1、机电一体化设备的故障诊断技术研究【摘要】设备的故障诊断是近十年来发展起来的新学科。所谓诊断, 就是对设备的运行状态作出判断。设备在运行过程中, 内部零部件和元件受力、热、摩擦、磨损等多种作用, 其运行状态不断变化, 一旦发生故障, 往往会导致严重后果。本文介绍了机电一体化设备故障诊断的特点，阐明了基本内容，探讨了其诊断方法。 【关键词】机电 设备 故障 诊断 技术 中图分类号：U226.8+1 文献标识码：A 文章编号： 一、前言 机电一体化设备故障诊断的特点 机电一体化设备技术含量高, 集机、电、液于一体。使用的零部件数量多, 如机电一体化典型产品 NC 机床使用的零部件数平均为 318 件
2、, 而普通机床平均为 19 件。因此, 机电一体化设备与一般机械设备比较, 其发生故障的概率相应增加, 据统计机电一体化设备的故障概率是普通设备的 8 倍。面对如此复杂的设备, 要用人工迅速进行故障诊断得出结论是相当困难的。这不仅是由于生产现场知识渊博, 经验丰富的故障诊断专家为数不多, 而且一个专家的知识和经验总是不够。例如 NC 机床和工业机器人都有一定的自诊断功能, 其报警信号有几十条甚至上百条, 但是还有一些不能自诊断、不能报警显示的故障。例如机床停在某一位置不动, 循环运行不下去, 甚至连手动操作都不灵。又如机床运动质量特性下降故障, 机床照常运行, 没有任何报警显示, 但加工出的零
3、件质量不合格。有些故障即使有报警显示, 也是由于其他原因造成故障后, 才引起有关的报警显示。例如, 由于刀库运动误差造成换刀位置不到位, 机械手在取刀时就卡在中途位置上, 却显示机械手换刀位置开关未压合报警。 另外, 机电一体化设备中的电电路发展很快, 例如 NC 机床的 CNC 系统, 几年变更一个型号, 即便是在制造工厂, 能维修旧型 CNC 系统的技术人员越来越少。据统计, 能熟悉 2 3 个型号前 CNC 系统的技术不到半数。但是, 机器的寿命却超过 10 年。实际上, 10 年前的设备还在第一线上运转, 发生故障维修后仍然可以充分利用。因此, 迫切的需要一个操作简单, 使用方便的故障
4、诊断专家系统。 二、机电一体化设备故障诊断技术的基本内容 诊断技术的作用就在于及时发现故障，设备故障诊断的目的有三点：一是保证设备无故障，运行可靠；二是要“物尽其用” ，保证设备发挥其最大效益；三是保证设备即将发生故障或已发生故障，能及时而正确地诊断出来，加以维修，以减少维修时间，提高产品的维修质量和有效度。从本质上讲，诊断技术是一种检测技术，用来取得有关产品中产生的故障类型和故障位置信息。它的任务有两个，一个是出现故障时，迅速确定故障的种类和位置，以便及时修复；二是在故障尚未发生时，确定产品中有关元器件距离极限状态的程度，查明工作能力下降的原因，以便采取维护措施或进行自动调整，防止发生故障。
5、 故障诊断通常是通过对设备的观测信号来识别设备的状态。一般的工况监视实际上是状态监视。故障是设备的一种状态，因此，工况监视是故障诊断的基础，故障诊断只不过是一种特殊的工况监视与分析。设备诊断的过程也就是工况的监视、分析与干预的过程。 （如图 1 所示） 图一 设备诊断的过程 由图可以看出具体的诊断过程是：首先对诊断对象进行特定的测试，取得诊断信号（输出参数） 。由于从设备中所测取的信号包含着设备有关状态的信息，所以这种信号称为特征信号。一般从特征信号中还难于直接判断设备有关状态，查出故障。还需要用有关理论与方法，从特征信号中分离出能表示特征故障种类和位置的异常信号，即征兆。获得征兆后就可采用多
6、种的模式识别理论与方法，将征兆加以处理，构成判据，以进行状态识别与分类，即状态诊断。当状态为无故障时，还可采用Kalman 滤波、时序模型等方法，进一步分析状态的发展趋势，预计未来情况。当状态为某种故障时，则可进一步采取故障树分析、模式识别、信号分析等方法分析故障所在、类型、性质、原因与趋势等。在此基础上，就可以决策分析，作出决策，干预设备及其工作，以保证能可靠地、有效地发挥其功能，达到诊断的目的。根据设备故障诊断的要求，由设备诊断过程可以看出，设备诊断技术至少包括以下五个方面的内容： 1、正确地根据设备性质与工况，选择与测取有关状态的特征信号。 2、正确地从特征信号中提取设备有关状态的有用信
7、息（征兆） 。 3、正确地根据设备的征兆，识别设备有关状态（状态诊断） 。包括故障早期诊断和故障诊断。 4、正确地根据设备的征兆和状态，进一步分析设备的有关状态及其发展趋势 3 状态分析） ，包括分析故障位置、类型、性质、原因与趋势等。5、正确地根据设备的状态及其趋势，作出决策，干预设备及其工作过程。 三、机电一体化设备的故障诊断方法 由于机电一体化设备所具有的独特特点，所以我们对设备故障的分析应该机、电有机结合，转变思维方式。首先，要对机电一体化设备作深入的分析了解，熟悉各功能模块框图，根据各组成部分的功能、组合形式和工作环境，分析故障可能的形式和影响程度，必要时可作故障树分析，根据故障发生
8、的现象，层层分解，找出故障形式的逻辑关系与可靠性有关的因素，弄清产生故障的实质和根源。机电一体化设备的故障分析诊断法有故障树分析法、白诊断法（故障代码、故障指示灯、报警等） 、温度检测诊断法、压力检测诊断法、振动检测诊断法、噪声检测诊断法、金相检测诊断法和时域模型分析法等。在具体诊断时，可注意以下几点： 1、先机后电 由于机械结构的直观性，可以用肉眼看到明显故障现象，如断裂、变形、打滑、卡死等，所以先从机械部分入手，检查机械部分故障。一般地说，由于机械的工作特点，它是执行元件及驱动元件，更容易产生磨损引起变形而发生失效。 2、先外后内 由执行元件到控制元件再到驱动元件逐个检查，找到故障源头。
9、3、先主干后枝叶，先分析主要部件，后分析次要部件，尤其重点分析结合部零件和接口部件。 四、常见故障分类 常见的设备故障判断方法： 1、按故障有无指示和报警，可分为有诊断指示故障和无指示故障 高级机电一体化设备控制系统都有自诊断程序，实时监控整个系统的软、硬件性能，一旦发现故障则会立即报警或者还有指示说明在屏幕上显示，结合系统配备的诊断手册不仅可以找出故障发生的原因部位，而且提示排除方法。无诊断指示通常由于上述诊断不完整所致。这类故障产生的前因后果只有依靠维修人员的熟悉程度和技术水平加以分析和排除。 2、按故障出现对工件或对机床有无破坏，可分为破坏性故障和非破坏性故障 对于破坏性故障，损坏工件或
10、损坏机床的故障在维修时不允许重演。对于非破坏性故障，找出原因并解决。 3、按系统的偶然性，分为系统性故障和偶然性故障 系统性故障是指满足一定的条件则一定出现的确定的故障：而偶然性故障是指在相同条件下偶尔发生的故障。后者的分析较为困难，通常多与机床机械结构的局部松动有关，与部分电气元件工作特性漂移有关。该类故障分析需反复试验综合判断才能排除。常见的设备故障可分为电气故障和机械故障。 结论 故障诊断技术的发展方向是人工智能和专家系统，即将机、电、液等各方面的故障知识统一建立一个知识库，并利用在线检测到的各种信息，通过专用计算机来分析、综合、推理、准确定位故障点并提出合理的排除故障方法。例如，美、日等发达国家生产的智能机器人，具有一定的感知、判断、决策能力，能够自动识别对象和环境，根据要求自己规划动作来完成作业，在出现故障时不但能进行自我诊断，而且还能进行自我修复。 【参考文献】 1 吕顺喜.机电设备故障的诊断处理J. 科技风. 2011(06) 2 秦冲,王素粉.机电设备故障诊断技术发展探析J. 机械制造与自动化. 2011(06)
