摘要：CNC機(jī)床對(duì)接地通常有著較高要求，完整的接地和屏蔽系統(tǒng)是保證CNC機(jī)床安全、可靠運(yùn)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(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、消除干擾的重要措施。CNC機(jī)床的接地不僅與機(jī)床系統(tǒng)自身設(shè)計(jì)有關(guān)，也與應(yīng)用企業(yè)有著直接的聯(lián)系。本文通過對(duì)CNC機(jī)床的接地、屏蔽與干擾抑制的分析、研究論述，目的在于使機(jī)床設(shè)計(jì)者和應(yīng)用企業(yè)，更多的了解和掌握CNC機(jī)床接地、屏蔽與干擾的抑制方法，對(duì)機(jī)床出現(xiàn)的問題做到及時(shí)、準(zhǔn)確的分析和判斷并采取相應(yīng)處理對(duì)策。

關(guān)鍵詞：CNC機(jī)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(tǒng)的抗干擾能力是影響CNC機(jī)床正常運(yùn)行的重要因素，也是關(guān)系到整機(jī)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，而干擾的產(chǎn)生，很大程度上是由于接地和屏蔽處理不當(dāng)引起的。CNC系統(tǒng)的特點(diǎn)是：工作信號(hào)電壓低(一般在10V左右)，抗干擾能力差。就CNC機(jī)床而言：這種干擾疊加在信號(hào)上，會(huì)引起信號(hào)測(cè)控失真和誤動(dòng)作，位置控制產(chǎn)生漂移，對(duì)測(cè)量單元的干擾直接影響測(cè)量與控制精度，時(shí)鐘信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、中斷信號(hào)、控制信號(hào)對(duì)噪聲干擾信號(hào)的敏感性很強(qiáng)，會(huì)造成系統(tǒng)控制不穩(wěn)定、設(shè)備無(wú)法正常工作。合理有效地抑制干擾源，研究有效經(jīng)濟(jì)和適用的抑制方法用以實(shí)現(xiàn)電磁兼容性，使CNC機(jī)床能在電磁干擾環(huán)境中安全、高效地運(yùn)行，是機(jī)床系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)及應(yīng)用的關(guān)鍵。完善的接地、屏蔽系統(tǒng)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(nèi)部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，確保系統(tǒng)的電磁兼容性和運(yùn)行的可靠性。這是抑制干擾的基本原則，也是提高CNC設(shè)備電磁兼容性設(shè)計(jì)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(shè)備電磁兼容性（EMC）的有效手段之一。接地就是將電路、設(shè)備機(jī)殼、電箱控制柜等與作為零電位的一個(gè)公共參考點(diǎn)（大地）實(shí)現(xiàn)低阻抗的連接。CNC機(jī)床中的“接地”有著嚴(yán)格要求，如果不能按照要求接地，干擾信號(hào)就會(huì)通過地線這條路徑對(duì)機(jī)床引發(fā)干擾。CNC系統(tǒng)的接地方式主要有：保護(hù)接地、工作接地、屏蔽接地。

1.保護(hù)接地

保護(hù)接地與CNC設(shè)備的機(jī)殼等實(shí)現(xiàn)良好的連接，并和大地相連，可以有效降低安全事故的發(fā)生。在CNC機(jī)床的電柜中，保護(hù)接地接地排有著嚴(yán)格的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求，接入大地的接地電阻原則上要求小于1歐姆；系統(tǒng)內(nèi)的保護(hù)地線，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)形式，使用黃綠雙色線連接到接地排上，同時(shí)要求避免形成環(huán)路；這樣可以減少與其它設(shè)備的相互電磁干擾，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的干擾抑制能力。

2.工作接地

為了避免CNC機(jī)床在工作過程中的共地線阻抗干擾和對(duì)地環(huán)路干擾，以及共模電流輻射干擾發(fā)生，工作接地極為重要。工作接地方式有浮地接地、單點(diǎn)接線、多點(diǎn)接地和混合接地。

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

2).單點(diǎn)接線：?jiǎn)吸c(diǎn)接地是指電路或設(shè)備中只有一個(gè)物理點(diǎn)被定義為接地參考點(diǎn)，而其它凡是需要接地的點(diǎn)都被接到這一點(diǎn)上。

3).多點(diǎn)接地：多點(diǎn)接地是指設(shè)備或系統(tǒng)中的各個(gè)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(zhǎng)度為最短。接地平面可以是設(shè)備的專用地線，也可以是設(shè)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(diǎn)，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(chǎng)耦合干擾的有效措施。系統(tǒng)設(shè)備中某些元件或電路中有電流流過時(shí)，其周圍將建立磁場(chǎng)；同時(shí)，線路中某一部分存儲(chǔ)的電荷，又在周圍空間建立磁場(chǎng)；電能與磁場(chǎng)的相互轉(zhuǎn)化將形成電磁干擾，這種電場(chǎng)與磁場(chǎng)，對(duì)設(shè)備本身屬于內(nèi)生干擾，降低了系統(tǒng)的抗干擾容限，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使設(shè)備發(fā)生故障。又如電焊機(jī)、高頻淬火機(jī)等設(shè)備投入運(yùn)行時(shí)，以及大型用電設(shè)備的突然起停等都將對(duì)CNC系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，屬于外生干擾。為了將產(chǎn)生的電場(chǎng)或磁場(chǎng)限制在某一規(guī)定的容限值范圍內(nèi)，或者為了使CNC系統(tǒng)及元器件不受外部電磁場(chǎng)的影響，常采用隔離或屏蔽措施，從而不使電場(chǎng)和磁場(chǎng)穿透這些屏蔽物。

屏蔽地是為了抑制各種干擾信號(hào)而設(shè)置的，屏蔽種類很多，但需要可靠的接地，圖一實(shí)列列出了屏蔽連接架與CNC系統(tǒng)功率模塊的連接形式；屏蔽地就是屏蔽網(wǎng)絡(luò)的接地，將電纜屏蔽層通過夾持件連接在一起，可以達(dá)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(yīng)的地線，稱為屏蔽地線。對(duì)于低頻信號(hào)通常采用屏蔽層單端接地，可以降低干擾。對(duì)于高頻信號(hào)，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(lián)接的電磁兼容性設(shè)計(jì)要求：原則上屏蔽電纜為二端接金屬機(jī)殼，并確保大面積接觸金屬表面，可以承受瞬間高頻干擾。機(jī)床中的CNC系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器、功率模塊、電機(jī)間的信號(hào)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(gè)或幾個(gè)電路之間由于分布電容耦合而產(chǎn)生的干擾，變壓器初次級(jí)線圈之間接地的屏蔽層大多屬于這一類。電磁兼容規(guī)則規(guī)定：這類變壓器大多采用隔離型變壓器。

4.數(shù)控機(jī)床的接地系統(tǒng)

圖二給出了CNC系統(tǒng)接地連接示意圖。

接地系統(tǒng)混亂會(huì)產(chǎn)生每個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，照成對(duì)CNC系統(tǒng)的干擾,不同接地點(diǎn)之間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場(chǎng)的作用下，屏蔽層內(nèi)會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合，形成干擾信號(hào)回路。為了防止共地線阻抗干擾，每臺(tái)設(shè)備中可能有多種接地線，但概括起來可以分為3類：信號(hào)地、機(jī)殼地和系統(tǒng)地。

（1）信號(hào)地：又稱直流系統(tǒng)地（邏輯地、工作地），它是CNC機(jī)床用來提供電信號(hào)的基準(zhǔn)電位（0V）。這個(gè)地可以接大地，也可以是公共點(diǎn)。系統(tǒng)地如果與大地不相連，即系統(tǒng)地處于懸浮工作狀態(tài)，稱之為浮空地。信號(hào)地接地方式有：浮地、直接接地和電容接地三種方式。由于數(shù)控系統(tǒng)是高速低電平控制，原則上采用直接接地方式。由于信號(hào)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(hào)交換頻率一般為低頻信號(hào)，所以CNC系統(tǒng)的接地線原則上采用一點(diǎn)接地方式。

（2）框架地：框架地是防止外來噪聲和內(nèi)部噪聲為目的的接地系統(tǒng)，它可以是設(shè)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(tǒng)地：是將框架地和大地相連接。

圖二 系統(tǒng)接地連接

5.CNC系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)需要遵守的原則：整個(gè)系統(tǒng)只能在一處接地，因?yàn)橄到y(tǒng)接地和接地電阻都不可能為零。此外，當(dāng)有大電流從地線注入大地時(shí)，接地極及其附近的地電位升高，如有多點(diǎn)地則會(huì)出現(xiàn)接地點(diǎn)的電位差，對(duì)CNC系統(tǒng)形成干擾。即使是同一臺(tái)設(shè)備中的系統(tǒng)地線，也應(yīng)遵守一點(diǎn)接地原則，否則形成接地環(huán)路，各點(diǎn)之間的接地電位差將會(huì)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(hào)源接地時(shí)，屏蔽層應(yīng)在信號(hào)側(cè)接地，信號(hào)線中間有接頭時(shí)，屏蔽層應(yīng)牢固連接并進(jìn)行絕緣處理，一定要避免多點(diǎn)接地；多個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)的屏蔽雙絞線與多芯對(duì)絞線總屏蔽電纜連接時(shí)，各屏蔽層應(yīng)相互連接，并經(jīng)絕緣處理，選擇適當(dāng)?shù)慕拥靥巻吸c(diǎn)接地。同時(shí)接地系統(tǒng)采用一點(diǎn)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(tǒng)中信號(hào)傳輸線較多,干擾容易從信號(hào)線傳輸?shù)较到y(tǒng)中,對(duì)信號(hào)線采用雙絞線或信號(hào)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(shù)控系統(tǒng)對(duì)噪聲的敏感性。一臺(tái)設(shè)計(jì)良好的CNC裝置,應(yīng)該具備對(duì)有用信號(hào)敏感，而對(duì)噪聲干擾具有抑制的特性。③大地是一個(gè)靜電容量很大的導(dǎo)體，它是電位的參考點(diǎn)。在實(shí)際中總是有一定的接地電阻，會(huì)在不同的接地點(diǎn)之間形成電位差，在導(dǎo)線中形成電流流動(dòng)，稱為地環(huán)電流。接地抗干擾主要是避開地環(huán)電流和降低公共地線阻抗的耦合干擾，采用一點(diǎn)接地可以有效避免地環(huán)電流。④接地排和PE要金屬到金屬的聯(lián)結(jié)，同時(shí)還要通過保護(hù)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(diǎn)的工作地，是指穩(wěn)定的供電系統(tǒng)中性點(diǎn)的電位地。在處理中性線和地線的時(shí)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(huì)產(chǎn)生不平衡電流，這種電流很可能會(huì)通過地線倒流進(jìn)入機(jī)床，造成系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定。通常的做法是：在設(shè)備廠房的外面建立接地網(wǎng)絡(luò)，既接地排，然后把機(jī)床的接地線直接連接到保護(hù)接地排上。一些企業(yè)認(rèn)為，工廠已經(jīng)有系統(tǒng)接地了，用不著再打接地排了。事實(shí)上，工廠的接地系統(tǒng)里，已經(jīng)連接了許多設(shè)備，如電焊機(jī)、電火花機(jī)、起重設(shè)備、大功率可控硅設(shè)備、高頻淬火機(jī)、高電磁設(shè)備等可能產(chǎn)生高頻諧波的設(shè)備。而這些設(shè)備都會(huì)對(duì)CNC機(jī)床的系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，使機(jī)床無(wú)法正常工作。

三、結(jié)束語(yǔ)

隨著CNC機(jī)床應(yīng)用的普及，系統(tǒng)了解和掌握機(jī)床系統(tǒng)的接地、屏蔽與抗干擾的抑制方法，對(duì)于降低機(jī)床使用過程中的故障率，提高機(jī)床的可靠性具有重要意義。從另外一個(gè)角度來看，CNC系統(tǒng)的干擾源是多渠道的，對(duì)于不同的現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)有不同的處理方法，也是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，因此在抗干擾設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮各方面的因素，只有正確和合理的運(yùn)用接地與屏蔽的抑制方法，才能使機(jī)床系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的工作。

參考文獻(xiàn)

［1］王愛玲等，數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］王愛玲等，數(shù)控原理及數(shù)控系統(tǒng)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］葉蓓華，數(shù)字控制技術(shù)，北京：清華大學(xué)出版社，2002.