融合多传感器信息的数控机床故障诊断专家系统开发.pdf

2 0 1 2年 4月 第 4 0卷 第7期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS Ap r ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 7 ． 0 5 4 融合多传感器信息的数控机床故障诊断专家系统开发 张爱瑜 ，赵晓光 ，张磊 1 ．中国科 学院 自动化研究所复杂系统管理与控制 国家重点 实验室，北京 1 0 0 1 9 0 ； 2 ．山东大学控制科学与工程学院，山东济南2 5 0 0 6 1 摘要建立一种通用的数控机床故障监测和诊断专家系统，允许用户采用人机交互的方式建立故障树，以产生式规则 表示故障树知识，在此基础上融合多种传感器信息，实现了正反向混合推理。实验结果表明该专家系统能够利用多种传 感器信息诊断出故障原因并给出维修方案，实现了对数控机床的故障诊断。 关键词数控机床；故障诊断；专家系统；故障树 ； 多传感器 ； 正反向推理 中图分类号T G 6 5 9 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 71 8 0 4 De v e l o pme n t o f Fa u l t Di a g n o s i s Ex pe r t S y s t e m wi t h M ul t i pl e S e n s o r I n f o r ma t i O n f o r NC M a c h i n e To o l ZHANG Ai y u ，ZHAO Xi a o g ua n g ，ZHANG Le i 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f Ma n a g e me n t a n d C o n t r o l f o r C o mp l e x S y s t e m s ， I n s t i t u t e o f A u t o m a t i o n ， C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s ， B e i j i n g 1 0 0 1 9 0 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f C o n t r o l S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， S h a n d o n g U n i v e r s i t y ， J i n a n S h a n d o n g 2 5 0 0 6 1 ，C h i n a Ab s t r a c t A g e n e r a l f a u l t mo n i t o r i n g a n d d i a g n o s i s e x p e r t s y s t e m f o r N C ma c h i n e t o o l wa s b u i l t ． T h e s y s t e m a l l o we d u s e r s t o b u i l d t h e f a u l t t r e e i n a n i n t e r a c t i v e w a y a n d t h e k n o w l e d g e o f f a u l t t r e e w a s e x p r e s s e d a s p r o d u c t i o n r u l e s ．O n t h i s b a s i s ，for wa r d a n d b a c k wa r d r e a s o n i n g w i t h t h e i n t e g r a t i o n o f i n f o r ma t i o n f r o m mu l t i p l e s e n s o r s w a s r e ali z e d．T h e e x p e r i me n t al r e s u l t s s h o w t h a t b y t h e e x - p e r t s y s t e m，f a u l t r e a s o n s c a n b e d i a g n o s e d u s i n g i nfo r ma t i o n f r o m mu l t i p l e s e n s o r s a n d r e p a i r s c h e me i s g i v e n ．S o t h e g o al o f f a u l t d i a gn o s i s for NC ma c h i n e t o o l i s a c h i e v e d ． Ke y wo r d s NC ma c h i n e t o o l ；F a u l t d i a gno s i s ；E x p e rt s y s t e m；F a u h t r e e ；Mu l t i p l e s e n s o r i nfo rm a t i o n ；F o rward a n d b a c k ward r e a s o ni n g 作为现代柔性 自动化的基础设备和高速、高精加 工设备 ，数控机床的可靠性和安全性显得特别重要。 数控机床的故障来源包括机床本体和数控系统，目前 大多数故障诊断专家系统都是针对控制核心数控系统 开展的，而对于比较难以检测的机械故障，如主轴故 障、进给运动故障等 ，仍处于研究阶段。近年来随着 电子技术、计算机技术的高速发展 ，融合多种传感器 信息实现数控机床故障诊断已经成为世界范围内的研 究热 点。 专家系统是实现故障诊断的有效手段，通常意义 上的专家系统都需要很强的领域专家知识支撑。数控 机床种类繁多，各类数控机床的控制方式和工作过程 差异较大，因此，研制一种适于多种机床使用的专家 系统至关重要。基于这种思想 ，作者开发了一种通用 的数控机床故障监测与诊断专家系统，该系统采用了 基于故障树分析法的开放式建模方式，允许操作者通 过人机交互的方式建立故障树 ，并将其保存为专家知 识作为故障推理的依据，同时融合了数控系统的自诊 断功能与多传感器监测的实时信息 ，实现了对机床系 统全面的故障监测和诊断。 1 数控机床故障监测与诊断 数控机床故障诊断的实质⋯是在机床出现故障的 前提下，通过来 自外界或系统本身的信息输入 ，经过 处理，判断出故障种类，定位故障部位 ，进而估计出 故障的可能时间、严重程度、故障原因等 ，甚至还可 以提供评价 、决策以及进行维修的建议 。其主要内容 包括实时监测技术、故障分析 诊断技术和故障 修复方法 3 个部 分 。 数控机床作为一种 自动化程度很高的现代化机 械，具有通用性和复杂性的特点，其产生的故障与传 统机床相比也变得更加错综复杂。针对数控机床的各 种故障，现代故障诊断技术 也层出不穷 ，主要有通 讯诊断、人工智能专家系统、神经网络诊断以及智能 化集成诊断等。由于专家系统的故障诊断方法智能化 收稿 日期 2 0 1 1 0 41 5 基金项目数控重大专项资助项 目 2 0 0 9 Z X 040 0 9 0 1 3 0 3 作者简介张爱瑜 1 9 8 7 一 ，女，硕士，研究方向为数控机床故障诊断专家系统。E ma i l a i y u ． c a s i a g m a i l ． c o m。 第 7 期 张爱瑜 等融合多传感器信息的数控机床故障诊断专家系统开发 1 8 1 程度高、实用性强 ，较符合当代技术的发展趋势，因 此作者采用专家系统来实现对数控机床的故障诊断。 2 数控机床故障诊 断专家系统 根据 S t a n f o r d大学 F e i g h b a u m教授 1 9 8 2年给出的 定义 专家系统 E x p e r t S y s t e m是一种智能的计 算机程序 ，这种计算机程序使用知识与推理过程，求 解那些需要专家才能求解的高难度问题。故障诊断专 家系统属于诊断型专家系统，是指计算机在采集被诊 断对象的信息后 ，综合运用各种规则 专家经验 ， 进行一系列的推理，必要时可以随时调用各种应用程 序，运行过程中向用户索取必要的信息 ，可快速地找 到最终故障或最有可能的故障，再由用户来证实。 数控 机床故障诊 断专家系统既要具有 领域专家水平 的专业 知识 ，能够进行有 效 的推理，还要 具有知 识获取能力、交互能 力 、解释 能力等。其 结 构 如 图 1所 示 ， 主要包 括知识库、推 图 1 专家系统的结构 理机 、综合数据库、解释程序、知识获取程序及人机 接口。各部分的功能分别为 1 人机接 口。用于完成输入、输出工作； 2 知识获取 机构。把知识输入到知识库 中， 并负责维持知识的一致性及完整性； 3 知识库。知识 的存储机构，用于存储领域 内的原理性知识、专家的经验性知识、有关事实等 ； 4 推理机。专家系统的 “ 思维”机构，是构 成专家系统的核心部分。任务是模拟领域专家的思维 过程，控制并执行对问题的求解； 5 数据库。用来存放事实、问题描述、中间 和最终结果、运行等信息； 6 解释机构。能对 自己的行为进行解释 ，回 答用户提出的 “ 为什么” 、结论如何得出等问题。 3 多传感器故障诊断专家系统 3 ． 1 故障树建模 采用基于故障树分析法的建模方式。故障树分析 法 是把所研究系统最不希望发生的故障状态作为 故障分析的目标 顶事件 ，然后找出导致顶事件发 生的全部因素 ，把它们作为第二级；依次再找出导致 第二级故障事件发生的直接因素作为第三级 ，如此逐 级展开，一直追溯到那些不能再展开的或毋需再深究 的最基本的故障事件 底事件为止。介于顶事件 和底事件之间的其他故障事件称为中间事件。把顶事 件、中间事件和底事件用适当的逻辑门自上而下逐级 连接起来所构成的逻辑结构图就是某个典型故障的故 障树。故障树分析法与专家系统的联系非常紧密，它 不仅有利于知识库的构建，也有利于推理机的推理。 由于不同类型数控机床的结构不同，控制方式不 同，故障类型也各有特点。为了建立通用的故障监测 和诊断系统 ，作者采用了一种开放式的故障树建模 方法，用户通过人机交互的方式建立故障树模型。建 模界面提供了 “ 事件” 、 “ 元件” 等模型元素 以及 “ 与” 、“ 或”等逻辑符号，一个模型元素代表故障树 中一个节点 ，这样用户就可以通过对模型元素图标的 拖拽、连线和一些简单信息的设置完成故障模型的建 立过程，简化了操作并且使得故障树模型更加简洁、 直观。建模 界面如图 2 所示 。 图2 数控机床故障诊断专家系统建模界面 1 8 2 机床与液压 第 4 0卷 3 ． 2知 识表 示 系统采用了基于故障树的建模方式。产生式规则 的知识表示法能够较好地表示故障树中各个故障节点 之间的因果关系 ，并且该表达方法和人类的思维逻辑 很贴切，可以很方便地表达专家经验知识，因此选用 了产生式表示法来进行知识表示 。产生式表示法也 叫 规则 表示 法 ，产生 式 规则 的基 本 形式 是 I F P T H E N Q，其中 P是产生式的前提，用于指出该产生式是否 可用的条件 ，它可 以是一 系列条 件 的组 合 ，即P P P ⋯⋯ P ，Q是产生 式的结论 或操作 ，用 于指 出 当前提 P所 指示 的条件 被满 足 时 ，应 该得 出 的结论 或应该执行的操作 。将故障树的知识抽取出来并用 产生式规则表示，是下一步进行故障诊断推理的重要 依据 。 3 ． 3 融合 多传感器信息的推理机制 推理机是整个故障诊断专家系统 的灵魂 。在产生 式规则表示 的知识之 上进行 的推理一 般有 正 向推 理 、 反向推理和正反向混合推理。由于数控系统故障存在 复杂性 ，必须选择合适的推理机制来提高诊断效率。 该故障诊断专家系统采用了正反 向混合推理的方法， 从事实 故 障征兆 出发正 向推 出相 应的故 障集 目标 ，再从故障集出发反向推理找相应 的事实以 实现故障定位的功能。这种推理机制结合了数据驱动 和 目标驱动控制各 自的优点，是一种较好的控制策 。 故障征兆 的出现是启动推理机进行故 障诊 断的条 件 ，系统在机床的主轴 、丝杠等容易发生故障的部位 安装了多个温度、噪声 、振动传感器来对机床状态进 行实时监测，得到的传感器异常信号即作为某种故障 征兆。然而单纯的某一个传感器的信号 ，仅反映了一 部分故障信息 ，得到的可能故障原因往往有很多，很 难具体地定位最有可能的故障原因。为此作者采用了 融合多种传感器信息的方 ，综合利用温度、振 动、噪声传感器采集到的故障征兆进行正反向推理 ， 能够更快更准确地实现故障原因的定位。 下面结合图3所示的两棵故障树简要介绍融合多 传感器信息的正反向推理的一般流程 。图中的故障树 用产生式规则表示如下 I F A1 THEN B1 I F A1 THEN C 3 I F B1 T HEN C1 I F B1 THEN C2 I F A2 THEN C1； I F A2 THEN C 4； 其中 A 1 、A 2代表 不同传感器检测到的故 障征兆 ，以 A 1作为主 故障征兆进 行正 向推 理，首 先 得 到 B 1和 c 3 ，它们 自身与 A 2不 匹配 ，经过反 向推理之 后 ，也 不 能 得 到 A 2 ， 图 3 推理示例故障树 需要继续对 B 1 进行 正 向推 理 ，得 到 C l 和 C 2 ，它们 自身与 A 2并不匹配 ，但是 c 1经过反向推理之后 ， 可 以得 到 A 2 ，即 c 1 是 导致 A 1和 A 2发生 的共 同原 因 ，至此推理完毕 ，给 出诊断结果 C 1 。 图4为正反向混合推理的流程图。 获 取各 路传 感器 故 障代 码 记 录 出现异 常 的故 障代 码 根据 主 故障 征兆 正 向 推理 出Ⅳ个故 障 原 因 计 数变 量 初始 化 i 0 Y j L 一 根 据第价 故 障原 因进 行 反 向推理 囊 鸟 藉 磊 磊 嵩 羹 睡 、 二 兆 与 辅 助 故 障 征 兆 匹 配 ／ Y 此故障原因为导致各个故障 I I 此故障原因不是导致各个 现象同日 寸 出现的故障原因 l l 故障同时出现的故障原因 堕垦 图 4 正反向推理流程 4故障诊断实例 使用文 中建立 的故障监测 和诊 断系统，针对 V M C 0 8 5 0 B立式加工中心的主轴故障进行了模拟监测 和诊断。机床在运行过程中由传感器信号检测到主故 障征兆 “ 主轴温度升高” 以及辅助故障征兆 “ 主轴 振动异常”和 “ 主轴旋转异响” ，具体的诊断过程如 下 1 在故障树中搜索到 “ 主轴温度升高”并作 第 7 期 张爱瑜 等 融合多传感器信息的数控机床故障诊断专家系统开发 1 8 3 为当前节点作正 向推理，搜索到子节点 “ 轴承盖偏 心 ，与轴相擦” 、 “ 油封太紧” 、 “ 主轴润滑不好 ” 、 “ 轴承间隙过大或过小”等。 2 对搜索到的各个节点分别与辅助故障征兆 相匹配 ，均不匹配；接着对每个节点进行反向推理， 以确认它们是否是辅助故障征兆的原因。其中，反向 推理得 出 “ 轴承间隙过大或过小” 、“ 轴承型号选小、 过载，使滚动体承受载荷过大” 、 “ 电动机与传动机 构联接偏心或传动皮带过紧” 、“ 轴承有故障、磨损 ， 主故 障信 息 有杂物等 ”是 “ 主轴 振动异 常 ” 的原 因；而 “ 轴承 有故障、磨损，有杂物等”是 “ 主轴旋转异响”的 原 因。 3 经过以上推理， “ 轴承有故障、磨损，有杂 物等”是三者的共同原因，得出故障原因为 “ 轴承有 故障、磨损，有杂物等” ，给出解决方案为 “ 更换损坏 的轴承，对含有杂质的轴承要彻底清洗，换油” 。 图5为上述主轴故障的诊断过程图示，箭头的方 向表示 了推理 的方向。 辅助 故 障信 息 图5 主轴故障诊断过程 作者所开发的数控机床故障诊断专家系统的诊断 界面如图6所示。界面中给出了实时检测出的3种故 障征兆 ，给出了故障诊断的结果以及应采取的维修方 案。经过验证 ，专家系统起到了故障监测和诊断的作 用 ，运行效果 良好。 聪一 一l 藤一圈豳豳鼹 _ 目 疆黼黼 黼瓣鼎感 s 鼎 矗 建 报 信 号 蟪 诊 断 日 志 导 出 窗口 退 出 一 x ■ ￡ 呐 ； 晶代 鸨 传 感 噩 物 理 旨 义 l ；莓 只 j盘 中 一 项 进 行 诊 断 0 温 厦 传 月 矗 l温 厦 正 雨 0 温 度 传 感 器 2温 度 正 常 攀 置 诰 谩 0 温 度 倍 感 船 3 温 度 正 常 铝 妻 蒿 0 湛 度 倍 感 器 4温 度 正 常 9 温 度 俸 感 器 5 温 度 异 常 0 沮度倍感器8 温度正常 D 温度倍 感册T 温度正常 0 温度倍感器8 温度正常 口 准停感应器故障 1 1 嘬声佶 感器1 哺声异常 1 0 撮动惜感器t 振动异常 c H c 故障代码显示 { 赦睫代鹤 l 赦随E 野 象 I 弛 隧 治断 l ⋯⋯ ●目Ⅱ- ●- 故障原因 l 解决方塞 丌 日 l私 轴承酉敢瓯 -一强 l霄系韧辱 更强损坏的轴求 对 台酉 厦目 g 轴承群 故障排除 顿域专家 遇出i 岔 断 黼 辎 蝴 赫 蝴 龇 蛳 蛐 咄 黼 施 醯 蝴 啦 l蛐 蕊 蛳黜 黼 糊 ’ 图6 专家系统诊断界面 5结 论 针对不同类型数控机床的结构、控制方式不 同， 故障类型各有特点的现状，建立了一种通用的数控机 床故障监测和诊断专家系统。该系统允许用户采用人 机交互的方式建立故障树 ，将故障树知识表示成产生 式规则形式的专家知识 ，在这种知识表示方式的基础 上，融合了多种传感器信息，实现了正反向混合推理 的推理机制。经过在机床上实验，专家系统能够利用 多种传感器信息诊断 出故障原 因并给出维修 方案， 实现了预期效果 ，然而系统也存在着一些问题 ，推 理机的效率以及 自我学 习机制等问题仍有待于进一 步的研究。 参考文献 【 1 】王春生， 李朝强 ， 李素娟． 基于故障诊断专家系统的数控 机床故障诊断[ J ] ． 装备制造技术， 2 0 0 9 8 1 1 1一l l 2 ． 下转第 2 0 0页 机床与液压 第 4 0卷 亦有不同影响，对外载荷频率的变异系数 来说 ， 随着外载荷变异系数的增大，振动可靠性指标的敏感 程度在逐渐减小。因此，在进行机械零件结构的设计 时，要考虑变异系数的影响，注意变异系数的合理取 值 。 4 对 于悬臂 梁 来说 ，如果不 考 虑悬 臂梁 的质 量分布系统，其固有频率为 厂 ． ／ 1 5 ， √ 则频率 比为 A 等 ／ 1 6 了 、／ 面 由于悬臂梁横截 面形状为矩 形 ，其惯 性矩为 ， 百 b hJ ，所 以 A E J．／1 2 LI _ 3 m1 ． 1 7 E 。 给式 1 7 中代入相关数据，可得 A 1 8 ， ‘ 一 一 、 J u， √6 由式 1 8 可知 在 A1时，随着截面 宽度 的增大，A减小 ，由可靠 性指标 的计算 公式 1 4 可以看出，可靠性指标是减小的。所 以，将机 械结构的材料参数、几何参数和外载荷视为区间参 量 ，提出机械零件振动可靠性灵敏度分析 的区间方 法，为分析和提高机械零件抗振可靠性提供了新的理 论依据 。 5结论 分析了标准可靠性灵敏度分析方法的缺陷，将机 械零件抗振设计中有关设计参数看做区间变量 ，提出 了机械零件振动可靠性绝对区间灵敏度和相对区间灵 敏度的概念，该方法只需知道有关设计参数变化范 围，而不要求知道设计参数具体的分布类型，对原始 数据要求低 ，就可以分析出各有关设计参数对振动可 靠性的灵敏度。通过工程实例说明此种方法的有效 性、简便性和实用性，它为机械零件的减振和抗振性 设计提供了理论依据。 参考文献 【 1 】邱志平， 王晓军． 结构灵敏度分析的区间方法[ J ] ． 兵工 学报 ， 2 0 0 5 ， 2 6 1 7 9 8 8 0 2 ． 【 2 】吕 东 ， 李录平， 唐月清． 工程结构件振动可靠性灵敏度设 计[ J ] ． 机械设计与制造 ， 2 0 0 0 4 1 2 ． 【 3 】邱志平． 非概率集合理论凸方法及其应用[ M] ． 北京 国 防工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 4 】苏金明， 阮沈勇， 王永利． M A T L A B 工程数学[ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 0 5 ． 上接第 l 8 3页 【 2 】 三润孝 ， 罗琦， 杨莹宝， 等． 数控机床故障诊断研究现状 与未来发展[ J ] ． 机械， 1 9 9 8 ， 2 5 2 4 8 5 0 ． 【 3 】 吴坚． 基于 C L I P S的数控机床故障诊断专家系统[ D ] ． 南宁 广西大学， 2 0 0 8 ． 【 4 】 张梅军． 机械状态监测与故障诊断[ M ] ． 北京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． 3 ． 【 5 】 张龙， 熊国良， 李嶷． 机床故障诊断系统知识表示的研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 5 3 1 9 21 9 3 ， 1 7 3 ． 【 6 】宗群， 陈东航， 牙淑红． 基于故障树分析法的电梯远程监 控系统故障诊断[ J ] ． 制造业自动化 ， 2 0 0 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