数控机床故障诊断系统的设计与实现

陈宏超

摘 要：数控机床的常见故障可以根据故障现象和机床电气原理图，查看PLC的相关输入输出状态诊断故障。但这需要有关人员对于设备的电气控制等比较熟悉，而且很多故障也不能完全根据顺序控制程序加以诊断排除。本文通过对数控机床常见故障的分析和总结，设计建立了故障数据库与故障诊断查询系统，便于维修人员查找和分析故障发生原因，解决问题。

关键词：机床故障；诊断系统；设计

1.机床故障诊断系统设计

1.1故障诊断系统总体设计

机床故障诊断系统分为机床内部诊断系统和外部辅助诊断系统。内部诊断系统利用数控系统内置的故障诊断显示功能，通过PMC编程和人机界面的链接功能，将顺序控制中可能出现的故障通过一个子程序实现初步处理和进一步处理提示。外部诊断系统则借助面向对象编程技术，集成数控机床诊断系统和维修经验以及专家知识，构造人机界面友好的交互式诊断维修软件系统。鉴于诊断维修方面的复杂性和不断发展的特点，采用面向对象的分析、设计、编程技术有利于诊断系统的继续开发、不断发展的特点，采用面对对象的分析、设计、编程技术有利于诊断系统的继续开发、不断完善。

1.2系统需求分析与功能目标

系统主要包含如下功能：

（1）设备各级各个单元的特征描述及控制方案。

（2）设备各部分的故障知识管理。

（3）各种故障的逐级树网分析。

（4）知识的查询增删、修改及库的同步、更新。

（5）用户及登录管理。

1.3数据库设计

系统所用的数据库主要包括系统用户表、系统拓扑表、系统故障表、系统程序表、系统参数表等。系统用户表中设置用户级别，0级为一般用户，可进行故障诊断与查询等一般系统应用；1级为知识库管理者，可对系统组成、故障信息、程序知识、参数知识等进行管理；2级为系统管理员，可对用户、知识等进行管理。系统拓扑表中通过设置上级功能ID、上级结构ID来对各组成部分的拓扑关系进行管理，从而可以构成系统树形视图。

系统故障表也通过对故障间的从属关系进行编号管理而形成树形结构，从而初步实现故障树分析功能；还通过对故障的发生部位进行编号对应而实现故障与部位的关系管理。系统程序表和参数表也借鉴故障表的管理方法而实现部位对应和树形解析。

2.数控机床故障诊断系统的实现

2.1数据库实现

根据数控机床的特点，系统结构主要分为主轴、运动轴、旋转轴、刀库、自动刀具交换机构（ATC）、自动台面交换机构（APC）、工装、控制器、辅助机构等几大部分。各部分又可大致分为主运动、辅动作、制动、润滑、冷却、清洁、过滤、密封等几大模块，如主轴部分可分为主轴转动、主轴定向、主轴夹刀/松刀、主轴润滑、主轴油冷、主轴吹气、主轴中心冲水等几大模块。各模块又可分为数控/序控、输入/输出、伺服/电气、驱动、传动、执行、检测/反馈、触发、保护/封装等几大功能组分，如主轴转动可分为数控指令处理/顺序程序控制逻辑条件运算、串行主轴通信电缆、主轴伺服放大器模块、主轴伺服电机、主轴传动皮带、主轴本体、主轴电机编码器及反馈线、主轴转停按钮等。各组分又可大致划分为输入、处理、存储、控制、运算、转换、输出、封装等几大系统成分，各系统成分又可进一步分解。

根据运动介质及其状态的不同，系统可分为机、电、液、气、磁、声、光、辐射等不同构成成分，应用最多的主要是机、电、液、气。机床辅助部分主要有内置/外置排屑、床身冲水、油雾收集器、滤油器、安全门、安全光幕等。

系统故障可根据不同功能部位进行定位分解，主要分为CNC系统、主轴、进给轴、刀库、ATC、APC、旋转轴、夹具、辅助机构等几大部分，各部分故障又可根据结构和功能进一步分解，最终分解为比较根本的元故障。

2.2数据库连接

对于数据库的连接，首先在公共类CADOConnection中设置接口函数GetSQLConStr和Open以获取连接SQL语句和数据库打开方式。

其中数据库连接驱动Provider采用SQLOLEDB程序，服务器和数据库分别由变量IP和DBName指定，并采用信任连接，当然也可釆用用户名和密码方式：使用Open方法建立到数据源的物理连接。然后在应用程序类CCNCApp的初始化函数InitlnstanceO中通过调用CADOConnection对象的成员函数Open和GetSQLConStr并传递变量IP和DBName创建全局数据库连接。

2.3整体模块

系统主要分为用户登录模块、用户管理模块、设备构造管理模块、设备故障树管理模块、设备故障库管理模块、设备参数管理模块、设备顺序程序管理模块、设备故障诊断模块、设备故障号查询模块等。通过对各个模块分别进行设计与编程，最终集合成为集诊断查询与管理功能于一体的数据库应用程序。

2.4故障树管理模块

当用户选择“知识库管理”下的“故障树管理”菜单项时，首先弹出用户登录对话框，只有1级以上的用户登入才能进行故障树的管理，弹出故障树管理对话框。故障树管理对话框给出故障的树形分析，可以在各个节点处进行修改、删除，或添加子故障。

故障树管理对话框实现如图2.1。借助于这种树形视图，可以方便的构造故障树知识库，并可增加树的层次和节点信息，从而有利于故障树分析的展开。

2.5故障诊断模块

当用户单击“系统应用”的“故障诊断”菜单项时，故障诊断对话框弹出，其中设置故障发生部位选择区、故障主要现象选择区、故障主要原因选择区等。故障诊断对话框的实现如图2.2。当机床发生1042号报警时，首先明确故障部位发生在ATC系统，点击相应的树节点后，再进一步选择故障发生的主要现象，例如刀臂在抓刀时停止，这时幵始诊断，软件将调出故障树知识库对应的内容，以故障树视图的形式供维修人员检查判断参考，一旦确定相应的故障原因，如刀臂夹刀棒卡死，即给出相应的原因分析和故障对策，指导维修人员进行维修处理。这样，即使对机床的了解还不够全面，维修人员也可借助此软件快速入手，从而提高维修效率；同时也可将摸索到的经验和新学到的知识补充完善到知识库中，从而不断提尚维修水平，丰富完善知识库。

结论

通过利用数据库技术和面向对象编程技术，将设备故障诊断和维修等知识系统的组织成知识库，通过数据库应用程序实现了故障的诊断查询、故障树分析、故障树管理等功能，帮助维修人员不断提高维修水平，丰富完善知识库。

参考文献

[1]杨中力.数控机床故障诊断与维修.大连理工大学出版社.2006.