楊曾芳　呂希勝

摘 要:數(shù)控機床的故障診斷不及時不準確,會給制造企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失,因此,數(shù)控機床的故障診斷與維護一直是制造業(yè)研究的熱點之一。本文在分析數(shù)控機床特點的基礎(chǔ)上,運用故障樹分析法建立數(shù)控機床主要部位的故障樹模型,依據(jù)此模型開發(fā)了一套基于故障樹的故障診斷系統(tǒng),該系統(tǒng)具有診斷速度快、診斷結(jié)果準確率高的特點,有效實現(xiàn)了數(shù)控機床故障的智能分析診斷。

關(guān)鍵詞:故障樹數(shù)控機床故障診斷

中圖分類號:TP315 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)06(c)-0068-02

1 引言

隨著工廠自動化程度的提高,數(shù)控機床已經(jīng)成生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備,如果出現(xiàn)故障但維修不及時,往往會波及到整個生產(chǎn)過程,長時間停機將會造成巨大的經(jīng)濟損失[1]。然而不管生產(chǎn)設(shè)備的可靠性有多高,其發(fā)生故障是不可避免的,因此提前進行診斷以及在發(fā)生故障后能及時進行維修,對于企業(yè)來說是非常有意義的。

數(shù)控機床是由主機、數(shù)控裝置、驅(qū)動裝置、輔助裝置等多個子系統(tǒng)構(gòu)成的復雜機電系統(tǒng),其故障產(chǎn)生的原因往往比較復雜[2]。由于數(shù)據(jù)機床的故障既有機械故障,又有電氣故障,還有液壓故障,故障種類多,故障級別也不同,因此,有必要采用故障樹分析法對數(shù)控機床故障進行分析,按層級建立故障樹,并以此作為專家系統(tǒng)的知識獲取,能有效建立基于規(guī)則的故障診斷系統(tǒng)。

2 故障樹的建立和分析

2.1 故障樹分析法

故障樹分析法采用邏輯方法,形象的進行故障分析,具有簡單明了、思路清晰、邏輯性強等特點?？勺龆ㄐ苑治觥⒍糠治?。體現(xiàn)了系統(tǒng)工程方法研究安全問題的系統(tǒng)性、準確性和預測性,是安全系統(tǒng)工程主要的分析方法。將系統(tǒng)級的故障現(xiàn)象(頂事件)與最基本的故障原因(底事件)之間的內(nèi)在關(guān)系表示成樹形的網(wǎng)絡(luò)圖,逐層之間由數(shù)字邏輯關(guān)系構(gòu)成。它通常把系統(tǒng)的故障狀態(tài)稱為頂事件,通過樹狀結(jié)構(gòu)搜索,然后找出系統(tǒng)故障和導致系統(tǒng)故障的諸多原因之間的邏輯關(guān)系。并將這些邏輯關(guān)系用邏輯符號表示出來,由上而下逐層分解,直到不能分解為止,推導出各故障和各單元故障之間的邏輯關(guān)系,利用這些邏輯關(guān)系最終找出對應的底層故障原因[3]。以下是故障樹的建立步驟。

1)頂事件的確定。對于數(shù)控機床來說就是表現(xiàn)出來的故障現(xiàn)象。

2)分析頂事件,即對故障現(xiàn)象進行分析。通過對數(shù)控機床的故障現(xiàn)象進行分析,尋找引起故障現(xiàn)象發(fā)生的直接的和必要的原因。將故障現(xiàn)象作為輸出事件,將所有直接原因作為輸入事件,并根據(jù)這些事件的邏輯關(guān)系用適當?shù)倪壿嬮T表示。

3)分析每一個與頂事件(故障現(xiàn)象)直接相聯(lián)系的輸入事件。如果該事件還能進一步分解,則將其作為下一級的輸出事件,如同步驟2)中對頂事件那樣進行處理。

4)使用逆向思維。已知輸出事件,利用邏輯關(guān)系找出有問題的輸入事件,一棵倒置的故障樹就這樣形成了。

2.2 故障樹的建立

數(shù)控機床是由PLC電氣控制、伺服、機械傳動、液壓靜壓、冷卻、排屑、刀具等綜合在一起的機電設(shè)備,其中包括床身機械、齒條齒輪絲杠傳動、潤滑靜壓冷卻、電氣控制、伺服模塊、伺服電機及制動、測量系統(tǒng)、計算機控制及其他[4]。把系統(tǒng)功能進行層次分解,通過表示數(shù)控系統(tǒng)中各個子模塊之間關(guān)系的方法,將系統(tǒng)的功能用它的下級子系統(tǒng)的功能來表示,而其子模塊的功能又用它本身的各功能模塊的功能表示。系統(tǒng)功能的這種層次分解,也就是系統(tǒng)故障分析過程中的模擬,功能分解的結(jié)果就是一棵故障樹。這個故障樹共有四層:第0層頂事件,即系統(tǒng)故障;第1層中間事件是可能引起系統(tǒng)故障的各個子系統(tǒng)故障;第2層中間事件為可能引起子系統(tǒng)故障的各個功能模塊故障;而第3層即底事件,是引起系統(tǒng)故障的最終不可分割的功能子模塊故障。圖1所示為數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)故障樹(部分)。

3 數(shù)控機床故障診斷專家?guī)?/p>

數(shù)控機床的專家知識庫是依據(jù)數(shù)控機床的故障樹建立的,專家系統(tǒng)是將人類專家的知識、經(jīng)驗輸入到計算機中,使計算機能夠“思考”和“推理”,從而解決問題的人工智能方法[5]。一個專家系統(tǒng)由知識獲取系統(tǒng)、知識庫、推理機、解釋器、輸入輸出系統(tǒng)組成。

故障樹和專家系統(tǒng)知識庫的聯(lián)系在于:故障樹的頂事件對用于專家系統(tǒng)要分析解決的任務(wù),故障樹的每個最小割集就是該系統(tǒng)的故障原因,對應于專家系統(tǒng)要推理的最終結(jié)果,故障樹由上到下的邏輯關(guān)系對用于專家系統(tǒng)的推理過程,故障樹的樹枝對應于專家系統(tǒng)中知識庫中的規(guī)則,其樹枝數(shù)對應于規(guī)則的規(guī)則數(shù),知識庫的獲取來源于故障樹。

專家系統(tǒng)用知識進行推理和判斷,一般采用產(chǎn)生式規(guī)則模型,其基本形式為:IF(條件)THEN(操作或結(jié)論),知識庫的建立過程也就是將故障樹中的知識轉(zhuǎn)化為專家系統(tǒng)中規(guī)則的過程。

3.1 知識獲取系統(tǒng)

知識的獲取是專家系統(tǒng)的基礎(chǔ),對于故障診斷系統(tǒng)來說,發(fā)現(xiàn)故障并通過一定的手段進行解決,這就是知識,這些知識來源于操作人員、技術(shù)人員,再經(jīng)過專家的提煉抽取,最終形成計算機系統(tǒng)能處理的知識。

知識獲取是一個迭代的過程,通過多次迭代,實現(xiàn)知識庫的建立,真正能夠滿足數(shù)控機床的故障診斷。

3.2 知識庫設(shè)計

專家系統(tǒng)的工作過程是獲得知識并加以應用的過程。處理知識的首要問題就是如何表示知識的問題。對于真正的專家來說,知識就是經(jīng)驗,是無形的,但是要形成計算機專業(yè)家系統(tǒng),就必須用規(guī)范的語言將知識描述出來,這就需要對知識進行編碼,也就是知識的符號化過程。需要把知識編碼成為一種合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),可以在計算機系統(tǒng)中存儲并處理。數(shù)控機床故障診斷專家系統(tǒng)知識庫,主要采用框架表示法,知識庫中的每條知識又是采用規(guī)則來表示。

(1)規(guī)則表示法。規(guī)則表示法將指定原因信息與某些故障相關(guān)聯(lián)．對新信息或需要執(zhí)行的故障過程做出斷言。規(guī)則表示的知識中,一般都引入閾值和權(quán)值。其中閾值用來表示應該肯定還是否定的限度,權(quán)值表示同一規(guī)則中不同條件的重要程度,如果條件的置信度大于閥值,則該條件表示一條肯定事實,否則該條件表示一條否定事實。而“權(quán)值”是反映其功能關(guān)鍵程度、故障概率和檢測代價的參數(shù),權(quán)值越大說明該條件越重要,在推理過程中更應作為優(yōu)先考慮的對象。

(2)框架表示法。針對本文用故障樹來分析數(shù)控機床故障,雖然其內(nèi)容不同,但都可分成頂事件、中間事件和底事件,都有故障樹節(jié)點,存在一些共同屬性。因此我們可以把這些共同屬性分離出來,建成一個上層框架,再把各類事件獨有的屬性分別構(gòu)成下層框架,并可在下層框架間隔設(shè)立一個專用的中間層,反映上、下層之間的關(guān)系,指出其上層框架,以建立上下框架間聯(lián)系,下層框架還可以繼承其上層的屬性和值,既減少知識冗余和保持知識一致性,又節(jié)約了時間和空間。

3.3 推理機設(shè)計

推理就是對數(shù)據(jù)機床故障進行識別,其過程就是將數(shù)據(jù)庫中的事實與知識庫中的規(guī)則進行匹配的過程。推理機是故障診斷專家系統(tǒng)的核心。該系統(tǒng)就是根據(jù)操作人員所感知到的故障現(xiàn)象,并將特征輸入到系統(tǒng)中,利用知識庫中的知識,并按照一定的推理策略逐步求解問題。故障診斷專家系統(tǒng)知識庫的設(shè)計中,將故障樹知識轉(zhuǎn)化成基于規(guī)則的專家系統(tǒng)知識。本系統(tǒng)采用基于規(guī)則的推理,采用正向推理為主、反向推理相結(jié)合的混合推理模式。其推理流程為:先初始化系統(tǒng),根據(jù)編號初步確定故障樹中各節(jié)點事件的優(yōu)先級;然后根據(jù)系統(tǒng)中提供的故障模式,系統(tǒng)從規(guī)則庫中選擇規(guī)則對兩者進行模式匹配,匹配成功則進行故障樹下一節(jié)點的故障診斷,直到進行到底事件也就是葉節(jié)點;最后給出診斷結(jié)果。

3.4 解釋器設(shè)計

解釋器是對推理結(jié)果的解釋,通常推理結(jié)果只是簡單的描述,對于用戶來說,還需要將結(jié)果轉(zhuǎn)換成可以理解的語言。

3.5 輸入輸出系統(tǒng)

輸入輸出系統(tǒng)是數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)與用戶間交互的平臺,通過這個平臺,操作人員可以進行故障知識的積累,也可以進行故障的診斷操作(如圖1)。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)基于.Net平臺,應用WPF技術(shù)進行開發(fā),充分利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲。在關(guān)系數(shù)據(jù)方面,該系統(tǒng)采用SQLServer數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)知識庫數(shù)據(jù)以及推理規(guī)則的存儲,保證了數(shù)據(jù)的安全性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

由于該系統(tǒng)采用.net平臺開發(fā),使用模塊化的組織方式,整個系統(tǒng)具有良好的交互性、可用性和可擴展性,有利于系統(tǒng)的維護和升級。

應用故障樹技術(shù)進行數(shù)控機床的故障診斷,極大地提高的故障診斷效率,故障診斷系統(tǒng)主界面如圖3所示。

5 結(jié)語

本文在深入分析了數(shù)控機床典型故障后,結(jié)合當前先進的故障診斷技術(shù),將故障樹分析法和專家系統(tǒng)應用于數(shù)控機床的故障診斷。用層次分析法構(gòu)建了數(shù)控機床的故障診斷模型,建立了專家系統(tǒng)的知識庫和推理機,應用WPF技術(shù)完成了數(shù)據(jù)機床故障診斷專家系統(tǒng)的開發(fā)。此系統(tǒng)方便用戶對故障進行快速的診斷判別和維修。

參考文獻

[1] 姜秀華.制造系統(tǒng)數(shù)控機床故障處理技術(shù)研究[J].制造業(yè)自動化,2011,33(12):30-32.

[2] 葉伯生,黃增雙,李斌.故障樹分析法在數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)中的應用[J].機械設(shè)計與制造,2006,(8):135-138.

[3] 孫永盛,朱保國,韓軍.基于故障樹的康明斯發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2011,24(5):21-23.

[4] 賈育秦,張志剛,翟大鵬.基于故障樹的數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)研究[J].太原科技大學學報,2009,30(5):401-404.

[5] 黎奇志,胡國平.基于故障樹和模糊推理的故障診斷研究[J].微計算機信息,2011,27(8):186-188.