數控機床智能故障診斷技術研究

劉瑞已

(湖南工業職業技術學院，湖南 長沙 410208)

0 引言

我國的數控機床作為一種高技術精度、尖端的機械設備，廣泛應用于許多企業的關鍵機械零件的加工中。但是，如果不及時發現機械存在的故障，就可能直接導致關鍵工件全部報廢，威脅到操作人員的人身安全，降低中小企業的實際生產效率，進而增加中小企業的實際生產成本。因此，對數控機床機械智能故障檢測診斷等新技術的深入研究以及應用開發，不僅對推動我國數控機床的各項核心技術研究和新領域的發展具有重要的戰略意義，還對裝備制造業的發展有很大的幫助。

1 數控機床常見的故障

1.1 斷路故障問題

斷路元件的故障是目前數控機床常見的各種電氣安全故障之一。這種斷路元件故障的具體形成原因主要包括接觸器上的接觸面因長時間的點火燃燒而出現嚴重的過氧化、電器接線不夠可靠或者電器元件發生燒壞等問題，導致出現斷路故障[1]。如果一臺好的數控機床在實際運行過程中，沒有及時發現存在的工作故障，那么可根據一臺數控機床的實際元件工作情況，初步判斷故障是否為數控機床元件在實際工作運行中的斷路故障。在工作中建議用萬用表、電阻器、調壓器等各種專業機床斷路故障檢測設備，對一臺數控機床電器的元件進行機床斷路故障檢測，從而可以初步判斷斷路故障的原因。

具體的操作方法主要是：用無阻線路上的電阻器軟件自動檢查電路系統，判斷整個電路系統的電源是否完全自動斷開。同時，參考國際有關無阻電路設計工作原理以及流程圖，根據實際需要計算測量整個線路系統的電阻值，采用一個電路分段進行電阻測量的電路計算操作方法，準確定位斷路故障位置。此外，短路也是一種判斷是否為斷路故障的方法。通過短路檢測，可以檢測機床故障的各個區段的電阻值是否正常。如果短路檢測后該段機床內部故障完全消除，則該段為機床故障觸發點。如果機床故障仍繼續存在，則該段需要進一步檢測，直至找到機床故障的確切位置。

1.2 開關與控制器故障問題

如果觸點發生燒壞，將導致整個數控機床電氣系統的數控開關與多個控制器接觸不良，從而直接導致多個控制器的功能同時失效，對整個數控機床的正常運行產生很大的影響。為了有效解決這個技術問題，就需要考慮選擇一個設備能同時承受大容量負載的數控開關。根據目前的機床實踐經驗，電路技術故障的發生概率與設備使用這種繼電器的設備數量是相關的，特別是已經維修過的機械部件以及不經常進行維修的機械部件，很容易發生這種電氣技術故障。這種類型的電氣技術故障大多數都是由于企業缺乏相關專業的電氣技術人員，導致設備操作中的電氣隱患不能及時被發現、消除。一旦設備發生這種電氣故障，就可能會對整個數控機床的運行產生很大的影響[2]。

2 智能故障診斷技術的研究現狀

當前，數控機床的智能故障分析診斷主要面臨以下幾個問題：機床故障的診斷位置不明顯，不易及時發現，容易發生誤診；機床的加工生產環境復雜，故障診斷信息分析獲取比較復雜，操作人員發生智能故障的誤判概率高；目前對數控機床智能故障分析診斷的技術認識尚不全面。而根據國內外故障研究發展現狀，數控機床的智能故障分析診斷技術的應用研究主要包括以下4個方面：(1)機床智能故障診斷系統方法的應用研究；(2)智能診斷系統管理體系智能結構化研究；(3)診斷系統智能集成管理技術化研究；(4)智能故障診斷機理與機床故障診斷模型化研究。

2.1 智能化的診斷分析方法

2.1.1 故障樹分析法

故障處理樹的系統分析法主要是從機床整體到局部，逐步分析和準確排除各種可能引起各類機床系統故障的主要因素。利用故障樹系統分析可以檢查機床系統軟硬件上的故障和一些人為因素，也可以檢查單個不同部件故障所引起的機床系統故障，同時分析兩個或多個不同部件故障引起的機床系統故障的主要原因。該方法是一種綜合性地考慮機床系統故障發生原因的技術分析方法，缺點主要是系統故障發生的機理不明確，構建系統故障分析樹的部件冗余樹復雜，比較適合于常規部件故障樹的診斷，無法及時發現個別特殊部件故障。

2.1.2 單一功能監測法

單一功能的機床故障信號監測是通過整個機床故障傳感器，直接檢測采集整個機床各主要功能部件在日常運行以及維護數據信息中的管理信號，如整個機床的工作溫度、功率、聲音、激光發射和振動等，建立相應的機床故障數學特征信號處理模型，對模型數據進行數學邏輯分析，提取并處理整個機床出現故障時的主要特征信號，這樣可以幫助用戶判斷整個機床的內部環境是否真正存在故障以及整個機床主要故障的具體位置。其主要優點是通過機床傳感器，容易直接檢測機床外部環境的各種外力干擾；缺點是通過機床接收器采集整個特征處理信號復雜且不完整，信號模型采集的特征處理方法工作效率不高，容易對機床的主要部件故障特征信號模型發生誤判，或機床故障發生后未能及時發現。

2.1.3 模式識別與訓練模型的應用

模式識別與訓練樣本模型的主要應用范圍是指通過建立一套廣泛的數控機床實驗故障測試樣本的模型數據庫，并利用目前已知的各種數控機床實驗故障樣本，建立機床神經網絡、支持機和向量機等訓練模型，并充分利用它們的功能，快速準確地判斷數控機床測試是否存在實驗故障。但是，該訓練方法的主要缺點之一是不能對數控機床的實驗故障樣本位置數據進行準確判斷[3]。同時，由于數控機床設備制造成本高，且機床測試實驗樣本模型建立困難，不能同時收集大量的測試樣本數，并對模型數據進行識別訓練。

2.2 診斷系統的架構研究

診斷系統的基礎架構主要分為在線集中式和分布式兩種實現形式。一是采用在線實時智能診斷與離線精密智能診斷相結合的一種模塊化系統結構。目前，設備遠程網絡故障智能診斷的基礎研究大致包括以下幾個方面：基于Web的智能網絡故障智能診斷網絡知識庫以及基于智能網絡分析與故障診斷網絡技術的基礎研究，其主要領域包括基于Web的網絡智能故障診斷應用分析系統、基于典型案例的專家系統等；基于圖形化編程語言的遠程監控軟件研究、專家咨詢環境研究。

2.3 診斷系統的集成技術研究

目前，數控機床智能故障診斷系統的網絡集成信息技術主要體現在以下4個方面：(1)過程信息的集成，即機床故障分析診斷解決過程，在各個環節的信息集成；(2)故障分析診斷解決方法的信息集成，聯合機床的應用診斷系統，即集成多種機床的智能故障診斷解決方法，集成多種機床故障分析診斷模型、故障分析診斷過程推理分析策略或診斷方法；(3)基礎信息表達集成，即對不同的故障診斷過程數據、診斷基礎知識及其應用相應的信息表達方法信息進行合理、綜合的分析應用；(4)基礎網絡化信息集成，即信息共享集成(從現場機床故障檢測診斷分析到遠程機床故障分析診斷的基礎網絡和信息資源)。

2.4 數控機床故障機理及故障模型研究分析

通過高效的診斷方法，最能反映具體數控機床的關鍵設備運行狀態(靜態)和實際運行系統狀態(或動態)，其主要特征診斷量或故障診斷量的知識，并據此建立相應的動態故障診斷模型。目前相關技術研究重點一般集中在以下3個方面：(1)深入研究反映數控機床具體關鍵部件的動態故障模型診斷，如解析器、刀具等。相應的故障診斷技術方法主要包括信號傳感器診斷技術、信號監測處理與信息分析診斷技術和多媒體傳感器融合診斷技術。(2)通過一定的信號監測和分析診斷模型，可以實現故障狀態的特征判斷和相關故障狀態預測；根據故障診斷預測對象的系統結構和診斷功能，結合不同故障狀態特征和診斷現象以及相關領域專家的故障狀態診斷實踐經驗，采用基于系統模型的診斷方法，設計構建一套故障狀態診斷系統技術知識庫。(3)從整個設備制造生產過程的角度出發，關注故障狀態變化的形成原因及與診斷結果之間的相互關系，建立一套相關的故障仿真診斷模型，如pepetri網、有向圖仿真模型等。

3 數控機床智能故障診斷技術研究存在的問題

國內外學者在數控機床故障診斷方面付出了大量的時間，目的就是可以在這個行業中取得顯著的成果。雖然目前依舊有提升的空間，但是智能故障分析診斷行業一直在不斷進步。

3.1 缺乏相關的知識表示和獲取的研究

知識庫中的知識十分多變，并且其結構也非常復雜，知識獲取途徑各異，容易產生知識孤島，需要對診斷知識進行正確表示和獲取。

3.2 故障診斷系統的推理策略不夠靈活

現階段最常用的故障診斷系統是根據以往的案例進行，其診斷方式過于簡單，應該根據實際故障問題和現象制定推理機制。

3.3 缺少統一的平臺

遠程診斷系統對于故障診斷有著非常明顯的幫助，但是想要讓遠程診斷系統切實落實到數控機床的故障診斷中，需要建設統一的系統平臺。

3.4 缺少合理的集成架構

集成化診斷思想還不成熟，故障診斷體系的通用型智能化與實施方法研究還沒有形成明確的研究目標。面對故障問題沒有完善的故障信號處理方法，現階段的研究僅限于對設備某一局部用某種方式實現，缺乏使用的故障信號處理方法。

4 數控機床在智能故障分析診斷技術研究中的應用

基于國內外有關數控機床的研究，本文在智能系統故障分析診斷系統技術的創新研究發展現狀的基礎上，對我國數控機床智能故障分析診斷技術的未來研究方向進行了一定的分析預測，主要包括以下幾個方面。

智能故障分析診斷系統采用一種新的知識語言表示與信息獲取解決方法，如將各種知識電子工程理論中的系統本體知識概念，重新引入數控機床系統故障的分析診斷領域，為診斷系統之間的交互操作以及應用提供良好的理論基礎；分布式、網絡化一直是智能故障診斷技術發展的大方向[4]。近年來，智能故障診斷系統的網絡結構已從橫向集中式的網絡，發展轉變到分布式和縱向網絡化。而基于Web的多臺數控機床智能故障分析診斷系統，能夠大大地提高自身的應用性能，能夠使其成為未來的發展趨勢。為了提高機床智能故障分析診斷系統的功能可持續擴展性以及系統可持續重構性，采用一套智能故障分析診斷的信息分層處理模型，可以形成一套分布式的智能故障信息采集和數據處理模式，逐步將其集成起來，形成一套全局性的故障分析診斷系統。近年來，人工神經網絡、遺傳算法、模糊邏輯決策、多媒體傳感器技術融合等，這些在智能故障診斷中的應用尤為普遍。未來將在此基礎上開展綜合診斷技術的研究，從而為我國數控機床的智能故障檢測診斷理論技術研究打下堅實的基礎。

5 結語

數字控制機床是一種具有程序控制系統的自動化機床。隨著社會發展腳步的加快，數控機床在機械制造業中的地位越來越高。數控機床故障診斷及維護是機床調試和使用過程中的重要組成。對此本文重點總結了數控機床智能故障修復診斷技術的研究現狀和國內數控機床智能故障修復診斷的技術特點，發現了一些可能存在的技術問題，展望了未來國內數控機床故障智能系統修復診斷領域的研究工作重點和發展方向。