CNC機床的接地、屏蔽與干擾的抑制

　　摘要：CNC機床對接地通常有著較高要求，完整的接地和屏蔽系統是保證CNC機床安全、可靠運行的前提條件。接地和屏蔽是抑制干擾的重要方法，良好的接地和正確使用屏蔽，是使CNC系統穩定運行、消除干擾的重要措施。CNC機床的接地不僅與機床系統自身設計有關，也與應用企業有著直接的聯系。本文通過對CNC機床的接地、屏蔽與干擾抑制的分析、研究論述，目的在于使機床設計者和應用企業，更多的了解和掌握CNC機床接地、屏蔽與干擾的抑制方法，對機床出現的問題做到及時、準確的分析和判斷并采取相應處理對策。

　　關鍵詞：CNC機床接地屏蔽干擾抑制

　　CNC machine tools, grounding, shielding and interference suppression

　　YAN En-gang

　　(Tianshui Spark Machine Tool Co., Ltd.,Tianshui, Gansu 741024 ,China)

　　Abstract：CNC machine tools on the ground usually have higher requirements, a complete grounding and shielding system is to ensure that the prerequisite for CNC machine tools safe and reliable operation. Grounding and shielding is an important way to suppress interference, a good grounding and proper use of shielding is an important measure of the numerical control system stable operation, to eliminate interference. Grounding of CNC machine tools is not only related to the design with the machine tool system, directly linked to the enterprise and machine tool applications. In this paper, the grounding of CNC machine tools, shielding and interference suppression analysis, the study discusses the purpose is to make the machine designers and companies, more understanding and knowledge of CNC machine tools grounding, shielding and interference suppression methods, the machine appears. to achieve timely and accurate analysis and judgment and take the appropriate treatment response.

　　Key words：CNC machine tools Ground Shielded Interference Suppression

　　一、概述

　　系統的抗干擾能力是影響CNC機床正常運行的重要因素，也是關系到整機可靠運行的關鍵，而干擾的產生，很大程度上是由于接地和屏蔽處理不當引起的。CNC系統的特點是：工作信號電壓低(一般在10V左右)，抗干擾能力差。就CNC機床而言：這種干擾疊加在信號上，會引起信號測控失真和誤動作，位置控制產生漂移，對測量單元的干擾直接影響測量與控制精度，時鐘信號、復位信號、中斷信號、控制信號對噪聲干擾信號的敏感性很強，會造成系統控制不穩定、設備無法正常工作。合理有效地抑制干擾源，研究有效經濟和適用的抑制方法用以實現電磁兼容性，使CNC機床能在電磁干擾環境中安全、高效地運行，是機床系統可靠性設計及應用的關鍵。完善的接地、屏蔽系統是抗電磁干擾的重要舉措，良好的接地方式可以在很大程度上抑制內部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，確保系統的電磁兼容性和運行的可靠性。這是抑制干擾的基本原則，也是提高CNC設備電磁兼容性設計的有效手段之一。

　　二、接地、屏蔽的種類與干擾的抑制

　　接地是提高電子設備電磁兼容性(EMC)的有效手段之一。接地就是將電路、設備機殼、電箱控制柜等與作為零電位的一個公共參考點(大地)實現低阻抗的連接。CNC機床中的“接地”有著嚴格要求，如果不能按照要求接地，干擾信號就會通過地線這條路徑對機床引發干擾。CNC系統的接地方式主要有：保護接地、工作接地、屏蔽接地。

　　1.保護接地

　　保護接地與CNC設備的機殼等實現良好的連接，并和大地相連，可以有效降低安全事故的發生。在CNC機床的電柜中，保護接地接地排有著嚴格的設計標準和要求，接入大地的接地電阻原則上要求小于1歐姆;系統內的保護地線，采用標準設計形式，使用黃綠雙色線連接到接地排上，同時要求避免形成環路;這樣可以減少與其它設備的相互電磁干擾，實現系統的干擾抑制能力。

　　2.工作接地

　　為了避免CNC機床在工作過程中的共地線阻抗干擾和對地環路干擾，以及共模電流輻射干擾發生，工作接地極為重要。工作接地方式有浮地接地、單點接線、多點接地和混合接地。

　　1).浮地是為了防止外來共模噪聲對內部屏蔽地線線路產生的干擾，可以采用浮地。這里工作地線與機箱絕緣工作地是浮置的。

　　2).單點接線：單點接地是指電路或設備中只有一個物理點被定義為接地參考點，而其它凡是需要接地的點都被接到這一點上。

　　3).多點接地：多點接地是指設備或系統中的各個接地都直接接到距它最近的接地平面上，以便使接地線的長度為最短。接地平面可以是設備的專用地線，也可以是設備的框架。

　　4).混合接地：混合接地是只將那些需要就近接地和需要高頻接地的點，通過旁路電容與接地平面相連。

　　3.屏蔽接地

　　屏蔽也是抑制磁場耦合干擾的有效措施。系統設備中某些元件或電路中有電流流過時，其周圍將建立磁場;同時，線路中某一部分存儲的電荷，又在周圍空間建立磁場;電能與磁場的相互轉化將形成電磁干擾，這種電場與磁場，對設備本身屬于內生干擾，降低了系統的抗干擾容限，嚴重時會使設備發生故障。又如電焊機、高頻淬火機等設備投入運行時，以及大型用電設備的突然起停等都將對CNC系統產生干擾，屬于外生干擾。為了將產生的電場或磁場限制在某一規定的容限值范圍內，或者為了使CNC系統及元器件不受外部電磁場的影響，常采用隔離或屏蔽措施，從而不使電場和磁場穿透這些屏蔽物。

　　屏蔽地是為了抑制各種干擾信號而設置的，屏蔽種類很多，但需要可靠的接地，圖一實列列出了屏蔽連接架與CNC系統功率模塊的連接形式;屏蔽地就是屏蔽網絡的接地，將電纜屏蔽層通過夾持件連接在一起，可以達到良好的屏蔽效果。為了抑制噪聲，電纜、變壓器等的屏蔽層需要接相應的地線，稱為屏蔽地線。對于低頻信號通常采用屏蔽層單端接地，可以降低干擾。對于高頻信號，通常采用雙端接地屏蔽電纜，屏蔽層也要雙端接地。

　　圖一 屏蔽連接架與功率模塊連接

　　接地線和屏蔽聯接的電磁兼容性設計要求：原則上屏蔽電纜為二端接金屬機殼，并確保大面積接觸金屬表面，可以承受瞬間高頻干擾。機床中的CNC系統與伺服驅動器、變頻器、功率模塊、電機間的信號線原則上采用屏蔽雙絞線且屏蔽層采用雙端接地方式。

　　靜電屏蔽：靜電屏蔽主要是為了消除二個或幾個電路之間由于分布電容耦合而產生的干擾，變壓器初次級線圈之間接地的屏蔽層大多屬于這一類。電磁兼容規則規定：這類變壓器大多采用隔離型變壓器。

　　4.數控機床的接地系統

　　圖二給出了CNC系統接地連接示意圖。

　　接地系統混亂會產生每個接地點電位分布不均，照成對CNC系統的干擾,不同接地點之間存在地電位差，引起地環路電流，影響系統正常工作。屏蔽層、接地線和大地有可能構成閉合環路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內會出現感應電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合，形成干擾信號回路。為了防止共地線阻抗干擾，每臺設備中可能有多種接地線，但概括起來可以分為3類：信號地、機殼地和系統地。

　　(1)信號地：又稱直流系統地(邏輯地、工作地)，它是CNC機床用來提供電信號的基準電位(0V)。這個地可以接大地，也可以是公共點。系統地如果與大地不相連，即系統地處于懸浮工作狀態，稱之為浮空地。信號地接地方式有：浮地、直接接地和電容接地三種方式。由于數控系統是高速低電平控制，原則上采用直接接地方式。由于信號電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響，CNC裝置之間的信號交換頻率一般為低頻信號，所以CNC系統的接地線原則上采用一點接地方式。

　　(2)框架地：框架地是防止外來噪聲和內部噪聲為目的的接地系統，它可以是設備的面板，單元的外殼，操作盤及各裝置之間連接的屏蔽線。

　　(3)系統地：是將框架地和大地相連接。

　　圖二 系統接地連接

　　5.CNC系統接地設計需要遵守的原則：整個系統只能在一處接地，因為系統接地和接地電阻都不可能為零。此外，當有大電流從地線注入大地時，接地極及其附近的地電位升高，如有多點地則會出現接地點的電位差，對CNC系統形成干擾。即使是同一臺設備中的系統地線，也應遵守一點接地原則，否則形成接地環路，各點之間的接地電位差將會形成，干擾將被引入其它電路。

　　6.接地、屏蔽與干擾抑制采取的措施

　　①信號源接地時，屏蔽層應在信號側接地，信號線中間有接頭時，屏蔽層應牢固連接并進行絕緣處理，一定要避免多點接地;多個測點信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞線總屏蔽電纜連接時，各屏蔽層應相互連接，并經絕緣處理，選擇適當的接地處單點接地。同時接地系統采用一點接地,增大接地線直徑,減小接地電阻等都能取得良好的干擾抑制效果。②CNC系統中信號傳輸線較多,干擾容易從信號線傳輸到系統中,對信號線采用雙絞線或信號線間加入地線,都是抑制干擾很有效的措施,上述措施可以削弱數控系統對噪聲的敏感性。一臺設計良好的CNC裝置,應該具備對有用信號敏感，而對噪聲干擾具有抑制的特性。③大地是一個靜電容量很大的導體，它是電位的參考點。在實際中總是有一定的接地電阻，會在不同的接地點之間形成電位差，在導線中形成電流流動，稱為地環電流。接地抗干擾主要是避開地環電流和降低公共地線阻抗的耦合干擾，采用一點接地可以有效避免地環電流。④接地排和PE要金屬到金屬的聯結，同時還要通過保護接地極相連接，可以避免安全釋放和旁路干擾。⑤供電電源中性點的工作地，是指穩定的供電系統中性點的電位地。在處理中性線和地線的時候種類繁多，有的是中性線不接，有的是地線不接，有的是中性線和地線連接在一起。如果把中性線和地線相連接，中性線就會產生不平衡電流，這種電流很可能會通過地線倒流進入機床，造成系統工作的不穩定。通常的做法是：在設備廠房的外面建立接地網絡，既接地排，然后把機床的接地線直接連接到保護接地排上。一些企業認為，工廠已經有系統接地了，用不著再打接地排了。事實上，工廠的接地系統里，已經連接了許多設備，如電焊機、電火花機、起重設備、大功率可控硅設備、高頻淬火機、高電磁設備等可能產生高頻諧波的設備。而這些設備都會對CNC機床的系統產生嚴重干擾，使機床無法正常工作。

　　三、結束語

　　隨著CNC機床應用的普及，系統了解和掌握機床系統的接地、屏蔽與抗干擾的抑制方法，對于降低機床使用過程中的故障率，提高機床的可靠性具有重要意義。從另外一個角度來看，CNC系統的干擾源是多渠道的，對于不同的現場，應有不同的處理方法，也是一個十分復雜的問題，因此在抗干擾設計中應綜合考慮各方面的因素，只有正確和合理的運用接地與屏蔽的抑制方法，才能使機床系統穩定、可靠的工作。

　　參考文獻

　　[1]王愛玲等，數控機床故障診斷與維修，北京：機械工業出版社，2006.

　　[2]王愛玲等，數控原理及數控系統，北京：機械工業出版社，2006.

　　[3]葉蓓華，數字控制技術，北京：清華大學出版社，2002.