基于故障樹(shù)分析法的數(shù)控機(jī)床故障診斷

栗 江

（廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院 廣東 廣州 510925）

數(shù)控機(jī)床是指應(yīng)用了數(shù)控技術(shù)對(duì)其加工過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制的機(jī)床，伴隨著中國(guó)制造業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)廣泛應(yīng)用于幾乎所有的制造行業(yè)。為了提高生產(chǎn)效率，其中之一就是要提高機(jī)床有效度，即當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí)，就要采取科學(xué)合理的方法找出故障點(diǎn)并排除故障，減少故障時(shí)間。故障樹(shù)分析（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）可進(jìn)行故障分析，尋找故障點(diǎn)和分析故障原因，是一種相當(dāng)有效的數(shù)控機(jī)床故障診斷方法。

1 故障樹(shù)分析法

故障樹(shù)分析法是一種由果到因的演繹分析方法，它是基于故障的層次特性及故障成因和后果的關(guān)系，將系統(tǒng)故障形成的原因由總體至部件按樹(shù)枝狀逐級(jí)細(xì)化的分析方法。

1.1 故障樹(shù)定義

故障樹(shù)分析中，把所研究系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)作為故障分析的目標(biāo)，這個(gè)最不希望發(fā)生的系統(tǒng)故障事件稱為頂事件。然后找出直接導(dǎo)致這一故障發(fā)生的全部因素，它可能是部件中硬件失效、人為差錯(cuò)、環(huán)境因素以及其它有關(guān)事件，把它們作為第二級(jí)。再找出造成第二級(jí)事件發(fā)生的全部直接因素作為第三級(jí)，如此逐級(jí)展開(kāi)，一直追溯到那些不能再展開(kāi)或毋需再深究的最基本的故障事件為止。這些不能再展開(kāi)或毋需再深究的最基本的故障事件稱為底事件，而介于頂事件和底事件之間的其它故障事件稱為中間事件。把頂事件、中間事件和底事件用適當(dāng)?shù)倪壿嬮T(mén)自上而下逐級(jí)連接起來(lái)所構(gòu)成的邏輯結(jié)構(gòu)圖就是故障樹(shù)。

1.2 建立故障樹(shù)的步驟

1）確定故障樹(shù)的頂事件。頂事件是系統(tǒng)級(jí)故障事件，對(duì)于數(shù)控機(jī)床故障，頂事件應(yīng)滿足：（1）頂事件的發(fā)生與否必須有明確的定義；（2）頂事件必須是能進(jìn)一步分解的，即可以找出使頂事件發(fā)生的次級(jí)事件；（3）頂事件必須能夠度量。

2）確定故障樹(shù)的邊界條件。故障樹(shù)邊界條件應(yīng)包括：（1）初始狀態(tài)應(yīng)指明與頂事件發(fā)生有關(guān)的部件的工作狀態(tài)。（2）不容許事件指建立故障樹(shù)過(guò)程中不容許發(fā)生的事件。（3）必然事件指系統(tǒng)工作時(shí)在一定條件下必然發(fā)生的事件和必然不發(fā)生的事件。

3）分析頂事件發(fā)生的原因。對(duì)于數(shù)控機(jī)床故障，頂事件發(fā)生的原因從三個(gè)方面來(lái)考慮：（1）系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行中的問(wèn)題。如設(shè)計(jì)或制造中的質(zhì)量問(wèn)題，運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短等。（2）外部環(huán)境對(duì)系統(tǒng)故障的影響。如數(shù)控機(jī)床所處環(huán)境的當(dāng)前空氣濕度、數(shù)控機(jī)床所處位置的電磁環(huán)境等。（3）人為失誤造成頂事件發(fā)生的可能性。如操作者的技術(shù)水平和熟練程度等。因此，使用故障樹(shù)分析數(shù)控機(jī)床故障，要求維修人員透徹地了解該數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣原理、操作方法，才能分析和推斷出所有造成頂事件發(fā)生的各種次級(jí)事件。對(duì)每一個(gè)次級(jí)事件再進(jìn)行類(lèi)似的分解，直到不能再分解的底事件為止。

4）逐層展開(kāi)建立故障樹(shù)。從頂事件開(kāi)始，逐級(jí)向下演繹分解展開(kāi)，直至底事件，建立所研究的系統(tǒng)故障和導(dǎo)致該系統(tǒng)故障諸因素之間的邏輯關(guān)系，并將這種關(guān)系用故障樹(shù)的圖形符號(hào)表示，構(gòu)成以頂事件為根，以若干中間事件和底事件為干枝和分枝的倒樹(shù)圖形。

5）化簡(jiǎn)故障樹(shù)。對(duì)初始繪出的故障樹(shù)進(jìn)行化簡(jiǎn)，去掉多余的邏輯事件，使頂事件和底事件之間呈簡(jiǎn)單的邏輯關(guān)系。

6）對(duì)故障樹(shù)作定性分析。尋找系統(tǒng)故障的割集和最小割集。系統(tǒng)故障是系統(tǒng)中全部最小割集的完整集合。最小割集就是數(shù)控機(jī)床的故障點(diǎn)。

7）對(duì)故障樹(shù)作定量分析。定量分析可以得到系統(tǒng)故障發(fā)生的概率、最不可靠割集和結(jié)構(gòu)的重要度等。最不可靠割集是發(fā)生概率最大的最小割集，也就發(fā)生概率最大的故障點(diǎn)。數(shù)控故障診斷中，應(yīng)該首先考慮修理該故障點(diǎn)。

2 故障樹(shù)分析法診斷數(shù)控機(jī)床故障

2.1 數(shù)控機(jī)床故障的特點(diǎn)

數(shù)控機(jī)床是典型的光機(jī)電一體化產(chǎn)品，它融入了機(jī)械制造技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和光電氣液技術(shù)，具有先進(jìn)性、復(fù)雜性和智能化特點(diǎn)，因此數(shù)控機(jī)床故障具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）數(shù)控機(jī)床故障遵循“馬鞍形”失效率曲線。在實(shí)際使用中，所有的數(shù)控機(jī)床都可認(rèn)為存在三種不同失效率區(qū)域。在數(shù)控機(jī)床安裝調(diào)試運(yùn)行初期（1區(qū)），失效率較高，這需要9～14個(gè)月的時(shí)間。有效壽命區(qū)（2區(qū)）是數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定使用區(qū)域，故障率一般較低，即使發(fā)生故障，也是偶然孤立的，而且多數(shù)是由于使用不當(dāng)引起的。衰老區(qū)（3區(qū)）是數(shù)控機(jī)床處于不可修復(fù)的損壞區(qū)域，失效率隨時(shí)間的延續(xù)而急劇增加，數(shù)控機(jī)床使用壽命達(dá)到極限。這時(shí)修復(fù)費(fèi)用極高，已失去維修的意義。

2）數(shù)控機(jī)床故障具有復(fù)雜性。數(shù)控機(jī)床自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了數(shù)控機(jī)床故障具有復(fù)雜性，盡管現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床普遍配置功能強(qiáng)大的自診斷系統(tǒng)，一旦數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)故障，系統(tǒng)報(bào)警提示用戶去修理。但并非所有的故障都可以如此輕易的排除，例如以下幾種故障：（1）通過(guò)報(bào)警提示找到的“故障點(diǎn)”卻正常工作，一時(shí)無(wú)法確定故障點(diǎn)。（2）修復(fù)一個(gè)故障點(diǎn)，但又出現(xiàn)了新的故障。（3）故障導(dǎo)致機(jī)床無(wú)法正常工作，但卻無(wú)任何報(bào)警提示。當(dāng)出現(xiàn)復(fù)雜性的故障時(shí)，采用故障樹(shù)分析法可以診斷出“故障點(diǎn)”。

2.2 故障樹(shù)分析法診斷實(shí)例

故障現(xiàn)象：數(shù)控銑床V600加工過(guò)程中出現(xiàn)Z向尺寸不穩(wěn)定，無(wú)任何報(bào)警顯示。

故障分析過(guò)程：影響數(shù)控銑床V600加工尺寸不穩(wěn)定的因素有很多，包括機(jī)械故障、電氣故障、系統(tǒng)軟參數(shù)故障和數(shù)控銑床的輔助控制部分故障。采用故障樹(shù)分析法分析該故障，頂事件是Z向加工尺寸不穩(wěn)定，中間事件是Z軸進(jìn)給機(jī)械故障、Z軸電氣故障、系統(tǒng)軟參數(shù)故障、輔助控制裝置故障，按照故障樹(shù)建立方法，畫(huà)出故障樹(shù)，定性分析得出最小割集為{JX1}、{JX2}、{JX3}、{JX4}、{JX5}、{DQ1}、{DQ2-1}、{DQ2-2}、{DQ2-3}、{DQ3}、{DQ4}、{DQ5}、{CS1}、{CS2}、{CS3}、{FZ1}、{FZ2}、{FZ3}，這些最小割集就是故障點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控機(jī)床各種類(lèi)型故障都可以采用故障樹(shù)分析法分析故障，尋找故障點(diǎn)。采用故障樹(shù)分析法，建立各種數(shù)控機(jī)床的故障分析庫(kù)，不但降低了設(shè)備維修難度，而且可減少維修人員，可有效解決數(shù)控機(jī)床設(shè)備故障后的修復(fù)問(wèn)題，提高設(shè)備的利用率。

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［2］劉永久.數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修技術(shù)：FANUC系統(tǒng)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010，2.

［3］趙太平.應(yīng)用故障樹(shù)分析法診斷數(shù)控車(chē)床故障[J].設(shè)備管理與維修，2007（1）.