制造系統數控機床故障處理技術研究

姜秀華

（重慶工業職業技術學院，重慶 401120）

0 引言

由于飛速發展的電子技術、數控技術，這使得中國的制造業正在蓬勃發展，數控機床技術已經在廣大企業中應用越來越多，而且越來越多的機械加工企業的數控機床設備擁有數量很多，數控車間也初具規模[1]。所以，信息技術在這樣的數控車間隨處可見，比如控設備、數控系統、計算機編程、加工程序傳輸、甚至刀具都體現出了信息化的特點，所以如何有效提高數控機床的利用率，進行先進的管理手段和管理模式顯得較為重要。另一方面，由于相應的數控加工的生產管理和相關輔助系統的技術準備還不完善，這使得為滿足生產的快速反應要求，應該對于車間的數控設備信息管理化程度不斷提高，從而有效提高數控機床的利用率和生產能力[2,3]。所以，對于初具規模的數控車間來說，有效提高數控車間信息集成與整合能力顯得尤為重要。

1 數控機床故障信息管理工作分析

1.1 數控機床故障信息管理的意義

數控機床故障信息管理的基本思想是及時反映設備使用狀態，記錄設備使用歷史記錄，即包括故障診斷也包括故障調度，面基本信息的管理是處理生產過程中故障及調度的基礎。在車間的設備、人員、加工零件的品種、工序的種類不太多或不太復雜的情況下，調度人員只要親臨現場，就可以憑經驗將生產任務合理地安排下去。在車間的設備、人員多，特別是具有相同加工能力的設備和人員較多，加工的零件及其工序數目繁多的情況下，進行合理地調度就變成了一個復雜而重要的問題了[4]。

數控機床信息管理系統對車間設備有明顯的促進作用，以下三個方面正很好說明了這個問題：1）維修業務的無紙化辦公，同時也規范了故障信息的處理搓成，奠定相關信息化基礎；2）通過相關的及時反饋故障信息，使得領導能有效及時了解設備出現的問題及使用情況；3）領導可以通過信息化手段，在任意時間段內的設備使用維修情況進行分析，能更為合理的安排設別使用，及時調整生產運行狀態。

1.2 數控機床故障信息管理的特點探討

我國制造企業中的數控機床的作用日益突出，所以影響業產品質量與生產進度的關鍵往往就是數控機床的工作狀態，另外對于一些企業存在的設備管理，這里可以做如下的探討：1）設備技術檔案和臺帳管理存在問題，對于以紙張手寫為主的情況來說，往往不便于綜合查詢與隨機檢索；2）設備基礎信息、故障記錄、維修記錄、備件使用情況等等相關的設備管理工作基本信息，保存較為隨意，格式不同意，這樣也造成了信息查詢的困難；3) 各維修部門之間交流存在一定問題，由于比較分散造成了交流不及時，信息溝通不及時；4）對于設備備件、配件管理工作量大，人工管理存在一定缺陷；5）手工完成的設備的使用狀況的調查，往往表現出信息反饋不及時的特點。

針對上述存在的問題，很有必要對于企業的數控機床信息化管理進行有效探討，探討了有效管理的軟件系統，這樣能夠規范化的進行設備管理工作。

2 建立故障診斷知識庫分析

2.1 知識獲取

知識獲取的途徑取決于問題域，獲取知識過程即要分析機床的結構和功能，還要進行專家交流工作。

這里采用面向對象的方法描述領域知識，主要是利用便于領域知識的收集、整理以及轉換成產生式規則的特點，其中，可以把每條專家經驗視為一個知識對象，這樣就能夠利用對象標識區分知識對象。由屬性集、方法集組成的知識對象，可以用這樣的方式進行區別。其中，1）存放知識對象屬性的是屬性集，往往是由故障現象、故障原因和解決措施三部分組成；2）用來存放操作知識屬性的方法的是方法集，這樣就可以屬性集轉換成規則集，建立知識屬性到產生式規則之間的映射關系；3）用來存放領域知識屬性轉換成的產生式規則就是規則集。本系統中規則集存儲結論規則。

2.2 知識庫

對于知識庫來講，一般具有知識存儲、檢索、編排、增刪、修改和擴充等功能，往往其中大量的知識、經驗和規則被存儲其中，可以在系統推理判斷的時候進行調用，另外，知識庫的可用性、確定性、完善性往往影響一個故障診斷系統性能高低。這里采用融合實例(Case)與規則(Rule)的推理方法進行數控機床故障診斷系統設計，把知識庫分成兩部分：實例庫和規則庫，是為了更好知識庫進行管理和維護。這里面，以前曾成功解決過的問題或案例在實例庫中。故障根據機床故障發生的部位可以分類如下：

2.2.1 數控裝置部分的故障

數控裝置部分的故障又可以分為軟件故障和硬件故障。

對于軟件故障來說，加工程序編制出現錯誤造成的機床故障常見，另外由于機床數據設置不當也容易引起故障，這些都稱為軟件故障。這類故障一般都在故障原因找到并修改后得以解決。

對于硬件故障來說，系統硬件出現問題造成機床故障，就必須更換損壞的器件或者維修后才能排除故障。

2.2.2 PLC部分的故障

軟件和硬件故障兩種也存在于PLC部分的故障。

對于軟件故障來說，PLC用戶程序編制有問題，致使數控機床在一定條件下發生故障。這往往和用戶的PLC編程問題相關，有時間常會出現無報警的機床側故障，這樣就決定了盡可能完善的進行PLC用戶程序善。

對于硬件故障來說，PLC輸入輸出模塊出現問題則往往屬于硬件問題，有時可以利用改PLC程序，使用備用接口替代出現故障的接口，這樣就得以問題解決。

例如一臺采用德國SIEMENS810系統的數控磨床，自動加工不能連續進行，磨削完一個工件后，主軸砂輪不退回修整，自動循環中止。分析機床的工作原理，機床的工作狀態是通過機床操作面板上的鈕子開關設定的，鈕子開關接入PLC的輸入E7.0，利用數控系統的PLC狀態顯示功能，檢查其狀態，但不管怎樣撥動鈕子開關，其狀態一直為“0”，不發生變化，而檢查開關沒有發現問題，將該開關的連接線連接到PLC的備用輸入接口E3.0上，這時觀察這個狀態的變化，正常跟隨鈕子開關的變化，沒有問題，由此證明PLC的輸入接口E7.0損壞，因為手頭沒有備件，將鈕子開關接到PLC的E3.0的輸入接口上，然后通過編程器將PLC程序中的所有E7.0都改成E3.0，這時機床恢復了正常使用。

2.2.3 伺服系統故障

伺服系統的故障一般都是由于伺服控制單元、伺服電動機、測速裝置、編碼器等出現問題引起的。

例如：一臺數控車床使用FANUC OiTC系統，系統出現417報警，報警信息為“SERVOALARM：2-TH AXIS PARAMETER INCORRECT"，檢查伺服系統參數設置發現，參數N0：2023被人修改成為負值。(該參數為電機一轉的速度反饋脈沖數)。修改此參數，系統報警解除。

2.2.4 機床主體部分的故障

這類故障大多數是由于外部原因造成的，機械裝置不到位、液壓系統出現問題、檢查開關損壞、驅動裝置出現問題。機床主軸、導軌、絲杠、軸承、刀庫等由于種種原因，會出現喪失精度、爬行、過載等問題。這些問題往往會造成數控系統的報警。因此，數控系統的故障判斷是一個綜合問題。所以，每種類型的故障都是一張表，該類的所有故障診斷實例都在每張表記錄。一條記錄就是每個診斷實例，診斷實例所需要的參數為一個字段。

對采集到的故障信息進行加工中心故障模式與部位的分類。故障模式即故障的表現形式。對于數控機床來講，其組成的基礎是零部件、元器件，所以數控機床的故障多數是由零部件、元器件故障引起的。因此，在描述臥式加工中心的故障模式時，應盡量以其零部件、元器件的故障模式來表示。只有在難以用零部件、元器件的故障模式進行描述時，才能用子系統的故障模式進行描述。

初步判定故障發生的部位是通過故障發生的現象。在整個系統中，可以通過計算時候的相關的故障概率(置信度)（這個數據往往是通過維修人員的經驗的估計值）進行選擇判斷，可能發生的故障原因是由置信度高低選擇來決定的，這樣就可以得到相應的處理方法，使得故障發生的原因進一步縮小，從而故障發生的原因和故障模式得以最終確定，找到故障處理方法。

2.3 推理機

推理機按一定的推理策略，利用知識庫中的知識，再具有啟發推理的特點去求解提出的專門問題，一般分為啟發推理、算法推理、正向推理、反向推理和正反向推理、串行推理和并行推理等等功能。

1）推理方向

正向推理的控制方式在此系統被采用，這樣尋找產生故障的原因就可以通過機床出現的故障找到，另外可以進行相關的信息匹配，這主要是利用用戶輸入關鍵詞方法，從而推理到相關的記錄，然后在數據庫中得到故障的原因和處理方法。

2）搜索方法

這里采用有限深度優先搜索方法，通過設定相應的一個給定的深度限制系數，使得不是只要求未被搜索的子節點總是往“深度"搜索，適當的回溯操作可以降低相關搜索的工作量。

3）不確定性

一般不能以確定的方式表示故障現象由觀測獲得，需要給每個規則子句附加一個可信度[0, 1]。

4）解釋器的設計

解釋器負責回答用戶提出的各種問題，與系統推理有關的問題和與推理無關的關于系統自身的問題也包括其中。必要的清晰地解釋針對推理路線和含義可以出給，同時這樣就為用戶提供了相關的推理過程以及系統維護的手段，可以視為系統透明性的主要模塊。另外，對于推理過程中來說，可以把每一步推理所依據的規則，還有加上變元的轉換情況記錄下來，一起存入動態數據庫，這樣的“鏈條”信息不斷增加，當外界要求解釋，解釋器將這鏈條適當組織，將推理過程顯示給用戶。

3 結束語

通過分析數控機床故障信息管理工作的意義和特點，指出目前企業的故障信息管理技術還有很多不足之處，為了加強信息網絡化及資源共享，

企業迫切需要完善故障信息的管理。基于這種需求，文章提出針對故障信息管理系統開發的關鍵技術，以幫助企業更有效的進行數控機床故障信息管理。故障知識庫是故障信息管理的核心，建立故障知識庫包括知識獲取、規則生成和故障診斷推理。

[1] 楊龍興, 賈民平, 許飛云. 基于規則控件的數控機床故障診斷專家系統[J]. 機床與液壓, 2001, (6).

[2] 夏衛鋒. 潤滑系統引起的數控機床故障的排除方法[J].機床與液壓, 2010, 38(24).

[3] 史晉芳. 基于專家系統的數控機床故障診斷技術研究[J]. 機械設計與制造, 2006, (7).

[4] 王侃夫, 劉溪涓, 于忠海, 等. 基于實例推理的數控機床故障診斷系統研究[J]. 機械設計與制造, 2008, (10).