基于故障树分析法的数控机床故障诊断

栗 江

（广州南洋理工职业学院 广东 广州 510925）

数控机床是指应用了数控技术对其加工过程进行自动控制的机床，伴随着中国制造业的快速发展，数控机床已经广泛应用于几乎所有的制造行业。为了提高生产效率，其中之一就是要提高机床有效度，即当机床出现故障时，就要采取科学合理的方法找出故障点并排除故障，减少故障时间。故障树分析（Fault Tree Analysis，FTA）可进行故障分析，寻找故障点和分析故障原因，是一种相当有效的数控机床故障诊断方法。

1 故障树分析法

故障树分析法是一种由果到因的演绎分析方法，它是基于故障的层次特性及故障成因和后果的关系，将系统故障形成的原因由总体至部件按树枝状逐级细化的分析方法。

1.1 故障树定义

故障树分析中，把所研究系统最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标，这个最不希望发生的系统故障事件称为顶事件。然后找出直接导致这一故障发生的全部因素，它可能是部件中硬件失效、人为差错、环境因素以及其它有关事件，把它们作为第二级。再找出造成第二级事件发生的全部直接因素作为第三级，如此逐级展开，一直追溯到那些不能再展开或毋需再深究的最基本的故障事件为止。这些不能再展开或毋需再深究的最基本的故障事件称为底事件，而介于顶事件和底事件之间的其它故障事件称为中间事件。把顶事件、中间事件和底事件用适当的逻辑门自上而下逐级连接起来所构成的逻辑结构图就是故障树。

1.2 建立故障树的步骤

1）确定故障树的顶事件。顶事件是系统级故障事件，对于数控机床故障，顶事件应满足：（1）顶事件的发生与否必须有明确的定义；（2）顶事件必须是能进一步分解的，即可以找出使顶事件发生的次级事件；（3）顶事件必须能够度量。

2）确定故障树的边界条件。故障树边界条件应包括：（1）初始状态应指明与顶事件发生有关的部件的工作状态。（2）不容许事件指建立故障树过程中不容许发生的事件。（3）必然事件指系统工作时在一定条件下必然发生的事件和必然不发生的事件。

3）分析顶事件发生的原因。对于数控机床故障，顶事件发生的原因从三个方面来考虑：（1）系统在设计、制造和运行中的问题。如设计或制造中的质量问题，运行时间的长短等。（2）外部环境对系统故障的影响。如数控机床所处环境的当前空气湿度、数控机床所处位置的电磁环境等。（3）人为失误造成顶事件发生的可能性。如操作者的技术水平和熟练程度等。因此，使用故障树分析数控机床故障，要求维修人员透彻地了解该数控机床的机械结构、电气原理、操作方法，才能分析和推断出所有造成顶事件发生的各种次级事件。对每一个次级事件再进行类似的分解，直到不能再分解的底事件为止。

4）逐层展开建立故障树。从顶事件开始，逐级向下演绎分解展开，直至底事件，建立所研究的系统故障和导致该系统故障诸因素之间的逻辑关系，并将这种关系用故障树的图形符号表示，构成以顶事件为根，以若干中间事件和底事件为干枝和分枝的倒树图形。

5）化简故障树。对初始绘出的故障树进行化简，去掉多余的逻辑事件，使顶事件和底事件之间呈简单的逻辑关系。

6）对故障树作定性分析。寻找系统故障的割集和最小割集。系统故障是系统中全部最小割集的完整集合。最小割集就是数控机床的故障点。

7）对故障树作定量分析。定量分析可以得到系统故障发生的概率、最不可靠割集和结构的重要度等。最不可靠割集是发生概率最大的最小割集，也就发生概率最大的故障点。数控故障诊断中，应该首先考虑修理该故障点。

2 故障树分析法诊断数控机床故障

2.1 数控机床故障的特点

数控机床是典型的光机电一体化产品，它融入了机械制造技术、自动化技术、计算机技术、传感器技术、信息处理技术和光电气液技术，具有先进性、复杂性和智能化特点，因此数控机床故障具有如下几个特点：

1）数控机床故障遵循“马鞍形”失效率曲线。在实际使用中，所有的数控机床都可认为存在三种不同失效率区域。在数控机床安装调试运行初期（1区），失效率较高，这需要9～14个月的时间。有效寿命区（2区）是数控机床的稳定使用区域，故障率一般较低，即使发生故障，也是偶然孤立的，而且多数是由于使用不当引起的。衰老区（3区）是数控机床处于不可修复的损坏区域，失效率随时间的延续而急剧增加，数控机床使用寿命达到极限。这时修复费用极高，已失去维修的意义。

2）数控机床故障具有复杂性。数控机床自身结构的复杂性决定了数控机床故障具有复杂性，尽管现代数控机床普遍配置功能强大的自诊断系统，一旦数控机床出现故障，系统报警提示用户去修理。但并非所有的故障都可以如此轻易的排除，例如以下几种故障：（1）通过报警提示找到的“故障点”却正常工作，一时无法确定故障点。（2）修复一个故障点，但又出现了新的故障。（3）故障导致机床无法正常工作，但却无任何报警提示。当出现复杂性的故障时，采用故障树分析法可以诊断出“故障点”。

2.2 故障树分析法诊断实例

故障现象：数控铣床V600加工过程中出现Z向尺寸不稳定，无任何报警显示。

故障分析过程：影响数控铣床V600加工尺寸不稳定的因素有很多，包括机械故障、电气故障、系统软参数故障和数控铣床的辅助控制部分故障。采用故障树分析法分析该故障，顶事件是Z向加工尺寸不稳定，中间事件是Z轴进给机械故障、Z轴电气故障、系统软参数故障、辅助控制装置故障，按照故障树建立方法，画出故障树，定性分析得出最小割集为{JX1}、{JX2}、{JX3}、{JX4}、{JX5}、{DQ1}、{DQ2-1}、{DQ2-2}、{DQ2-3}、{DQ3}、{DQ4}、{DQ5}、{CS1}、{CS2}、{CS3}、{FZ1}、{FZ2}、{FZ3}，这些最小割集就是故障点。

3 结语

数控机床各种类型故障都可以采用故障树分析法分析故障，寻找故障点。采用故障树分析法，建立各种数控机床的故障分析库，不但降低了设备维修难度，而且可减少维修人员，可有效解决数控机床设备故障后的修复问题，提高设备的利用率。

［1］张梅军.机械状态检测与故障诊断[M].北京：国防工业出版社，2008，3.

［2］刘永久.数控机床故障诊断与维修技术：FANUC系统[M].2版.北京：机械工业出版社，2010，2.

［3］赵太平.应用故障树分析法诊断数控车床故障[J].设备管理与维修，2007（1）.