數控機床電氣傳動部分故障診斷專家系統的設計與運用

曹丕磊，籍劍鋒

（日照鋼鐵有限公司，山東 日照 276806）

從數控機床的特點進行分析，具有一定的復雜性，主要有液壓系統、機械裝置、軟件程度和電氣控制等方面的內容。在數控機床的傳動系統中，存在有較多的故障，主要是由以下因素引起：①機械自身存在的故障，主要由于損壞、磨損、銹蝕等引起的；②由于長時間的使用電氣元件，使得電氣元件出現老化問題，引起失效問題發生；③插接元件和電氣元件在使用中存在由接觸不良的問題；④對整體的工作環境帶來了溫度、流量等方面的變化；（5）軟件本身的程序遭到了破壞，出現丟失等問題。

1 專家系統的組成

（1）人及界面：利用人機之間的西南西交流完成信息的錄入。

（2）獲得知識部分：在知識數據錄入采集到的信息，并將新、舊知識結合在一起，并建立操作流程的專家系統。

（3）知識庫：主要存儲相關知識，當知識和專家經驗運用到系統中時，系統調用該技術，并確保其具備較為順暢的知識組織建構和檢索維護功能。

（4）推理機：為了保證專家系統能夠正常進行，推理機的大腦是最重要的部分。專家系統用于推理大腦。要有效地解決出現的問題的含義，就需要模擬專家的真實思維方式。

（5）數據庫管理系統：只有建立完整的系統運行體系，清楚地分析事件細節、問題描述、中間環節和最終結果，記錄運行信息，表明數據中的知識已被使用。

（6）解釋機構：能回答用戶提出的問題，對其行為機制和結果做出合理的解釋，其推理追蹤有一組程序文件進行，并為操作人員提供合理的建議或可行的維護計劃。

2 橫梁夾緊機構工作原理

從橫梁夾緊機構進行分析，圖1表示的是其主要的工作原理。在該機構目前的工作過程中，第一點是在操作過程中，需要采用“點動”的方法，使隨后的放松-移動-固定過程自動結束。二是保證橫梁夾緊機構處于自動放松狀態，一旦達到完全放松狀態，電動機會自動停止，之后移動電視機將啟動，確保橫梁在移動狀態下，同時控制是基于行程的。此時，梁將自動附加到柱子上。最后一點，基于上下兩個方向，當橫梁在其中移動時，移動距離會非常有限，在向上的過程中，上梁不能被觸及，在向下的過程中，它不能被它擊中左側和右側的工具架。橫梁運動和夾緊結構都必須處于互鎖位置，在工作過程中不能同時進行；同時，對于主運動和牽引力的測量，還需要保證它們是相互關聯的，在工作過程中不能同時進行。

圖1 橫梁夾緊機構工作原理圖

3 診斷系統設計原理

3.1 系統原理

在目前對特定缺陷的診斷中，可以對整個梁固定結構進行一系列指標測試，以確定是否存在缺陷問題。如果在測試過程中有故障出現，則應對這些模塊采用逐級測試的方法進行測試，然后才能找到錯誤的模塊。一旦發現錯誤的模塊，就會進入模塊內部并進行相應的測試，然后進行診斷，直到找出故障點。系統對這些設備進行指標測試，借用正確的推理機制，根據專家在知識庫中的知識和經驗，根據實際診斷結果診斷實際設備缺陷并解決相關問題，并提供相關的解決方案。如圖2所示。

圖2 專家系統原理

3.2 設計關鍵技術

從故障診斷專家系統在數控機床電氣傳動部分的應用進行分析，目前的推理機制是將基于知識的推理算法定義作為主要依據進行的，也就是說其實際的依據是以生產或規則提供的，同時也是一種最基本的算法應用在人工質量領域中。本系統在實際操作過程中，其應用的最主要的技術就是正向推理技術，將規則的部分原因與當前字段數據的征兆值結合在一起進行匹配，且必須將每一步的推理結果在數據中予以存儲，并對該過程進行重復執行，直到不在出現新的匹配結果。最后，在現場數據中的故障的基礎上，實時確定相關的推理結果。

對事實也就是征兆進行E1，E2，...，En的設定；對結論也就是故障，進行H1,H2，...，Hm的設定。在實際的特性表之中，特 性 值P（Hi，Ej）（l≤i≤m，l≤j≤n,0≤P（Hi，Ej）≤1）表示故障Hi發生時，征兆Ej出現的拼讀。令NC（Hi，Ej，Hk）=P（Hi，Ej）@P（Hi，Ej）@@（1-P（Hi，Ej））；稱為Ej出現時，則Hk對Hi的信度區分率。

其中@為非負減，而且實際的定義為：x@y=ifx≥ythenxyelse0。

對于@@而言，在這里其主要代表的含義就是負非減，而且實際的定義為x@@y=ifx≥ythenx-yelse。

同 樣，NC（Hi，Ej，Hk）=（1-P（Hi，Ej）@P（Hi，Ej）@@P（Hi，Ej）），此時，Ej不出現，則為Hk對Hi的信度區分率。

在大部分的專家系統中，在實際設計的過程中，都會將信任率的模型大量應用進來。

3.3 故障診斷專家系統的基本結構

由圖3表示故障診斷專家系統的基本結構。

圖3 故障診斷專家系統的基本結構

4 故障診斷系統及其實現

4.1 系統需求分析

所謂的數控機床故障診斷，就是指對數控機床的狀態進行分析，確定是是否正常，針對所出現的故障的部位及性質予以確定，并分析可能引起故障發生的原因，得出具體的診斷結果，并提出相關的改進策略。通產情況下，將按照確定的推理算法，利用人機接口的形式，對診斷知識進行用戶和計算機間的對話，并由于用戶針對系統所提出的問題進行回答，同時，系統對提問和回答的答案進行推理，最后由專家針對推理得出結論，這一過程指的就是故障診斷。

（1）數據需求分析。數控機床故障診斷系統應盡可能多地提供有關故障診斷的信息，并應具有一定的類別，以方便信息的檢索和檢索。經過權衡評估后，故障診斷信息存儲在“診斷系統數據庫”中，主要由兩個數據表的組成，分別為故障原因和故障現象。

一般情況下，將添加、修改、刪除、查詢故障針對信息的這一操作流程稱之為數據處理。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存儲和正確運行。

（2）功能需求分析。故障診斷在數控機床的應用中實用性能較強，應對數控機床的故障診斷由足夠的了解，針對目前機床故障診斷中出現的問題可以有效的解決。主要從以下三個方面對該系統功能進行分析：① 系統用戶為普通機床操作人員?？紤]到當前用戶的技術水平，有必要提供一種合適且安全的操作方法，以方便實現故障查詢功能。②應對系統的開放性有足夠的考慮。在進行實際應用時，用戶可以實時更新數據庫，保存當前用戶診斷過程中的診斷信息。③應增加安全保護措施，使其具備基本的用戶管理功能。

4.2 故障診斷系統運行實例

本系統采用基于數據庫的構建方法，通過數據庫操作完成推理和解釋功能，在推理過程中利用數據庫技術對推理的方向予以控制，使得推理結論的i笑傲率得到有效的提升。

數控機床故障診斷專家系統是一種基于智能知識的計算機程序。系統采用VisualBasic、內部控件和ActiveX控件的集成開發環境、數據庫技術，使用SQL語句實現數據庫搜索操作。同時，利用強大的VisualBasic數據庫訪問功能，將數據控件連接到不同類型的數據源，完成數據庫應用的開發，以將人機對話功能應用到數控機床故障診斷系統中。

（1）Access數據庫實例。Access是Windows環境下比較知名的數據庫系統。它不僅具有大中型數據庫的基本功能，而且與SQL Server等大型數據庫管理系統有著必然的聯系；還保持了桌面數據庫的便利性和易用性，提供了大量的可視化開發工具，引入了VBA面向對象編程技術，是當前桌面數據庫系統開發的主要工具。在對數控機床故障數據庫進行整理的過程中，由于數控機床中有很多的故障點，因此，在診斷系統數據庫中放置了兩個數據庫：分別為故障現象庫和故障原因庫，旨在依據故障樹理論創建各故障點的故障表。

（2）VB編程系統實例。VisualBasic 6.0 是一款功能強大的集成開發工具，集語言編輯和綜合開發于一體。它具有良好的圖形用戶界面，采用可視化和事件驅動的編程機制，易學易用，是目前使用人數最多的編程語言。在VisualBasic中，可以直接創建Access格式的數據庫或使用Access中的數據，可以保存和檢索數據。①菜單界面。在 Windows 應用程序窗口中，所有操作都可以通過菜單訪問。菜單不僅可以提供人機對話界面，方便用戶選擇應用程序中的不同應用，還可以對應用進行管理，控制各個功能模塊的運行。為方便使用，菜單編輯器用于創建菜單和菜單欄，系統界面創建為下拉菜單。②故障樹的創建主要是基于TreeView 控件進行的。使用樹來操作數據庫，可以方便用戶在數據庫中進行操作。使用樹選擇操作比選擇卡更靈活。③使用 ListView 控件搜索和顯示數據。a.故障定位界面。錯誤位置查詢界面使用兩個ListViews來引導用戶輸入信息。用戶可以從 ListView1 中顯示的錯誤位置選項中進行選擇。選擇選項后，ListView2將顯示故障位置發生的所有故障現象，故障原因和故障排除方法。用戶可以通過移動光標在三個文本框中查看和顯示相關故障信息。b.錯誤現象搜索界面。在錯誤現象查詢界面創建“關鍵字輸入”表單。由于對錯誤現象的描述因人而異，界面設計相對復雜。

5 結語

綜上所述，本文針對數控機床傳動故障的診斷設計了一套相適應的專家系統，在專家系統中，首先需要檢測所出現的故障。在運行過程中，系統一旦發生故障，其內部的主要功能指標與目標的期望值有很大的差距，因此，可以確定，該系統出現故障，將故障程度按照實際的情況進行劃分，分別為早期警報和緊急警報，如果遇到特別緊急的情況時，系統應執行強制停機操作。