数控机床液压系统模糊故障树分析与诊断.pdf

机械研究 与应用 2 0 1 3 年 第6 期 第2 6 卷， 总 第1 2 8 期 研究与分析 数控机床液压 系统模糊故 障树分 析与诊 断 陈德道 ，高俊峰 1 ． 兰州交通 大学 机电工程学院 ， 甘肃 兰州7 3 0 0 7 0； 2 ． 兰州兰石重 工有限公 司， 甘肃 兰州7 3 0 0 5 0 摘要 利用模糊故障树方法构建了数控机床液压 系统故障树， 利用统计资料， 建立故障集度矩阵， 通过推论， 确立故 障原理隶属度， 根据最大隶属度原则确定故障原因。该方法能提高故障诊断效率， 为故障诊断专家系统的设计提供 一 种新 的推理 方法。 关键词 模 糊控制 ； 故障树 ； 数控机床 ； 液压 系统 中图分类号 T H 1 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 3 0 6 - 0 0 3 7 - 0 3 Di a g no s i s a nd Ana l y s i s o f CNC Hy dr a ul i c S ys t e ms Ba s e d o n Fuz z y Fau l t Tr e e CHE N De d a o ．GA0 J u n f e n g J ． S c h o o l o yMe c h a r o n w s E n g i n e e r i n g， L a n z h o u J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， L a n z h o u G a n s u 7 7 ∞ ， C h i n a ； 2 ． L a n z h o u L S H e a v y Ma c h i ner y T e c h n o l o g y C o ． ， L i d， L a n z h o u C ． a n s u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ， a f a u l t t r e e o f C NC h y d r a u l i c s y s t e ms i s d e v e l o p e d b a s e d o n f u z z y f a u l t t r e e ．T h e me mb e r s h i p ma t r i x i s e s t a b l i s h e d b y s t a t i s t i c d a t a a n d t h e n t h e me mb e r s h i p d e g r e e o f f a u l t p r i n c i p l e i s o b t a i n e d ．F u h e r ，t h e f a u l t r e a s o n i s d e t e r - mi n e d b y ma x i mu m me mb e rsh i p d e g r e e l a w．T h e p r o p o s e d me t h o d i mp r o v e s t h e e ffic i e n c y o f f a u l t d i a g n o s i s a n d a l s o p r o v i d e s a n e w r e a s o n i n g me t h o d t o d e s i g n t h e f a u l t d i a g n o s i s e x p e s y s t e m． Ke y wo r d sf u z z y c o n t r o l ；f a u l t t r e e；C NC；h y d r a u l i c s y s t e m 1 引 言 随着数控机床的普及应用 ， 数控机床的故 障诊断 与维护维修越来越重要 。由于数控机床是一个集机 、 电、 液 、 计算机控制于一体的复杂系统 ， 以及参数输入 的不确定性、 模糊性， 数控机床控制系统中的故障自 诊断系统难 以准确判 断出故障原 因 j 。近 年来 ， 有 许多研究致力于数控机床的故障诊断专家系统 ， 故障 树分析法是 目前广泛应用的逻辑诊断法 ， 顶层事件和 底层事件对应 ， 对确定 性事件有效 J 。模糊 控制不 依赖被控对象的精确数学模型 ， 依赖专家知识和操作 者 的经验 ， 具有较强的知识表达能力 ， 将专家知识和 操作者经验 以规则的形式加 以描述和提炼 ， 具有较强 的推理功能 ， 经过模糊逻辑推理可以实现类似于人 的 决策过程 J 。针对数控机床故障的多样性 和不确定 性 ， 将故障树分析法和模糊控制理论相结合 ， 充分利 用各 自优点 ， 以数控机床 的液压 系统为研究对象 ， 构 建液压系统故障树， 运用模糊故障树控制理论， 提出 数控机床液压系统故障诊断推理方法 ， 为故障诊断专 家系统的设计提供一种新的推理方法 。 2 数控机床液压系统模糊故障树 2 ． 1 液压系统故障树 对数控机床液压系统功能进行层次分解 ， 通过表 示系统 中各子模块之间关系的方法 ， 将系统的功能用 它的下级子系统的功能来表示 ， 而其子模块的功能又 用它本身的各功能模块 的功能表示 。系统功能的这 种层次分解 ， 也就是 系统故 障分析过程 的模拟 ， 功能 分解的结果就是一棵故障树。这个故障树共有四层 第 0层顶事件 ， 即液压 系统故障 ； 第 1层 中间事件是 可能引起系统故障的各个子系统故障， 即液压泵供油 不足等六个子系统故障； 第 2 层中间事件为可能引起 子系统故障的各个功能模块故障， 如液压泵供油不足 模块下的压力弹簧调节过松等九个子系统故障； 而第 3层即底事件 ， 是引起系统故障的最终不可分割的功 能子模块故障和排 除方法。图 1所示为数控机床液 压系统故障树 部分 。 2 ． 2 模糊故障树分析方法 数控机床液压系统模糊故 障树分析法是利用故 障树分析故障征兆与故障原 因之间的关联 ， 故障现象 由某几个故障诱因所引起 ， 统计某故障诱 因发生的次 数 ， 利用模糊控制理论 ， 建立模糊判断计算数学模型 ， 通过故 障率 及 模糊 计算 模 式进 行 判 断 ， 找 出故 障 点 。一般分为以下几个步骤 1 根据数控机床液压系统故障树 ， 分析故障征 兆与故障原 因之间的关联关系， 确定数控机床液压系 统故障症状集合 。 集合用 K表示 ， 采用欧氏向量表示为 K{ k 】 ， k 2 ， ， ⋯k } 收稿 日期 2 0 1 3 ～1 0 2 9 作者简介 陈德道 1 9 6 5 一 ， 男 ， 甘肃永登人 ， 副教授 ， 研究方 向 数控加工技术 、 数控装备 。 37 研究与分析 2 0 1 3 年 第6 期 第2 6 卷， 总 第1 2 8 期 机械研究与应 用 式中 ／ ／ , 为故障征兆种类的总数 ， 图 1中 ／7 , 为 6 。 引起故障征兆的可能故障原因样本用 向量 表 示 { 1 ， 2 ， 3 ， ⋯ m } 2 分析数控机床液压系统故障发生 比率， 确定 故障概率矩阵。如图 1所示 。 液压 系统 故障 动 部 件 爬 流罴调节螺钉调节不当 将压力调节螺钉转动使 弹簧压缩。启动液压泵 调节压力。 皲油管堵塞 进油日滚气 叶片-T - t lIx l 卡死 液压泵工作压力超载 吸油管和系统回 油管距离太近 油箱油量不足 压 力过高 液压泵与电机 连接同轴度差 定子和时埒磨损 泵和其他机械共振 压力不足 活塞缸活 寒拉毛 霸 圈 液压阀 短线 转速控在 最低转速 增压 更换 更换线圈 重新接线 套 筒 研 掼 H勰箨 I 撵 鎏 嬖 篓 修 理 或 分油器 l、 一 竺 圈 ]厂一 篁 建U修 理 或 更 裂 渗 漏n簇 箔 蓉 图 1 数控机床液压系统故障树 部分 设数控机床液压系统系统可能的故障征兆为 n ， 出现故障原因种类为 m， 矩阵向量 为 ， { ， u ， u ， ， ⋯“ } ， 矩阵 U为 n x m阶矩阵， 表示故障征兆与故 障原因之问的关系 ， 其值为故障发生次数 U 向量矩阵A { A ， A ， A 。 ⋯ A } 表示故障度集 38 式中 0 为故障树的故障发生概率 U n ∑ 1 3 若采用不同的渠道 ， 得出若干个故 障概率矩 阵， 综合分析统计 的可信度 ， 得 出权重矩 阵， 设 [ 1 ， 1, 0 2 ， 3 ， ⋯W 肘 ] ， M 为故障概率矩阵数 ， l 2 3 ⋯ 1 ， 得到模糊判断关系矩阵 B， B Wx A。 4 根据具体故 障征兆， 确立故 障隶 属函数矩 阵。将故障征兆 明显程度分为明显、 可能和无征兆三 种情况 ， 并用 1 、 0 ． 5、 0来表示， 可得故障隶属函数矩 阵 [ l 1 。 2 2 U a 3 x 3 ⋯ ] 5 通过故障征兆与模糊关系矩阵计算各个故 障原 因隶属度。y x B， 设故障原 因向量 y { Y ， Y ， Y ， ⋯Y } ， 表示各故障原因隶属度 Y B b1 1⋯b 1， ． ． ● ● ● b l⋯b ． y 1 ● ，i ● 根据最大隶属度原则 ， 即可诊断出故障原因。 3 基于模糊故障树的数控机床液压系统故障 诊断 3 ． 1 数控机床液压系统故障诊断中的参数 数控机床液压系统常见 的故障征兆有液压泵供 油不足 ， 系统及工作压力低 、 运动部件爬行 ， 液压泵发 热、 油温过高， 尾座顶不紧、 不运动， 导轨润滑不良， 液 压泵有异常噪声、 压力下降等6种， 对应的故障原因 有压力弹簧调节过松等 3 2种 ， 为了计算方便 ， 笔者选 用其中 1 0种进行分析。 矩阵向量 U由故障诱因引发 的故障征兆次数组 成 ， 为数控机床应用厂家统计次数矩阵 ， 为数控 机床生产厂家由售后服务部 门统计次数矩阵 ， 统计按 一一一一一一一 液压泵供油不足II恳座顶不羁不运动液压泵发热 m； 6 6 ● ● ● ● ● ● ● ● 一一一一一 一一一一 篓一 一 导轨润滑一 ～ 异常嗓音压力下降 机械研究与应用 2 0 1 3 年 第6 期 第2 6 卷， 总 第1 2 8 期 研究与分析 同一种类型的机床每年故障次数统计 。表 1是应用 产厂家统计的故障征兆隶属故障原因统计表。 厂家统计的故障征兆隶属故障原因统计表， 表2是生 表 1 应 用厂 家统计的故障征兆隶属故障原 因统计表 故障征兆 蒌 篙 兰 泄 漏 要 蓑 阀 量 薹 耄 萎 塞 蓑 液压泵供油不足 1 5 1 1 3 5 4 7 尾座顶不紧 ， 不运动 1 6 1 4 1 液压泵发热 2 0 1 6 7 工作压力低运动部件爬 行 1 2 0 4 0 导轨润滑不良 7 1 1 3 5 液压泵有异常噪音 ， 压力 下降 9 2 1 4 8 液压泵供 油不 足 7 6 2 尾座顶不 紧， 不运动 7 液压泵发热 9 3 工作压力低运动部件爬行 5 导轨润滑不 良 液压泵有异常 噪音 ， 压力下 降 6 4 7 3 ． 2 数控机床液压 系统模糊故障树的建立 根据表 1 、 表 2中故障征兆与故障原因数据统 A1 A2 计， 计算数控机床应用厂家统计次数故障集度矩阵 ，数控机床生产厂家统计次数故障集度矩阵 0 ． 4 7 0． 40 0．1 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0． 7 8 O 0 O O． 2 2 0 0 0 0 0 0 0 ． 7 5 0． 2 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0． 7l 0． 2 9 0 0 0 O 0 0 0 0 0 O． 3 3 O ． 6 7 0 0 O 0 0 O 0 0 O 0． 3 6 0 ． 6 4 0 ． 4 5 0． 41 0． 1 4 0 0 0 0 0 0 0 0 O O O ． 8 O O 0 0 0． 2 O 0 0 0 0 O 0 0 ． 7 5 0． 25 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0． 7 5 0． 2 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0． 3 5 0． 6 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ． 3 8 0 ． 6 2 设数控机床生产厂家统计权重W 0 ． 6 ， 设数控机床应用厂家统计权重 W 0 ． 4 ， 由B 0 ． 4 0 ． 6 ， 得模 糊诊断矩阵 B 0． 46 0． 4 0 0 ．1 4 0 0 0 0 0 0 0 O 0 0 0． 7 9 0 0 0 0． 21 0 0 0 0 O 0 0． 7 5 0． 2 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ． 7 4 0． 2 6 0 0 0 0 0 0 0 O 0 0 ． 3 4 0． 6 6 0 0 0 0 0 O 0 0 0 0． 3 8 0． 6 2 如果假设有尾座顶不紧、 不运动和导轨润滑不 良两个 明显的征兆 ， 则征兆向量 H 为 I ／ a [ 0 1 0 0 1 0 ] 下转第4 2 页 3 9 研究与分析 2 0 1 3 年 第6 期 第2 6 卷， 总 第1 2 8 期 机械 研究 与应用 参 数 化 驱 动 图4 齿廓曲线完整草图 图5 组件的结构关系 图6 目标齿轮实体模型 5 结 语 1 通过对渐开线齿轮齿廓曲线进行分析 ， 基于 ’ _ l 。 l -。 ’ “ 1 l ‘ ⋯ 。 “ ⋯ | _ ’‘ ⋯ ⋯ 。 l - ’” ‘ ‘ l 一 。 ‘ ‘ l 。 l -。 ‘ l l ‘ ’ ” ’ 。 l _ - ’’ | _ ⋯ 。 ’ “ I I 1 上接 第 3 9页 故障原因隶属度矩阵 y为 Y B[ 0 1 0 0 1 0 ] 0． 46 0． 4 0 0． 1 4 0 0 0 O 0 0 0． 7 9 0 0 0 0 0 0 0． 7 5 0． 2 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 O O 0 0 0 O L 0 0 0 0 ． 7 9 0 0 0 0． 5 5 0． 6 6 由最大隶属度原则 ， 诊 断出故障原因是第 四个 ， 即液压油路泄漏 。 4 结 语 利用模糊故障树方法对数控机床液压系统的故 障诊断系统推理方法进行 了研究 ， 通过功能分析 ， 构 建了数控机床液压系统故障树 ， 利用数控机床应用厂 家统计资料和数控机床生产厂家售后服务部门统计 资料， 建立故障集度矩阵， 确立故障原理隶属度， 根据 最大隶属度原则确定故障原因。该方法能大大提高 故障诊断效率， 为高效率故障诊断系统的设计提供一 种新 的推理方法。 42 S o l i d Wo r k s 软件， 提出了一种高效 的渐开线 圆柱齿轮 齿廓曲线绘制方法 ， 不仅可 以快速、 准确地构建渐开 线圆柱齿轮 3 D模型 ， 同时， 也 为后续 实现齿轮 的参 数化建模奠定 了基础。 2 基于模型的参数化 ， 阐述 了程序组件 、 X ML 数据表 及基 准 3 D模 型之 问 的关 系， 通 过对 S o l i d Wo r k s 软件的二次开发 ， 实现了渐开线齿轮的参数化 建模 ， 提高了渐开线圆柱齿轮的建模效率。 参考文献 [ 1 ] 赵慧勇． 渐开线 圆柱齿轮参数化 建模 思路研究 [ J ] ． 机械设计 与 制造 ， 2 0 1 3 ， 3 3 8 7 8 9 ． [ 2 ] 谭建荣 ， 冯依雄 ． 设计 知识建 模 、 演化与应用 [ M] ． 北京 国防工 业出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 3 ] 尹鹏 ， 王春秀． 风力发 电机组叶 片精 确建模 方法研 究 [ J ] ． 机 械设计与制造 ， 2 0 1 0， 5 5 l 3 6 1 3 7 ． [ 4 ] 张俊义 ， 丁文捷 ． 基于零件 形心坐标 的机械 产品装 配设计 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 9 ， 1 2 1 2 2 1 7 2 1 9 ． [ 5 ] S o l i d Wo r k s 公司． S o l i d Wo r k s A P I 二次 开发 [ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 6 ] 江 洪 ， 魏 峥 ， 王 涛威 ， 等． S o l i d Wo r k s二 次 开 发 实例 解 析 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． 1 -- ’ l l ． l - - 。 1 ．⋯ 1 l - 。 | 1 。 _ - - ’l l I } ⋯⋯1 ．一 ’ I t 。 ‘ 0 ’ l l _ _ 。 ‘ ⋯ - 。 I - -” 一⋯⋯l - - ’ I 1 “ ⋯l ‘。 0 | _ 。 l I 一 ⋯ l -- 。 “ 0 0 0 0． 7 4 0 0 0] 0 0． 21 0 0． 2 6 0． 3 4 O 0 0 0 0 0． 6 6 0 ． 3 8 0 O 0 O 0 0 ． 6 2 参考文献 [ 1 ] S h i b a h a t a Y ． P r o g r e s s a n d F u t u r e D i r e c t i o n o f C h a s s i s C o n t r o l T e c h n o l o g Y ． A n n u m R e v i e w s i n C o n t r o l ， 2 0 0 5， 2 9 1 1 5 1 1 5 8 ． [ 2 ] 叶伯生， 黄增双， 李斌． 故障树分析法在数控机床故障诊断系 统中的应用 [ J ] ． 机械设计 与制造 ， 2 0 0 6 8 1 3 5 1 3 7 ． [ 3 ] 冯俊 萍， 刘 海 梅． 数 控机 床 换刀 机构 模 糊故 障 树分 析 与诊 断 [ J ] ． 科学技术与工程 ， 2 0 1 2 ， 1 2 2 8 1 8 4 1 8 8 ． [ 4] 王娇 ， 祁美玲 ． R B R和 C B R在数控机 床故 障诊 断系统 中的应 用[ J ] ． 组合机床与自动化加工技术， 2 0 1 1 1 4 7 5 3 ． [ 5 ] 潘波， 姜同敏． 基于故障树的飞机结构腐蚀损伤模糊综合评 判[ J ] ． 北京航空航天大学学报 ， 2 0 1 2 ， 3 8 1 3 8 - 4 2 ． [ 6 ] 周鸿雏． 数 控机床 P L C控 制的故 障诊 断[ J ] ． 机械 ， 2 0 l l S I 1 】 21 】 4．