机电一体化设备的故障维修特点及可靠性分析
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作者: 施晓东 陈仁兴
摘要：随着国民经济发展，机电一体化设备产品不断进入生产与生活领域，人们对产品的输出柔性、工作性能及可靠性方面提出了更高的要求，但由于机电一体化设备不同于一般的机械设备和电子设备，具有独特的故障特点和可靠性特点，所以我们不能用传统的故障排除诊断方法进行维修。本文针对机电一体化设备进行了故障特点分析及可靠性探讨。
关键词：机电一体化；故障特点；可靠性
中图分类号：TH17 文献标识码：A 文章编号：1001-828X（2013）04-0-01
自从日本首次提出机电一体化（mechatron ics）这一概念以来，机电一体化技术得到了飞速发展，已成为一门新兴的交叉学科。它涉及到机械制造技术、电子技术、信息处理技术、测试与传感技术、控制技术、接口技术、计算机技术、伺服驱动技术等多种技术。随着国民经济的发展，机电一体化产品不断进入生产与生活领域，人们对该类产品的输出柔性、工作性能及可靠性方面提出了严格的要求。但由于机电一体化设备不同于一般的机械设备或电子设备，它有着其独特的故障特点和可靠性，所以，我们不能沿用传统的故障诊断方法。
一、机电一体化设备的故障特点
1.机械设备的故障表象特点
（1）机械设备的运行过程是一个动态的过程，在不同时段的测试数据是不可重现的，用检测数据直接判断运行过程中的故障也是不可靠的。
（2）从系统特性来看，机械系统的故障具有随机性、连续性、离散性、缓变性、突发性、间歇性、模糊性等，其产生的原因有一对多性（一个故障结果可能由多种原因产生）、复合性（多个原因同时作用产生某个故障结果）。
2.电子设备的故障表象特点
电子设备的故障特点具有隐蔽性、突发性、敏感性（如对温度、湿度等外界工作条件）。
3.机电一体化设备的故障表象特点
机电一体化系统除具有原有机械和电子设备的特点外，又增加了故障转移性、表征复杂性、集成性、融合性、交叉性等特点。
一般来说，由于机械部分是动作的执行者、完成者，从故障表面现象来看，如果机器出现不动作，或未按预定动作执行，我们很容易认为是机械部件故障。事实上，机器不动作或未按预定动作执行，多半是由于电子（电气）部分出现了问题。原因可能是电子线路发不出动作指令，形成机械部件不动作；可能是电子部件检测到机械部件动作不到位，发出了停止信号，造成机械部件在后续工序出现错误。例如，NP1215型复印机由于输纸皮带长期与驱动轮接触，造成打滑现象，使得输纸带速度低于正常速度，纸路传感器检测到规定时间内纸张未能到达指定位置，从而发出停止指令，使输纸皮带停止前进，从而出现卡纸现象。从表面来看，是在故障位（定影部位）发生卡纸现象，使我们怀疑可能是定影上、下辊之间的缝隙偏小，或分离爪分离不到位产生卡纸。经反复观察输纸带，发现有时有短暂间隙停顿现象，肉眼几乎看不出来。一个行之有效的故障排除方法是将输送带翻转过来，让毛边与驱动轮相接触，增加它们之间的摩擦力，重新开机后故障消除。该故障的原因可总结为：机械磨损引起传送带运行速度变慢，速度传感器测到后发出停止信号，于是发生卡纸现象。此例体现了机电一体化设备故障的转移性。再举一例，Star-cr3240型打印机在装纸后系统却提示缺纸，多次重新装纸后，故障依旧。从故障的表面来看为输纸部件出现差错，纸张不能安装到位。但仔细检查，驱动输纸部件的电机转动声响均匀，运转正常，输送皮带等没磨损、打滑现象，也未发现任何部位有卡死现象；因此，怀疑是控制电路部分有问题，初步判断是纸路传感器有问题。经检查发现纸路传感器（光敏元件）表面覆盖有少量灰尘，用酒精棉球擦拭后开机重试，故障消除。此例体现了机电一体化设备的转移性和敏感性（对光敏感）。
二、机电一体化设备的故障诊断方法
由于机电一体化设备所具有的独特特点，我们不能沿用传统的单独针对机械或电子的维修诊断方法，而应将机电有机结合，转变思维方法。首先，要对机电一体化系统有一个深入的分析、了解，熟悉各功能模块框图，根据各组成部分的功能、组合形式和工作环境，分析故障可能的形式和影响程度。必要时可作故障树分析，根据故障发生的现象，层层分解，找出与故障形式的逻辑关系及与可靠性有关的各种因素，弄清产生故障的实质和根源。
机电一体化设备的故障诊断法有故障树分析法、拓扑网络分析法、自诊断法（故障代码、故障指示灯、报警声等）、温度检测诊断法、压力检测诊断法、振动检测诊断法、噪声检测诊断法、金相分析检测诊断法、时域模型分析法等。具体诊断方法有以下3种：
（1）先机后电由于机械结构的直观性，我们可以通过肉眼看到明显的故障表象，如断裂、变形、打滑、碰撞、卡死等，所以，先从机械部分入手，检查机械部分是否能正常工作，行程开关能否自如接通和断开，液压、气动装置是否能正常循环，然后再判断电子（电气）部分是否存在问题。一般而言，由于机械的工作特点，它是以执行元件、驱动元件等身份出现的，它们更容易因为磨损、变形等原因发生失效。
（2）先外后内由执行部件到控制部件再到驱动部件逐个检查，找到故障源头。
（3）先干后叶先分析主要部件，后分析次要部件，尤其要重点分析结合部零件或接口部件。
三、机电一体化设备可靠性分析及提高
可靠性设计是近年来得到发展的和广泛应用的一种现代设计方法，它把概率论和数理统计应用于工程设计。不仅解决了传统设计不能处理的一些问题，而且能有效的提高产品设计水平和质量并降低了成本。
影响机电一体化设备可靠性的因素：一台设备，从数控柜到伺服电机，电子和电力元器件五花八门，要对影响整机可靠性的因素作全面评价是十分困难的，只能从一些具体问题入手来提高整机的可靠性，影响可靠性的因素有：
1.元器件失效
元器件是构成整个数控设备的基本单元，单个元器件的可靠性是整机可靠性的基础。按照概率运算法则，整机的失效率等于各组成部分的失效率之和。因此，应该严格挑选失效率低的产品用于实际系统。
2.元器件的联接与组装
机电一体化设各控制系统复杂，电气元器件之间纵横交错，要保证整机的可靠性，就必须解决好联接与组装的可靠性，而插接件的接触不良会造成信号传送失灵，是产生系统故障的原因之一。此外，由于温度湿度变化较大，油污粉尘对元器件的污染以及机械振动的影响都会影响系统的可靠性。
3.电磁干扰
机电一体化设备是利用电能进行加工的电气控制设备，在运行中必然伴随着电磁能量的转换，往往一方面对周围环境发生影响，同时，另一方面本身也会受到所处环境电磁干扰的影响。作为机电一体化的产物，数控机床和加工中心是机械、电子、电力、强电、弱电、硬件、软件等紧密结合的自动化系统，电磁环境和电磁干扰问题是一个极为复杂的问题，一般，电磁干扰源引入数控系统的主要途径有：（1）交流供电系统受邻近大功率用电设备启动（如使用电焊机）、制动影响（有大功率用于制动的电机），造成电源电压波动，以及电器开关接通断电时由电火花产生的高频电磁干扰；（2）直流电源负载能力不足，缺乏足够稳定的功率储备，造成直流电源电压随负载变化而波动；（3）电源与地线的线径太细或布局不合理，电子元器件相互之间通过公共的导线阻抗，发生信号畸变或交叉干扰；（4）控制信号引线过长又没有采取必要的屏蔽隔离措施，或与强电电线一起走线，而没有分开走线，信号线易受电磁噪声的干扰产生错误信号，尤其对于高频脉冲信号，若处理不当极易发生信号畸变。
参考文献：
[1]周丽丽.机电一体化数控技术在我国机械加工中的应用[J].湖南农机，2012（07）.
[2]耿天顺，詹云.浅议基于Profibus-DP总线控制的机电一体化系统[J].科技风，2012（07）.
作者简介：施晓东，男，初级工程师。
陈仁兴，男，初级工程师。
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