机电一体化设备的故障维修特点及可靠性分析
(南京电子技术研究所， 江苏南京 210013)
&&& 摘& 要：对机电一体化设备中机械和电子的相互关系进行了阐述，对机电一体化设备的故障特点进行分析，提出相应的诊断方法和机电一体化设备的维修方法；同时文章也介绍了液压系统在数控机床上的应用，分析归纳了液压系统引发的故障及维修方法，介绍了现场诊断技术中确定故障检测次序的原则；最后，对机电一体化设备的可靠性进行探讨，提出了提高可靠性的对策。&&& 关键词：机电一体化；故障；可靠性；维修
&&& 何为机电一体化，机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统总称。&&& 机电一体化系统技术发展至今已成为一门有着自身体系的新型交叉学科，它涉及到机械制造技术、电子技术、信息处理技术、测试与传感器技术、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。&&& 1 机械与电子之间的相互关系&&& 机电一体化系统技术是从系统的观点出发，综合运用机械技术(包含气动、液压和光学技术)、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术和群体技术，根据系统功能目标和优化组合目标，合理配置布局各功能单元。在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统成为最优化的系统工程技术。&&& 机电一体化系统技术是基于这些技术的有机综合应用技术，而不是机械技术、电子技术及其他技术的简单组合拼凑，这是机电一体化与机械电气所形成的机械电气化在概念上的区别。&&& 机电一体化设备主要由机械本体、动力单元控制系统和执行单元组成，构成系统的要素一般包括机、电、液、气、光和磁等，而机械与电子是机器的重要组成部分。大多数设备主要由这两部分组成。机械是动作的执行者，电子计算机是动作的控制者，只有两者的协调运行，设备才能正常运转。两者的关系就像四肢和大脑的关系，机电一体化技术是充分利用电子计算机信息处理和控制功能，利用可驱动元件特性的现代科学技术。&&& 2 机电一体化设备的故障特点&&& 机电一体化设备(数控类机床、振动试验设备、测量设备和微电子技术制造设备等)是企事业机械加工中的关键设备，这类设备的价格昂贵，机床的寿命对企事业来说是非常重要的。一旦设备出现故障，影响和损失往往很大，但是使用单位和使用者往往更多看其效能，而不重视对它的合理使用，甚至超负荷加工等到出现故障而导致停工是很普遍的现象，因此，为了发挥机电一体化设备的效益，充分合理使用设备，对其进行动态监测管理，做到故障预前处理，我们一定要重视日常保养和维修工作。&&& 2．1 机械设备故障特点&&& 机械设备的运行过程是一个动态过程，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。&&& 从系统特性来看，机械故障特点具有随机性、连续性、离散性、缓变性、突发性、问歇性和模糊性等，其产生原因往往有一个故障多个原因和多个原因同时作用产生某故障结果。&&& 2．2 电子设备故障特点&&& 电子设备的故障特点具有隐蔽性、突发性、敏感性(如对温度、湿度等外界条件)，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、融合性和交叉性等特点。&&& 一般说来，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的动作执行，多半是由于电子电气部分出现问题。&&& 3 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，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，找出故障形式的逻辑关系与可靠性有关的因素，弄清产生故障的实质和根源。&&& 机电一体化设备的故障分析诊断法有故障树分析法、自诊断法(故障代码、故障指示灯、报警等)、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、金相检测诊断法和时域模型分析法等。&&& 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，所以先从机械部分人手，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到驱动元件逐个检查，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，尤其重点分析结合部零件和接口部件。&&& 4 常见故障分类&&& 常见的设备故障判断方法：&&& (1)按故障有无指示和报警，可分为有诊断指示故障和无指示故障。高级机电一体化设备控制系统都有自诊断程序，实时监控整个系统的软，硬件性能，一旦发现故障则会立即报警或者还有指示说明在屏幕上显示，结合系统配备的诊断手册不仅可以找出故障发生的原因部位，而且提示排除方法。无诊断指示通常由于上述诊断不完整所致。这类故障产生的前因后果只有依靠维修人员的熟悉程度和技术水平加以分析和排除。&&& (2)按故障出现对工件或对机床有无破坏可分为破坏性故障和非破坏性故障。对于破坏性故障，损坏性故障。损坏工件甚至于机床的故障在维修时不允许重演。对于非破坏性故障，找出原因并解决。&&& (3)按系统的或然性，分为系统性故障和偶然性故障。系统性故障是指满足一定的条件则一定出现的确定的故障；而随机性故障是指在相同条件下偶尔发生的故障。后者的分析较为困难，通常多与机床机械结构的局部松动有关，部分电气元件工作特性漂移有关。该类故障分析需反复试验综合判断才能排除。&&& 常见的设备故障可分为电气故障和机械故障：&&& 4．1 常见电气故障&&& 故障发生的部位可分为硬件和软件故障，硬件故障是指电子电器件、印刷电路板、电线电缆、接插件等不正常状态甚至损坏而引起的的故障，硬件是需要修理甚至更换的。而软件故障则需要输入或修改某些数据甚至修改加工程序方可排除故障。&&& 4．2 常见机械部分故障&&& 以机床的运动品质来衡量，机床运动动态特性下降，在这种情况下，机床虽能正常运转却加工不出合格的零件。产生这种故障的原因往往是机床定位精度超差、机械传动反向间隙大、造成失动量变大、运动不平稳、机床主轴轴向径向跳动精度超差、机床导轨位置精度超差、丝杠螺母副精度下降及温升，这类故障必须用检测仪器确定产生误差的环节，然后通过对机械传动系统，数控系统和伺服系统的最佳化来调整排除。&&& 机电一体化设备故障的分类方式很多，往往一种故障的产生是多种类型的混合，这需要、维修人员根据故障的性质，故障的表象，产生故障的原因和后果等具体情况去排除故障。&&& 5 机电一体化设备故障维修的方法&&& 随着机电技术的不断发展。特别是柔性加工技术的飞速发展，机床设备的自动化程度和精度越来越高。许多设备包括机、电、液、气、光、和磁，是机电一体化的设备，下面以数控车床为例说明机电一体化设备的故障维修特点和方法。&&& MJ-50型数控车床是两坐标连续控制的卧式车床，其机床的运动包括卡盘的加紧与松开、卡盘夹紧的高低压转换、回转刀架的正转与反转、尾架套筒的伸出与退回。该机床的这些运动由液压系统驱动，各电磁阀的动作由数控系统的PLC控制实现图1是MJ-50的液压原理图。
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&&& 5．1 数控车床的常见故障&&& 在数控车床和加工中心设备中，液压系统的主要驱动对象有卡盘、回转刀架、尾座套筒、静压导轨、液压拨叉、主轴箱的液压平衡、主轴的换刀等。MJ-50由液压系统引起的常见的故障有：(1)主轴部件切削振动大；(2)系统润滑不良；(3)刀架转换重复定位精度差；(4)工件夹紧不牢固等。&&& 机床的其他故障也严重影响数控机床的正常工作，特别是数控机床的主轴部件是影响机床加工精度的主要部件，它的回转精度影响工件的加工精，刀架的重复定位精度影响工件的尺寸精度，同时影响机床的自动化程度。因此高效率地查找机床故障显得尤其重要。&&& 5．2 故障排除方法&&& 当机床出现故障要求修理时，首先要求操纵者尽量保持现场故障状态，维修人员到现场后，仔细询问故障指示情况，验证操纵者提供的各种情况的准确性、完整性，从而核实判断。对于大多数机电一体化设备，大多数都有故障指示的，所以在一般情况下，对照机床配置数控系统诊断手册和使用说明书，就可以列出产生故障的原因。例如使用单位报修MJ-50型数控车床的架套筒在工作中突然停止运行，如何排除这一故障呢?&&& 首先，修理人员要看懂机床结构图和液压原理图以及PLC的梯形图。由液压原理知道，尾座套筒的工作原理为：&&& (1)当电磁铁5YA断电、6YA通电时，套筒伸出，此时进油路为：油箱――过滤器――泵――单向阀8――阀5(左位)――液压缸无杆腔；回油路为：液压缸有杆腔――单向阀门11――阀5――(左位)――油箱，套筒伸出的工作预紧力大小通过减压阀门11控制。并由压力表13显示，伸出速度由调速阀11控制；&&& (2)当5YA通电、6YA断电时，套筒退回。此时进油路为：油箱――过滤器――泵――单向阀――减压阀8――阀(右位)――单向调速阀11――液压缸有杆腔；回路为：液压无杆腔5(右位)――油箱。&&& 然后根据尾座工作原理分析故障原因：压力不足、泄漏、液压泵不供油或油量不足、液压缸活塞磨损拉毛或密封圈损坏、液压阀断线或卡死。&&& 根据以上几方面的原因，采取如下步骤，首先向机床操作人员详细了解机床出现故障的前后情况，然后根据液压元件的难易程度检测过程如下：&&& (1)从机床液压工作原理看，变量泵15是整个液压系统的动力来源，检查压力表是否正常，如果不正常，则检查泵是否损坏、过滤器是否堵塞；&&& (2)检查系统管道、接头、元件处是否有泄露；&&& (3)检查油箱油位，油位是否在最低油位之上，吸油管、过滤器是否露出油面；&&& (4)检查方向控制阀5(电磁阀通过电磁铁两端的手动按钮推动)，如果阀芯推不动，说明换向阀出了问题。如果换向阀可以换向，且液压缸动作了，说明了电磁阀的电气线路出了问题；&&& (5)检查手动操纵阀11，检查单向是否堵塞，调节调速阀流量大小观察液压缸活塞进退速度；&&& (6)检查减压阀8，如果液压缸动作了，说明减压阀调节不当；&&& (7)如果以上工作做完了，仍然没有排除鼓障，那么可能就是液压缸出故障了。这时候就需要分解并检测液压缸。&&& 机电一体化设备，特别是数控机床、加工中心都使用液压技术，由于液压系统的工作是在封闭的壳体和管道内进行的，不能从外部直接观察，对工作环境比较敏感，特别是进口设备加工精度高、部件运动速度快要求恒温恒湿，使用条件苛刻，对液压油牌号厂家都十分讲究，所以机电一体化设备的故障发生率相对比较高，可靠性差，这是机电一体化设备中一个重要环节，一旦出现故障，往往要花费较多的时间去寻找原因来解决。其实与任何事物一样，机电一体化设备中的液压传动故障的发生也有一定的规律性，保持良好的工作环境、正确合理的操作机床、做好平时的维护保养、做到预前修理会大大地降低故障发生率。&&& 5．3 确定原因后维修保养设备&&& 对于多种可能的原因中找出产生故障的真正原因。这取决于维修人员对机电一体化设备的熟悉程度、知识水平、实践经验和分析判断能力。对于复杂的故障，则需用工具仪表检查元器件。确定修理方案，对于大型高精度机电一体化设备，如果出现故障在修复后应做好记录存档。&&& 6 机电一体化设备可靠性分析及提高可靠性对策&&& 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和降低了成本。可靠性设计的观点和方法已成为产品的质量保证、安全保证、产品责任预防等不可缺少的依据和手段。&&& 机电―体化设备的自动化程度高，结构复杂，在伺服系统中更是集中大量不同规格品种、不同电压等级和控制功率的电子和电力器件，因此，对整个系统的可靠性提出了更高要求，而机电一体化设备的控制系统的可靠性主要取决于弱电电子器件组成的控制部分的性能。&&& 所谓可靠性就是产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。机电设备的可靠性与机电设备的使用环境、工作条件、运行情况和维护保养有关还与各个组成单元自身的可靠性有关。机电一体化设备的技术含量非常高，机械零部件配合精度高，制造工艺复杂，控制系统电路复杂，必须在良好的工作环境中运行，有些设备要求恒温、恒湿及防震等，这些机电一体化设备只有在良好的工作环境中才能保持良好的可靠性。机电一体化设备的可靠性可用可靠度来表示R=R1R2R3。R为整个机电设备的可靠度。R1为机械部分的可靠度，R2为电器部分的可靠度，R3为接口部分的可靠度。为了提高整个机电一体化设备的可靠性，必须合理使用设备，杜绝超负荷加工，对其工作环境进行监控。另外对设备的组成部分进行分析，提高各组成部分的可靠性，找出薄弱环节，加强维护保养，合理配置备件。&&& 6．1 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，成千上万，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人手来提高整机的可靠性，影响可靠性的因素有：&&& 6．1．1 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。&&& 6．1．2 元器件的联接与组装&&& 机电一体化设备控制系统复杂，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。&&& 6．1．3 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、制动影响，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，或于强电信号秉性走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。&&& 6．2 提高机电一体化设备可靠性的措施&&& 数控机床及加工中心现在已发展成为完全微机化的实时控制系统，它的可靠性通常可以采用两种办法：一种是采用可靠性高的元器件进行设计，当系统出现故障时用诊断的方法定位故障所在并迅速排除。这时，一般要中断系统的正常工作；另一种是采用容错技术，必要时对重要部位可以采用亢余设计组成一个可靠性较高的系统。&&& 机电一体化设备的可靠性还可以用提高机械工作精度(如运行精度、加工精度、控制精度等)来获得，可采用精密机械改造传统机械，电路控制用微机和PLC控制，用先进数控装置控制。&&& 7 结束语&&& 我们必须针对机电一体化设备的特点找出行之有效的故障分析方法。随着其他各类新技术与机械技术的有机结合，传统机械正朝着智能化、微型、网络化、模块化、柔性化、自动化等方向发展。逐步形成一个全新机电产品理念，相应的故障诊断维修技术也朝着人工智能、专家系统发展、使机电一体化具有自诊断、自诊断、自适应及自修复功能。&&& 机电一体化设备是企事业单位生产单位中的重点设备，担负一般设备所不能完成的任务，在科研生产中担负极其重要作用。因此，提高机电一体化设备的可靠性，加强设备维修保养就显得十分必要。这要求维修人员不断学习，掌握机电一体化设备维修技术。参考文献：[1] 张君安．机电一体化设计[M]．北京：兵器工业出版，1997[2] 钱立文．从两例故障谈机电一体化维修[J]．设备管理与维修，1997[3] 林其骏．机床数控系统[M]．北京：中国科学技术出版社，1991[4] 张建民．传感器与检测技术[M]．北京：机械工业出版社，1997[5] 卢醒庸，龚正．金属切削机床液压传动[M]．北京：科学出版社[6] 应锦春．现代设计方法[M]．北京：机械工业出版社[7] 张玉实，李德庆．数控机床[M]．上海：上海科学出版社[8] 林其俊．机床数控系统[M]．上海：中国科学技术出版社
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