基于故障樹分析法的數控機床故障診斷

栗 江

（廣州南洋理工職業學院 廣東 廣州 510925）

數控機床是指應用了數控技術對其加工過程進行自動控制的機床，伴隨著中國制造業的快速發展，數控機床已經廣泛應用于幾乎所有的制造行業。為了提高生產效率，其中之一就是要提高機床有效度，即當機床出現故障時，就要采取科學合理的方法找出故障點并排除故障，減少故障時間。故障樹分析（Fault Tree Analysis，FTA）可進行故障分析，尋找故障點和分析故障原因，是一種相當有效的數控機床故障診斷方法。

1 故障樹分析法

故障樹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系，將系統故障形成的原因由總體至部件按樹枝狀逐級細化的分析方法。

1.1 故障樹定義

故障樹分析中，把所研究系統最不希望發生的故障狀態作為故障分析的目標，這個最不希望發生的系統故障事件稱為頂事件。然后找出直接導致這一故障發生的全部因素，它可能是部件中硬件失效、人為差錯、環境因素以及其它有關事件，把它們作為第二級。再找出造成第二級事件發生的全部直接因素作為第三級，如此逐級展開，一直追溯到那些不能再展開或毋需再深究的最基本的故障事件為止。這些不能再展開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的邏輯門自上而下逐級連接起來所構成的邏輯結構圖就是故障樹。

1.2 建立故障樹的步驟

1）確定故障樹的頂事件。頂事件是系統級故障事件，對于數控機床故障，頂事件應滿足：（1）頂事件的發生與否必須有明確的定義；（2）頂事件必須是能進一步分解的，即可以找出使頂事件發生的次級事件；（3）頂事件必須能夠度量。

2）確定故障樹的邊界條件。故障樹邊界條件應包括：（1）初始狀態應指明與頂事件發生有關的部件的工作狀態。（2）不容許事件指建立故障樹過程中不容許發生的事件。（3）必然事件指系統工作時在一定條件下必然發生的事件和必然不發生的事件。

3）分析頂事件發生的原因。對于數控機床故障，頂事件發生的原因從三個方面來考慮：（1）系統在設計、制造和運行中的問題。如設計或制造中的質量問題，運行時間的長短等。（2）外部環境對系統故障的影響。如數控機床所處環境的當前空氣濕度、數控機床所處位置的電磁環境等。（3）人為失誤造成頂事件發生的可能性。如操作者的技術水平和熟練程度等。因此，使用故障樹分析數控機床故障，要求維修人員透徹地了解該數控機床的機械結構、電氣原理、操作方法，才能分析和推斷出所有造成頂事件發生的各種次級事件。對每一個次級事件再進行類似的分解，直到不能再分解的底事件為止。

4）逐層展開建立故障樹。從頂事件開始，逐級向下演繹分解展開，直至底事件，建立所研究的系統故障和導致該系統故障諸因素之間的邏輯關系，并將這種關系用故障樹的圖形符號表示，構成以頂事件為根，以若干中間事件和底事件為干枝和分枝的倒樹圖形。

5）化簡故障樹。對初始繪出的故障樹進行化簡，去掉多余的邏輯事件，使頂事件和底事件之間呈簡單的邏輯關系。

6）對故障樹作定性分析。尋找系統故障的割集和最小割集。系統故障是系統中全部最小割集的完整集合。最小割集就是數控機床的故障點。

7）對故障樹作定量分析。定量分析可以得到系統故障發生的概率、最不可靠割集和結構的重要度等。最不可靠割集是發生概率最大的最小割集，也就發生概率最大的故障點。數控故障診斷中，應該首先考慮修理該故障點。

2 故障樹分析法診斷數控機床故障

2.1 數控機床故障的特點

數控機床是典型的光機電一體化產品，它融入了機械制造技術、自動化技術、計算機技術、傳感器技術、信息處理技術和光電氣液技術，具有先進性、復雜性和智能化特點，因此數控機床故障具有如下幾個特點：

1）數控機床故障遵循“馬鞍形”失效率曲線。在實際使用中，所有的數控機床都可認為存在三種不同失效率區域。在數控機床安裝調試運行初期（1區），失效率較高，這需要9～14個月的時間。有效壽命區（2區）是數控機床的穩定使用區域，故障率一般較低，即使發生故障，也是偶然孤立的，而且多數是由于使用不當引起的。衰老區（3區）是數控機床處于不可修復的損壞區域，失效率隨時間的延續而急劇增加，數控機床使用壽命達到極限。這時修復費用極高，已失去維修的意義。

2）數控機床故障具有復雜性。數控機床自身結構的復雜性決定了數控機床故障具有復雜性，盡管現代數控機床普遍配置功能強大的自診斷系統，一旦數控機床出現故障，系統報警提示用戶去修理。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）通過報警提示找到的“故障點”卻正常工作，一時無法確定故障點。（2）修復一個故障點，但又出現了新的故障。（3）故障導致機床無法正常工作，但卻無任何報警提示。當出現復雜性的故障時，采用故障樹分析法可以診斷出“故障點”。

2.2 故障樹分析法診斷實例

故障現象：數控銑床V600加工過程中出現Z向尺寸不穩定，無任何報警顯示。

故障分析過程：影響數控銑床V600加工尺寸不穩定的因素有很多，包括機械故障、電氣故障、系統軟參數故障和數控銑床的輔助控制部分故障。采用故障樹分析法分析該故障，頂事件是Z向加工尺寸不穩定，中間事件是Z軸進給機械故障、Z軸電氣故障、系統軟參數故障、輔助控制裝置故障，按照故障樹建立方法，畫出故障樹，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。

3 結語

數控機床各種類型故障都可以采用故障樹分析法分析故障，尋找故障點。采用故障樹分析法，建立各種數控機床的故障分析庫，不但降低了設備維修難度，而且可減少維修人員，可有效解決數控機床設備故障后的修復問題，提高設備的利用率。

［1］張梅軍.機械狀態檢測與故障診斷[M].北京：國防工業出版社，2008，3.

［2］劉永久.數控機床故障診斷與維修技術：FANUC系統[M].2版.北京：機械工業出版社，2010，2.

［3］趙太平.應用故障樹分析法診斷數控車床故障[J].設備管理與維修，2007（1）.