范芳洪 ， 胡自化

（1.湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院制造學(xué)院，湖南 株洲 412001）

現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床機(jī)械部件簡(jiǎn)化了，電氣部分向高集成度、多功能化方向發(fā)展，電氣故障難度系數(shù)變大，故障原因和故障現(xiàn)象錯(cuò)綜復(fù)雜。數(shù)控機(jī)床癱瘓大都由于數(shù)控機(jī)床電氣故障引起。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)對(duì)于數(shù)控機(jī)床的電氣故障診斷和運(yùn)行維護(hù)主要依賴于工程師和操作員的工作經(jīng)驗(yàn)，具備較強(qiáng)的主觀性，容易對(duì)故障原因產(chǎn)生誤判而增加故障診斷和維修難度。FAUNC 0iD系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床常常產(chǎn)生比較復(fù)雜的電氣故障，在其發(fā)生故障時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)工作人員的經(jīng)驗(yàn)難以針對(duì)此類電氣故障開展快速有效判別與診斷。本文針對(duì)FANUC 0iD系統(tǒng)電氣故障維修難、故障復(fù)雜的特點(diǎn)，對(duì)于排除故障提出了一種新方法，即利用電氣故障診斷專家系統(tǒng)進(jìn)行診斷，這樣要建立完善的數(shù)控機(jī)床的電氣故障樹，建立故障診斷知識(shí)庫(kù)，設(shè)計(jì)故障推理機(jī)，說(shuō)明故障診斷推理過(guò)程，診斷專家能實(shí)現(xiàn)快速找出數(shù)控機(jī)床電氣故障原因，并有效排除故障，實(shí)現(xiàn)智能診斷。

1 FANUC 0iD系統(tǒng)電氣故障診斷專家系統(tǒng)框架

知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)從電氣維修領(lǐng)域的專家獲得經(jīng)驗(yàn)和方法，這些經(jīng)驗(yàn)和方法被分類和總結(jié)，并以計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的格式轉(zhuǎn)換成知識(shí)。推理機(jī)用戶輸入關(guān)鍵字之后，推理引擎使用適當(dāng)?shù)耐评聿呗躁P(guān)閉知識(shí)庫(kù)，并最終向用戶顯示合格的診斷結(jié)果，且使用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建系統(tǒng)所需的診斷結(jié)果。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和過(guò)程計(jì)算結(jié)果在系統(tǒng)電源故障后自動(dòng)丟失動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中的原來(lái)數(shù)據(jù)。其具體的系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 FANUC 0iD系統(tǒng)電氣故障診斷專家系統(tǒng)組成

1）人機(jī)界面：用于工程技術(shù)人員與設(shè)備之間的互動(dòng)，供工程人員下達(dá)指令。

2）知識(shí)獲取系統(tǒng)：將相關(guān)知識(shí)裝入知識(shí)庫(kù)，使得所建立的知識(shí)庫(kù)更具有完整性，這也是當(dāng)前專家系統(tǒng)研究難點(diǎn)問題所在。

3）知識(shí)庫(kù)及管理系統(tǒng)：知識(shí)庫(kù)所起作用主要是儲(chǔ)存知識(shí)，包括專家經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)、知識(shí)領(lǐng)域的基本規(guī)律等，利用管理系統(tǒng)可以重構(gòu)知識(shí)庫(kù)信息，并進(jìn)行相關(guān)維護(hù)以及搜查工作。

4）推理機(jī)：分析專家系統(tǒng)，推理機(jī)就好比人的大腦，處于核心地位。主要是通過(guò)對(duì)各領(lǐng)域?qū)＜业膯栴}分析過(guò)程進(jìn)行模仿，進(jìn)而將問題處理總結(jié)。

5）數(shù)據(jù)庫(kù)及管理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫(kù)的主要功能是存儲(chǔ)各類信息，其包括已經(jīng)發(fā)生的事實(shí)、需表征的問題、中間結(jié)論及最終結(jié)論等信息進(jìn)行，通過(guò)管理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)和知識(shí)兩種表示方法具備一致性。

6）解釋機(jī)制：能解釋自己的行為，對(duì)用戶的提問進(jìn)行回答等，主要是由程序組成，對(duì)演示過(guò)程進(jìn)行跟蹤并記錄，當(dāng)用戶問出問題時(shí)，能及時(shí)進(jìn)行解釋。

2 FANUC 0iD系統(tǒng)電氣故障樹建立

故障樹[1]知識(shí)從以下方面獲得：1）與具有FANUC系統(tǒng)電氣故障診斷維修方面的專家、技術(shù)人員進(jìn)行討論研究，獲得實(shí)際情況下的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)；2)調(diào)研相關(guān)方面的文獻(xiàn)、書籍、期刊等資料，從中選取需要的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)。進(jìn)一步根據(jù)這兩方面所得的知識(shí)歸納總結(jié)，可以用故障樹十分明顯地表達(dá)出來(lái)。圖2所示為數(shù)控裝置故障樹結(jié)構(gòu)。

3 FANUC 0iD系統(tǒng)電氣故障診斷專家系統(tǒng)推理機(jī)設(shè)計(jì)

高效與實(shí)用是電氣故障診斷專家的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。它可以應(yīng)用知識(shí)庫(kù)內(nèi)已經(jīng)存儲(chǔ)的知識(shí)，對(duì)于一些用戶提供的某些電氣故障問題，按照特定的推理方法，結(jié)合知識(shí)庫(kù)中儲(chǔ)存的知識(shí)，進(jìn)行逐步推理和分析，針對(duì)故障原因得到有效解決方案[2]。對(duì)于診斷專家系統(tǒng)，一般情況下使用3種推理策略：正向推理、逆向推理、正反向推理。由于FANUC 0iD系統(tǒng)整體電氣故障系統(tǒng)復(fù)雜、種類繁多，因此，F(xiàn)ANUC 0iD系統(tǒng)電氣故障診斷專家系統(tǒng)應(yīng)該使用正向推理機(jī)制。

圖2 數(shù)控裝置故障樹結(jié)構(gòu)

基于故障樹的推理機(jī)制，最重要的方法就是計(jì)算故障樹最小割集[3]，然后根據(jù)故障中實(shí)踐的緊急程度，從而確定故障樹中各事件的優(yōu)先等級(jí)；接著根據(jù)用戶在交互界面上輸入的故障現(xiàn)象，選擇存儲(chǔ)在知識(shí)庫(kù)中的故障樹類型，推斷出高優(yōu)先級(jí)的事件。倘若是造成故障的原因，在推理結(jié)束時(shí)應(yīng)給出原因，為了找到相對(duì)應(yīng)的故障原因，可以使用優(yōu)先級(jí)的前后順序進(jìn)行推理[4]。

一般來(lái)講，F(xiàn)ANUC 0iD系統(tǒng)的電氣故障診斷專家系統(tǒng)的推理機(jī)制由兩個(gè)推理機(jī)制組成，即基本診斷單元推理機(jī)制和框架規(guī)則推理機(jī)制。基本診斷單元推理過(guò)程如下:1)根據(jù)用戶輸入的故障類型數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和總結(jié)。2)依照故障狀態(tài)關(guān)鍵詞在知識(shí)庫(kù)內(nèi)搜索出的相應(yīng)故障樹，每棵故障樹與之對(duì)應(yīng)1個(gè)框架。3)尋找到匹配的故障樹時(shí)就可以找到相應(yīng)的框架，將推理任務(wù)分配給規(guī)則框架推理故障機(jī)制。

通過(guò)對(duì)基本診斷單元的推導(dǎo)，故障診斷專家系統(tǒng)可以提供發(fā)生故障的事實(shí)號(hào)與名稱，專家系統(tǒng)找到該故障的框架之后開始進(jìn)行進(jìn)一步的推理判斷，基于框架和規(guī)則的專家系統(tǒng)推理過(guò)程如圖3所示。

圖3 基于框架和規(guī)則的專家系統(tǒng)推理過(guò)程

如果找到的是直接框架，也就是完成推理過(guò)程。由于直接框架中存儲(chǔ)的是故障的成因和其排故策略，因此，假設(shè)獲得間接框架，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)框架的條件關(guān)系來(lái)查找存儲(chǔ)在規(guī)則表中相應(yīng)的規(guī)則號(hào)。而規(guī)則表的特點(diǎn)是：每個(gè)規(guī)則表中的規(guī)則號(hào)是獨(dú)一無(wú)二的，在事實(shí)條件上它是一一對(duì)應(yīng)的因果關(guān)系，對(duì)于每個(gè)事實(shí)條件，它又對(duì)應(yīng)了一定的框架。因此，故障診斷專家系統(tǒng)根據(jù)規(guī)則表中的條件事實(shí)可以找到相對(duì)應(yīng)的框架。假如框架屬于直接框架，則表示推理完成，反之若是間接的框架，對(duì)上面之過(guò)程進(jìn)行重復(fù)，重復(fù)至找著直接框架為止，通過(guò)此方法找到故障源頭以及相應(yīng)的處理方法，直到推理迭代結(jié)束完成故障源的確定[5]。

4 FANUC 0iD系統(tǒng)電氣故障診斷專家系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 診斷專家系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)FANUC 0iD機(jī)床的電氣故障診斷的實(shí)際需求出發(fā)，結(jié)合診斷專家系統(tǒng)及故障樹研究開發(fā)了一套FANUC 0iD數(shù)控系統(tǒng)電氣故障診斷專家系統(tǒng)。其操作界面和諧，功能滿足要求，同時(shí)完成了電氣故障診斷專家系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。

從圖4可以看出診斷專家系統(tǒng)有普通用戶登錄和管理員用戶登錄兩種，普通用戶登錄后只能進(jìn)行電氣故障自動(dòng)診斷操作，日常管理和維護(hù)知識(shí)庫(kù)可以通過(guò)管理員用戶進(jìn)入到后臺(tái)管理功能界面完成。圖5表示為診斷專家系統(tǒng)普通用戶與管理人員用戶界面。

圖4 FANUC 0iD數(shù)控系統(tǒng)電氣故障診斷專家系統(tǒng)登錄界面

圖 5 診斷專家系統(tǒng)普通用戶與管理人員用戶界面

在診斷專家系統(tǒng)的診斷畫面中，在故障類型方框中選擇故障類型，在故障現(xiàn)象方框中輸入故障現(xiàn)象，點(diǎn)擊“診斷”字樣，診斷專家系統(tǒng)通過(guò)推理，給出故障出現(xiàn)的部位原因以及解決方法，輸入的故障問題描述越詳細(xì)，診斷專家系統(tǒng)給出的故障原因越準(zhǔn)確。其具體診斷界面如圖6所示。

4.2 換刀故障的專家系統(tǒng)智能診斷

以旋轉(zhuǎn)刀架換刀故障[6]為例，換刀類型故障樹系統(tǒng)診斷過(guò)程如圖7所示，根據(jù)所求解的最小割集，來(lái)計(jì)算換刀故障樹各割集重要程度，并進(jìn)行重要度排序，以此來(lái)設(shè)置最小割集所對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)別。

圖6 診斷專家系統(tǒng)診斷界面

圖7 換刀故障樹

使用下行法求出故障樹的最小割集：{X70}，{X69}，{X71}，{X72}，{X73}，{X74，X69}，{X74，X76}，{X69，X75}，{X75，X76}。假設(shè)底事件發(fā)生故障的概率如表1所示。

表1 底事件和故障概率

接下計(jì)算頂事件發(fā)生概率如下式所示：

P=0.2+0.3+0.05+0.1+0.2×0.3+0.2×0.01+0.3×0.05+ 0.05×0.01=0.8，該換刀故障事件的發(fā)生概率用P進(jìn)行表示，然后計(jì)算得到各割集的重要度。各類割集的重要度表示如下：刀架鎖不緊重要度=0.08/0.8=0.1，刀架電機(jī)損壞重要度=0.2/0.8=0.25，刀架控制電路重要度=0.2/0.8=0.25，刀架卡死重要度=0.3/0.8=0.375，刀架轉(zhuǎn)不動(dòng)重要度=0.7/0.8=0.875。

因此，應(yīng)該將刀架不能轉(zhuǎn)動(dòng)的最小割集所對(duì)應(yīng)優(yōu)先度值設(shè)置成1。出現(xiàn)刀架卡死情況時(shí)，最小割集的優(yōu)先度級(jí)別設(shè)置為2，出現(xiàn)刀架電機(jī)損壞情況時(shí)，刀架控制電路最小的割集優(yōu)先度級(jí)別設(shè)置成3，出現(xiàn)刀架鎖不緊情況時(shí)，最小割集的優(yōu)先度級(jí)別設(shè)置為4。因而，專家系統(tǒng)的推理活動(dòng)開展能夠根據(jù)優(yōu)先等級(jí)的高低決定測(cè)試順序，假如優(yōu)先級(jí)別一樣時(shí)，按照規(guī)則順序一步一步地執(zhí)行，可以提高故障診斷效率。

當(dāng)機(jī)床換刀故障為一個(gè)框架時(shí)，它的類型為1，出現(xiàn)這種情況則說(shuō)明屬于故障框架為間接框架。在診斷專家系統(tǒng)進(jìn)行推理時(shí)則會(huì)根據(jù)框架中的規(guī)則號(hào)進(jìn)行查找，于是就可以找到規(guī)則Ru01以及Ru02。用Ru01舉例子，當(dāng)查找到規(guī)則01之后，再找與事實(shí)號(hào)對(duì)應(yīng)的框架時(shí)，可以由診斷專家系統(tǒng)通過(guò)查找條件事實(shí)號(hào)來(lái)判斷。Ru01里的條件事實(shí)號(hào)其實(shí)就是刀架無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的故障。

這樣刀架無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的故障框架就會(huì)被診斷專家系統(tǒng)所找到。該框架的類型為1，屬于間接框架，所使用的方法相同，對(duì)換刀故障的故障樹進(jìn)行分析，就可以發(fā)現(xiàn)框架中設(shè)置的判斷條件和規(guī)則。通過(guò)這種方式查找，刀架電機(jī)故障為0類型的框架也可以被找到，找到之后專家故障診斷系統(tǒng)就可以對(duì)存在條件進(jìn)行判別，假若滿足條件，則可確定發(fā)生故障的確切原因。因此，可采取相應(yīng)處理辦法，否則，可得出這是因?yàn)槠渌蚣芩斐傻墓收?，此時(shí)專家系統(tǒng)將執(zhí)行返回到刀架無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的框架，隨之開始進(jìn)行執(zhí)行第二條規(guī)則，基于這種辦法也能高效快速找到產(chǎn)生故障的確切原因，之后會(huì)進(jìn)行一系列排故診斷，即實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)推理的過(guò)程。如果采用框架以及規(guī)則的策略展開刀具調(diào)換故障的排故診查，就能夠得到推理過(guò)程，如圖8所示。

圖8 換刀故障診斷推理圖

5 結(jié)束語(yǔ)

將開發(fā)后的FANUC 0iD系統(tǒng)電氣故障診斷專家系統(tǒng)軟件在湖南江南實(shí)業(yè)有限公司的數(shù)控加工分廠的數(shù)控機(jī)床電氣維修中開展了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得到了該企業(yè)與技術(shù)人員的高度認(rèn)可，他們對(duì)這套系統(tǒng)評(píng)價(jià)是：診斷專家系統(tǒng)能友好、智能的實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，快速根據(jù)電氣故障現(xiàn)象找出可能出現(xiàn)的故障原因，并指導(dǎo)維修，從而降低了FANUC0iD系統(tǒng)電氣故障診斷維修難度，節(jié)省維修資金和時(shí)間，提高數(shù)控機(jī)床的工作效率，同時(shí)維修人員也積累實(shí)踐技能提高維修水平，這套系統(tǒng)對(duì)數(shù)控機(jī)床電氣故障維修具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程價(jià)值，這也證明了軟件系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。