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基于c l i p s 的数控机床故障诊断专家系统 摘要 数控机床在中国发展迅速，并得到了广泛的应用。它具有高精度、高 效率的特点，是一个十分复杂的系统。在生产现场中，机床发生故障的几 率非常大，如果发生的故障不能及时解决的话，会给用户带来一定的经济 损失。为了解决这个问题，建立专家系统以便对数控机床的故障进行诊断 是很有必要的。 本文研究了专家系统的原理以及开发方法，选用的总体解决方案是： 用专家系统开发工具c l i p s 构建专家系统的知识库及推理机，用v c + + 6 0 构建人机接口界面，然后将c l i p s 嵌入到v c + + 6 0 中，实现整个专家系统 的功能。 本专家系统根据故障树分析法，知识库中的知识采用了“框架+ 产生式 规则”的知识表达方式；推理机的推理机制采用了正反向混合推理的推理 方法，广度优先搜索和深度优先搜索相结合的推理策略，通过对故障树的 逐层搜索，可以实现对所获取故障征兆的推理诊断。 本文的最后，以g x u o n c s 铣削数控小型机床对本专家系统进行了试验 论证。本课题的研究方法和成果为开发实现数控机床故障诊断专家系统提 供了理论依据和实践经验。 关键词：数控机床故障诊断专家系统c l i p s t h ec n cm a c h i n ee a u i t sd i a g n o s i s e x p e r ts y s t e mb a s eo nc l i p s a b s t r a c t c n cm a c h i n eh a v eaf a s td e v e l o p m e n ta n dw i d e l yu s e di nc h i n e s e t h e m a c h i n eh a sac h a r a c t e r i s t i co fh i g ha c c u r a c ya n dh i g he f f i c i e n c y , a n di ti sa v e r yc o m p l e xs y s t e m s ot h em a c h i n ef a i l u r ep r o b a b i l i t yi sv e r yl a r g ei nt h e f a c t o r y i ft h ef a i l u r ec a nn o tb es o l v e di nt i m e ，i tw i l lg i v eu s e r sac e r t a i n e c o n o m i cl o s s e s i ti sv e r yn e c e s s a r yt oe s t a b l i s h t h ee x p e r ts y s t e mw h i c h d i a g n o s e st h ef a u l to fc n c m a c h i n et o o l sf o rs o l v i n gt h i sp r o b l e m t h i sp a p e rs t u d i e st h ep r i n c i p l ea n dt h ed e v e l o p i n gm e t h o do fe x p e r t s y s t e m i nt h i sp a p e r , t h eo v e r a l ls o l u t i o ni st ou s et h ed e v e l o p m e n tt o o lc l i p s o fe x p e r ts y s t e mt ob u i l dt h ek n o w l e d g eb a s ea n dt h ei n f e r e n c ee n g i n eo fe x p e r t s y s t e m , c o n s t r u c t st h em a n m a c h i n es u r f a c ew i t hv c + + 6 0 ，a n dt h e ne m b e d c l i p st ov c + + ，i ss e l e c t e dt or e a l i z et h ef u n c t i o no ft h ee n t i r ee x p e r ts y s t e m t h e e x p e f ts y s t e mi sb a s e do nt h ef a u l tt r e ea n a l y s i s t h ek n o w l e d g eo ft h e k n o w l e d g eb a s eh a sa ne x p r e s s i o no fc o m b i n i n gf r a m ea n dp r o d u c t i o nr u l e t h e m e c h a n i s mo ft h ei n f e r e n c ee n g i n eh a sar e f e r e n c em e t h o do fm i xo b v e r s ea n d r e v e r s e ，a n dar e f e r e n c es t r a t e g yo fc o m b i n i n gb r e a d t hf i r s ts e a r c ha n dd e p t h f i r s ts e a r c h b ys e a r c hi nt h ef a u l tt r e e ，i tc a nb eu s e dt o i m p l e m e n tt h e r e a s o n i n gd i a g n o s i so ft h eo b t a i n a b l ef a u l ti n f o r m a t i o n t h ee x p e gs y s t e mh a sb e e nd e m o n s t r a t e db yas m a l lg x u o n c sc n c m i l l i n gm a c h i n e t h ep a p e r sr e s e a r c hm e t h o d sa n dr e s u l t sp r o v i d et h e o r e t i c a l b a s i sa n dp r a c t i c a le x p e r i e n c ef o re x p l o i t i n gt h ee x p e r ts y s t e mo fc n cm a c h i n e f a u l td i a g n o s i s k e yw o r d s ：c n cm a c h i n e ；f a u l td i a g n o s i s ；e x p e r ts y s t e m ；c l i p s i l l 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明；所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 关鬯 学位论文使用授权说明 加名年z 月丁日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间； 承p 时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：关乏导师签名：壹耗设。箨易月参目 广西大掣蝎页士掌位论文基于c l i p s 的数控机床故障诊断专家系统 1 1 课题的来源 第一章绪论 本课题来源于南宁市科技攻关项目“开放式网络化三轴联动数控系统研发 ( 2 0 0 6 0 1 3 2 a ) ，是该项目的子课题。 1 2 课题的研究意义 数控机床在中国发展迅速，它的精度高、效率高、经济性能好、生产效益高，是具 有一定柔性的先进生产设备，能保证生产中的加工质量并能解决工艺难题，在生产领域 得到了越来越广泛的应用。数控机床主要由机床本体和数控系统两大部分组成，是一个 十分复杂的系统，涉及到多个应用领域，具有机、电、液集于一身，技术密集和知识密 集的特点。但是，由于数控机床本身的特性，在生产过程中，都会或多或少的发生不同 程度、不同类型的故障，导致不能正常使用。发生故障后，如果不能够及时解决，就会 给用户带来一定的经济损失。当故障发生之后，如何迅速而有效的诊断出故障原因以便 对数控机床进行维修，是目前迫切需要解决的一个问题。所以，开发出一个能够对数控 机床发生的故障进行快速而有效的诊断的专家系统是很有必要的。 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是对传统人工智能问题中智能程序设计的一个非常成 功的近似的解决办法，它是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统，内部含 有大量的某个领域的专家水平的知识和经验，能够运用人类专家的知识和解决问题的方 法来进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程来解决该领域的复杂问题n 3 。诊断专家 系统利用某领域诊断专家的经验知识，经过模拟诊断专家的思维推理，解决只有诊断专 家才可以解决的问题，目前，已得到了广泛的应用。 1 3 课题的发展、研究现状及水平 1 3 1 数控机床故障诊断技术的发展、研究现状及水平 机床在发展的初期，是由强电( 继电器、接触器) 控制电动机运转来实现的，因此， 广西大曹页士学位论文 基于c l i p s 的数控机床故障诊断专家系统 机床发生的故障比较单一，对故障的诊断也相对直观，使用简单的检测仪器如万用表等， 通过维修人员的问、看、嗅、听、量等诊断手段，就可以检测出大多数的故障。那个阶 段的故障诊断的水平是处在初级阶段，故障诊断的水平往往取决于维修人员积累的经验 知识的多少昭儿引。 当发展到数控机床后，情况就有了较大的变化。数控机床是一种自动化程度很高的 现代化机床，具有通用性和复杂性的特点，它通过数字代码信息来控制机床，并按给定 的动作顺序进行加工。数控系统作为数控机床的一个组成部分，将计算机技术引入制造 系统中，使其集机、电、液于一身。随着科学技术的发展，数控机床与普通机床在结构 上也有了较大的区别，如主体结构上，就发生了很大的变化，采用了如旋转刀架、刀库、 机械手、对刀装置、检测装置等先进部件，同时，由于f m s 和c i m s 系统中的物料系统 和管理系统的加入，使数控机床更加复杂，产生的故障也变得更加错综复杂，使数控机 床的故障诊断难度更大，维修时间更长，对维修人员提出了更高的要求。 因而，针对数控机床的各种故障，出现的现代故障诊断技术也层出不穷。主要有h h l ： 1 、通讯诊断 通讯诊断也称为远距离诊断或“海外 诊断，它指的是把数控机床系统通过网络和 生产厂家或诊断中心连接起来，以便在远程也可以进行诊断。德国的西门子公司在c n c 系统中就用这种故障诊断方法，它通过电话线或网线在远程进行对现场的服务，把现场 的数据传输到远程诊断维修中心，诊断维修中心将数据进行分析处理并得出结论，然后 将诊断结果传送给用户。通讯诊断系统除了可以在数控机床发生故障后进行诊断外，还 可以为用户定期提供预防性诊断，维护人员只需在预定的时间内对机床进行远程检测维 护，而不必到现场。但这种c n c 系统必须具备远程诊断接口和互联网功能。 2 、人工智能专家系统 人工智能是一门新兴技术科学，它用于模拟、延伸和扩展人的智能。专家系统是人 工智能中最活跃的一个分支，它通过调用知识库中的相关知识、经过推理机的推理而获 得所需的结果，它的特点是智能化程度高和实时性强，因而在很多领域的得到广泛应用。 专家系统应用于故障诊断领域开始于2 0 世纪8 0 年代初，故障诊断专家系统与传统诊断 技术相比有很大优势，主要体现在四个方面：一是通过结构形式化的描述各种专家诊断 经验和知识，可以使这些经验、知识广为传播而不受限于个别专家，对科学方法论来说 是一个很好的发展；二是可以克服故障问题多而诊断专家相对较少的矛盾；三是故障诊 断专家系统可以和其它诊断方法结合起来，综合利用领域专家的经验、知识，实现在线 2 广西大粤明页士掌位论文 基于c l i p s 的数控机床故障诊断专家系统 或离线故障诊断；四是故障诊断专家系统具有人机联合诊断功能，可以充分发挥维修人 员和专家系统的优点进行故障分析、诊断。同时，专家系统具有知识获取的功能，在使 用过程中可以不断对知识库进行补充完善。在f a n u c l 5 系统中，在故障诊断中已使用了 故障诊断专家系统，使用时，维修人员以简单的会话问答方式，通过数控系统上的佃i c r t 装置进行操作，专家系统就能如同专家亲临现场一样，快速进行c n c 系统的故障 诊断。 3 、神经网络诊断 神经网络是故障诊断技术的重要研究方向之一，这种方法通过对人脑的推理思维过 程进行研究，并用数学方法将整个推理思维过程简化、抽象并进行模拟，是一种可以反 映人脑推理思维过程的并行分布的处理连接网络模型。它将被诊断系统的故障症状作为 网络的输入，将所要求得到的故障原因作为网络的输出，并且将经过学习所得到的知识 以分布的方式隐式的存储在网络上，每一个输出的神经元都对应着一个故障原因。它具 有联想、容错、记忆、自适应、自学习和处理复杂多模式等优点。 4 、多传感器信息融合技术 数控机床需要监测系统对整个加工过程进行状态监视或提供发生故障情况下的状 态信息，才可以保证长时间无故障运行，或在发生故障的情况下对故障进行诊断和排除。 多传感信息融合技术可以根据安装在数控机床上的各种传感器，提取有效信息，通过对 这些有效信息的处理和使用以提取特征，以供监视或故障诊断使用。 5 、智能化集成诊断 智能化集成系统将多传感信息融合技术与人工智能专家系统诊断技术或神经网络 诊断技术相结合，建立起集监测、诊断为一体的系统。智能化集成诊断专家系统可以利 用多种形式的知识进行推理诊断，结合多种故障信息来进行综合诊断，可以实现在线实 时监测与诊断。 以上就是目前数控诊断技术所用的主要几种方法，专家系统的故障诊断方法具有一 定的优势，且比较符合当代的发展趋势，实用性也比较强。所以，在本论文中，主要对 故障诊断专家系统进行研究。 1 3 2 故障诊断专家系统的发展、研究现状及水平 随着科学技术的不断发展，计算机技术与数控机床故障诊断技术的联系也越来越密 3 a 誓，；c l i p s 的数控机床故障诊断专家习0 晓 切，把人工智能技术应用到数控机床故障诊断技术中，建立数控机床故障诊断专家系统， 是现在的一个重要研究方向。 专家系统是人工智能技术中最重要的也是最活跃的一个应用领域，它可以近似解决 传统人工智能技术中对智能进行设计的问题。专家系统早期先导之一，斯坦福大学的费 根鲍姆教授，把专家系统定义为“一种智能的计算机程序，它运用知识和推理来解决只 有专家才可以解决的复杂问题 1 2 3 0 也就是说，专家系统是一种模拟领域专家的一个计 算机系统，它可以在该领域进行和领域专家一样的推理判断决策。 2 0 世纪6 0 年代开始，研究人员主要对基于知识的专家系统进行研究。这类专家系 统是以专家知识为基础的系统，解决的是某一专门领域的实际问题，能够起到专家咨询 的作用，如对某类疾病进行医疗诊断，对某种矿藏进行勘探等，它们通常能够达到一般 专家处理的水平 1 3 1 。 1 9 6 5 年，斯坦福大学费根鲍姆等人开发出了d e n d r a l n 羽系统，它可以在已知某类 有机化合物的分子式和质谱特性的情况下，确定该有机物的分子结构。 1 9 7 2 年，斯坦福大学又开发了m y c i n 系统n 2 】，它是一个诊断血液细菌感染以及脑膜 炎的医疗诊断专家系统，以及探矿地质解释系统p r o s p e c t o r n 羽。其中，m y c i n 系统对于 专家系统的发展影响重大，因为：第一，m y c i n 证明了人工智能可以应用到现实问题并 对这些问题进行解决；第二，m y c i n 对专家系统的构建有一定的指导性，如解释机、知 识的获取等组成结构在当今的很多专家系统中仍可以找到；第三，m y c i n 证明了专家系 统外壳的可行性，在m y c i n 中，知识库和推理机是分开的两个部分，这种设计理念，可 以在不改变专家系统推理机的情况下，可以对知识库进行互换。e m y c i n ( e m p t ym 1 c i n ) 就是一个很典型的对这种设计理念的应用例子，它是一个通用的专家系统外壳，它把 m y c i n 中具体医疗诊断知识去掉，仅留下知识的表达方式以及推理机的推理机制，当用 户需要解决的任务和m y c i n 相似时，只要将该任务的具体领域知识输入e m y c i n 系统， 所构建的新系统就变成该领域的专家系统。 专家系统应用于故障诊断领域开始于2 0 世纪8 0 年代初。从8 0 年代开始，诊断专 家系统逐渐应用到旋转机械中，对旋转机械进行状态监测和故障诊断，它可以对大型机 组进行在线监测，以便能够及时地了解到机械的运行参数、当前工作状态、报警监测和 事故追忆等信息，同时也可以对大量的异常信息进行瞬时高速的保存，以便于对事故进 行分析和研究。 随着现代工业及科学技术的迅速发展，在专家系统己有较深厚基础的发达国家中， 4 广西大掣瞻页士掌位截咒基于c l i p s 的数控机床故障诊断专家勇0 晓 针对机械、电子设备的故障诊断专家系统己基本完成了研究和试验阶段，并开始在这些 领域进入到了广泛应用的阶段。 在航天航空方面，由于火箭、卫星和导弹等飞行器的安全性、可靠性越来越受到重 视，所以需要利用故障诊断和维修的专家系统来对这些飞行器进行保障。在1 9 8 5 年， 美国宇航局就有r e g e n i e 、v i c t o r i aa 等人研制出了飞行器状态监视专家系统，该系统 已达到实际应用水平。到现在，一些智能诊断专家系统如火箭发动机专家系统 ( r e f d e s ) 、卫星控制系统地面实时故障诊断专家系统等n 町已逐渐投入使用。 在旋转机械方面，b o - s u ky a n g 等研制出了v i b e x 专家系统n 朝，该系统可以通过旋 转机械的振动监测，自动对系统的故障进行诊断。 在交通运输机械方面，n h a f g a n 等人通过对涡轮燃烧室中空间、时间上各种因素 的相互影响，建立专家系统以便对燃烧室的故障进行诊断n 引；j i a n d aw u 等利用模糊 推理，对踏板车发动机平台建立故障诊断的专家系统n 。 在数控机床方面，e r i kl j b o h e z 等运用反向推理及深度优先搜索的推理机制，对 数控机床的故障进行分析研究，建立专家系统以快速诊断出机床的故障部位并给出相应 的诊断意见。 在我国，专家系统发展较晚，自8 0 年代以来，不少高等院校、科研院所等先后开 展了对故障诊断专家系统的研制工作，并取得了一定的科研成果，有一些系统已投入了 实际运行。 。 在旋转机械方面，清华大学王壶等通过收集旋转机械振动的故障特征，建立起旋转 机械的振动故障诊断知识库，实现了对旋转机械的振动故障诊断n 阳。 在交通运输方面，西南交通大学王轶等通过故障树分析法，对电动机车进行故障分 析，建立起电动机车的故障诊断专家系统n 盯。河南农业大学于子跃等同样利用故障树分 析法对汽车发动机进行分析，实现了专家系统对汽车发动机的故障诊断啪1 。 。在数控机床方面，华中科技大学罗琦等设计的针对数控系统开发的故障诊断专家系 统，运用了深层和浅层知识推理，可以较为成功的对一些复杂的数控系统故障进行分析 诊断乜。中南大学罗永顺等设计出的数控机床故障诊断及预报专家系统，可以检测机床 机械部件和液压系统的运行状态，实现了对机床将要发生的故障进行预报，同时也可以 对故障提供初步的诊断意见暾1 。沈阳第一机床厂李晓峰等通过分析c a k 系列数控机床电 子部分的主要故障，完成基于知识的诊断推理、诊断目标和诊断知识库的建立，建立了 c a k 系列数控机床故障诊断专家系统，并在沈阳第一机床厂进行了试运行矧。西南科技 5 广西大学硕士学位论文基于c l i p s 的教控机床故障诊昕专家j 目0 晓 大学史晋芳等研究设计的数控机床故障诊断专家系统采用了正反向混合推理方法及故 障树分析法，可以有效地提高故障诊断的效率幽1 。 1 3 3c l i p s 专家系统的发展、研究现状和水平 对于专家系统的开发，目前比较流行的开发方式主要有以下几种汹1 ： l 、程序设计语言，主要有通用程序设计语言和人工智能程序设计语言两种。通用 程序设计语言是通用的开发专家系统的基本工具，如c c + + 、p a s c a l 、b a s i c 等；人工 智能程序设计语言是专门为人工智能设计的，典型的有o p s 、l i s p 、p r o l o g 等。 2 、专家系统外壳( s h e l l ) 也称为骨架型专家系统。它是由已经成熟的、获得成功 应用的具体专家系统删除了知识库中的具体知识，而仅保留它的知识表达外壳和推理机 制一种框架式系统。它可以利用原有专家系统成功的知识表达方式、推理机制，当所需 要解决的问题类似于原专家系统所能够解决的问题时，只需要把该领域专家的知识输入 到它的知识库中，就可以快速产生一个专家系统。这种专家系统开发方式的优点是使用 方便，可以快速的生成所需要的专家系统，缺点在于灵活性和通用性比较差，只限于某 些特定的领域i 典型的如前面所提的e m y c i n ，它就是m y c i n 医疗诊断专家系统去除医 疗诊断知识而得到的专家系统外壳。 3 、专家系统开发工具，它介于前两者之间，可以提供几种专家系统的框架组件， 并为知识表达提供了良好的模式。使用专家系统开发工具开发专家系统，可以有效缩短 开发周期，它与程序设计语言相比，有更强的便利性，它与专家系统外壳相比，有更大 的通用性和灵活性，其代表有c l i p s 、a g e 、f r l 等。 以上这三种方式都有各自的优点和缺点，其中专家系统开发工具以其高效性、便利 性、通用性和灵活性成为最常用的专家系统开发方式。同时，随着面向对象的高级程序 设计方法的不断进步发展，在开发专家系统时，往往考虑使用v c + + 等面向对象的可视 化编程工具，利用它们的通用性及可扩展性等优点，和专家系统开发工具结合起来开发 界面良好、性能优越的专家系统。 专家系统开发工具c l i p s 是2 0 世纪8 0 年代中期由美国航空航天管理局约翰逊太 空中心( n a s a j o h n s o ns p a c ec e n t e r ) 用a n s i c 语言设计开发的基于规则的专家系统 开发工具啪1 。c l i p s 是由美国政府支持的软件，n a s a 中有专人维护c l i p s 的维护和后 续开发，其源代码公开，可以在网站h t t p ：w w w s i l i c o n v a l l e y o n e c o m c l i p s h t m l 6 广西大掌硕士学位论文基于c l i p s 的数控机床故障诊断专家系统 上免费下载它的源代码。相比其它开发工具而言，c l i p s 具有兼容性好、运行速率高的 优点。 c l i p s 是开发专家系统的良好工具，在本文的专家系统中，将会用到c l i p s 构建专 家系统的知识库和推理机。目前，对于c l i p s 开发专家系统，国外发达国家进行了广泛 而深入的应用和研究，但在国内，相对来说，进行的研究有限，开发出的应用性较强的 专家系统较少。 目前，国外发达国家对c l i p s 的研究和使用主要集中在一些比较专业的领域。 在医疗领域方面，p i t t s b u r g hu n i v e r s i t y 使用c l i p s 嵌入到高级语言中，以构建 专家系统的知识库和推理机，开发出了用于医疗的专家系统c l i n i c a l e v e n tm o n i t o r ( c l e m ) 绷。 在工业方面，h c w l a u 使用v b 和c l i p s 结合，开发出专家系统i t m s ，它可以有 效的通过制造业信息化网络，对企业的各种任务进行管理汹1 。 在电力系统方面，t e n n e s s e et e c h n 0 1 0 9 i c a lu n i v e r s i t y 使用c l i p s 开发建立一 个电力品质诊断专家系统e x p e r ts y s t e mf o rp o w e rq u a l i t ya d v i s e m e n t s ，该专家系 统可以通过对电力系统监测数据的分析，为用户使用电力设备、厂家制造电力设备等提 供电力品质方面的指导。 国内对于c l i p s 的应用研究比较少，且主要集中在高等院校中。 在航天航空方面，西安交通大学研究的基于c l i p s 的航天发射决策支持系统，该系 统在首次载人航天飞行任务中得到了应用侧。 在电力系统方面，华北水利电力大学利用c l i p s 建立的火电厂监测和故障诊断专家 系统，在火电厂的实时监控和故障诊断上得到了一定的应用口。 在国内，这些使用c l i p s 开发的专家系统仅有少部分得到一定的应用，而大部分仍 停留在课题研究探讨阶段，对于推广使用仍有一定的距离。 1 4 本论文研究的目标和主要内容 本论文研究的主要目标在于设计一个针对数控机床故障的诊断专家系统，该专家系 统可以通过用户提供的故障信息征兆，进行推理判断，实现对该数控机床所发生故障的 诊断，并给出诊断结果。 本论文研究的主要内容有： 7 广西大掣蝎页士学位说巴 基于c l i p s 的数控机床故障诊断专家习己统 1 、数控机床故障诊断专家系统总体设计研究 通过对专家系统结构及功能的研究，对数控机床故障诊断专家总体结构及功能进行 设计。 2 、数控机床故障诊断专家系统知识库和推理机的研究 对故障树分析法进行研究，研究其与诊断专家系统的联系；分析探讨适合于数控机 床故障树的知识表达方式和推理机制。 3 、基于c l i p s 的专家系统知识库和推理机研究 对c l i p s 的语言语法结构进行分析，研究使用c l i p s 构建专家系统的知识库和推理 机的方法。 4 、，c l i p s 嵌入方式研究 对c l i p s 源程序和已有的改进嵌入方法等进行研究，以实现c l i p s 嵌入到v c + + 6 0 中，最终实现c l i p s 和v c + 6 0 的混合编程。 8 广西大肖明页士学位论文基于c l i p s 的数控机床故障诊断专家系统 第二章数控机床故障诊断专家系统总体结构 2 1 数控机床故障诊断专家系统的总体结构 专家系统的主要核心部分为知识库和推理机，可以把它描述为： 专家系统= 知识库+ 推理机 但在整个专家系统中，除了这两个核心部分外，由于人机对话、知识获取等功能的 需要，一般还包括了人机接口界面、动态数据库啪3 等部分。一般来说，专家系统的基 本结构如图2 一l 所示： 图2 - 1 专家系统基本结构 f 姆2 - 1 1 k g e n e r a ls 仃u c t u r eo fe x p e f ts y s m m 针对不同研究对象的专家系统，其功能和结构也不尽相同。本文所研究的数控机床 故障诊断专家系统的目标是协助用户对数控机床产生的故障进行推理诊断，通过对用户 所提供的故障征兆进行推理，得到合理的辅助建议。主要可以实现以下功能： 1 、专家系统能够根据用户所提供的数控机床故障征兆，进行推理，并给出结论， 实现推理机的主要推理功能。 2 、专家系统能够实现对本系统知识库的管理，包括对已有知识内容的修改、删除， 及新知识的增加，使之可以实现知识库的知识获取功能。 故障诊断专家系统必须要有合理的结构，才可以使各个功能能够协调工作，较好的 实现预期的效果，以达到故障诊断的目的。为更好的实现对数控机床的故障诊断，本数 控机床故障诊断专家系统采用的总体结构如图2 - 2 所示。 9 广西大掌硕士学位戗譬 基于c l i p s 的数控机床故障诊断专家系统 i知识获取卜- 知识库 人 i知识查询卜卜一 推理机 弘 机 接 专家l 7 口 手动推理 界 面征兆获取卜_ 叫动态数据库 自动推理 诊断结果 图2 - 2 数控机床故障诊断专家系统总体结构 f i g 2 - 2 1 n h es t r u c t u r eo ft h ec n cm a c h i n ef a u l md i a g n o s i s ， e x p e r ts y s t e m 2 2 数控故障诊断专家系统各结构模块功能及其实现方式 如图2 2 所示，本故障诊断专家系统主要包括了人机接口界面、知识获取和知识查 询模块、征兆获取模块、知识库模块、动态数据库模块、推理机模块这六个结构模块， 通过它们的协同运作，实现对数控机床所发生的故障进行诊断。同时，在对系统进行设 计时，应对这些结构模块选用合适的实现方式，以提高系统的运行效率。现对本故障诊 断专家系统的各结构模块的功能及其实现方式分别介绍如下： 2 2 1 人机接口界面 人机接口界面用于完成输入输出工作，主要功能是提供专家系统和用户( 专家) 之 间信息交互的平台。它负责把用户( 专家) 输入的信息转化为规范化的表示形式，并输 入到专家系统中，以表达用户( 专家) 的意图和想法，比如输入数据、选择按钮等，然 后把这些信息交给相应的模块去处理；同时，专家系统内部信息也由它进行转化输出， 以用户易于理解的外部表现形式返回程序的执行情况，并通过界面显示给用户。在系统 运行过程中，用户( 专家) 与系统会有大量的信息交互，因而界面设计的好坏会直接影 响系统的使用性能，良好的界面应满足如下要求： l 、界面应合理布置、简单直观，同时信息的输入输出部分应具有合理形式，以便 于用户和专家系统的交流； 2 、界面显示应采用中文，有利于理解，各功能界面应具有合理的信息输入和信息 1 0 基于c l i p s 的数控机床故障诊断专家系统 显示功能。 本专家系统使用v c + + 6 0 来实现人机接口界面，并搭建系统的主要框架，然后把 c l i p s 实现的知识库和推理机嵌入到v c + + 6 0 主程序中。 使用c l i p s 实现知识库和推理机，是因为c l i p s 是强大的专家系统开发工具，它是 支持基于规则的和面向过程的一种编程语言，在逻辑推理方面有强大功能，比较适合设 计编写专家系统的知识库和推理机，使用c l i p s 可以方便的编写出高质量、高效率的专 家系统嘲。 但是，c l i p s 是专为人工智能设计的编程语言，它本身基于d o s 环境，有如下一些 缺陷： l 、c l i p s 在数值计算、数据采集方面表现较差： 2 、c l i p s 不擅长与外设进行数据交换，由它所开发的专家系统不容易和数据库实现 接口； 3 、c l i p s 无法开发良好人机接口界面，它只提供基于d o s 的交互界面。 由于c l i p s 的以上缺陷，在设计本数控机床故障诊断专家系统的时候，考虑使用其 它高级的面向对象的程序设计语言进行开发设计良好的人机接口界面，并以之作为主程 序，把c l i p s 嵌入到主程序中。由于c l i p s 是由c 语言设计开发而成，c l i p s 与v c + + 6 0 可以比较方便的实现接口，因而采用v c + + 6 0 于开发人机接口界面，以及处理专家系统 和数据库与外设之间的数据交换。 本专家系统中的界面主要有：主界面、自动诊断界面，手动诊断界面、知识管理界 面和知识查询界面。各界面分别提供专家系统各模块的信息输入输出接口。 2 2 2 知识获取和知识查询模块 知识获取和知识查询这两个模块可以实现对知识库知识的获取和查询，其中： 1 、知识获取模块 该模块实现专家系统知识获取的功能，基本任务是实现知识库中新知识的添加，同 时可以实现对知识库中现有知识的修改、删除。知识获取按自动化程度可以分为非自动 获取知识和自动获取知识两种方式，在本专家系统中，基于本课题的实际情况及现有的 条件，采用非自动获取知识的方式，通过本人咨询故障领域专家或查阅有关文献获取相 应的数控机床故障领域知识，并进行一定的分析转换后，通过专家系统输入到知识库中。 广西大尊蛹曩士掣啦截譬基于c l i p s 的效扭哺，u 寨故障诊昕专家系统 该模块用c l i p s 规则实现。 2 、知识查询模块 该模块可以实现对知识库现有知识的查询，包括各种故障信息产生的原因及它们之 间的相互关系。该模块也是用c l i p s 规则实现。 2 2 3 征兆获取模块 征兆获取模块，它的基本任务是获取数控机床所发生的故障征兆，并把故障征兆添 加到动态数据库中。数控机床的故障征兆来源有两种，一种是联机时由数控机床设备提 供，在本专家系统中，主要是p c 与运动控制卡及伺服驱动器进行通信时所提取的信息； 另一种是可以人工获得的故障征兆，如现场工作人员通过感官所直接获取的信息，在本 专家系统中，人工获取故障征兆表现为对所列表故障征兆的选择。在人工获取故障征兆 中，由于c l i p s 对数据的管理有一定的局限性，所以可选择的故障征兆由a c c e s s 表格 制成，该表的名称为d i a g n o s e ，格式如图2 - 3 所示。 矗矗a 蕊；尊；0 izf 1 ：i b i e l = 1 l 曲_ -i，i。i p 州- - _ 黛缎i ，一，jl 。x ，i i， 弱伺量与盆舅j 赫 q 过载报警 5 t伺蠢与益涮系统 q。异常噪声和j 瞄动 5 8伺服与监浏蓉兢 q 电医异常 5 9伺服与盆浏系统 q伺服电机不转 6 1伺服与监涮系统 q 位置馕差 6 2 进给传动机构 q滚璩丝杆副 6 3进结传动帆构 且 进给轴 5 4进给传动机构 ，璺玛蝴停止 6 5进给传动机构 q蚂雌睦给停止 进给传动机构 q磷雌醚搪止 6 t进鳍传动机构 q埔哪位报警 图2 - 3d i a g n o s e 表 f i g 2 - 3d i a g n o s et a b l e 在d i a g n o s e 表中，p l a c e 栏表示的是故障部位，t y p e 表示的是故障征兆的类型， c o n t e n t 表示的是故障征兆的内容，本专家系统通过a d o 技术实现v c + + 6 0 与a c c e s s 表的连接。在人机界面上，通过对不同故障部位的选择，用户可以在可选择的故障征兆 列表上选择相应的故障征兆。该故障征兆和知识库中的各故障信息知识一一对应。 1 2 广西大掣硕士学位论文 基于c l i p s 的教控机床故障诊断专萼：j 目0 晓 2 2 4 知识库模块 知识库的基本功能是采用某种知识表示方式在专家系统中存储、组织各种互相联系 的领域知识。这些领域知识由领域专家提供，包含有与该领域相关的书本知识、常识性 知识及专家凭经验所得到的试探性知识等。知识库中的知识用一定的知识表达方式表 示，如规则、网络和过程等。专家系统的整个推理就是运用知识库中的知识来模拟专家 进行推理思维的一个过程，因而知识库中知识的数量和质量的优劣，往往决定了一个专 家系统的问题求解能力。 知识库的构建是建造专家系统的主要任务之一，在构建专家系统的知识库的时候， 由于数控机床故障信息的复杂性，假如知识库中的故障知识都是不加以划分地存放，则 在推理搜索过程中就会花费大量的时间，整个专家系统就会变得没有效率。在本专家系 统中，采用故障树分析法对数控机床故障进行故障分析，把数控机床的故障知识按照它 们之间的关系进行分类划分，包括故障的位置、类型、问题、原因等，建立起数控机床 的故障树，然后根据获取的故障征兆，进行推理判断搜索，从故障树的各层逐层细分搜 索，以获取故障可能存在的区域，最终可以到达故障树的底事件，获取故障解决方法或 者故障的具体信息。 在对数控机床故障进行故障树分析的时候，需要把故障树的各故障信息节点转化为 计算机所能识别的知识。本专家系统知识库中的知识表现为故障树中的各节点内容及各 节点之间的关系，且故障树的每一个节点内容为相应的数控机床故障信息。在本专家系 统中，采用了“框架+ 产生式规则 相结合的知识表达方式来表达数控机床故障信息知 识，构建专家系统的知识库。 专家系统中，要求知识库所表达的故障树故障知识要有添加、修改、删除的功能， c l i p s 程序由事实和规则组成，它的事实在系统运行过程中，可以通过添加、修改和删 除来进行更新，因而本专家系统选择使用c l i p s 事实来表达知识库的故障知识，该事实 在本系统中文件名为n o d e d a t 。 2 2 4 动态数据库模块 动态数据库模块，相当于专家系统的工作存储器，也称为综合数据库或“黑板， 主要功能是存放相关领域问题的己知事实、数据、初始状态以及在推理过程中得到的各 种中间状态及最终结果等。它的规模和结构会因专家系统目的和功能的不同而有相应的 1 3 厂。西大学司配b 学位论文基于c l i p s 的数控机床故障诊断专家系统 变化，且由于推理过程中数据的动态性，导致它里面的内容会做不断的变化，即它 具有可擦可写性。 在本专家系统中，采用了c l i p s 事实列表来实现动态数据库模块的功能。c l i p s 事实列表是在程序运行时生成的，相当于程序的工作存储器，里面存放了已知的事 实和程序运行的中间事实。它类似于数据机构中的堆栈，是一种有序的事实结构， 其元素能够被添加和删除。 在系统推理运行的开始，事实列表可以通过( 1 0 a d f a c t s ) 命令来对事实加载 调用，在程序运行过程中，可以通过( a s s e r t 命令来对事实列表添加事实，通过 ( r e t r a c t ) 命令来对事实列表删除事实。 在本文中，把整个事实列表称为全局事实列表，全局事实列表由不同的局部事 实列表组成。 2 2 5 推理机模块 推理机是是用来控制、协调整个专家系统进行推理的一组程序，负责完成推理的整 个过程。它的主要任务是根据动态数据库的当前内容，采取相应的推理控制策略，决定 如何使用知识库中的知识；同时，可以控制规则库中的规则不断与动态数据库中数据、 事实相匹配，匹配成功则触发相应的规则，通过执行该规则来修改动态数据库的内容， 经过不断的推理推导出结果。 、 推理机的构建也是建造专家系统的主要任务之一。专家系统推理机的推理机制，分 为推理方法和推理策略。良好的推理机制，可以进行高效率的推理以得出结果。经过对 各种推理方法和推理策略的分析比较，在本专家系统中，推理方法采用了总体正向推理， 局部反向推理的正反向混合推理的方法，推理策略采用了广度优先搜索和深度优先搜索 相结合的策略。推理机可以根据用户所提供的故障征兆对数控机床故障树进行搜索，当 搜索到故障树中某一故障信息和用户提供故障征兆相匹配时，即可确定故障发生的事实 行为。 在本专家系统中，采用c l i p s 规则实现推理机的功能。该推理机的c l i p s 规则在 c l i p s 6 2 4 开发环境中编写，并保存为c l p 文件，当专家系统运行时，只需调用该c l p 文件即可。 在本专家系统中，推理机分为自动推理和手动推理两个子模块。自动推理子模块可 1 4 基于c l i p s 的数控机床故障诊断专家勇0 晓 以根据所提供的故障征兆，实现自动推理诊断出结果。但是如果故障征兆提供不足，则 不容易推理出最终结果，手动推理可以作为自动推理有益的补充。 1 5 广西大学硕士掌位论文基于c l i p s 的数控机床故障诊昕专家系统 第三章基于c l i p s 的专家系统知识库和推理机 3 1 数控机床故障诊断专家系统的c u p s 开发 本数控机床故障诊断专家系统，采用专家系统开发工具c l i p s 实现系统的知识库和 推理机。在系统的开发设计中，需要对c l i p s 知识库和推理机进行相对独立的开发，然 后把它们嵌入到v c + + 6 o 所编写的系统主程序中。利用v c + + 6 0 所设计的良好人机接口 界面，本专家系统可以实现和系统和用户( 专家) 的信息相互调用、数据共享；利用 c l i p s 的强大推理能力，可以实现专家系统的推理诊断功能。 专家系统的核心是知识库和推理机。知识库是实现一个专家系统的核心环节，它要 求知识尽可能的正确、有效。在专家系统中，对知识库的设计有如下要求： l 、知识的表达方式应可以恰如其分的充分简明表达知识的特征及联系； 2 、知识库应便于管理，便于添加、修改及删除知识； 3 、采取用户( 专家) 易于理解的知识表达方式及知识库组织形式，以便他们可以 正确的输入知识； 4 、在推理过程中，可以高效的对知识库中的知识进行读取。 c l i p s 可以实现多样的知识表示形式，以进行专家系统的知识库的构建，并可以满 足上述的一系列要求。同时，c l i p s 作为专家系统的开发工具，具有良好的推理能力， 运用合理的规则，可以建造起拥有良好推理机制的推理机嗍。 建立基于c l i p s 的数控机床故障诊断系统，关键在于用c l i p s 建立良好的专家知识 库和推理机。在本专家系统中，具体主要表现为： 1 、系统专家知识库的构建，把所收集的数控机床故障信息用c l i p s 语言表示出来， 用事实构建起故障树； 2 、推理机的构建，编写符合c l i p s 语法的推理规则。 3 2 数控机床故障树分析法 3 2 1 数控机床故障分析 数控机床主要由数控系统、伺服系统与位置检测系统、辅助( p l c ) 控制单元及机 1 6 广西大国明页士掌位论文墓于c