基于故障树的数控机床故障诊断系统研究

收稿日期 : 2008 -08-30 作者简介 : 贾育秦 ( 1954- ), 男 , 教授 , 研究方向为先进制造技术 , 现代数控技术。
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表 1 算例图中代码意义
2009 年
T ab1 . Code m ean ing of the calcu lation cases M 1 螺纹不执行 M2 M3 螺距不对 螺纹乱牙 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X 10 主轴编码器 螺纹参数 CNC 系统 齿轮 轴承 润滑 主轴参数 主轴箱与床身连接螺钉松动 脉冲编码器 主轴与位置编码器连接
1< i< j < k
E
P r {E i H Ej } + ,, + (- 1) P r H E r r= 1
( 6)
故障树中的每个模块就是一个独立的子树 , 该子树 的基本事件不会在故障树的其它地方发生
[ 8]
。
用相似的方法, 可以用最小路集表示的结构函 数来求顶事件发生的概率。 令 D j 表示最小路集 Q j 实现了的事件, 即属于第 j 个最小路集的 底事件都 不发 生的事 件, j = 1 , 2 , , ,, m. 在全部 m 个最小路集中只要有一个发生, 顶事件所代表的最不希望发生的事件就不会发生,
D [ 5]
。故障
树的对偶树 T ( Dual Fau lt T ree) 简称对偶树, 它表 示故障树中的全部事件都不发生时 , 这些事件间的 逻辑关系。因此 , 实际上它是系统的成功树。 算例 1 : Fussed法求解车削螺纹故障最小割集。 车削螺纹故障树如图 3 , 代码意义见表 1 .
[ 6]
贾育秦 , 张志刚 , 翟大鹏
1 2 1
(1 、 太原科技大学机电学院, 太原 030024 ; 2 、 山西汾西重工有限责任公司, 太原 030027)
摘 要 : 通过对数控机床的故障实例 分析 , 应用故 障树模 块分析算 法 , 对 Fanuc0 i型数 控车床 的工
作原理 、 故障现象进行 定量分析 ; 采用基于面向对象 方法和专家 知识的智 能诊断方法 , 用 Fussed 法 求解 最小割集 , 把大型复杂 故障树 , 分解为相对独立的多个子树 ; 对数控机床典型故障建立了故 障树 , 通过其 最小割集进行故障定性分析 , 并将故障树分析法应用于故障诊断专家系统分析推理机制中 。 关键词 : 数控机床 ; 故障树分析 ; 最小割集 ; 专家系统 中图分类号 : TG 5191 1 文献标识码 : A
1 CNC 机床故障诊断专家系统功能模型
本文开发的 CNC 机床故障诊断专家系统是用 活动图来描绘事件与对象状 态的关系。当对象接 受了一个事件以后, 它的下个状态取决于当前状态 及所接受的事件。由事件引起的状态改变称为 / 转 换 0。如果一个事件并不引起系统正常情况脚本的 事件跟踪 图当前 状态发 生转 换, 则 可忽 略这 个事 件。所有可能的故障诊断 的正常和异常 情况状态 描述见图 1 .
动态信息系统。 ( 3) 提出了用故障树理论对 CNC 机 床进行分 析的研究方法。针对 CNC 机床的特点, 通过建立故 障树, 对 CNC 机床的各个组成部分进行了可行的划 分 , 对各个组成元件的故障机理、 故障原因、 故障表 现、 以及排除对策等进行了 细致地总结 , 结合经验 知识建立了较为完善的故障诊断专家知识库、 故障 树文件 , 并结合 CNC 机床的需要采取了恰当的表示 形式, 以获得较好的诊断效果。由于设备的故障规 则在实际中具有一定的模糊性 , 即不确定性 , 为解 决这一问题在论文中引入了规则置信度的做法, 使 得该故障诊断专家系统更加符合系统的实际情况。 ( 4) 本文采用面向对象的方法表达设备的故障 诊断与维修问题, 结合决策理论的分析方法 , 研究数 控机床的故障智能诊断与维修的策略, 包括故障原因 解释, 根据用户需求提出 CNC 机床故障诊断专家系 统的设计和实现, 诊断结果可信。系统具有智能、 实 时、 人性化强等特点, 减轻维修人员的工作负载, 故障 的维修决策方案合理、 实用 , 符合现代化的 CNC 维修 要求, 能有效降低 CNC 设备维修保障的费用。
车削螺纹故障最小割集求解过程如表 2 所示: 再应用集合运算规则将全部割集加以简化、 吸 收 , 得到全部最小割集: { X1} 、 { X2} 、 { X3} 、 { X4}、 { X5} 、 { X6} 、 { X7} 、 { X8} 、 {X9} 、 { X10} 。
第 30卷第 5 期
贾育秦 , 等 : 基于故障树的数控机床故障诊断系统研究
[ 3]
图 3 车削螺纹故障树 F ig. 3 Fau lt tree of turn ing scre w thread 表 2 求割集和最小割集的过程 Tab . 2 So lu tion prozedu res of the cut -sets and th e s m allest cut - se t 步骤 1 M1 M2 M3 M4 过 M5 2 X1 X3 M2 M3 M4 M5 3 X1 X3 4 X1 X3 5 X1 X3 X1 X1 M7 M8 M4 M5 6 X1 X3 X1 X1 X1 X3 M8 M4 M5 程 7 X1 X3 X1 X1 X1 X3 X4 X5 X6 X7 X8 M4 M5 8 X1 X3 X1 X1 X1 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X2 M5 9 X1 X3 X1 X1 X1 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X2 X9 X7 X10
第 30卷
第 5期
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Vo . l 30 No . 5 O c. t 2009
2009年 10月
JOURNAL OF TA IYUAN UN IVERSI TY OF SC IENCE AND TECHNOLOGY
文章编号: 1673- 2057( 2009) 05- 0401- 04
基于故障树的数控机床故障诊断系统研究
1[ i< j< m 1I Oi G O j
E F
( 1 - q1 ) + , + (- 1)
F ( 1- q )
1 l= 1
m
( 8) 其中: Sj =
1[ i1 < i 2 < , < i j< m 1I O 11G O 12 G , G Q 1m
EK
j= 1
k
j
(X ) = 1
( 3)
E
F
( 1- q)
M 4 螺纹尺寸短 M 5 螺纹精度差 M 6 零脉冲不良 M 7 时钟不同步 M 8 主轴未调好
图 2 知识库管理活动图 Fig . 2 A ctive flow chart of kn ow ledge m anaged
2 故障树的定量分析
在一棵数控机床故障 树模型中往往 包含多个 底事件 , 各个底事件在故障树中的重要性必然因它 们所代表的设备在系统中的位置 (或作用、 功能 ) 的 不同而不同。故障树中如 果其某几个底 事件的集 合同时发生时 , 将引起顶事件 ( 系统故障 ) 的发生, 这个集合就称之为割集。最小割集的意 义就在于 它为我们描绘了处于故障状态的系统所 必须要修 理的基本故障, 指出了系统中最薄弱的环节
m
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3 故障树的失效概率计算
设故障树最小割集表达式为 K j (X ) , 则最小割 集结构函数为: H (X ) =
k
显然可以用 G D j 表示 , 而顶事件不发生的概率 : j= 1 1 - g = Pr H D j j= 1 示 , 可以写成: 1- g = ( 2)
m
( 7)
如果将该式展开并用底事件发 生的概率 q 表
( 9)
令 E i 为属于最小割集 K j 的全部底事件均发生 的事件 , 则顶事件发生的事件即是 K 个 E 中至少有 一个发生的事件 , 因此 : g = Pr
于是 ( 8) 可改写成 : g = 1+
E
m
( - 1) S j
[ 7]
j
( 10 )
j= 1
EE
i= 1
k
i
( 4)
上述说明, 根据故障树的最小割集或最小路集 都可以求出顶事件的发生概率 。 从这里可以看出 , 如能使概率重要度大的底事 件的发生概率下降, 就可使顶事件发生概率有效的 降低。故障树的模块 分解算法就是检测 出故障树 中的独立模块, 并对它们进 行单独处理 , 然后把模 块处理结果进行综合得到整个故障树的分析结果。
数控机床的故障以及故障现象是错纵复杂的, 各式各样的。机械的、 电气的, CNC 装置的 ( CNC 系 统的 )、 PLC 的, 参数的、 人为的等等。 CNC 机床故 障诊断方法很多 , 在实际的生产中也起了很大的作 用 , 但不管哪种方法 , 在实 际运用时都产 生了这样 的问题 : 首先 , 诊断及时性有限, 诊断效果依赖于诊 断维修人员的经验 , 具有较大 的不确定性。其次, 对维修人员的要求很高, 必须熟练掌握 CNC 数控系 统及机床各部分的工作原理。第三 , 在机床发生故 障时往往由机床供应商上门服务, 用户一般难以排 除故障 , 或者需 要请 专门的 数控机 床诊 断分 析师 ( 诊断专家 ) 来进行故障的诊断和排除, 诊断成本很 高 , 缺乏教育性和推广性。
如果将事件和概率写作 F j Fj =
1< j1 < j2 < , , < j1 < k
E
P r {E i 1 H E i 2 H ,, H E ij } ( 5 )
同时可由 ( 4) 式可以展开得 : g=
E
k
(- 1) F i =
j- 1
j= 1
E P {E } r r r= 1 k- 1 k
k
本系统在 W indow s 操作系统 上利用功 能强大 的 V isual C + + 6. 0 操作关系数据库管理软件 A c cess构造了一个 CNC 机床故障诊 断专家系统。在 V isual C+ + 6 . 0 中利用 ADO ( Act iv eX Data Ob ject) 组件强大的数据库访问功能和 SQL 语言的查询功 能对数据库进行操作。
图 4 故障树数据存储实例 F ig. 4 Data m emory exam p le of a fau lt tree
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图 4 为本系统中部分故障树存储实例。 数控机床的故障诊断一直是困扰操作、 维修人 员的难题。由于数控机床 的安全性和工 作可靠性 对于生产单位的效益直接产生很大的影响 , 专家系 统在故障诊断领域中的应用, 实现了基于人类专家 经验知识的设备与系统故障 诊断技术。论文提出 了一种交互式、 直观的流程图 来排除故障 , 基于故 障库, 按照一定的流程对数控机床实际状态进行判 断 , 找出引起故障 的原因, 逐 次排除故障。开发的 计算机辅助数控机床故障诊断和管理原 型系统经 过初步的验证, 符合维修人员 现场维修思路 , 能够 有效的提高机床维修效率。
图 1 CNC 机床故障诊断活动图 Fig . 1 Active flow chart of CNC machine tool failure diagnosis
进入知识库管理时将在选择二级菜 单后被要 求授权。其知识的更新功能来自两部分触发事件: 其一来自本活动图中的处理操作事件更新 ; 其二来 自 CNC 机床故障诊断活动图的 / 故障知识 0状态框 ( 见图 2) 。
。求
X1 X1 M3 M6 M4 M7 M5 M8 M4 M5
最小割集的 方法通常 有 2 种: 上行法 ( Se m anderes 法 ) 和下行法 ( Fussed法 )。 Fussed 法是根据故障树 的实际结构 , 从顶事件开始, 逐渐向下查寻 , 找出割 集。本节下面例 子采用的 就是该 方法。所谓 最小 路集, 是满足以下条件的路集 , 若将某路 集所含之 底事件任意去掉一个即不成其为路集了 , 该路集就 是一个最小路集。直接按 故障树求最小 路集很困 难 , 一般是借助于故障树的对偶树来求解
E
K j (X )
( 1)
j= 1
式中, k 是最小割集数, K j (X ) 的定义为: K j (X ) =
E
m
(- 1) Sj =
j- 1
j= 1
E F ( 1- q ) j= 1 1I O j 1 m-1
m
FX
iA k j
i
求顶事件发生概率, 即是使 H (X ) = 1的概率, 只 要对上式两端取数学期望, 左端即为顶事件发生概率: g = Pr