機電一體化系統故障特點解析及應對方法

高安敏

摘 要

機電行業的發展極大地推動了現代生產制造業的發展，在信息技術的支持下，機電一體化系統的應用范圍逐步拓展，為了確保其性能的充分發揮，必須做好系統的維護保養和管理工作。本文將對機電一體化系統故障的特點進行分析，在此基礎上探討故障的診斷技術方法，希望可以為機電一體化系統的高效穩定運行奠定基礎。

關鍵詞

機電一體化;故障;診斷

中圖分類號： TH-39;TH17 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 37

0 前言

現階段在多個領域應用廣泛的機電一體化系統具有十分復雜的結構，維護和管理的難度頗高。在實際運行的過程中，如何有效鎖定、判斷故障對于機電一體化系統的效率具有決定性的影響。因此有必要對系統故障的診斷技術方法措施進行分析研究，為故障排除和維護保養工作提供有力的支撐，促進生產制造業的發展。

1 機電一體化系統的故障特點

機電一體化系統在運行的過程中，系統內包含的機械設備未按照設定進行工作即可認定出現系統故障。結合實踐來看，機電一體化系統出現的大部分系統故障都是因電氣部分的問題造成的，加之系統的復雜性較強，因此在進行故障診斷分析時需要綜合考慮多方面的因素。

機電一體化系統中包含有大量的零部件，技術含量很高，發生故障的概率也相對偏高。想要實現對系統故障的有效應對，依靠傳統的人工檢查分析根本無法達到目標，這就需要引入更加先進的故障診斷技術方法。機電一體化系統故障的特點有四：其一，自診斷功能偏弱，僅能判斷一些簡單故障。其二，機械零件多，容易磨損。其三，技術人員缺乏。其四，報警體制不完善，常常出現錯誤。

機電一體化系統出現的故障的原因可以概括為以下幾點：其一，機械性磨損。在機電一體化系統中包含有大量的機械零件，零件之間相互接觸，在系統運行過程中會產生磨損，造成故障的發生，如機械鎖的故障就是因機械磨損造成的。此外，機械系統在裝配時存在的誤差是導致機械零部件接觸磨損的主要原因。除此之外還有一種受力磨損類型，即系統荷載和相關要求的標準荷載不符合，因受力不均勻導致機械性磨損。因磨損導致的故障一般很難被修復，通常需要更換機械零部件，因為磨損對設備會造成極大的傷害。其二，電氣線路老化。機電一體化系統的重要組成部分之一就是電力系統，該系統和諸多機電設備的運行息息相關。在經過長期運行之后，一部分電子元件會因電流和電壓的沖擊出現老化或是氧化現象。而電氣線路在老化后則會出現絕緣性能降低的情況，容易發生短路故障或是被大電壓擊穿。其三，液壓元件密封問題。機電一體化系統在長期運行的過程中，其液壓元件會在壓力和交變荷載的影響下出現密封下降的現象，發生泄漏堵塞液壓管路，引發系統故障。其四，人為因素。現代機電一體化系統的結構非常復雜，操作難度也出現了相應的提升，這對系統操作人員帶來了不小的挑戰。相關人員若是安全意識不足、操作技能掌握不熟練，很可能會因操作失誤導致故障的發生。其五，工況環境因素。機電一體化系統包含大量的精密設備，對運行環境有著很高的要求，管理人員若是對系統運行運行管理不到位，就可能因溫度、濕度、灰塵、酸堿度等因素造成系統故障。

2 機電一體化系統故障的診斷

2.1 機電一體化系統故障診斷的原則

在進行機電一體化系統設備故障診斷檢測的過程中，技術人員必須要轉變傳統的思維模式。最基本的應做到對機電一體化設備進行全面透徹的了解，包括各個部分的功能、所處的工作環境、組合形式、功能模塊框圖等。根據故障的外在表象，通過層層分析理清故障的邏輯關系，掌握故障的根源和實質。在進行故障診斷的過程中要遵循以下原則：其一，先機后電，相較而言，機械結構的直觀性更強，因此在故障診斷時最好先從機械部分入手查看是否存在故障。一般情況下，機械部分多為驅動元件和執行元件，容易因磨損而出現變形失效現象。其二，先外后內，從執行元件入手，層層深入，直至驅動元件。其三，先主干后枝葉，從主要部件開始，對一些借口部件和結合部零件進行重點分析。

2.2 故障診斷的方法

首先，傳統方法。在過去，機電一體化系統故障的診斷常常是由具有豐富工作經驗的技術人員通過觀察、觸摸、耳聽等方法來進行的，據此判斷機電設備是否存在故障。該方法雖然成本較大，但是診斷過程的可靠性很難保障，極易出現誤診的情況。而且由于缺少檢測儀器，此類診斷方法對技術人員的專業素養有著極高的要求，不僅需要掌握設備的結構，還需具備豐富的實踐經驗，因此受到的限制較高。

其次，現代技術方法。隨著科學技術的發展，機電一體化系統故障診斷方面應用的技術方法以及監測工具也變得越來越豐富。比較常見的技術主要有兩種，分別是專家系統技術和神經網絡技術。前者是在一個數據系統中集成所有專家的專業技能知識，據此對機電設備的狀態進行檢測并對故障做出判斷，制定相應的故障排除方案。專家系統的本質是一種智能計算機程序，基于專家的知識技能通過推理解決一些高難度的問題。如圖1所示，為專家系統的一般結構，包括知識庫、人機接口、知識獲取子系統、解釋子系統、全局數據庫、推理機等部分。其中知識庫內存儲著與需要解決問題相關的事實和規則。在實際運行的過程中，用戶通過人機接口將診斷對象的相關信息傳送到推理機，由推理機根據實際需求對知識庫進行全面檢索，形成診斷結果，反饋給用戶。在診斷過程中，用戶還可以針對性地提出相關問題，專家系統均可以進行回答。目前專家系統在許多領域都獲得了廣泛應用，尤其是在工業和商業領域，應用占比高達60%。根據英國的調查顯示，24%的專家系統服務于財政部門，這表明專家系統在信息處理領域的應用規模正在不斷擴大。

神經網絡技術則是以神經元的感知特性為基礎，對不同特征的數據進行交叉處理，以此實現對故障的精準判斷。在實際工作中，神經網絡技術常常與其他算法綜合應用，可以有效提高故障診斷的有效性。

現如今，機電一體化系統中所采用的智能故障診斷的本質實際上就是神經網絡專家系統，將專家系統技術和神經網絡技術進行融合應用。人工智能技術的發展極大地推動了專家系統、人工神經網絡等技術在機電一體化系統故障診斷方面的應用。智能故障診斷系統可以對診斷信息進行獲取、傳遞、處理、再生和利用，一次對特定環境下診斷對象的狀態進行識別和預測。如下圖所示，為基于機器學習的智能診斷系統，其主要三個層次構成，大數據平臺負責進行數據采集和集成，之后基于故障模式庫進行數據分析實現故障自動化診斷和預警。

2.3 實際案例分析

本次研究選擇的機電一體化系統故障設備為美國cs數控，其系統為FANUC數控系統。其故障表現為隨機性的報警停車，其ERR面板上HC報警燈有發亮報警現象。通過對401號報警問題的分析后得知，可能的原因是伺服控制單元上的電磁接觸器斷開，導致伺服電機未能加上電源，伺服控制板或是主控制板接觸不良。而HC報警故障則是因伺服板上有電流穿過放大器。在對MCC線圈、浪涌吸收器以及連接導線等元件進行檢測后均未發現問題，后檢測為熱保護動作問題。最后通過調整MCC熱保護開關的方式將故障排除。

3 應對機電一體化系統故障、提高系統可靠性的方法策略研究

目前，機電一體化設備正呈現出智能化、自動化的發展趨勢，為了有效地應對系統故障，提高機電一體化設備的可靠性，可以引入計算機監控操作系統，具體方法策略如下：其一，采用可靠性更高的設備元器件進行機電一體化系統設計，積極排查處理系統運行中存在的故障。在故障排查期間，一定要中斷系統正常工作。其二則是采用容錯技術，對系統的重要部位采取冗余設計，以此提高系統的可靠性。

初次之外，還可以通過提高機械工作精度的方法，如運行精度、加工進度、控制精度等實現機電一體化系統設備可靠性的提高，如采用精密機械對傳統機械進行改造升級或是將微機控制或是PLC控制引入到系統電路控制中，應用先進的數控裝置。

4 結語

綜上所述，針對現代機電一體化系統的故障診斷，應引入神經網絡、專家系統等先進技術方法，提高故障診斷的智能化水平和效率、精確性，探索更加完善的故障診斷方法，為機電一體化系統的維護保養和管理工作提供支撐，為系統高效運行奠定基礎。

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