摘 要

故障诊断技术可以在机床系统运行或基本不拆卸的情况下掌握机床状态信息，查找到产生故障的位置并给出可能性最大的故障原因和解决方案，以便维修人员尽快地对故障进行修复。

本论文以某企业的水切割机床为研究对象，首先对水切割机床的结构进行分析与研究，并通过水切割机床的结构掌握机床故障特征和和学习相关故障诊断方法。然后通过系统的需求分析，确定出系统的结构。采用C#语言对系统进行构建，实现故障诊断系统中故障诊断推理模块，系统管理模块，机器状态监测模块和故障树浏览模块的四大功能，从而达到系统设计的要求。

研究设计的水切割机故障诊断系统，以Visual Studio 2013作为开发平台，SQL Server作为数据库开发工具，初步实现了水切割机故障诊断系统的快速判断和监测。软件综合利用树控件、列表控件、图表控件等显示方法，对数据库中精心设计的逻辑关系进行更加直观的表达和展现。最后，系统通过软件调试和实例运行来展示设计成果。

关键词：水切割机床；故障特征；诊断推理；数据库；故障诊断系统

Abstract

Fault diagnosis technology can master the status information of the machine tool when the machine tool system is running or basically not disassembled, find the location where the fault occurs, and give the most probable cause of the fault and solution, so that the maintenance personnel can repair the fault as soon as possible.

This paper takes the water cutting machine tool of a company as the research object, first analyzes and studies the structure of the water cutting machine tool, and grasps the machine fault features and learning-related fault diagnosis methods through the structure of the water cutting machine tool. Then through the system's requirements analysis, determine the structure of the system. The C# language is used to construct the system, and the four functions of the fault diagnosis inference module, the system management module, the machine condition monitoring module and the fault tree browsing module in the fault diagnosis system are realized, so as to meet the requirements of the system design.

The research and design of the water cutting machine fault diagnosis system uses Visual Studio 2013 as the development platform and SQL Server as the database development tool. It has realized the rapid judgment and monitoring of the water cutting machine fault diagnosis system. The software comprehensively utilizes display methods such as tree controls, list controls, and chart controls to more intuitively express and present logical relationships that have been carefully designed in the database. Finally, the system shows the design results through software debugging and instance running.

Key Words： Water-cutting machine tools; Fault features; Diagnostic reasoning; Database; Fault diagnosis system

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景、目的及意义 1

1.2 国内外相关技术研究概况 1

1.2.2故障诊断技术的研究现状 1

1.2.2故障诊断技术的发展趋势 2

1.3 课题的主要内容及其组织结构 2

第2章 水切割机床结构及故障诊断基本理论 3

2.1 水切割机结构组成及基本工作原理 3

2.1.1 水切割机床的工作原理 3

2.1.2水切割机床的水刀类别 5

2.2水切割机床常见故障研究与分析 5

2.2.1 液压系统故障 6

2.2.2送砂系统故障 7

2.2.3切割头组件故障（PARSER@4） 8

2.3基于规则推理和案例推理的方法 9

2.3.1基于规则的推理方式 9

2.3.2基于案例的推理方式 10

第3章 系统总体方案设计 12

3.1系统设计思想 12

3.2系统开发工具的选择 12

3.3系统需求分析 12

3.3.1数据需求分析 12

3.3.2功能需求分析 13

3.4系统结构设计 13

第4章 系统软件的设计与实现 17

4.1系统实现功能的流程图 17

4.2系统数据库设计 18

4.2.1 数据库需求分析 18

4.2.2 主要表的设计 18

4.2.3 数据库的连接 20

4.3系统主要模块开发 23

4.3.1 系统查询界面设计 23

4.3.2 故障树浏览界面设计 24

4.3.3水刀状态监测界面设计 25

4.4故障诊断系统实例演示 25

4.4.1用户登录窗口 26

4.4.2系统主界面 26

4.4.3系统案例库查询窗口 28

4.4.4水刀状态监测窗口 28

4.4.5系统管理窗口 29

第5章 总结与展望 32

5.1全文总结 32

5.2研究展望 32

参考文献 33

附录A 程序代码（部分） 34

附A1 登录界面代码 34

附A2 主界面代码 35

附A3 监控界面代码 44

致谢 48

第1章 绪论

• 1. 课题研究背景、目的及意义

数控机床是具有生产效率高、自动化程度高、灵活性高、加工精度高和加工质量稳定可靠等特点的机电一体化设备，所以对机床的设计、使用、维护和安全可靠的运行也就提出了更高的要求，而故障诊断技术可以在机床系统运行或基本不拆卸的情况下掌握机床状态信息，查找到产生故障的位置并给出可能性最大的故障原因和解决方案，满足机床可靠运行的要求。

本文将针对武汉某制造企业所使用的水切割机床设备，研究并设计构建一种数控机床故障诊断开发系统，初步实现数控机床故障诊断的快速诊断和状态监测，以达到及时处理故障信息或预测机床故障的目的。

任何部件的任何故障或失效都会导致机床停机，从而导致公司停产，严重影响和限制生产效率的提高，而且当这些数控机床出现故障停机情况下，维修人员需要花费大量的时间去查找故障具体部位和解决方案。通过故障诊断技术研究可以及时排除数控机床的某些故障，对数控机床的安全使用和高效运行都有很大的意义。

1.2 国内外相关技术研究概况

1.2.2故障诊断技术的研究现状

数控机床的故障诊断就是在数控机床发生故障时查找故障原因的过程。从广义上说，它还包括对故障原因，维护措施和趋势预测的分析。可以说，自工业发展以来，设备的故障诊断一直存在，但是二十世纪六十年代以后，故障诊断开始作为学科研究和发展，它是为满足工程实际需要而形成和开发的综合性学科。

每个国家的故障诊断技术的发展都是不同的。美国作为率先研究故障诊断技术的国家通过成立的机械故障预防小组开始对故障诊断技术的课题进行研究。到目前为止，美国的故障诊断相关技术仍然处于世界领先地位，其中包括航空航天，军事和核能等先进部门。在20世纪60年代，英国还成立了机器健康和状态监测协会并取得了许多突破，在机械摩擦和磨损方面具有领先的优势，特别是在飞机发动机的监测和诊断方面。

我国在对故障诊断技术的研究更晚一些，开始于二十世纪八十年代初期，才开始对设备故障分析和诊断技术进行研究，通过学习国外的先进经验和科技人员的埋头苦干一点一滴积累起来的。目前，国内对设备故障诊断技术的研究在船舶，飞机，卫星，核反应堆等各个制造领域取得了很大进展，与世界先进国家的差距已大大缩短了，自主开发的产品已完全可以满足生产实际的需要。

1.2.2故障诊断技术的发展趋势

目前故障诊断技术的研究还存在着一定的问题，，主要包括以下的四个方面。

（1）缺乏相关的知识表达和研究机会，各种数控机床，大型知识库，静态和动态知识，知识结构复杂，表示手段多样化，知识获取方法不同，并且很容易产生孤立的知识孤岛，这需要正确表示和获取诊断知识。

（2）缺乏远程诊断系统的统一平台。

（3）缺乏合理的整合框架，综合诊断思想尚未成熟，没有合理的整合框架。

（4）缺乏有效的故障信号处理方法。

智能故障诊断和预测研究已经越来越成为故障诊断技术的发展趋势，故障诊断技术必将进入一个新的阶段：

（1）诊断系统智能化。

（2）诊断系统集成化。

（3）诊断与预测综合化。

1.3 课题的主要内容及其组织结构

本课题将通过学习的两种故障推理方法对水切割机床故障诊断系统进行初步研究。用 C#作为编程语言设计并构建一种数控机床故障诊断开发系统，实现数控机床故障诊断模块的快速诊断和状态监测功能的设计，以帮助操作人员进行及时处理故障信息与解决。

论文的组织结构主要分为五章，内容安排如下：

第一章：本章主要介绍数控机床故障诊断技术的研究背景，研究目的和意义，分析国内外故障诊断技术的研究现状和未来发展趋势。

第二章：本章主要对课题所研究的水切割机床结构组成和工作原理进行了分析，并将在企业所收集整理到的常见故障信息进行研究与分析，在论文中列举了水切割机床所特有的三个系统的故障信息表，最后介绍了系统所用的两种诊断推理机制原理和作用。

第三章：本章主要阐述了水切割机故障诊断系统的总体方案设计，介绍了系统的设计思想和设计所要使用的开发工具。分析研究系统的需求，并根据系统需求要求来设计系统的结构。

第四章：本章首先对系统的业务进行设计构建，然后对后台数据库进行设计说明，详细描述客户端主模块接口的设计过程。最后是对编写完代码的系统进行运行调试，展示系统的各个功能模块的实现。

第五章：本章主要是对本文所做的研究结果进行总结，并在此基础上说明系统主要的不足之处和展望。 

第2章 水切割机床结构及故障诊断基本理论

在对故障诊断进行研究前需要了解和掌握数控机床的故障机理，因为它是故障诊断的理论依据，它不仅仅和数控机床的结构有关还和数控机床的工作环境有很大的关系，而且还是故障诊断前所必需作的工作。为了有效的对水切割机床进行故障诊断，首先从水切割机床的工作过程入手，介绍水切割机床的基本组成及工作原理，在此基础上对水切割数控机床的故障现象进行了分析和研究，最后介绍两种故障诊断推理的方法。

2.1 水切割机结构组成及基本工作原理

水切割机床，通常被称为“水刀”，是一种将超高压水射流技术与二维数控加工平台相结合的平面切割机，利用超高水流速度高速冲击或切割材料，广泛应用于航空航天和军工行业、陶瓷、石材、玻璃、金属、复合材料等诸多行业。

它可以对任何材料执行任何一次性切割过程（除了水切割，其他切割方法将受到各种材料的限制）；切割时产生大量的热会被高速水射流带走，使材料不会发生热效应，可以对工件切割加工任意曲线，方便灵活、通用性强、适用性好、效率高、安全环保，是一种成熟的切割工艺方法。

2.1.1 水切割机床的工作原理

水切割机床工作的基本原理实际上非常简单，采用的是流体静力学原理的帕斯卡原理，其原理如下：在平衡状态下，恒定密度液体中的任何点处的压力变化将均匀地传递到液体的其他点。帕斯卡原理广泛应用在液压机和其他气动机械中，水刀机产生的高压也是帕斯卡原理的应用。

高压水射流切割是将水或混合砂粒的水液体通过液压泵将其送到增压器中，然后通过液体蓄能器使高压液体平稳流动，最后由水刀的喷射头所形成的超高速液体喷射到工件的表面上进行切割，以达到将材料切割成各种形状的目的。

水切割系统组成如图2.1所示。

图2.1 水切割系统组成

低压供水系统

往复式增压泵

油压系统

控制系统

送砂系统

蓄能器

切割头偶

切割平台

1）供水系统：水刀切割水质会影响设备和部件寿命稳定性，所以在输送过程中可以加装过滤器使自来水净化去除里面的杂志。净化后的水通过增压泵加压后直接通过压力软管引入增压器的两端。

2）液压系统：液压系统对水刀很重要，是水切割机床的主要动力源，液压系统由增压系统、过滤系统和冷却系统所组成。

3）高压系统：高压系统是将低压水变为稳定高压水的水路增压元件总成，主要由增压器、蓄能器、高压硬管，接头等组成。

其中，增压器是整个高压发生系统的核心装置，其结构如图2.2所示。

图2.2 增压器结构

2.1.2水切割机床的水刀类别

水切割机床的水刀主要分为纯水水刀和加砂水刀两大类，无论水刀为何种方式切割，首先要对水进行加压。

加砂水刀与纯水水刀在不同领域内各有其应用和特点。在纯水水刀中，用超音速水流切割材料或工件，一般切割硬度比较软的材料；在加砂水刀中，因为水射流中混合砂料颗粒，这些混合颗粒对工件或材料也可以进行加工，所以加砂水刀则切割钢材，石材，复合材料和陶瓷等硬质材料。加砂水刀能切割更硬的材料，与纯水水刀相比具有水流细、夹具简单、切割力小等优点。

加砂水刀中的水、砂料、喷嘴和刀管等在切割中都会产生损耗。其中砂料和刀管是加砂水刀所特有的部分，是研究水切割机床故障的重点。如果加砂水刀刀管与目标材料的间距间距较大时（大于 0.080 英寸）时会使工件切割边缘产生雾化现象，这也是后面故障分析中水切割机床特有的故障特征。

企业所用的水切割机床所用的是加砂水刀，切割能力更强，同时也会增加故障的产生。

2.2水切割机床常见故障研究与分析

在研究水切割机床的故障时，首先将水切割机床进行系统分解，并将整个水切割系统合理地分解成相对独立的子系统，只有这样把整个机床进行细分，才能根据每个故障的现象分析出水切割机床发生故障的真正原因。

虽然水切割机床的故障表现是多种多样的，但本文根据故障所发生的位置或系统对它们进行分类。在查阅搜索大量文献资料并根据企业所提供的Flow水刀的故障维修表，对水切割机床的主要的常见故障进行分析，水切割机的故障可分为七类，如图2.3所示。

水切割机床常见故障分类

伺服系统故障

液压系统故障

送砂系统故障

切割头组件故障（PARSER@4）

马赫4C系统故障（X,Y运动）

传感器系统故障

气动自动润滑系统

图2.3 水切割机床常见故障分类

以下介绍一下水切割机床所特有的故障现象及其所产生的可能原因。

2.2.1 液压系统故障

液压系统在水切割机床中非常重要，主要是为水刀系统提供高压使流动的液体水通过水刀切割头变成超音速水流来加工工件。液压系统的主要常见故障及排除方法如表2.1所示。

表2.1 液压系统故障表（部分）

2.2.2送砂系统故障

水切割机床的送砂系统主要是将水中所含的砂粒以一定的比列与液体水进行混合，通过加砂水刀头进行切割，提高机床的切割的能力，能切割更硬的材料。送砂系统的主要常见故障及排除方法如表2.2所示。

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