基于公理化設(shè)計(jì)的數(shù)控車床故障診斷方法

程壽國(guó) 劉 毅 劉金南

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 江蘇江陰）

數(shù)控機(jī)床是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械加工設(shè)備，是現(xiàn)代制造系統(tǒng)的核心單元，它涉及精密機(jī)械、光學(xué)儀器、計(jì)算機(jī)控制、電力電子技術(shù)及液壓氣動(dòng)技術(shù)等多個(gè)學(xué)科。數(shù)控機(jī)床的故障往往是一個(gè)綜合性故障，雖然機(jī)床有自診斷、報(bào)警等功能，但是由于工廠維修人員水平參差不齊，往往維修起來還是比較麻煩。利用公理化設(shè)計(jì)思想來解決數(shù)控車床故障診斷問題，使故障診斷過程更加清楚，診斷結(jié)果更加準(zhǔn)確。

一、公理化設(shè)計(jì)思想[1]

公理化設(shè)計(jì)是美國(guó)麻省理工學(xué)院 (MIT)Nam P.Suh教授于1990在《The Principles of Design》一書中正式提出。將設(shè)計(jì)過程分為4個(gè)域，即用戶域、功能域、結(jié)構(gòu)域、工藝域。4個(gè)域中的元素分別為：顧客需求項(xiàng)表示顧客使用產(chǎn)品的目的；功能需求項(xiàng)表示在功能層次上對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)的說明；設(shè)計(jì)參數(shù)表示實(shí)現(xiàn)功能的載體；過程變量表示制造過程所涉及的主要因素。

設(shè)計(jì)方程組FR＝A·DP，表示從功能域到結(jié)構(gòu)域的映射可以用下式來表示，A稱為設(shè)計(jì)矩陣，表示FR與DP之間對(duì)應(yīng)元素的關(guān)系。獨(dú)立性原理可以用設(shè)計(jì)矩陣A來檢驗(yàn)。

若A為對(duì)角矩陣，則每個(gè)FR可以通過調(diào)整某一個(gè)DP來保證，而不影響其他的FR。因此，對(duì)角矩陣滿足獨(dú)立性公理，這樣的設(shè)計(jì)稱為非偶合設(shè)計(jì)。

若A為三角矩陣，獨(dú)立性公理也可以被滿足，這時(shí)，設(shè)計(jì)參數(shù)的變化應(yīng)遵循一定的順序，則這樣的設(shè)計(jì)稱為準(zhǔn)偶合設(shè)計(jì)。

若A為其他形式的矩陣，則稱為偶合設(shè)計(jì)。偶合設(shè)計(jì)不滿足獨(dú)立性公理，應(yīng)分解偶合。

數(shù)控機(jī)床故障診斷的主要內(nèi)容應(yīng)包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，故障分析(診斷)技術(shù)和故障修復(fù)方法3個(gè)部分。從信息獲取到故障定位，再到故障的排除。往往單一故障的發(fā)生很難判斷是哪一部分出現(xiàn)問題而引起的。如果能夠把故障信息按照獨(dú)立公理和信息公理分解成與某一具體的功能單元，對(duì)故障的診斷和排除將非常有意義。

二、公理化方法在數(shù)控車床故障診斷上的應(yīng)用

數(shù)控車床有很多種類，每一種都有自己的功能特點(diǎn)和故障診斷排除方法，數(shù)控車床的加工主要由主軸轉(zhuǎn)動(dòng)、（X/Z）進(jìn)給軸直線運(yùn)動(dòng)、刀架的換刀動(dòng)作3個(gè)動(dòng)作來完成加工。以變頻主軸控制的數(shù)控車床（CK6140）為例，以主軸運(yùn)轉(zhuǎn)異常，進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)異常和刀架轉(zhuǎn)動(dòng)異常3種故障為研究對(duì)象進(jìn)行說明。

功能要求FR0機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)正常，采取的措施設(shè)計(jì)參數(shù)DP0=監(jiān)測(cè)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件。根據(jù)獨(dú)立性公理和信息最少量公理[2]建立數(shù)控車床功能需求（FR）與設(shè)計(jì)參數(shù)（DP）的映射分解圖，如圖1所示?？蓪⒖偰繕?biāo)分解為3層。

1.第一層FR0分解。FR1=主軸運(yùn)轉(zhuǎn)異常；FR2=進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)異常、FR3=刀架轉(zhuǎn)動(dòng)異常。相應(yīng)的策略為DP1=檢查主軸系統(tǒng)；DP2=檢查進(jìn)給軸系統(tǒng)；DP3=檢查刀架系統(tǒng)。

2.第二層分解

（1）主軸運(yùn)轉(zhuǎn)異常的可能原因有操作不當(dāng)、編程錯(cuò)誤、機(jī)械故障、電氣故障、參數(shù)故障。將FR1分解為FR11=主軸相關(guān)操作不正確，F(xiàn)R12=主軸相關(guān)編程錯(cuò)誤，F(xiàn)R13=主軸相關(guān)機(jī)械故障，F(xiàn)R14=主軸相關(guān)電氣故障，F(xiàn)R15=主軸相關(guān)參數(shù)故障。相應(yīng)的策略為DP11=檢查操作人員主軸相關(guān)操作是否正確，DP12=檢查主軸相關(guān)編程代碼，DP13=檢查主軸相關(guān)機(jī)械（傳動(dòng)）部件，DP14=檢查主軸相關(guān)電氣系統(tǒng)，DP15=檢查主軸相關(guān)參數(shù)。

（2）進(jìn)給軸運(yùn)轉(zhuǎn)異常的可能原因有操作不當(dāng)、編程錯(cuò)誤、機(jī)械故障、電氣故障、參數(shù)故障。將FR2分解為FR21=進(jìn)給軸相關(guān)操作不正確，F(xiàn)R22=進(jìn)給軸相關(guān)編程錯(cuò)誤，F(xiàn)R23=進(jìn)給軸相關(guān)機(jī)械故障，F(xiàn)R24=進(jìn)給軸相關(guān)電氣故障，F(xiàn)R25=進(jìn)給軸相關(guān)參數(shù)故障。相應(yīng)的策略為DP21=檢查操作人員進(jìn)給軸相關(guān)操作是否正確，DP22=檢查進(jìn)給軸相關(guān)編程代碼，DP23=檢查進(jìn)給軸相關(guān)機(jī)械（傳動(dòng)）部件，DP24=檢查進(jìn)給軸相關(guān)電氣系統(tǒng)，DP25=檢查進(jìn)給軸相關(guān)參數(shù)。

（3）刀架轉(zhuǎn)動(dòng)異常的可能原因有操作不當(dāng)、編程錯(cuò)誤、機(jī)械故障、電氣故障、參數(shù)故障。將FR3分解為FR31=刀架運(yùn)動(dòng)相關(guān)操作不正確，F(xiàn)R32=刀架運(yùn)動(dòng)相關(guān)編程錯(cuò)誤，F(xiàn)R33=刀架運(yùn)動(dòng)相關(guān)機(jī)械故障，F(xiàn)R34=刀架運(yùn)動(dòng)相關(guān)電氣故障，F(xiàn)R35=刀架運(yùn)動(dòng)相關(guān)參數(shù)故障。相應(yīng)的策略為DP31=檢查操作人員刀架運(yùn)動(dòng)相關(guān)操作是否正確，DP32=檢查刀架運(yùn)動(dòng)相關(guān)編程代碼，DP33=檢查刀架運(yùn)動(dòng)相關(guān)機(jī)械（傳動(dòng)）部件，DP34=檢查刀架運(yùn)動(dòng)相關(guān)電氣系統(tǒng)，DP35=檢查刀架運(yùn)動(dòng)相關(guān)參數(shù)。

3.第三層分解

圖1 （FR）與（DP）的映射分解圖

因操作不當(dāng)、編程錯(cuò)誤、機(jī)械故障、參數(shù)故障等原因造成的數(shù)控車床運(yùn)轉(zhuǎn)故障可以較容易辨別，而電氣故障相對(duì)來說就比較復(fù)雜，仍然可以繼續(xù)做第三層分解，以FR14主軸相關(guān)電氣故障進(jìn)行分解：FR141=主軸電機(jī)故障，F(xiàn)R142=主軸編碼器故障，F(xiàn)R143=主軸驅(qū)動(dòng)器故障，F(xiàn)R144=主軸正反轉(zhuǎn)異常，F(xiàn)R145=主軸速度異常。相應(yīng)的策略為DP141=檢查主軸電機(jī)是否正常，DP142=檢查主軸編碼器，DP143=檢查主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，DP144=檢查主軸電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制，DP145=檢查主軸電機(jī)速度控制環(huán)節(jié)。

三、結(jié)論

分解多少層因故障的復(fù)雜程度和維修人員的水平不同而有所差別，經(jīng)過分解以后可以比較清楚故障發(fā)生的部位，進(jìn)行局部的判別要比從機(jī)床整體去分析故障的原因要容易得多，可以節(jié)省大量的故障分析的時(shí)間和提高故障排除準(zhǔn)確度。在故障定位以后可以用交換法進(jìn)行確認(rèn)，從而可以快速、有條理的完成數(shù)控車床的故障診斷與維修。

1 肖人彬，蔡池蘭，劉勇.公理設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀與問題分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào).2008（12）

2 曹鵬彬，肖人彬，庫(kù)瓊.公理設(shè)計(jì)過程中耦合設(shè)計(jì)問題的結(jié)構(gòu)化分析方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào).2006（03）