故障树分析法在数控激光切割机故障诊断中的应用

王成硕，李 斌，王 东，海明洋，高 峰

（天津航天长征火箭制造有限公司，天津 300457）

0 引言

数控激光切割机是一种利用激光束的热能实现板材切割成形工件的设备。数控激光切割机由数控系统、伺服驱动装置、机床部分、激光器部分和辅助设备组成，是集光、机、电组成的一体化设备。数控激光切割机切割精度高、切割效率高、加工成本低，广泛应用于现代制造业中的各个行业。在实际生产中，数控激光切割机一旦发生故障不及时维修，往往会造成巨大的经济损失，采用故障树分析法对数控激光切割机进行故障分析，做到提前诊断制定维修方案[1-4]。

1 故障树分析方法

FTA（fault tree analysis，故障树分析法）是一种将系统不希望发生的故障作为顶事件，从上而下，按树状逐级细化寻找可能造成顶事件发生的各种因素的分析方法[5]。故障树通过逻辑框图表达，其中包含有顶事件、中间事件和底事件，相互之间通过逻辑门关系如或门、与门、非或门连接起来，形成故障树，表达出引起顶事件发生的各类故障原因[6]。故障树分析方法常用于系统的故障分析、预测和诊断，可以分为定性分析和定量分析，本文主要对数控激光切割机进行定性分析。

2 数控激光切割机故障树分析

2.1 故障树各级事件的确定

以一台数控激光切割机为分析对象，其主要由CO2激光器、机床、伺服驱动装置、数控系统、冷水机组、气体系统及除尘系统组成。数控激光切割机是集光、机、电于一体的高度复杂的自动化系统，发生故障的形式多种多样，而建立数控激光切割机故障树的关键是确定顶事件，顶事件直接关系到最终的分析结果，是故障树分析的重点[7]。

对数控激光切割机进行故障树分析，确定数控激光切割机故障树的顶事件、中间事件时，优先考虑对数控激光切割机影响最大的故障[8]。经过分析数控激光切割机历年的故障数据，最终选择“切割工件异常”作为故障树的顶事件。对顶事件的故障分析主要从CO2激光器、外光路、机床和工艺参数4个方面入手，最终确定其次级事件主要分为激光器故障、外光路异常、机床运动故障、工艺参数设定异常4个故障。对各个次级事件根据故障数据和功能属性进一步分析，最终形成激光切割机的整机故障树（图1）。

图1 数控激光切割机整机故障树

2.2 数控激光切割机故障树建立

CO2激光器主要由激光发生器和激光控制器组成，此外还包含有水冷机和氮气瓶组等辅助设备。CO2激光器最常见故障是激光不出光、激光能量低和激光控制器故障，其中前2项故障最为常见，此外，由于CO2激光器的精密性和复杂性，造成故障发生原因的多种性，结合设备,结构和已有的故障案例，经分析得到3种故障的故障树（图2、图3、图4）。

外光路主要是将CO2激光器发射出的激光传送到切割工件的表面，达到切割工件的目的。通常切割工件出现异常时，首先检查的故障点就在外光路上。外光路出现故障主要是激光聚焦异常、氮气供应异常以及冷却系统异常。3种故障形式中最常见的是激光聚焦异常，通过分析并结合已经发生的故障案例，得到前两种故障的故障树（图5、图6），第三种故障的故障树包含在图2中。

图2 激光不出光故障树

机床系统作为数控激光切割机主要工作平台，其性能直接影响切割工件的精度，因此机床的保养维修是平时设备维护的重点。机床系统故障主要分为电气控制系统故障、机械系统故障和步进运动系统故障。电气控制系统主要包含CNC （Computer Number control,计算机数字控制）单元、PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）及各种电气元件组成的电控柜，经过分析各部分故障,形成电气控制系统故障树（图7）。机械系统故障通常发生在传动部件上，主要是滚珠丝杠、导轨和齿轮齿条，经分析形成的故障树如图8所示。对于机械系统故障，最主要的预防措施是做好设备的定期保养和润滑工作。步进运动系统控制着切割运动的轨迹，直接影响切割工件的成形精度，其中主要故障集中在步进电机本身，经分析最终得到步进运动系统故障树（图9）。

数控激光切割机工艺参数设定异常，通常会引起切割工件微小的瑕疵，如切割件边角有毛刺、切割断面不光滑等，通过工艺参数的调整可解决上述问题，工艺参数的调整主要分为排版软件设定异常和切割参数设定异常，而切割参数主要指切割速度、氮气压力和激光功率，因此其故障树如图10所示。以上工艺参数的调整考验着一个设备操作人员的技术水平，需要不断积累经验，才能使切割工件质量变得更好。

以上所有故障树均以代码的形式构建，树顶事件及代码：T切割工件异常。次级事件及代码：G1激光器故障、G2外光路异常、G3机床运动故障、G4工艺参数设定异常。其余各代码的含义见表1、表2。

图3 激光能量低故障树

图4 激光控制器故障故障树

图5 激光聚焦异常故障树

图6 氮气供应异常故障树

图7 电气控制系统故障树

图8 机械系统故障树

图9 步进运动系统故障树

3 数控激光切割机故障树故障诊断案例

一台数控激光切割机在切割工件过程中工件边缘突然出现毛刺（图11），无法达到质量要求。

结合数控激光切割机故障树，现场对故障树各层级事件进行逐一排查，确认CO2激光器和机床无故障，工艺参数确认无更改，满足正常切割条件，因此将故障点确定为外光路故障。检查外光路冷却系统和氮气供应，确认冷却系统和氮气压力均无异常，满足正常切割要求，因此确定故障点应为激光聚焦异常。在聚焦镜处对光路进行重新打光测试，发现光路出现偏移现象，打光测试光斑如图12所示。因此确定此次故障是激光光路偏移引起。调整外光路偏振镜和反射镜角度和位置，调整后的测试光斑如图13所示。此时切割后的工件无毛刺，切割工件质量满足切割要求。应用数控激光切割机故障树，能对各种故障快速定位，找到故障原因并消除，提高设备维修效率。

图10 工艺参数设定异常故障树

图11 切割工件表面毛刺

表1 数控激光切割机故障树中间事件及代码

表2 数控激光切割机故障树底事件及代码

4 结论

利用故障树分析方法，以数控激光切割机为分析对象，确定“切割工件异常”为顶事件，结合设备结构特点和故障维修经验，建立数控激光切割机故障树模型，通过实际故障诊断案例，证明故障树模型的有效性，提高数控激光切割机维修效率。数控激光切割机故障树模型可以结合今后的故障维修案例，进一步丰富其结构内容，可以将该诊断方法同计算机技术结合起来，形成专家系统，更加有效地诊断激光切割机故障。

图12 故障时测试光斑

图13 调整后测试光斑