機(jī)電一體化設(shè)備故障診斷技術(shù)探討

蔡琪琳

四川幼兒師范高等?？茖W(xué)校，四川 綿陽 621700

0 引言

機(jī)電一體化涉及機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、控制學(xué)、動(dòng)力學(xué)等相關(guān)學(xué)科，其本質(zhì)是在科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)升級(jí)的雙重作用下衍生出的一種新興技術(shù)，在當(dāng)今社會(huì)的各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備、微電子技術(shù)制造設(shè)備、測(cè)量設(shè)備、數(shù)控機(jī)床等大型制造企業(yè)中的關(guān)鍵機(jī)械加工設(shè)備都屬于機(jī)電一體化技術(shù)的衍生品。機(jī)電一體化設(shè)備基于先進(jìn)的技術(shù)及完善的功能，在企業(yè)中扮演著極為重要的角色，這些設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)、使用壽命等都直接關(guān)系到企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)效益[2]。為此，一直以來，各個(gè)企業(yè)都將機(jī)電一體化設(shè)備的采購、運(yùn)用作為其擴(kuò)大化生產(chǎn)中的一項(xiàng)重要任務(wù)。也正是基于此，大多數(shù)企業(yè)在應(yīng)用機(jī)電一體化設(shè)備時(shí)，往往將更多的關(guān)注點(diǎn)放在設(shè)備的生產(chǎn)效益上，而忽視了對(duì)合理使用設(shè)備的重視與管理，從而導(dǎo)致設(shè)備在負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下出現(xiàn)各種故障，最終導(dǎo)致企業(yè)面臨被迫停工停產(chǎn)的局面。為了充分發(fā)揮機(jī)電一體化設(shè)備的效用，企業(yè)需要重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備的合理使用，通過對(duì)機(jī)電一體化設(shè)備運(yùn)作情況的動(dòng)態(tài)監(jiān)管、日常維護(hù)，將故障消除于微處，以最大限度地降低故障造成的負(fù)面影響，保障設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 機(jī)電一體化設(shè)備故障診斷技術(shù)概述

診斷技術(shù)作為一種重要的檢驗(yàn)、檢測(cè)技術(shù)，是發(fā)現(xiàn)、判斷、分析設(shè)備問題的關(guān)鍵技術(shù)。從這個(gè)意義上看，機(jī)電一體化設(shè)備故障診斷技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)在于在設(shè)備發(fā)生故障的第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障，并對(duì)故障的表現(xiàn)、位置、原因等進(jìn)行診斷，以此確保機(jī)電一體化設(shè)備運(yùn)行的安全、高效?？梢詫C(jī)電一體化設(shè)備故障診斷技術(shù)的主要應(yīng)用要求歸結(jié)為三點(diǎn)：（1）確保設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)、無故障；（2）確保設(shè)備高效運(yùn)轉(zhuǎn)，物盡其用；（3）確保設(shè)備得到及時(shí)維修，降低負(fù)面影響[3]。其中，前兩點(diǎn)要求主要是針對(duì)設(shè)備故障未發(fā)生、未發(fā)現(xiàn)之前的應(yīng)用情況，被用于日常性的設(shè)備檢驗(yàn)、維護(hù)管理工作中。工作人員以此為基準(zhǔn)檢查機(jī)電一體化設(shè)備中相關(guān)元器件的運(yùn)作狀態(tài)，并判斷機(jī)電一體化設(shè)備運(yùn)作能力出現(xiàn)異常的原因，為后續(xù)的設(shè)備調(diào)整、維護(hù)提供依據(jù)。最后一點(diǎn)針對(duì)的是故障出現(xiàn)之后的應(yīng)用情況，被用作判斷設(shè)備故障情況、處理故障位置，以及開展有針對(duì)性的修復(fù)、管理的重要依據(jù)。

從技術(shù)角度來看，機(jī)電一體化設(shè)備故障診斷技術(shù)的應(yīng)用，需要通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)分析處理等方式來實(shí)現(xiàn)[4]。首先，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，可以掌握機(jī)電一體化設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；其次，利用傳感器設(shè)備，可以獲取被診斷設(shè)備的特征信號(hào)，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)信息的自動(dòng)化收集；最后，需要統(tǒng)計(jì)、分析獲取的各類原始數(shù)據(jù)信息，以此分離得到異常信號(hào)，并判斷是否存在故障，以及故障的位置、類型和嚴(yán)重程度等。當(dāng)分析結(jié)果顯示存在故障時(shí)，可直接采用信號(hào)分析、模式識(shí)別、故障樹分析等分析方式，進(jìn)一步研判故障原因、類型、位置、性質(zhì)及發(fā)展趨勢(shì)等；當(dāng)分析結(jié)果顯示無故障時(shí)，基于嚴(yán)謹(jǐn)性，可進(jìn)一步采用時(shí)序模型、Kalman濾波進(jìn)一步檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行情況。

2 機(jī)電一體化設(shè)備故障診斷技術(shù)的特點(diǎn)

機(jī)電一體化設(shè)備包含機(jī)械和電子兩部分結(jié)構(gòu)，其整體構(gòu)成以及作用機(jī)理等都比較復(fù)雜。因此，機(jī)電一體化設(shè)備的故障通常也是多方面因素共同影響的結(jié)果，這使得機(jī)電一體化設(shè)備的故障發(fā)生率要遠(yuǎn)高于普通設(shè)備。機(jī)電一體化設(shè)備故障頻發(fā)，為機(jī)電一體化設(shè)備的故障診斷增加了一定的難度。結(jié)合機(jī)電一體化設(shè)備故障診斷的實(shí)際情況，可以將機(jī)電一體化設(shè)備故障診斷技術(shù)的特點(diǎn)歸結(jié)為四點(diǎn)：涉及零部件較多；故障誘因復(fù)雜；故障的發(fā)生具有隱蔽性、突發(fā)性；技術(shù)更新速度較快[5]。

2.1 涉及零部件較多

機(jī)電一體化設(shè)備是各種技術(shù)元素與多重零件的集合體。以NC機(jī)床為例，其內(nèi)部平均零部件數(shù)量在318件左右，而一般的機(jī)床設(shè)備的零部件僅約19件。機(jī)電一體化設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)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(fù)雜

造成機(jī)電一體化設(shè)備故障的原因往往極為復(fù)雜，有些故障是由設(shè)備的機(jī)械零部件失靈導(dǎo)致的，有些故障與電氣檢測(cè)元器件的狀態(tài)異常有關(guān)，還有一些故障與操作人員的具體操作行為以及設(shè)備所處外部環(huán)境等有關(guān)。

2.3 故障的發(fā)生具有隱蔽性、突發(fā)性

機(jī)電一體化設(shè)備的自動(dòng)化報(bào)警PLC編程不完善，使得故障診斷系統(tǒng)無法對(duì)內(nèi)部繁多的零部件狀態(tài)作出有效檢測(cè)，導(dǎo)致故障在發(fā)生之初難以被快速檢測(cè)。例如，NC機(jī)床的自診斷系統(tǒng)雖然能夠發(fā)出上百條報(bào)警信號(hào)，但一旦遇到機(jī)床失靈不動(dòng)、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量下降等問題，其自診斷系統(tǒng)無法對(duì)故障情況作出診斷以及信息反饋。

2.4 技術(shù)更新速度較快

在技術(shù)革新、產(chǎn)業(yè)升級(jí)的當(dāng)下，企業(yè)對(duì)于機(jī)電一體化設(shè)備的性能、功能、參數(shù)等的要求逐漸提升，在此背景下機(jī)電一體化設(shè)備的型號(hào)、系統(tǒng)也在不斷變更。

上述這些特點(diǎn)的存在，都對(duì)機(jī)電一體化設(shè)備故障的快速診斷造成了一定的阻礙，對(duì)設(shè)備維護(hù)管理人員的能力提出了較高的要求[6]。

3 機(jī)電一體化設(shè)備常用的故障診斷技術(shù)

3.1 專家系統(tǒng)診斷技術(shù)

專家系統(tǒng)的本質(zhì)是一種計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，屬于人工智能早期發(fā)展過程中的一個(gè)重要分支，由知識(shí)庫、用戶界面、推理機(jī)三部分構(gòu)成[7]。專家系統(tǒng)可以將多個(gè)專家的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)集合在知識(shí)庫中，以人工智能知識(shí)推理、表示的方法，模擬專家解決某特定領(lǐng)域難點(diǎn)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(tǒng)的推理信息，以此為機(jī)電一體化設(shè)備維護(hù)管理人員的故障診斷工作提供強(qiáng)大的助力[8]。

機(jī)電一體化設(shè)備基本都配備了專門的設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)，其中儲(chǔ)備了大量的相關(guān)專家的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)，能夠在接口裝置的作用下以數(shù)據(jù)采集、分析的辦法，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。機(jī)電一體化設(shè)備的故障診斷專家系統(tǒng)帶有較強(qiáng)的自動(dòng)化診斷特點(diǎn)，可以依據(jù)系統(tǒng)顯示的報(bào)警代碼，自動(dòng)搜索專家知識(shí)庫中的故障信息，解決相關(guān)故障。但由于機(jī)電一體化設(shè)備故障原因的復(fù)雜性，機(jī)電一體化設(shè)備的故障診斷專家系統(tǒng)僅適用于可以顯示報(bào)警代碼的簡單故障的診斷，無法處理沒有明顯報(bào)警代碼的復(fù)雜故障，如機(jī)械異常振動(dòng)、異常聲音等。此時(shí)，維修人員需要在其他檢測(cè)技術(shù)的作用下，對(duì)故障進(jìn)行精密診斷。

3.2 征兆提取診斷技術(shù)

機(jī)電一體化設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，無論自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)是否發(fā)出警報(bào)、提示，設(shè)備在運(yùn)行過程中都會(huì)出現(xiàn)一些有別于日常情況的狀態(tài)，即故障征兆。例如，設(shè)備出現(xiàn)啟動(dòng)慢、啟動(dòng)困難，甚至無法啟動(dòng)的情況；設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)緊急制動(dòng)失效、自動(dòng)停機(jī)的狀況；設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)明顯的速率降低、功率不足的情況；設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)異常響動(dòng)、溫度異常的情況等。這些故障征兆都較明顯，容易被設(shè)備操作管理人員發(fā)現(xiàn)，可以作為設(shè)備運(yùn)維人員診斷設(shè)備故障的重要依據(jù)。設(shè)備管理及運(yùn)維人員可以以故障征兆為依據(jù)判斷故障發(fā)生的具體位置、類型等。

一般而言，提取機(jī)電一體化設(shè)備的常見故障征兆時(shí)，可以采用統(tǒng)計(jì)分析法和函數(shù)分析法兩種方法。當(dāng)故障征兆與系統(tǒng)特征信號(hào)之間存在統(tǒng)計(jì)關(guān)系時(shí)，可以采用統(tǒng)計(jì)分析法提取相關(guān)征兆；當(dāng)故障征兆與設(shè)備既定特征信號(hào)之間存在函數(shù)關(guān)系時(shí)，可依據(jù)特征信號(hào)，采用函數(shù)分析法提取具體的故障征兆。

在提取設(shè)備故障征兆的相關(guān)信息后，需要以此為據(jù)診斷、分析設(shè)備故障的具體發(fā)生部位、種類等。此時(shí)用到的故障診斷分析方法主要包括以下幾種。

3.2.1 對(duì)比診斷法

在統(tǒng)計(jì)歸納、試驗(yàn)研究、計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，確定故障征兆下設(shè)備的各個(gè)狀態(tài)，并對(duì)比分析設(shè)備的基準(zhǔn)模式與實(shí)際征兆，以判斷設(shè)備故障的具體種類、位置。機(jī)電一體化設(shè)備基本都有固定的參數(shù)，涉及設(shè)備上所有的零部件，這些參數(shù)的正常值即設(shè)備的基準(zhǔn)模式，將之與實(shí)際故障征兆參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，可以得到具體的故障情況，如設(shè)備振動(dòng)頻率的高低可以反映設(shè)備傳動(dòng)零部件的損害程度。

3.2.2 函數(shù)診斷法

當(dāng)設(shè)備狀態(tài)與各個(gè)征兆之間存在函數(shù)關(guān)系時(shí)，可以在既定函數(shù)運(yùn)算式的輔助下直接算出設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，作為判斷設(shè)備故障的依據(jù)。

3.2.3 邏輯診斷法

當(dāng)設(shè)備狀態(tài)與各個(gè)征兆之間存在邏輯關(guān)系時(shí)，可采用邏輯推理的方式，依據(jù)征兆情況推理設(shè)備的故障情況。例如，設(shè)備潤滑的油污、變質(zhì)情況多與軸承磨損及設(shè)備溫度過高有關(guān)，可通過測(cè)量油液顆粒的尺寸、形狀來得到具體的故障情況；設(shè)備出現(xiàn)異味多與電路短路、橡膠燃燒、電動(dòng)機(jī)過熱等有關(guān)，可通過紅外測(cè)溫技術(shù)、Y射線掃描技術(shù)進(jìn)一步地測(cè)量故障征兆。

4 應(yīng)用機(jī)電一體化設(shè)備故障診斷技術(shù)的注意事項(xiàng)

機(jī)電一體化設(shè)備的特殊性決定了其設(shè)備故障診斷技術(shù)的復(fù)雜性，在使用各種機(jī)電一體化設(shè)備故障診斷技術(shù)時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)。

4.1 樹立科學(xué)的故障診斷思維

設(shè)備維護(hù)人員應(yīng)該采取機(jī)械、電子相結(jié)合的思維，充分地了解機(jī)電一體化設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)成、功能設(shè)計(jì)、組合形式、模塊建設(shè)、工作環(huán)境等，并以此為依據(jù)，結(jié)合機(jī)電一體化設(shè)備的故障征兆，在故障樹分析法、金相檢測(cè)診斷法、壓力檢測(cè)診斷法、時(shí)域模型分析法等診斷思維的指導(dǎo)下，對(duì)設(shè)備可能存在的故障形式等作出科學(xué)預(yù)測(cè)。在層層細(xì)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(guān)系。

4.2 合理設(shè)定故障的診斷步驟

采取“先機(jī)后電、先外后內(nèi)、先枝后葉”的原則，對(duì)機(jī)電一體化設(shè)備的故障進(jìn)行有序的診斷?？紤]到機(jī)電一體化設(shè)備構(gòu)造的復(fù)雜性，其拆卸、組裝難度較大，需要由專業(yè)技術(shù)人員甚至生產(chǎn)廠家來完成。企業(yè)設(shè)備維護(hù)管理人員在對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行診斷處理時(shí)，要先從簡單易處理的故障入手，如機(jī)械設(shè)備卡死、斷裂、變形、打滑等故障；先檢查設(shè)備外部的執(zhí)行元件狀況，再檢查設(shè)備內(nèi)部的控制元件、驅(qū)動(dòng)元件等；先檢查、分析設(shè)備故障發(fā)生位置的外部接口部件等。

5 結(jié)束語

綜上所述，在機(jī)電制造產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的當(dāng)下，機(jī)電一體化設(shè)備基于其在生產(chǎn)制造方面的高效化、智能化、便捷化表現(xiàn)，被廣泛運(yùn)用到了社會(huì)各行業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)中，成為一項(xiàng)重要的生產(chǎn)工具，對(duì)于提高企業(yè)的生產(chǎn)效率、實(shí)現(xiàn)營收起到關(guān)鍵性的作用。在未來的發(fā)展中，企業(yè)不僅要繼續(xù)擴(kuò)大機(jī)電一體化設(shè)備的引進(jìn)與應(yīng)用范圍，還要對(duì)機(jī)電一體化設(shè)備的運(yùn)作狀態(tài)提高關(guān)注度，正確認(rèn)識(shí)機(jī)電一體化設(shè)備的故障可能引發(fā)的一系列嚴(yán)重后果，做好充分的預(yù)判。企業(yè)在研發(fā)機(jī)電一體化設(shè)備診斷技術(shù)的同時(shí)，需要加大對(duì)機(jī)電一體化設(shè)備日常維護(hù)管理工作的投入，確保機(jī)電一體化設(shè)備能夠在專業(yè)維護(hù)人員的精心維護(hù)下，減少設(shè)備故障，進(jìn)而降低故障對(duì)企業(yè)生產(chǎn)的負(fù)面影響，確保充分發(fā)揮機(jī)電一體化設(shè)備的功效。