数控机床故障诊断系统的研究与应用

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摘要

随着工业自动化的不断发展，数控机床以其优异的加工柔性，高的加工精度，

可以有效的降低劳动强度并能改善劳动条件，有利于现代化生产管理以及能够提

高生产效率和经济效益等优点，一直被广泛的应用，其功能也随着用户的需求而

越来越强大，结构也越来越复杂。当数控机床发生故障后，如何能够快速准确的

诊断出故障原因并解决故障问题，使其恢复正常，是提高数控机床使用效率的重

中之重。

通过对数控机床的结构组成进行分析，可以看出数控机床的结构复杂，涉及

的知识领域繁多，很难对其按传统方式建立系统数学模型和故障过程模型。而基

于案例推理(Case-Based Reasoning 简称 CBR)技术是运用旧案例解决新案例，具有

快速准确地求解“新”问题的能力，弥补了传统方式建立复杂推理规则的缺陷。

本文采用了基于案例推理技术建立了数控机床故障诊断系统，并从以下几个

方面进行了研究:

首先，对数控机床故障诊断系统的需求和诊断原理进行了分析并建立了系统

的功能模块。通过对比分析 Client/Sever、Brower/Sever 实现模式的优缺点，选择

了以 Brower/Sever 方式作为故障实现模式，用JSP 技术+SQL2000 数据库为开发工

具对系统进行开发，并根据各功能模块做出了系统的整体工作流程图。

其次，研究了 CBR 故障诊断系统的原理、案例知识的表达方式及案例知识库

的设计方法，探讨了案例知识的获取方式和学习方式、案例知识库的检索方法及

故障树分析的原理和自动生成的方法。

最后，以数控磨床为例，结合实例对该故障系统进行了实际应用，对系统的

各个功能模块进行了测试和验证，证明了诊断方法的正确性及可行性，表明所研

究的数控机床故障诊断方法具有实用性和推广价值。

关键词：数控机床故障诊断基于案例推理故障案例库案例故

障树

ABSTRACT

With industrial automation developing, CNC machines are used widely, because of

its special performances, which include excellent flexible and high-accuracy processing,

reducing labor intensity and improving labor condition, and which are good for modem

production management ,and improve production efficiency and economic benefit. As

the more users need, the stronger its function become. While its structure becomes more

and more complex. When CNC machines broken down, how to diagnosis fault and

solve the problem as soon as possible, and make it get right effects on the efficiency

improve of CNC machines.

According to analyzing structure components of CNC machines, we could find that

CNC machines' structure is very complex, which refers to many knowledge areas. It’s

difficult to build system mathematical model and fault process model in traditional

fashion. Because Case-Based Reasoning(for short CBR) uses old case to work out new

case, and has ability to work out new case rapidly and accurately, avoiding to build

complex inference rule.

CNC machines diagnosis fault system is built, which is based on CBR technique in

this paper. This paper focuses on four aspects of testing, which are:

First, systematic functional module is established by analyzing the demand and

diagnosis principle of CNC machines fault diagnosis system. Compared the merit and

demerit of Client/Sever with Brower/Sever, Brower/Sever way is selected as to the fault

realization method, JSP and SQL2000 data base are treated as development tool to make

the systematic overall work flowchart on the basis of every functional modules.

Second, Research the principle of CBR fault diagnosis system, representation of

case knowledge and design method of case knowledge base. Discuss the gain model of

case knowledge, study of case knowledge and search method of case knowledge base,

the principle of fault tree analysis and the way of fault tree automatic creating.

In the end, this fault system finished the practical application, with CNC

cylindrical grinder for example, all the functional modules of the system was tested and

verified, which proofed that the diagnosis method was correct and feasible, and showed

that the CNC machine fault diagnosis method had practical and application value with

an actual instance.

Key Words : CNC machine, fault diagnosis, CBR, fault case database ,

case fault tree

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................ 1

§1.1 研究背景 .......................................................................................................... 1

§1.2 故障诊断技术概述 .......................................................................................... 2

§1.2.1 故障诊断技术研究的发展现状 ............................................................ 2

§1.2.2 数控机床故障诊断系统研究的发展现状 ............................................ 2

§1.3 本文研究目的以及研究内容 .......................................................................... 3

§1.3.1 研究的主要意义 .................................................................................... 3

§1.3.2 研究的主要内容 .................................................................................... 3

第二章数控机床故障诊断系统的构架与流程 ............................................................ 5

§2.1 数控机床的结构组成及常见故障 .................................................................. 5

§2.2 数控机床故障诊断系统的功能模块 .............................................................. 6

§2.2.1 需求分析 ................................................................................................ 6

§2.2.2 系统的功能模块 .................................................................................... 8

§2.2.3 数据库的总体设计 .............................................................................. 10

§2.2.4 系统的开发平台及开发环境 .............................................................. 10

§2.3 数控机床故障诊断系统的流程 .................................................................... 12

§2.4 本章小结 ........................................................................................................ 13

第三章数控机床故障诊断系统故障案例库的设计 .................................................. 14

§3.1 故障诊断系统的故障库 ................................................................................ 14

§3.1.1 数控机床故障的获取 .......................................................................... 14

§3.1.2 数控机床故障的表达 .......................................................................... 15

§3.2 故障案例库的建立 ........................................................................................ 17

§3.3 本章小结 ........................................................................................................ 20

第四章数控机床故障诊断系统诊断方法的研究 ...................................................... 21

§4.1 相似度检索 .................................................................................................... 21

§4.1.1 相似度算法 .......................................................................................... 21

§4.1.2 相似度算法验证 .................................................................................. 24

§4.1.3 相似度检索的不足 .............................................................................. 27

§4.2 案例故障树诊断 ............................................................................................ 27

§4.2.1 故障树分析的基本原理 ...................................................................... 28

§4.2.2 故障树的生成方法 .............................................................................. 30

§4.3 本章小结 ........................................................................................................ 38

第五章数控机床故障诊断系统的应用 ...................................................................... 39

§5.1 数控机床故障诊断系统界面的设计 ............................................................ 40

§5.1.1 系统的登录界面 .................................................................................. 40

§5.1.2 系统的案例录入界面 .......................................................................... 42

§5.1.3 系统的查询界面 .................................................................................. 43

§5.2 数控机床故障诊断系统的应用 ..................................................................... 44

§5.2.1 案例的录入 ........................................................................................... 44

§5.2.2 实例诊断 ............................................................................................... 44

§5.3 本章小结 ........................................................................................................ 48

第六章总结与展望 ...................................................................................................... 49

§6.1 全文总结 ........................................................................................................ 49

§6.2 研究展望 ........................................................................................................ 50

参考文献 ........................................................................................................................ 51

在校期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 55

致谢 ............................................................................................................................ 56

第一章绪论

§1.1 研究背景

随着电子技术信息的不断发展，世界机床业已由原来的传统机床进入了一个

以数字化制造技术为核心的时代，其代表产品之一即为数控机床。随着我国经济

正与国际进行全面接轨，机床业进入了一个蓬勃发展的新时期。数控机床以其具

有的优异加工柔性，高加工精度，降低劳动强度并能改善劳动条件，利于现代化

生产管理以及提高生产效率和经济效益等特点得到了专业人士的关注。数控机床

的这些特点也使其成为了国民经济和国防建设发展的重要装备，为机床制造业的

发展提供了一个很好的机遇，但机床制造业同样也遭遇到加入世界贸易组织后激

烈的国际市场竞争的压力，如何加速推进数控机床的发展是保证机床制造业持续

发展的一个关键[1]。

数控机床具有技术密集和知识密集的特点，与传统机床相比增加了数控系统、

伺服控制单元、自动化功能部件和相应的监控装置等，所以应用了大量的电气、

液压、气动元件和机电装置[2]。元器件和装置的增多使得数控机床的整体结构变得

比传统机床更加复杂，不仅导致数控机床发生故障的概率大大增大，而且也使维

修人员对故障的判断和维修变得更加困难。

如果仍靠传统的人工对发生的故障进行判断，就必须要求维修人员具有丰富

的维修经验和相关领域专业知识，如电机原理、检测技术、自动控制原理、电子

技术、机床结构和机械传动等方面的知识[3]。而且一旦发生故障，专业技术人员在

短时间内很难判断出故障原因并对故障进行排除和维修，其结果不仅会导致机器

的损坏，甚至还可能造成机毁人亡的严重后果，严重地影响生产效率。因此人们

更关心如何能在最短的时间里对数控机床所发生的故障做出最准确判断，查明故

障部位，找出故障原因和故障排除的方法，提高数控机床的诊断效率。

随着 21 世纪网络技术和信息技术的快速发展，以及在制造行业中广泛推行先

进制造技术，现在大多数数控系统的生产厂家都在自己的数控系统中集成了智能

化网络接口来支持联网，这些为我们实现运用计算机对数控机床的进行故障诊断

奠定了基础。

本文研究内容是国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”资助项

目(2009ZX04014-103)中的部分内容。

数控机床故障诊断系统的研究与应用

§1.2 故障诊断技术概述

§1.2.1 故障诊断技术研究的发展现状

故障诊断技术最早起源于 1961 年美国阿波罗计划期间，由当时美国宇航局

(NASA)及美国海军研究室(ONR)共同组建的美国机械故障预防小组(MFPG)提出

来的。它以电子信息技术为基础，是社会对工业生产的需求和现代科技发展相结

合的产物。目前，国际上除了对故障诊断理论、技术和方法等方面进行创新研究

外，还在实际应用中不断开发出新的检测诊断系统和仪器设备[4]。

我国对故障诊断技术的研究和应用是从 20 世纪 70 年代末开始的，相比国外

起步较晚，但近年来得到了迅速发展。对装备的故障诊断技术经历了起步阶段和

发展阶段，现在已进入了高速发展阶段，在基于模糊理论、人工智能、神经网络

等先进技术和理论的智能故障诊断系统的研究和应用中取得了较好的成果[4~6]。

我国的故障诊断技术己广泛应用于工业、化工、军工制造等领域，如数控机

床、发电、汽车、船舶、飞机、核反应堆、卫星等。其中较为显著的有由哈尔滨

工业大学振动工程研究中心研制开发的“20 万KE 汽轮发电机组振动检测与故障

诊断系统 2HX-1”，华中理工大学研发的“汽轮发电机组诊断专家系统”，此外还

有东南大学研制出的“网络化的火电机组振动检测和故障诊断系统”等，这些系

统在理论和技术应用方面都已达到或接近国际先进水平。

§1.2.2 数控机床故障诊断系统研究的发展现状

随着智能故障诊断技术不断地发展，当前出现的一些专家系统强调对专家知

识和经验进行处理和利用，具有表达直观、形式统一、模块性强、推理机制简单

等优点[7]，在故障诊断领域中得到了广泛的应用并取得了一定的成功。

目前我国数控机床故障诊断系统主要还是传统的专家系统诊断模式，多采用

基于规则和模型等形式的知识表示及推理机制来求解问题。但这些专家系统在数

控机床故障诊断方面不是很理想，主要是由于传统的专家系统存在下列问题[8,9]：

1. 当知识量很大时很难对知识的冗余性、矛盾性和完备性等进行维护和管理；

2. 知识的获取比较困难，很难对其建立规则；

3. 推理机制过于单一，适应能力差；

4. 几乎没有自学习能力，不利于知识库的更新。

随着数控机床结构的越来越复杂，这些问题也越来越明显。采用基于案例推

理和故障树结合的诊断技术对数控机床进行新理念、新模式的诊断，将对我国的

数控机床维护体系实现突破式发展，使其达到现代化的水平，跨入国际先进行列。

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摘要随着工业自动化的不断发展，数控机床以其优异的加工柔性，高的加工精度，可以有效的降低劳动强度并能改善劳动条件，有利于现代化生产管理以及能够提高生产效率和经济效益等优点，一直被广泛的应用，其功能也随着用户的需求而越来越强大，结构也越来越复杂。当数控机床发生故障后，如何能够快速准确的诊断出故障原因并解决故障问题，使其恢复正常，是提高数控机床使用效率的重中之重。通过对数控机床的结构组成进行分析，可以看出数控机床的结构复杂，涉及的知识领域繁多，很难对其按传统方式建立系统数学模型和故障过程模型。而基于案例推理(Case-BasedReasoning简称CBR)技术是运用旧案例解决新案例，具有快速准确地...

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