浅析数控机床网络化机械故障诊断研究

朱连芳

摘要：在机电一体化设备中，数控机床是最重要设备，在一定领域（如技术密集型产品方面）具有广泛运用。由于其作为生产中的最关键设备，当其任何部分出现这样和那样的问题，都会直接影响企业正常的运营，给企业造成无关的损失，如果厉害的话，甚至会影响到个人的安全，因此，提高数控机床的使用效率和企业的经济效益，保障数控机床安全、可靠、高效的运行，就显得尤为重要。本文就针对数控机床的机械故障，进行一定的分析，通过采用网络集成的方法（基于Web的神经网络和系统集成），来对其机械故障进行处理，使得设备能够有效运转。

关键字：数控机床；机械故障；专家系统；神经网络；网络化

1 引言

由于数控机床具有提高零件的加工精度、稳定产品的质量、提高产品的生产率、可适应不同品种及尺寸规格零件的自动加工等优点，因此其运用越来越广泛，已经成为一个国家工业水平和综合科技水平的重要标志。数控机床对大中型企业来说，是其最重要的设备，如果其任何部分出现故障，其就会导致精度减低，严重的话，使企业停顿，企业的经济损失更大，进而对相關人员的安全造成危害。在一方面，数控机床特点就是先进、复杂和智能化，当其出现故障后，维修也相对困难，因此对数控机床机械故障诊断进行分析研究就显得非常迫切。

2 诊断故障系统的网络化管理

2.1专家系统和神经网络内涵

1）专家系统的基本原理；具有获取、处理、存储和使用知识的特点的系统叫做专家系统（可以进行知识处理），其主要包括知识库、推理机、数据库、知识获取模块、解释程序和人机接口等方面组成。

2）专家系统和神经网络的结合；尽管在运用方面，专家系统取得了不小的成就，但是，其在模拟人类抽象思维方面也有着明显的缺陷，这些缺陷主要有：（1）存在“瓶颈”问题；（2）推理能力弱；（3）自学习能力差；（4）存在“窄台阶效应”。

3）神经网络的基本结构；神经网络的基本结构主要有以下七部分组成，具体如：（1）一组处理单元（让相关单元可以激活）；（2）输出函数（由处理单元进行输送）；（3）衔接模式（主要处理单元之间的链接问题）；（4）一定规则进行传递；（5）一定规则进行激活（输入处理单元和当前状态结合规则）；（6）一定的学习规则（根据经验进行联接）；（7）系统所需要的环境。

2.2专家系统和神经网络的结合

2.2.1对专家系统和神经网络进行比较

根据其二者不同的定义、结构及工作原理，神经网络与专家系统是两种截然不同的技术：其主要区别有：（1）知识获取不同；（2）知识表示不同；（3）推理形式不同。

2.2.2 对专家系统和神经网络的相关性进行分析

二者存在的特点各不相同，神经网络和专家系统在其各自的领域都运用较为广泛，但同时在满足设备故障诊断任务方面又各自存在着的局限性，因此就需要让其二者有效结合起来，其结合方式主要有：（1）神经网络与专家系统共存于一个系统中；（2）使用神经网络来构造专家系统。

2.3 神经网络的类型选择及结构设计

2.3.1 神经网络不同选择类型

由于径向基函数网络具有确定自适应、输出与初始权值无关等各种优点，因此其在拟合多维曲面、重构自由曲面和故障诊断等方面有着巨大的运用。因此认为径向基函数神经网络是最好的。

2.3.2 隐层神经元的设计

提取并存储内在规律，使每个隐层神经元都有不同的权值，同时每个权值都相对应着一个参数（增强网络映射能力）。

2.4基于web的神经网络专家系统

对现代信息传输载体（比如Internet）进行有效利用，可以较快地传递和收集相关故障信息，高效提高诊断故障的能力，使数控机床设计者和使用者更好地参与进来，以期得到更合理的措施。

3 系统的总体设计原则

3.1网络化专家系统的设计原则

其设计的原则主要有以下几方面，具体如下：（1）模块化原则。（2）实用性原则。（3）可扩充原则。（4）安全性原则。（5）统一性与简单性原则。

3.2专家系统的功能模块设计

新用户首次登陆必须要通过注册模块先进行注册，老用户可以直接登陆，登陆又分为管理员和普通用户登陆，只有管理员有权利处理系统的数据库。通过故障诊断模块对相应故障进行诊断，其功能模块主要主轴、进给系统、刀库刀和辅助装置等几部分组成。

3.3系统运行的环境

1）Web服务器的选取；通过Windows操作系统，发挥在PC界的优势，推出的IIS成为目前运用最广泛的服务器，经过验证，也是目前用户最好的选择。

2）后台数据库的选取；通过分析研究，同时结合Access的特性、相关程序的匹配性和开发者的业务水平，本文的系统选取Access最为合适。

3.4系统的软件开发环境

3.4.1 服务器相应的软件环境

操作系统：Windows XP Server/Professional；服务器：IIS6.0；数据访问：ADO -ActiveX Data Objects；数据库系统：ACCESS

3.4.2 客户自己机器所对应的软件

操作系统：Windows 98/2000/xp，浏览器：IE5.0以上，MATLAB6.5以上版本。

3.5开发相应工具分析

目前开发工具主要有以下两种形式：（1）网络化专家系统开发工具：具体采用FrontPage。（2）径向基函数神经网络开发工具：具体采用MATLAB程序控制。

4 系统的研究与实施

4.1总体结构设计

该系统的总体结构主要采用一个并列协调式（神经网络和专家系统并存）。两者分别处理各自不同的知识，管理着不同的模块，分别处理各自不同的功能，但是也可以进行联合诊断。

4.2知识库的设计与实现

本系统直接把数据库和数据库管理系统作为知识库的重要组成部分，一方面通过数据对象来处理知识，另一方面，用数据库来对相关知识的存储、编辑、删改、更新查询和安全保护等功能进行有效管理。

4.3推理机的研究与实实施

通过模拟专家的思维模式，对相应问题进行控制和研究，这是推理机的主要功能。结合目前已知的事实，通过知识库，按照一定的规则和方法，进行推理分析，再对其修正，得到最终的结果。

4.4解释模块及人机界面

解释功能作为数控机床机械故障诊断系统最主要的功能，其主要具有向用户、远程用户、领域专家和知识工程师解释相关的问题的优点。目前的人机界面都需要通过ASP编程来实现，主要采用中文视窗的的模式，这样比较简单明了，更容易实现人机交互。

4.5径向基函数神经网络故障诊断

当专家系统部分得出的初期诊断结果不能使用户满意那么就需要进行进一步的深层次诊断。采用径向基函数神经网络进行深层次的定量诊断。

5 结论

由于现在数控机床的技术和水平的快速提高，其相应结构复杂程度进一步提高，功能也越来越多，这样就是的设备出现的问题概率大大增加，因此针对数控机床存在的机械故障进行分析研究，提出采用网络化对其故障进行控制的方法，以期更好地服务相关公司，为之后出现的机械故障提供一定的参考。

参考文献

（1） 李晓峰.数控机床远程故障诊断专家系统的研究（D）.辽宁：沈阳工业大学，2005.

（2） 赵中敏.数控机床故障诊断技术的发展和关键诊断技术（J）.中国设备工程，2007 6： 5152.

（3） 朱文艺，李斌.基于Internet的数控机床远程故障诊断系统的研究（J）.机床与液压，2005-9：176178.

（4） 李美华.神经网络专家系统在汽车故障诊断中的应用研究田（D）.东北：东北林业大学，2006.

（5） 赵斌，孙兵.数控机床的故障诊断技术及维护（J）.现代机械，2003， 3： 8586.