解析数控机床电气干扰的处理方法

        随着数控机床在我国加工行业的普遍应用，数控机床维修及应用在我国机械行业逐渐兴起。但由于各种原因，使用人员对于报警的处理有时会无从下手，甚至无法说明到底是哪里出现故障，这也使维护人员经常在听到故障描述后，感到一头雾水。其实，很多故障报警都是因为电气干扰造成的影响，本文就自己的经验以FANUC系统为例子阐述一些抗干扰的措施。
一、干扰及抗干扰简介
1、在电网中对电子设备造成干扰的噪音有以下几种：
1）传导噪音
例如，由伺服放大器产生的噪音，经由电缆传导可对连在同一电源上的电子设备造成干扰，如下图所示。
2）辐射（无线电）噪音
例如，由伺服放大器产生的噪音，经由动力电缆的辐射可对周围的电子设备造成干扰。动力电缆就像发射天线一样向四周发射噪音干扰信号，如下图所示。
3）诱导（感应）噪音
        当设备的电缆靠的太近时经感应或电容的偶合造成的干扰，如下面图中所示。
2、抗干扰的措施：
        上述这些噪音，如果在机床制造时对电气柜和接线与布线处理不当就会因干扰使系统运行不稳定。根据实践和经验，下面介绍一些机床厂应采取的基本抗干扰措施。
1） 控制系统包括伺服放大器和主轴驱动单元应安装在密封的金属电柜内。
2） 注意布线与走线：信号线与动力线分开走线，电缆走线要靠近电柜的金属壁。
3） 信号线要屏蔽：指令信号和反馈信号线（如编码器信号）必须屏蔽。屏蔽线要分别接地。
4） 控制器、放大器和伺服电机都要分别接地。
5） 电网进线要加滤波器和浪涌吸收器。
6） 接触器、继电器或其它电器的电磁线圈的驱动器要加浪涌吸收器。7）排屑机、液压泵、导轨润滑泵等电动机的主回路接触器要加装主回路浪涌吸收器。
二、工作中抗干扰的几点做法。
1． CNC 控制器的电源
        为了兼容，现在的FANUC CNC 控制器的电源一率为直流24V，一般用市场上购来的24V 稳压电源。
选择该电源时要注意：
1） 容量
        容量要足够，且留有一定的余量（约+20%）。如果容量不够，系统可能不工作，或工作出错。
2） 从空载到满载的变化率
带负载时，电源电压要下降，要求变化率不能大于2%。
3） 输出电压变形
        输出电压不能有断续。CNC 控制器中的元/器件是高速运行的，电压的瞬间波动会造成其工作出错。要求输入电压的瞬间断续不要超过允许值。
使用时电源时要注意：
1） 不要将I/O 点接于该电源，机床强电控制部分的I/O 点须用另外的电源。
2） 使用时要注意其通电和断电的顺序，特别是机床有重力轴的控制器，一定要保证重力轴的驱动电动机充分地能耗制动、并用机械卡紧后才能断开伺服的电源。
2． 机床的功率进线电路
如下图所示。
        变压器：当使用200V 型式的伺服电动机和主轴电动机时，如上图所示，电源的进线需要使用变压器。由于变压器的隔离，在一定程度上提高了抗干扰能力。在我们国内，根据电网的情况，建议使用这种型式。
        电网滤波器：即图中的噪音滤波器，下图是实际使用的一种滤波器的线路图。使用滤波器可以滤除：
1） 来自电缆的辐射噪音。
2） 由于杂散（寄生）电容引起的传导噪音。
        浪涌吸收器：为了避免由于闪电或附近其它用电设备引起的浪涌电流造成干扰，应在进线处接浪涌吸收器。如图所示，浪涌吸收器有两路：电网的各线之间和各线对地之间。浪涌吸收器的接线要尽量短，导线的截面积要足够，约为2mm2。
AC 电抗器：在主接触器（MCC）后面应接交流电抗器（如上图）。
断路器：图中位置使用的断路器应具有漏电保护功能。当使用400V 的伺服电动机和主轴电动机时，可以不用变压器。但使用变压器会提高运行的可靠性。不用变压器时，一定要在电路中加电网滤波器。
3． 接地
如上图 所示，CNC 机床的接地系统可分为：信号地，机壳地和系统地。
1）信号地（SG）：这是提供给控制信号的基准电平（0V）。
2）机壳地（FG）：是为了运行可靠、抵抗干扰而提供的将内部和外部噪音隔离的屏蔽层。各单元的机壳，外罩，安装板和接口电缆的屏蔽均应接在一起。
3）系统地（SG）：是保护地。将各装置的机壳地与大地相连，以保护人员和设备当有漏电或短路时免遭电击，还可使干扰噪音流入大地。
上图即为fanuc系统伺服放大器接地示意图。
接地时要注意：
1）一个单元上的信号地（0V）与机壳地（FG）只在一点连接。
2）信号系统的机壳地与功率部分的机壳地应该分开，以避免功率部分的噪音对信号的干扰。
3）如上图，电源模块的CAX1 的接地点要接到机壳地。
4）接地线要足够粗，至少要与供电电源线一样粗。
5）接地电阻（系统地）要小于100Ω。
4． 接线、走线与屏蔽
        电缆可分为强电（功率）信号线和弱电信号线。强电信号线包括：放大器的输入线，电动机的功率线，机床电柜中的接触器线圈、继电器线圈或其它功率信号线。这些信号为24V 或以上，直流或交流。弱电信号包括：NC 与放大器之间的控制信号线和响应信号线，反馈线，各种传感器的信号线等，这些信号为5V 或以下。走线时若两种线靠的太近，如上所述，强电信号就会对弱电信号造成干扰，因此要求：
1） 必须分开走线：要求分开绑扎，隔开一定距离。
2） 弱电信号线必须屏蔽，屏蔽层必须接地。电柜中应有接地板，各单元的屏蔽线经接地板接地，如下图。另外，如图中所示，强电（功率）的接地板应与弱电的接地板分开，并离开一定距离。不要与其它系统（例如PLC 控制器，物料设备，外部检测设备等）共用一块接地板。
3） 同一放大器的信号线应接于同一块接地板上，如下图。
4） 电缆线要尽量短，以避免功率损耗并减少干扰。
5） 走线要靠近电柜的金属壁。走线不能与运动件摩擦，不要磨损。
6） 线一定要接紧，否则会因接触电阻大造成：电压下降，信号功率变弱，打火产生干扰。
7） 屏蔽线的金属外皮必须用电缆卡子卡紧并接在接地板上。
5． 浪涌吸收器
        电路中使用电感性元器件（如接触器、继电器等的线圈）时，必须使用消除噪音的器件如浪涌吸收器（电阻、电容电路）或二极管（反接）以消除电路工作时对外界造成干扰。下图是使用电阻、电容的接线，这种电路用于交流电路，二极管用于直流电路。
6． 电气柜的设计
1） 电柜必须使用金属材料，电柜必须密封。因为密封的金属电柜可以隔离电磁辐射，防护柜内的装置免受干扰。当然也可以隔离其内部的设备工作时产生的电磁波，避免对外界设备造成干扰。接地的电柜还可使漏电流导入大地，静电场接地，从而保证柜体为零电位，保护了人身和设备的安全，免遭电击。
电柜的制造最重要的是保持其良好的传导性（导电、导磁）和电磁场屏蔽性能，因此要求：
2） 接缝要焊接，没有缝隙。
3） 切口或开孔越小越好。盖和门要贴紧柜体，用传导性的密封垫。
4） 与外界导体连接时要表面刮净涂漆。
        在实际工作维修，电气设计施工的时候主意以上的几点。这里只是以发那科系统为例，各机床厂商的要求略有差别，所以工作中还要严格按照系统生产厂商的屏蔽接地要求进行接地。另外还要主意就是客户现场服务时要注意现场的接地状况，根据实际情况判断机床故障。注意观察同车间里是否有电加工设备等要重干扰源和车间接地方法是否正确等。遇到莫名其妙的报警时也可以先排除干扰的原因在进行维修。希望我的见解对广大数控机床维修同仁有所帮助。