本文研究數(shù)控機床常見故障診斷專家系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計思路。運用故障樹分析法FTA(Fault Tree Analysis)建立數(shù)控機床主要故障部位的故障樹，通過Access建立故障數(shù)據(jù)庫，并采用Visual Basic 6.0來開發(fā)設(shè)計數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)，可為機床故障診斷與維修提供幫助。

　　數(shù)控機床故障診斷的必要性

　　數(shù)控機床故障，就是數(shù)控機床全部或者部分喪失了規(guī)定的功能。由于數(shù)控系統(tǒng)種類繁多、功能增強、形式多樣，同時涉及電子、機械、液壓、氣動和光學(xué)多個方面，給維修和診斷帶來了許多困難。一旦發(fā)生故障，專業(yè)技術(shù)人員很難在短時間內(nèi)判斷出故障原因，更難以排除和維修，給加工生產(chǎn)帶來很多不便。如何在較短的時間里對數(shù)控機床所發(fā)生的故障做出準(zhǔn)確判斷，查明故障部位，找出故障原因和排除方法，是數(shù)控機床故障診斷研究的重點〔1〕。

　　系統(tǒng)作故障檢測和診斷的最終目的是使系統(tǒng)能長期可靠工作。由于新技術(shù)廣泛使用，系統(tǒng)規(guī)模越來越大，人們對可靠性問題的重視也與日俱增。可以這么認(rèn)為：沒有故障診斷，就沒有可靠性，就沒有自動化〔2〕。

　　數(shù)控機床故障診斷方法

　　數(shù)控機床廣泛應(yīng)用以來，故障診斷與排除方法一直受到關(guān)注，也探索出許多故障診斷方法。國內(nèi)外已將一些新的概念和方法引入到診斷領(lǐng)域。1990年Majstorvic對診斷與維修專家系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)、評論，剖析并列舉了典型的維修專家系統(tǒng)和它們的應(yīng)用范圍。Tor Guimaraes在分析了機床專家系統(tǒng)需求、實例后，提出了設(shè)計建立機床專家系統(tǒng)的成功因素，這些研究使故障診斷技術(shù)突破傳統(tǒng)的故障診斷方法，以知識和經(jīng)驗為基礎(chǔ)的智能檢測和診斷技術(shù)已經(jīng)得到重視和應(yīng)用，一種能為機床維修、操作人員提供幫助的故障診斷專家系統(tǒng)應(yīng)運而生。

　利用專家系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)設(shè)計數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)，可為現(xiàn)場技術(shù)維修人員快速完成故障定位并進(jìn)行故障維修提供幫助。

　　故障樹分析法表達(dá)數(shù)控機床的故障

　　故障樹分析法FTA

　　故障樹分析法(FTA)是研究引起系統(tǒng)發(fā)生故障這一事件的各種直接或間接的原因，在這些原因間建立邏輯關(guān)系，并用邏輯框圖表示的一種方法〔1〕。故障樹以圖形化的方式表示一個系統(tǒng)內(nèi)故障或其它事件之間的交互關(guān)系。

　　基于FTA數(shù)控機床故障表達(dá)實例

　　以某數(shù)控機床自動換刀裝置(ATC)的“刀庫與機械手故障”為分析對象，介紹故障樹分析方法在數(shù)控機床故障診斷中的應(yīng)用。

　　本例中的頂事件T為“刀庫與機械手故障”。

　　中間事件：S1-刀套不能夾緊刀具;S2-刀庫不能旋轉(zhuǎn);S3-刀具脫落;S4-換刀時掉刀;S5-換刀速度不正常;S6-液壓故障;S7-氣壓故障。底事件X1、X2為導(dǎo)致S1發(fā)生的原因事件;X3為導(dǎo)致S2發(fā)生的原因事件;X4-X6為導(dǎo)致S3發(fā)生的原因事件;X7-X9為導(dǎo)致S4發(fā)生的原因事件;X10-X13為導(dǎo)致S5發(fā)生的原因事件(圖1)。

　　按照故障發(fā)生的部位建立故障數(shù)據(jù)表，包括數(shù)控系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、PLC、機械結(jié)構(gòu)等，根據(jù)故障發(fā)生的現(xiàn)象初步判定故障發(fā)生的部位，選擇對應(yīng)的故障現(xiàn)象，分析該故障現(xiàn)象可能發(fā)生的故障原因，得出相應(yīng)的處理方法，逐步排除，縮小故障發(fā)生的原因，最終確定故障發(fā)生的原因，找到故障處理方法〔3〕。故障原因表的結(jié)構(gòu)見表1。

　　故障樹分析法與診斷專家系統(tǒng)之間的聯(lián)系

　　從診斷專家系統(tǒng)和故障樹的產(chǎn)生和作用來看，二者是有一定的聯(lián)系的〔4〕。故障樹是圖形化的用于可靠性分析和故障診斷的系統(tǒng)故障模型，而診斷專家系統(tǒng)的任務(wù)是當(dāng)系統(tǒng)失效時綜合利用各種診斷信息，依據(jù)知識庫中的知識，通過推理確定系統(tǒng)的故障模式，找出故障源和故障原因，并給出排除故障的方法和建議。

　　通過運用故障樹分析法對所建的故障樹進(jìn)行定性分析，將簡化的等效故障樹用于專家系統(tǒng)知識庫的建立，不僅可以解決診斷知識獲取的難題，而且可以簡化知識庫，降低冗余，便于推理機制的實現(xiàn)。

　　通過利用故障樹來形成專家系統(tǒng)的這一方法不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且所需投資小，這種形式的專家系統(tǒng)在工廠企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

　　故障診斷系統(tǒng)及其實現(xiàn)

　　系統(tǒng)需求分析

　　數(shù)控機床故障診斷就是鑒別數(shù)控機床的技術(shù)狀態(tài)是否正常，發(fā)現(xiàn)并確定故障的部位和性質(zhì)，尋找故障起因，得出相應(yīng)的診斷結(jié)論并給出維修建議。

　　故障診斷就是將診斷知識，按照一定的推理算法，通過人機接口的形式讓用戶與計算機進(jìn)行對話，由用戶回答系統(tǒng)提出的問題，系統(tǒng)根據(jù)提問和回答的答案進(jìn)行推理，并最終給出專家級的診斷結(jié)論。故障診斷原理示意圖如圖2所示。

　　數(shù)據(jù)需求分析

　　數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)應(yīng)提供的故障診斷信息盡可能多，且要有一定的類別分類，以利于信息的檢索和查詢。經(jīng)過權(quán)衡和考慮，將故障診斷信息存放在“診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫”中，包含故障原因和故障現(xiàn)象兩個數(shù)據(jù)表。

　　數(shù)控機床故障原因信息：故障現(xiàn)象、檢查步驟、故障原因、排除方法、關(guān)鍵字等。

　　故障現(xiàn)象信息：類別編號、故障類別、故障現(xiàn)象等。

　　數(shù)據(jù)處理是對故障診斷基本信息的添加、修改、刪除和查詢等操作，主要為數(shù)控機床故障診斷提供數(shù)據(jù)支持，同時要保證大量數(shù)據(jù)的正確存貯與操作。

　　功能需求分析

　　數(shù)控機床故障診斷是一項實用性強的工作，應(yīng)充分考慮機床故障診斷的實用性，解決機床故障診斷的實際問題。功能主要有三方面要求：(1)系統(tǒng)的用戶是普通的機床操作人員，考慮到實際用戶的技術(shù)水平，要提供方便、安全的操作方法，以利于故障查詢功能的實現(xiàn)。(2)要充分考慮系統(tǒng)的開放性，在使用過程中，用戶可以對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新，并將用戶實際診斷過程中的診斷信息進(jìn)行保存。(3)應(yīng)添加安全保護(hù)措施，使其具備基本的用戶管理功能。

　　在系統(tǒng)設(shè)計時，充分考慮故障診斷實際需求，將數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

　　故障診斷系統(tǒng)運行實例

　　在本系統(tǒng)中采取以數(shù)據(jù)庫為主體的構(gòu)造模式，通過數(shù)據(jù)庫操作來完成模糊推理及解釋功能，并在推理過程中使用數(shù)據(jù)庫技術(shù)控制推理方向，提高推理效率。

　　數(shù)控機床故障診斷專家系統(tǒng)是一種基于知識的智能型計算機應(yīng)用程序，系統(tǒng)利用Visual Basic的集成開發(fā)環(huán)境、內(nèi)部控件及ActiveX控件、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，運用SQL語句實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的查詢操作。同時使用Visual Basic強大的訪問數(shù)據(jù)庫功能，將數(shù)據(jù)控件綁定到不同類型的數(shù)據(jù)源，完成數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序的開發(fā)，以實現(xiàn)對數(shù)控機床故障診斷的人機對話操作。

　　Access數(shù)據(jù)庫實例

　　Access是Windows環(huán)境下的流行的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，它既具備大中型數(shù)據(jù)庫的基本功能，與SQL Server等大型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有著天然的聯(lián)系;又保持了桌面數(shù)據(jù)庫的方便易用性，提供了豐富的可視化開發(fā)手段，引入了VBA面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，是當(dāng)前桌面數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)的主流工具。

　　在整理數(shù)控機床故障數(shù)據(jù)庫時，考慮數(shù)控機床故障點很多，在診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中設(shè)置兩個數(shù)據(jù)庫：故障現(xiàn)象庫和故障原因庫，意在按照故障樹理論建立各故障部位的故障表。

　　VB編程系統(tǒng)實例

　　Visual Basic 6.0是一種集語言編輯和綜合開發(fā)與一身的強大的集成開發(fā)工具。它具有良好的圖形用戶界面，采用可視化和事件驅(qū)動的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計機制，易學(xué)易用，是使用人數(shù)最多的程序設(shè)計語言。在Visual Basic應(yīng)用程序中，可直接建立Access格式的數(shù)據(jù)庫或訪問Access中的數(shù)據(jù)，并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和檢索。

　　(1)菜單界面。在Windows應(yīng)用程序窗口中，所有的操作都可以通過菜單來實現(xiàn)。菜單不僅可以提供人機對話界面，方便用戶選擇應(yīng)用程序的各種操作，而且可以用來管理應(yīng)用程序，控制各個功能模塊的運行。為了方便使用，利用菜單編輯器創(chuàng)建菜單和菜單欄，將系統(tǒng)界面設(shè)計成下拉式菜單。

　　(2)使用TreeView控件建立故障樹。使用樹操作數(shù)據(jù)庫，可以方便用戶對數(shù)據(jù)庫的操作。使用樹進(jìn)行選擇操作與選擇卡相比顯得更加靈活。

　　比如在設(shè)計故障發(fā)生部位選擇時，將各故障發(fā)生部位進(jìn)行細(xì)分，建立根節(jié)點、節(jié)點、字節(jié)點，以提供故障部位的選擇操作，更加便利。使用TreeView控件建立故障樹，單擊節(jié)點就可以展開或折疊字節(jié)點，更加便于操作人員的選擇操作。

　　(3)使用ListView控件進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢與顯示。在診斷系統(tǒng)中，為了解決故障現(xiàn)象描述與表達(dá)的同一性，也為了加強診斷系統(tǒng)的使用效果，在主菜單“故障查詢管理”中設(shè)置了“故障部位查詢”和“故障現(xiàn)象查詢”子菜單。1)故障部位查詢界面。故障部位查詢界面采用兩個ListView來引導(dǎo)用戶進(jìn)行信息輸入。用戶可以在ListView1顯示的故障發(fā)生部位選項中進(jìn)行選擇，當(dāng)某個選項被選中，ListView2便顯示該故障部位發(fā)生的所有故障現(xiàn)象、故障原因、排除方法等內(nèi)容。用戶可以移動光標(biāo)進(jìn)行查閱，并在三個文本框中顯示相關(guān)故障信息。2)故障現(xiàn)象查詢界面。故障現(xiàn)象查詢界面中設(shè)計了“關(guān)鍵字輸入”形式，由于故障現(xiàn)象表述因人而異，在界面的設(shè)計上相對復(fù)雜一些。使用ADO、DataGrid、ComboBox等控件來實現(xiàn)故障現(xiàn)象查詢功能。

　　(4)機床故障診斷系統(tǒng)人機交互界面。利用Visual Basic的集成開發(fā)環(huán)境、內(nèi)部控件及ActiveX控件、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，運用SQL語句實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的查詢操作。同時使用Visual Basic強大的訪問數(shù)據(jù)庫功能，將數(shù)據(jù)控件綁定到不同類型的數(shù)據(jù)源，完成數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序的開發(fā)，以實現(xiàn)對數(shù)控機床故障診斷的人機對話操作。

　　“故障現(xiàn)象查詢”是從故障現(xiàn)象入手進(jìn)行故障查詢的操作界面。操作人員只需在“請輸入故障現(xiàn)象”文本框中輸入查詢故障關(guān)鍵字，比如“刀具”，即會在顯示區(qū)域列出相關(guān)的記錄，包括故障現(xiàn)象、故障原因、排除方法及置信度，如圖8所示。如果記錄過多，還可以繼續(xù)在“請輸入故障現(xiàn)象”中輸入查詢語句，以縮小查詢范圍，便于數(shù)據(jù)的顯示與操作。下方的按鈕，可以完成查詢、修改、錄入、刪除等多項功能。在故障現(xiàn)象向?qū)Р樵兘缑嬷校恍璋凑仗崾荆瓿稍蚍治霾樵儯贸龉收显蚣芭懦椒?圖4)。

　　圖4 故障現(xiàn)象查詢界面及向?qū)Р樵兘缑?/P>

　　總結(jié)

　　數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)的知識庫內(nèi)存儲有“領(lǐng)域?qū)＜摇睂收显虻姆治觥⑴袛嘁约叭绾蜗收系慕?jīng)驗知識，機床操作者可通過顯示單元，用簡單人機對話的方式選擇故障現(xiàn)象，通過運行推理程序，按照一定的策略進(jìn)行推理。診斷專家系統(tǒng)以專家知識、經(jīng)驗為基礎(chǔ)，模仿領(lǐng)域?qū)＜医鉀Q復(fù)雜問題的思維過程，這就使普通維修人員同樣能對故障做出具有專家級水平的診斷結(jié)論。

　　利用專家系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)設(shè)計數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)，可為現(xiàn)場技術(shù)維修人員快速完成故障定位并進(jìn)行故障維修提供幫助，具有較強的實際意義。