高安敏

摘 要

機(jī)電行業(yè)的發(fā)展極大地推動(dòng)了現(xiàn)代生產(chǎn)制造業(yè)的發(fā)展，在信息技術(shù)的支持下，機(jī)電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用范圍逐步拓展，為了確保其性能的充分發(fā)揮，必須做好系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)和管理工作。本文將對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)故障的特點(diǎn)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上探討故障的診斷技術(shù)方法，希望可以為機(jī)電一體化系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞

機(jī)電一體化;故障;診斷

中圖分類號(hào)： TH-39;TH17 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

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

0 前言

現(xiàn)階段在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的機(jī)電一體化系統(tǒng)具有十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，維護(hù)和管理的難度頗高。在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，如何有效鎖定、判斷故障對(duì)于機(jī)電一體化系統(tǒng)的效率具有決定性的影響。因此有必要對(duì)系統(tǒng)故障的診斷技術(shù)方法措施進(jìn)行分析研究，為故障排除和維護(hù)保養(yǎng)工作提供有力的支撐，促進(jìn)生產(chǎn)制造業(yè)的發(fā)展。

1 機(jī)電一體化系統(tǒng)的故障特點(diǎn)

機(jī)電一體化系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中，系統(tǒng)內(nèi)包含的機(jī)械設(shè)備未按照設(shè)定進(jìn)行工作即可認(rèn)定出現(xiàn)系統(tǒng)故障。結(jié)合實(shí)踐來(lái)看，機(jī)電一體化系統(tǒng)出現(xiàn)的大部分系統(tǒng)故障都是因電氣部分的問(wèn)題造成的，加之系統(tǒng)的復(fù)雜性較強(qiáng)，因此在進(jìn)行故障診斷分析時(shí)需要綜合考慮多方面的因素。

機(jī)電一體化系統(tǒng)中包含有大量的零部件，技術(shù)含量很高，發(fā)生故障的概率也相對(duì)偏高。想要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)故障的有效應(yīng)對(duì)，依靠傳統(tǒng)的人工檢查分析根本無(wú)法達(dá)到目標(biāo)，這就需要引入更加先進(jìn)的故障診斷技術(shù)方法。機(jī)電一體化系統(tǒng)故障的特點(diǎn)有四：其一，自診斷功能偏弱，僅能判斷一些簡(jiǎn)單故障。其二，機(jī)械零件多，容易磨損。其三，技術(shù)人員缺乏。其四，報(bào)警體制不完善，常常出現(xiàn)錯(cuò)誤。

機(jī)電一體化系統(tǒng)出現(xiàn)的故障的原因可以概括為以下幾點(diǎn)：其一，機(jī)械性磨損。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中包含有大量的機(jī)械零件，零件之間相互接觸，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生磨損，造成故障的發(fā)生，如機(jī)械鎖的故障就是因機(jī)械磨損造成的。此外，機(jī)械系統(tǒng)在裝配時(shí)存在的誤差是導(dǎo)致機(jī)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(tǒng)荷載和相關(guān)要求的標(biāo)準(zhǔn)荷載不符合，因受力不均勻?qū)е聶C(jī)械性磨損。因磨損導(dǎo)致的故障一般很難被修復(fù)，通常需要更換機(jī)械零部件，因?yàn)槟p對(duì)設(shè)備會(huì)造成極大的傷害。其二，電氣線路老化。機(jī)電一體化系統(tǒng)的重要組成部分之一就是電力系統(tǒng)，該系統(tǒng)和諸多機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行息息相關(guān)。在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行之后，一部分電子元件會(huì)因電流和電壓的沖擊出現(xiàn)老化或是氧化現(xiàn)象。而電氣線路在老化后則會(huì)出現(xiàn)絕緣性能降低的情況，容易發(fā)生短路故障或是被大電壓擊穿。其三，液壓元件密封問(wèn)題。機(jī)電一體化系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行的過(guò)程中，其液壓元件會(huì)在壓力和交變荷載的影響下出現(xiàn)密封下降的現(xiàn)象，發(fā)生泄漏堵塞液壓管路，引發(fā)系統(tǒng)故障。其四，人為因素?，F(xiàn)代機(jī)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，操作難度也出現(xiàn)了相應(yīng)的提升，這對(duì)系統(tǒng)操作人員帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)。相關(guān)人員若是安全意識(shí)不足、操作技能掌握不熟練，很可能會(huì)因操作失誤導(dǎo)致故障的發(fā)生。其五，工況環(huán)境因素。機(jī)電一體化系統(tǒng)包含大量的精密設(shè)備，對(duì)運(yùn)行環(huán)境有著很高的要求，管理人員若是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行運(yùn)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(tǒng)故障。

2 機(jī)電一體化系統(tǒng)故障的診斷

2.1 機(jī)電一體化系統(tǒng)故障診斷的原則

在進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)備故障診斷檢測(cè)的過(guò)程中，技術(shù)人員必須要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的思維模式。最基本的應(yīng)做到對(duì)機(jī)電一體化設(shè)備進(jìn)行全面透徹的了解，包括各個(gè)部分的功能、所處的工作環(huán)境、組合形式、功能模塊框圖等。根據(jù)故障的外在表象，通過(guò)層層分析理清故障的邏輯關(guān)系，掌握故障的根源和實(shí)質(zhì)。在進(jìn)行故障診斷的過(guò)程中要遵循以下原則：其一，先機(jī)后電，相較而言，機(jī)械結(jié)構(gòu)的直觀性更強(qiáng)，因此在故障診斷時(shí)最好先從機(jī)械部分入手查看是否存在故障。一般情況下，機(jī)械部分多為驅(qū)動(dòng)元件和執(zhí)行元件，容易因磨損而出現(xiàn)變形失效現(xiàn)象。其二，先外后內(nèi)，從執(zhí)行元件入手，層層深入，直至驅(qū)動(dòng)元件。其三，先主干后枝葉，從主要部件開(kāi)始，對(duì)一些借口部件和結(jié)合部零件進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2.2 故障診斷的方法

首先，傳統(tǒng)方法。在過(guò)去，機(jī)電一體化系統(tǒng)故障的診斷常常是由具有豐富工作經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員通過(guò)觀察、觸摸、耳聽(tīng)等方法來(lái)進(jìn)行的，據(jù)此判斷機(jī)電設(shè)備是否存在故障。該方法雖然成本較大，但是診斷過(guò)程的可靠性很難保障，極易出現(xiàn)誤診的情況。而且由于缺少檢測(cè)儀器，此類診斷方法對(duì)技術(shù)人員的專業(yè)素養(yǎng)有著極高的要求，不僅需要掌握設(shè)備的結(jié)構(gòu)，還需具備豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此受到的限制較高。

其次，現(xiàn)代技術(shù)方法。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化系統(tǒng)故障診斷方面應(yīng)用的技術(shù)方法以及監(jiān)測(cè)工具也變得越來(lái)越豐富。比較常見(jiàn)的技術(shù)主要有兩種，分別是專家系統(tǒng)技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。前者是在一個(gè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)中集成所有專家的專業(yè)技能知識(shí)，據(jù)此對(duì)機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)故障做出判斷，制定相應(yīng)的故障排除方案。專家系統(tǒng)的本質(zhì)是一種智能計(jì)算機(jī)程序，基于專家的知識(shí)技能通過(guò)推理解決一些高難度的問(wèn)題。如圖1所示，為專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)，包括知識(shí)庫(kù)、人機(jī)接口、知識(shí)獲取子系統(tǒng)、解釋子系統(tǒng)、全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)、推理機(jī)等部分。其中知識(shí)庫(kù)內(nèi)存儲(chǔ)著與需要解決問(wèn)題相關(guān)的事實(shí)和規(guī)則。在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，用戶通過(guò)人機(jī)接口將診斷對(duì)象的相關(guān)信息傳送到推理機(jī)，由推理機(jī)根據(jù)實(shí)際需求對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行全面檢索，形成診斷結(jié)果，反饋給用戶。在診斷過(guò)程中，用戶還可以針對(duì)性地提出相關(guān)問(wèn)題，專家系統(tǒng)均可以進(jìn)行回答。目前專家系統(tǒng)在許多領(lǐng)域都獲得了廣泛應(yīng)用，尤其是在工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用占比高達(dá)60%。根據(jù)英國(guó)的調(diào)查顯示，24%的專家系統(tǒng)服務(wù)于財(cái)政部門，這表明專家系統(tǒng)在信息處理領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模正在不斷擴(kuò)大。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)則是以神經(jīng)元的感知特性為基礎(chǔ)，對(duì)不同特征的數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉處理，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的精準(zhǔn)判斷。在實(shí)際工作中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)常常與其他算法綜合應(yīng)用，可以有效提高故障診斷的有效性。

現(xiàn)如今，機(jī)電一體化系統(tǒng)中所采用的智能故障診斷的本質(zhì)實(shí)際上就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)，將專家系統(tǒng)技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行融合應(yīng)用。人工智能技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)故障診斷方面的應(yīng)用。智能故障診斷系統(tǒng)可以對(duì)診斷信息進(jìn)行獲取、傳遞、處理、再生和利用，一次對(duì)特定環(huán)境下診斷對(duì)象的狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別和預(yù)測(cè)。如下圖所示，為基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能診斷系統(tǒng)，其主要三個(gè)層次構(gòu)成，大數(shù)據(jù)平臺(tái)負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和集成，之后基于故障模式庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)化診斷和預(yù)警。

2.3 實(shí)際案例分析

本次研究選擇的機(jī)電一體化系統(tǒng)故障設(shè)備為美國(guó)cs數(shù)控，其系統(tǒng)為FANUC數(shù)控系統(tǒng)。其故障表現(xiàn)為隨機(jī)性的報(bào)警停車，其ERR面板上HC報(bào)警燈有發(fā)亮報(bào)警現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)401號(hào)報(bào)警問(wèn)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(kāi)，導(dǎo)致伺服電機(jī)未能加上電源，伺服控制板或是主控制板接觸不良。而HC報(bào)警故障則是因伺服板上有電流穿過(guò)放大器。在對(duì)MCC線圈、浪涌吸收器以及連接導(dǎo)線等元件進(jìn)行檢測(cè)后均未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，后檢測(cè)為熱保護(hù)動(dòng)作問(wèn)題。最后通過(guò)調(diào)整MCC熱保護(hù)開(kāi)關(guān)的方式將故障排除。

3 應(yīng)對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)故障、提高系統(tǒng)可靠性的方法策略研究

目前，機(jī)電一體化設(shè)備正呈現(xiàn)出智能化、自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，為了有效地應(yīng)對(duì)系統(tǒng)故障，提高機(jī)電一體化設(shè)備的可靠性，可以引入計(jì)算機(jī)監(jiān)控操作系統(tǒng)，具體方法策略如下：其一，采用可靠性更高的設(shè)備元器件進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，積極排查處理系統(tǒng)運(yùn)行中存在的故障。在故障排查期間，一定要中斷系統(tǒng)正常工作。其二則是采用容錯(cuò)技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)的重要部位采取冗余設(shè)計(jì)，以此提高系統(tǒng)的可靠性。

初次之外，還可以通過(guò)提高機(jī)械工作精度的方法，如運(yùn)行精度、加工進(jìn)度、控制精度等實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)備可靠性的提高，如采用精密機(jī)械對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械進(jìn)行改造升級(jí)或是將微機(jī)控制或是PLC控制引入到系統(tǒng)電路控制中，應(yīng)用先進(jìn)的數(shù)控裝置。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)現(xiàn)代機(jī)電一體化系統(tǒng)的故障診斷，應(yīng)引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)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(jī)電一體化系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)和管理工作提供支撐，為系統(tǒng)高效運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

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