機電一體化設備故障診斷系統設計與應用

方立友

（無錫南洋職業技術學院，江蘇 無錫214081）

0 引言

當今社會深受科學技術力量的推動，機電一體化技術日益成熟，變得更加趨于柔性化、智能化、微型化、網絡化以及仿生物系統化。機電一體化主要是將電子技術融入到傳統的機械裝置中去，使機械裝置與電子設備以及軟件形成有機的結合體。而隨著人們對機電一體化產品提出更加嚴格的要求，機電一體化設備的故障診斷系統就迫切需要向前邁進一大步。為此，本文以電子技術中的信號處理理論為基礎，針對常見的機電一體化設備提出了合理的故障診斷系統設計理念，并據此對機電一體化設備故障診斷技術進行了總結，希望能科學有效地提高設備的可靠性、魯棒性以及實用性。

1 基于信號處理理論的機電一體化設備故障診斷

機電一體化設備不可避免地要執行旋轉動作，其在運行過程中也難免存在噪聲，部位或轉速不同，設備部件發出的噪聲頻率也不同。即便如此，想要從如此多頻率的噪聲中分析得到故障點也并非易事。為此，首先需要做的是進行噪聲數據的有效采樣和存儲。一般方法是利用拾音器和聲卡直接將噪聲信號采集至計算機，聲卡同時將收集來的模擬信號轉化為數字信號，即進行A／D轉換。一般而言，信號的分析分為時域和頻域分析。采集來的信號為時域信號，為了能更加清晰完整地分析信號，一般要將時域信號轉變為頻域信號進行分析，即進行信號的頻譜分析。其次，要將采集的信號數據以音頻文件的形式保存，再導入Matlab工作空間中以便處理。最后，利用頻譜圖來對噪聲進行分析，進而找出故障點所處位置。

例如，圖1中左邊為某一機電一體化設備在正常工作條件下的噪聲頻譜圖，右邊則為此設備發生故障時的噪聲頻譜圖。分析比較可以看出，右邊的信號圖在460 Hz處出現了一個明顯的波峰，此處即該設備發生異常情況的點，由此追本溯源，即可找到發生故障的地方。

圖1 某機電一體化設備發生故障前后噪聲頻譜圖

進行故障診斷最重要的一條就是做好監控工作。一般來說，設備的監控就是對設備的狀態進行實時監測。圖2為一般的設備狀態監測診斷過程。從圖2中可以看出，要想對設備進行有效的監測，就必須對設備信號進行有效的提取。從設備中提取出的信號一般稱為特征信號，從中獲得的用于判斷故障種類和發生位置的信號稱為征兆。從信號處理角度來說，獲得此征兆信號后，應在模式識別理論的基礎上做出決策分析，即判斷采用何種方式能夠使設備故障在短時間內被處理好，以恢復設備正常運行狀態。

圖2 設備狀態實時監測圖

2 故障診斷系統設計

正是因為機電一體化設備具有理論和實踐不可分割的特性，對其故障診斷系統的合理設計也必須來源于對經驗的不斷總結。本文以控制轉軸的常見機電一體化設備為例設計故障診斷系統，圖3為該設備的工作原理圖。

圖3 機電一體化設備工作原理圖

由于機電一體化設備含有機械部分和電氣部分，故而想要準確找尋其發生故障的部位相當困難，本文中使用信號檢測的方法來對此設備故障進行診斷。

總的診斷系統原理如圖4所示。工控機控制轉接臺的轉動，轉接臺與電磁閥相連接來控制設備的液壓系統，進而控制執行機構對到位開關和轉軸角度進行操作。在該設備的基礎上，組建故障診斷系統。分別用3根電纜連接至計算機，形成3個測試部位。這3根電纜分別安置在工控機與轉接臺之間、轉接臺與電磁閥之間、電磁閥與液壓系統之間。通過這3個部位的測試可以將有關信息都采集到計算機中去。繼而利用本文中所闡述的信號處理理論對采集來的模擬信號進行分析，即可得到機電一體化設備存在問題的部位。

圖4 故障診斷系統示意圖

3 故障診斷技術歸納

機電一體化設備故障診斷技術的特點可以歸納如下：（1）具有較強的目的性。（2）具有較高的復雜性。機電一體化設備一方面存在機械構件，另一方面又存在電氣構件，在兩者之間又有區分較為模糊的共同構件，這種多樣化的構件使得對設備進行故障診斷也存在著極大的困難。（3）機電一體化設備故障診斷難、重復性低導致這門技術必須要理論和實踐相結合，即具體問題具體分析，診斷方法和維修方法可能因不同的實際情況而不同。當然，這也是積累經驗的過程。

為此，本文提出以下故障診斷步驟：首先，在進行機電一體化設備故障診斷之前需要嚴格明確目的：（1）確保設備無故障，能夠安全可靠運行；（2）要使設備發揮其最大功效，最大限度體現其價值；（3）保障設備在發生故障時能夠及時而準確地診斷，將安全事故扼殺在襁褓中。其次，將早期診斷的故障或者前人所積累下來的故障診斷經驗預存于知識庫中。實時了解當前設備的信息，使用多種理論和方法對設備的特征信號進行采集和整理。最后，對設備的運行狀況進行深度的整理分析。將設備診斷信息整理后得到的數據輸入計算機，從而得出可能發生故障的部位，并進一步驗證。同時，做好進一步分析的工作，預測故障發生的趨勢，提出有效的預防及修復措施，以確保設備的正常運行。

4 結語

通過本文的分析和總結可以看出，機電一體化設備故障診斷是自機電一體化設備普及以來亟待解決的關鍵問題。本文詳細闡述了信號處理理論用于機電一體化設備故障診斷中的方法，并根據常見的機電一體化設備設計了故障診斷系統，在此基礎上又對當前的機電一體化設備故障診斷技術進行了歸納和總結，希望能確保機電一體化設備安全高效運行。

［1］王信義，朱小燕，袁洪芳.機電一體化設備的故障診斷技術研究［J］.機械與電子，1999（4）

［2］許秋香.機電一體化設備故障維修特點及可靠性分析［J］.機電信息，2012（6）