20120514冯继林投论文.doc

基于实例推理的数控机床故障诊断及系统分析研究 英文不排Case-based Reasoning Fault Diagnosis of CNC machine tools and systems analysis中国航空航天部四川航空航天技术研究院 研发技术部设备工程师 冯继林 Department of Sichuan Province of China Aerospace Technology Research Institute of Aeronautics and Astronautics，Technology R & D EngineersFENG Ji-lin【摘要】数控机床故障有效诊断与维护是提高数控机床的开机时间和开机率的关键技术之一研究了一种基于实例推论的数控机床故障诊断专家系统，主要针对解决数控加工过程中常见故障、共性故障以及群发性故障将数控故障诊断涉及的知识分为机床结构类知识、故障现象和故障部位影射知识库和历史故障实例库，采用基于产生式知识表达方式，在基于实例的基础上结合基于规则的方法。单机情况下应用表明，该系统能够较好地满足数控设备加工过程中的常见故障的发现和诊断。【Abstract】 NC machine tool failure diagnosis and maintenance of an effective numerical control machine tool to improve boot time and the operation rate of the key technologies. Studied a case-based reasoning in fault diagnosis expert system for CNC machine tools, mainly CNC machining process to address common failures, common failures and mass failures. Involved in the fault diagnosis knowledge of CNC machine tool structure is divided into categories of knowledge, fault phenomena and fault location fault instances of innuendo knowledge base and history of libraries, production knowledge-based expression, in the case-based approach based on the combination of rule-based. Stand-alone application cases show that the system can better meet the numerical control equipment in the common process of discovery and diagnosis of faults.关键词：实例推论；数控机床；故障诊断；知识表示Key words: examples of inference; numerical control machine tool; fault diagnosis; knowledge representation1引言 数控机床是集机械、电子、液压技术于一体的高度自动化的加工设备，具有知识密集和技术密集的特点。当机床运行时，由于种种原因难免出现各种各样的故障，而这些故障又都会出现以某种现象表现出来并伴随系统故障报警信息。其中，仅一些简单的情况可以单纯依靠机床自带故障报警信息得出故障原因并进行处理，而对于其他经常出现的较复杂、综合性原因的故障，单纯依靠系统报警信息往往难以分析出真正原因。此时，经常需要求助于一些经验丰富、并具有必定的专业知识的专家级维修人员。而现实中，这样的人员却是非常稀少而宝贵的、有时即使付出非常高的代价却在短时间内觅之而不得。针对上述现状，如果能采取有效的数控机床的故障诊断专家系统，则可以以较低成本辅助甚至替代人类专家来进行机床故障诊断，并克服人类专家无法避免的弱点。 本文所研究和开发的具有开放结构，能够收集、整理、分类各种常见故障和可获得的偶发故障的数控机床故障诊断专家系统，它集合并综合诸多专家丰富经验，为方便、可靠、较低成本地解决常见数控机床故障提供可能。2CBR数控机床故障诊断系统流程专家系统是一个模拟人类专家进行推理和判断的计算机程序系统。它具有大量的针对某领域的专门知识和经验的程序系统，可以利用人工智能和计算技术，模拟人类专家的思维特点，通过推论和判断，来解决那些需要人类专家解决的复杂问题。 基于实例推论Case Based Reasoning：CBR，以下简称CBR的专家系统是模拟人类思维特点，即面对新问题时，搜索历史相似实例，然后依照或参照相似实例中的解决方案，有些情况下需要对其进行适度修改，来解决新问题的一种程序系统。在机床运行过程中，共性故障大量存在。这类故障是指由于有些型号机床存在薄弱设计点，或机床某些机构设计不合理，易诱发和引起误操作，以及部分进口机床在国内应用下水土不服，而引起的具有群发性特点的故障现象。这种群发地、重复性的特点比较适合采用CBR系统。因此，基于实例的故障诊断专家系统可以较好地解决共性故障的诊断问题，并对分析和诊断偶发故障起到辅助作用。 基于CBR的故障诊断专家系统的一般工作流程，如图1所示。用户将故障信息输入系统对输入信息提取故障特征。第一步，将故障信息在用户界面进行输入，故障信息包括传感器自动获取的信号和人工识别的故障现象信息；系统对输入的信息进行信号分析和特征提取，并将分析结果与机床标准信息库中的正常信号数据进行比较，判断是否发生过故障；如果与正常信号一致则排除故障，如果不一致则表示故障存在，则可以进一步对故障信息进行处理，生成故障特征向量。第二步，依据当前故障的特征向量的关键指标，对实例库进行搜索，以得到相似度满足一定阀值的历史实例。如果搜索结果不为空集，则根据所得历史实例的现象特征向量在知识库中查找可能的故障部位、故障原因和维修方法，并将其返回给用户。第三步，如果没有找到相似的历史实例，则将故障特征提交至推理机，运用推理机制，根据知识和规则进行推理。如果得出的结论正确，则将其添加进实例库。否则，需要求助于人类专家来解决处理。定量“故障”信号（传感器）人工搜集“故障”信息（忘闻问切）用户Y是否有结果推理机是否有相似实例专家输入人机界面标准信息库输入“故障”信息特征提取故障实例库知识库问题库显示无故障是否有故障Y故障分析和特征向量生成N领域人工专家图1 CBR故障诊断专家系统的工作流程其中，故障信息的获得，可以采用传统的“望观察分析故障现象、闻判断是否有异响并分析响声分类和特征、问了解数控操作人员故障前后的异常表现、切检查各类元件是否出现局部损坏”等手段，必须时并结合传感器定量把握故障特征，最后进行特征表达后统一输入系统，进行知识推理，以求得若干具有一定程度的相似历史实例及其原因和解决方法，来帮助解决面临的故障问题。3知识库 知识是专家系统的核心。一般来说，知识库的容量和效率决定了所构造的专家系统的有用性程度，因此知识库的构建和知识获取对一个专家系统来说十分重要的。多数基于实例的专家系统都是多种知识库并存，如，包含知识库、规则库和实例库，或者统一称作知识库。本系统中知识库同理是这三部分组成。3.1知识获取基于实例推论的故障诊断专家系统的知识库通常由机床结构知识、故障现象和发生故障机构部位或元件之间的映射关系，历史故障实例集合三类知识组成，如图2所示。 其中，机床结构知识类的获取主要来自于机床制造厂商，以及机床使用用户技术人员。通常，一个特定型号的机床应当拥有其相应的专有结构知识子库。故障元件映射知识获取来自于可以获得的特定型号机床使用用户的企业相关数据。例如，如图3所示，列举了数控机床的常见机械故障现象的分类。机床部件名称机床结构类知识库机床部件ID机床部件分类关系知识库故障现象及信息故障-元件映射（规则库）故障时机床参数及状态参数故障部件或元件故障案例库图2 CBR故障诊断专家系统的知识库的知识来源滚珠丝杠副螺母噪声、滚珠丝杠运动不灵活、润滑状况不良主轴发热、在强力下切削时停转、噪声、润滑油泄漏、刀具不能正常装夹运动失效滚珠丝杠螺母副主传动链导轨研伤、导轨上移动部件运动不良、加工面在接刀处不平机床导轨刀库中的刀套不能卡紧刀具、刀库不能旋转、刀具从机械手中脱落、刀具交换时换刀、机械手换刀速度过快或过慢刀库及换刀装置机械故障现象其他机床导轨及进给机构超差运动精度超差精度超差几何精度超差机床导轨主轴轴承等超差齿轮同步齿形带等超差传动精度超差测量元件及伺服系统等超差位置精度超差图3数控机床常见故障现象分类3.2知识表示目前一般专家系统的常用知识表示方法有：逻辑表示法、框架表示法、语义网络表示法以及产生表示法。逻辑表示法是人工智能中使用较多的只是表示方法，常用于自动定理证明、问题求解等领域，其中又以一阶谓词表示法应用最广。逻辑表示法采用形式化的表示方法和推理机制，优点是保证了表达和推理过程的准确性，但缺点是当求解问题比较复杂，求解状态空间较大、操作数目较多时，会导致组合爆炸。框架表示法是一种定性的知识结构化表示方法。框架有槽和侧面，每一个侧面可以有值，侧面也可以是子框架，相互关联的框架连接起来组合成框架网络。框架表示法的优点是具有自然性、统一性，其缺点是清晰度不高、一致性难以保证。语义网络是采用带标志的有向图来表达事物概念、属性、以及事物之间的联系。由于采取图论的方法，语义网络具有直观、自然、完全和联想的优点，其缺点是推理效率比较低。产生式表示法是目前专家系统中采取最多的一种方法，采取该方法的系统又称为基于规则的专家系统。规则就是联系“原因”和“结果事实”之间的陈述，通常采用“IF条件then动作”方式来表达。产生式表示法具有易于理解、逻辑清晰、便于扩充的优点，本系统即采用产生式知识表示法，来表达故障现象和发生故障部位之间的映射。3.3实例库 如前文所论述，系统主要目标是解决数控加工过程中的常发故障和共性故障，兼顾搜集和处理可以获得的偶发故障；并记录故障信息及故障代码。基于实例的专家系统将能很好适应这种需求环境。实例库的建立将是该类系统的关键，实例库的丰富程度将很大程度上决定系统的有效性。本系统将采取一个具有开放架构的实例数据库，并按照知识分类方式预先输入和储存常见的故障实例，并依据实例分类方法建立索引。在系统投入使用后，进一步搜集故障实例并将其储存入库。本系统实例库在长期知识积累之后，为了减少实例沉余和新旧实例之间的矛盾两个问题，还定期进行实例库精简和更新操作。4实例库存储与抽取 实例库中的每一个故障实例应当包含实例描述和实例诊断的描述。实例描述的内容影响了实例在存储时的索引建立方式。实例的索引对一个CBR系统的运行效率是至关重要的。实例索引应当具备以下特征：反映实例单元的本质特征，具体明确，便于用户理解和辨认；反映实例间完备抽象的关联关系，便于以后实例扩展；反映出实例的出现频率，便于从概率角度区分实例索引等级，提高检查检索效率。实例的抽取方式是由存储时的索引方式决定的，可以在抽取结果的呈现方式上引入多视图模式，提高系统效率。 在该系统设计中，实例描述包括：故障信息、人工采集、传感器采集、设备信息、型号、参数、设备运行信息、操作环境、操作人员、时间等。这些内容都可以作为检查检索条件参与实例抽取。5结论 基于实例的数控机床故障诊断专家系统，主要针对解决数控设备加工过程中常见故障、共性故障以及群发性故障。故障案例包括SIEMENS和FANUC及MITSUBISHI等系统机床的常见历史故障。单机情况下的应用表明，该系统能够较好地满足数控设备加工过程常见故障诊断，下一步，将在单机应用基础上，重点突出网络环境下的多机并发检查检索效率问题以推广该系统在网络环境下应用。参考文献： 1.台湾永进机械/ 日本西铁城机械株式会社 SIEMENS和FANUC数控机床系统使用说明书、参数说明书、维修说明书 2. 夏庆观 数控机床故障诊断与维修 高等教育出版社 2000年8月 3.李宏胜 机床数控技术及应用 高等教育出版社 2000年8月 4.郭辉 张浩 Web环境下可重用智能故障诊断系统及其实现制造自动化 2003，25-375. Paul ko.chow.A multidimensional knowledge structure and application o