机电一体化系统故障特点解析及应对方法

高安敏

摘 要

机电行业的发展极大地推动了现代生产制造业的发展，在信息技术的支持下，机电一体化系统的应用范围逐步拓展，为了确保其性能的充分发挥，必须做好系统的维护保养和管理工作。本文将对机电一体化系统故障的特点进行分析，在此基础上探讨故障的诊断技术方法，希望可以为机电一体化系统的高效稳定运行奠定基础。

关键词

机电一体化;故障;诊断

中图分类号： TH-39;TH17            文献标识码： A

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

0 前言

现阶段在多个领域应用广泛的机电一体化系统具有十分复杂的结构，维护和管理的难度颇高。在实际运行的过程中，如何有效锁定、判断故障对于机电一体化系统的效率具有决定性的影响。因此有必要对系统故障的诊断技术方法措施进行分析研究，为故障排除和维护保养工作提供有力的支撑，促进生产制造业的发展。

1 机电一体化系统的故障特点

机电一体化系统在运行的过程中，系统内包含的机械设备未按照设定进行工作即可认定出现系统故障。结合实践来看，机电一体化系统出现的大部分系统故障都是因电气部分的问题造成的，加之系统的复杂性较强，因此在进行故障诊断分析时需要综合考虑多方面的因素。

机电一体化系统中包含有大量的零部件，技术含量很高，发生故障的概率也相对偏高。想要实现对系统故障的有效应对，依靠传统的人工检查分析根本无法达到目标，这就需要引入更加先进的故障诊断技术方法。机电一体化系统故障的特点有四：其一，自诊断功能偏弱，仅能判断一些简单故障。其二，机械零件多，容易磨损。其三，技术人员缺乏。其四，报警体制不完善，常常出现错误。

机电一体化系统出现的故障的原因可以概括为以下几点：其一，机械性磨损。在机电一体化系统中包含有大量的机械零件，零件之间相互接触，在系统运行过程中会产生磨损，造成故障的发生，如机械锁的故障就是因机械磨损造成的。此外，机械系统在装配时存在的误差是导致机械零部件接触磨损的主要原因。除此之外还有一种受力磨损类型，即系统荷载和相关要求的标准荷载不符合，因受力不均匀导致机械性磨损。因磨损导致的故障一般很难被修复，通常需要更换机械零部件，因为磨损对设备会造成极大的伤害。其二，电气线路老化。机电一体化系统的重要组成部分之一就是电力系统，该系统和诸多机电设备的运行息息相关。在经过长期运行之后，一部分电子元件会因电流和电压的冲击出现老化或是氧化现象。而电气线路在老化后则会出现绝缘性能降低的情况，容易发生短路故障或是被大电压击穿。其三，液压元件密封问题。机电一体化系统在长期运行的过程中，其液压元件会在压力和交变荷载的影响下出现密封下降的现象，发生泄漏堵塞液压管路，引发系統故障。其四，人为因素。现代机电一体化系统的结构非常复杂，操作难度也出现了相应的提升，这对系统操作人员带来了不小的挑战。相关人员若是安全意识不足、操作技能掌握不熟练，很可能会因操作失误导致故障的发生。其五，工况环境因素。机电一体化系统包含大量的精密设备，对运行环境有着很高的要求，管理人员若是对系统运行运行管理不到位，就可能因温度、湿度、灰尘、酸碱度等因素造成系统故障。

2 机电一体化系统故障的诊断

2.1 机电一体化系统故障诊断的原则

在进行机电一体化系统设备故障诊断检测的过程中，技术人员必须要转变传统的思维模式。最基本的应做到对机电一体化设备进行全面透彻的了解，包括各个部分的功能、所处的工作环境、组合形式、功能模块框图等。根据故障的外在表象，通过层层分析理清故障的逻辑关系，掌握故障的根源和实质。在进行故障诊断的过程中要遵循以下原则：其一，先机后电，相较而言，机械结构的直观性更强，因此在故障诊断时最好先从机械部分入手查看是否存在故障。一般情况下，机械部分多为驱动元件和执行元件，容易因磨损而出现变形失效现象。其二，先外后内，从执行元件入手，层层深入，直至驱动元件。其三，先主干后枝叶，从主要部件开始，对一些借口部件和结合部零件进行重点分析。

2.2 故障诊断的方法

首先，传统方法。在过去，机电一体化系统故障的诊断常常是由具有丰富工作经验的技术人员通过观察、触摸、耳听等方法来进行的，据此判断机电设备是否存在故障。该方法虽然成本较大，但是诊断过程的可靠性很难保障，极易出现误诊的情况。而且由于缺少检测仪器，此类诊断方法对技术人员的专业素养有着极高的要求，不仅需要掌握设备的结构，还需具备丰富的实践经验，因此受到的限制较高。

其次，现代技术方法。随着科学技术的发展，机电一体化系统故障诊断方面应用的技术方法以及监测工具也变得越来越丰富。比较常见的技术主要有两种，分别是专家系统技术和神经网络技术。前者是在一个数据系统中集成所有专家的专业技能知识，据此对机电设备的状态进行检测并对故障做出判断，制定相应的故障排除方案。专家系统的本质是一种智能计算机程序，基于专家的知识技能通过推理解决一些高难度的问题。如图1所示，为专家系统的一般结构，包括知识库、人机接口、知识获取子系统、解释子系统、全局数据库、推理机等部分。其中知识库内存储着与需要解决问题相关的事实和规则。在实际运行的过程中，用户通过人机接口将诊断对象的相关信息传送到推理机，由推理机根据实际需求对知识库进行全面检索，形成诊断结果，反馈给用户。在诊断过程中，用户还可以针对性地提出相关问题，专家系统均可以进行回答。目前专家系统在许多领域都获得了广泛应用，尤其是在工业和商业领域，应用占比高达60%。根据英国的调查显示，24%的专家系统服务于财政部门，这表明专家系统在信息处理领域的应用规模正在不断扩大。

神经网络技术则是以神经元的感知特性为基础，对不同特征的数据进行交叉处理，以此实现对故障的精准判断。在实际工作中，神经网络技术常常与其他算法综合应用，可以有效提高故障诊断的有效性。

现如今，机电一体化系统中所采用的智能故障诊断的本质实际上就是神经网络专家系统，将专家系统技术和神经网络技术进行融合应用。人工智能技术的发展极大地推动了专家系统、人工神经网络等技术在机电一体化系统故障诊断方面的应用。智能故障诊断系统可以对诊断信息进行获取、传递、处理、再生和利用，一次对特定环境下诊断对象的状态进行识别和预测。如下图所示，为基于机器学习的智能诊断系统，其主要三个层次构成，大数据平台负责进行数据采集和集成，之后基于故障模式库进行数据分析实现故障自动化诊断和预警。

2.3 实际案例分析

本次研究选择的机电一体化系统故障设备为美国cs数控，其系统为FANUC数控系统。其故障表现为随机性的报警停车，其ERR面板上HC报警灯有发亮报警现象。通过对401号报警问题的分析后得知，可能的原因是伺服控制单元上的电磁接触器断开，导致伺服电机未能加上电源，伺服控制板或是主控制板接触不良。而HC报警故障则是因伺服板上有电流穿过放大器。在对MCC线圈、浪涌吸收器以及连接导线等元件进行检测后均未发现问题，后检测为热保护动作问题。最后通过调整MCC热保护开关的方式将故障排除。

3 应对机电一体化系统故障、提高系统可靠性的方法策略研究

目前，机电一体化设备正呈现出智能化、自动化的发展趋势，为了有效地应对系统故障，提高机电一体化设备的可靠性，可以引入计算机监控操作系统，具体方法策略如下：其一，采用可靠性更高的设备元器件进行机电一体化系统设计，积极排查处理系统运行中存在的故障。在故障排查期间，一定要中断系統正常工作。其二则是采用容错技术，对系统的重要部位采取冗余设计，以此提高系统的可靠性。

初次之外，还可以通过提高机械工作精度的方法，如运行精度、加工进度、控制精度等实现机电一体化系统设备可靠性的提高，如采用精密机械对传统机械进行改造升级或是将微机控制或是PLC控制引入到系统电路控制中，应用先进的数控装置。

4 结语

综上所述，针对现代机电一体化系统的故障诊断，应引入神经网络、专家系统等先进技术方法，提高故障诊断的智能化水平和效率、精确性，探索更加完善的故障诊断方法，为机电一体化系统的维护保养和管理工作提供支撑，为系统高效运行奠定基础。

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