曾 杰
(銅陵有色金屬集團股份有限公司工程技術分公司,安徽 銅陵 244000)
鋁材料具有較高的性能價格比,因此,在制冷及其他一些行業(yè)中多采用銅鋁管做冷凝器。但由于鋁材料的熔點較低,表面的致密氧化膜,故其焊接性能較差,因此,在實際的生產(chǎn)過程當中多采用銅鋁管過濾,用銅鋁管道連接其他管道,為實現(xiàn)焊接設備結構、功能及參數(shù)的最佳匹配。從而縮短設備設計周期,提高系統(tǒng)質量,降低經(jīng)濟成本。
銅鋁管焊接系統(tǒng)的主要功能是處理銅管、鋁管之間的焊接問題,即鋁管作為鋁材料,在材料市場中有突出的性價比優(yōu)勢,被廣泛應用于冷凝管道制造中,而鋁管具有熔點低、表面附有氧化膜的特征,說明其焊接性能較差,這時就要采用銅管來彌補這一缺陷,用銅管來連接鋁管,再將銅管與其他管道連接,這時就產(chǎn)生了銅管、鋁管焊接需求。這一需求中,主要需處理的問題就是銅、鋁管接頭焊接問題,而銅鋁管焊接系統(tǒng)能夠很好解決這一問題,因此有必要對該系統(tǒng)原理進行分析。
圖1 技術流程與周圍環(huán)境
總功能分解就是將總功能分解成分功能,并找出實現(xiàn)各分功能的方案。總功能分解應逐漸層進行,直到找到相應的功能元。功能元指的是功能結構中最小單位,每個功能元都有相應的技術、物理效應來實現(xiàn)??偣δ芊纸獾囊罁?jù)是:焊接系統(tǒng)應由動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、保護系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)組成;其技術流程為:動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng),這四部分都安裝在支撐系統(tǒng)上,并在保護系統(tǒng)下工作。
總功能分解通常有兩種方法,一是按解決問題的因果關系或手段目的關系分解,二是按產(chǎn)品工藝動作過程的順序來分解?,F(xiàn)選用后者,并且逐步進行分解,直至找到相應的原理解為止,為使用功能分解的結果在形式上更加直觀、簡單,采用功能樹進行流程表達。功能樹可以清晰地表達各種功能的層次關系和相互關系,有利于銅鋁管道焊接系統(tǒng)的工作原理設計,如圖2所示。
圖2 焊接設備功能樹
本文將采用黑箱法來進行系統(tǒng)功能分析,該方法應用中首先要設置一個“黑箱端”,其次將“黑箱端”與系統(tǒng)連接,從該端出發(fā),依照系統(tǒng)輸入量及輸出量的關系能夠對系統(tǒng)功能進行分解。隨后針對銅鋁管焊接系統(tǒng),采用該方法進行功能分解,具體步驟見下文。
(1)步驟一
根據(jù)逐步遞進原則,采用黑箱法對系統(tǒng)功能進行分解,由此找到系統(tǒng)中對應的功能元,而其中依據(jù)在于每個功能元的技術、物理效應。這一條件下,銅鋁管焊接系統(tǒng)的技術依據(jù)在于技術流程,包括動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)一控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng);物理效應依據(jù)在于系統(tǒng)構成,包括動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、保護系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)。兩項依據(jù)均在支撐條件下運作,觀察它們的運作表現(xiàn)可對系統(tǒng)功能進行分解[1]。
(2)步驟二
根據(jù)以上依據(jù)可以采用兩種方法來實現(xiàn)功能分解:①根據(jù)焊接工藝流程來進行分解,即從焊接的第一環(huán)節(jié)至最后一個環(huán)節(jié),這期間的每個環(huán)節(jié)都代表了一個功能,依序排律可得系統(tǒng)功能;②依照焊接需求的因果關系來進行分解,即在系統(tǒng)應用中如果系統(tǒng)成功解決了當前問題,則代表分解到此結束,而之前所有環(huán)節(jié)都代表了系統(tǒng)功能。這一條件下,考慮到本文研究是對銅鋁管焊接系統(tǒng)原理進行全面解析,固選擇第一種方法進行分解,分解結果見表1。
另外,在實際角度上表1中所有二級功能還可以進一步進行分解,如驅動功能能分解為能量傳輸與分配;執(zhí)行功能能分解為定位、夾緊等執(zhí)行流程環(huán)節(jié)(各環(huán)節(jié)代表一個功能);焊接功能無下級功能;控制功能能分解為啟動停止、焊接預調、儀器顯示;保護功能能分解為冷卻、過載、溫控、電力控制;支撐功能能分解為若干結構支撐等。
表1 銅鋁管焊接系統(tǒng)功能分解結果
根據(jù)功能分析結果,可以從三個角度上來解釋銅鋁管焊接系統(tǒng)的原理,即焊接角度、控制角度、支撐角度,具體內(nèi)容見下文。
(1)焊接角度
銅鋁管焊接系統(tǒng)的最基本功能要求就是焊接,因此在焊接過程中所有與“焊接”目的存在直接關系的功能就代表了系統(tǒng)原理,這些功能分別為驅動功能、執(zhí)行功能、焊接功能。首先,在驅動功能上,要實現(xiàn)焊接就必須讓系統(tǒng)運作起來,而系統(tǒng)運作必然需要得到能源驅動,因此驅動功能中的能量傳輸、分配就實現(xiàn)了系統(tǒng)運作目的,通過該功能所提供的能源,系統(tǒng)可以正式開始焊接。其次,在得到能源驅動的條件下系統(tǒng)將執(zhí)行焊接指令,原理上以定位、夾緊功能為例,其中定位功能具有確認銅鋁管位置的作用,系統(tǒng)在該功能作用下會鎖定指定位置,在進行下一步操作,定位完成后系統(tǒng)將對銅鋁管夾緊,以供后續(xù)焊接。最后在焊接功能上,該功能是唯一一項沒有下級表現(xiàn)的功能,因為通過該項功能就實現(xiàn)了焊接目的,所以存在這種表現(xiàn)。由此可知,從焊接角度上,銅鋁管焊接系統(tǒng)的原理為先實現(xiàn)系統(tǒng)驅動,再確認位置、調整銅鋁管狀態(tài)(通過夾緊功能將銅鋁管調整至可焊接狀態(tài)),最后通過焊接功能來實現(xiàn)焊接目的。
(2)控制角度
銅鋁管焊接系統(tǒng)作為自動焊接系統(tǒng),其并不具備智能邏輯,必須在人工管制下來進行運作,而要將人工管制要求輸入系統(tǒng),該系統(tǒng)就需要具備控制功能及保護功能。首先,控制功能與保護功能存在的意義在于“保障焊接質量與保障系統(tǒng)安全”,這兩點也是人工管制中最主要的,因此在原理上系統(tǒng)如果沒有這兩項功能,則說明系統(tǒng)可靠性不足,不能投入實際使用。其次,在控制功能的啟動停止、焊接預調、儀器顯示功能表現(xiàn)上,該功能充分落實了人工管制需求,可以將人工管制指令輸入系統(tǒng),如啟動停止是對系統(tǒng)啟停狀態(tài)進行控制,人工可以根據(jù)需求來輸入指令,使系統(tǒng)自行啟?;蚴謩訂⑼#缓附宇A調可以接收人工對焊接質量的要求,即人工根據(jù)質量要求在焊接預調功能基礎上對焊接參數(shù)進行調整,輸入系統(tǒng)后就實現(xiàn)了焊接質量控制;儀器顯示實現(xiàn)了人機交互,人工通過儀器顯示數(shù)值可知焊接狀態(tài),如出現(xiàn)調整需求可直接在其他功能上進行調節(jié)。保護功能為自動運作功能,其在系統(tǒng)啟動狀態(tài)下會對系統(tǒng)冷卻、過載、溫度、電力數(shù)據(jù)進行控制,依照人工設置標準來進行判斷,如果任意數(shù)據(jù)不滿足人工設置標準,就會對相關數(shù)據(jù)進行控制,若控制無果將啟動應急保護機制,即自動停止。由此可知,從控制角度上銅鋁管焊接系統(tǒng)原理為:參照人工指令來控制系統(tǒng)行為,確保焊接質量、根據(jù)人工標準來保護系統(tǒng)安全。
(3)支撐角度
支撐角度角度所涉及的功能就是支撐功能,該功能主要是為以上所有功能提供支撐,可以說在沒有支撐功能的條件下,系統(tǒng)是無法運作的。其基本原理在于:根據(jù)系統(tǒng)運作需求、設計架構,為同屬性功能提供支撐結構,由此可見支撐功能具有多元化表現(xiàn),可根據(jù)實際需求來設置多個支撐路線,如銅鋁管焊接系統(tǒng)的驅動功能、執(zhí)行功能與焊接功能,均屬于實現(xiàn)焊接所需功能,這時支撐功能將生成一個“焊接所需功能結構”來支撐這些功能,而針對控制功能、保護功能,又要設置一個新的支撐結構來進行支撐,這即為支撐角度上支撐功能的原理。
在冶金設備冷凝管制造中,冷凝管必須具備良好的耐溫能力,這時冷凝管材質就成為了人們關注的焦點,但根據(jù)相關研究發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)冷凝管所采用的的鋁材在耐溫能力上較差,因此需要替換,這時銅材進入了人們的視線,認為將銅管兩端分別為設備、鋁管連接,能夠利用銅管良好的耐溫能力來實現(xiàn)冷凝過度,再通過鋁管實現(xiàn)回流等操作,由此在冷凝管制造中就產(chǎn)生了銅鋁管材焊接需求。這一條件下,我們采用銅鋁管焊接系統(tǒng)可以實現(xiàn)該焊接需求,實現(xiàn)方法就在于傳感器:首先將系統(tǒng)硬件布設在焊接流水線上,設定一個焊接位置,其次在硬件上安置傳感器,該傳感器會對焊接位置進行圖像識別,如果圖像陰影較大,則說明焊接位置上有銅鋁管,需要焊接,這時系統(tǒng)驅動功能將驅動機械臂夾起銅鋁管,依照人工預設參數(shù)進行焊接,完成后將銅鋁管放在指定位置,再回歸到初始狀態(tài),等待下一批次銅鋁管。
綜上,本文采用黑箱法分析了系統(tǒng)功能,并從不同角度闡述了銅鋁管焊接系統(tǒng)原理,同時針對銅鋁管焊接系統(tǒng)運作需求,分析了傳感器應用原理,同樣對該項技術的應用原理機械能了分析。通過分析可知,銅鋁管焊接系統(tǒng)具有保障焊接質量、運作穩(wěn)定的特征,加之傳感器可實現(xiàn)系統(tǒng)運作,說明該系統(tǒng)應用價值可觀,值得推廣。