【摘要】针对当前激光切割机床中的故障诊断问题，提出一种可以远程实时获取数据的故障诊断系统。该系统主要包括信息管理、状态监测、故障诊断、日志服务等功能。首先分析故障诊断理论，根据激光切割机床的故障类型，建立故障树的数学模型，构建适合的故障树模型，模型建立后，根据Fussell-Vesely算法求解出激光切割机床的故障发生的最小割集，并制定解决方案。然后根据用户的工作需求进行软件设计，确定功能和界面，让用户直观且有效获取信息并进行操作，提高用户对激光切割机床故障诊断的效率，从而提高激光切割机床的维修效率，进而提高企业的生产效率。
【关键词】激光切割机床；状态监测；故障诊断；故障树；软件设计
伴随着我国航空航天、船舶、汽车等行业的发展，激光切割机床被应用在越来越多的复杂度高[1]、形状多变[2]、柔性化的高质量[3]、高精度的加工生产领域和生产环节，在国家生产制造领域占据举足轻重的地位[4]。在激光切割机床运行过程中，对设备的状态监测以及快速故障诊断直接影响了设备维修、生产效率等[5,6]。在面对激光切割机床故障诊断与维修的过程中，传统的故障诊断与维修主要依靠专业人员进行现场勘查，查阅大量的相关数据信息才能对故障进行确认和制定维修方案，这种方法不仅成本高，且效率低下。随着云技术、计算机技术、传感器技术、无线传输技术等迅速发展，一种可以远程实时获取数据的故障诊断系统应运而生[7]。该系统只需运用合适的故障诊断理论，然后构建适合的故障树模型，在云端服务器构建适应的故障数据库，根据实际的生产操作需求进行软件设计[8]，确定合适的功能和交互界面[9]，就能实现对激光切割机床的状态监测[10]，并进行故障诊断与维修方案的制订[11]，大大降低企业的运行成本与管理成本，提高了设备的维修效率与企业的生产效率。基于以上背景，本文根据故障树理论分析，构建激光切割机床的故障树模型，进行相应的软件功能和界面设计，以此实现对激光切割机床的状态监测与故障诊断。
1故障诊断理论分析
1.1故障树分析法简述。故障分析法最开始诞生于美国的军事系统。随着制造业越来越复杂化、多样化发展，经过长时间的演变，故障树分析法在制造业中的应用已经变得较成熟[12]。目前，故障树分析法因为其具象化、灵活性等优点在制作业中得到广泛应用，特别是在数控机床领域。其简单的符号能表示复杂的因果关系，针对不同的系统或产品能构建直观的因果关系图，从而方便找到系统的弱项，利于快速的定位故障发生原因。对于复杂的系统也能根据不同的特点构建多种类型的故障树，从而达到对复杂系统的快速分析。
1.2故障树的数学表达。为分析系统中的弱项，求解出故障发生的原因，需建立相应的数学模型。针对激光切割机床的维修诊断型故障树，采用蕴涵族下行法对激光切割机床数学模型求其最小割集的解。蕴涵族下行法求解从激光切割机床维修诊断型故障树的顶事件开始向下求解，直到顶事件中布尔代数表达式仅包含底事件为止。求解出的底事件就是激光切割机床故障树的割集。最小割集则是在割集基础上经过布尔法则变换得到的。有如下定义：xi={10(i)=1,2,...n（1）y={10（2）其中，y表示最顶端事件的发生情况，x表示最底端事件的发生情况，1表示事件发生，0表示事件未发生，n表示事件个数。则有如下关系：y=y(x)（3）考虑激光切割机床运行中正常工作与故障两种状态，有y(x)=∏i=1nxi(i)=1,2,...n（4）y(x)=1-∏i=1n()1-xi(i)=1,2,...n（5）1.3故障树模型构建针对激光切割机床的维修诊断型故障树，采用演绎法的构建方式构建维修诊断型故障树模型，如图1所示。通过图1所示的步骤，即可建立一颗以激光切割机床系统的顶事件为根，各组成模块为中间事件节点，组成模块中弱项为底事件叶节点的故障树。找到了底事件中的弱项，就找到了导致割激光切割系统故障发生的全部原因。
2激光切割机床故障诊断模型建立
2.1激光切割机床故类型分析。激光切割机床一般由机床机械结构、激光发生器、光束传输组件、冷水机组、空压机、储气罐、控制系统、伺服驱动系统、传感检测系统等组成。这些组成部分由于其作用和结构等的不同，故障类型不尽相同。根据不同的分类方式，可分为如图2所示的几类。
2.2激光切割机床故障诊断模型构建。激光切割机床的故障树包括一个主树，进行完激光切割机床的模糊故障类型选择后，主树的作用是将激光切割机床故障现象进一步地进行解析，找出激光切割机床的弱项，即定位出具体故障发生的原因。在激光切割机床故障主树的基础上，对激光切割机床的各个组成模构建更多的子故障树，直到无法构建子故障树为止，从而可以得到激光切割机床发生故障的准确原因。如图3所示。
2.3激光切割机床故障求解。激光切割机床故障求解过程即利用激光切割机床故障树找到其弱项的过程，激光切割系统发生故障的一种可能表示一个割集，割集有很多个，但最小割集只有一个，其表示激光切割机床故障发生原因的最小组合。利用下行法，即Fussell-Vesely法，求解激光切割机床的故障，能有效地定位故障发生的原因。如图4所示。
3软件功能与界面设计
根据激光切割机床的应用场景分析，在激光切割机床故障诊断过程中，用户先要获取设备信息，再进行故障诊断，从而获得维修诊断方案并生成故障日志。因此，激光切割机床的故障诊断系统主要功能包括信息管理功能、设备状态监测功能、故障诊断功能、日志服务功能。不同于传统的人机界面设计，激光切割机床的故障诊断系统的界面并不是工控机界面，它是依附在智能电子设备上的功能软件界面，因此不仅仅要考虑用户操作习惯，营造符合操作环境人机交互[13]，而且要考虑界面的元素设计，颜色搭配等，减少用户的误读、误触等错误操作方式，提高操作的安全性[14]。如表1所示的不同颜色的搭配对于用户的辨别效果。
3.1个人信息界面。通过登录界面的“登录”按钮就可以进入导航主界面，如图5（a）所示。点击图5（b）中的“个人中心”按钮即可进入个人信息管理界面，进行个人信息的查看、更改、保存等信息管理操作。
3.2设备监测界面。通过图5（b）中的“设备管理”按钮进入设备监测界面，如图6（a）所示。通过SearchView和ListView控件进行设备查找与选择，点击图6（a）中的具体按钮则查看选中设备的运行参数。如点击总体参数按钮，设备的运行参数传入软件，并在该界面进行显示，通过多个ViewPage+Fragment显示具体参数，能根据具体情况设置各参数预警值，左右滑动还能看到更多具体参数，如图6（b）所示。
3.3故障诊断界面。通过图5（b）中的“故障诊断”按钮进入故障诊断主界面，如图7（a）所示。左边通过SearchView和ListView控件进行设备查找与选择，右边通过Tablayout、ViewPager、Fragment实现故障类型的选择，找到模糊的故障类型后，点击图7（a）中“查看详情”按钮可以进入到下一个子故障子项目，直到最后得到故障的诊断方案与维修方案，如图7（b）所示。
3.4日志服务界面。点击图5（b）中的“日志服务”按钮即可进入日志服务的主界面，如图8所示。通过多个Spinner、ListView、Button控件与SQL的结合，实现日志服务系统，通过模糊选择后，点击“查询”按钮后即可在下面菜单看到所有查询的日志结果。点击具体条目则可以看到具体日志信息，在具体日志信息界面还可以进行具体操作，包括日志更改、生成、删除等。
4结语
本文研究并设计了面向激光切割机床的远程监测与故障诊断系统，首先分析了相关故障诊断理论，并构建了激光切割机床的故障诊断模型，完成了激光切割机床相关故障数据整理。然后通过AndriodStudio软件使用Java语言设计了激光切割机床的远程监测与故障诊断软件，能实现远程实时的监测激光切割机床加工操作，当激光切割机床出现故障时还能快速有效地进行故障诊断并提供维修方案，优化的功能与界面能直观地将激光切割机床的运行数据呈现给用户，还可以通过设置预警参数来保证激光切割机床的正常运行。该系统功能完善，实现了远程监测激光切割机床与故障诊断的功能。
作者:李光鑫 汪成龙 单位:西安工程大学机电工程学院
