劉瑞已

(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410208)

0 引 言

數(shù)控機(jī)床故障診斷主要包括主機(jī)故障、電氣控制系統(tǒng)故障2大類，前者指數(shù)控機(jī)床內(nèi)部工作系統(tǒng)故障，如機(jī)械故障、冷卻故障、排屑故障、液壓故障、氣動(dòng)故障、防護(hù)故障等多種，發(fā)生故障時(shí)會(huì)影響數(shù)控機(jī)床整體運(yùn)行情況。后者是數(shù)控機(jī)床內(nèi)部元器件故障，對于這2種類型的故障，傳統(tǒng)維修和養(yǎng)護(hù)方法屬于事后控制，無法有效解決，需要利用人工智能技術(shù)進(jìn)行事前預(yù)防和事中控制以實(shí)現(xiàn)機(jī)器智能更好地發(fā)展?；谌斯ぶ悄艿臄?shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)主要分為專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、模糊集理論等。

1 數(shù)控機(jī)床故障診斷研究概述

早期關(guān)于數(shù)控機(jī)床的故障診斷方法單一，工作人員一般通過感覺器官對數(shù)控機(jī)床內(nèi)部構(gòu)建中的單元線路的各種情況進(jìn)行觀察和分析，考慮到數(shù)控機(jī)床故障類型和性質(zhì)的復(fù)雜，現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)自我診斷能力還無法對系統(tǒng)全部功能進(jìn)行測試，通過單一的報(bào)警信號分析故障原因是非常困難的。為了有效解決此問題，人們研發(fā)設(shè)計(jì)了新的診斷技術(shù)，數(shù)控機(jī)床故障診斷也隨著故障診斷技術(shù)的發(fā)展得到了有效解決，且在后期設(shè)備管理和維修中越來越深入，我國當(dāng)前在機(jī)床故障方面的研究還不夠深入，隨著后期設(shè)備故障診斷技術(shù)和初級故障診斷技術(shù)的研究，故障診斷技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到了各行業(yè)、各領(lǐng)域中，尤其是在數(shù)控機(jī)床故障診斷方面，研究成果豐富。

2 數(shù)控機(jī)床故障診斷應(yīng)用方法

2.1 直觀法

維修人員可以利用自身感覺器官來預(yù)測數(shù)控機(jī)床故障發(fā)生時(shí)各種聲音、光色、氣味的異常問題，以此分析數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)各個(gè)模塊和線路是否存在燒毀、損傷的問題，便于準(zhǔn)確把握故障問題。

2.2 CNC系統(tǒng)自診斷法

數(shù)控系統(tǒng)具備自我診斷特點(diǎn)，其可以作為數(shù)控系統(tǒng)性能測試的主要指標(biāo)數(shù)據(jù)，數(shù)控系統(tǒng)可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)控系統(tǒng)自我診斷運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)如果存在異常情況系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，或者通過發(fā)光二級管顯示故障原因、故障模塊，該方法也是故障診斷中一種簡單直接的方法。

2.3 功能程序法

功能程序法主要解決功能應(yīng)用中的問題，其可以自動(dòng)返還一個(gè)制定數(shù)據(jù)值，并通過其他程序進(jìn)行功能調(diào)用，對于當(dāng)前復(fù)雜的數(shù)控機(jī)床故障而言，采用功能程序法可以根據(jù)故障問題解決需要固定功能程序，以此在特定范圍內(nèi)檢測出各種問題，對此將其應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床故障診斷中可以準(zhǔn)確得出故障出現(xiàn)的位置和原因。

2.4 模塊交換法

模塊交換法主要針對于總結(jié)故障的原因而使用的一種方法，利用印刷線路板、模板、集成電路芯片、元件將數(shù)控機(jī)床設(shè)備中的各種異常構(gòu)建替換掉，一般主要將其中功能相同或者單元模塊相同元件進(jìn)行替換，以此了解故障出現(xiàn)變化的原因。

2.5 原理分析法

根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成原理，從系統(tǒng)工作原理進(jìn)行分析，并從邏輯關(guān)系角度判斷電路故障異常點(diǎn)的邏輯電平和參數(shù)，以此推斷出故障部位的一種方法，該方法對維修人員專業(yè)知識(shí)有著嚴(yán)格的要求。

2.6 PLC程序法

需要根據(jù)PLC報(bào)警信息，分析PLC程序，以此對應(yīng)模塊程序，分析系統(tǒng)相關(guān)元件中的邏輯狀態(tài)，以此分析故障原因。

2.7 其他方法

對于上述的故障診斷方法外，也可以使用指標(biāo)權(quán)重法、測量法、觀察法、局部控制等方法進(jìn)行故障檢測，且在維修過程中也可以將以上方法結(jié)合使用，以此有效判斷故障、解決故障。

3 基于人工智能的數(shù)控機(jī)床故障診斷

3.1 專家系統(tǒng)

(1)專家系統(tǒng)基本原理。專家系統(tǒng)是指在固定范圍內(nèi)采用專家知識(shí)和驗(yàn)證方法對復(fù)雜問題進(jìn)行處理的一種人工智能計(jì)算機(jī)程序，其主要由專家系統(tǒng)組成基本結(jié)構(gòu)，即知識(shí)庫和驗(yàn)證系統(tǒng)。前者主要存儲(chǔ)問題解決相關(guān)知識(shí)，后者主要利用前者去解決實(shí)際問題。一般工程師和行業(yè)專家負(fù)責(zé)構(gòu)建知識(shí)庫，通過系統(tǒng)知識(shí)處理方法將知識(shí)存放在知識(shí)庫中，為用戶系統(tǒng)獲取知識(shí)數(shù)據(jù)提供便利。

(2)專家系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。專家系統(tǒng)中含有一定量的權(quán)威知識(shí)，其需要采取科學(xué)的策略，整合專家知識(shí)，確保各種復(fù)雜問題的有效解決，其可以有效解決各種復(fù)雜問題。該系統(tǒng)保存效果好，不受環(huán)境因素的影響，隨著專家系統(tǒng)的發(fā)展，其已經(jīng)成為人工智能系統(tǒng)中應(yīng)用最為頻繁的領(lǐng)域。

3.2 數(shù)控機(jī)床故障診斷專家系統(tǒng)

故障診斷專家系統(tǒng)具體主要分為故障監(jiān)測、故障分析、決策處理3方面，其具體的功能模塊作用如下所示：第一，數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的主要是監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)等，從以上數(shù)據(jù)中可以看出監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，且數(shù)據(jù)庫也可以根據(jù)需要進(jìn)行離線分析；第二，知識(shí)庫，知識(shí)庫主要為了使用和管理的一種知識(shí)集合體，知識(shí)庫具體包括2方面內(nèi)容：①系統(tǒng)問題：主要對系統(tǒng)及系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析，比如故障原因、故障現(xiàn)象、故障變化的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、故障發(fā)生的條件；②系統(tǒng)中設(shè)備儀器故障診斷專家經(jīng)驗(yàn)。此外，知識(shí)庫還包括系統(tǒng)規(guī)則，該規(guī)則主要是系統(tǒng)因果關(guān)系的邏輯法則，其規(guī)則可以有效反應(yīng)出對象系統(tǒng)知識(shí)庫在故障診斷上的解決情況。

知識(shí)庫的管理：建立知識(shí)庫，需要根據(jù)具體的運(yùn)行情況和知識(shí)獲取程序結(jié)果來調(diào)整知識(shí)庫，以此對知識(shí)庫進(jìn)行檢驗(yàn)。

人機(jī)接口系統(tǒng)：其可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行中的故障情況對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，或者將故障的變化情況輸入知識(shí)庫模塊中，調(diào)整知識(shí)庫，通過人機(jī)接口啟動(dòng)解釋系統(tǒng)工作。

推理機(jī)制：在依靠數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫的前提下，科學(xué)運(yùn)用規(guī)則，以此快速準(zhǔn)確的獲取故障源。

解釋系統(tǒng)：可以根據(jù)診斷結(jié)果來確定知識(shí)的推理過程，以此解釋信息獲取的重要性，解釋系統(tǒng)可以有效顯示專家系統(tǒng)特色，將程序設(shè)計(jì)者的思想有著的展示給用戶。

控制部分：控制部分可以對各功能模塊進(jìn)行調(diào)整，注重在時(shí)間順序上進(jìn)行改變。總之知識(shí)庫和數(shù)據(jù)庫屬于在線診斷系統(tǒng)，知識(shí)庫中的數(shù)據(jù)主要是故障數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)庫可以在離線診斷時(shí)自動(dòng)存儲(chǔ)故障數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)有顯著的人為檢測特點(diǎn)。人機(jī)接口系統(tǒng)可以為知識(shí)庫運(yùn)行提供實(shí)時(shí)機(jī)制，或者提供故障發(fā)生時(shí)刻的事實(shí)數(shù)據(jù)。

3.3 人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)診斷

(1)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)診斷形成?；谏窠?jīng)元網(wǎng)絡(luò)的故障診斷不用建立模型就可以直接解決非線性問題，其通過樣本數(shù)據(jù)的輸入和輸出直接可以自學(xué)和自計(jì)算。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)診斷也是在元學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，一般情況下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)且在網(wǎng)絡(luò)中也可以將信息以分布式方法存儲(chǔ)，該存儲(chǔ)方式促使神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)信息處理和計(jì)算機(jī)完全邏輯規(guī)則運(yùn)算方法不同。此神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元是獨(dú)立的信息處理單元，其可以將各種信息進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)算，并獨(dú)立傳輸后進(jìn)行集中處理，其運(yùn)算規(guī)則需要根據(jù)物理學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、心理學(xué)進(jìn)行確定。此外，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)也可以將各種分散、模糊的信息通過聯(lián)想勾勒出一個(gè)完整和清晰的數(shù)據(jù)圖像，當(dāng)某一局部網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)可以自動(dòng)恢復(fù)，其主要是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)具有聯(lián)想記憶的功能。且神經(jīng)元之間也可以根據(jù)外界環(huán)境不斷變化，該過程也是神經(jīng)元學(xué)習(xí)的過程，這種學(xué)習(xí)既可以主動(dòng)也可以被動(dòng)，其和傳統(tǒng)的符號處理方法是完全不同的，一般需要先設(shè)定某一個(gè)人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，在已有的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，通過連接或者權(quán)值自己確定學(xué)習(xí)規(guī)則，并得出運(yùn)算規(guī)則，最終自動(dòng)形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以此處理各種信息。在神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上建立專家系統(tǒng)時(shí)，機(jī)器可以自學(xué)、自行組織，相比較于傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)建立方法是一種有效解決新問題的途徑。

(2)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)數(shù)控機(jī)床故障診斷。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)可以將自動(dòng)學(xué)習(xí)的新知識(shí)存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，通過數(shù)學(xué)思想方法對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)化模擬，將人腦中的解決思路通過網(wǎng)絡(luò)模型直觀的反應(yīng)出來。對于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)具備的聯(lián)想容錯(cuò)、識(shí)別、適應(yīng)、學(xué)習(xí)等優(yōu)點(diǎn)可以將其應(yīng)用在多模式故障系統(tǒng)中。

(3)此其可以有效解決數(shù)控機(jī)床故障問題，并確保故障診斷的精準(zhǔn)和完整，其也會(huì)是數(shù)控機(jī)床故障診斷發(fā)展的新路徑。對此，人們可以在后期將神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)結(jié)合起來有效解決數(shù)控機(jī)床故障診斷問題。

4 數(shù)控機(jī)床故障診斷的未來發(fā)展方向

數(shù)控機(jī)床是一種較為復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，其故障問題主要是各種自然因素和人為操作導(dǎo)致的，對此需要從人工智能方向來研究故障診斷，研究各種故障診斷技術(shù)和方法，對于未來的數(shù)控機(jī)床故障診斷發(fā)展方向可以分為以下幾種情況：①科學(xué)分析、整合、應(yīng)用各種片面、零散的數(shù)控機(jī)床信息，以此得出系統(tǒng)化的信息融合策略和處理技術(shù)、知識(shí)方法、診斷經(jīng)驗(yàn)等；②對于當(dāng)前數(shù)控機(jī)床的復(fù)雜化、集成化、自動(dòng)化發(fā)展特點(diǎn)和數(shù)控機(jī)床的可持續(xù)工作能力、可靠、可用性能的提高，需要綜合運(yùn)用多種智能技術(shù)方法、系統(tǒng)診斷技術(shù)，并加強(qiáng)研究；③對于專家系統(tǒng)知識(shí)獲取的局限性還需要提高專家系統(tǒng)的自調(diào)整、自學(xué)習(xí)能力，比如各種在線診斷技術(shù)、多傳感器技術(shù)；第四，對于故障診斷的復(fù)雜多變特點(diǎn)，需要有效解決故障診斷作業(yè)問題。

5 結(jié) 語

總之，數(shù)控機(jī)床故障診斷是一項(xiàng)操作難、維修難的工作，考慮到數(shù)控機(jī)床的安全性需要科學(xué)應(yīng)用專家系統(tǒng)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等人工智能來分析故障問題、得出故障原因，以此得出人類專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的設(shè)備與系統(tǒng)故障診斷技術(shù)，為解決數(shù)控機(jī)床故障診斷問題提供依據(jù)。