CNC机床的接地、屏蔽与干扰的抑制分析

　　CNC机床对接地通常有着较高要求，完整的接地和屏蔽系统是保证CNC机床安全、可靠运行的前提条件。接地和屏蔽是抑制干扰的重要方法，良好的接地和正确使用屏蔽，是使CNC系统稳定运行、消除干扰的重要措施。CNC机床的接地不仅与机床系统自身设计有关，也与应用企业有着直接的联系。本文通过对CNC机床的接地、屏蔽与干扰抑制的分析、研究论述，目的在于使机床设计者和应用企业，更多的了解和掌握CNC机床接地、屏蔽与干扰的抑制方法，对机床出现的问题做到及时、准确的分析和判断并采取相应处理对策。【延伸阅读 CNC机床如何选择合理的几何角度 】　　
　　一、概述
　　
　　系统的抗干扰能力是影响CNC机床正常运行的重要因素，也是关系到整机可靠运行的关键，而干扰的产生，很大程度上是由于接地和屏蔽处理不当引起的。CNC系统的特点是：工作信号电压低（一般在10V左右），抗干扰能力差。就CNC机床而言：这种干扰叠加在信号上，会引起信号测控失真和误动作，位置控制产生漂移，对测量单元的干扰直接影响测量与控制精度，时钟信号、复位信号、中断信号、控制信号对噪声干扰信号的敏感性很强，会造成系统控制不稳定、设备无法正常工作。合理有效地抑制干扰源，研究有效经济和适用的抑制方法用以实现电磁兼容性，使CNC机床能在电磁干扰环境中安全、高效地运行，是机床系统可靠性设计及应用的关键。完善的接地、屏蔽系统是抗电磁干扰的重要举措，良好的接地方式可以在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，确保系统的电磁兼容性和运行的可靠性。这是抑制干扰的基本原则，也是提高CNC设备电磁兼容性设计的有效手段之一。
　　
　　二、接地、屏蔽的种类与干扰的抑制
　　
　　接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。接地就是将电路、设备机壳、电箱控制柜等与作为零电位的一个公共参考点（大地）实现低阻抗的连接。CNC机床中的“接地”有着严格要求，如果不能按照要求接地，干扰信号就会通过地线这条路径对机床引发干扰。CNC系统的接地方式主要有：保护接地、工作接地、屏蔽接地。
　　
　　1.保护接地
　　
　　保护接地与CNC设备的机壳等实现良好的连接，并和大地相连，可以有效降低安全事故的发生。在CNC机床的电柜中，保护接地接地排有着严格的设计标准和要求，接入大地的接地电阻原则上要求小于1欧姆；系统内的保护地线，采用标准设计形式，使用黄绿双色线连接到接地排上，同时要求避免形成环路；这样可以减少与其它设备的相互电磁干扰，实现系统的干扰抑制能力。
　　
　　2.工作接地
　　
　　为了避免CNC机床在工作过程中的共地线阻抗干扰和对地环路干扰，以及共模电流辐射干扰发生，工作接地极为重要。工作接地方式有浮地接地、单点接线、多点接地和混合接地。
　　
　　1）.浮地是为了防止外来共模噪声对内部屏蔽地线线路产生的干扰，可以采用浮地。这里工作地线与机箱绝缘工作地是浮置的。
　　
　　2）.单点接线：单点接地是指电路或设备中只有一个物理点被定义为接地参考点，而其它凡是需要接地的点都被接到这一点上。
　　
　　3）.多点接地：多点接地是指设备或系统中的各个接地都直接接到距它最近的接地平面上，以便使接地线的长度为最短。接地平面可以是设备的专用地线，也可以是设备的框架。
　　
　　4）.混合接地：混合接地是只将那些需要就近接地和需要高频接地的点，通过旁路电容与接地平面相连。
　　
　　3.屏蔽接地
　　
　　屏蔽也是抑制磁场耦合干扰的有效措施。系统设备中某些元件或电路中有电流流过时，其周围将建立磁场；同时，线路中某一部分存储的电荷，又在周围空间建立磁场；电能与磁场的相互转化将形成电磁干扰，这种电场与磁场，对设备本身属于内生干扰，降低了系统的抗干扰容限，严重时会使设备发生故障。又如电焊机、高频淬火机等设备投入运行时，以及大型用电设备的突然起停等都将对CNC系统产生干扰，属于外生干扰。为了将产生的电场或磁场限制在某一规定的容限值范围内，或者为了使CNC系统及元器件不受外部电磁场的影响，常采用隔离或屏蔽措施，从而不使电场和磁场穿透这些屏蔽物。
　　
　　屏蔽地是为了抑制各种干扰信号而设置的，屏蔽种类很多，但需要可靠的接地，图1实列列出了屏蔽连接架与CNC系统功率模块的连接形式；屏蔽地就是屏蔽网络的接地，将电缆屏蔽层通过夹持件连接在一起，可以达到良好的屏蔽效果。为了抑制噪声，电缆、变压器等的屏蔽层需要接相应的地线，称为屏蔽地线。对于低频信号通常采用屏蔽层单端接地，可以降低干扰。对于高频信号，通常采用双端接地屏蔽电缆，屏蔽层也要双端接地。

图1屏蔽连接架与功率模块连接

　　
　　接地线和屏蔽联接的电磁兼容性设计要求：原则上屏蔽电缆为二端接金属机壳，并确保大面积接触金属表面，可以承受瞬间高频干扰。机床中的CNC系统与伺服驱动器、变频器、功率模块、电机间的信号线原则上采用屏蔽双绞线且屏蔽层采用双端接地方式。
　　
　　静电屏蔽：静电屏蔽主要是为了消除二个或几个电路之间由于分布电容耦合而产生的干扰，变压器初次级线圈之间接地的屏蔽层大多属于这一类。电磁兼容规则规定：这类变压器大多采用隔离型变压器。
　　
　　4.数控机床的接地系统
　　
　　图2给出了CNC系统接地连接示意图。
　　

图2系统接地连接

　　
　　接地系统混乱会产生每个接地点电位分布不均，照成对CNC系统的干扰,不同接地点之间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，形成干扰信号回路。为了防止共地线阻抗干扰，每台设备中可能有多种接地线，但概括起来可以分为3类：信号地、机壳地和系统地。
　　
　　（1）信号地：又称直流系统地（逻辑地、工作地），它是CNC机床用来提供电信号的基准电位（0V）。这个地可以接大地，也可以是公共点。系统地如果与大地不相连，即系统地处于悬浮工作状态，称之为浮空地。信号地接地方式有：浮地、直接接地和电容接地三种方式。由于数控系统是高速低电平控制，原则上采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，CNC装置之间的信号交换频率一般为低频信号，所以CNC系统的接地线原则上采用一点接地方式。
　　
　　（2）框架地：框架地是防止外来噪声和内部噪声为目的的接地系统，它可以是设备的面板，单元的外壳，操作盘及各装置之间连接的屏蔽线。
　　
　　（3）系统地：是将框架地和大地相连接。
　　
　　(暂不可见)C系统接地设计需要遵守的原则：整个系统只能在一处接地，因为系统接地和接地电阻都不可能为零。此外，当有大电流从地线注入大地时，接地极及其附近的地电位升高，如有多点地则会出现接地点的电位差，对CNC系统形成干扰。即使是同一台设备中的系统地线，也应遵守一点接地原则，否则形成接地环路，各点之间的接地电位差将会形成，干扰将被引入其它电路。
　　
　　6.接地、屏蔽与干扰抑制采取的措施
　　
　　①信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地，信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞线总屏蔽电缆连接时，各屏蔽层应相互连接，并经绝缘处理，选择适当的接地处单点接地。同时接地系统采用一点接地,增大接地线直径,减小接地电阻等都能取得良好的干扰抑制效果。②CNC系统中信号传输线较多,干扰容易从信号线传输到系统中,对信号线采用双绞线或信号线间加入地线,都是抑制干扰很有效的措施,上述措施可以削弱数控系统对噪声的敏感性。一台设计良好的CNC装置,应该具备对有用信号敏感，而对噪声干扰具有抑制的特性。③大地是一个静电容量很大的导体，它是电位的参考点。在实际中总是有一定的接地电阻，会在不同的接地点之间形成电位差，在导线中形成电流流动，称为地环电流。接地抗干扰主要是避开地环电流和降低公共地线阻抗的耦合干扰，采用一点接地可以有效避免地环电流。④接地排和PE要金属到金属的联结，同时还要通过保护接地极相连接，可以避免安全释放和旁路干扰。⑤供电电源中性点的工作地，是指稳定的供电系统中性点的电位地。在处理中性线和地线的时候种类繁多，有的是中性线不接，有的是地线不接，有的是中性线和地线连接在一起。如果把中性线和地线相连接，中性线就会产生不平衡电流，这种电流很可能会通过地线倒流进入机床，造成系统工作的不稳定。通常的做法是：在设备厂房的外面建立接地网络，既接地排，然后把机床的接地线直接连接到保护接地排上。一些企业认为，工厂已经有系统接地了，用不着再打接地排了。事实上，工厂的接地系统里，已经连接了许多设备，如电焊机、电火花机、起重设备、大功率可控硅设备、高频淬火机、高电磁设备等可能产生高频谐波的设备。而这些设备都会对CNC机床的系统产生严重干扰，使机床无法正常工作。
　　
　　三、结束语
　　
　　随着CNC机床应用的普及，系统了解和掌握机床系统的接地、屏蔽与抗干扰的抑制方法，对于降低机床使用过程中的故障率，提高机床的可靠性具有重要意义。从另外一个角度来看，CNC系统的干扰源是多渠道的，对于不同的现场，应有不同的处理方法，也是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，只有正确和合理的运用接地与屏蔽的抑制方法，才能使机床系统稳定、可靠的工作。

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