機(jī)電一體化設(shè)備故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

方立友

（無錫南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫214081）

0 引言

當(dāng)今社會(huì)深受科學(xué)技術(shù)力量的推動(dòng)，機(jī)電一體化技術(shù)日益成熟，變得更加趨于柔性化、智能化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化以及仿生物系統(tǒng)化。機(jī)電一體化主要是將電子技術(shù)融入到傳統(tǒng)的機(jī)械裝置中去，使機(jī)械裝置與電子設(shè)備以及軟件形成有機(jī)的結(jié)合體。而隨著人們對機(jī)電一體化產(chǎn)品提出更加嚴(yán)格的要求，機(jī)電一體化設(shè)備的故障診斷系統(tǒng)就迫切需要向前邁進(jìn)一大步。為此，本文以電子技術(shù)中的信號(hào)處理理論為基礎(chǔ)，針對常見的機(jī)電一體化設(shè)備提出了合理的故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，并據(jù)此對機(jī)電一體化設(shè)備故障診斷技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，希望能科學(xué)有效地提高設(shè)備的可靠性、魯棒性以及實(shí)用性。

1 基于信號(hào)處理理論的機(jī)電一體化設(shè)備故障診斷

機(jī)電一體化設(shè)備不可避免地要執(zhí)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，其在運(yùn)行過程中也難免存在噪聲，部位或轉(zhuǎn)速不同，設(shè)備部件發(fā)出的噪聲頻率也不同。即便如此，想要從如此多頻率的噪聲中分析得到故障點(diǎn)也并非易事。為此，首先需要做的是進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)的有效采樣和存儲(chǔ)。一般方法是利用拾音器和聲卡直接將噪聲信號(hào)采集至計(jì)算機(jī)，聲卡同時(shí)將收集來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，即進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。一般而言，信號(hào)的分析分為時(shí)域和頻域分析。采集來的信號(hào)為時(shí)域信號(hào)，為了能更加清晰完整地分析信號(hào)，一般要將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號(hào)進(jìn)行分析，即進(jìn)行信號(hào)的頻譜分析。其次，要將采集的信號(hào)數(shù)據(jù)以音頻文件的形式保存，再導(dǎo)入Matlab工作空間中以便處理。最后，利用頻譜圖來對噪聲進(jìn)行分析，進(jìn)而找出故障點(diǎn)所處位置。

例如，圖1中左邊為某一機(jī)電一體化設(shè)備在正常工作條件下的噪聲頻譜圖，右邊則為此設(shè)備發(fā)生故障時(shí)的噪聲頻譜圖。分析比較可以看出，右邊的信號(hào)圖在460 Hz處出現(xiàn)了一個(gè)明顯的波峰，此處即該設(shè)備發(fā)生異常情況的點(diǎn)，由此追本溯源，即可找到發(fā)生故障的地方。

圖1 某機(jī)電一體化設(shè)備發(fā)生故障前后噪聲頻譜圖

進(jìn)行故障診斷最重要的一條就是做好監(jiān)控工作。一般來說，設(shè)備的監(jiān)控就是對設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。圖2為一般的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測診斷過程。從圖2中可以看出，要想對設(shè)備進(jìn)行有效的監(jiān)測，就必須對設(shè)備信號(hào)進(jìn)行有效的提取。從設(shè)備中提取出的信號(hào)一般稱為特征信號(hào)，從中獲得的用于判斷故障種類和發(fā)生位置的信號(hào)稱為征兆。從信號(hào)處理角度來說，獲得此征兆信號(hào)后，應(yīng)在模式識(shí)別理論的基礎(chǔ)上做出決策分析，即判斷采用何種方式能夠使設(shè)備故障在短時(shí)間內(nèi)被處理好，以恢復(fù)設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測圖

2 故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

正是因?yàn)闄C(jī)電一體化設(shè)備具有理論和實(shí)踐不可分割的特性，對其故障診斷系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)也必須來源于對經(jīng)驗(yàn)的不斷總結(jié)。本文以控制轉(zhuǎn)軸的常見機(jī)電一體化設(shè)備為例設(shè)計(jì)故障診斷系統(tǒng)，圖3為該設(shè)備的工作原理圖。

圖3 機(jī)電一體化設(shè)備工作原理圖

由于機(jī)電一體化設(shè)備含有機(jī)械部分和電氣部分，故而想要準(zhǔn)確找尋其發(fā)生故障的部位相當(dāng)困難，本文中使用信號(hào)檢測的方法來對此設(shè)備故障進(jìn)行診斷。

總的診斷系統(tǒng)原理如圖4所示。工控機(jī)控制轉(zhuǎn)接臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)接臺(tái)與電磁閥相連接來控制設(shè)備的液壓系統(tǒng)，進(jìn)而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)對到位開關(guān)和轉(zhuǎn)軸角度進(jìn)行操作。在該設(shè)備的基礎(chǔ)上，組建故障診斷系統(tǒng)。分別用3根電纜連接至計(jì)算機(jī)，形成3個(gè)測試部位。這3根電纜分別安置在工控機(jī)與轉(zhuǎn)接臺(tái)之間、轉(zhuǎn)接臺(tái)與電磁閥之間、電磁閥與液壓系統(tǒng)之間。通過這3個(gè)部位的測試可以將有關(guān)信息都采集到計(jì)算機(jī)中去。繼而利用本文中所闡述的信號(hào)處理理論對采集來的模擬信號(hào)進(jìn)行分析，即可得到機(jī)電一體化設(shè)備存在問題的部位。

圖4 故障診斷系統(tǒng)示意圖

3 故障診斷技術(shù)歸納

機(jī)電一體化設(shè)備故障診斷技術(shù)的特點(diǎn)可以歸納如下：（1）具有較強(qiáng)的目的性。（2）具有較高的復(fù)雜性。機(jī)電一體化設(shè)備一方面存在機(jī)械構(gòu)件，另一方面又存在電氣構(gòu)件，在兩者之間又有區(qū)分較為模糊的共同構(gòu)件，這種多樣化的構(gòu)件使得對設(shè)備進(jìn)行故障診斷也存在著極大的困難。（3）機(jī)電一體化設(shè)備故障診斷難、重復(fù)性低導(dǎo)致這門技術(shù)必須要理論和實(shí)踐相結(jié)合，即具體問題具體分析，診斷方法和維修方法可能因不同的實(shí)際情況而不同。當(dāng)然，這也是積累經(jīng)驗(yàn)的過程。

為此，本文提出以下故障診斷步驟：首先，在進(jìn)行機(jī)電一體化設(shè)備故障診斷之前需要嚴(yán)格明確目的：（1）確保設(shè)備無故障，能夠安全可靠運(yùn)行；（2）要使設(shè)備發(fā)揮其最大功效，最大限度體現(xiàn)其價(jià)值；（3）保障設(shè)備在發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)而準(zhǔn)確地診斷，將安全事故扼殺在襁褓中。其次，將早期診斷的故障或者前人所積累下來的故障診斷經(jīng)驗(yàn)預(yù)存于知識(shí)庫中。實(shí)時(shí)了解當(dāng)前設(shè)備的信息，使用多種理論和方法對設(shè)備的特征信號(hào)進(jìn)行采集和整理。最后，對設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行深度的整理分析。將設(shè)備診斷信息整理后得到的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，從而得出可能發(fā)生故障的部位，并進(jìn)一步驗(yàn)證。同時(shí)，做好進(jìn)一步分析的工作，預(yù)測故障發(fā)生的趨勢，提出有效的預(yù)防及修復(fù)措施，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行。

4 結(jié)語

通過本文的分析和總結(jié)可以看出，機(jī)電一體化設(shè)備故障診斷是自機(jī)電一體化設(shè)備普及以來亟待解決的關(guān)鍵問題。本文詳細(xì)闡述了信號(hào)處理理論用于機(jī)電一體化設(shè)備故障診斷中的方法，并根據(jù)常見的機(jī)電一體化設(shè)備設(shè)計(jì)了故障診斷系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上又對當(dāng)前的機(jī)電一體化設(shè)備故障診斷技術(shù)進(jìn)行了歸納和總結(jié)，希望能確保機(jī)電一體化設(shè)備安全高效運(yùn)行。

［1］王信義，朱小燕，袁洪芳.機(jī)電一體化設(shè)備的故障診斷技術(shù)研究［J］.機(jī)械與電子，1999（4）

［2］許秋香.機(jī)電一體化設(shè)備故障維修特點(diǎn)及可靠性分析［J］.機(jī)電信息，2012（6）