基于模糊故障树的数控机床故障诊断方法.pdf

年月 第卷 第期 机床与液压 收稿日期 作者简介 陈德道 男 硕士 副教授 研究方向为数控机床故障诊断 数控加工技术 基于模糊故障树的数控机床故障诊断方法 陈德道 安虎平 兰州交通大学机电工程学院甘肃兰州 兰州城市学院培黎工程技术学院 甘肃兰州 摘要以数控车床螺纹加工为典型实例按功能分解方法构建数控系统的故障树用案例推理法对故障树规则进行描 述根据隶属度最大原则建立数控机床故障原因的推断方法结合机床实际生产和使用维修中统计的故障数据运用模糊 故障树控制理论建立故障集度矩阵可判定故障机制隶属度该方法可提高数控机床系统故障诊断的工作效率和准确性 并为故障诊断专家系统的设计提供一种新的推理方法 关键词模糊控制故障树数控车床螺纹车削系统 中图分类号 文献标志码 文章编号 前言 数控机床是集机械 电气 气压 液压 自动 控制和计算机技术为一体的机电一体化精密制造设 备 其软硬件结构复杂 实现功能繁多 同时数控 加工正在向多功能 高速化 高精度化的方向发 展 从而导致数控设备发生故障的几率大大增加 故障形式更加复杂多样 数控机床自诊断系统已不 能满足现代数控机床故障诊断的需求 因此对数控 机床故障诊 断专家系 统的 研 究 具有 重要 的 实用 价值 近年来 有许多研究致力于数控机床的故障诊 断专家系统 出现了基于神经网络 案例推理 故障 树分析 蚁群算法等专家系统研究 各种方法各有 优缺点 故障树分析法是目前机械设备故障诊断中 被广泛应用的逻辑诊断法 顶层事件和底层事件相 互对应 对确定性事件有效 模糊控制不依赖被 控对象的精确数学模型 依赖专家知识和操作者的 经验 具有较强的知识表达能力 将专家知识和操作 者经验以规则的形式加以描述和提炼 具有较强的 推理功能 经过模糊逻辑推理可以实现类似于人的 决策过程 针对数控机床故障症状的多样性和故 障现象与故障原因对应的不确定性 将故障树分析 法和模糊控制理论相结合 充分利用各自优点 为故 障诊断专家系统的设计提供一种新的推理方法 文 中以数控车床的螺纹加工系统为研究对象 利用功 能分解方法构建系统故障树 利用案例推理方法对 故障树进行规则描述 运用模糊故障树控制理论 结 合应用厂家与机床生产厂家维护维修的统计数据 进行故障原因的分析判断 提出数控车床螺纹加工 系统故障诊断推理方法 数控车床螺纹加工系统故障树的建立和规则 描述 数控车床螺纹加工系统故障树的建立 数控车床车削螺纹过程是一个 系统 主轴 系统与 方向进给运动系统及主轴编码器精密协 调控制的过程 根据对螺纹车削原理分析与实践经 验可得车削螺纹故障树 如图 所示 表 为故障 树对应事件表 故障树共有 层 第 层顶事件 即 车削螺纹故障 第 层中间事件是可能引起系统故障 的各个子系统故障 即螺距不准确 螺纹精度差等 个子系统故障 第 层中间事件为可能引起子系统故 障的各个功能模块故障 如零脉冲不良等 个功能模 块故障 而第 层即底事件 是引起系统故障的最终 不可分割的功能子模块故障 如主轴编码器故障等 个子模块故障 图螺纹车削故障树 表故障树对应事件表 代号故障征兆代号故障原因 螺纹不执行 主轴编码器故障 螺距不准确 螺纹参数误差 螺纹乱牙 系统故障 螺纹尺寸短 齿轮误差 螺纹精度差 轴承误差 零脉冲不良 系统润滑故障 时钟不同步 主轴参数 主轴未调好 主轴箱与床身连接松动 位置脉冲编码器 主轴与位置编码器连接 数控车床螺纹加工系统故障树的规则描述 建立专家系统要有强大的数据库 包括知识库 及其管理系统 知识库中要存储大量的知识 经验 和规则 用以系统推理机推理判断故障之用 同时 知识库具有知识存储 检索 编排 增删 修改和扩 充等功能 可以说一个专家系统性能取决于知识库 容量 查找功能的强弱和再学习能力 建立故障 数据库要有知识的描述 知识的表示有很多方式 有一阶谓词式 产生式 框架式和语义网络等几 种 而其中产生式表示法 又称规则表示法 应 用最为简单和成熟 产生式用于表示具有因果关系 的知识 其基本形式是 其中 是产生式的前提 用于指出产生式是否可用的条件 是一组结论或者操作 用于指出当前提 所指示的 条件被满足时 应该得出的结论或应执行的操作 根据车削螺纹故障树及产生式知识描述的基本 形式 建立车削螺纹故障规则库如下 规则号 如果 螺纹不执行 则 主轴编码器故 障 对策 更换主轴编码器 规则号 如果 螺纹不执行 则 系统故障 对策 维修 系统 首先 单元 规则号 如果 螺距不准确 则 主轴编码器故 障 对策 更换主轴编码器 规则号 如果 零脉冲不良 则 主轴编码器故 障 对策 更换主轴编码器 规则号 如果 零脉冲不良 则 系统故障 对策 维修 系统 首先看参数设置是否合 适 规则号 如果 螺纹精度差 则 主轴与位置编 码器连接部位松动 对策 上紧主轴与位置编码器 连接部位 模糊故障树分析方法 数据库建立后 根据故障征兆查找故障原因由 推理机来完成 如果征兆与故障原因是一一对应关 系 则查找就很容易实现 但数控机床故障诊断中 故障现象具有不确定性 模糊性 即使同一故障征兆 也有很多故障原因 故根据故障征兆由推理机来准 确诊断故障原因是数控机床故障诊断专家系统的一 个 瓶颈 根据故障树分析 结合故障诊断 经验和统计到的故障现象数据 运用模糊故障树控 制理论 利用模糊故障树分析方法来完成数控机床 故障专家诊断系统的推理 具体步骤如下 根据数控车床床车削螺纹故障故障树 分 析故障征兆与故障原因之间的关联关系 确定数控 车床车削螺纹故障征兆集合 集合用 表示 采用欧氏向量表示为 式中 为故障征兆种类的总数 对图 中故障树 为 引起故障征兆的可能故障原因用向量 表示 式中 为故障原因种类的总数 对图 中故障树 为 分析数控车床车削螺纹故障故障发生比率 确定故障概率矩阵 机床与液压第卷 设数控车床车削螺纹系统可能的故障征兆为 出现故障原因种类为 矩阵向量为 矩阵 为 阶矩阵 表示故障 征兆与故障原因之间的关系 其值为各种渠道统计 出来的故障发生次数               根据统计出的故障征兆与故障原因关系矩阵 确立故障集度向量矩阵               式中 为故障树的故障发生概率 若采用不同的渠道 得出若干个故障概率 矩阵 综合分析统计的可信度 得出权重矩阵 设 为故障概率矩阵数 得到模糊判断关系矩阵 根据具体故障征兆 确立故障隶属函数矩 阵 将故障征兆明显程度分为明显 可能和无征兆 种情况 并用 来表示 可得故障隶属函数 矩阵 [] 通过故障征兆与模糊关系矩阵计算各个故 障原因隶属度 设故障原因向量 表示各故障原因隶属度                             根据最大隶属度原则 即可诊断出故障原因 基于模糊故障树的数控车床螺纹加工系统故障 诊断分析 数控车床螺纹加工系统故障诊断中的参数确立 数控车床车削螺纹系统系统常见的故障征兆有 螺纹不执行 螺距不准确 螺纹乱牙 螺纹尺寸短 螺纹精度差 零脉冲不良 时钟不同步 主轴未调好 等 种 根据原理与实践经验可知对应的故障产生原 因有主轴编码器故障 螺纹参数误差 系统故 障 齿轮误差 轴承误差 系统润滑故障 主轴参 数 主轴箱与床身连接松动 位置脉冲编码器 主轴 与位置编码器连接等 种 表 是应用厂家统计的 故障征兆隶属故障原因统计表 表 是生产厂家统计 的该类机床故障征兆隶属故障原因统计表 表 是生 产厂家统计的相似类型机床故障征兆隶属故障原因 统计表 为了便于比较 应用厂家与制造厂家的统 计资料以五年为一个周期统计 矩阵向量 由故障 诱因引发的故障征兆次数组成 为数控机床应用 厂家统计次数矩阵 为数控机床生产厂家由售后 服务部门统计这种机床故障次数矩阵 为数控机 床生产厂家由售后服务部门统计相似种类机床机床 故障次数矩阵 由于统计表表述较清楚 矩阵未写出 表应用厂家统计的故障征兆与原因统计表 表生产厂家统计表相同型号 表生产厂家统计表相似型号 第期陈德道 等基于模糊故障树的数控机床故障诊断方法 数控车床螺纹加工系统模糊故障树分析 根据表 表 表 中故障征兆与故障原因数 据统计数据 计算数控机床应用厂家统计次数故障 集度矩阵 数控机床生产厂家统计次数故障集度 矩阵 数控机床生产厂家统计同类型机床故障集 度矩阵                                                             数控机床生产厂家统计资料范围较大 能较全 面反映机床故障状况 故取较大权重 数控 机床应用厂家最符合实际应用状况 但统计资料有 限 取权重 设数控机床应用厂家统计相似 类型故障数据作为参考 取权重 由 得模糊诊断矩阵                     如果假设有零脉冲不良 螺纹不执行两个明显 的征兆 和时钟不同步一个可能征兆 则征兆向量 为 故障原因隶属度矩阵 为                     由最大隶属度原则 诊断出故障原因是第一个 即主轴编码器故障 采取措施为更换编码器 结论 利用模糊故障树方法对数控车床螺纹车削系统 的故障诊断推理方法进行了研究 通过功能分析 构 建了数控车床螺纹车削系统故障树 根据故障树进 行了规则描述 并利用某数控车床应用厂家维修部 门统计资料和数控车床生产厂家售后维修服务部门 统计资料 建立了螺纹车削系统故障集度矩阵 确立 故障机制隶属度 根据最大隶属度原则确定故障原 因 该方法能大大提高故障诊断准确度和效率 为高 效率故障诊断系统的设计提供一种新的推理方法 参考文献 陈友东韩美华叶进军基于 的数控设备故障诊 断系统知识表示 北京航空航天大学学报 刘超张玉玲张邦成等数控机床伺服系统故障诊断 技术研究综述 长春工业大学学报自然科学版 王娇祁美玲 和 在数控机床故障诊断系统中 的应用 组合机床与自动化加工技术 潘波姜同敏基于故障树的飞机结构腐蚀损伤模糊综 合评判 北京航空航天大学学报 罗天洪杨彩霞孙冬梅基于故障树的汽车起重机液压 故障诊断专家系统 机械科学与技术 冯俊萍刘海梅数控机床换刀机构模糊故障树分析与 诊断 科学技术与工程 朱传敏周润青陈明等故障树与案例推理在数控机 床故障诊断专家系统中的应用研究 制造业自动化 姚道如汪功明辛礼兵数控机床故障诊断的模糊方法 机床与液压 叶伯生黄增双李斌故障树分析法在数控机床故障 诊断系统中的应用 机械设计与制造 机床与液压第卷