【中國(guó)機(jī)床商務(wù)網(wǎng)】導(dǎo)讀：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。本文通過(guò)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(wèn)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。
　　
　　一、概述
　　
　　系統(tǒng)的抗*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*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、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(guò)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(guò)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(lái)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zui近的接地平面上，以便使接地線的長(zhǎng)度為zui短。接地平面可以是設(shè)備的地線，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(guò)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(guò)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1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(guò)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。
　　　　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2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(guò)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(lái)可以分為3類：信號(hào)地、機(jī)殼地和系統(tǒng)地。
　　
　?。?）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(lái)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(lái)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。
　　
　　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
　　
　?、傩盘?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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(wèn)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。
　　
　　（文章作者：閆恩剛）