制造系统数控机床故障处理技术研究

2011-11-25姜秀华

制造业自动化 2011年24期

姜秀华

（重庆工业职业技术学院，重庆 401120）

0 引言

由于飞速发展的电子技术、数控技术，这使得中国的制造业正在蓬勃发展，数控机床技术已经在广大企业中应用越来越多，而且越来越多的机械加工企业的数控机床设备拥有数量很多，数控车间也初具规模[1]。所以，信息技术在这样的数控车间随处可见，比如控设备、数控系统、计算机编程、加工程序传输、甚至刀具都体现出了信息化的特点，所以如何有效提高数控机床的利用率，进行先进的管理手段和管理模式显得较为重要。另一方面，由于相应的数控加工的生产管理和相关辅助系统的技术准备还不完善，这使得为满足生产的快速反应要求，应该对于车间的数控设备信息管理化程度不断提高，从而有效提高数控机床的利用率和生产能力[2,3]。所以，对于初具规模的数控车间来说，有效提高数控车间信息集成与整合能力显得尤为重要。

1 数控机床故障信息管理工作分析

1.1 数控机床故障信息管理的意义

数控机床故障信息管理的基本思想是及时反映设备使用状态，记录设备使用历史记录，即包括故障诊断也包括故障调度，面基本信息的管理是处理生产过程中故障及调度的基础。在车间的设备、人员、加工零件的品种、工序的种类不太多或不太复杂的情况下，调度人员只要亲临现场，就可以凭经验将生产任务合理地安排下去。在车间的设备、人员多，特别是具有相同加工能力的设备和人员较多，加工的零件及其工序数目繁多的情况下，进行合理地调度就变成了一个复杂而重要的问题了[4]。

数控机床信息管理系统对车间设备有明显的促进作用，以下三个方面正很好说明了这个问题：1）维修业务的无纸化办公，同时也规范了故障信息的处理搓成，奠定相关信息化基础；2）通过相关的及时反馈故障信息，使得领导能有效及时了解设备出现的问题及使用情况；3）领导可以通过信息化手段，在任意时间段内的设备使用维修情况进行分析，能更为合理的安排设别使用，及时调整生产运行状态。

1.2 数控机床故障信息管理的特点探讨

我国制造企业中的数控机床的作用日益突出，所以影响业产品质量与生产进度的关键往往就是数控机床的工作状态，另外对于一些企业存在的设备管理，这里可以做如下的探讨：1）设备技术档案和台帐管理存在问题，对于以纸张手写为主的情况来说，往往不便于综合查询与随机检索；2）设备基础信息、故障记录、维修记录、备件使用情况等等相关的设备管理工作基本信息，保存较为随意，格式不同意，这样也造成了信息查询的困难；3) 各维修部门之间交流存在一定问题，由于比较分散造成了交流不及时，信息沟通不及时；4）对于设备备件、配件管理工作量大，人工管理存在一定缺陷；5）手工完成的设备的使用状况的调查，往往表现出信息反馈不及时的特点。

针对上述存在的问题，很有必要对于企业的数控机床信息化管理进行有效探讨，探讨了有效管理的软件系统，这样能够规范化的进行设备管理工作。

2 建立故障诊断知识库分析

2.1 知识获取

知识获取的途径取决于问题域，获取知识过程即要分析机床的结构和功能，还要进行专家交流工作。

这里采用面向对象的方法描述领域知识，主要是利用便于领域知识的收集、整理以及转换成产生式规则的特点，其中，可以把每条专家经验视为一个知识对象，这样就能够利用对象标识区分知识对象。由属性集、方法集组成的知识对象，可以用这样的方式进行区别。其中，1）存放知识对象属性的是属性集，往往是由故障现象、故障原因和解决措施三部分组成；2）用来存放操作知识属性的方法的是方法集，这样就可以属性集转换成规则集，建立知识属性到产生式规则之间的映射关系；3）用来存放领域知识属性转换成的产生式规则就是规则集。本系统中规则集存储结论规则。

2.2 知识库

对于知识库来讲，一般具有知识存储、检索、编排、增删、修改和扩充等功能，往往其中大量的知识、经验和规则被存储其中，可以在系统推理判断的时候进行调用，另外，知识库的可用性、确定性、完善性往往影响一个故障诊断系统性能高低。这里采用融合实例(Case)与规则(Rule)的推理方法进行数控机床故障诊断系统设计，把知识库分成两部分：实例库和规则库，是为了更好知识库进行管理和维护。这里面，以前曾成功解决过的问题或案例在实例库中。故障根据机床故障发生的部位可以分类如下：

2.2.1 数控装置部分的故障

数控装置部分的故障又可以分为软件故障和硬件故障。

对于软件故障来说，加工程序编制出现错误造成的机床故障常见，另外由于机床数据设置不当也容易引起故障，这些都称为软件故障。这类故障一般都在故障原因找到并修改后得以解决。

对于硬件故障来说，系统硬件出现问题造成机床故障，就必须更换损坏的器件或者维修后才能排除故障。

2.2.2 PLC部分的故障

软件和硬件故障两种也存在于PLC部分的故障。

对于软件故障来说，PLC用户程序编制有问题，致使数控机床在一定条件下发生故障。这往往和用户的PLC编程问题相关，有时间常会出现无报警的机床侧故障，这样就决定了尽可能完善的进行PLC用户程序善。

对于硬件故障来说，PLC输入输出模块出现问题则往往属于硬件问题，有时可以利用改PLC程序，使用备用接口替代出现故障的接口，这样就得以问题解决。

例如一台采用德国SIEMENS810系统的数控磨床，自动加工不能连续进行，磨削完一个工件后，主轴砂轮不退回修整，自动循环中止。分析机床的工作原理，机床的工作状态是通过机床操作面板上的钮子开关设定的，钮子开关接入PLC的输入E7.0，利用数控系统的PLC状态显示功能，检查其状态，但不管怎样拨动钮子开关，其状态一直为“0”，不发生变化，而检查开关没有发现问题，将该开关的连接线连接到PLC的备用输入接口E3.0上，这时观察这个状态的变化，正常跟随钮子开关的变化，没有问题，由此证明PLC的输入接口E7.0损坏，因为手头没有备件，将钮子开关接到PLC的E3.0的输入接口上，然后通过编程器将PLC程序中的所有E7.0都改成E3.0，这时机床恢复了正常使用。

2.2.3 伺服系统故障

伺服系统的故障一般都是由于伺服控制单元、伺服电动机、测速装置、编码器等出现问题引起的。

例如：一台数控车床使用FANUC OiTC系统，系统出现417报警，报警信息为“SERVOALARM：2-TH AXIS PARAMETER INCORRECT"，检查伺服系统参数设置发现，参数N0：2023被人修改成为负值。(该参数为电机一转的速度反馈脉冲数)。修改此参数，系统报警解除。

2.2.4 机床主体部分的故障

这类故障大多数是由于外部原因造成的，机械装置不到位、液压系统出现问题、检查开关损坏、驱动装置出现问题。机床主轴、导轨、丝杠、轴承、刀库等由于种种原因，会出现丧失精度、爬行、过载等问题。这些问题往往会造成数控系统的报警。因此，数控系统的故障判断是一个综合问题。所以，每种类型的故障都是一张表，该类的所有故障诊断实例都在每张表记录。一条记录就是每个诊断实例，诊断实例所需要的参数为一个字段。

对采集到的故障信息进行加工中心故障模式与部位的分类。故障模式即故障的表现形式。对于数控机床来讲，其组成的基础是零部件、元器件，所以数控机床的故障多数是由零部件、元器件故障引起的。因此，在描述卧式加工中心的故障模式时，应尽量以其零部件、元器件的故障模式来表示。只有在难以用零部件、元器件的故障模式进行描述时，才能用子系统的故障模式进行描述。

初步判定故障发生的部位是通过故障发生的现象。在整个系统中，可以通过计算时候的相关的故障概率(置信度)（这个数据往往是通过维修人员的经验的估计值）进行选择判断，可能发生的故障原因是由置信度高低选择来决定的，这样就可以得到相应的处理方法，使得故障发生的原因进一步缩小，从而故障发生的原因和故障模式得以最终确定，找到故障处理方法。

2.3 推理机

推理机按一定的推理策略，利用知识库中的知识，再具有启发推理的特点去求解提出的专门问题，一般分为启发推理、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统被采用，这样寻找产生故障的原因就可以通过机床出现的故障找到，另外可以进行相关的信息匹配，这主要是利用用户输入关键词方法，从而推理到相关的记录，然后在数据库中得到故障的原因和处理方法。

2）搜索方法

这里采用有限深度优先搜索方法，通过设定相应的一个给定的深度限制系数，使得不是只要求未被搜索的子节点总是往“深度"搜索，适当的回溯操作可以降低相关搜索的工作量。

3）不确定性

一般不能以确定的方式表示故障现象由观测获得，需要给每个规则子句附加一个可信度[0, 1]。

4）解释器的设计

解释器负责回答用户提出的各种问题，与系统推理有关的问题和与推理无关的关于系统自身的问题也包括其中。必要的清晰地解释针对推理路线和含义可以出给，同时这样就为用户提供了相关的推理过程以及系统维护的手段，可以视为系统透明性的主要模块。另外，对于推理过程中来说，可以把每一步推理所依据的规则，还有加上变元的转换情况记录下来，一起存入动态数据库，这样的“链条”信息不断增加，当外界要求解释，解释器将这链条适当组织，将推理过程显示给用户。