數控機床常見故障診斷專家系統的開發與設計研究

　　本文研究數控機床常見故障診斷專家系統的開發與設計思路。運用故障樹分析法FTA(Fault Tree Analysis)建立數控機床主要故障部位的故障樹，通過Access建立故障數據庫，并采用Visual Basic 6.0來開發設計數控機床故障診斷系統，可為機床故障診斷與維修提供幫助。

　　數控機床故障診斷的必要性

　　數控機床故障，就是數控機床全部或者部分喪失了規定的功能。由于數控系統種類繁多、功能增強、形式多樣，同時涉及電子、機械、液壓、氣動和光學多個方面，給維修和診斷帶來了許多困難。一旦發生故障，專業技術人員很難在短時間內判斷出故障原因，更難以排除和維修，給加工生產帶來很多不便。如何在較短的時間里對數控機床所發生的故障做出準確判斷，查明故障部位，找出故障原因和排除方法，是數控機床故障診斷研究的重點〔1〕。

　　系統作故障檢測和診斷的最終目的是使系統能長期可靠工作。由于新技術廣泛使用，系統規模越來越大，人們對可靠性問題的重視也與日俱增。可以這么認為：沒有故障診斷，就沒有可靠性，就沒有自動化〔2〕。

　　數控機床故障診斷方法

　　數控機床廣泛應用以來，故障診斷與排除方法一直受到關注，也探索出許多故障診斷方法。國內外已將一些新的概念和方法引入到診斷領域。1990年Majstorvic對診斷與維修專家系統進行了總結、評論，剖析并列舉了典型的維修專家系統和它們的應用范圍。Tor Guimaraes在分析了機床專家系統需求、實例后，提出了設計建立機床專家系統的成功因素，這些研究使故障診斷技術突破傳統的故障診斷方法，以知識和經驗為基礎的智能檢測和診斷技術已經得到重視和應用，一種能為機床維修、操作人員提供幫助的故障診斷專家系統應運而生。

　利用專家系統和數據庫技術設計數控機床故障診斷系統，可為現場技術維修人員快速完成故障定位并進行故障維修提供幫助。

　　故障樹分析法表達數控機床的故障

　　故障樹分析法FTA

　　故障樹分析法(FTA)是研究引起系統發生故障這一事件的各種直接或間接的原因，在這些原因間建立邏輯關系，并用邏輯框圖表示的一種方法〔1〕。故障樹以圖形化的方式表示一個系統內故障或其它事件之間的交互關系。

　　基于FTA數控機床故障表達實例

　　以某數控機床自動換刀裝置(ATC)的“刀庫與機械手故障”為分析對象，介紹故障樹分析方法在數控機床故障診斷中的應用。

　　本例中的頂事件T為“刀庫與機械手故障”。

　　中間事件：S1-刀套不能夾緊刀具;S2-刀庫不能旋轉;S3-刀具脫落;S4-換刀時掉刀;S5-換刀速度不正常;S6-液壓故障;S7-氣壓故障。底事件X1、X2為導致S1發生的原因事件;X3為導致S2發生的原因事件;X4-X6為導致S3發生的原因事件;X7-X9為導致S4發生的原因事件;X10-X13為導致S5發生的原因事件(圖1)。

　　按照故障發生的部位建立故障數據表，包括數控系統、主軸系統、進給系統、伺服系統、PLC、機械結構等，根據故障發生的現象初步判定故障發生的部位，選擇對應的故障現象，分析該故障現象可能發生的故障原因，得出相應的處理方法，逐步排除，縮小故障發生的原因，最終確定故障發生的原因，找到故障處理方法〔3〕。故障原因表的結構見表1。

　　故障樹分析法與診斷專家系統之間的聯系

　　從診斷專家系統和故障樹的產生和作用來看，二者是有一定的聯系的〔4〕。故障樹是圖形化的用于可靠性分析和故障診斷的系統故障模型，而診斷專家系統的任務是當系統失效時綜合利用各種診斷信息，依據知識庫中的知識，通過推理確定系統的故障模式，找出故障源和故障原因，并給出排除故障的方法和建議。

　　通過運用故障樹分析法對所建的故障樹進行定性分析，將簡化的等效故障樹用于專家系統知識庫的建立，不僅可以解決診斷知識獲取的難題，而且可以簡化知識庫，降低冗余，便于推理機制的實現。

　　通過利用故障樹來形成專家系統的這一方法不僅結構簡單，而且所需投資小，這種形式的專家系統在工廠企業中得到廣泛應用。

　　故障診斷系統及其實現

　　系統需求分析

　　數控機床故障診斷就是鑒別數控機床的技術狀態是否正常，發現并確定故障的部位和性質，尋找故障起因，得出相應的診斷結論并給出維修建議。

　　故障診斷就是將診斷知識，按照一定的推理算法，通過人機接口的形式讓用戶與計算機進行對話，由用戶回答系統提出的問題，系統根據提問和回答的答案進行推理，并最終給出專家級的診斷結論。故障診斷原理示意圖如圖2所示。

　　數據需求分析

　　數控機床故障診斷系統應提供的故障診斷信息盡可能多，且要有一定的類別分類，以利于信息的檢索和查詢。經過權衡和考慮，將故障診斷信息存放在“診斷系統數據庫”中，包含故障原因和故障現象兩個數據表。

　　數控機床故障原因信息：故障現象、檢查步驟、故障原因、排除方法、關鍵字等。

　　故障現象信息：類別編號、故障類別、故障現象等。

　　數據處理是對故障診斷基本信息的添加、修改、刪除和查詢等操作，主要為數控機床故障診斷提供數據支持，同時要保證大量數據的正確存貯與操作。

　　功能需求分析

　　數控機床故障診斷是一項實用性強的工作，應充分考慮機床故障診斷的實用性，解決機床故障診斷的實際問題。功能主要有三方面要求：(1)系統的用戶是普通的機床操作人員，考慮到實際用戶的技術水平，要提供方便、安全的操作方法，以利于故障查詢功能的實現。(2)要充分考慮系統的開放性，在使用過程中，用戶可以對數據庫進行更新，并將用戶實際診斷過程中的診斷信息進行保存。(3)應添加安全保護措施，使其具備基本的用戶管理功能。

　　在系統設計時，充分考慮故障診斷實際需求，將數控機床故障診斷系統功能結構設計如圖3所示。

　　故障診斷系統運行實例

　　在本系統中采取以數據庫為主體的構造模式，通過數據庫操作來完成模糊推理及解釋功能，并在推理過程中使用數據庫技術控制推理方向，提高推理效率。

　　數控機床故障診斷專家系統是一種基于知識的智能型計算機應用程序，系統利用Visual Basic的集成開發環境、內部控件及ActiveX控件、數據庫技術，運用SQL語句實現數據庫的查詢操作。同時使用Visual Basic強大的訪問數據庫功能，將數據控件綁定到不同類型的數據源，完成數據庫應用程序的開發，以實現對數控機床故障診斷的人機對話操作。

　　Access數據庫實例

　　Access是Windows環境下的流行的關系型數據庫系統，它既具備大中型數據庫的基本功能，與SQL Server等大型數據庫管理系統有著天然的聯系;又保持了桌面數據庫的方便易用性，提供了豐富的可視化開發手段，引入了VBA面向對象的編程技術，是當前桌面數據庫系統開發的主流工具。

　　在整理數控機床故障數據庫時，考慮數控機床故障點很多，在診斷系統數據庫中設置兩個數據庫：故障現象庫和故障原因庫，意在按照故障樹理論建立各故障部位的故障表。

　　VB編程系統實例

　　Visual Basic 6.0是一種集語言編輯和綜合開發與一身的強大的集成開發工具。它具有良好的圖形用戶界面，采用可視化和事件驅動的面向對象程序設計機制，易學易用，是使用人數最多的程序設計語言。在Visual Basic應用程序中，可直接建立Access格式的數據庫或訪問Access中的數據，并可以進行數據存儲和檢索。

　　(1)菜單界面。在Windows應用程序窗口中，所有的操作都可以通過菜單來實現。菜單不僅可以提供人機對話界面，方便用戶選擇應用程序的各種操作，而且可以用來管理應用程序，控制各個功能模塊的運行。為了方便使用，利用菜單編輯器創建菜單和菜單欄，將系統界面設計成下拉式菜單。

　　(2)使用TreeView控件建立故障樹。使用樹操作數據庫，可以方便用戶對數據庫的操作。使用樹進行選擇操作與選擇卡相比顯得更加靈活。

　　比如在設計故障發生部位選擇時，將各故障發生部位進行細分，建立根節點、節點、字節點，以提供故障部位的選擇操作，更加便利。使用TreeView控件建立故障樹，單擊節點就可以展開或折疊字節點，更加便于操作人員的選擇操作。

　　(3)使用ListView控件進行數據查詢與顯示。在診斷系統中，為了解決故障現象描述與表達的同一性，也為了加強診斷系統的使用效果，在主菜單“故障查詢管理”中設置了“故障部位查詢”和“故障現象查詢”子菜單。1)故障部位查詢界面。故障部位查詢界面采用兩個ListView來引導用戶進行信息輸入。用戶可以在ListView1顯示的故障發生部位選項中進行選擇，當某個選項被選中，ListView2便顯示該故障部位發生的所有故障現象、故障原因、排除方法等內容。用戶可以移動光標進行查閱，并在三個文本框中顯示相關故障信息。2)故障現象查詢界面。故障現象查詢界面中設計了“關鍵字輸入”形式，由于故障現象表述因人而異，在界面的設計上相對復雜一些。使用ADO、DataGrid、ComboBox等控件來實現故障現象查詢功能。

　　(4)機床故障診斷系統人機交互界面。利用Visual Basic的集成開發環境、內部控件及ActiveX控件、數據庫技術，運用SQL語句實現數據庫的查詢操作。同時使用Visual Basic強大的訪問數據庫功能，將數據控件綁定到不同類型的數據源，完成數據庫應用程序的開發，以實現對數控機床故障診斷的人機對話操作。

　　“故障現象查詢”是從故障現象入手進行故障查詢的操作界面。操作人員只需在“請輸入故障現象”文本框中輸入查詢故障關鍵字，比如“刀具”，即會在顯示區域列出相關的記錄，包括故障現象、故障原因、排除方法及置信度，如圖8所示。如果記錄過多，還可以繼續在“請輸入故障現象”中輸入查詢語句，以縮小查詢范圍，便于數據的顯示與操作。下方的按鈕，可以完成查詢、修改、錄入、刪除等多項功能。在故障現象向導查詢界面中，只需按照提示，完成原因分析查詢，得出故障原因及排除方法(圖4)。

　　圖4 故障現象查詢界面及向導查詢界面

　　總結

　　數控機床故障診斷系統的知識庫內存儲有“領域專家”對故障原因的分析、判斷以及如何消除故障的經驗知識，機床操作者可通過顯示單元，用簡單人機對話的方式選擇故障現象，通過運行推理程序，按照一定的策略進行推理。診斷專家系統以專家知識、經驗為基礎，模仿領域專家解決復雜問題的思維過程，這就使普通維修人員同樣能對故障做出具有專家級水平的診斷結論。

　　利用專家系統和數據庫技術設計數控機床故障診斷系統，可為現場技術維修人員快速完成故障定位并進行故障維修提供幫助，具有較強的實際意義。