陳德道， 高俊峰

(1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2.蘭州蘭石重工有限公司，甘肅 蘭州 730050)

1 引 言

隨著數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床的故障診斷與維護(hù)維修越來越重要。由于數(shù)控機(jī)床是一個(gè)集機(jī)、電、液、計(jì)算機(jī)控制于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，以及參數(shù)輸入的不確定性、模糊性，數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)中的故障自診斷系統(tǒng)難以準(zhǔn)確判斷出故障原因[1]。近年來，有許多研究致力于數(shù)控機(jī)床的故障診斷專家系統(tǒng)，故障樹分析法是目前廣泛應(yīng)用的邏輯診斷法，頂層事件和底層事件對(duì)應(yīng)，對(duì)確定性事件有效[2]。模糊控制不依賴被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，依賴專家知識(shí)和操作者的經(jīng)驗(yàn)，具有較強(qiáng)的知識(shí)表達(dá)能力，將專家知識(shí)和操作者經(jīng)驗(yàn)以規(guī)則的形式加以描述和提煉，具有較強(qiáng)的推理功能，經(jīng)過模糊邏輯推理可以實(shí)現(xiàn)類似于人的決策過程[3]。針對(duì)數(shù)控機(jī)床故障的多樣性和不確定性，將故障樹分析法和模糊控制理論相結(jié)合，充分利用各自優(yōu)點(diǎn)，以數(shù)控機(jī)床的液壓系統(tǒng)為研究對(duì)象，構(gòu)建液壓系統(tǒng)故障樹，運(yùn)用模糊故障樹控制理論，提出數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)故障診斷推理方法，為故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一種新的推理方法。

2 數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)模糊故障樹

2.1 液壓系統(tǒng)故障樹

對(duì)數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)功能進(jìn)行層次分解，通過表示系統(tǒng)中各子模塊之間關(guān)系的方法，將系統(tǒng)的功能用它的下級(jí)子系統(tǒng)的功能來表示，而其子模塊的功能又用它本身的各功能模塊的功能表示。系統(tǒng)功能的這種層次分解，也就是系統(tǒng)故障分析過程的模擬，功能分解的結(jié)果就是一棵故障樹。這個(gè)故障樹共有四層：第0層頂事件，即液壓系統(tǒng)故障；第1層中間事件是可能引起系統(tǒng)故障的各個(gè)子系統(tǒng)故障，即液壓泵供油不足等六個(gè)子系統(tǒng)故障；第2層中間事件為可能引起子系統(tǒng)故障的各個(gè)功能模塊故障，如液壓泵供油不足模塊下的壓力彈簧調(diào)節(jié)過松等九個(gè)子系統(tǒng)故障；而第3層即底事件，是引起系統(tǒng)故障的最終不可分割的功能子模塊故障和排除方法。圖1所示為數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)故障樹(部分)。

2.2 模糊故障樹分析方法

數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)模糊故障樹分析法是利用故障樹分析故障征兆與故障原因之間的關(guān)聯(lián)，故障現(xiàn)象由某幾個(gè)故障誘因所引起，統(tǒng)計(jì)某故障誘因發(fā)生的次數(shù)，利用模糊控制理論，建立模糊判斷計(jì)算數(shù)學(xué)模型，通過故障率及模糊計(jì)算模式進(jìn)行判斷，找出故障點(diǎn)[5-6]。一般分為以下幾個(gè)步驟：

(1) 根據(jù)數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)故障樹，分析故障征兆與故障原因之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，確定數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)故障癥狀集合。

集合用K表示，采用歐氏向量表示為：

K={k1，k2，k3，…kn}

式中：n為故障征兆種類的總數(shù)，圖1中n為6。

引起故障征兆的可能故障原因樣本用向量X表示：

X={x1，x2，x3，…xm}

(2) 分析數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)故障發(fā)生比率，確定故障概率矩陣。如圖1所示。

圖1 數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)故障樹(部分)

設(shè)數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)系統(tǒng)可能的故障征兆為n，出現(xiàn)故障原因種類為m，矩陣向量為U，U={u1，u2，u3，…un},矩陣U為n×m階矩陣，表示故障征兆與故障原因之間的關(guān)系，其值為故障發(fā)生次數(shù)：

向量矩陣A={A1，A2，A3…An}表示故障度集：

式中：aij為故障樹的故障發(fā)生概率：

(3) 若采用不同的渠道，得出若干個(gè)故障概率矩陣，綜合分析統(tǒng)計(jì)的可信度，得出權(quán)重矩陣，設(shè)W=[w1，w2，w3，…wM]，M為故障概率矩陣數(shù)，w1+w2+w3+…+wM=1,得到模糊判斷關(guān)系矩陣B，B=W×A。

(4) 根據(jù)具體故障征兆，確立故障隸屬函數(shù)矩陣。將故障征兆明顯程度分為明顯、可能和無征兆三種情況，并用1、0.5、0來表示，可得故障隸屬函數(shù)矩陣Va(x):

Va(x)=

[va1(x1)va2(x2)va3(x3) …van(xn)]

(5) 通過故障征兆與模糊關(guān)系矩陣計(jì)算各個(gè)故障原因隸屬度。Y=Va(x)×B，設(shè)故障原因向量Y={y1，y2，y3，…ym}，表示各故障原因隸屬度：

根據(jù)最大隸屬度原則，即可診斷出故障原因。

3 基于模糊故障樹的數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)故障診斷

3.1 數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)故障診斷中的參數(shù)

數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)常見的故障征兆有液壓泵供油不足，系統(tǒng)及工作壓力低、運(yùn)動(dòng)部件爬行，液壓泵發(fā)熱、油溫過高，尾座頂不緊、不運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌潤(rùn)滑不良，液壓泵有異常噪聲、壓力下降等6種，對(duì)應(yīng)的故障原因有壓力彈簧調(diào)節(jié)過松等32種，為了計(jì)算方便，筆者選用其中10種進(jìn)行分析。

矩陣向量U由故障誘因引發(fā)的故障征兆次數(shù)組成，U1為數(shù)控機(jī)床應(yīng)用廠家統(tǒng)計(jì)次數(shù)矩陣，U2為數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家由售后服務(wù)部門統(tǒng)計(jì)次數(shù)矩陣，統(tǒng)計(jì)按同一種類型的機(jī)床每年故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)。表1是應(yīng)用廠家統(tǒng)計(jì)的故障征兆隸屬故障原因統(tǒng)計(jì)表，表2是生產(chǎn)廠家統(tǒng)計(jì)的故障征兆隸屬故障原因統(tǒng)計(jì)表。

表1 應(yīng)用廠家統(tǒng)計(jì)的故障征兆隸屬故障原因統(tǒng)計(jì)表

表2 生產(chǎn)廠家統(tǒng)計(jì)的故障征兆隸屬故障原因統(tǒng)計(jì)表

3.2 數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)模糊故障樹的建立

根據(jù)表1、表2中故障征兆與故障原因數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算數(shù)控機(jī)床應(yīng)用廠家統(tǒng)計(jì)次數(shù)故障集度矩陣A1，數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家統(tǒng)計(jì)次數(shù)故障集度矩陣A2：

設(shè)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家統(tǒng)計(jì)權(quán)重w1=0.6，設(shè)數(shù)控機(jī)床應(yīng)用廠家統(tǒng)計(jì)權(quán)重w2=0.4，由B=0.4A1+0.6A2,得模糊診斷矩陣B：

如果假設(shè)有尾座頂不緊、不運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)軌潤(rùn)滑不良兩個(gè)明顯的征兆，則征兆向量uA(x)為:

故障原因隸屬度矩陣Y為：

由最大隸屬度原則，診斷出故障原因是第四個(gè)，即液壓油路泄漏。

4 結(jié) 語

利用模糊故障樹方法對(duì)數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)推理方法進(jìn)行了研究，通過功能分析，構(gòu)建了數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)故障樹，利用數(shù)控機(jī)床應(yīng)用廠家統(tǒng)計(jì)資料和數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家售后服務(wù)部門統(tǒng)計(jì)資料，建立故障集度矩陣，確立故障原理隸屬度，根據(jù)最大隸屬度原則確定故障原因。該方法能大大提高故障診斷效率，為高效率故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一種新的推理方法。

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