机械手根据计算机输出的坐标，在机械手尾端夹具夹装油性笔，自动画线，标出测温点，由检测人员确认正确与否。

（5）使用温度巡检仪，用3M铝箔胶带粘贴热电偶线。点击程序开始检测，每2 min自动采集1次温度值，共采集5次，程序自动计算并输出检测结果。

3 装置主要技术参数

1）高精度力值传感器，最大允差±0.001 N；

2）高速视觉传感器，可高精度定位，集成光源，且图像处理速度快，成像质量优异；

3）多级循环供水系统，水温误差1%，水压误差0.5%；

4）六自由度机械手，臂展750 mm，重复定位误差0.03 mm，准确定位测温点，具有优异的重复性；

5）高速温度采集，具有40路温度热电偶，采样周期0.01 s；

6）适用多种坐便器，不限于电子便盖，且不受便盖形状、高度限制。

4 结语

智能坐便器智能化综合检测装置满足了多种不同类型智能坐便器以及电子盖板的检测要求，适用范围广、智能化程度高、操作方便、准确度及效率高，大大提高了智能坐便器的检测水平，为企业开发新产品提供技术支持及产品质量控制。