维普资讯 http://www.cqvip.com 第７期 ２００６年７月 文章编号：１００１—３９９７（２００６）０７一叭３３一Ｏ２ 机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ 一１３３一 基于专家系统的数控机床故障诊断技术研究 史晋芳（西南科技大学制造科学与工程学院，绵阳６２１０１０） Ｓｅａｒｃｈｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｅｘｐｅｒｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＮＣ ｄｅｖｉｃｅ ＳＨＩ Ｊｉｎ——ｆａｎｇ （Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１０１０，Ｃｈｉｎａ） ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ； 【摘要】提出将人工智能技术应用于数控系统的策略和模型。具体采用专家系统的框架概念构造 出数控机床故障诊断的专家系统模型，提出利用知识库中的管理子系统管理各子知识库；采用正反 推理混合方式以及单元推理、行为推理和故障树推理的方式，提高了故障诊断效率。 关键词：专家系统；数控系统；知识库；推理系统 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｓｔｒａｇｔｅｇｙ ａｎｄ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆａｐｐａｙｉｎｇ ａｒｔｉｉｆｃｉａｌ ｉｎｔｅｌｌｉｇ ｅｎｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｕ一 ，ｎｅｒ ａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔ ｆｏｌｌｏｗｓ ｔｈａｔ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｒａｍｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ｆ ｏｅｘｐｅｒｔ ｓｙｅｔｅｍ ｃｎｓｔｒｕｃｔｓ ｔｈｅ ｍｏｄｅＺ ｏｆｆａｕｈ ｄｉ－ ｉ ａｇｎｏｓｉｓ ｆｏｒ ＮＣ ｄｅｃｉｃｅ．Ｉｔ ｍａｎａｇ￣ｓｕｂ—ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｅ ｓｕｂ—ｍａｎａｇｉｈｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｕｓｅｓ ｔｅ ｍｉｈｘ ｒｅｓｏｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｕｎｉｔｅ ｒｅａｓｏｎｉｎｇ，ｂｅｈａｖｉｏｒ ｒｅａｓｏｎｉｎｇ， ｕｈ ｔｒｅｅ ｒｅａｓｏｎｉｎｇ ｅｔｍｈｏｄ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｅ ｈｅｆ－ ｉ ｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆｆａｕｈ ｄｉａｇｎｏｓｅ． ｉ ｌ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｅｘｐｅｒｔ ｓｙｓｔｅｍ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；Ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌ ｗａｒｅｈｏｕｓｅ；Ｒｅａｓｏｎｉｎｇ ；ｓｙｓｔｅｍ ：………ｏ。…………．……。ｏ……………………………．……………………………ｏ。………………・…………ｏ……ｏ……．………………。…。。 中图分类号：，Ｉ＇Ｐ３Ｏ６ ７文献标识码：Ａ １引言 计算机数控技术自从由硬件数控跨越式发展到软件数控 以来，最近二十年，仍处于一个功能不断完善的时期，虽然也有 一获得了极为有价值的应用，是当前人工智能研究领域最活跃的 一个分支，由于越来越多的具体的专家系统的问世，使人工智能 的应用越来越广泛。所谓专家系统就是一个提供具有人类专门 些新颖数控技术的报道，但还没有突破传统的系统框架。本 文立足于上述状况，提出将人工智能技术应用于数控系统中， 水平的求解专业范围内重要问题的计算机程序系统。它能解决 那些专门领域中的结构不明确、或者难以确定算法的知识推理 问题。一般来说，一个功能比较完善的ＥＳ由七部分组成【２】：知 寻求中间的交叉点和结合的新途径。由于数控机床是一个机、 电、液、气相结合的复杂被控对象，很难建立精确的数学模型， 采用经典控制理论虽能解决一些控制问题，但在加工过程的控 制和故障诊断及维修方面显得有些困难。为此，本文针对数控 系统的某一个功能模块，采用人工智能技术来予以实现，以达 到替换或者提高系统性能的目的。 识库、推理机制、问题理解、用户接口、结论、学习机制、知识获 取，具体如图１所示。 家 ２专家系统的结构与原理 专家系统（ＥｘｐｅｒｔＳｙｓｔｅｍ－－ＥＳ）的研究起始于六十年代，并且 ★来稿日期：２００５—０８—２４ 图１专家系统结构框图 生、多媒体软硬件的有机的结合，电子教案的制作必须以学生为 本，从学生、教师及课程特点出发，多听学生、教师的心声，换位 思考，统筹整合教学内容，使教案从大纲内容的组织到媒体信息 内容的设计更趋于人性化要求，才能真正满足教学的需要。 参考文献 １袁宝民等．基于多媒体环境下工程制图教学法的研究【Ｊ】．石油大学 学报（社科版），２００４增刊：８７～８９． ２曹德胜等．电子教案在教学中的利与弊【Ｊ】．华北科技学院学报， 图６球阀动画 ２０００，４（２）：８７～８８． ４结论 多媒体环境下的教学质量问题是一个系统问题，是教师、学 ３郑应杰等．现代设计美学【Ｍ】．哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，１９９８． ４谢同祥等．介绍一种在ＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔ和Ａｕｔｈｏｒｗａｒｅ之间实现无痕调用 的方法．福建电脑，２００４（５）：７８～８１． 维普资讯 http://www.cqvip.com 一１３４一 史晋芳：基于专家系统的数控机床故障诊断技术研究 第７期 但是，一般专家系统规模相对都较大，属静态知识处理范畴， 性，规则置信度）。事例库中把先前输入的例子和诊断过程中生 面对实际控制系统还不能实现在线控制。为此，Ａｓｔｒｏｍ于１９８４年 成的故障事例记录下来，包括故障时间、类型、原因、措施、诊断 将它引入实时控制领域，并首次提出专家控制（Ｅｘｐｅｒｔ Ｃｏｎｔｒｏ１）的 方式和解释等相关信息，并将按规则库中的规则整理，作为系统 名称 Ｉ，目前发展成为智能控制领域的一个重要分支。计算机数 学习的素材。 控系统（机床）是一个融合了计算机技术、自动控制、检测技术等 多学科知识的技术密集型机电一体化复杂系统，不但操作编程 人员要进行岗位培训，而且一旦发生故障，维修特别棘手，因为进 行故障分析和故障定位过程中不但需要理论知识作指导，而且还 需要丰富的实践经验。正是由于这个特征．我们可以引入专家系 统的概念，用它来综合多个数控机床维修专家的经验，然后利用 推理规则，根据现场有关故障信息，推理获得维修数控机床用某 些指导性意见。这种工程专家系统相对要简单一些，如图２。 图２数控机床故障诊断专家系统模型 图中虚线框内Ｅｓ部分由一个计算机软件来完成，然后通过 ＤＡＣ和ＡＤＣ分别实现数控机床的控制和监测，而整个系统的实 质就是知识采集、知识表示、知识使用和自学习的过程。该系统由 四块组成，其中知识库在设计时存贮大量由理论或实践总结出来 的数控机床维修规则；数据库用来存放从通信接口输入的给定或 干扰信息、处理过程与中间结果、最终结果与结果的置信度；推理 机制主要指专家系统中如何启用知识的推理策略，例如“ＩＦ（过程 状态）ＴＨＥＮ＜控制作用）就是一种推理机制等：学习机制是智能控 制的一个本质特征。在推理机制的作用下，可根据维修经验自行 总结出更优的策略，甚至还能修改规则，并且与人类学习相类似， 也可划分为记忆性、类比性和创造性三个学习层次 １。 ３关键技术研究 ３．１知识库的构建 一个专家系统的优劣在很大程度上取决于他所具有的“专 家知识”的多少与水平。在系统中知识库的建立是关键。数控机 床故障较为复杂，如果把所有诊断知识不加以划分地都放在知 识库中。在诊断搜索过程中势必会花费大量的时间，无法达到诊 断的实时性。因此可以采用故障树分解的方法，在知识库中分 别建立单元子知识库，行为子知识库和故障树子知识库，使得专 家系统在搜索过程中可以首先进行单元子知识库的搜索，以获 取故障状态可能存在的区域；而后再通过搜索行为子知识库，获 得故障源大致存在范围；最后通过故障树子知识库的搜索，获得 故障源的具体位置。各个子知识库间以概念库、规则库和事例 库所构成的管理子系统进行管理。其中概念库包括实体概念、 实体属性概念以及实体层次关系概念组成。实体层次关系概念 库中表示了各实体间的层次关系，以拓扑网形式表示。如图３一 个拓扑网形式表征的局部概念树。在规则库中以产生式规则表 示，格式为ＩＦ（实体概念１，实体属性ｌ，实体置信度１）ＡＮＤ（实 体概念２，实体属性２，实体置信度２）……ＴＨＥＮ（实体概念和属 图３拓扑网形式表征的局部概念树 知识库在某种意义上就是数据库的一种扩充，因此一般数 据库的组织方法都可以作为组织知识库的依据。我们可以将检 验知识库的构建转变成标准数据库的建立。并采用ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ 数据库来管理知识库。 ３．２推理机制 该专家系统的推理机制，依据确定知识的推理算法实际上 就是产生或规则的匹配，属于人工智能领域最基本的算法。系 统采用正反混合推理，首先利用检测到的异常参数信号，按深度 优先搜索策略选择与故障现象有直接关系的规则进入正向推 理；当发现规则前提未知时，进行反向搜索，通过推理或人机交 互获取命题事实；如果命题被证伪，则认为这次匹配失败，选择 其他有关的规则进行推理，直至匹配成功或找到故障位置 １。 当数控系统出现故障时，利用接口程序读取输入输出数据、 标志信息以及诊断信息，并放置在数据库中，然后进行单元子知 识库的故障区域推理，当搜索到故障数据和知识库中的数据相 匹配后，转入行为知识推理，即可确定故障发生的事实行为；最 后通过故障树知识推理，使用正反混合推理方式，利用实践贡献 因子和选择搜索路径，获得故障树的树叶节点（故障源）。由于 才用了单元子知识控制策略和混合推理方式，能够有效提高复 杂系统的诊断效率，提高了数控设备故障诊断专家系统的可靠 性，保证了诊断的准确性。 ４结束语 数控设备故障诊断专家系统采用知识库单元化、行为化的 分解组合以及混合推理方式，采用面向对象的编程方法，在Ｖｉ— ｓｕａｌ Ｃ＋＋编译环境下进行系统设计，可扩展性强，数据具有开 放性。具有良好的人机交互性。经仿真实验验证，该专家系统不 仅缩短了诊断时间，而且提高了诊断的准确性，大大提高了故障 诊断效率。 参考文献 １蔡自兴，徐光佑．人工智能及其应用．北京：清华大学出版社，２００３． ２ Ａｂｕ Ｎｏｍａｎ Ｍ．Ａｈｓａｎｕｚｚａｍａｎ１；Ｍｕｓｈａｒｒａｆ Ｚａｍａｎ２；ａｎｄ Ｒａｎｄａｌｌ Ｋｏｌａｒ３ Ｓｉｍｐｌｅ Ｅｘｐｅｒｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｕｔｒｉｅｎｔ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｉｎ Ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｆｒｏｍ Ｍａｎｕｒｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＧＥＯＭＥＣＨＡＮＩＣＳ？ＡＳＣＥ／ＤＥＣＥＭＢＥＲ ２００４． ３ Ｋ．Ｊ．Ａｓｔｒｏｍ，ｅｔａｌ Ｅｘｐｅｒｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｕｔｏｍａｔｉｃａ ２２（３）２７７～２８６． ４汪木兰人工智能技术在数控系统中的应用研究组合机床与自动化 加工技术，２００２（１）． ５黄海英等．柔性制造系统设备故障诊断专家系统的开发研究．现代 制造工程，２００４（１０）．
