机床厂故障诊断专家系统设计毕业设计.docx

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机床厂故障诊断专家系统设计毕业设计

机床厂故障诊断专家系统设计

摘要

基于WEB的机床故障诊断系统研究的主要目的是使得用户在机床设备发生故障后，能够借助本系统快速诊断出故障的原因，找到排除故障的方法，有效的缩短因设备故障而造成的设备停机时间。

同时对于机床制造商来说，可以通过故障诊断系统减少小故障、常见故障维修的问题，减少维修人员的出差次数，降低了售后技术支持费用，增强产品的市场竞争力。

本文设计并实现了一个基于WEB的故障诊断专家系统，该系统能够提升机床厂维修人员解决问题的效率。

对快速恢复生产有重要的作用。

系统编程采用java语言，适用性强，理论上能在许多终端机上运行。

该系统能够快速解决机床的故障问题，系统中分为普通用户系统和管理员用户系统，分别能进行不同类型的操作。

论文以无锡开源机床生产的机床为研究对象，首先介绍了故障诊断技术和专家系统的发展历史，列出了该机床厂常见机床信息和故障类型，其次研究了故障诊断专家系统的结构，组成专家系统的各个部分成分及其功能，然后设计解决方案，构建出系统的总体框架，最后完成数据库的设计，实现系统的各个功能模块。

关键词：

专家系统故障诊断机床故障数据库java

Abstract

ThemainpurposeoftheresearchofMachinetoolfaultdiagnosissystembasedonWEBistomaketheuserofthemachinetoolequipmentcanquicklydiagnosethefaultreasonswhenmachinetoolgoeswrong.Andtheusercanfindawaytosolvethefaults,throughthesystem

wecaneffectiveshortenequipment’sdowntimeduetoequipmentfaults.Formachinetoolmanufacturers,theycanreducemanysmallandeasyfaultsduetoexpertdiagnosissystem,alsotheycanreducethenumberofmaintenancepeople,reducetheafter-saletechnicalsupportcosts,thesystemcanimprovethecompetitivenessofproducts.

ThispaperdesignedandrealizedafaultdiagnosisexpertsystembasedonWEBservices,thesystemcanimprovetheefficiencyofsolvingmachinetools’problems.Andhasanimportanteffecttoquicklyrestoreproduction.ThissystemusestheJavalanguage,soitcanrunonmanyterminalsintheory.Thesystemcanquicklysolvetheproblemofmalfunctionofthemachinetools.Thesystemisdividedintoordinaryusersandadministratorusers,theycangofordifferenttypesofoperations.

Thispaperisbasedonwuxikaiyuanmachinetoolplant,atfirstitintroducesthedevelopmenthistoryoffaultdiagnosistechnologyandexpertsystem,liststhecommonmachinetools’informationandfaulttypes,thenwestudythestructureoffaultdiagnosisexpertsystem,differentpartsoftheexpertsystemandtheirfunctions,atlastwedesignthesolutionsofthesystemandbuildthesystem'sframework,finallywecompletedthedesignofthedatabase,andrealizeseachfunctionofthemoduleinthesystem.

Keyword:

faultdiagnosis;expertsystem;machinetoolfaults;database;javalanguage;

前言

专家系统能够汇集和管理来自不同渠道、学科和众多专家的经验，适和用来解决大量知识和经验才能解决的问题。

目前，专家系统在各行各业运用的非常良好，本文研究机床故障方面的专家系统。

通过研究故障诊断专家系统的设计方法，采用myeclispse开发工具，使用NavicatforMySQL来连接管理数据库，设计开发出基于WEB的故障诊断专家系统。

通过不同的用户，设置了不同的登录界面，普通用户可以实现故障的查询，翻阅机床故障历史纪录，管理员用户可以实现知识库、历史库等信息的增加、删除、查询。

本系统侧重的功能是故障查询模块，所以不涉及员工信息管理等模块，该系统能提供故障查询，机床历史故障信息查询等功能。

并能对知识库部分进行有效的管理，保证软件的能够与时俱进。

由于本课题研究的是机床厂故障诊断，所以有必要介绍一下故障诊断这门技术的发展历史和现状，而课题研究的内容是机床厂故障诊断专家系统，所以在开篇部分分别从故障诊断技术的发展和专家系统的发展两个方面来分析。

第一章绪论

1.1故障诊断技术现状、发展及分类

1.1.1故障诊断技术发展的过程

故障诊断技术是现代生产发展的产物，早在20世纪60年代末，美国国家宇航局（NASA）就创立了美国机械故障预防小组MFPG（MachineryFaultPreventionGroup）。

其后，由于诊断技术应用所产生的巨大的经济效益，从而得到快速的发展。

如美国Bechtel电力公司开发了火电厂机械设备诊断用专家系统（SCOPE，1987）；美国Radial公司也在此时开发了汽轮发电机组振动诊断用的专家系统（Turbomac1987）；美国西屋电气公司（WHEC）首先将网络技术应用于汽轮故障诊断，建立故障诊断中心，将分布在各地电站的多台机组实行远程诊断；美国Bently公司对旋转机械故障诊断及传感器的研究都进行了比较深入的研究。

当故障诊断技术在美国迅速发展的同时，在西欧国家也得到了相应的发展。

英国在1971年成立了机械保健中心（MechanicalHealthMonitoring）,促进了各类机械工厂机械设备性能检测和维修水平的提高；法国电力部门从1978年起就在汽轮发电机组上安装了振动监测装置，20世纪90年代又提出了监测与振动支援站的设想；还有瑞士的ABB公司、德国的西门子公司、丹麦的B&K公司等都开发了有关诊断系统及信号监测装置。

在亚洲，日本针对汽轮发电机组寿命监测和故障诊断进行了很多研究，1987年东芝电气公司开发了大功率汽轮机轴系诊断系统，20世纪90年代又开发了机器寿命诊断的专家系统；日立公司于1982年开发了汽轮组寿命诊断装置，并逐步形成了一套完整的机器寿命诊断方法；三菱公司在20世纪80年代也研制了能自动进行异常征兆监测并能诊断其原因的诊断系统[1]。

由上述分析可知，各国家有关故障诊断技术的研究和诊断系统的研制大多是从汽轮发电机开始，其原因：

1）电力系统对国民经济建设和人民生活均十分重要，影响面广；2）在连续生产系统中，发电机、空气压缩机都是动力源，如果一台机组产生故障，不仅影响其本身效率的发挥，还会影响整个生产系统的正常运行；3）汽轮发电机组的生产过程是连续的旋转过程，振动信号拾取和信号处理的处理的方法相对其他方法而言比较成熟，在生产条件下容易实现。

1.1.2故障诊断技术发展现状

近十年来，国内外故障诊断方法与技术的发展主要集中在三个方面，一是故障诊断策略与模式的研究，如分布式监测诊断模式、基于internet的远程分布式监测诊断模式等；二是智能诊断方法与技术的研究，如基于行为的神经网络诊断方法、基于多智能体（即多代理）的诊断方法等；三是故障特征分析与特征量提取的研究，如小波分析和时频分析方法的应用[2]。

1.1.3故障诊断方法按诊断方法的原理可以分为

1）.频域诊断法应用频谱分析技术，根据频谱特征变化，判别机器的运行状态及故障形成的原因。

2）.时域分析法应用时间序列模型及有关的特性函数，判别机器工况状态的变化。

3）.统计分析法应用概率统计模型及其有关的特性函数，实现机器的工况状态监视与故障诊断。

4）.非平稳信号分析法机械设备的测试信号常常是非平稳的，可应用Wigner分部、小变换和时—频分析等方法进行研究并提取特征量，判别故障性质。

5）.信息理论分析法应用基于信息理论建立的某些特性函数，如Kull-back信息数、J散度等机器运行过程中的变化，进行机器的工况状态分析与故障诊断。

6）.人工智能方法如模式识别、人工神经网络、专家系统等。

由于人工智能技术的发展而提出来的诊断方法。

随着计算机和网络技术的发展，分布式人工智能方法的提出，近年来又提出多代理协作诊断方法等[2]。

1.2专家系统的发展

专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。

也就是说，专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统[2]。

1965年，f.a.费根鲍姆等人在总结通用问题求解系统的成功与失败经验的基础上，结合化学领域的专门知识，研制了世界上第一个专家系dendral，可以推断化学分子结构。

20多年来，知识工程的研究，专家系统的理论和技术不断发展，应用渗透到几乎各个领域，包括化学、数学、物理、生物、医学、农业、气象、地质勘探、军事、工程技术、法律、商业、空间技术、自动控制、计算机设计和制造等众多领域，开发了几千个的专家系统，其中不少在功能上已达到，甚至超过同领域中人类专家的水平，并在实际应用中产生了巨大的经济效益[3]。

专家系统的发展已经历了3个阶段，正向第四代过渡和发展。

第一代专家系统（dendral、macsyma等）以高度专业化、求解专门问题的能力强为特点。

但在体系结构的完整性、可移植性等方面存在缺陷，求解问题的能力弱。

第二代专家系统（mycin、casnet、prospector、hearsay等）属单学科专业型、应用型系统，其体系结构较完整，移植性方面也有所改善，而且在系统的人机接口、解释机制、知识获取技术、不确定推理技术、增强专家系统的知识表示和推理方法的启发性、通用性等方面都有所改进。

第三代专家系统属多学科综合型系统，采用多种人工智能语言，综合采用各种知识表示方法和多种推理机制及控制策略，并开始运用各种知识工程语言、骨架系统及专家系统开发工具和环境来研制大型综合专家系统。

在总结前三代专家系统的设计方法和实现技术的基础上，已开始采用大型多专家协作系统、多种知识表示、综合知识库、自组织解题机制、多学科协同解题与并行推理、专家系统工具与环境、人工神经网络知识获取及学习机制等最新人工智能技术来实现具有多知识库、多主体的第四代专家系统[3]。

1.3国内外研究现状

近十年来，无论在理论上还是在系统开发方面，故障诊断专家系统的研究工作都有了较大的发展。

最初人们研制出来的专家系统，几乎都只能用于实验室，有些系统只是到了近几年才在性能上有所扩展，并有效的应用到实际中。

认识到这一点后，人工智能领域和工程领域的研究人员转而降低研究对象的复杂程度，去研制一些基础问题和简单系统及复合系统的诊断专家系统。

随着各种技术储备的增加，人们最终会开发出能直接为工程领域服务的高性能的故障诊断专家系统。

我国对专家系统的研究开发起步较晚，大约开始于七十年代末，但其发展速度是比较快的。

八十年代初，我国专家系统研究从最初的医疗农业领域，逐步渗透到交通领域、地质勘探、气象预报等领域，到了八十年代中期，我国专家系统的应用领域迅速扩大，在数学、物理、化学、工程、机械、经济、教育、军事等领域先后有一批专家系统问世。

随着数控机床的广泛应用，其故障诊断专家系统的研制开发越来越受到人们的普遍重视[4]。

1.4课题的研究意义和研究内容

1.4.1本课题研究意义

我国企业现有数控设备的利用率和完好率普遍偏低，除了由于普遍存在的生产任务不足的原因外，维修力量不够和编程能力不够成为开工不足的主要原因，分别占34.8%和17.6%。

影响数控设备的完好率的主要原因是维修力量不足，占42.5%[5]。

基于WEB的机床故障诊断系统研究的主要目的是使得用户在机床设备发生故障后，能够借助本系统快速诊断出故障的原因，找到排除故障的方法，有效的缩短因设备故障而造成的设备停机时间。

同时对于无锡机床制造商来说，可以通过使用本系统减少小故障、常见故障维修问题，减少维修人员的出差次数，降低了售后技术支持费用，增强产品的市场竞争力。

1.4.3本课题研究的内容

1.讨论了世界先进的故障诊断技术及专家系统的发展趋势，研究无锡开源机床厂的故障类型，并以故障树的方式表现出来。

2．运用NavicatforSQL建立系统信息的数据库。

3.在MyEclipse中编写程序，设计出普通用户登录模块、管理员登录模块、历史库管理模块、知识库管理模块、故障查询模块等。

4．在设计的网页上进行各种操作，实现用户对各种故障进行查询，管理员同时能够对历史库和知识库的管理。

5.定期对系统进行相关问题检测，并提出改善改进。

1.5本文结构

全文共分八部分：

第一章：

绪论本章介绍了故障诊断技术发展历史及现状，然后引出专家系统的发展历史，研究了国内外专家系统的发展状况，介绍了课题来源，研究内容和意义。

第二章：

无锡开源机床厂机床的类型及常见故障本章介绍了无锡开源机床厂的机床类型，研究了故障的类型，并用故障树的方法分析归纳出来。

第三章：

故障诊断专家系统总体设计架构分析故障诊断专家系统的总体设计框架，从潜在客户需求入手，分析出系统各个模块的功能的结构图，并画用户流程图。

第四章：

java语言的简介本章介绍了java语言的特点及其优势。

第五章：

数据库设计本章介绍本论文采用的MySQL数据库，构建了本系统的E-R图模型，并根据E-R图导入数据表格。

第六章：

系统操作界面设计与实现本章显示本系统运行的界面，分别进行管理员用户和普通用户的操作，管理员能够对知识库、历史库等进行增加、删除、修改等操作，普通用户可以查询故障原因，查询机床的故障历史。

第七章：

系统采用的若干技术本章介绍了struts技术，如何实现增加、删除等操作，以及不同用户的登录问题。

第八章：

结论与展望总结本论文研究成果，对论文相关方面提出一些设想。

第二章无锡开源机床厂机床的类型及常见故障

2.1开源机床厂常见的机床

该公司主要生产的类型主要是数控磨床，在数控磨床方面的技术比较先进，该公司的生产的机床类型如下：

数控无心磨床MKS10100

 WX1010型针阀自动无心磨床

 WX1013型芯轴沟道无心磨床

 MK2115数控内圆磨床

 M2116数控内圆磨床

 WX1012型连杆专用无心磨床

 WX1016型气门杆无心磨床

 数控内外圆复合磨床MK2710

 MK1150/1型宽砂轮无心磨床

 MK1150/3型数控宽沙轮无心磨床

 MK11200/1型宽砂轮无心磨床

 WX1010型针阀自动无心磨床

 WX1012型连杆专用无心磨床

 WX1016型气门杆无心磨床

 MGD2110B高精度内圆磨床

 MB2120半自动内圆磨床

 MK2120B数控内圆磨床

 MK28100数控立式内圆磨床

2.2机床常见故障

随着现代社会的发展进步，机床的功能结构越来复杂，所出现的故障类型也是多种多样，对这些故障类型进行合理的分类有助于我们解决机床的故障。

2.2．1按发生故障部位

机床发生故障部位通常分为机械系统故障、电气系统故障、液压/气动系统故障。

电气系统故障又可分为强电线路故障与数控系统故障。

强电线路故障一般是由各种继电器、接触器线路故障与保护线路及各种传感器故障造成的;数控系统故障主要是由于其硬件和软件故障形成的。

机械系统故障表现在运动失效和精度超差两个方面。

运动失效大多是减速箱、丝杠螺母副、导轨副等故障造成的;而精度超差又可分为几何精度超差、传动精度超差、运动精度超差和位置精度超差。

液压/气动系统故障的出现一般是由机械电气引起的故障、液压/气动传动与控制故障造成的。

液压传动与控制故障又可体现在驱动部分的故障、执行部分的故障、控制部分的故障和辅助部分的故障等[5]。

2.2．2按故障发生频率

数控机床的故障发生频率在其使用期内是不相同的。

由于机床在运行中有一种固有的特性曲线叫“浴盆曲线”[6]，如图2-1所示。

因此也可将故障类型分为初期故障、偶发故障和磨损故障。

图2-1设备使用失效的“浴盆曲线”

使用初由于机床各部位需要磨合，操作人员也要熟悉机床而故障失效率高一点，中期机床趋于稳定，因故障而发生的失效率低，超过损耗失效期后，机床各个部位老化退化，因而故障概失效率又增加。

初期故障是设备使用初期的故障，故障频率较高，一般无规律可循。

在这个时期，电气、液压和气动系统故障频率约占整个初始故障的90%[6]，为此，要加强对机床的检测，勤记录，定期对机床进行机电调整，以保证设备各种运行参数处于技术规范之内。

偶发故障是在正常运转阶段，由于操作和维护不良而造成的。

此时，各类元器件器质性的故障较为少见，但不排除偶发故障的产生，所以，在这个时期内要坚持做好设备运行记录，以备排除故障时参考。

磨损故障是由于年久失修和磨损而产生的故障，故障频率较高，故障性质属于渐发性。

例如橡胶件的老化，轴衬和液压缸的磨损，限位开关接触灵敏度以及某些电子元器件品质因素下降等。

2.2.3按发生的故障性质分类

按性质可分为系统性故障和随机性故障。

系统性故障通常是指只要满足一定的条件或超过某一设定的限度，工作中的数控机床必然会发生的故障。

如:

机床加工因切削量过大达到某一极限值时必然会发生过载或超温报警。

随机性故障通常是指数控机床在同样的条件下工作时只偶然发生一次或两次的故障。

这类故障的发生往往与安装质量、组件排列、参数设定、元器件品质、操作失误与维护不当，以及工作环境影响等诸因素有关。

由于其具有偶发性，进行原因分析与故障诊断较其它故障困难得多。

2.2．4无锡开源机床厂机床故障

此处用故障树的方法表示出来，如图2-2、2-3、2-4、2-5、2-6、2-7所示：

图2-2机床故障总体结构的故障树

图2-3无心磨床故障树

图2-4内圆磨床的故障树

图2-5超精机机床故障树

图2-6电气部分故障树

图2-7液压部分的故障

此处利用故障树的分析方法，非常直观，明了，能够清晰了解各个机床不同部位或不同类型的所有故障。

第三章故障诊断专家系统总体设计架构

随着数控机床技术的不断进步和计算机语言的迅猛发展，各行各业对专家系统的应用越来越多,尤其是在制造企业中。

充分利用现有的有利条件，开发机床的专家系统,是非常可行的。

专家系统有助提高机床厂解决问题的能力,增加企业的生产效率,从而产生经济效益。

3.1系统的总设计思想

对于机床故障诊断的查询是基于web的故障诊断系统，本系统功能侧重于故障的查询，知识库的更新，所以该系统的用户模块结构相对简单。

知识库、历史库模块的功能相对复杂，能够进行增加、删除、修改等操作。

3.1.1专家系统的结构

专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式。

不同类型的专家系统，其功能和结构上也不尽相同。

专家系统一般由知识库及其管理系统、推理机、综合数据库、知识获取机制、解释机构和人机接口六部分组成。

1）.知识库及其管理系统

知识库是以一致的形式存储知识的机构，用于存储某领域专家的经验性知识、原理性知识、相关的事实、可行操作与规则等。

解决知识、获取和知识表示问题是建立知识库的关键问题。

2）.知识获取机制

知识获取机制的建立，实质上是设计一组程序，把知识送入到知识库，负责维护知识的正确性、一致性和完整性。

知识获取是专家系统知识库是否优越的关键，我们试图建立自动知识获取机制，实现专家系统的自动学习功能，不断地扩充和修改知识库中的内容。

3）.综合数据库

综合数据库又称全局数据库或“黑板”等，它用于存储领域或问题的初始数据（信息）、推理过程中得到的中间结果或状态以及系统的目标结果，包含了被处理对象的一些问题描述、假设条件、当前事实等。

4）.推理机

推理机是专家系统中实现基于知识推理的部件，是基于知识的推理在计算机中的实现，是专家系统的核心部分。

推理机用于记忆所采用的规则和控制策略的程序，完成依据一定的知识规则从已有的事实推出结论的近似专家的思维过程，保证整个专家系统能够以逻辑方式协调地工作。

5）.解释机构

解释机构能够向用户解释专家系统的行为，包括解释推理结论的正确性以及系统输出其它候选解的原因。

这是专家系统区别于其它软件系统的主要特征之一，解释机构实际上也是一组计算机程序，通常采用预置文本法和路径跟踪法。

当用户有询问需求时，解释机构可以跟踪和记录推理过程，把解答通过人机交互接口输出给用户。

6）.人机接口

接口又称界面，是用户与专家系统之间的连接桥梁，它能够使系统与用户进行对话，使用户能够输入必要的数据、提出问题和了解推理过程及推理结果。

专家系统则通过接口，要求用户回答提问，并回答用户提出的问题，进行必要的解释[6]。

3．1.2故障诊断专家系统的优点

1）.故障诊断专家系统能够高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地进行工作。

2）.故障诊断专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也不可能遗漏忘记。

3）.专家系统能促进各领域的发展，它使各领域专家的专业知识和经验得到总结和精炼，能够广泛有力地传播专家的知识、经验和能力。

专家系统能汇集多领域专家的知识和经验以及他们协作解决重大问题的能力，它拥有更渊博的知识、更丰富的经验和更强的工作能力。

4）.研究专家系统能够促进整个科学技术的发展。

专家系统对人工智能的各个领域的发展起了很大的促进作用，并将对科技、经济、国防、教育、社会和人民生活产生极其深远的影响。

3．1．3专家系统的建立步骤

1）.识别过程

识别过程也可看作知识获取阶段，在此过程中，要确定所处理问题的特征，明确要建立的专家系统要解决的问题及要用到的相应领域背景知识。

这是完成专家系统设计的关键。

只有对机床故障诊断特性了解的比较全面，所建立的专家系统的求解能力才能是比较完备的。

首先