淺析數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)化機(jī)械故障診斷研究

朱連芳

摘要：在機(jī)電一體化設(shè)備中，數(shù)控機(jī)床是最重要設(shè)備，在一定領(lǐng)域（如技術(shù)密集型產(chǎn)品方面）具有廣泛運(yùn)用。由于其作為生產(chǎn)中的最關(guān)鍵設(shè)備，當(dāng)其任何部分出現(xiàn)這樣和那樣的問(wèn)題，都會(huì)直接影響企業(yè)正常的運(yùn)營(yíng)，給企業(yè)造成無(wú)關(guān)的損失，如果厲害的話，甚至?xí)绊懙絺€(gè)人的安全，因此，提高數(shù)控機(jī)床的使用效率和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，保障數(shù)控機(jī)床安全、可靠、高效的運(yùn)行，就顯得尤為重要。本文就針對(duì)數(shù)控機(jī)床的機(jī)械故障，進(jìn)行一定的分析，通過(guò)采用網(wǎng)絡(luò)集成的方法（基于Web的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)集成），來(lái)對(duì)其機(jī)械故障進(jìn)行處理，使得設(shè)備能夠有效運(yùn)轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵字：數(shù)控機(jī)床；機(jī)械故障；專家系統(tǒng)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)化

1 引言

由于數(shù)控機(jī)床具有提高零件的加工精度、穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量、提高產(chǎn)品的生產(chǎn)率、可適應(yīng)不同品種及尺寸規(guī)格零件的自動(dòng)加工等優(yōu)點(diǎn)，因此其運(yùn)用越來(lái)越廣泛，已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平和綜合科技水平的重要標(biāo)志。數(shù)控機(jī)床對(duì)大中型企業(yè)來(lái)說(shuō)，是其最重要的設(shè)備，如果其任何部分出現(xiàn)故障，其就會(huì)導(dǎo)致精度減低，嚴(yán)重的話，使企業(yè)停頓，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失更大，進(jìn)而對(duì)相關(guān)人員的安全造成危害。在一方面，數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)就是先進(jìn)、復(fù)雜和智能化，當(dāng)其出現(xiàn)故障后，維修也相對(duì)困難，因此對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械故障診斷進(jìn)行分析研究就顯得非常迫切。

2 診斷故障系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理

2.1專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)涵

1）專家系統(tǒng)的基本原理；具有獲取、處理、存儲(chǔ)和使用知識(shí)的特點(diǎn)的系統(tǒng)叫做專家系統(tǒng)（可以進(jìn)行知識(shí)處理），其主要包括知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)獲取模塊、解釋程序和人機(jī)接口等方面組成。

2）專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合；盡管在運(yùn)用方面，專家系統(tǒng)取得了不小的成就，但是，其在模擬人類抽象思維方面也有著明顯的缺陷，這些缺陷主要有：（1）存在“瓶頸”問(wèn)題；（2）推理能力弱；（3）自學(xué)習(xí)能力差；（4）存在“窄臺(tái)階效應(yīng)”。

3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)主要有以下七部分組成，具體如：（1）一組處理單元（讓相關(guān)單元可以激活）；（2）輸出函數(shù)（由處理單元進(jìn)行輸送）；（3）銜接模式（主要處理單元之間的鏈接問(wèn)題）；（4）一定規(guī)則進(jìn)行傳遞；（5）一定規(guī)則進(jìn)行激活（輸入處理單元和當(dāng)前狀態(tài)結(jié)合規(guī)則）；（6）一定的學(xué)習(xí)規(guī)則（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行聯(lián)接）；（7）系統(tǒng)所需要的環(huán)境。

2.2專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合

2.2.1對(duì)專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較

根據(jù)其二者不同的定義、結(jié)構(gòu)及工作原理，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)是兩種截然不同的技術(shù)：其主要區(qū)別有：（1）知識(shí)獲取不同；（2）知識(shí)表示不同；（3）推理形式不同。

2.2.2 對(duì)專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性進(jìn)行分析

二者存在的特點(diǎn)各不相同，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)在其各自的領(lǐng)域都運(yùn)用較為廣泛，但同時(shí)在滿足設(shè)備故障診斷任務(wù)方面又各自存在著的局限性，因此就需要讓其二者有效結(jié)合起來(lái)，其結(jié)合方式主要有：（1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)共存于一個(gè)系統(tǒng)中；（2）使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)造專家系統(tǒng)。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的類型選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同選擇類型

由于徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)具有確定自適應(yīng)、輸出與初始權(quán)值無(wú)關(guān)等各種優(yōu)點(diǎn)，因此其在擬合多維曲面、重構(gòu)自由曲面和故障診斷等方面有著巨大的運(yùn)用。因此認(rèn)為徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是最好的。

2.3.2 隱層神經(jīng)元的設(shè)計(jì)

提取并存儲(chǔ)內(nèi)在規(guī)律，使每個(gè)隱層神經(jīng)元都有不同的權(quán)值，同時(shí)每個(gè)權(quán)值都相對(duì)應(yīng)著一個(gè)參數(shù)（增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)映射能力）。

2.4基于web的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)

對(duì)現(xiàn)代信息傳輸載體（比如Internet）進(jìn)行有效利用，可以較快地傳遞和收集相關(guān)故障信息，高效提高診斷故障的能力，使數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)者和使用者更好地參與進(jìn)來(lái)，以期得到更合理的措施。

3 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原則

3.1網(wǎng)絡(luò)化專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

其設(shè)計(jì)的原則主要有以下幾方面，具體如下：（1）模塊化原則。（2）實(shí)用性原則。（3）可擴(kuò)充原則。（4）安全性原則。（5）統(tǒng)一性與簡(jiǎn)單性原則。

3.2專家系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)

新用戶首次登陸必須要通過(guò)注冊(cè)模塊先進(jìn)行注冊(cè)，老用戶可以直接登陸，登陸又分為管理員和普通用戶登陸，只有管理員有權(quán)利處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)故障診斷模塊對(duì)相應(yīng)故障進(jìn)行診斷，其功能模塊主要主軸、進(jìn)給系統(tǒng)、刀庫(kù)刀和輔助裝置等幾部分組成。

3.3系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境

1）Web服務(wù)器的選取；通過(guò)Windows操作系統(tǒng)，發(fā)揮在PC界的優(yōu)勢(shì)，推出的IIS成為目前運(yùn)用最廣泛的服務(wù)器，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，也是目前用戶最好的選擇。

2）后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的選取；通過(guò)分析研究，同時(shí)結(jié)合Access的特性、相關(guān)程序的匹配性和開(kāi)發(fā)者的業(yè)務(wù)水平，本文的系統(tǒng)選取Access最為合適。

3.4系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

3.4.1 服務(wù)器相應(yīng)的軟件環(huán)境

操作系統(tǒng)：Windows XP Server/Professional；服務(wù)器：IIS6.0；數(shù)據(jù)訪問(wèn)：ADO -ActiveX Data Objects；數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)：ACCESS

3.4.2 客戶自己機(jī)器所對(duì)應(yīng)的軟件

操作系統(tǒng)：Windows 98/2000/xp，瀏覽器：IE5.0以上，MATLAB6.5以上版本。

3.5開(kāi)發(fā)相應(yīng)工具分析

目前開(kāi)發(fā)工具主要有以下兩種形式：（1）網(wǎng)絡(luò)化專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具：具體采用FrontPage。（2）徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)工具：具體采用MATLAB程序控制。

4 系統(tǒng)的研究與實(shí)施

4.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要采用一個(gè)并列協(xié)調(diào)式（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)并存）。兩者分別處理各自不同的知識(shí)，管理著不同的模塊，分別處理各自不同的功能，但是也可以進(jìn)行聯(lián)合診斷。

4.2知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)直接把數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)作為知識(shí)庫(kù)的重要組成部分，一方面通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)象來(lái)處理知識(shí)，另一方面，用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)對(duì)相關(guān)知識(shí)的存儲(chǔ)、編輯、刪改、更新查詢和安全保護(hù)等功能進(jìn)行有效管理。

4.3推理機(jī)的研究與實(shí)實(shí)施

通過(guò)模擬專家的思維模式，對(duì)相應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行控制和研究，這是推理機(jī)的主要功能。結(jié)合目前已知的事實(shí)，通過(guò)知識(shí)庫(kù)，按照一定的規(guī)則和方法，進(jìn)行推理分析，再對(duì)其修正，得到最終的結(jié)果。

4.4解釋模塊及人機(jī)界面

解釋功能作為數(shù)控機(jī)床機(jī)械故障診斷系統(tǒng)最主要的功能，其主要具有向用戶、遠(yuǎn)程用戶、領(lǐng)域?qū)＜液椭R(shí)工程師解釋相關(guān)的問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)。目前的人機(jī)界面都需要通過(guò)ASP編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要采用中文視窗的的模式，這樣比較簡(jiǎn)單明了，更容易實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

4.5徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷

當(dāng)專家系統(tǒng)部分得出的初期診斷結(jié)果不能使用戶滿意那么就需要進(jìn)行進(jìn)一步的深層次診斷。采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深層次的定量診斷。

5 結(jié)論

由于現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床的技術(shù)和水平的快速提高，其相應(yīng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度進(jìn)一步提高，功能也越來(lái)越多，這樣就是的設(shè)備出現(xiàn)的問(wèn)題概率大大增加，因此針對(duì)數(shù)控機(jī)床存在的機(jī)械故障進(jìn)行分析研究，提出采用網(wǎng)絡(luò)化對(duì)其故障進(jìn)行控制的方法，以期更好地服務(wù)相關(guān)公司，為之后出現(xiàn)的機(jī)械故障提供一定的參考。

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