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　随着机电一体化技术的发展及机电一体化系统规模的不断增大，对其可靠性的要求越来越高，从而使机电一体化系统的可靠性研究日益受到广泛重视。RAS技术的研究和发展为机电一体化系统的可靠性研究提供了广泛的理论基础和技术依据。在RAS技术中，为了比较预定要修复系统的可靠度。

欲提高n则必须从减小妒和t两个方面着手，即RAS技术所研究的两个主要问题：可靠性设计和故障诊断技术。减小妒意味着使系统不出或少出故障，而对于一个系统而言尽管从可靠性设计、元件的严格筛选到可靠的工艺措施都考虑得很周密，但事实证明：要确保一个系统不出故障，这是不可能的，也是不现实的;减小t意味着当系统发生故障后，如何检测故障，判断故障的原因，并准确定位故障点，以便减小维修时间，这就需要故障诊断技术。本文针对机电一体化系统讨论其故障机理、故障模型及诊断方法。

　　2.机电一体化系统的故障机理与故障模型

　　众所周知：机电一体化技术涉及范围十分广泛。不同的系统规模有着不同的控制装置。PCL由于结构紧凑、性能价格比较高、编程容易，尤其它的高可靠性和高抗干扰性能，使它作为机电一体化的一项技术及其在机电一体化系统中作为顺序控制和过程控制的核心控制装置，正在机电一体化领域中起着愈来愈重要的作用。在控制系统中，PLC主要用来担负对各类检测开关的输入和对各种输出执行元件的控制。

　　所谓各类输入检测开关指的是控制按钮、行程开关、转换开关、限位开关、无触点开关、光电开采以及压力开关等;而输出执行元件主要指的是各类继电器、接触器、电磁阀等。在PLC控制的机电一体化系统中，其控制装置本身的可靠性已经基本解决。大量的故障机理的研究资料和实践表明：运行过程所发生的故障，主要来源于输入检测开关和输出执行元件。对于一个比较复杂的机电一体化系统。查找和发现输入检测开关和输出执行元件的故障一般是比较麻烦和复杂的，也需耗费大量的时间和精力。因此，对输入检测开关和输出执行元件进行故障诊断，这对于缩短维修时间，提高系统的利用率显然具有重要的意义。

　　一般来说，输入检测元件和输出执行元件的故障主要有两种表现形式，即瞬时性故障和性故障。前者主要由输入输出的触点抖动或其它瞬时干扰所引起的。对此可采用硬件去抖动和抗干扰线路、软件延时、重读等措施进行处理。由于PLC内部本身已经具备了高抗干扰性能，且工作时对输入、输出始终处于循环扫描状态，因此一般瞬时性故障是可以避免的，性故障则分为固定于1(s—a一1)和固定于0(s—a一0)两种。这种故障表现出来的不正常现象是：在正常的激励信号作用下，该接通的没有接通，该断开的没有断开，这些故障与系统工作状态和信号流密切相关。因此必须从故障的影响范围抽象出故障的特征，从而得到故障模型。

　　在机电一体化系统中，输出执行元件和输入检测元件一个比较典型的关系是：执行元件YA控制一运动部件在A、B之间运动，为了检测运动部件的位置，在A、B两处分别装上检测开关SQ.和SQB。当YA通电时.运动部件从A向B运输，到B后停止;当YA失电后，运动部件从B返回到A而停止。

由上述分析可知，上述故障模型的特点是：基本上代表了所有机电一体化系统中开关量输入和开关量输出的故障状态。这种模型和它的分解可以将故障定位到某一元件的某一故障形式，这种模型很容易从梯形图人手编制故障检测控制程序。实现故障的检测。

　　3.故障诊断

　　故障诊断的实现，首先是故障检测。对于式(4)所示的故障模型。采用PLC进行故障检测是很容易的，而且不受其编程语言的任何限制。

　　当故障检测出来后，则应以可见性方式告知操作者，即故障的显示问题。故障显示根据系统的不同结构，可分为两种不同的方式。对于PLC作为主控装置的系统，故障显示的方法常常是将系统可能发生的故障按顺序编号。当系统发生故障后，PLC对发生的故障按编号进行译码，把结果送数码显示管进行显示。操作者根据显示数字查表即可知道故障发生点。

　　当PLC作为主控计算机的下一级控制装置时，主控计算机用串行或并行方式与PLC进行通讯，获取PLC的有关信息。系统发生任何一个或多个故障后，PLC发出一个中断请求信号请求主机中断，主控计算机中断后，从PLC中将有关故障信号读出，并根据其状态判断故障发生点，然后将故障发生的部位、原因、维护方法法显示在CRT上，给操作者提供维修信息，达到减小维修时间，提高系统利用率的目的。

　　考虑到目前机电一体化系统的用户程序大都以CCDOS作为环境的实际情况，同时又考虑到故障诊断的实时性、快速性、实用性和通用性，故障的显示可采用直接写屏的汉字处理方式，其方法是：

　　1.在uCDOs环境下建立故障信息源文件，它包括故障号、故障部位、故障原因和维修方法等。

　　2.根据源文件自动生成专用汉字库，专用汉字库只包括故障显示所需的各种汉字。

　　3.根据专用汉字库自动生产显示指针表，指针表指出各不同故障所显示的内容在专用汉字库中的位置。

　　4.如有故障，读状态区，判别故障点，显示相应的汉化故障信息供操作者使用。

　　4.结束语

　　对PLC控制的机电一体化系统进行故障诊断。其诊断决策是面向输入检测元件和输出执行元件，重点诊断这些部件可能发生的性故障。其方法是根据故障极力建立故障模型，再用PLC的程序实现故障检测，将检测到的故障信息用可见性方法告知操作者。这种故障诊断方法对于无论是PLC作为主控装置还是仅将PLC作为输入输出控制部件的机电一体化系统.都是十分有用而有效的一种故障诊断方法

2.2 诊断接近开关故障实例

某立式加工中心自动换刀故障。

故障现象：换刀臂平移到位时，无拔刀动作。

ATC动作的起始状态是：（1）主轴保持要交换的旧刀具。（2）换刀臂在B位置。（3）换刀臂在上部位置。（4）刀库已将要交换的新刀具定位。

自动换刀的顺序为：换刀臂左移（B→A）→换刀臂下降（从刀库拔刀）→换刀臂右移（A→B）→换刀臂上升→换刀臂右移（B→C，抓住主轴中刀具）→主轴液压缸下降（松刀）→换刀臂下降（从主轴拔刀）→换刀臂旋转180°（两刀具交换位置）→换刀臂上升（装刀）→主轴液压缸上升（抓刀）→换刀臂左移（C→B）→刀库转动（找出旧刀具位置）→换刀臂左移（B→A，返回旧刀具给刀库）→换刀臂右移（A→B）→刀库转动（找下把刀具）。换刀臂平移至C位置时，无拔刀动作，分析原因，有几种可能：

（1）SQ2无信号，使松刀电磁阀YV2未激磁，主轴仍处抓刀状态，换刀臂不能下移。

（2）松刀接近开关SQ4无信号，则换刀臂升降电磁阀YV1状态不变，换刀臂不下降。

（3）电磁阀有故障，给予信号也不能动作。

逐步检查，发现SQ4未发信号，进一步对SQ4检查，发现感应间隙过大，导致接近开关无信号输出，产生动作障碍。

2.3 诊断压力开关故障实例

2.4 诊断中间继电器故障实例

某数控机床出现防护门关不上，自动加工不能进行的故障，而且无故障显示。该防护门是由气缸来完成开关的，关闭防护门是由PLC输出Q2.0控制电磁阀YV2.0来实现。检查Q2.0的状态，其状态为“1”，但电磁阀YV2.0却没有得电，由于PLC输出Q2.0是通过中间继电器KA2.0来控制电磁阀YV2.0的，检查发现，中间继电器损坏引起故障，更换继电器，故障被排除。

另外一种简单实用的方法，就是将数控机床的输入/输出状态列表，通过比较通常状态和故障状态，就能迅速诊断出故障的部位。

2.5 根据梯形图逻辑诊断DI点故障实例

配备SINUMERIK 810数控系统的加工中心，出现分度工作台不分度的故障且无故障报警。根据工作原理，分度时首先将分度的齿条与齿轮啮合，这个动作是靠液压装置来完成的，由PLC输出Q1.4控制电磁阀YVl4来执行，

通过数控系统的DIAGNOSIS能中的“STATUS PLC”软键，实时查看Q1.4的状态，发现其状态为“0”，由PLC梯形图查看F123.0也为“0”，按梯形图逐个检查，发现F105.2为“0”导致F123.0也为“0”，根据梯形图，查看STATUS PLC中的输入信号，发现I10.2为“0”，从而导致F105.2为“0”。I9.3、I9.4、I10.2和I10.3为四个接近开关的检测信号，以检测齿条和齿轮是否啮合。分度时，这四个接近开关都应有信号，即I9.3、I9.4、I10.2和I10.3应闭合，现I10.2未闭合，处理方法：（1）检查机械传动部分。（2）检查接近开关是否损坏。

2.6 根据梯形图逻辑诊断DO点故障实例

配备SINUMERIK 810数控系统的双工位、双主轴数控机床。

故障现象：机床在AUTOMATIC方式下运行，工件在一工位加工完，一工位主轴还没有退到位且旋转工作台正要旋转时，二工位主轴停转，自动循环中断，并出现报警且报警内容表示二工位主轴速度不正常。

两个主轴分别由B1、B2两个传感器来检测转速，通过对主轴传动系统的检查，没发现问题。用机外编程器观察梯形图的状态。

F112.0为二工位主轴起动标志位，F111.7为二工位主轴起动条件，Q32.0为二工位主轴起动输出，I21.1为二工位主轴刀具卡紧检测输入，F115.1为二工位刀具卡紧标志位。

在编程器上观察梯形图的状态，出现故障时，F112.0和Q32.0状态都为“0”，因此主轴停转，而F112.0为“0”是由于Bl、B2检测主轴速度不正常所致。动态观察Q32.0的变化，发现故障没有出现时，F112.0和F111.7都闭合，而当出现故障时，F111.7瞬间断开，之后又马上闭合，Q32.0随F111.7瞬间断开其状态变为“0”，在Flll.7闭合的同时，F112.0的状态也变成了“0”，这样Q32.0的状态保持为“0”，主轴停转。Bl、B2由于Q32.0随F111.7瞬间断开测得速度不正常而使F112.0状态变为“0”。主轴起动的条件F111.7受多方面因素的制约，从梯形图上观察，发现F111.6的瞬间变“0”引起Flll.7的变化，向下检查梯形图PB8.3，发现刀具卡紧标志F115.1瞬间变“0”，促使Flll.6发生变化，继续跟踪梯形图PB13.7，观察发现，在出故障时，I21.1瞬间断开，使F115.1瞬间变“0”，后使主轴停转。I21.1是刀具液压卡紧压力检测开关信号，它的断开指示刀具卡紧力不够。由此诊断故障的根本原因是刀具液压卡紧力波动，调整液压使之正常，故障排除。

3 结束语

通过典型实例与故障现象对数控系统、立式加工中心自动换刀故障、配备FANUC 0T系统的某数控车床、配备SINUMERIK 810数控系统的双工位、双主轴数控机床等运行中存在的问题加以分析，并作出相应的故障排除方法。

配备FANUC 0T系统的某数控车床。

故障现象：当脚踏尾座开关使套筒顶紧工件时，系统产生报紧。

在系统诊断状态下，调出PLC输入信号，发现脚踏向前开关输入X04.2为“1”，尾座套筒转换开关输入X17.3为“l”，润滑油供给正常使液位开关输入X17.6为“1̶1;。调出PLC输出信号，当脚踏向前开关时，输出Y49.0为“1”，同时，电磁阀YV4.1也得电，这说明系统PLC输入/输出状态均正常，分析尾座套筒液压系统。

当电磁阀YV4.1通电后，液压油经溢流阀、流量控制阀和单向阀进入尾座套筒液压缸，使其向前顶紧工件。松开脚踏开关后，电磁换向阀处于中间位置，油路停止供油，由于单向阀的作用，尾座套筒向前时的油压得到保持，该油压使压力继电器常开触点接通，在系统PLC输入信号中X00.2为“l”。但检查系统PLC输入信号X00.2则为“0”，说明压力继电器有问题，其触点开关损坏。

故障原因：因压力继电器SP4.1触点开关损坏，油压信号无法接通，从而造成PLC输入信号为“0”，故系统认为尾座套筒未顶紧而产生报警。

解决方法：更换新的压力继电器，调整触点压力，使其在向前脚踏开关动作后接通并保持到压力取消，故障排除。