基于公理化设计的数控车床故障诊断方法

2015-01-06程寿国刘金南

设备管理与维修 2015年8期

程寿国刘毅刘金南

（江阴职业技术学院机电工程系江苏江阴）

数控机床是一个复杂的机械加工设备，是现代制造系统的核心单元，它涉及精密机械、光学仪器、计算机控制、电力电子技术及液压气动技术等多个学科。数控机床的故障往往是一个综合性故障，虽然机床有自诊断、报警等功能，但是由于工厂维修人员水平参差不齐，往往维修起来还是比较麻烦。利用公理化设计思想来解决数控车床故障诊断问题，使故障诊断过程更加清楚，诊断结果更加准确。

一、公理化设计思想[1]

公理化设计是美国麻省理工学院 (MIT)Nam P.Suh教授于1990在《The Principles of Design》一书中正式提出。将设计过程分为4个域，即用户域、功能域、结构域、工艺域。4个域中的元素分别为：顾客需求项表示顾客使用产品的目的；功能需求项表示在功能层次上对产品设计目标的说明；设计参数表示实现功能的载体；过程变量表示制造过程所涉及的主要因素。

设计方程组FR＝A·DP，表示从功能域到结构域的映射可以用下式来表示，A称为设计矩阵，表示FR与DP之间对应元素的关系。独立性原理可以用设计矩阵A来检验。

若A为对角矩阵，则每个FR可以通过调整某一个DP来保证，而不影响其他的FR。因此，对角矩阵满足独立性公理，这样的设计称为非偶合设计。

若A为三角矩阵，独立性公理也可以被满足，这时，设计参数的变化应遵循一定的顺序，则这样的设计称为准偶合设计。

若A为其他形式的矩阵，则称为偶合设计。偶合设计不满足独立性公理，应分解偶合。

数控机床故障诊断的主要内容应包括实时监测技术，故障分析(诊断)技术和故障修复方法3个部分。从信息获取到故障定位，再到故障的排除。往往单一故障的发生很难判断是哪一部分出现问题而引起的。如果能够把故障信息按照独立公理和信息公理分解成与某一具体的功能单元，对故障的诊断和排除将非常有意义。

二、公理化方法在数控车床故障诊断上的应用

数控车床有很多种类，每一种都有自己的功能特点和故障诊断排除方法，数控车床的加工主要由主轴转动、（X/Z）进给轴直线运动、刀架的换刀动作3个动作来完成加工。以变频主轴控制的数控车床（CK6140）为例，以主轴运转异常，进给轴运动异常和刀架转动异常3种故障为研究对象进行说明。

功能要求FR0机床运转正常，采取的措施设计参数DP0=监测机床的运动部件。根据独立性公理和信息最少量公理[2]建立数控车床功能需求（FR）与设计参数（DP）的映射分解图，如图1所示。可将总目标分解为3层。

1.第一层FR0分解。FR1=主轴运转异常；FR2=进给轴运动异常、FR3=刀架转动异常。相应的策略为DP1=检查主轴系统；DP2=检查进给轴系统；DP3=检查刀架系统。

2.第二层分解

（1）主轴运转异常的可能原因有操作不当、编程错误、机械故障、电气故障、参数故障。将FR1分解为FR11=主轴相关操作不正确，FR12=主轴相关编程错误，FR13=主轴相关机械故障，FR14=主轴相关电气故障，FR15=主轴相关参数故障。相应的策略为DP11=检查操作人员主轴相关操作是否正确，DP12=检查主轴相关编程代码，DP13=检查主轴相关机械（传动）部件，DP14=检查主轴相关电气系统，DP15=检查主轴相关参数。

（2）进给轴运转异常的可能原因有操作不当、编程错误、机械故障、电气故障、参数故障。将FR2分解为FR21=进给轴相关操作不正确，FR22=进给轴相关编程错误，FR23=进给轴相关机械故障，FR24=进给轴相关电气故障，FR25=进给轴相关参数故障。相应的策略为DP21=检查操作人员进给轴相关操作是否正确，DP22=检查进给轴相关编程代码，DP23=检查进给轴相关机械（传动）部件，DP24=检查进给轴相关电气系统，DP25=检查进给轴相关参数。

（3）刀架转动异常的可能原因有操作不当、编程错误、机械故障、电气故障、参数故障。将FR3分解为FR31=刀架运动相关操作不正确，FR32=刀架运动相关编程错误，FR33=刀架运动相关机械故障，FR34=刀架运动相关电气故障，FR35=刀架运动相关参数故障。相应的策略为DP31=检查操作人员刀架运动相关操作是否正确，DP32=检查刀架运动相关编程代码，DP33=检查刀架运动相关机械（传动）部件，DP34=检查刀架运动相关电气系统，DP35=检查刀架运动相关参数。

3.第三层分解

图1 （FR）与（DP）的映射分解图

因操作不当、编程错误、机械故障、参数故障等原因造成的数控车床运转故障可以较容易辨别，而电气故障相对来说就比较复杂，仍然可以继续做第三层分解，以FR14主轴相关电气故障进行分解：FR141=主轴电机故障，FR142=主轴编码器故障，FR143=主轴驱动器故障，FR144=主轴正反转异常，FR145=主轴速度异常。相应的策略为DP141=检查主轴电机是否正常，DP142=检查主轴编码器，DP143=检查主轴电机驱动器，DP144=检查主轴电机正反转控制，DP145=检查主轴电机速度控制环节。