機電一體化設備故障診斷技術探討

蔡琪琳

四川幼兒師范高等專科學校，四川 綿陽 621700

0 引言

機電一體化涉及機械學、電子學、控制學、動力學等相關學科，其本質是在科技創新、產業升級的雙重作用下衍生出的一種新興技術，在當今社會的各個行業領域有著廣泛的應用[1]。振動試驗設備、微電子技術制造設備、測量設備、數控機床等大型制造企業中的關鍵機械加工設備都屬于機電一體化技術的衍生品。機電一體化設備基于先進的技術及完善的功能，在企業中扮演著極為重要的角色，這些設備的正常運轉、使用壽命等都直接關系到企業的實際生產效益[2]。為此，一直以來，各個企業都將機電一體化設備的采購、運用作為其擴大化生產中的一項重要任務。也正是基于此，大多數企業在應用機電一體化設備時，往往將更多的關注點放在設備的生產效益上，而忽視了對合理使用設備的重視與管理，從而導致設備在負荷運轉下出現各種故障，最終導致企業面臨被迫停工停產的局面。為了充分發揮機電一體化設備的效用，企業需要重點關注設備的合理使用，通過對機電一體化設備運作情況的動態監管、日常維護，將故障消除于微處，以最大限度地降低故障造成的負面影響，保障設備的正常運轉。

1 機電一體化設備故障診斷技術概述

診斷技術作為一種重要的檢驗、檢測技術，是發現、判斷、分析設備問題的關鍵技術。從這個意義上看，機電一體化設備故障診斷技術的應用要點在于在設備發生故障的第一時間發現故障，并對故障的表現、位置、原因等進行診斷，以此確保機電一體化設備運行的安全、高效。可以將機電一體化設備故障診斷技術的主要應用要求歸結為三點：（1）確保設備正常運轉、無故障；（2）確保設備高效運轉，物盡其用；（3）確保設備得到及時維修，降低負面影響[3]。其中，前兩點要求主要是針對設備故障未發生、未發現之前的應用情況，被用于日常性的設備檢驗、維護管理工作中。工作人員以此為基準檢查機電一體化設備中相關元器件的運作狀態，并判斷機電一體化設備運作能力出現異常的原因，為后續的設備調整、維護提供依據。最后一點針對的是故障出現之后的應用情況，被用作判斷設備故障情況、處理故障位置，以及開展有針對性的修復、管理的重要依據。

從技術角度來看，機電一體化設備故障診斷技術的應用，需要通過數據采集、數學模型構建、數據分析處理等方式來實現[4]。首先，通過構建數學模型，可以掌握機電一體化設備的運轉狀態；其次，利用傳感器設備，可以獲取被診斷設備的特征信號，進行相關參數信息的自動化收集；最后，需要統計、分析獲取的各類原始數據信息，以此分離得到異常信號，并判斷是否存在故障，以及故障的位置、類型和嚴重程度等。當分析結果顯示存在故障時，可直接采用信號分析、模式識別、故障樹分析等分析方式，進一步研判故障原因、類型、位置、性質及發展趨勢等；當分析結果顯示無故障時，基于嚴謹性，可進一步采用時序模型、Kalman濾波進一步檢測設備的運行情況。

2 機電一體化設備故障診斷技術的特點

機電一體化設備包含機械和電子兩部分結構，其整體構成以及作用機理等都比較復雜。因此，機電一體化設備的故障通常也是多方面因素共同影響的結果，這使得機電一體化設備的故障發生率要遠高于普通設備。機電一體化設備故障頻發，為機電一體化設備的故障診斷增加了一定的難度。結合機電一體化設備故障診斷的實際情況，可以將機電一體化設備故障診斷技術的特點歸結為四點：涉及零部件較多；故障誘因復雜；故障的發生具有隱蔽性、突發性；技術更新速度較快[5]。

2.1 涉及零部件較多

機電一體化設備是各種技術元素與多重零件的集合體。以NC機床為例，其內部平均零部件數量在318件左右，而一般的機床設備的零部件僅約19件。機電一體化設備的正常運轉需要建立在各類零部件的相互銜接作用上。

2.2 故障誘因復雜

造成機電一體化設備故障的原因往往極為復雜，有些故障是由設備的機械零部件失靈導致的，有些故障與電氣檢測元器件的狀態異常有關，還有一些故障與操作人員的具體操作行為以及設備所處外部環境等有關。

2.3 故障的發生具有隱蔽性、突發性

機電一體化設備的自動化報警PLC編程不完善，使得故障診斷系統無法對內部繁多的零部件狀態作出有效檢測，導致故障在發生之初難以被快速檢測。例如，NC機床的自診斷系統雖然能夠發出上百條報警信號，但一旦遇到機床失靈不動、運動質量下降等問題，其自診斷系統無法對故障情況作出診斷以及信息反饋。

2.4 技術更新速度較快

在技術革新、產業升級的當下，企業對于機電一體化設備的性能、功能、參數等的要求逐漸提升，在此背景下機電一體化設備的型號、系統也在不斷變更。

上述這些特點的存在，都對機電一體化設備故障的快速診斷造成了一定的阻礙，對設備維護管理人員的能力提出了較高的要求[6]。

3 機電一體化設備常用的故障診斷技術

3.1 專家系統診斷技術

專家系統的本質是一種計算機軟件系統，屬于人工智能早期發展過程中的一個重要分支，由知識庫、用戶界面、推理機三部分構成[7]。專家系統可以將多個專家的知識、經驗集合在知識庫中，以人工智能知識推理、表示的方法，模擬專家解決某特定領域難點問題的行為，并通過用戶界面的輸入、輸出部分，輸出專家系統的推理信息，以此為機電一體化設備維護管理人員的故障診斷工作提供強大的助力[8]。

機電一體化設備基本都配備了專門的設備故障診斷專家系統，其中儲備了大量的相關專家的知識、經驗，能夠在接口裝置的作用下以數據采集、分析的辦法，實時監控設備的運行狀態。機電一體化設備的故障診斷專家系統帶有較強的自動化診斷特點，可以依據系統顯示的報警代碼，自動搜索專家知識庫中的故障信息，解決相關故障。但由于機電一體化設備故障原因的復雜性，機電一體化設備的故障診斷專家系統僅適用于可以顯示報警代碼的簡單故障的診斷，無法處理沒有明顯報警代碼的復雜故障，如機械異常振動、異常聲音等。此時，維修人員需要在其他檢測技術的作用下，對故障進行精密診斷。

3.2 征兆提取診斷技術

機電一體化設備出現故障時，無論自動化檢測系統是否發出警報、提示，設備在運行過程中都會出現一些有別于日常情況的狀態，即故障征兆。例如，設備出現啟動慢、啟動困難，甚至無法啟動的情況；設備運轉中出現緊急制動失效、自動停機的狀況；設備運轉中出現明顯的速率降低、功率不足的情況；設備在運轉過程中出現異常響動、溫度異常的情況等。這些故障征兆都較明顯，容易被設備操作管理人員發現，可以作為設備運維人員診斷設備故障的重要依據。設備管理及運維人員可以以故障征兆為依據判斷故障發生的具體位置、類型等。

一般而言，提取機電一體化設備的常見故障征兆時，可以采用統計分析法和函數分析法兩種方法。當故障征兆與系統特征信號之間存在統計關系時，可以采用統計分析法提取相關征兆；當故障征兆與設備既定特征信號之間存在函數關系時，可依據特征信號，采用函數分析法提取具體的故障征兆。

在提取設備故障征兆的相關信息后，需要以此為據診斷、分析設備故障的具體發生部位、種類等。此時用到的故障診斷分析方法主要包括以下幾種。

3.2.1 對比診斷法

在統計歸納、試驗研究、計算分析的基礎上，確定故障征兆下設備的各個狀態，并對比分析設備的基準模式與實際征兆，以判斷設備故障的具體種類、位置。機電一體化設備基本都有固定的參數，涉及設備上所有的零部件，這些參數的正常值即設備的基準模式，將之與實際故障征兆參數進行對比，可以得到具體的故障情況，如設備振動頻率的高低可以反映設備傳動零部件的損害程度。

3.2.2 函數診斷法

當設備狀態與各個征兆之間存在函數關系時，可以在既定函數運算式的輔助下直接算出設備狀態數據，作為判斷設備故障的依據。

3.2.3 邏輯診斷法

當設備狀態與各個征兆之間存在邏輯關系時，可采用邏輯推理的方式，依據征兆情況推理設備的故障情況。例如，設備潤滑的油污、變質情況多與軸承磨損及設備溫度過高有關，可通過測量油液顆粒的尺寸、形狀來得到具體的故障情況；設備出現異味多與電路短路、橡膠燃燒、電動機過熱等有關，可通過紅外測溫技術、Y射線掃描技術進一步地測量故障征兆。

4 應用機電一體化設備故障診斷技術的注意事項

機電一體化設備的特殊性決定了其設備故障診斷技術的復雜性，在使用各種機電一體化設備故障診斷技術時，需要注意以下幾點。

4.1 樹立科學的故障診斷思維

設備維護人員應該采取機械、電子相結合的思維，充分地了解機電一體化設備的內部構成、功能設計、組合形式、模塊建設、工作環境等，并以此為依據，結合機電一體化設備的故障征兆，在故障樹分析法、金相檢測診斷法、壓力檢測診斷法、時域模型分析法等診斷思維的指導下，對設備可能存在的故障形式等作出科學預測。在層層細化、分解故障征兆的過程中，逐步找出故障的影響因素、邏輯關系。

4.2 合理設定故障的診斷步驟

采取“先機后電、先外后內、先枝后葉”的原則，對機電一體化設備的故障進行有序的診斷。考慮到機電一體化設備構造的復雜性，其拆卸、組裝難度較大，需要由專業技術人員甚至生產廠家來完成。企業設備維護管理人員在對設備故障進行診斷處理時，要先從簡單易處理的故障入手，如機械設備卡死、斷裂、變形、打滑等故障；先檢查設備外部的執行元件狀況，再檢查設備內部的控制元件、驅動元件等；先檢查、分析設備故障發生位置的外部接口部件等。

5 結束語

綜上所述，在機電制造產業化發展的當下，機電一體化設備基于其在生產制造方面的高效化、智能化、便捷化表現，被廣泛運用到了社會各行業的生產活動中，成為一項重要的生產工具，對于提高企業的生產效率、實現營收起到關鍵性的作用。在未來的發展中，企業不僅要繼續擴大機電一體化設備的引進與應用范圍，還要對機電一體化設備的運作狀態提高關注度，正確認識機電一體化設備的故障可能引發的一系列嚴重后果，做好充分的預判。企業在研發機電一體化設備診斷技術的同時，需要加大對機電一體化設備日常維護管理工作的投入，確保機電一體化設備能夠在專業維護人員的精心維護下，減少設備故障，進而降低故障對企業生產的負面影響，確保充分發揮機電一體化設備的功效。