機電一體化設備的故障診斷方法分析

鐘國樑

（梧州市東能電力安裝有限公司，廣西 梧州 543002）

機電一體化是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術，將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統總稱。機電一體化系統技術發展至今已成為一門有著自身體系的新型交叉學科，它涉及到機械制造技術、電子技術、信息處理技術、測試與傳感器技術、控制技術、接口技術、計算機技術、伺服驅動技術等多種技術。隨著國民經濟發展，機電一體化設備產品不斷進入生產與生活領域，人們對產品的輸出柔性、工作性能及可靠性方面提出了更高的要求，但由于機電一體化設備不同于一般的機械設備和電子設備，具有獨特的故障特點和可靠性特點，所以我們不能用傳統的故障排除診斷方法進行維修。

1 機械與電子之間的相互關系

機電一體化系統技術是從系統的觀點出發，綜合運用機械技術（包含氣動、液壓和光學技術）、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術和群體技術，根據系統功能目標和優化組合目標，合理配置、布局各功能單元。在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現特定功能價值，并使整個系統成為最優化的系統工程技術。機電一體化系統技術是基于這些技術的有機綜合應用技術，而不是機械技術、電子技術及其他技術的簡單組合拼湊，這是機電一體化與機械電氣所形成的機械電氣化在概念上的區別。機電一體化設備主要由機械本體、動力單元控制系統和執行單元組成，構成系統的要素一般包括機、電、液、氣、光和磁等，而機械與電子是機器的重要組成部分。大多數設備主要由這兩部分組成。機械是動作的執行者，電子計算機是動作的控制者，只有兩者協調運行，設備才能正常運轉。兩者的關系就像四肢和大腦的關系，機電一體化技術是充分利用電子計算機信息處理和控制功能、可驅動元件特性的現代科學技術。

2 機電一體化設備的故障特點

機電一體化設備（數控類機床、振動試驗設備、測量設備和微電子技術制造設備等）是企事業機械加工中的關鍵設備，這類設備的價格昂貴，機床的壽命對企事業來說是非常重要的。一旦設備出現故障，影響和損失往往很大，但是使用單位和使用者往往更多看其效能，而不重視對它的合理使用，甚至超負荷加工等，出現故障而導致停工是很普遍的現象，因此，為了發揮機電一體化設備的效益，充分合理使用設備，對其進行動態監測管理，做到故障預前處理，我們一定要重視日常保養和維修工作。

3 機電一體化設備的故障診斷方法

由于機電一體化設備所具有的獨特特點，所以我們對設備故障的分析應該機、電有機結合，轉變思維方式。首先，要對機電一體化設備作深入的分析了解，熟悉各功能模塊框圖，根據各組成部分的功能、組合形式和工作環境，分析故障可能的形式和影響程度，必要時可作故障樹分析，根據故障發生的現象，層層分解，找出故障形式的邏輯關系與可靠性有關的因素，弄清產生故障的實質和根源。機電一體化設備的故障分析診斷法有故障樹分析法、白診斷法（故障代碼、故障指示燈、報警等）、溫度檢測診斷法、壓力檢測診斷法、振動檢測診斷法、噪聲檢測診斷法、金相檢測診斷法和時域模型分析法等。

在具體診斷時，可注意以下幾點：①先機后電，由于機械結構的直觀性，可以用肉眼看到明顯故障現象，如斷裂、變形、打滑、卡死等，所以先從機械部分入手，檢查機械部分故障。一般地說，由于機械的工作特點，它是執行元件及驅動元件，更容易產生磨損引起變形而發生失效；②先外后內，由執行元件到控制元件再到驅動元件逐個檢查，找到故障源頭；③先主干后枝葉，先分析主要部件，后分析次要部件，尤其重點分析結合部零件和接口部件。

4 常見故障分類

常見的設備故障判斷方法：

（1）按故障有無指示和報警，可分為有診斷指示故障和無指示故障。高級機電一體化設備控制系統都有自診斷程序，實時監控整個系統的軟、硬件性能，一旦發現故障則會立即報警或者還有指示說明在屏幕上顯示，結合系統配備的診斷手冊不僅可以找出故障發生的原因部位，而且提示排除方法。無診斷指示通常由于上述診斷不完整所致。這類故障產生的前因后果只有依靠維修人員的熟悉程度和技術水平加以分析和排除。

（2）按故障出現對工件或對機床有無破壞，可分為破壞性故障和非破壞性故障。對于破壞性故障，損壞工件或損壞機床的故障在維修時不允許重演。對于非破壞性故障，找出原因并解決。

（3）按系統的偶然性，分為系統性故障和偶然性故障。系統性故障是指滿足一定的條件則一定出現的確定的故障：而偶然性故障是指在相同條件下偶爾發生的故障。后者的分析較為困難，通常多與機床機械結構的局部松動有關，與部分電氣元件工作特性漂移有關。該類故障分析需反復試驗綜合判斷才能排除。常見的設備故障可分為電氣故障和機械故障。

5 機電一體化設備可靠性分析及提高

可靠性設計是近年來得到發展的和廣泛應用的一種現代設計方法，它把概率論和數理統計應用于工程設計。不僅解決了傳統設計不能處理的一些問題，而且能有效的提高產品設計水平和質量并降低了成本。

影響機電一體化設備可靠性的因素：一臺設備，從數控柜到伺服電機，電子和電力元器件五花八門，要對影響整機可靠性的因素作全面評價是十分困難的，只能從一些具體問題入手來提高整機的可靠性，影響可靠性的因素有：

5.1 元器件失效

元器件是構成整個數控設備的基本單元，單個元器件的可靠性是整機可靠性的基礎。按照概率運算法則，整機的失效率等于各組成部分的失效率之和。因此，應該嚴格挑選失效率低的產品用于實際系統。

5.2 元器件的聯接與組裝

機電一體化設各控制系統復雜，電氣元器件之間縱橫交錯，要保證整機的可靠性，就必須解決好聯接與組裝的可靠性，而插接件的接觸不良會造成信號傳送失靈，是產生系統故障的原因之一。此外，由于溫度濕度變化較大，油污粉塵對元器件的污染以及機械振動的影響都會影響系統的可靠性。

5.3 電磁干擾

機電一體化設備是利用電能進行加工的電氣控制設備，在運行中必然伴隨著電磁能量的轉換，往往一方面對周圍環境發生影響，同時，另一方面本身也會受到所處環境電磁干擾的影響。作為機電一體化的產物，數控機床和加工中心是機械、電子、電力、強電、弱電、硬件、軟件等緊密結合的自動化系統，電磁環境和電磁干擾問題是一個極為復雜的問題，一般，電磁干擾源引入數控系統的主要途徑有：①交流供電系統受鄰近大功率用電設備啟動（如使用電焊機）、制動影響（有大功率用于制動的電機），造成電源電壓波動，以及電器開關接通斷電時由電火花產生的高頻電磁干擾；②直流電源負載能力不足，缺乏足夠穩定的功率儲備，造成直流電源電壓隨負載變化而波動；③電源與地線的線徑太細或布局不合理，電子元器件相互之間通過公共的導線阻抗，發生信號畸變或交叉干擾；④控制信號引線過長又沒有采取必要的屏蔽隔離措施，或與強電電線一起走線，而沒有分開走線，信號線易受電磁噪聲的干擾產生錯誤信號，尤其對于高頻脈沖信號，若處理不當極易發生信號畸變。

6 結束語

綜上所述，機電設備的維修方式各有自己的優缺點和適用性，盲目地生搬硬套某種維修方式是不合理的。在實際生產中，要根據設備的不同特點和對生產的影響程度，選用適合自己企業情況的維修方式。企業要積極地做好設備預防性檢修工作，同時，要盡可能地推廣狀態維修方式，提高故障診斷的效率和經濟上的合理性，使設備停機損失小、壽命周期費用低、效能得到充分的發揮。