數(shù)控系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

徐曉萍

（江蘇廣播電視大學(xué)江都學(xué)院，江蘇 江都 225200）

前言

我國(guó)要加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國(guó)力和國(guó)家地位，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)是重要的主要途徑之一。包括高檔型數(shù)控系統(tǒng)在內(nèi)，可靠性、穩(wěn)定性排在"影響選擇數(shù)控系統(tǒng)因素"首位。為了使產(chǎn)品占據(jù)國(guó)內(nèi)國(guó)際市場(chǎng)，我國(guó)應(yīng)將產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性作為數(shù)控產(chǎn)品研究的工作重點(diǎn)[1]。

1 可靠性設(shè)計(jì)的目的和任務(wù)

可靠性設(shè)計(jì)的目的是指通過專門設(shè)計(jì)技術(shù)的采用，使產(chǎn)品在壽命周期內(nèi)達(dá)到規(guī)定的可靠性要求，同時(shí)還要對(duì)產(chǎn)品性能、可靠性、費(fèi)用和時(shí)間等因素進(jìn)行綜合考慮。

實(shí)現(xiàn)可靠性設(shè)計(jì)的目的就是可靠性設(shè)計(jì)的任務(wù)。可靠性設(shè)計(jì)包括在新產(chǎn)品的研制和開發(fā)中按照給定的要求設(shè)計(jì)和對(duì)現(xiàn)有定型產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)加以改進(jìn)、提高可靠性這兩方面。進(jìn)行數(shù)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)該考慮的問題是如何在成本固定的前提下，提高系統(tǒng)的可靠性。除了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，系統(tǒng)正常工作時(shí)的可靠性也是判斷控制方案的優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)行數(shù)制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，包括選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和確定相應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)在內(nèi)，都屬于最優(yōu)系統(tǒng)的選擇問題，也就是使可靠性指標(biāo)在一定約束條件下達(dá)到最優(yōu)的問題。

2 可靠性設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循的基本準(zhǔn)則

2.1 可靠性指標(biāo)和可靠性評(píng)估方案要明確。

2.2 要滿足基本功能，考慮影響可靠性的各種因素，并貫穿于功能設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

2.3 針對(duì)產(chǎn)品在壽命周期內(nèi)可能出現(xiàn)故障模式進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

2.4 采用成熟和可靠的標(biāo)準(zhǔn)零部件、元器件和材料，先進(jìn)的設(shè)計(jì)原理和技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.5 作出最佳設(shè)計(jì)方案時(shí)要權(quán)衡產(chǎn)品的性能、可靠性、費(fèi)用、時(shí)間等各因素。

2.6 在滿足技術(shù)要求的前提下，應(yīng)盡量減少零部件、元器件、設(shè)備的數(shù)量和種類，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方案。

2.7 當(dāng)簡(jiǎn)化、降額設(shè)計(jì)及選用高可靠元器件不滿足可靠性要求時(shí)，可采用冗余設(shè)計(jì)。

2.8 進(jìn)行防誤設(shè)計(jì)，降低產(chǎn)品在使用和維修過程中引起人為誤差的可能性。

2.9 進(jìn)行失效安全設(shè)計(jì)，產(chǎn)品在設(shè)備或系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能夠依靠自身結(jié)構(gòu)確保安全。

2.10 采用模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，模塊接口控制要嚴(yán)格，盡可能使故障局部化。

3 可靠性設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

由于在整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)階段占有很重要的位置，功能分析和概要設(shè)計(jì)一切成果的保證和實(shí)現(xiàn)都要通過這個(gè)階段的分析，規(guī)劃和設(shè)計(jì)來完成[2]。

3.1 抗干擾

在實(shí)際的工作現(xiàn)場(chǎng)，數(shù)控系統(tǒng)常常受到很多外部環(huán)境的干擾，可以采用硬件的方法來處理這些干擾，但會(huì)提高設(shè)計(jì)成本，很難獲得較好的解決方法。系統(tǒng)主要特點(diǎn)就是軟硬件非常緊密地設(shè)計(jì)在一起，軟件抗干擾設(shè)計(jì)在實(shí)際系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)中是非常重要的，大量實(shí)踐證明，它不僅可以節(jié)約設(shè)計(jì)成本，而且獲得的系統(tǒng)抗干擾效果也很好。

3.2 檢錯(cuò)及糾錯(cuò)編碼

在數(shù)控系統(tǒng)中，信息的傳輸及存儲(chǔ)都有可能發(fā)生錯(cuò)誤，尤其是在信息的傳輸過程中很容易受各種干擾的影響，使產(chǎn)生錯(cuò)誤的信息。為了減少或消除信息存儲(chǔ)或傳輸過程中的錯(cuò)誤，一般可以使用檢錯(cuò)或糾錯(cuò)的編碼方法，例如奇偶校驗(yàn)法、累加和校驗(yàn)、海明碼校驗(yàn)以及循環(huán)冗余校驗(yàn)碼等都是比較常用的方法。

3.3 容錯(cuò)技術(shù)

作為可靠性保障機(jī)制，容錯(cuò)的目的是使系統(tǒng)能夠在出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)繼續(xù)提供標(biāo)準(zhǔn)或降級(jí)服務(wù)。容錯(cuò)的基礎(chǔ)包括硬件冗余、軟件冗余和時(shí)間冗余。硬件冗余指對(duì)硬件模塊進(jìn)行物理備份；軟件冗余指系統(tǒng)中部分模塊出錯(cuò)時(shí)，其功能由其它功能相同的軟件模塊實(shí)現(xiàn)；時(shí)間冗余指系統(tǒng)為錯(cuò)誤處理和恢復(fù)操作使用預(yù)留空閑時(shí)間。隨著硬件可靠性的增長(zhǎng)和硬件容錯(cuò)技術(shù)的成熟，以及軟件應(yīng)用的飛速膨脹，影響系統(tǒng)可靠性的最主要的因素就是軟件錯(cuò)誤。

3.4 時(shí)間準(zhǔn)則

在工作過程中，有許多外設(shè)需要花費(fèi)一定的時(shí)間，系統(tǒng)與外設(shè)兩者的通訊比較多地采用查詢等待的方式，當(dāng)外設(shè)出現(xiàn)了永久性的硬件故障，意味著外設(shè)永遠(yuǎn)忙，那么工作結(jié)束的有效電平永遠(yuǎn)也不會(huì)出現(xiàn)，這樣查詢程序就陷入死循環(huán)，不會(huì)有任何提示給操作者或使用者，操作者對(duì)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)處于什么狀態(tài)就不清楚，就算能感覺到有問題存在，但并不清楚問題具體在哪，一般在軟件上采取一定措施該問題就很容易解決。

3.5 容錯(cuò)算法

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，算法的容錯(cuò)性從一開始的算法設(shè)計(jì)上就應(yīng)考慮使用。比較常用的算法容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法有：

3.5.1 數(shù)值運(yùn)算的容錯(cuò)。在設(shè)計(jì)算法時(shí)必須考慮整數(shù)運(yùn)算通常較浮點(diǎn)運(yùn)算的精度低，還應(yīng)對(duì)運(yùn)算的順序選擇得當(dāng)，減小誤差，以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

3.5.2 子程序設(shè)計(jì)。在標(biāo)準(zhǔn)化的子程序中，為了保證子程序及調(diào)用的正確性，要注重有關(guān)參數(shù)的傳遞和出錯(cuò)處理，防止因子程序出現(xiàn)錯(cuò)誤或缺陷，而產(chǎn)生很廣泛的影響。

3.5.3 程序回卷。為了消除由于暫時(shí)性干擾等原因引起的故障，必須在程序回卷之前，采取相應(yīng)措施對(duì)程序執(zhí)行是否有錯(cuò)進(jìn)行判斷，當(dāng)判定此次程序執(zhí)行有誤時(shí)才可以實(shí)行程序回卷。

4 結(jié)語

本文基于數(shù)控系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的任務(wù)以及設(shè)計(jì)原則，針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段和實(shí)現(xiàn)階段可靠性設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析，使其在實(shí)際數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到更好的應(yīng)用。

[1]吳義榮，何超龍.我國(guó)數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].現(xiàn)代制造，2004，31（08）：75-76.

[2]王濤.數(shù)控系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)理論和方法研究[D].天津大學(xué)博士學(xué)位論文，2008.

[3]邊述華.提高數(shù)控系統(tǒng)可靠性的探討[J].中國(guó)科技信息，2006，26（10）：103-104.

[4]王志良.提高數(shù)控系統(tǒng)可靠性的一些措施[J].機(jī)械制造，2009，29（09）：111-112.