數控系統可靠性設計要點分析

徐曉萍

（江蘇廣播電視大學江都學院，江蘇 江都 225200）

前言

我國要加速經濟發展、提高綜合國力和國家地位，大力發展以數控技術為核心的先進制造技術是重要的主要途徑之一。包括高檔型數控系統在內，可靠性、穩定性排在"影響選擇數控系統因素"首位。為了使產品占據國內國際市場，我國應將產品的可靠性、穩定性作為數控產品研究的工作重點[1]。

1 可靠性設計的目的和任務

可靠性設計的目的是指通過專門設計技術的采用，使產品在壽命周期內達到規定的可靠性要求，同時還要對產品性能、可靠性、費用和時間等因素進行綜合考慮。

實現可靠性設計的目的就是可靠性設計的任務?？煽啃栽O計包括在新產品的研制和開發中按照給定的要求設計和對現有定型產品的薄弱環節加以改進、提高可靠性這兩方面。進行數制系統設計時，設計者應該考慮的問題是如何在成本固定的前提下，提高系統的可靠性。除了系統的調節品質，系統正常工作時的可靠性也是判斷控制方案的優劣的標準。進行數制系統可靠性設計時，包括選擇系統結構和確定相應的系統結構參數在內，都屬于最優系統的選擇問題，也就是使可靠性指標在一定約束條件下達到最優的問題。

2 可靠性設計中應遵循的基本準則

2.1 可靠性指標和可靠性評估方案要明確。

2.2 要滿足基本功能，考慮影響可靠性的各種因素，并貫穿于功能設計的各個環節。

2.3 針對產品在壽命周期內可能出現故障模式進行有針對性的設計。

2.4 采用成熟和可靠的標準零部件、元器件和材料，先進的設計原理和技術進行設計。

2.5 作出最佳設計方案時要權衡產品的性能、可靠性、費用、時間等各因素。

2.6 在滿足技術要求的前提下，應盡量減少零部件、元器件、設備的數量和種類，簡化設計方案。

2.7 當簡化、降額設計及選用高可靠元器件不滿足可靠性要求時，可采用冗余設計。

2.8 進行防誤設計，降低產品在使用和維修過程中引起人為誤差的可能性。

2.9 進行失效安全設計，產品在設備或系統發生故障時能夠依靠自身結構確保安全。

2.10 采用模塊化設計方法進行軟件設計，模塊接口控制要嚴格，盡可能使故障局部化。

3 可靠性設計要點分析

由于在整個數控系統的可靠性設計中，系統的詳細設計和實現階段占有很重要的位置，功能分析和概要設計一切成果的保證和實現都要通過這個階段的分析，規劃和設計來完成[2]。

3.1 抗干擾

在實際的工作現場，數控系統常常受到很多外部環境的干擾，可以采用硬件的方法來處理這些干擾，但會提高設計成本，很難獲得較好的解決方法。系統主要特點就是軟硬件非常緊密地設計在一起，軟件抗干擾設計在實際系統的抗干擾設計中是非常重要的，大量實踐證明，它不僅可以節約設計成本，而且獲得的系統抗干擾效果也很好。

3.2 檢錯及糾錯編碼

在數控系統中，信息的傳輸及存儲都有可能發生錯誤，尤其是在信息的傳輸過程中很容易受各種干擾的影響，使產生錯誤的信息。為了減少或消除信息存儲或傳輸過程中的錯誤，一般可以使用檢錯或糾錯的編碼方法，例如奇偶校驗法、累加和校驗、海明碼校驗以及循環冗余校驗碼等都是比較常用的方法。

3.3 容錯技術

作為可靠性保障機制，容錯的目的是使系統能夠在出現錯誤時繼續提供標準或降級服務。容錯的基礎包括硬件冗余、軟件冗余和時間冗余。硬件冗余指對硬件模塊進行物理備份；軟件冗余指系統中部分模塊出錯時，其功能由其它功能相同的軟件模塊實現；時間冗余指系統為錯誤處理和恢復操作使用預留空閑時間。隨著硬件可靠性的增長和硬件容錯技術的成熟，以及軟件應用的飛速膨脹，影響系統可靠性的最主要的因素就是軟件錯誤。

3.4 時間準則

在工作過程中，有許多外設需要花費一定的時間，系統與外設兩者的通訊比較多地采用查詢等待的方式，當外設出現了永久性的硬件故障，意味著外設永遠忙，那么工作結束的有效電平永遠也不會出現，這樣查詢程序就陷入死循環，不會有任何提示給操作者或使用者，操作者對現在計算機處于什么狀態就不清楚，就算能感覺到有問題存在，但并不清楚問題具體在哪，一般在軟件上采取一定措施該問題就很容易解決。

3.5 容錯算法

在進行系統設計時，算法的容錯性從一開始的算法設計上就應考慮使用。比較常用的算法容錯設計方法有：

3.5.1 數值運算的容錯。在設計算法時必須考慮整數運算通常較浮點運算的精度低，還應對運算的順序選擇得當，減小誤差，以滿足系統設計的要求。

3.5.2 子程序設計。在標準化的子程序中，為了保證子程序及調用的正確性，要注重有關參數的傳遞和出錯處理，防止因子程序出現錯誤或缺陷，而產生很廣泛的影響。

3.5.3 程序回卷。為了消除由于暫時性干擾等原因引起的故障，必須在程序回卷之前，采取相應措施對程序執行是否有錯進行判斷，當判定此次程序執行有誤時才可以實行程序回卷。

4 結語

本文基于數控系統可靠性設計的任務以及設計原則，針對數控系統的詳細設計階段和實現階段可靠性設計要點進行了分析，使其在實際數控系統設計中得到更好的應用。

[1]吳義榮，何超龍.我國數控技術的現狀及發展趨勢[J].現代制造，2004，31（08）：75-76.

[2]王濤.數控系統的可靠性設計理論和方法研究[D].天津大學博士學位論文，2008.

[3]邊述華.提高數控系統可靠性的探討[J].中國科技信息，2006，26（10）：103-104.

[4]王志良.提高數控系統可靠性的一些措施[J].機械制造，2009，29（09）：111-112.