机电一体化设备的故障诊断方法分析

摘 要：文章介绍了机电一体化设备故障诊断的基本技术和方法，主要内容有：机电一体化故障诊断基本方式；机电设备故障诊断管理的任务，以供机电设备维修工作者参考。 

机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统总称。机电一体化系统技术发展至今已成为一门有着自身体系的新型交叉学科，它涉及到机械制造技术、电子技术、信息处理技术、测试与传感器技术、控制技术、接口技术、计算机技术、伺服驱动技术等多种技术。

随着国民经济发展，机电一体化设备产品不断进入生产与生活领域，人们对产品的输出柔性、工作性能及可靠性方面提出了更高的要求，但由于机电一体化设备不同于一般的机械设备和电子设备，具有独特的故障特点和可靠性特点，所以我们不能用传统的故障排除诊断方法进行维修。 
　　
1 机械与电子之间的相互关系 
　　
机电一体化系统技术是从系统的观点出发，综合运用机械技术（包含气动、液压和光学技术）、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术和群体技术，根据系统功能目标和优化组合目标，合理配置、布局各功能单元。在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统成为最优化的系统工程技术。

机电一体化系统技术是基于这些技术的有机综合应用技术，而不是机械技术、电子技术及其他技术的简单组合拼凑，这是机电一体化与机械电气所形成的机械电气化在概念上的区别。

机电一体化设备主要由机械本体、动力单元控制系统和执行单元组成，构成系统的要素一般包括机、电、液、气、光和磁等，而机械与电子是机器的重要组成部分。大多数设备主要由这两部分组成。机械是动作的执行者，电子计算机是动作的控制者，只有两者协调运行，设备才能正常运转。两者的关系就像四肢和大脑的关系，机电一体化技术是充分利用电子计算机信息处理和控制功能、可驱动元件特性的现代科学技术。 
　　
2 机电一体化设备的故障特点 
　　
机电一体化设备（数控类机床、振动试验设备、测量设备和微电子技术制造设备等）是企事业机械加工中的关键设备，这类设备的价格昂贵，机床的寿命对企事业来说是非常重要的。

一旦设备出现故障，影响和损失往往很大，但是使用单位和使用者往往更多看其效能，而不重视对它的合理使用，甚至超负荷加工等，出现故障而导致停工是很普遍的现象，因此，为了发挥机电一体化设备的效益，充分合理使用设备，对其进行动态监测管理，做到故障预前处理，我们一定要重视日常保养和维修工作。 
　　
3 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；

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。 
　　
4 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。 
　　
5 机电一体化设备可靠性分析及提高 
　　
可靠性设计是近年来得到发展的和广泛应用的一种现代设计方法，它把概率论和数理统计应用于工程设计。不仅解决了传统设计不能处理的一些问题，而且能有效的提高产品设计水平和质量并降低了成本。 
　　
影响机电一体化设备可靠性的因素：一台设备，从数控柜到伺服电机，电子和电力元器件五花八门，要对影响整机可靠性的因素作全面评价是十分困难的，只能从一些具体问题入手来提高整机的可靠性，影响可靠性的因素有： 
　　
5.1 元器件失效 
　　
元器件是构成整个数控设备的基本单元，单个元器件的可靠性是整机可靠性的基础。按照概率运算法则，整机的失效率等于各组成部分的失效率之和。因此，应该严格挑选失效率低的产品用于实际系统。 
　　
5.2 元器件的联接与组装 
　　
机电一体化设各控制系统复杂，电气元器件之间纵横交错，要保证整机的可靠性，就必须解决好联接与组装的可靠性，而插接件的接触不良会造成信号传送失灵，是产生系统故障的原因之一。此外，由于温度湿度变化较大，油污粉尘对元器件的污染以及机械振动的影响都会影响系统的可靠性。 
　　
5.3 电磁干扰 
　　
机电一体化设备是利用电能进行加工的电气控制设备，在运行中必然伴随着电磁能量的转换，往往一方面对周围环境发生影响，同时，另一方面本身也会受到所处环境电磁干扰的影响。作为机电一体化的产物，数控机床和加工中心是机械、电子、电力、强电、弱电、硬件、软件等紧密结合的自动化系统，电磁环境和电磁干扰问题是一个极为复杂的问题，一般，电磁干扰源引入数控系统的主要途径有：

①交流供电系统受邻近大功率用电设备启动（如使用电焊机）、制动影响（有大功率用于制动的电机），造成电源电压波动，以及电器开关接通断电时由电火花产生的高频电磁干扰；

②直流电源负载能力不足，缺乏足够稳定的功率储备，造成直流电源电压随负载变化而波动；

③电源与地线的线径太细或布局不合理，电子元器件相互之间通过公共的导线阻抗，发生信号畸变或交叉干扰；

④控制信号引线过长又没有采取必要的屏蔽隔离措施，或与强电电线一起走线，而没有分开走线，信号线易受电磁噪声的干扰产生错误信号，尤其对于高频脉冲信号，若处理不当极易发生信号畸变。 
　　
6 结束语 
　　
综上所述，机电设备的维修方式各有自己的优缺点和适用性，盲目地生搬硬套某种维修方式是不合理的。在实际生产中，要根据设备的不同特点和对生产的影响程度，选用适合自己企业情况的维修方式。企业要积极地做好设备预防性检修工作，同时，要尽可能地推广状态维修方式，提高故障诊断的效率和经济上的合理性，使设备停机损失小、寿命周期费用低、效能得到充分的发挥。 
　　（编辑：尤俊丽） 

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