FANUC系統(tǒng)電氣故障智能診斷模型的研究

范芳洪 ， 胡自化

（1.湘潭大學機械工程學院，湖南 湘潭 411105；2.湖南鐵道職業(yè)技術學院制造學院，湖南 株洲 412001）

現(xiàn)代的數(shù)控機床機械部件簡化了，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)象錯綜復雜。數(shù)控機床癱瘓大都由于數(shù)控機床電氣故障引起。目前國內(nèi)大多數(shù)對于數(shù)控機床的電氣故障診斷和運行維護主要依賴于工程師和操作員的工作經(jīng)驗，具備較強的主觀性，容易對故障原因產(chǎn)生誤判而增加故障診斷和維修難度。FAUNC 0iD系統(tǒng)的數(shù)控機床常常產(chǎn)生比較復雜的電氣故障，在其發(fā)生故障時，現(xiàn)場工作人員的經(jīng)驗難以針對此類電氣故障開展快速有效判別與診斷。本文針對FANUC 0iD系統(tǒng)電氣故障維修難、故障復雜的特點，對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)進行診斷，這樣要建立完善的數(shù)控機床的電氣故障樹，建立故障診斷知識庫，設計故障推理機，說明故障診斷推理過程，診斷專家能實現(xiàn)快速找出數(shù)控機床電氣故障原因，并有效排除故障，實現(xiàn)智能診斷。

1 FANUC 0iD系統(tǒng)電氣故障診斷專家系統(tǒng)框架

知識庫存儲從電氣維修領域的專家獲得經(jīng)驗和方法，這些經(jīng)驗和方法被分類和總結，并以計算機可以識別的格式轉換成知識。推理機用戶輸入關鍵字之后，推理引擎使用適當?shù)耐评聿呗躁P閉知識庫，并最終向用戶顯示合格的診斷結果，且使用動態(tài)數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建系統(tǒng)所需的診斷結果。存儲數(shù)據(jù)和過程計算結果在系統(tǒng)電源故障后自動丟失動態(tài)數(shù)據(jù)庫中的原來數(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）人機界面：用于工程技術人員與設備之間的互動，供工程人員下達指令。

2）知識獲取系統(tǒng)：將相關知識裝入知識庫，使得所建立的知識庫更具有完整性，這也是當前專家系統(tǒng)研究難點問題所在。

3）知識庫及管理系統(tǒng)：知識庫所起作用主要是儲存知識，包括專家經(jīng)驗性知識、知識領域的基本規(guī)律等，利用管理系統(tǒng)可以重構知識庫信息，并進行相關維護以及搜查工作。

4）推理機：分析專家系統(tǒng)，推理機就好比人的大腦，處于核心地位。主要是通過對各領域專家的問題分析過程進行模仿，進而將問題處理總結。

5）數(shù)據(jù)庫及管理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫的主要功能是存儲各類信息，其包括已經(jīng)發(fā)生的事實、需表征的問題、中間結論及最終結論等信息進行，通過管理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)和知識兩種表示方法具備一致性。

6）解釋機制：能解釋自己的行為，對用戶的提問進行回答等，主要是由程序組成，對演示過程進行跟蹤并記錄，當用戶問出問題時，能及時進行解釋。

2 FANUC 0iD系統(tǒng)電氣故障樹建立

故障樹[1]知識從以下方面獲得：1）與具有FANUC系統(tǒng)電氣故障診斷維修方面的專家、技術人員進行討論研究，獲得實際情況下的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗；2)調研相關方面的文獻、書籍、期刊等資料，從中選取需要的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗。進一步根據(jù)這兩方面所得的知識歸納總結，可以用故障樹十分明顯地表達出來。圖2所示為數(shù)控裝置故障樹結構。

3 FANUC 0iD系統(tǒng)電氣故障診斷專家系統(tǒng)推理機設計

高效與實用是電氣故障診斷專家的評判標準。它可以應用知識庫內(nèi)已經(jīng)存儲的知識，對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，結合知識庫中儲存的知識，進行逐步推理和分析，針對故障原因得到有效解決方案[2]。對于診斷專家系統(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)應該使用正向推理機制。

圖2 數(shù)控裝置故障樹結構

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

一般來講，F(xiàn)ANUC 0iD系統(tǒng)的電氣故障診斷專家系統(tǒng)的推理機制由兩個推理機制組成，即基本診斷單元推理機制和框架規(guī)則推理機制。基本診斷單元推理過程如下:1)根據(jù)用戶輸入的故障類型數(shù)據(jù)進行組織和總結。2)依照故障狀態(tài)關鍵詞在知識庫內(nèi)搜索出的相應故障樹，每棵故障樹與之對應1個框架。3)尋找到匹配的故障樹時就可以找到相應的框架，將推理任務分配給規(guī)則框架推理故障機制。

通過對基本診斷單元的推導，故障診斷專家系統(tǒng)可以提供發(fā)生故障的事實號與名稱，專家系統(tǒng)找到該故障的框架之后開始進行進一步的推理判斷，基于框架和規(guī)則的專家系統(tǒng)推理過程如圖3所示。

圖3 基于框架和規(guī)則的專家系統(tǒng)推理過程

如果找到的是直接框架，也就是完成推理過程。由于直接框架中存儲的是故障的成因和其排故策略，因此，假設獲得間接框架，系統(tǒng)會通過框架的條件關系來查找存儲在規(guī)則表中相應的規(guī)則號。而規(guī)則表的特點是：每個規(guī)則表中的規(guī)則號是獨一無二的，在事實條件上它是一一對應的因果關系，對于每個事實條件，它又對應了一定的框架。因此，故障診斷專家系統(tǒng)根據(jù)規(guī)則表中的條件事實可以找到相對應的框架。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，對上面之過程進行重復，重復至找著直接框架為止，通過此方法找到故障源頭以及相應的處理方法，直到推理迭代結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)軟件實現(xiàn)和實驗驗證

4.1 診斷專家系統(tǒng)的功能模塊設計與實現(xiàn)

根據(jù)FANUC 0iD機床的電氣故障診斷的實際需求出發(fā)，結合診斷專家系統(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，同時完成了電氣故障診斷專家系統(tǒng)的功能實現(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行電氣故障自動診斷操作，日常管理和維護知識庫可以通過管理員用戶進入到后臺管理功能界面完成。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，點擊“診斷”字樣，診斷專家系統(tǒng)通過推理，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，診斷專家系統(tǒng)給出的故障原因越準確。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

以旋轉刀架換刀故障[6]為例，換刀類型故障樹系統(tǒng)診斷過程如圖7所示，根據(jù)所求解的最小割集，來計算換刀故障樹各割集重要程度，并進行重要度排序，以此來設置最小割集所對應的優(yōu)先級別。

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進行表示，然后計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，刀架轉不動重要度=0.7/0.8=0.875。

因此，應該將刀架不能轉動的最小割集所對應優(yōu)先度值設置成1。出現(xiàn)刀架卡死情況時，最小割集的優(yōu)先度級別設置為2，出現(xiàn)刀架電機損壞情況時，刀架控制電路最小的割集優(yōu)先度級別設置成3，出現(xiàn)刀架鎖不緊情況時，最小割集的優(yōu)先度級別設置為4。因而，專家系統(tǒng)的推理活動開展能夠根據(jù)優(yōu)先等級的高低決定測試順序，假如優(yōu)先級別一樣時，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。

當機床換刀故障為一個框架時，它的類型為1，出現(xiàn)這種情況則說明屬于故障框架為間接框架。在診斷專家系統(tǒng)進行推理時則會根據(jù)框架中的規(guī)則號進行查找，于是就可以找到規(guī)則Ru01以及Ru02。用Ru01舉例子，當查找到規(guī)則01之后，再找與事實號對應的框架時，可以由診斷專家系統(tǒng)通過查找條件事實號來判斷。Ru01里的條件事實號其實就是刀架無法轉動的故障。

這樣刀架無法轉動的故障框架就會被診斷專家系統(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，對換刀故障的故障樹進行分析，就可以發(fā)現(xiàn)框架中設置的判斷條件和規(guī)則。通過這種方式查找，刀架電機故障為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)就可以對存在條件進行判別，假若滿足條件，則可確定發(fā)生故障的確切原因。因此，可采取相應處理辦法，否則，可得出這是因為其他框架所造成的故障，此時專家系統(tǒng)將執(zhí)行返回到刀架無法轉動的框架，隨之開始進行執(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，之后會進行一系列排故診斷，即實現(xiàn)專家系統(tǒng)推理的過程。如果采用框架以及規(guī)則的策略展開刀具調換故障的排故診查，就能夠得到推理過程，如圖8所示。

圖8 換刀故障診斷推理圖

5 結束語

將開發(fā)后的FANUC 0iD系統(tǒng)電氣故障診斷專家系統(tǒng)軟件在湖南江南實業(yè)有限公司的數(shù)控加工分廠的數(shù)控機床電氣維修中開展了驗證實驗，得到了該企業(yè)與技術人員的高度認可，他們對這套系統(tǒng)評價是：診斷專家系統(tǒng)能友好、智能的實現(xiàn)人機對話，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)省維修資金和時間，提高數(shù)控機床的工作效率，同時維修人員也積累實踐技能提高維修水平，這套系統(tǒng)對數(shù)控機床電氣故障維修具有重要的現(xiàn)實意義和工程價值，這也證明了軟件系統(tǒng)的準確性和可靠性。