面向对象的数控机床故障诊断专家系统.pdf

面向对象的数控机床故障诊断专家系统 于常 娟 廊坊师 范学 院数学与信息科学学院 ， 河北廊坊 0 6 5 O o 0 开发 了面 向对象 的数控机床故障诊 断专家系统 ， 。该 系统的推理机 、知识库 、数据库通用性强 ， 产生式系统 ；数控机床 面向对象 使用对 象表示 数据库和知识库 ．采 用正 向推理方式简单高效 稍加修改便可应用到其他领域专家系统。 中图分类号 T P 3 0 6 ％ 3 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 9 9 4 9 2 2 0 1 0 1 2 0 0 2 2 0 2 1引 言 随着数字技术 和计算 机技术 的 日益发展和提 高 ，以数 控机床 为代表 的数控设 备应用越 来越广泛 。故 障造 成的停 机损 失要 远远 比传 统的 机床 大 ，故 障诊 断也 相 对复 杂得 多 ．而如何迅速 、正确地 进行 故障诊断和排除相应 故障是 保证数控机床正常运 转的核心问题 。 专家系统是一个智 能计算机程 序系统 ．其 内部 含有大 量的某个领域专 家水平 的知识与经验 ，能够利用人 类专家 的 知识 和解 决 问题 的方 法 来 处 理 该 领 域 问题 。 因此 根据 专 家系 统适 合 于复 杂性 、经 验性 问 题 的特 点 ，在数控机床故障诊断领域 引入专家 系统极具应用价 值 发 展前 景 。 本 文 总 结 归 纳 了在 数 控 机 床 故 障 诊 断 的 理 论 性 和经验 性的知识 ，使用对象 表示数据库 和知识库 ，实现 了 数控机 床故障诊断专家系统 。实际应用表 明该系统 的可 移 植性好 、通 用性强 、数据表达 能力强 、功 能强大 ．能够 满 足数控机床故障诊断的要求 。 2数控 机床故障诊 断专 家系统结构 一 个产生式 系统 的基本结构包 括数据库 、知识库 、推 理机 、解释机构 、知识获取机构和人机接 口 6部分⋯，如 图 1所 示 。 用 户通 过人 机界 面 的接 口输 入 已知 事实 存人 数 据库 中 。推 理 机 构 根 据 当前 数 据 库 中 的事 实 在 知 识 库 中 匹 配 所 有 可 以使 用 的知 识 规 则 ，然 后 应 用 这 些 规 则 ，把 得 到 的 中 间结论 放 人到 数据 库中 ，直 到数 据库 中出现要 寻 找 的答 案。解释程序用于对求解过 程做 出说 明，并 回答 问题 。 2 ． 1人机 接 口 人 机 接 口是 系 统 与 用 户进 行 交 流 时 的 界 面 ，通 过 该 界 十河北省廊坊市科 技局科研项 目 编号 2 0 0 9 0 1 1 0 0 3 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 2 1 面用户输入数控机床故 障的一些现象 。系统输出推理结果 及相关的解释也是通过人机交互界面 。 用户 领域专家或知识工程师 图 l 数控机床故 障诊 断专家系统结构 2 ． 2综合 数 据库 综合数据库也称 为动态库或工作存储 器 ．是反映 当前 问题求解状态 的集 合 ．用于存放系统运 行过程中所产生 的 所有信息 以及所 需要 的原始 数据 ．包括用 户输入 的信息 、 推理 的中间结果等 。 数据库 的表示 d e fin e UNKNOW 3 d e fin e TRUE l d e fin e FAI SE 0 制 造业信 c l a s s Da t a { pu bl i c i n t Po we r Off； i n t W o r ki n g； 断 电 i n t Re t u r n； 突然 出现 系统 断 电 i n t Tu m On； 故 障 i nt PL Co ff； i nt Dc I n p ut ； 正 常 i n t DC5 Vo ff； i n t Q F 2 o ff ； 引 起 的 i n t KA1 2 o f f 的 KAl 2断 开 ／ ／ ／ ／电源 无 法 接 通 ／ ／自动 加 工 过 程 中 。突 然 出 现 系统 ／ ／ 在 X 轴 执 行 回参 考 点 的 过 程 中 ／ ／ 开 机 时 出 现 C NC 电 源 无 法 接 通 的 ／ ／ P L C灯 灭 ／ ／ 外 部 电源 输 入 端 C1、D1间 D C2 4 V ／ ／ 电源模块 上的 D C 5 V为 0 ／ ／ 故 障是由于液压泵过 载 Q F 2跳 闸 ／ ／ 原 因 是 由 于 工 作 台 的 “ 超 程 ” 引 起 D a t a 0 { P0 we r 0 UNKN0W W0 r k i n g UNKNOW ； Re t u r n UNKNOW ； I m 0n UNKN0W PLCo f f UNKNOW ； } } ； Da t a a ／ ／ a为 全 局数 据 库 用数据库类 D a t a 来表示数据库 ，类中包含所有可能 出 现 的事实 。包括 肯定 的事 实 、否定 的事 实 以及未 知 的事 实 。用 D a t a类实例 化一个数据对象 a为全局数据库 ，随着 规则 的应用 ，推理 的进行 ，对象 a中的事实成员 的值作相 应 更 新 。 2 - 3知 识 库 用来存 放领域专家的数控机床故障诊 断的经验知识 。 知识库 的表示 c l a s s r ul e s { pu b l i c CS t r i n g S； i n t nu m ； r u l e s * PNe x t ； r u l e s i n t n n，C S t r i n g S S num nn ； S S S ； } } ； 用 r u l e s类 实 例 化 一 个 对 象 即是 一 条 知 识 。 例 如 rol e s r 1 1 ， “ 该 机 床 在 自动 加 工 过 程 中 ，突 然 出 现 系 统 断 电 ， 再 次 开 机 后 ， 电 源 无 法 接 通 。 测 量 机 床 电 源 模 块 的 输 入 AC 2 0 0 V 正 常 ， 但 按 下 面 板 上 的 NC ON 按 钮 ， KA1 0、 KAl l 均 不 动 作 ．检 查 机 床 的 强 电 控 制 回路 ，发 现 开 机 后 KA1 2未 吸 合 。 ” ；r u l e s r 2 2， “ 该 机 床 在 X 轴 执 行 回参 考 点 的 过程 中 ，突然 出 现 系统 断 电 ．再 次 起 动 后 系统 电源 用规则 类来 表示 知识 库 。类 中包含规则 的序号 、规则 的内 容 和指 向下 一规则 的指针 。用 r u l e s 类 实例化所 有的知识 规 则[ 2 - 3 ] 。 2 - 4推 理机 递 归 过 程 b a c k t r a c k函数 说 明 了数 控 机 床 故 障诊 断 专 家 系 统 的 推 理 机思 路 。 首 先 ，判 断 当前 数 据 库 是 否存 在最 终 答 案 ，如 果 存 在 程 序 成 功 退 出 ，并 把 诊 断 结 果 以及 推 理 过 程 显 示 到 人 机 界 面上。否则 ，取 出规则链的头规则应用 ，把 推出的新事实 添 加 到 事 实 库 。根 据 更 新 的 数 据 库 事 实 继续 匹 配 可 用 的 规 则并 添加 到链表尾 。再 查看 当前 数据库 是 否存 在最终 答 案 ．这样循环执行直到无可用规则退 出为止 l 4 l。流程如图 2所 示 。 代码实现如下 r u l e s* p NU L L； ／ ／ 当 前 正 在使 用 的规 则 指 针 图 2 推 理 机 流 程 图 下 转 第 5 8页 技 术 4结束语 表面粗糙度影响着零 件的使用性能 ，这就要求在加工 中通过合理选择切削用量来改善零件 的表面 的质量 。不管 是 传 统 的 机 械加 工 还 是 数 控加 工 ，其 原 理 都 是 一 样 的 ，即 应首先选取尽可能大的背吃刀量 ．其次根据机床动力和刚 性 的 限 制条 件 ，选 取 尽 可 能大 的进 给 量 ．最 后 根 据 刀 具 耐 用度要求，确定合适 的切 削速度 ，只不过数控加工需要在 程序 中完 成。指令 格式看 似简单 ，实则 不然 ，文 中所举 G 7 3只是一个典型 ．虽然很多教材 中都有这 类循环指令 的 使 用方 法 介 绍 ，但一 定 要 深 刻 理 解 每 个 符 号 的 含 义 ，这 样 才能在使用 中达到熟 能生巧。 上接 第 2 3页 b o o l fl a g f a l s e； ／ ／ ／ 标 志 当前 数 据 库是 否 已 有答 案 b o o l b a c k t r a c k Da t a a { w h i l e fl a g -- f a l s e ／ ／ 判 断数据库是 否已有答 案 { i f p NU L L { a p p l a c a t i o n a ； ／ ／ 取 出 可 用 规 则 链 的 头规则应用 ．添加新的事实 a p p r u l u e s a ； ／ ／ 再 匹 配 出 可 用 规 则 依次存放到一个单向链表尾 l e l s e r e t u r n 0 ／ ／ 没有可用 规则 ，数 据 库不存在答案 ．失败结束 } r e t u r n 1 ／ ／ 找到答案 ．成功结束 2 ． 5解释机构 解 释程序用于对求 解过 程做 出说 明。把求解过程的 中 间 结 论及 最 后 结 果 存放 到另 一 链 表 巾 ，并 可 输 出到 人 机 界 面的对话框中．代码如下 r u l e s * h e a d NUL L ／ ／ 可用 规 则 链表 头指 针 w h i l e h e a d p { m y u y u l i s t ． A d d S t r i n g 一 T h e a d 一 s ； ／ ／ 把推理过程输 出到对话框 中的列表框 中 h e a d h e a d 一PNe x t ； } 2 ． 6知识获 取机构 知识获取机构负责建立 、修改和扩充知识库 。本系统 采用手 工方式 。利用 r u l e s 类定 义新的知识 ，并在 规则 匹 配 函数 a p p r u l u e s a 中 加 入相 应 知识 的 匹配 过程 。 3数控机床故障诊断专家系统应用 如 图 3所 示 是 对 数 控 机 床 电 源 部 分 发 生 故 障 时 的 诊 断 。 参考文献 [ 1 ]王启平．机械制造工 艺学 [ Z]．哈 尔滨 哈 尔滨工业大学 出 版 社 ． 1 9 9 9． [ 2 ] 北 京 发 那 科 机 电 有 限 公 司．B E I J I N G F A N U C O i - C ／ O i Ma t e C 参数说明书 [ z ]． 2 0 0 4 ． [ 3 ]昊一帆．数控机床编程及操作实训手册 [ M]．苏州苏州大 学出版社 2 0 o 8 ． 作者简介 沈长生 ，男 ，1 9 8 5年生，江苏睢宁人 ，大学本科 ，助 教。研究领域 数控加] _ 技术。已发表论文 3篇。 f 编辑 向 飞1 图 3 数控机床故障诊断专家系统的电源故障模块 该机床在 自动加工过程 中，突然 出现系统断电 ，再 次 开 机后 ，电源 无 法 接通 。测量 机 床 电源 模块 的输 入 AC 2 0 0 V 正常 ，但按下 面板上 的 N C O N按钮 ，K A l O 、K A Ⅱ均不动 作 ，检查机床的强电控制回路 ，发现开机后 K A 1 2未吸合。 4结束语 笔者根据数控 机床故 障诊断过程 复杂性 、实践性的特 点 ，采用 面向对象的方法表示数据库 和知识库 ．开发 了数 控 机 床 故 障 诊 断 专 家 系统 ，该 专 家 系 统 的 推 理 机 ，逻 辑 清 楚 、可移植性强 ．知识库 内容稍加修改便可应用于其他 的 专家系统 [ 5 3 ，节约开发成本和时间。 参考文献 【 1 ]王万森．人 工智能原理及其应用 [ M]．北京 电子工业 出版 社 ，2 0 0 0 ． [ 2 ]邓天鹏 ，韩艳．基于产生式规则专 家系统在结构损伤诊 断中 的应用 [ J ]．河南理工大学学报 ，2 0 0 7 ，2 6 2 2 0 2 2 0 6 ． [ 3 ]徐彤，雷英杰．一种基于知识规则推理 的 C 实现方法 [ J ]． 空军工程 大学学报 ，2 0 0 2 ，3 6 7 5 7 8 ． [ 4]史忠植 ，王文杰．人 _T - 智能 [ M]．北京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 5 ]刘 白林 ，郝重 阳，范跃 华，等．故障诊 断专家 系统外壳设计 与实现 [ J ]．火力与指挥控 制，2 0 0 7 ，3 2 5 8 4 8 7 ． 作者 简介 于常娟 ，女 ，1 9 7 6年生 ，河北永清人 ，硕 士，讲 师。 研究领域人工智能。 编辑 昊智恒 [ 丑