机电一体化设备故障诊断技术探讨

蔡琪琳

四川幼儿师范高等专科学校，四川 绵阳 621700

0 引言

机电一体化涉及机械学、电子学、控制学、动力学等相关学科，其本质是在科技创新、产业升级的双重作用下衍生出的一种新兴技术，在当今社会的各个行业领域有着广泛的应用[1]。振动试验设备、微电子技术制造设备、测量设备、数控机床等大型制造企业中的关键机械加工设备都属于机电一体化技术的衍生品。机电一体化设备基于先进的技术及完善的功能，在企业中扮演着极为重要的角色，这些设备的正常运转、使用寿命等都直接关系到企业的实际生产效益[2]。为此，一直以来，各个企业都将机电一体化设备的采购、运用作为其扩大化生产中的一项重要任务。也正是基于此，大多数企业在应用机电一体化设备时，往往将更多的关注点放在设备的生产效益上，而忽视了对合理使用设备的重视与管理，从而导致设备在负荷运转下出现各种故障，最终导致企业面临被迫停工停产的局面。为了充分发挥机电一体化设备的效用，企业需要重点关注设备的合理使用，通过对机电一体化设备运作情况的动态监管、日常维护，将故障消除于微处，以最大限度地降低故障造成的负面影响，保障设备的正常运转。

1 机电一体化设备故障诊断技术概述

诊断技术作为一种重要的检验、检测技术，是发现、判断、分析设备问题的关键技术。从这个意义上看，机电一体化设备故障诊断技术的应用要点在于在设备发生故障的第一时间发现故障，并对故障的表现、位置、原因等进行诊断，以此确保机电一体化设备运行的安全、高效。可以将机电一体化设备故障诊断技术的主要应用要求归结为三点：（1）确保设备正常运转、无故障；（2）确保设备高效运转，物尽其用；（3）确保设备得到及时维修，降低负面影响[3]。其中，前两点要求主要是针对设备故障未发生、未发现之前的应用情况，被用于日常性的设备检验、维护管理工作中。工作人员以此为基准检查机电一体化设备中相关元器件的运作状态，并判断机电一体化设备运作能力出现异常的原因，为后续的设备调整、维护提供依据。最后一点针对的是故障出现之后的应用情况，被用作判断设备故障情况、处理故障位置，以及开展有针对性的修复、管理的重要依据。

从技术角度来看，机电一体化设备故障诊断技术的应用，需要通过数据采集、数学模型构建、数据分析处理等方式来实现[4]。首先，通过构建数学模型，可以掌握机电一体化设备的运转状态；其次，利用传感器设备，可以获取被诊断设备的特征信号，进行相关参数信息的自动化收集；最后，需要统计、分析获取的各类原始数据信息，以此分离得到异常信号，并判断是否存在故障，以及故障的位置、类型和严重程度等。当分析结果显示存在故障时，可直接采用信号分析、模式识别、故障树分析等分析方式，进一步研判故障原因、类型、位置、性质及发展趋势等；当分析结果显示无故障时，基于严谨性，可进一步采用时序模型、Kalman滤波进一步检测设备的运行情况。

2 机电一体化设备故障诊断技术的特点

机电一体化设备包含机械和电子两部分结构，其整体构成以及作用机理等都比较复杂。因此，机电一体化设备的故障通常也是多方面因素共同影响的结果，这使得机电一体化设备的故障发生率要远高于普通设备。机电一体化设备故障频发，为机电一体化设备的故障诊断增加了一定的难度。结合机电一体化设备故障诊断的实际情况，可以将机电一体化设备故障诊断技术的特点归结为四点：涉及零部件较多；故障诱因复杂；故障的发生具有隐蔽性、突发性；技术更新速度较快[5]。

2.1 涉及零部件较多

机电一体化设备是各种技术元素与多重零件的集合体。以NC机床为例，其内部平均零部件数量在318件左右，而一般的机床设备的零部件仅约19件。机电一体化设备的正常运转需要建立在各类零部件的相互衔接作用上。

2.2 故障诱因复杂

造成机电一体化设备故障的原因往往极为复杂，有些故障是由设备的机械零部件失灵导致的，有些故障与电气检测元器件的状态异常有关，还有一些故障与操作人员的具体操作行为以及设备所处外部环境等有关。

2.3 故障的发生具有隐蔽性、突发性

机电一体化设备的自动化报警PLC编程不完善，使得故障诊断系统无法对内部繁多的零部件状态作出有效检测，导致故障在发生之初难以被快速检测。例如，NC机床的自诊断系统虽然能够发出上百条报警信号，但一旦遇到机床失灵不动、运动质量下降等问题，其自诊断系统无法对故障情况作出诊断以及信息反馈。

2.4 技术更新速度较快

在技术革新、产业升级的当下，企业对于机电一体化设备的性能、功能、参数等的要求逐渐提升，在此背景下机电一体化设备的型号、系统也在不断变更。

上述这些特点的存在，都对机电一体化设备故障的快速诊断造成了一定的阻碍，对设备维护管理人员的能力提出了较高的要求[6]。

3 机电一体化设备常用的故障诊断技术

3.1 专家系统诊断技术

专家系统的本质是一种计算机软件系统，属于人工智能早期发展过程中的一个重要分支，由知识库、用户界面、推理机三部分构成[7]。专家系统可以将多个专家的知识、经验集合在知识库中，以人工智能知识推理、表示的方法，模拟专家解决某特定领域难点问题的行为，并通过用户界面的输入、输出部分，输出专家系统的推理信息，以此为机电一体化设备维护管理人员的故障诊断工作提供强大的助力[8]。

机电一体化设备基本都配备了专门的设备故障诊断专家系统，其中储备了大量的相关专家的知识、经验，能够在接口装置的作用下以数据采集、分析的办法，实时监控设备的运行状态。机电一体化设备的故障诊断专家系统带有较强的自动化诊断特点，可以依据系统显示的报警代码，自动搜索专家知识库中的故障信息，解决相关故障。但由于机电一体化设备故障原因的复杂性，机电一体化设备的故障诊断专家系统仅适用于可以显示报警代码的简单故障的诊断，无法处理没有明显报警代码的复杂故障，如机械异常振动、异常声音等。此时，维修人员需要在其他检测技术的作用下，对故障进行精密诊断。

3.2 征兆提取诊断技术

机电一体化设备出现故障时，无论自动化检测系统是否发出警报、提示，设备在运行过程中都会出现一些有别于日常情况的状态，即故障征兆。例如，设备出现启动慢、启动困难，甚至无法启动的情况；设备运转中出现紧急制动失效、自动停机的状况；设备运转中出现明显的速率降低、功率不足的情况；设备在运转过程中出现异常响动、温度异常的情况等。这些故障征兆都较明显，容易被设备操作管理人员发现，可以作为设备运维人员诊断设备故障的重要依据。设备管理及运维人员可以以故障征兆为依据判断故障发生的具体位置、类型等。

一般而言，提取机电一体化设备的常见故障征兆时，可以采用统计分析法和函数分析法两种方法。当故障征兆与系统特征信号之间存在统计关系时，可以采用统计分析法提取相关征兆；当故障征兆与设备既定特征信号之间存在函数关系时，可依据特征信号，采用函数分析法提取具体的故障征兆。

在提取设备故障征兆的相关信息后，需要以此为据诊断、分析设备故障的具体发生部位、种类等。此时用到的故障诊断分析方法主要包括以下几种。

3.2.1 对比诊断法

在统计归纳、试验研究、计算分析的基础上，确定故障征兆下设备的各个状态，并对比分析设备的基准模式与实际征兆，以判断设备故障的具体种类、位置。机电一体化设备基本都有固定的参数，涉及设备上所有的零部件，这些参数的正常值即设备的基准模式，将之与实际故障征兆参数进行对比，可以得到具体的故障情况，如设备振动频率的高低可以反映设备传动零部件的损害程度。

3.2.2 函数诊断法

当设备状态与各个征兆之间存在函数关系时，可以在既定函数运算式的辅助下直接算出设备状态数据，作为判断设备故障的依据。

3.2.3 逻辑诊断法

当设备状态与各个征兆之间存在逻辑关系时，可采用逻辑推理的方式，依据征兆情况推理设备的故障情况。例如，设备润滑的油污、变质情况多与轴承磨损及设备温度过高有关，可通过测量油液颗粒的尺寸、形状来得到具体的故障情况；设备出现异味多与电路短路、橡胶燃烧、电动机过热等有关，可通过红外测温技术、Y射线扫描技术进一步地测量故障征兆。

4 应用机电一体化设备故障诊断技术的注意事项

机电一体化设备的特殊性决定了其设备故障诊断技术的复杂性，在使用各种机电一体化设备故障诊断技术时，需要注意以下几点。

4.1 树立科学的故障诊断思维

设备维护人员应该采取机械、电子相结合的思维，充分地了解机电一体化设备的内部构成、功能设计、组合形式、模块建设、工作环境等，并以此为依据，结合机电一体化设备的故障征兆，在故障树分析法、金相检测诊断法、压力检测诊断法、时域模型分析法等诊断思维的指导下，对设备可能存在的故障形式等作出科学预测。在层层细化、分解故障征兆的过程中，逐步找出故障的影响因素、逻辑关系。

4.2 合理设定故障的诊断步骤

采取“先机后电、先外后内、先枝后叶”的原则，对机电一体化设备的故障进行有序的诊断。考虑到机电一体化设备构造的复杂性，其拆卸、组装难度较大，需要由专业技术人员甚至生产厂家来完成。企业设备维护管理人员在对设备故障进行诊断处理时，要先从简单易处理的故障入手，如机械设备卡死、断裂、变形、打滑等故障；先检查设备外部的执行元件状况，再检查设备内部的控制元件、驱动元件等；先检查、分析设备故障发生位置的外部接口部件等。

5 结束语

综上所述，在机电制造产业化发展的当下，机电一体化设备基于其在生产制造方面的高效化、智能化、便捷化表现，被广泛运用到了社会各行业的生产活动中，成为一项重要的生产工具，对于提高企业的生产效率、实现营收起到关键性的作用。在未来的发展中，企业不仅要继续扩大机电一体化设备的引进与应用范围，还要对机电一体化设备的运作状态提高关注度，正确认识机电一体化设备的故障可能引发的一系列严重后果，做好充分的预判。企业在研发机电一体化设备诊断技术的同时，需要加大对机电一体化设备日常维护管理工作的投入，确保机电一体化设备能够在专业维护人员的精心维护下，减少设备故障，进而降低故障对企业生产的负面影响，确保充分发挥机电一体化设备的功效。