《機(jī)床數(shù)控技術(shù)應(yīng)用》課件第7章

7.1概述

7.2數(shù)控機(jī)床的故障診斷方法

7.3人工智能在故障診斷中的應(yīng)用第7章數(shù)控機(jī)床的故障診斷

7.1.1數(shù)控機(jī)床的故障診斷

數(shù)控機(jī)床是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，一臺(tái)數(shù)控機(jī)床既有機(jī)械裝置，又有電氣控制部分和軟件程序等。由于種種原因，組成數(shù)控機(jī)床的這些部分不可避免地會(huì)發(fā)生不同程度、不同類型的故障，導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床不能正常工作。這些原因大致包括：①機(jī)械銹蝕、磨損和損壞；7.1概述②元器件老化、損壞和失效；③電氣元件、插接件接觸不良；④環(huán)境變化，如電流或電壓波動(dòng)、溫度變化、液壓壓力和流量的波動(dòng)以及油污等；⑤隨機(jī)干擾和噪聲；⑥軟件程序丟失或被破壞。

此外，錯(cuò)誤的操作也會(huì)引起數(shù)控機(jī)床不能正常工作。數(shù)控機(jī)床一旦發(fā)生故障，必須及時(shí)予以維修，將故障排除。數(shù)控機(jī)床維修的關(guān)鍵是故障的診斷，即故障源的查找和故障的定位。一般來(lái)說(shuō)，隨著故障類型的不同，采用的故障診斷方法也就不同。本章將針對(duì)不同類型的數(shù)控機(jī)床故障，對(duì)數(shù)控機(jī)床故障診斷的一般方法及其原理進(jìn)行闡述。7.1.2數(shù)控機(jī)床的故障規(guī)律

與一般設(shè)備相同，數(shù)控機(jī)床的故障率隨時(shí)間變化的規(guī)律可用圖7-1所示的浴盆曲線表示。

在整個(gè)壽命期內(nèi)，根據(jù)數(shù)控機(jī)床的故障頻度大致分為三個(gè)階段，即早期故障期、偶發(fā)故障期和損耗故障期。

1．故障期

早期故障期的特點(diǎn)是故障發(fā)生的頻率高，但隨著使用時(shí)間的增加迅速下降。使用初期之所以故障頻繁，原因大致如下：圖7-1數(shù)控機(jī)床故障規(guī)律浴盆曲線

(1)機(jī)械部分。

機(jī)床雖然在出廠前進(jìn)行過(guò)運(yùn)行磨合，但時(shí)間較短，而且主要是對(duì)主軸和導(dǎo)軌進(jìn)行磨合。

由于零件的加工表面存在著微觀的和宏觀的幾何形狀偏差，在完全磨合前，零件的加工表面還比較粗糙，部件的裝配可能存在誤差，因此，在機(jī)床使用初期會(huì)產(chǎn)生較大的磨合磨損。

(2)電氣部分。

數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)使用了大量的電子元器件，這些元器件雖然在制造廠經(jīng)過(guò)了相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的老化實(shí)驗(yàn)和其他方式的篩選，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于電路的發(fā)熱、交變負(fù)荷、浪涌電流及反電勢(shì)的沖擊，性能較差的某些元器件經(jīng)不住考驗(yàn)，會(huì)因電流沖擊或電壓擊穿而失效，或特性曲線發(fā)生變化，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能正常工作。

(3)液壓部分。

由于出廠后運(yùn)輸及安裝階段時(shí)間較長(zhǎng)，使得液壓系統(tǒng)中某些部位長(zhǎng)時(shí)間無(wú)油，汽缸中潤(rùn)滑油干涸，油霧潤(rùn)滑不可能立即起作用，造成汽缸或油缸可能產(chǎn)生銹蝕。此外，新安裝的空氣管道若清洗不干凈，一些雜質(zhì)和水分也可能進(jìn)入系統(tǒng)，從而造成液壓氣動(dòng)部分的初期故障。

2．偶發(fā)故障期

數(shù)控機(jī)床在經(jīng)歷了初期的各種老化、磨合和調(diào)整后，開(kāi)始進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的正常運(yùn)行期。在這個(gè)階段，故障率低且相對(duì)穩(wěn)定，近似常數(shù)。偶發(fā)故障是由于偶然因素引起的。

3．損耗故障期

損耗故障期出現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床使用的后期，其特點(diǎn)是故障率隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而升高。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的基本原因是由于數(shù)控機(jī)床的零部件及電子元器件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，由于疲勞、磨損、老化等原因，壽命已接近衰竭，從而處于頻發(fā)故障階段。

4．?dāng)?shù)控機(jī)床故障診斷的一般步驟

無(wú)論是處于哪一個(gè)故障期，數(shù)控機(jī)床故障診斷的一般步驟都是相同的。當(dāng)數(shù)控機(jī)床發(fā)生故障時(shí)，除非出現(xiàn)危及數(shù)控機(jī)床或人身安全的緊急情況，一般不要關(guān)斷電源，要盡可能地保持機(jī)床原來(lái)的狀態(tài)，并對(duì)出現(xiàn)的一些信號(hào)和現(xiàn)象做好記錄。故障診斷一般按下列步驟進(jìn)行：

(1)詳細(xì)了解故障情況。

例如，當(dāng)數(shù)控機(jī)床發(fā)生顫振、振動(dòng)或超調(diào)現(xiàn)象時(shí)，要弄清楚是發(fā)生在全部軸還是某一軸，如果是某一軸，是全程還是某一位置；是一運(yùn)動(dòng)就發(fā)生還是僅在快速、進(jìn)給狀態(tài)某速度、

加速或減速的某個(gè)狀態(tài)下發(fā)生。為了進(jìn)一步了解故障，要對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行初步檢查，并著重檢查熒光屏上的顯示內(nèi)容、控制柜上的故障顯示燈、狀態(tài)指示燈或報(bào)警數(shù)碼管。當(dāng)故障情況允許時(shí)，最好開(kāi)機(jī)試驗(yàn)，詳細(xì)觀察故障情況。

(2)根據(jù)故障情況進(jìn)行分析，縮小范圍，確定故障源查找的方向和手段。

對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行全面了解后，下一步可根據(jù)故障現(xiàn)象分析故障可能存在的位置，即哪一部分出現(xiàn)故障可能導(dǎo)致這種現(xiàn)象。有些故障與其他部分聯(lián)系較少，容易確定查找的方向，而有些故障原因很多，難以用簡(jiǎn)單的方法確定出故障源查找方向，這就要仔細(xì)閱讀有關(guān)數(shù)控機(jī)床的資料，弄清與故障有關(guān)的各種因素，確定若干個(gè)查找方向，并逐一進(jìn)行查找。

(3)由表及里進(jìn)行故障源查找。

故障查找一般是從易到難，從外圍到內(nèi)部逐步進(jìn)行。所謂難易，包括技術(shù)上的復(fù)雜程度和拆卸裝配方面的難易程度。技術(shù)上的復(fù)雜程度是指判斷其是否有故障存在的難易程度。在故障診斷的過(guò)程中，首先應(yīng)該檢查可直接接近或經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的拆卸即可進(jìn)行檢查的那些部位，然后檢查需要進(jìn)行大量的拆卸工作之后才能接近和進(jìn)行檢查的那些部位。

數(shù)控機(jī)床是涉及多個(gè)應(yīng)用學(xué)科的十分復(fù)雜的系統(tǒng)，加之?dāng)?shù)控系統(tǒng)和機(jī)床本身的種類繁多，

功能各異，不可能找出一種適合于各種數(shù)控機(jī)床、各類故障的通用診斷方法。這里僅對(duì)一些常用的一般性方法作以介紹，這些方法相互聯(lián)系，在實(shí)際的故障診斷中，對(duì)這些方法要綜合運(yùn)用。7.2數(shù)控機(jī)床的故障診斷方法

1．根據(jù)報(bào)警號(hào)進(jìn)行故障診斷

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)大都具有很強(qiáng)的自診斷功能。當(dāng)機(jī)床發(fā)生故障時(shí)，可對(duì)整個(gè)機(jī)床包括數(shù)控系統(tǒng)自身進(jìn)行全面的檢查，并將診斷到的故障或錯(cuò)誤以報(bào)警號(hào)或錯(cuò)誤代碼的形式顯示在CRT上。

報(bào)警號(hào)一般包括下列幾方面的故障信息：

①程序編制錯(cuò)誤或操作錯(cuò)誤；②存儲(chǔ)器工作不正常；③伺服系統(tǒng)故障；④可編程序控制器故障；⑤連續(xù)故障；⑥溫度、壓力、液位等不正常；⑦行程開(kāi)關(guān)狀態(tài)不正確。利用報(bào)警號(hào)進(jìn)行故障診斷是數(shù)控機(jī)床故障診斷的主要方法之一。如果機(jī)床發(fā)生了故障，且有報(bào)警號(hào)顯示在CRT上，首先就要根據(jù)報(bào)警號(hào)的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的分析與診斷。當(dāng)然，報(bào)警號(hào)多數(shù)情況下并不能直接指出故障源之所在，而是指出了一種現(xiàn)象，維修人員可以根據(jù)所指出的現(xiàn)象進(jìn)行分析，縮小檢查的范圍，有目的地進(jìn)行某個(gè)方面的檢查。

2．根據(jù)控制系統(tǒng)LED燈或數(shù)碼管的指示進(jìn)行故障診斷

控制系統(tǒng)的LED(發(fā)光二極管)或數(shù)碼管指示是另一種自診斷指示方法。如果和故障報(bào)警號(hào)同時(shí)報(bào)警，綜合二者的報(bào)警內(nèi)容，可更加明確地指出故障的位置。在CRT上的報(bào)警未出現(xiàn)或CRT不亮?xí)r，LED或數(shù)碼管指示就是唯一的報(bào)警內(nèi)容了。

例如，F(xiàn)ANUC10、11系統(tǒng)的主電路板上有一個(gè)七段LED數(shù)碼管，在電源接通后，系統(tǒng)首先進(jìn)行自檢，這時(shí)數(shù)碼管的顯示不斷改變，最后顯示“1”而停止，說(shuō)明系統(tǒng)正常。如果停止于其他數(shù)字或符號(hào)上，則說(shuō)明系統(tǒng)有故障，且每一個(gè)符號(hào)表示相應(yīng)的故障內(nèi)容，維修人員就可根據(jù)顯示的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的檢查和處理。又如，在SINUMERIK3系統(tǒng)的03840電路板上，有兩個(gè)監(jiān)控?zé)簟?duì)于3T/M系統(tǒng)左邊的燈用于監(jiān)控，右邊燈則無(wú)用(常亮)。對(duì)于3TT系統(tǒng)，左邊的燈用于NC1的監(jiān)控，右邊的燈則用于NC2的監(jiān)控。

電源接通后監(jiān)控?zé)糸W亮表示如下故障：

(1)監(jiān)控?zé)粢?Hz的頻率閃動(dòng)時(shí)，表示EPROM有故障。

(2)監(jiān)控?zé)粢?Hz的頻率閃動(dòng)時(shí)，表示PC控制器有故障。

(3)監(jiān)控?zé)粢?Hz的頻率閃動(dòng)時(shí)，表示RAM刷新用電池報(bào)警。電源接通后監(jiān)控?zé)舫Ａ?，則可能是下列故障之一：

(1)CPU有故障。

(2)EPROM有故障。

(3)機(jī)床參數(shù)有錯(cuò)誤。

(4)總線系統(tǒng)有故障。

(5)電路板上有錯(cuò)誤的設(shè)定碼。

(6)電路板上有硬件故障。

DIALOG4系統(tǒng)也大量使用LED作為狀態(tài)指示及報(bào)警號(hào)。在NC部分，由LED指示燈可以判斷各板的工作情況是否正常;在PC部分，LED除作故障指示外，還表示PC的輸入／輸出狀態(tài)。

3．根據(jù)PC狀態(tài)或梯形圖進(jìn)行故障診斷

現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床上幾乎毫無(wú)例外地使用了PC控制器，只不過(guò)有的與NC系統(tǒng)合并起來(lái)，統(tǒng)稱為NC部分。但在大多數(shù)數(shù)控機(jī)床上，二者還是相互獨(dú)立的，二者通過(guò)接口相聯(lián)系。無(wú)論其形式如何，PC控制器的作用卻是相同的，主要進(jìn)行開(kāi)關(guān)量的管理與控制?？刂茖?duì)象一般是換刀系統(tǒng)，工作臺(tái)板轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，液壓、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)具有大量的開(kāi)關(guān)量測(cè)量反饋元件，發(fā)生故障的概率較大。特別是在偶發(fā)故障期，NC部分及各電路板的故障較少，上述各部分發(fā)生的故障可能會(huì)成為主要的診斷維修目標(biāo)。因此，要熟悉這部分內(nèi)容，首先要熟悉各測(cè)量反饋元件的位置、作用及發(fā)生故障時(shí)的現(xiàn)象與后果。同時(shí)，對(duì)PC控制器本身也要有所了解，特別是梯形圖或邏輯圖要盡量弄明白。一旦發(fā)生故障，可幫助用戶從更深的層次認(rèn)識(shí)故障的實(shí)質(zhì)。

PC控制器的輸入／輸出狀態(tài)的確定方法是每一個(gè)維修人員所必須掌握的。因?yàn)楫?dāng)進(jìn)行故障診斷時(shí)，經(jīng)常需要確定一個(gè)傳感元件是什么狀態(tài)以及PC的某個(gè)輸出是什么狀態(tài)。用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行測(cè)量非常麻煩，甚至難以做到。一般數(shù)控機(jī)床都能從CRT上或LED指示燈上非常方便地確定其輸入／輸出狀態(tài)。例如，DIALOG4系統(tǒng)是用PC控制器的輸入／輸出板上的LED指示燈表示其輸入／輸出狀態(tài)的。燈亮為“1”，燈熄為“0”，可十分方便地確定出PC控制器的輸入／輸出狀態(tài)。

4．根據(jù)機(jī)床參數(shù)進(jìn)行故障診斷

機(jī)床參數(shù)也稱為機(jī)床常數(shù)，是通用的數(shù)控系統(tǒng)與具體的機(jī)床相匹配時(shí)所確定的一組數(shù)據(jù)，

它實(shí)際上是NC程序中未定的數(shù)據(jù)或可選擇的方式。機(jī)床參數(shù)通常存儲(chǔ)于RAM中，由廠家根據(jù)所配機(jī)床的具體情況進(jìn)行設(shè)定，部分參數(shù)還要通過(guò)調(diào)試來(lái)確定。機(jī)床參數(shù)大都隨機(jī)床以參數(shù)表或參數(shù)紙帶的形式提供給用戶。

由于某種原因，如誤操作、參數(shù)紙帶不良等，存儲(chǔ)于RAM中的機(jī)床參數(shù)可能發(fā)生改變甚至丟失而引起機(jī)床故障。在維修過(guò)程中，有時(shí)也要利用某些機(jī)床參數(shù)對(duì)機(jī)床進(jìn)行調(diào)整，還有的參數(shù)需要根據(jù)機(jī)床的運(yùn)行狀況及狀態(tài)進(jìn)行必要的修正。因此維修人員對(duì)機(jī)床參數(shù)應(yīng)盡可能的熟悉，理解其含義，只有在理解的基礎(chǔ)上才能很好地利用它，才能正確地進(jìn)行修正而不致產(chǎn)生錯(cuò)誤。機(jī)床參數(shù)的內(nèi)容廣泛。如FANUC10、11、12系統(tǒng)的機(jī)床參數(shù)按功能分為以下26大類：

(1)與設(shè)定有關(guān)的參數(shù)。

(2)定時(shí)器。

(3)與軸控制有關(guān)的參數(shù)。

(4)與坐標(biāo)系有關(guān)的參數(shù)。

(5)與進(jìn)給速度有關(guān)的參數(shù)。

(6)與加速/減速有關(guān)的參數(shù)。

(7)與伺服有關(guān)的參數(shù)。

(8)與DI/DO(數(shù)據(jù)輸入/輸出)有關(guān)的參數(shù)。

(9)與CRT/MDI及編輯有關(guān)的參數(shù)。

(10)與程序有關(guān)的參數(shù)。

(11)與I/O接口有關(guān)的參數(shù)。

(12)與行程極限有關(guān)的參數(shù)。

(13)與螺距誤差補(bǔ)償有關(guān)的參數(shù)。

(14)與傾斜角補(bǔ)償有關(guān)的參數(shù)。

(15)與平直度補(bǔ)償有關(guān)的參數(shù)。

(16)與主軸控制有關(guān)的參數(shù)。

(17)與刀具偏移有關(guān)的參數(shù)。

(18)與固定循環(huán)有關(guān)的參數(shù)。

(19)與縮放及坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)有關(guān)的參數(shù)。

(20)與自動(dòng)拐角倍率有關(guān)的參數(shù)。

(21)與單方向定位有關(guān)的參數(shù)。

(22)與用戶宏程序有關(guān)的參數(shù)。

(23)與跳步信號(hào)輸入功能有關(guān)的參數(shù)。

(24)與刀具自動(dòng)偏移及刀具長(zhǎng)度自動(dòng)測(cè)量有關(guān)的參數(shù)。

(25)與刀具壽命管理有關(guān)的參數(shù)。

(26)與維修有關(guān)的參數(shù)。

5．用診斷程序進(jìn)行故障診斷

絕大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床都有診斷程序。所謂診斷程序，就是對(duì)數(shù)控機(jī)床各部分包括數(shù)控系統(tǒng)本身進(jìn)行狀態(tài)或故障檢測(cè)的軟件，當(dāng)數(shù)控機(jī)床發(fā)生故障時(shí)，可利用該程序診斷出故障源所在的范圍或具體位置。

診斷程序一般分為三套，即啟動(dòng)診斷、在線診斷(或稱后臺(tái)診斷)和離線診斷。啟動(dòng)診斷是指從每次通電開(kāi)始到進(jìn)入正常的運(yùn)行準(zhǔn)備狀態(tài)為止，CNC內(nèi)部診斷程序自動(dòng)執(zhí)行的診斷，一般情況下數(shù)秒之內(nèi)即告完成，其目的是確認(rèn)系統(tǒng)的主要硬件可否正常工作。主要檢查的硬件包括CPU、存儲(chǔ)器、I/O單元等印刷板或模塊，以及CRT/MDI單元、閱讀機(jī)、軟盤單元等裝置或外設(shè)。若被檢測(cè)內(nèi)容正常，則CRT顯示表明系統(tǒng)已進(jìn)入正常運(yùn)行的基本畫面(一般是位置顯示畫面)；否則，將顯示報(bào)警信息。在線診斷是指在系統(tǒng)通過(guò)啟動(dòng)診斷進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后由內(nèi)部診斷程序?qū)NC及與之相連接的外設(shè)、各伺服單元和伺服電機(jī)等進(jìn)行的自動(dòng)檢測(cè)和診斷。

只要系統(tǒng)不斷電，在線診斷也就不會(huì)停止，在線診斷的診斷范圍大，顯示信息的內(nèi)容也很多。一臺(tái)帶有刀庫(kù)和臺(tái)板轉(zhuǎn)換的加工中心報(bào)警內(nèi)容有五六百條。本節(jié)前面所介紹的報(bào)警號(hào)及LED指示燈就是啟動(dòng)診斷和在線診斷的內(nèi)容顯示。離線診斷是利用專用的檢測(cè)診斷程序進(jìn)行的，旨在最終查明故障原因，精確確定故障部位的高層次診斷，離線診斷的程序存儲(chǔ)及使用方法一般不同。如美國(guó)AB公司的8200系統(tǒng)在做離線診斷檢查時(shí)才把專用的診斷程序讀入CNC中作運(yùn)行檢查。而CincinnatiAcramatic850和950則將這些診斷程序與CNC控制程序一同存入CNC中，維修人員可以隨意使用鍵盤調(diào)用這些程序并使之運(yùn)行，在CRT上觀察診斷結(jié)果。

例如，西德MAHO公司的CNC432數(shù)控系統(tǒng)離線診斷專用程序內(nèi)容包括以下幾項(xiàng)：

(1)VIDEOMOD/CRT，用來(lái)診斷顯示單元的工作狀態(tài)。

(2)CONTROLPANEL，用來(lái)檢查控制面板上各個(gè)鍵及旋鈕功能是否正常。

(3)PROCMODINT，用來(lái)檢查CPU插件內(nèi)部各電路的功能。

(4)PROCMODV24，用來(lái)檢查CPU插件的V24接口電路的功能。

(5)PROCMODRAM，用來(lái)檢查CPU插件中RAM的功能是否正常。

(6)MEMORYMOD，用來(lái)檢查存儲(chǔ)器插件功能是否正常。

(7)DIVERMOD1，用來(lái)檢查X、Y軸伺服電機(jī)的插件功能。

(8)DIVERMOD2，用來(lái)檢查Z、B軸伺服電機(jī)的插件功能。

(9)DIVERMOD3，用來(lái)檢查主軸伺服電機(jī)的插件功能。

(10)I/OMOD1，用來(lái)檢查輸入／輸出插件功能。

(11)I/OMOD2，用來(lái)檢查附加輸入／輸出插件功能。

(12)SERVICEONLY1，只能由受過(guò)專門訓(xùn)練的維修專家進(jìn)行調(diào)用。

在上述的12個(gè)診斷程序當(dāng)中，廠方規(guī)定：(1)～(4)可由操作人員進(jìn)行調(diào)試和執(zhí)行；程序(5)～(11)必須由專業(yè)維修人員來(lái)調(diào)用；而程序(12)只能由受過(guò)專門訓(xùn)練的維修專家進(jìn)行調(diào)用和執(zhí)行；否則，可能給機(jī)床和系統(tǒng)造成嚴(yán)重故障。上述診斷程序的調(diào)用和執(zhí)行并不復(fù)雜，首先接通控制系統(tǒng)電源，并按下MANUAL鍵，再將控制柜內(nèi)的一個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)由“0”打到“1”的位置，即將整個(gè)控制系統(tǒng)從工作狀態(tài)變?yōu)樵\斷狀態(tài)。按下MENU鍵，控制系統(tǒng)主菜單即顯示在CRT上。將光標(biāo)移到DIAGNOSTIC項(xiàng)上，按下ENTER鍵，CRT上即出現(xiàn)12個(gè)診斷程序的名稱，以供選擇。用光標(biāo)確定要進(jìn)行診斷的項(xiàng)目，按規(guī)定的方法進(jìn)行診斷運(yùn)行即可，這里不做詳細(xì)介紹。離線診斷是數(shù)控機(jī)床故障診斷的一個(gè)非常重要的手段，它能夠較準(zhǔn)確地診斷出故障源的具體位置，而許多故障靠傳統(tǒng)的方法是不易進(jìn)行診斷的。需要注意的是，有些廠商不向用戶提供離線診斷程序，有些則作為選擇訂貨內(nèi)容。在機(jī)床的考察、訂貨時(shí)要注意這一點(diǎn)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及CNC技術(shù)的成熟與完善，更高層次的診斷技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)。其中最引人注意的是“自修復(fù)”、“專家診斷系統(tǒng)”和“通信診斷系統(tǒng)”。這些新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，無(wú)疑會(huì)給數(shù)控維修特別是故障診斷提供更有效的方法與手段。

6．其他診斷方法

1)經(jīng)驗(yàn)法

雖然數(shù)控系統(tǒng)都有一定的自診斷能力，但僅靠這些有時(shí)還是不能全部解決問(wèn)題。自診斷所提供的信息往往并不能確切地指出故障源的具體位置，僅指出一個(gè)范圍甚至有些故障自診斷無(wú)法進(jìn)行識(shí)別。部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)自診斷能力較差，能夠進(jìn)行診斷的范圍有限。這就要求維修人員根據(jù)自己的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)故障進(jìn)行更深入、更具體的診斷。在對(duì)數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床組成有了充分的了解之后，根據(jù)故障現(xiàn)象大都可以判斷出故障診斷的方向。一般說(shuō)來(lái)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障首先檢查反饋系統(tǒng)、伺服電機(jī)本身、伺服驅(qū)動(dòng)板及指令電壓，

如測(cè)速反饋環(huán)、位置反饋環(huán)、指令增益、檢測(cè)倍率和漂移補(bǔ)償?shù)龋蛔詣?dòng)換刀不能執(zhí)行則應(yīng)首先檢查換刀基準(zhǔn)點(diǎn)的到位情況，液壓氣壓是否正常，有關(guān)限位開(kāi)關(guān)的動(dòng)作是否正常等。

知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)要靠平時(shí)的學(xué)習(xí)與維修實(shí)踐的總結(jié)和積累，并無(wú)捷徑可走，而這些又是數(shù)控機(jī)床維修必不可少的。因此，維修人員平時(shí)應(yīng)抓緊業(yè)務(wù)技術(shù)學(xué)習(xí)，提高知識(shí)和實(shí)踐水平。特別是要充分熟悉機(jī)床資料，不放過(guò)任何有價(jià)值的內(nèi)容。故障排除之后，要總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，

盡量將故障原因和處理方法分析清楚，并做好記錄，這樣，維修水平就會(huì)很快得到提高。

2)換板法

當(dāng)經(jīng)過(guò)努力仍不能確定故障源在哪塊線路板時(shí)，采用換板法是行之有效的。具體說(shuō)來(lái)，

就是將懷疑目標(biāo)用備用板進(jìn)行更換，或用機(jī)床上相同的板進(jìn)行互換。然后啟動(dòng)機(jī)床，觀察故障現(xiàn)象是否消失或轉(zhuǎn)移，以確定故障的具體位置。如果故障現(xiàn)象仍然存在，說(shuō)明故障與所更換的電路板無(wú)關(guān)，而在其他部位；如果故障消失或轉(zhuǎn)移，則說(shuō)明更換之板是故障板。換板之前要認(rèn)定：

(1)故障在該板的可能性最大，用其他方法又難以確定其好壞，做到有的放矢，而不能盲目換板。

(2)該板的輸入／輸出是正常的，至少要確認(rèn)電源正常，負(fù)載不短路，若將舊板拔下，不經(jīng)檢查和判斷就輕易地?fù)Q上新板，有可能造成新板損壞。

換板時(shí)還應(yīng)注意：

(1)除非是對(duì)系統(tǒng)十分了解，并有相當(dāng)?shù)陌盐?，否則不要輕易更換CPU板及存儲(chǔ)器板，這樣有可能造成程序和機(jī)床參數(shù)的丟失，從而擴(kuò)大故障。

(2)若是EPROM板或板上有EPROM芯片，請(qǐng)注意存儲(chǔ)器芯片上貼的軟件版本標(biāo)簽是否與原板的完全一致；若不一致，則不能更換。

(3)有些板是通用的，要根據(jù)機(jī)床的具體情況及使用位置進(jìn)行設(shè)定。因此要注意板上撥動(dòng)開(kāi)關(guān)的位置是否與原板一致，短路線的設(shè)置是否與原板的相同。

總之，換板法一般是行之有效的，是一種常用的故障診斷方法，但要小心謹(jǐn)慎進(jìn)行，否則，不但可能達(dá)不到預(yù)期的目的，而且使故障診斷復(fù)雜化，甚至可能損壞備件板或引起更嚴(yán)重的后果。

7.3.1專家系統(tǒng)的一般概念

一般認(rèn)為，專家系統(tǒng)是一個(gè)或一組能在某些特定領(lǐng)域內(nèi)，應(yīng)用大量的專家知識(shí)和推理方法求解復(fù)雜問(wèn)題的一種人工智能計(jì)算機(jī)程序。一般專家系統(tǒng)如圖7-2所示。7.3人工智能在故障診斷中的應(yīng)用

圖7-2專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)主要包括兩大部分，即知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)。其中，知識(shí)庫(kù)中存放著求解問(wèn)題所需的知識(shí)，推理機(jī)負(fù)責(zé)使用知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題。知識(shí)庫(kù)的建造需要知識(shí)工程師和領(lǐng)域?qū)＜蚁嗷ズ献靼杨I(lǐng)域?qū)＜翌^腦中的知識(shí)整理出來(lái)，并用系統(tǒng)和知識(shí)方法存放在知識(shí)庫(kù)中。當(dāng)解決問(wèn)題時(shí)，用戶為系統(tǒng)提供一些已知數(shù)據(jù)，并可從系統(tǒng)處獲得專家水平的結(jié)論。

由此可見(jiàn)，專家系統(tǒng)具有相當(dāng)數(shù)量的權(quán)威性知識(shí)，能夠采取一定的策略，運(yùn)用專家知識(shí)進(jìn)行推理，解決人們?cè)谕ǔl件下難以解決的問(wèn)題。它克服了專家缺少，其知識(shí)難于永久保存以及專家在解決問(wèn)題時(shí)易受心理、環(huán)境等因素影響而使臨場(chǎng)發(fā)揮不好等缺點(diǎn)。因此，專家系統(tǒng)自從問(wèn)世以來(lái)，發(fā)展非常迅速，目前專家系統(tǒng)已經(jīng)成為人工智能應(yīng)用最活躍和最成功的領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)20多年的努力，其應(yīng)用范疇已遍及各個(gè)領(lǐng)域，如疾病診斷、探礦、設(shè)計(jì)、

制造、自動(dòng)控制、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)視，取得了極大的經(jīng)濟(jì)效益，并獲得了許多新的發(fā)展。

盡管專家系統(tǒng)如此卓有成效地應(yīng)用于許多領(lǐng)域，但仍處于發(fā)展之中，面臨著許多問(wèn)題和困難。目前，主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

(1)知識(shí)獲取困難，特別是經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)(啟發(fā)性知識(shí))更難獲取。知識(shí)獲取是專家系統(tǒng)的“瓶頸”，專家在幾十年工作成功與失敗中，獲得了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)。專家憑借這種本領(lǐng)，再加上書本知識(shí)，在實(shí)踐中就可很快地，有時(shí)甚至是習(xí)慣性地解決一些難題，而要讓他們?cè)敿?xì)地描述解題過(guò)程中的思維方法、過(guò)程、步驟，并系統(tǒng)地闡述他們這樣做的原因，然后再把這些都符號(hào)化，這是一件非常困難的事，有時(shí)需要很長(zhǎng)的時(shí)間和很高的代價(jià)。

(2)對(duì)人的形象思維難以模擬。一般情況下，專家系統(tǒng)只能模擬人的邏輯思維過(guò)程，而對(duì)形象的模擬卻無(wú)能為力。但是，專家在解決問(wèn)題時(shí)，形象思維往往起很大的作用。

(3)知識(shí)領(lǐng)域狹窄。大多數(shù)專家系統(tǒng)一般只知道該領(lǐng)域的知識(shí)，而對(duì)其他領(lǐng)域的知識(shí)幾乎一無(wú)所知。這就導(dǎo)致了在處理接近領(lǐng)域邊緣問(wèn)題時(shí)其性能急劇下降，主要原因是軟件技術(shù)水平的限制。目前，知識(shí)表示和處理技術(shù)還不完善，每種知識(shí)表示方法只適用于某些領(lǐng)域，缺乏一種通用的知識(shí)表示方法與處理技術(shù)。7.3.2數(shù)控機(jī)床故障診斷的專家系統(tǒng)

從數(shù)控機(jī)床故障診斷的內(nèi)容來(lái)看，故障診斷專家系統(tǒng)具體可以用于以下三個(gè)方面。

(1)故障監(jiān)測(cè)。當(dāng)系統(tǒng)主要功能指標(biāo)偏離了期望的目標(biāo)范圍時(shí)，就認(rèn)為系統(tǒng)發(fā)生了故障。該階段的目的在于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要功能指標(biāo)。當(dāng)主要功能發(fā)生異常時(shí)檢測(cè)出來(lái)，并按其程度分別給出早期報(bào)警、緊急報(bào)警，乃至強(qiáng)迫系統(tǒng)停機(jī)等處置。

(2)故障分析，又叫故障分離或狀態(tài)分析。根據(jù)檢測(cè)到的信息和其他補(bǔ)充測(cè)試的輔助信息尋找出故障源。對(duì)于不同的要求，故障源可以是零件、部件，甚至是子系統(tǒng)。然后根據(jù)這些信息就故障對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響程度做出估計(jì)，綜合給出故障等級(jí)。

(3)決策處理，有兩個(gè)方面的內(nèi)容。一方面當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)與故障有關(guān)的征兆時(shí)，通過(guò)綜合分析，

對(duì)設(shè)備狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)；另一方面當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，根據(jù)故障等級(jí)的評(píng)價(jià)，

對(duì)系統(tǒng)做出修改操作和控制或者停機(jī)維修的決定。

一個(gè)完整的故障診斷專家系統(tǒng)由下面幾部分組成。

(1)數(shù)據(jù)庫(kù)。它用于存放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)的、便于測(cè)量的也是必要的測(cè)量數(shù)據(jù)；用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作正常與否。對(duì)于離線分析，數(shù)據(jù)庫(kù)可根據(jù)推理需要，人為輸入。

(2)知識(shí)庫(kù)。它可以定義為便于使用和管理的形式組織起來(lái)的、用于問(wèn)題求解的知識(shí)的集合。通常知識(shí)庫(kù)具有兩方面的知識(shí)內(nèi)容：一方面是針對(duì)具體的系統(tǒng)而言的，包括系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)故障現(xiàn)象，每個(gè)故障現(xiàn)象都是由哪些原因引起的，各種原因引起該故障現(xiàn)象可能性大小的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，判斷每一故障是否發(fā)生的一些充分及必要條件等；另一方面是針對(duì)系統(tǒng)中一般的設(shè)備儀器故障診斷的專家經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)容與前面相仿?；谶@兩方面的內(nèi)容，知識(shí)庫(kù)還包含系統(tǒng)規(guī)則，這些規(guī)則大多是關(guān)于具體系統(tǒng)或通用設(shè)備有關(guān)因果關(guān)系的邏輯法則。所以，真實(shí)地反映對(duì)象系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)建立是專家系統(tǒng)進(jìn)行快速有效的故障診斷的前提。知識(shí)庫(kù)是專家系統(tǒng)的核心內(nèi)容。知識(shí)庫(kù)內(nèi)容，如故障現(xiàn)象對(duì)應(yīng)關(guān)系規(guī)則的建立，有些在理論上是嚴(yán)格的，有些取決于該領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)。

(3)知識(shí)庫(kù)的管理。建立和維護(hù)知識(shí)庫(kù)，并能根據(jù)運(yùn)行的中間結(jié)果及知識(shí)獲取程序結(jié)果及時(shí)修改和增刪知識(shí)庫(kù)，對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

(4)人機(jī)接口系統(tǒng)?？蓪⑾到y(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中、系統(tǒng)出現(xiàn)故障后觀察到的現(xiàn)象或系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整或變化后的信息輸入到知識(shí)庫(kù)獲取模塊，或?qū)⑿碌慕?jīng)驗(yàn)輸入，以實(shí)時(shí)調(diào)整知識(shí)庫(kù)。還可通過(guò)人機(jī)接口啟動(dòng)解釋系統(tǒng)工作。

(5)推理機(jī)制。在數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用各種規(guī)則，通過(guò)一系列推理盡快尋找故障源。

(6)解釋系統(tǒng)?？梢越忉尭鞣N診斷結(jié)果的推理實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并能解釋索取各種信息的必要性等。

解釋系統(tǒng)是專家系統(tǒng)區(qū)別于系統(tǒng)方法的顯著特征，它能把程序設(shè)計(jì)者的思想及專家的推理思想顯示給用戶。

(7)控制部分。使用各部分功能塊協(xié)調(diào)工作，在時(shí)序上進(jìn)行安排和控制。

對(duì)于在線實(shí)時(shí)診斷系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容是實(shí)時(shí)檢測(cè)到的目前系統(tǒng)的工作數(shù)據(jù)。對(duì)于離線診斷，數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容既可以是保存的故障發(fā)生時(shí)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，也可以是人為檢測(cè)的一些特征數(shù)據(jù)。人機(jī)接口系統(tǒng)可為知識(shí)庫(kù)提供系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)或發(fā)生故障時(shí)觀察到的一些事實(shí)現(xiàn)象。專家系統(tǒng)診斷程序在知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)推理機(jī)制，綜合利用各種規(guī)則，必要時(shí)還可調(diào)用各種應(yīng)用程序，并在運(yùn)行時(shí)向用戶索取必要的信息，可盡快地直接找出最后故障，或最有可能的故障，再由人確定最后的故障。7.3.3人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在故障診斷中的應(yīng)用

1．人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)原理

人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(簡(jiǎn)稱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))是人們?cè)趯?duì)人腦思維研究的基礎(chǔ)上，用數(shù)學(xué)方法將其簡(jiǎn)化、抽象并模擬，能反映人腦基本功能特性的一種并行分布處理連接網(wǎng)絡(luò)模型。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)處理信息的思想方法同傳統(tǒng)的馮·諾依曼計(jì)算機(jī)所用的思維方法是完全不同的。它的存儲(chǔ)方式不同，即一個(gè)信息不是放在一個(gè)地方，而是分布在不同的位置。網(wǎng)絡(luò)的某一地方也不止存儲(chǔ)一個(gè)信息，它的信息是分布存儲(chǔ)的。這種存儲(chǔ)方式?jīng)Q定了神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)神經(jīng)元都是一個(gè)信息處理單元，它可根據(jù)接收到的信息獨(dú)立運(yùn)算，然后把結(jié)果傳輸出去，這是一個(gè)并行處理。神經(jīng)元做運(yùn)算的規(guī)則通常是根據(jù)物理學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、心理學(xué)的定理或規(guī)則。

神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的這種信息存儲(chǔ)和處理方式還有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)不完整的或模糊的信息，聯(lián)想起一個(gè)完整、清晰的圖像來(lái)。這樣，即使網(wǎng)絡(luò)某一部分受到破壞，仍能恢復(fù)原來(lái)信息。這就是說(shuō)網(wǎng)絡(luò)具有聯(lián)想記憶功能。

神經(jīng)元之間的連接強(qiáng)度通常稱為權(quán)，這種權(quán)可以事先定出，也可以不斷改變。它可以為適應(yīng)周圍環(huán)境而不斷變化，這種過(guò)程稱為神經(jīng)元的學(xué)習(xí)過(guò)程。這種學(xué)習(xí)可以是有教師的學(xué)習(xí)，也可以是無(wú)教師的學(xué)習(xí)。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的這種自學(xué)習(xí)方法與傳統(tǒng)的以符號(hào)處理為基礎(chǔ)的人工智能的、要求人告訴機(jī)器每步行動(dòng)的方法是完全不同的。設(shè)計(jì)一個(gè)人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，只要給出神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即神經(jīng)元之間的連接方式及網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元個(gè)數(shù)，神經(jīng)元的權(quán)值可以給定或者給出學(xué)習(xí)規(guī)則由神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)自己確定，再給出神經(jīng)元的運(yùn)算規(guī)則。這樣便建成一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它可以用來(lái)進(jìn)行信息處理。

用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)建立專家系統(tǒng)，不需要組織大量的產(chǎn)生式規(guī)則，機(jī)器可以自組織、自學(xué)習(xí)。這對(duì)用傳統(tǒng)的方法建立專家系統(tǒng)最感困難的知識(shí)獲取問(wèn)題，是一種新的有效解決途徑。

下面對(duì)人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及其工作原理作一簡(jiǎn)單介紹。

圖7-3神經(jīng)元結(jié)構(gòu)模型神經(jīng)元是人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的基本處理單元，它一般是一個(gè)多輸入/單輸出的非線性器件，其結(jié)構(gòu)模型如圖7-3所示。

圖7-3中，｛x1，x2，…，xn｝T為輸入矢量；y為輸出；｛ω1，ω2，…，ωn｝T表示輸入到輸出的連接權(quán)值；θ為閾值；s為外部輸入。一般輸入與輸出之間的關(guān)系可表示為

f(σ)為一激發(fā)函數(shù)，它通常取下列三種形式。

(1)值型，即f為一階函數(shù)，如圖7-4(a)所示，其表達(dá)式為

這也是最早提出的二值離散型神經(jīng)元模型。

圖7-4f(σ)的類型(a)值型；(b)段線性型；(c)S狀

(2)段線性型，如圖7-4(b)所示。

(3)S狀。這種激發(fā)函數(shù)一般取連續(xù)值，常用對(duì)數(shù)或正切

等S狀曲線。如最常用的也叫

Sigmoid函數(shù)，這類曲線反映了神經(jīng)元的飽和特性，如圖7-

4(c)所示。

一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)神經(jīng)元相互連接而成的，它們的連接有以下四種形式(見(jiàn)圖7-5)。

(1)不含反饋的前向網(wǎng)絡(luò)。如圖7-5(a)所示，神經(jīng)元分層排列，由輸入層、隱層(中間