基于Sugeno模糊模型的数控机床故障诊断法

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【摘 要】随着工业不断进步，数控机床在工业生产中的作用越来越突出。数控机床在工业生产的中应用，极大提高了机械设备生产与制造的精度与质量，提高了企业生产效率，让工业生产具备了较高的自动化水平。然而在应用数控机床时，会出现一些故障，严重影响着企业生产效益。在进行数控机床故障诊断时，很多对数控机床故障征兆的描述诊断规则都是诊断专家的诊断经验，其故障诊断存在着很大随意性，本文提出基于sugeno模糊模型的数控机床故障诊断法，对各个诊断专家诊断结果进行模糊处理，消除诊断专家诊断结论的随意性，提高诊断结论的准确性，结合实际案例，对Sugeno模糊模型的数控机床故障诊断法的应用进行研究。

【关键词】Sugeno模糊模型；数控机床；故障诊断法

数控机床在机械工业生产的地位十分重要，在提高产品质量与竞争力，提高企业生产效益等方面具有极为重要的作用，属于机械工业生产与经营的核心设备。一旦数控机床出现故障，将会为企业带来较大的经济损失。为确保数控机床运行的安全性与可靠性，就需要对数控机床的运行状态进行监测，并对出现的故障进行诊断。当前，很多数控机床故障诊断系统是建立于知识上的，以数控机床领域操作人员或专业人员的经验型知识为核心，通过对数控机床故障征兆的描述进行推测，从而获得故障诊断结果。这种故障诊断方式具有推理逻辑清、知识表达直观等优点。由于机床故障的描述都是诊断专家的诊断经验，其诊断结果存在着较大随意性，为此，本文提出基于Sugeno模糊模型的数控机床故障诊断法，将各种诊断结果进行综合处理，以提高故障诊断的准确性。

1 基于Sugeno模糊模型的数控机床故障诊断法

1985年，Takagi 与Sugeno共同提出的一种T-S模糊模型，后被研究者称之为“Sugeno模糊模型”。Sugeno模糊模型在本质是属于一种非线性模型，在表达复杂系统的动态特性中发挥着重要作用，于多输入单输出与多输入多输出综合系统的辨识与控制中广泛应用。本文中，在数控机床故障诊断中引入Sugeno模糊模型，对各个专家诊断结果进行综合，针对专家故障诊断中存在的不足进行补充，从而进一步消除专家诊断的随意性，提高故障诊断结果的准确性。

Sugeno模糊模型系统，简称为T-S系统，在众多领域内获得广泛应用。针对n个输入单输出，M个模糊规则数的T-S系统，其模糊规则可以用如下形式来表述：

为提高数控机床故障诊断结果的准确性，在进行数控机床故障诊断时，需要多名诊断专家进行故障诊断。根据每个专家诊断故障的前提与诊断结论，可以用T-S系统模糊诊断规则来表述；如进行数控机床故障诊断的专家个数为M，就其诊断规则为M个；将诊断专家i进行故障诊断的知识规则用模糊诊断规则R（i）来表示。将每个参与设备故障诊断的专家权威性设为相等，则将可以所有专家诊断结果的综合，视为数控机床设备发生故障的真正原因。

可以将诊断专家知识的综合M视为包含着M个模糊规则的多输入多输出系统，也就可以采取基于Sugeno模糊模型的数控机床故障诊断法进行综合处理，Sugeno模糊模型的总输出则是综合M条模糊规则的诊断结论。

在应用Sugeno模糊模型于模糊控制的工程中，其模糊集合的隶属函数一般会取梯形、三角形或其他指数型，如针对专家经验表示的征兆模糊数，包括设备振动幅度、噪音强度等，其模糊集合的隶属函数取为梯形函数，如下图1：

图1 专家经验表示的征兆模糊数梯形隶属函数示意图

2 基于Sugeno模糊模型的数控机床故障诊断法的实际应用

数控机床设备故障征兆表现为可以用以下征兆模糊数进行表示：

应用模糊推理规则，将以上规则形式转变为以下形式：

在数控机床征兆表现中，有些是较为直接的，如加工波纹，有些需要通过采集信号来发现，如数控机床自由测点振动警告等。

在某数控机床车削加工直径为125mm、长为80mm的短轴类零件时，主轴转速为720r/min。工作人员发现，在加工过程中，床身出现较大强度振动，并伴随异常噪音。通过对机械设备信号频谱及特征参数进行分析后，三名诊断专家对机械设备故障进行诊断，分别对工件加工表面出现波纹、刀架水平振动信号高频比例较大、刀架垂直方向超过危险值、刀架系统刚度下降、机床切削参数不合理的可能性进行了确定，应用Sugeno模糊模型，如下表：

通过对诊断专家模糊诊断结果的综合处理，发现机床出现故障1的可能性为74.8；出现故障2的可能性是80，说明机床刀架系统刚度下降的可能性为80，机床切削参数不合理的可能性为75。说明引起机床故障的主要因素为刀架系统刚度下降，通过改进装夹方式，增加刀架刚度，机床加工工件顺利完成。证明了Sugeno模糊模型故障诊断的准确性。

3 结语

数控机床属于工业生产中十分关键的设备，其运行的稳定性与安全性直接影响着机械产品加工的质量与效率。在数控机床应用过程中，容易出现一些问题，为此需要进行设备故障诊断。本文提出基于Sugeno模糊模型的数控机床故障诊断法，能够对各个专家诊断结果进行模糊综合处理，减少专家故障诊断的随意性，提高设备故障诊断的精确性。通过实际案例应用证明，基于Sugeno模糊模型的数控机床故障诊断法具备良好的精度，为企业获得了良好的经济效益。

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