數(shù)控系統(tǒng)可靠性設(shè)計要點分析

徐曉萍

（江蘇廣播電視大學(xué)江都學(xué)院，江蘇 江都 225200）

前言

我國要加速經(jīng)濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進制造技術(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)國內(nèi)國際市場，我國應(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[1]。

1 可靠性設(shè)計的目的和任務(wù)

可靠性設(shè)計的目的是指通過專門設(shè)計技術(shù)的采用，使產(chǎn)品在壽命周期內(nèi)達到規(guī)定的可靠性要求，同時還要對產(chǎn)品性能、可靠性、費用和時間等因素進行綜合考慮。

實現(xiàn)可靠性設(shè)計的目的就是可靠性設(shè)計的任務(wù)。可靠性設(shè)計包括在新產(chǎn)品的研制和開發(fā)中按照給定的要求設(shè)計和對現(xiàn)有定型產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)加以改進、提高可靠性這兩方面。進行數(shù)制系統(tǒng)設(shè)計時，設(shè)計者應(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)正常工作時的可靠性也是判斷控制方案的優(yōu)劣的標準。進行數(shù)制系統(tǒng)可靠性設(shè)計時，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在一定約束條件下達到最優(yōu)的問題。

2 可靠性設(shè)計中應(yīng)遵循的基本準則

2.1 可靠性指標和可靠性評估方案要明確。

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)計的各個環(huán)節(jié)。

2.3 針對產(chǎn)品在壽命周期內(nèi)可能出現(xiàn)故障模式進行有針對性的設(shè)計。

2.4 采用成熟和可靠的標準零部件、元器件和材料，先進的設(shè)計原理和技術(shù)進行設(shè)計。

2.5 作出最佳設(shè)計方案時要權(quán)衡產(chǎn)品的性能、可靠性、費用、時間等各因素。

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，簡化設(shè)計方案。

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

2.8 進行防誤設(shè)計，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 進行失效安全設(shè)計，產(chǎn)品在設(shè)備或系統(tǒng)發(fā)生故障時能夠依靠自身結(jié)構(gòu)確保安全。

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

3 可靠性設(shè)計要點分析

由于在整個數(shù)控系統(tǒng)的可靠性設(shè)計中，系統(tǒng)的詳細設(shè)計和實現(xiàn)階段占有很重要的位置，功能分析和概要設(shè)計一切成果的保證和實現(xiàn)都要通過這個階段的分析，規(guī)劃和設(shè)計來完成[2]。

3.1 抗干擾

在實際的工作現(xiàn)場，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，但會提高設(shè)計成本，很難獲得較好的解決方法。系統(tǒng)主要特點就是軟硬件非常緊密地設(shè)計在一起，軟件抗干擾設(shè)計在實際系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計中是非常重要的，大量實踐證明，它不僅可以節(jié)約設(shè)計成本，而且獲得的系統(tǒng)抗干擾效果也很好。

3.2 檢錯及糾錯編碼

在數(shù)控系統(tǒng)中，信息的傳輸及存儲都有可能發(fā)生錯誤，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)生錯誤的信息。為了減少或消除信息存儲或傳輸過程中的錯誤，一般可以使用檢錯或糾錯的編碼方法，例如奇偶校驗法、累加和校驗、海明碼校驗以及循環(huán)冗余校驗碼等都是比較常用的方法。

3.3 容錯技術(shù)

作為可靠性保障機制，容錯的目的是使系統(tǒng)能夠在出現(xiàn)錯誤時繼續(xù)提供標準或降級服務(wù)。容錯的基礎(chǔ)包括硬件冗余、軟件冗余和時間冗余。硬件冗余指對硬件模塊進行物理備份；軟件冗余指系統(tǒng)中部分模塊出錯時，其功能由其它功能相同的軟件模塊實現(xiàn)；時間冗余指系統(tǒng)為錯誤處理和恢復(fù)操作使用預(yù)留空閑時間。隨著硬件可靠性的增長和硬件容錯技術(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誤。

3.4 時間準則

在工作過程中，有許多外設(shè)需要花費一定的時間，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)永遠忙，那么工作結(jié)束的有效電平永遠也不會出現(xiàn)，這樣查詢程序就陷入死循環(huán)，不會有任何提示給操作者或使用者，操作者對現(xiàn)在計算機處于什么狀態(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 容錯算法

在進行系統(tǒng)設(shè)計時，算法的容錯性從一開始的算法設(shè)計上就應(yīng)考慮使用。比較常用的算法容錯設(shè)計方法有：

3.5.1 數(shù)值運算的容錯。在設(shè)計算法時必須考慮整數(shù)運算通常較浮點運算的精度低，還應(yīng)對運算的順序選擇得當(dāng)，減小誤差，以滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

3.5.2 子程序設(shè)計。在標準化的子程序中，為了保證子程序及調(diào)用的正確性，要注重有關(guān)參數(shù)的傳遞和出錯處理，防止因子程序出現(xiàn)錯誤或缺陷，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)措施對程序執(zhí)行是否有錯進行判斷，當(dāng)判定此次程序執(zhí)行有誤時才可以實行程序回卷。

4 結(jié)語

本文基于數(shù)控系統(tǒng)可靠性設(shè)計的任務(wù)以及設(shè)計原則，針對數(shù)控系統(tǒng)的詳細設(shè)計階段和實現(xiàn)階段可靠性設(shè)計要點進行了分析，使其在實際數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計中得到更好的應(yīng)用。

[1]吳義榮，何超龍.我國數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[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].機械制造，2009，29（09）：111-112.