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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。文中介绍了机电一体化设备故障诊断的基本技术和方法，以供机电设备维修工作者参考。
关键词：机电 一体化设备 故障 诊断技术
中图分类号：TU85文献标识码： A
前言
工厂生产自动化，使相关机电液一体化生产设备得到长足发展，在促进生产技术发展的同时，给设备维护维修带来了困难。机械故障易检测维修，而电气部分故障具有隐蔽性，从而给维修技术人员带来困难，事后维修往往都是设备已经损坏，影响生产，甚至影响设备乃至车间运行，提出机电液一体化设备的自诊断技术，使其故障在初期没有造成严重危害时，快速准确地检测到，提高了维修效率，对实践有一定的参考意义。
一、机电一体化设备故障诊断技术的基本内容
诊断技术的作用就在于及时发现故障，设备故障诊断的目的有三点：一是保证设备无故障，运行可靠；二是要“物尽其用”，保证设备发挥其最大效益；三是保证设备即将发生故障或已发生故障，能及时而正确地诊断出来，加以维修，以减少维修时间，提高产品的维修质量和有效度。从本质上讲，诊断技术是一种检测技术，用来取得有关产品中产生的故障类型和故障位置信息。它的任务有两个，一个是出现故障时，迅速确定故障的种类和位置，以便及时修复；二是在故障尚未发生时，确定产品中有关元器件距离极限状态的程度，查明工作能力下降的原因，以便采取维护措施或进行自动调整，防止发生故障。
故障诊断通常是通过对设备的观测信号来识别设备的状态。一般的工况监视实际上是状态监视。故障是设备的一种状态，因此，工况监视是故障诊断的基础，故障诊断只不过是一种特殊的工况监视与分析。设备诊断的过程也就是工况的监视、分析与干预的过程。下图表示了设备诊断的过程。
由图可以看出具体的诊断过程是：首先对诊断对象进行特定的测试，取得诊断信号（输出参数）。由于从设备中所测取的信号包含着设备有关状态的信息，所以这种信号称为特征信号。一般从特征信号中还难于直接判断设备有关状态，查出故障。还需要用有关理论与方法，从特征信号中分离出能表示特征故障种类和位置的异常信号，即征兆。获得征兆后就可采用多种的模式识别理论与方法，将征兆加以处理，构成判据，以进行状态识别与分类，即状态诊断。当状态为无故障时，还可采用Kalman滤波、时序模型等方法，进一步分析状态的发展趋势，预计未来情况。当状态为某种故障时，则可进一步采取故障树分析、模式识别、信号分析等方法分析故障所在、类型、性质、原因与趋势等。在此基础上，就可以决策分析，作出决策，干预设备及其工作，以保证能可靠地、有效地发挥其功能，达到诊断的目的。
二、机电一体化设备的故障诊断方法
1、设备状态的测试
故障诊断中通常有两种测试，一是在故障出现之后，为了迅速确定故障的种类和位置，对诊断对象进行的试验性测试，这时诊断对象处于非工作状态，这种情况称为诊断测试。二是在故障发生之前，诊断对象处于工作状态，为了预测故障或及时发现故障而进行的在线测试，这种情况称为故障测试。
2、征兆提取
从测得的特征信号中提取征兆。这些征兆是有助于判断故障种类和故障位置的异常性诊断信号，可分为直接征兆和间接征兆。直接征兆是在检测产品整机的输出参数或可能出现故障的元、部件的输出参数时，取得的异常性诊断信号。如有关机械零件的磨损量、变形量等参数变化的信号。间接征兆是从那些产品工作能力存在函数关系的间接参数中取出的异常性诊断信号。例如产品的音响信号、温度变化、润滑油中的磨损产物，系统动态参数等。采用间接征兆进行诊断可在设备处于工作状态及不作任何拆卸的情况下，评价设备的工作能力。征兆提取有函数分析法和统计分析法两种。
（1）函数分析法：对于有些设备特征信号与征兆之间存在着量的函数关系，可以通过数学分析方法，由特征信号求得征兆。
（2）统计分析法：对特征信号与征兆之间存在着统计关系的，用这种方法提取信息。
3、状态诊断方法
诊断就是将测试取得的诊断信号与设定的标准数据相比较，或利用事先确定的征兆与故障之间的对应关系，来确定故障的种类与部位。其方法可分为两大类：一是直接法，此时征兆即状态，例如，采用状态空间分析进行系统的状态反馈控制时，则由输入、输出（特征信号）计算出的状态，即是系统的征兆，也是系统的状态。二是间接法，此时征兆并非状态，而须有征兆诊断出状态。间接法通常又分为五类：
(1)对比诊断法。事先通过计算分析、试验研究、统计归纳等方式，确定同各有关状态一一对应的征兆即标准模式，在获得设备工作时的征兆后，再将此征兆直接与基准模式对比，则可确定设备的状态。这是目前应用最广泛的一种方法。
(2)函数诊断法：在征兆和状态之间，如存在函数关系，则在获得征兆后即可算出相应的状态。
(3)逻辑诊断法：在征兆与发展之间，如存在逻辑关系，则可通过征兆以推理方式诊断出设备的状态。此方法又分为两种：
a物理逻辑诊断法：根据征兆与状态之间的物理关系，进行推理、诊断。如润滑油污染分析即用此法。
b分区法：通过一定的判据，将待检模式划入相应的模式区域内。
(4)模糊数学法：采用模糊数学方法，对于每一状态与每一征兆均可求得相应的隶属度，对于多个状态与多个征兆则应有隶属模糊向量。这两个向量可用大量实践为基础所获得的模糊矩阵来联系。一旦获得征兆的隶属度模糊向量后，就可以通过此向量与模糊距阵，求出状态的隶属度模糊向量，进而由状态的隶属度模糊向量各元素的大小就可诊断出设备状态的情况。
三、设备的专家系统
专家系统综合利用各种信息与各种诊断方法，以灵活的诊断策略来解决诊断问题。这种系统能实现从数据到干预控制的全套自动化诊断，能通过使用专家的经验而相对地避开信号处理方面复杂的计算，为设备的实时监控提供了时间上的有利条件，它能处理带有错误的信息和不完全的信息，可以降低对测试仪器和工作环境的要求。
四、故障诊断注意事项
由于机电一体化设备所具有的独特特点，所以我们对设备故障的分析应该机、电有机结合，转变思维方式。首先，要对机电一体化设备作深入的分析了解，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，找出故障形式的逻輯关系与可靠性有关的因素，弄清产生故障的实质和根源。在具体诊断时，可注意以下几点：
1、先机后电，由于机械结构的直观性，可以用肉眼看到明显故障现象，如断裂、变形、打滑、卡死等，所以先从机械部分入手，检查机械部分故障。一般地说，由于机械的工作特点，它是执行元件及驱动元件，更容易产生磨损引起变形而发生失效；
2、先外后内，由执行元件到控制元件再到驱动元件逐个检查，找到故障源头；
3、先主干后枝叶，先分析主要部件，后分析次要部件，尤其重点分析结合部零件和接口部件。
结束语
随着科技的发展，故障诊断技术的发展方向是人工智能和专家系统，即将机、电、液等各方面的故障知识统一建立一个知识库，并利用在线检测到的各种信息，通过专用计算机来分析、综合、推理、准确定位故障点并提出合理的排除故障方法。
参考文献
[1] 顾紫妍.机电设备故障诊断技术的研究综述[J]. 科技信息. 2007(01) ：35—42
[2] 宗存元.机电一体化设备故障诊断技术[J]. 安徽电子信息职业技术学院学报. 2003(02) ：48—65
[3] 宋志丹,王玉森.大型机电一体化设备电控故障诊断系统设计[J]. 工矿自动化. 2005(05) ：64—57
[4] 于传强,郭晓松,张安.大型机电一体化设备故障诊断系统的设计[J]. 机电一体化. 2003(01)：77—86
关键词：机电 一体化设备 故障 诊断技术
中图分类号：TU85文献标识码： A
前言
工厂生产自动化，使相关机电液一体化生产设备得到长足发展，在促进生产技术发展的同时，给设备维护维修带来了困难。机械故障易检测维修，而电气部分故障具有隐蔽性，从而给维修技术人员带来困难，事后维修往往都是设备已经损坏，影响生产，甚至影响设备乃至车间运行，提出机电液一体化设备的自诊断技术，使其故障在初期没有造成严重危害时，快速准确地检测到，提高了维修效率，对实践有一定的参考意义。
一、机电一体化设备故障诊断技术的基本内容
诊断技术的作用就在于及时发现故障，设备故障诊断的目的有三点：一是保证设备无故障，运行可靠；二是要“物尽其用”，保证设备发挥其最大效益；三是保证设备即将发生故障或已发生故障，能及时而正确地诊断出来，加以维修，以减少维修时间，提高产品的维修质量和有效度。从本质上讲，诊断技术是一种检测技术，用来取得有关产品中产生的故障类型和故障位置信息。它的任务有两个，一个是出现故障时，迅速确定故障的种类和位置，以便及时修复；二是在故障尚未发生时，确定产品中有关元器件距离极限状态的程度，查明工作能力下降的原因，以便采取维护措施或进行自动调整，防止发生故障。
故障诊断通常是通过对设备的观测信号来识别设备的状态。一般的工况监视实际上是状态监视。故障是设备的一种状态，因此，工况监视是故障诊断的基础，故障诊断只不过是一种特殊的工况监视与分析。设备诊断的过程也就是工况的监视、分析与干预的过程。下图表示了设备诊断的过程。
由图可以看出具体的诊断过程是：首先对诊断对象进行特定的测试，取得诊断信号（输出参数）。由于从设备中所测取的信号包含着设备有关状态的信息，所以这种信号称为特征信号。一般从特征信号中还难于直接判断设备有关状态，查出故障。还需要用有关理论与方法，从特征信号中分离出能表示特征故障种类和位置的异常信号，即征兆。获得征兆后就可采用多种的模式识别理论与方法，将征兆加以处理，构成判据，以进行状态识别与分类，即状态诊断。当状态为无故障时，还可采用Kalman滤波、时序模型等方法，进一步分析状态的发展趋势，预计未来情况。当状态为某种故障时，则可进一步采取故障树分析、模式识别、信号分析等方法分析故障所在、类型、性质、原因与趋势等。在此基础上，就可以决策分析，作出决策，干预设备及其工作，以保证能可靠地、有效地发挥其功能，达到诊断的目的。
二、机电一体化设备的故障诊断方法
1、设备状态的测试
故障诊断中通常有两种测试，一是在故障出现之后，为了迅速确定故障的种类和位置，对诊断对象进行的试验性测试，这时诊断对象处于非工作状态，这种情况称为诊断测试。二是在故障发生之前，诊断对象处于工作状态，为了预测故障或及时发现故障而进行的在线测试，这种情况称为故障测试。
2、征兆提取
从测得的特征信号中提取征兆。这些征兆是有助于判断故障种类和故障位置的异常性诊断信号，可分为直接征兆和间接征兆。直接征兆是在检测产品整机的输出参数或可能出现故障的元、部件的输出参数时，取得的异常性诊断信号。如有关机械零件的磨损量、变形量等参数变化的信号。间接征兆是从那些产品工作能力存在函数关系的间接参数中取出的异常性诊断信号。例如产品的音响信号、温度变化、润滑油中的磨损产物，系统动态参数等。采用间接征兆进行诊断可在设备处于工作状态及不作任何拆卸的情况下，评价设备的工作能力。征兆提取有函数分析法和统计分析法两种。
（1）函数分析法：对于有些设备特征信号与征兆之间存在着量的函数关系，可以通过数学分析方法，由特征信号求得征兆。
（2）统计分析法：对特征信号与征兆之间存在着统计关系的，用这种方法提取信息。
3、状态诊断方法
诊断就是将测试取得的诊断信号与设定的标准数据相比较，或利用事先确定的征兆与故障之间的对应关系，来确定故障的种类与部位。其方法可分为两大类：一是直接法，此时征兆即状态，例如，采用状态空间分析进行系统的状态反馈控制时，则由输入、输出（特征信号）计算出的状态，即是系统的征兆，也是系统的状态。二是间接法，此时征兆并非状态，而须有征兆诊断出状态。间接法通常又分为五类：
(1)对比诊断法。事先通过计算分析、试验研究、统计归纳等方式，确定同各有关状态一一对应的征兆即标准模式，在获得设备工作时的征兆后，再将此征兆直接与基准模式对比，则可确定设备的状态。这是目前应用最广泛的一种方法。
(2)函数诊断法：在征兆和状态之间，如存在函数关系，则在获得征兆后即可算出相应的状态。
(3)逻辑诊断法：在征兆与发展之间，如存在逻辑关系，则可通过征兆以推理方式诊断出设备的状态。此方法又分为两种：
a物理逻辑诊断法：根据征兆与状态之间的物理关系，进行推理、诊断。如润滑油污染分析即用此法。
b分区法：通过一定的判据，将待检模式划入相应的模式区域内。
(4)模糊数学法：采用模糊数学方法，对于每一状态与每一征兆均可求得相应的隶属度，对于多个状态与多个征兆则应有隶属模糊向量。这两个向量可用大量实践为基础所获得的模糊矩阵来联系。一旦获得征兆的隶属度模糊向量后，就可以通过此向量与模糊距阵，求出状态的隶属度模糊向量，进而由状态的隶属度模糊向量各元素的大小就可诊断出设备状态的情况。
三、设备的专家系统
专家系统综合利用各种信息与各种诊断方法，以灵活的诊断策略来解决诊断问题。这种系统能实现从数据到干预控制的全套自动化诊断，能通过使用专家的经验而相对地避开信号处理方面复杂的计算，为设备的实时监控提供了时间上的有利条件，它能处理带有错误的信息和不完全的信息，可以降低对测试仪器和工作环境的要求。
四、故障诊断注意事项
由于机电一体化设备所具有的独特特点，所以我们对设备故障的分析应该机、电有机结合，转变思维方式。首先，要对机电一体化设备作深入的分析了解，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，找出故障形式的逻輯关系与可靠性有关的因素，弄清产生故障的实质和根源。在具体诊断时，可注意以下几点：
1、先机后电，由于机械结构的直观性，可以用肉眼看到明显故障现象，如断裂、变形、打滑、卡死等，所以先从机械部分入手，检查机械部分故障。一般地说，由于机械的工作特点，它是执行元件及驱动元件，更容易产生磨损引起变形而发生失效；
2、先外后内，由执行元件到控制元件再到驱动元件逐个检查，找到故障源头；
3、先主干后枝叶，先分析主要部件，后分析次要部件，尤其重点分析结合部零件和接口部件。
结束语
随着科技的发展，故障诊断技术的发展方向是人工智能和专家系统，即将机、电、液等各方面的故障知识统一建立一个知识库，并利用在线检测到的各种信息，通过专用计算机来分析、综合、推理、准确定位故障点并提出合理的排除故障方法。
参考文献
[1] 顾紫妍.机电设备故障诊断技术的研究综述[J]. 科技信息. 2007(01) ：35—42
[2] 宗存元.机电一体化设备故障诊断技术[J]. 安徽电子信息职业技术学院学报. 2003(02) ：48—65
[3] 宋志丹,王玉森.大型机电一体化设备电控故障诊断系统设计[J]. 工矿自动化. 2005(05) ：64—57
[4] 于传强,郭晓松,张安.大型机电一体化设备故障诊断系统的设计[J]. 机电一体化. 2003(01)：77—86