机电一体化设备故障诊断系统设计与应用

方立友

（无锡南洋职业技术学院，江苏 无锡214081）

0 引言

当今社会深受科学技术力量的推动，机电一体化技术日益成熟，变得更加趋于柔性化、智能化、微型化、网络化以及仿生物系统化。机电一体化主要是将电子技术融入到传统的机械装置中去，使机械装置与电子设备以及软件形成有机的结合体。而随着人们对机电一体化产品提出更加严格的要求，机电一体化设备的故障诊断系统就迫切需要向前迈进一大步。为此，本文以电子技术中的信号处理理论为基础，针对常见的机电一体化设备提出了合理的故障诊断系统设计理念，并据此对机电一体化设备故障诊断技术进行了总结，希望能科学有效地提高设备的可靠性、鲁棒性以及实用性。

1 基于信号处理理论的机电一体化设备故障诊断

机电一体化设备不可避免地要执行旋转动作，其在运行过程中也难免存在噪声，部位或转速不同，设备部件发出的噪声频率也不同。即便如此，想要从如此多频率的噪声中分析得到故障点也并非易事。为此，首先需要做的是进行噪声数据的有效采样和存储。一般方法是利用拾音器和声卡直接将噪声信号采集至计算机，声卡同时将收集来的模拟信号转化为数字信号，即进行A／D转换。一般而言，信号的分析分为时域和频域分析。采集来的信号为时域信号，为了能更加清晰完整地分析信号，一般要将时域信号转变为频域信号进行分析，即进行信号的频谱分析。其次，要将采集的信号数据以音频文件的形式保存，再导入Matlab工作空间中以便处理。最后，利用频谱图来对噪声进行分析，进而找出故障点所处位置。

例如，图1中左边为某一机电一体化设备在正常工作条件下的噪声频谱图，右边则为此设备发生故障时的噪声频谱图。分析比较可以看出，右边的信号图在460 Hz处出现了一个明显的波峰，此处即该设备发生异常情况的点，由此追本溯源，即可找到发生故障的地方。

图1 某机电一体化设备发生故障前后噪声频谱图

进行故障诊断最重要的一条就是做好监控工作。一般来说，设备的监控就是对设备的状态进行实时监测。图2为一般的设备状态监测诊断过程。从图2中可以看出，要想对设备进行有效的监测，就必须对设备信号进行有效的提取。从设备中提取出的信号一般称为特征信号，从中获得的用于判断故障种类和发生位置的信号称为征兆。从信号处理角度来说，获得此征兆信号后，应在模式识别理论的基础上做出决策分析，即判断采用何种方式能够使设备故障在短时间内被处理好，以恢复设备正常运行状态。

图2 设备状态实时监测图

2 故障诊断系统设计

正是因为机电一体化设备具有理论和实践不可分割的特性，对其故障诊断系统的合理设计也必须来源于对经验的不断总结。本文以控制转轴的常见机电一体化设备为例设计故障诊断系统，图3为该设备的工作原理图。

图3 机电一体化设备工作原理图

由于机电一体化设备含有机械部分和电气部分，故而想要准确找寻其发生故障的部位相当困难，本文中使用信号检测的方法来对此设备故障进行诊断。

总的诊断系统原理如图4所示。工控机控制转接台的转动，转接台与电磁阀相连接来控制设备的液压系统，进而控制执行机构对到位开关和转轴角度进行操作。在该设备的基础上，组建故障诊断系统。分别用3根电缆连接至计算机，形成3个测试部位。这3根电缆分别安置在工控机与转接台之间、转接台与电磁阀之间、电磁阀与液压系统之间。通过这3个部位的测试可以将有关信息都采集到计算机中去。继而利用本文中所阐述的信号处理理论对采集来的模拟信号进行分析，即可得到机电一体化设备存在问题的部位。

图4 故障诊断系统示意图

3 故障诊断技术归纳

机电一体化设备故障诊断技术的特点可以归纳如下：（1）具有较强的目的性。（2）具有较高的复杂性。机电一体化设备一方面存在机械构件，另一方面又存在电气构件，在两者之间又有区分较为模糊的共同构件，这种多样化的构件使得对设备进行故障诊断也存在着极大的困难。（3）机电一体化设备故障诊断难、重复性低导致这门技术必须要理论和实践相结合，即具体问题具体分析，诊断方法和维修方法可能因不同的实际情况而不同。当然，这也是积累经验的过程。

为此，本文提出以下故障诊断步骤：首先，在进行机电一体化设备故障诊断之前需要严格明确目的：（1）确保设备无故障，能够安全可靠运行；（2）要使设备发挥其最大功效，最大限度体现其价值；（3）保障设备在发生故障时能够及时而准确地诊断，将安全事故扼杀在襁褓中。其次，将早期诊断的故障或者前人所积累下来的故障诊断经验预存于知识库中。实时了解当前设备的信息，使用多种理论和方法对设备的特征信号进行采集和整理。最后，对设备的运行状况进行深度的整理分析。将设备诊断信息整理后得到的数据输入计算机，从而得出可能发生故障的部位，并进一步验证。同时，做好进一步分析的工作，预测故障发生的趋势，提出有效的预防及修复措施，以确保设备的正常运行。

4 结语

通过本文的分析和总结可以看出，机电一体化设备故障诊断是自机电一体化设备普及以来亟待解决的关键问题。本文详细阐述了信号处理理论用于机电一体化设备故障诊断中的方法，并根据常见的机电一体化设备设计了故障诊断系统，在此基础上又对当前的机电一体化设备故障诊断技术进行了归纳和总结，希望能确保机电一体化设备安全高效运行。

［1］王信义，朱小燕，袁洪芳.机电一体化设备的故障诊断技术研究［J］.机械与电子，1999（4）

［2］许秋香.机电一体化设备故障维修特点及可靠性分析［J］.机电信息，2012（6）