基于CLIPS的数控机床液压故障诊断专家系统构建.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／2 0 1 5年 第0 7期 d o i l O ． 3 9 6 9 4 ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 7 ． 0 1 8 基于C L I P S的数控机床液压故障诊断专家系统构建 何彦虎 ， 陆勤丰 ， 张晓通 ， 陆雄雄 1 ． 湖州职业技术学院 机电分院， 浙江 湖州 3 1 3 0 0 0 ； 2 ． 浙江天煌实业有限公司 工程技术研发中心 液压研发部 ， 浙江 杭州3 1 0 0 0 0 摘要 针对目前数控机床故障诊断系统应用情况， 对数控的液压系统构建了专家系统 ， 并阐述了其实现的基本原理、 总体框架思路 和基本方法。同时对目前C L I P S 与高级语言v c 的混合编程进行了优化 ， 提出了基于文本的交互原理及交互技术 ， 解决了在人机界 面开发中遇到的难题 ， 提高了开发速度。最后说明了用案例推理和规则推理的基本方法 、 知识的表示、 推理方法和人机界面的设计。 关键词 推理； 故障诊断； 专家系统； C L I P S ； 液压系统 中图分类号 T H1 3 7 ； T P 1 8 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 5 0 7 - 0 0 5 4 - 0 5 NC M a c h i n e Hy d r a u l i c Fa ul t Di a g n o s i s Ex p e S ys t e m Ba s e d o n CLI PS Bui l d H E Y a h 一 。 ， L U Qi n - f e n g 2 ， Z HA NG X i a o t o n g ’ ， L UX i o n g - x i o n g 。 1 ． Hu z h o u V o c a t i o n a l T e c h n o l o g i c a l Co l l e g e ， Hu z h o u 3 1 3 0 0 0 ， Ch i n a ； 2 ． Z h e j i a n g T i a n h u a n g S c i e n c e T e c h n o l o g y I n d u s t r i a l C o ． ， L t d ． ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e c u r r e n t a p p l i c a t i o n o f Nc ma c h i n e f a u l t d i a g n o s i s s y s t e m， t h e NC c o n t r o l h y d r a u l i c s y s t e m c o n s t r u c t s t h e e x p e r t s y s ‘ t e rn， a n d e x p o u n d s t h e b a s i c p r i n c i p l e o f i t s i mp l e m e n t a t i o n ， t h e o v e r a l l fra me wo r k o f i d e a s a n d b a s i c m e t h o d s ． At t h e s a me t i me t o t h e c u r r e n t CLI P S ， m i x e d wi th h i g h l e v e l l a n g u a g e VC p r o g r a mm i n g ， t h e o p t i mi z a t i o n ， b a s e d o n t h e t e x t o f t h e i n t e r a c t i o n p r i n c i p l e a n d i n t e r a c - t i v e t e c h n o l o g y , s o l v e d t h e d i ffi c u l t p r o b l e ms e n c o u n t e r e d i n t h e ma n ma c h i n e i n t e r f a c e d e v e l o p me n t ， i mp r o v e t h e s p e e d o f d e v e l o p me n t ． F i n a l l y i l l u s t r a t e s t h e b a s i c me t h o d o f u s i n g c a s e - b a s e d r e a s o n i n g a n d r u l e r e a s o n i n g ， k n o wl e d g e r e p r e s e n t a t i o n ， r e a s o n i n g me t h o d s a n d h u ma n - c o mp u t e r i n t e r f a c e d e s i g n ． Ke y wo r d s r e a s o n i n g ； f a u l t d i a g n o s i s ； e x p e r t s y s t e m ； CLI P S ； h y d r a u l i c s y s t e m 0 引言 数控设备 的智能化诊断技术 近年来发展迅速 ， 液 压系统是数控机床中重要的组成部分 ， 液压故障诊断 较为困难， 采用智能化诊断技术可以加快液压故障的 诊断时间。文献[ 1 】 采用 了贝叶斯框架的 L S S V M回归 实现民机液压系统的健康预测。文献[2 ] 采用了基于 E M D 包络谱分析的方法对液压泵故障进行诊断。文献 [ 3 ] 采用P e t r i 网实现液压马达故障的诊断。文献[ 4 】 采用 了支持向量机实现数控机床故障的分类 。这些分析方 法主要是针对液压系统的部分设备的， 而对液压系统 智能化诊断 的方法介绍的较少 。本文采用一种专家系 统进行 自动故障诊断。C L I P S 是继P r o l o g 之后被广泛 使用的人工智能语言阁 。因其推理功能强大， 可移植性 强， 而得到广泛的使用。但 C L I P S 的人机界面还不够 完善 ， 所 以采用 v C 实现人机界面 ， 更好地实现家系 统的构建 。 收稿 日期 2 0 1 5 0 4 - 0 2 基金项目 浙江省教育厅项目 Y 2 0 1 3 2 7 8 7 7 作者简介 何彦虎 1 9 7 2 一 ， 男 ， 山东德州人， 副教授， 硕士， 主要研究方 向为人工智能、 智能故障诊断与容错， 数控机床， 液压系统应用。 5 4 1 数控机床液压系统故障分析 数控机床 的液压系统 ， 主要 实现 卡盘 的夹 紧与释 放， 刀架的转位、 刀架刀盘控制等功能， 现以C K 6 1 5 2 车 床 为例。如图 1 所示 。该系统 的工作压力是 5 ． 0 MP a ， 溢流阀 口设定为4 ． 0 MP a 。 曾盘油觚 ， J 勰转位 ， J 架 l， J 盘鹰筒油缸 图1数控机床液压系统原理图 数控机床液压系统常采用单 向变量齿轮 泵 ， 系统 压力不是很大， 磨损和泄漏及油污染是故障产生的主 要原 因。但数控机床对液压 系统 的要求非常严格 ， 不 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． O 7 ． 2 01 5 但运行平稳 ， 而且精度高 。分析数控机床液压故 障发 生 的原 因 ， 主要有 泄漏 ， 主要是 因密封圈的破损或磨 损 等造成 的油液泄漏 ， 如 0形密封 圈的磨损 和边缘破 裂蚀损等 ； 液压阀损坏， 主要是在高压下发生裂缝、 卡 死等 ； 电磁换 向阀失灵 ， 主要是磁力下降或失磁不能推 动阀芯 ， 无法换向； 因油液过滤失效堵塞造成的故障， 如先导溢流阀的堵塞 ， 如表 1 所示 。 表 1 数控 液压 系统常见故障 故障原因 故障现象故障原因 减压阀1 和2 故障， 堵 阀F 6 电磁线圈无电、 磁力 塞或弹簧失效 套筒压力下降或阀本身损坏 换向阀内 泄严重， 系 太小、 顶 系统溢流阀 设定 错误或 l二二 ‘ 。 统溢流压力不足 压不稳故 损坏 氆牵缸得密封性能变差主 障 减压阀设定错误或损坏、 发生较多 调速阀设定错误 卡 盘不 夹 紧 溢 流 阀 压 力 设 定 或 损坏 刀盘不动 换 向 阀 l y a 、 2 y a的 电 作 、 动 作 气线路故障或阀本身 缓慢 损坏 液 压 缸 密 封 损坏 ， Y型密 封圈磨损卡死 换 向阀 的电气控制 回路故 障 、 线圈烧坏 、 阀体 内泄 严 重 系 统溢 流阀设 置错 刀架旋转 说明溢流阀坏， 压力太低， 误、 滤油器未更换 很慢 或者液压马达故障。 定错误 、 减 表有 说明溢流阀坏 ，滤芯堵塞 。 压阀损坏 跳动 ⋯ ⋯⋯ ～ ⋯ ⋯一。 通过以上分析， 液压故障源较多， 任何一个细小的 故障， 都会影响数控机床加工精度， 而故障诊断的速度 直接与企业的效益相关。一般的， 液压系统的故障主 要从两个现象上表征出来 ， 一个是电磁阀的动作逻辑 是否合理 ， 另一个 就是 系统压力 的变化上 。现 以卡盘 部分工作状态为例说明， 如表2 所示。当故障发生时， 这些状态会发生变化， 可用来判断故障发生点。 表2卡盘的状态表示 表中压力单位 MP a } 表 中 ， P t ， p 2 P ， 为压力监 测点 ， P 一 是溢 流 阀人 口压 力 ， p z 是减压阀出I 3压力 ， p ， 是液压缸人 口压力。 2专家系统结构设计 依据专家系统原理 ， 故障诊断专家系统主要组成 有 事实库 、 推理机 、 知识库 、 解释机构及人机界面等部 分， 系统的总体结构如图2 所示。 图 2 专 家系统结构 C L I P S的推理循环可 分为 以下几个 阶段 模 式匹 配 ， 按照算法扫描知识库中所有规则 ， 把规则的前件与 当前事实相匹配。冲突消解 ， 当多条规则 同时被匹配 时 ， 根据预先确定 的冲突消解策略 ， 确定触发规则 。激 活规则 ， 调用匹配所触发规则 的所有事实 。动作 ， C L I P S 推理机重复上述循 环 ， 不断地扫描规则 的模式 ， 并把匹配成功的规则激活 ， 放人议程 A g e n d a 之 中。 3 不确定性信息及确定性因子 在故障现象的描述中， 描述者并非能准确地确定 发生了哪些现象， 有些现象往往被忽视， 这是专家系统 采取不确定性推理的一个重要因素 。为实现不确定 性推理 ， 首先要确定知识表示及匹配算法 ， 如在前件中 加入可信度因子和权值。C L I P S 在不确定性信息处理 时 ， 可 以采用模糊 C L I P S ， 本文采用确定性 因子 的方法 实现不确定性推理 。首先定义一个 四元组 ， 即故障I D、 对象、 属性、 值， 然后采用下面模板实现 d e f m o d u l e C F _ P RO C E S S e x p o r t A L L f d e f t e mp l a t e C F _PR0CESS a t t r i b ut e s l o t I D m u h i s l o t n a me m u l t i s l o t v a l u e s l o t C F t y p e F L O A T d e f a u l t 1 ． 0 r a n g e 0 ． 0 1 ． 0 以上模板定义 了每个对象 的属性 ， 同时也定义 了 其不确定值， 用C F 表示不确定度。如 加工尺寸不稳 定的故 障中， 可能是 由夹盘的液压压力不稳定有关 ， 这 就与减压阀、 电磁换向阀、 液压泵 、 溢流阀等元件有关 ， 因此， 可以定义每个元件发生故障的确定性因子。在 推理中， 允许每个对象由不同的规则推理出来 ， 那么他 们组合的不确定性因子的计算方法是 C F C F I C F 2 一 C F 1 C F 2