数控系统可靠性设计要点分析

徐晓萍

（江苏广播电视大学江都学院，江苏 江都 225200）

前言

我国要加速经济发展、提高综合国力和国家地位，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术是重要的主要途径之一。包括高档型数控系统在内，可靠性、稳定性排在"影响选择数控系统因素"首位。为了使产品占据国内国际市场，我国应将产品的可靠性、稳定性作为数控产品研究的工作重点[1]。

1 可靠性设计的目的和任务

可靠性设计的目的是指通过专门设计技术的采用，使产品在寿命周期内达到规定的可靠性要求，同时还要对产品性能、可靠性、费用和时间等因素进行综合考虑。

实现可靠性设计的目的就是可靠性设计的任务。可靠性设计包括在新产品的研制和开发中按照给定的要求设计和对现有定型产品的薄弱环节加以改进、提高可靠性这两方面。进行数制系统设计时，设计者应该考虑的问题是如何在成本固定的前提下，提高系统的可靠性。除了系统的调节品质，系统正常工作时的可靠性也是判断控制方案的优劣的标准。进行数制系统可靠性设计时，包括选择系统结构和确定相应的系统结构参数在内，都属于最优系统的选择问题，也就是使可靠性指标在一定约束条件下达到最优的问题。

2 可靠性设计中应遵循的基本准则

2.1 可靠性指标和可靠性评估方案要明确。

2.2 要满足基本功能，考虑影响可靠性的各种因素，并贯穿于功能设计的各个环节。

2.3 针对产品在寿命周期内可能出现故障模式进行有针对性的设计。

2.4 采用成熟和可靠的标准零部件、元器件和材料，先进的设计原理和技术进行设计。

2.5 作出最佳设计方案时要权衡产品的性能、可靠性、费用、时间等各因素。

2.6 在满足技术要求的前提下，应尽量减少零部件、元器件、设备的数量和种类，简化设计方案。

2.7 当简化、降额设计及选用高可靠元器件不满足可靠性要求时，可采用冗余设计。

2.8 进行防误设计，降低产品在使用和维修过程中引起人为误差的可能性。

2.9 进行失效安全设计，产品在设备或系统发生故障时能够依靠自身结构确保安全。

2.10 采用模块化设计方法进行软件设计，模块接口控制要严格，尽可能使故障局部化。

3 可靠性设计要点分析

由于在整个数控系统的可靠性设计中，系统的详细设计和实现阶段占有很重要的位置，功能分析和概要设计一切成果的保证和实现都要通过这个阶段的分析，规划和设计来完成[2]。

3.1 抗干扰

在实际的工作现场，数控系统常常受到很多外部环境的干扰，可以采用硬件的方法来处理这些干扰，但会提高设计成本，很难获得较好的解决方法。系统主要特点就是软硬件非常紧密地设计在一起，软件抗干扰设计在实际系统的抗干扰设计中是非常重要的，大量实践证明，它不仅可以节约设计成本，而且获得的系统抗干扰效果也很好。

3.2 检错及纠错编码

在数控系统中，信息的传输及存储都有可能发生错误，尤其是在信息的传输过程中很容易受各种干扰的影响，使产生错误的信息。为了减少或消除信息存储或传输过程中的错误，一般可以使用检错或纠错的编码方法，例如奇偶校验法、累加和校验、海明码校验以及循环冗余校验码等都是比较常用的方法。

3.3 容错技术

作为可靠性保障机制，容错的目的是使系统能够在出现错误时继续提供标准或降级服务。容错的基础包括硬件冗余、软件冗余和时间冗余。硬件冗余指对硬件模块进行物理备份；软件冗余指系统中部分模块出错时，其功能由其它功能相同的软件模块实现；时间冗余指系统为错误处理和恢复操作使用预留空闲时间。随着硬件可靠性的增长和硬件容错技术的成熟，以及软件应用的飞速膨胀，影响系统可靠性的最主要的因素就是软件错误。

3.4 时间准则

在工作过程中，有许多外设需要花费一定的时间，系统与外设两者的通讯比较多地采用查询等待的方式，当外设出现了永久性的硬件故障，意味着外设永远忙，那么工作结束的有效电平永远也不会出现，这样查询程序就陷入死循环，不会有任何提示给操作者或使用者，操作者对现在计算机处于什么状态就不清楚，就算能感觉到有问题存在，但并不清楚问题具体在哪，一般在软件上采取一定措施该问题就很容易解决。

3.5 容错算法

在进行系统设计时，算法的容错性从一开始的算法设计上就应考虑使用。比较常用的算法容错设计方法有：

3.5.1 数值运算的容错。在设计算法时必须考虑整数运算通常较浮点运算的精度低，还应对运算的顺序选择得当，减小误差，以满足系统设计的要求。

3.5.2 子程序设计。在标准化的子程序中，为了保证子程序及调用的正确性，要注重有关参数的传递和出错处理，防止因子程序出现错误或缺陷，而产生很广泛的影响。

3.5.3 程序回卷。为了消除由于暂时性干扰等原因引起的故障，必须在程序回卷之前，采取相应措施对程序执行是否有错进行判断，当判定此次程序执行有误时才可以实行程序回卷。

4 结语

本文基于数控系统可靠性设计的任务以及设计原则，针对数控系统的详细设计阶段和实现阶段可靠性设计要点进行了分析，使其在实际数控系统设计中得到更好的应用。

[1]吴义荣，何超龙.我国数控技术的现状及发展趋势[J].现代制造，2004，31（08）：75-76.

[2]王涛.数控系统的可靠性设计理论和方法研究[D].天津大学博士学位论文，2008.

[3]边述华.提高数控系统可靠性的探讨[J].中国科技信息，2006，26（10）：103-104.

[4]王志良.提高数控系统可靠性的一些措施[J].机械制造，2009，29（09）：111-112.