数控设备应用可靠性设计提升措施

刘阳

沈阳第一机床厂 ,辽宁 沈阳 110142

[摘要] 　数控设备应用环境，由于过度振动，电磁噪声，切削液雾和金属粉尘的粘附可能引起电子电路的故障，尤以电磁干扰普遍存在于制造生产过程，影响数控设备的正常运行，持续提升设备可靠性是数控设备设计中重要方向。在电气控制系统的设计与安装上采用多项防干扰提升可靠性设计，以软硬件多措施减少控制系统干扰因素，确保数控设备在生产环境中安全运行。

[关键词] 数控系统 电磁干扰 可靠性

引言

数控设备的特点之一是可靠性，然而，提高可靠性并非易事，这需要基于假定使用条件的长期测试数据并阐明恶化和失效的机制，随着制造技术的稳步积累，提高生产设备的可靠性，不仅可以提高生产效率，降低生产成本，还可以通过提高生产设备的寿命和合理的基于制造产品生命周期成本的设备管理来创造新的价值。应该注意的是，可靠性并不局限于不会损坏这样的狭义概念，应该从包括设计，装配，易维护在内的广泛视角来看待它。

数控设备要求行动指令准确，控制动作都到位，但造成数控系统工作不正常的原因除系统本身发生故障外多数情况是受到电磁干扰。电气系统产生的干扰由接触器、继电器、开关等装置内部的硬件结构而造成的。干扰信号通过系统的端口干扰、供电系统干扰与空间干扰的方式影响数控设备控制系统，造成干扰系统正常工作。控制动力电源接触器工作状态为例，接触器的动作会产生两种干扰信号：一是接触器开关触点的开合会引起母线产生多种频率分量衰减震荡波，通过母线向周围辐射暂态电磁场能量，可能引发数控模块产生干扰信号。开关负载的类型与功率决定了干扰信号的强弱，控制变压器如果出现感性负载或者功率比较大时会造成的更大干扰强度；第二种是当控制器件控制的线圈通断或者在线圈两端产生过电压时，将会通过电源线与输出继电器到达控制系统。系统当中的任何强电信号都会通过空间电磁耦合等方式对系统造成干扰。

电气系统的内部因素对系统造成干扰，外部因素必须考虑：大功率的变频器、交变电设备或者是雷击等等，都可以通过空间电磁耦合的方式对数控设备产生干扰。

本文讨论数控设备电气设计中抗干扰提高数控设备可靠性采取的设计方案。

• 数控设备硬件设计提高抗干扰可靠性

1. 选用符合技术要求的供电电源

电源是数控系统及整个机床的能源供应部分，电源部份产生干扰，将对机床的正常运行产生重大影响，无法正常工作。因此在电源部分的设计及选用过程中要充分考虑干扰的影响，提高数控系统抗干扰能力。数控系统采用的工作电源，在成本控制理念下基本由外部电源供电。外部电源基本分为两类：

第一类为伺服模块供电，通常为工业三相电源通过伺服变压器提供。

电源部分的抗干扰设计首先考虑：采用抗干扰的优质电源，经验表明由电源引入的干扰是系统干扰的主要来源，抗干扰性能好的优质电源是提高系统可靠性的关键。但是在用户处提供电源的工业电网情况往往不尽相同，很难保证稳定性。对电源应进行滤波、隔离和稳压处理。在使用380V 电网电压的条件下，应在输入端加电源滤波器、线性稳压器、瞬态电压抑制器，以减小电源噪声的干扰。

同时经过多年经验总结保证数控系统正常运行对电网的要求如下：允许电网电压波动为：±10%；允许电网频率波动为：±2%。电网电压的变化表现为以下几种： 超压或欠压都会引起系统报警，从而停止工作，出现这种情况，需要对电源设计增加调压装置；当电网电压不稳定时，如最大值超出输入电压峰值允许限度也会发生报警，从而引起系统工作异常，需使用电源稳压器才能稳定电压。为保护数控系统，在出现异常电源情况时避免损失，数控系统不可以直接接入电网，正常应在电源模块前增加电抗器，如有其它需求，也可使用隔离变压器抑制窜入交流电源中的噪声干扰。但是，普通变压器却不能完全起到抗干扰的作用，这是因为，即使一次绕组和二次绕组之间是绝缘的。能够阻止一次侧的噪声电压、电流直接传输到二次侧，有隔离作用。然而，由于分布电容( 绕组与铁心之间、绕组之间、层匝之间和引线之间) 的存在，交流电网中的噪声会通过分布电容耦合到二次侧。为了抑制噪声，必须在绕组间加屏蔽层，这样就能有效地抑制噪声。消除干扰，提高设备的抗干扰性。数控设备应避免使用普通变压器，需使用满足上述要求的隔离伺服变压器其为避免电网对系统进行直接干扰。

第二类为数控系统供电，通常为直流电源提供直流24V(个别信号可能使用到直流5V)。

数控系统是设备的神经系统，保持其稳定性非常重要，应在已提供电网隔离情况下为其单独提供直流电源模块供电，以保证其稳定工作，同时可有效避免因其他外部设备损坏造成的故障，并分别为PLC系统以及外部设备使用独立直流电源供电，避免外部设备损坏后造成PLC系统故障。同时一些外部设备的伺服模块在技术要求并未要求使用独立直流电源供电，但结合多年设备故障情况，推荐在高价值伺服模块（进口）使用独立电源，并在电源输入端增加二极管并在极间增加电容器件，可保护模块免受电路中可能出现的残余电流造成的损坏，产品的可靠性也同步提高，用户的设备故障率与维修成本随之下降。

2. 设计分区抑制电磁干扰电器柜

电气控制柜应采用一体结构或焊接，需充分保证电柜本体的电磁一致性。柜体材料应选择冷轧钢板，柜体外观需喷塑处理，柜内安装板必须使用镀锌钢板，提高整体的接地性能，同时要求电气柜内各个部件均连接地线，使柜体作为一个良好导体，有效防护电气柜外产生的干扰。数控设备的电气系统在采用各种方法抑制外来干扰，还必须采取措施减少自身对外界其它设备以及电网的干扰，常用主要方法是增加屏蔽区间。当噪声是高电压、小电流时，其辐射场主要表现为电场，应采用电场屏蔽措施。当噪声源具有低电压和大电流性能时，其辐射场主要表现为磁场，应采用磁场屏蔽措施。在电气控制柜中可以视为同时具有两种噪声，必须同时屏蔽电场和磁场，电磁波在入射到通常采用电阻率小的良导体金属表面时会产生反射和吸收，电磁能量被大大衰减．从而起到屏蔽作用。切断辐射电磁噪声传输途径，实际生产中普遍用金属材料把所需屏蔽的区域包围起来，使屏蔽体内外隔离开来，通常使用于伺服及控制模块的安装，但现有数控系统制造工艺均有改善，表面安装和大规模集成电路的应用，数控系统的体积已经得到减小，设计上最大程度防止外部的噪声对自身的损坏。然而，干扰有很多不确定的影响因素，需做好必要屏蔽，数控系统伺服模块在设计界定中属于变频器，即可受电磁干扰，同时又发出电磁干扰，考虑到伺服模块需要接收发送来自系统和伺服电机的数据信息，自身排布各种总线，工程生产中应将其划分为控制电路，如有需要可将其置于屏蔽区。设计屏蔽区间举措用于机床工作状况有特殊要求之情况。电柜内低压电气件配盘原则上需遵循动力电控制电分开安装。实际设计中，在产品的整体设计中很难在电气柜有限的空间内实现完全分开，在设计中应首先将提供动力电的器件（如短路器，马达启动器等）与控制电的器件（如继电器，接触器等）分开布盘，尽量将交流控制电路和直流控制电路分开配线。

3. 合理排布设备器件接地方式

利用接地技术消除电磁干扰要确保数控系统中的所有设备接地良好，需要根据数控系统工作电流按照相关国家标准选用符合要求线径的接地线（黄绿线）连接到电源进线接地点(PE) 的接地母排上。接地线（黄绿线）应该尽可能的短以保证接地电阻值符合相关国家标准要求。尤其要注意包括变频器、开关电源，电机驱动器等工作时有高频开关脉冲以及变压器、供电设备等产生工频干扰的设备的可靠接地。

控制系统中有很多种接地形式，利用良好的接地可以保证对干扰有效的抑制。接地是提供一个等电位点或等电位面，接地的目的有两个：(1)是为了保护人身和设备的安全，免遭雷击、漏电、静电等危害，框架地 (FG)用于安全方面，并且抑制内部和外部噪声。在框架地系统中，将单元的外壳框架、面板和控制单元之间接口电缆的屏蔽连接在一起,对设备进行屏蔽处理，屏蔽层与地相联通才能起到应有的效果。系统地 (PE)用来将设备和单元的框架地系统和真正大地连接起来。其中，框架地(FG)和系统地(PE)属于保护地线，在工程应用中可统一为PE系统。 (2)是为了保证设备的正常工作。信号地(SG)提供电信号系统的参考电压(0V)，例如直流电源常需要有一极接地，作为参考零电位，其他极与之比较。信号传输也常常需要有一根线接地，作为基准电位，传输信号的电压大小与该基准电位相比较。这类地线称为工作地线，在产品设计中一定要注意工作地线的正确接法。

数控设备整体接地实际普遍使用多点接地。多点接地是把需要接地电路就近接到同一导体，各电路接地点到导体的引线要尽可能缩短，导体要导电好、面积大，阻抗小，不易产生共阻抗干扰。在设计时应做到数控设备总体接地导线近似计算值为供电电缆的截面积的一半。接地极、接地导体采用母线铜排。但工程实际中考虑成本控制也可以将电气控制系统所有地线连接在同一接线母排上，前提是母排有满足要求的导通能力，且通过实际运行测试无不良影响。

4. 分类安装线缆加装屏蔽装置

将数控设备中使用的电缆分成三类：第一类为电源线：包括伺服和主轴电机的电源线、外部功能部件设备的电源线。第二类为信号线：直流器件控制电缆，I/O输入输出电缆，连接伺服模块及其他外围设备的直流输入电源电缆。第三类为系统总线：编码器位置和速度反馈电缆、其他系统使用通信电缆。抗干扰处理办法：三类电缆分开走线(分组捆绑时两组电缆间距离至少10cm)，将总线电缆进行屏蔽。并与信号线电缆尽量远离，不同类型的线应尽可能使用不同的线管和线槽，以提高线缆安装的抗干扰能力。

普通的开关量信号对电缆没有过多的要求，当距离较远时增加屏蔽电缆；如模拟信号和高速信号传输，应选用屏蔽电缆；高频信号传输，一般需选用专用电缆或者光纤电缆（通常为数控系统总线电缆）；要求不高的低频信号，如各位置反馈线、指令给定线、通讯线等弱电信号线也必须采用屏蔽电缆，单股线直径不低于0.2平方毫米，如有条件采用双绞双屏蔽电缆为更佳。I/O输入与输出要分开走线，开关量与模拟量也应尽可能分开敷设。传送模拟信号的屏蔽线，其屏蔽层应一端接地。如果无法设置电位均衡线，也可以一端接地。不同的信号线用同一个插接件时，要用备用端子或地线端子将它们隔开，以减少相互干扰。

屏蔽电缆进入控制柜屏蔽层应接电柜内屏蔽板。各进给驱动电机、主轴驱动电机的动力线和反馈线及系统总线可直接接入驱动单元不经过端子转接，减少器件间干扰。均可提高数控设备的可靠性，除了在设计上采用一定措施之外，还应考虑其它方面因素影响。

• 数控设备软件设计提高抗干扰可靠性

在数控机床工作中，由于各种干扰源比较复杂，通过硬件上采取的抑制干扰的措施虽然可以最大限度上的减弱干扰，但是很难彻底消除。所以，在PLC控制系统的软件设计和工程组态上，还应当利用软件的特殊设计来提高可靠性。以下列举四种方式：

一、在数控系统工作时中，CNC与伺服系统通过总线连接，在数据的传输过程中，受用户工作环境影响，一些电机的数据信息在传递中易被干扰，出现电机的报警，针对此情况，数控系统可针对这些数据的特性，设定了电机防干扰参数，如编码器的外部A/B相干扰与电机的负载量的干扰扰动等，此系列均可在真实环境中进行测试，如确定数控系统正常工作，可以更改电机数据中干扰抖动的数据值，提高数据在因噪声而紊乱时的、各类数据幅值以及抖动跳过次数，通过合理的设定此类参数，可以大幅提高数控系统的可靠性，降低报警数量，以及停机时间。

二、在生产工作环境中，数字信号是用高低电平表示的两态信号，即0和1。在数字信号的传输中，由于操作失误或外界等干扰，会引起数字量状态变化，造成系统错误判断。例如，操作按钮、电气触点在闭合或断开时都存在抖动现象，梯图没有设计相应措施，就可能产生错误。对于数字信号来说，干扰信号呈毛刺状，作用时间短，若多次采集后信号不一致，保持原状态，不予执行。对于数字信号的输入不能采用累积数值比较方法，开关状态均为关键部件运动可靠性的最终保证，需要比较两次或多次输入结果是否相同且唯一。在满足实时性要求的前提下，应根据不同外部设备信号特点，适当地设置接收输入数字信号延时，以适应不同宽度的干扰信号。在机床工作时，对于非严重影响设备运行的故障信号，在PLC中采取不同时间的判断以防止输入接点的抖动而产生“伪报警”。若延时后信号仍保持原状，再执行相应动作。例如在命令按钮输入时，为防止因为干扰造成的不正当触发，采用定时器连续检测若干次后来确认输入操作。

三、数控系统可以在控制软件对数字输出信号及控制器件进行保护性设计，由于电气控制系统控制器件特点，长时间的持续接通动力电流，触点极易造成黏连，在正常工况中影响功能的实现，形成安全风险；在故障发生中，对于系统报警要求进行脱开的指令无法实现，极易造成故障扩大，损坏高价值的数控驱动模块以及高价值外部设备。具体方案就是对于PLC系统发出的输出信号如果是长时间维持一种工作状态，同时没有反馈信号对此控制器件工作状态进行监控，系统应选择在开机后或可以隔一段时间在系统确认安全时切断此信号并重复发出控制信号，使工作期间发生一次可预估通断，利用系统对此功能器件反馈信息，确保此器件状态正常，或在发生故障时可提前在安全状态下发现，避免电气控制系统带故障运行，造成设备安全整体可靠性下降。

四、数控设备在接受外部设备的信号处理时应尽量使用组合逻辑关系构成条件来实现状态判断，避免在关键部件使用单一信号确认设备工作状态，即使个别信号出现错误时，系统不会因单一信号错误而影响正常功能。如防护门安全开关的线路应用，最低安全级别为使用一个长闭信号反馈到系统，用以监控防护门开关状态，为单一信号处理，可用于国内安全标准；当设备设计需要更高安全标准，以欧洲的CE标准为例，门开关应使用双回路开关，发出两个独立门开关信号，一路经由I/O模块返回数控系统，一路发送给安全继电器，由安全继电器结合其他接入安全信号，通过内部程序判断，给出安全信号再反馈到系统，与直接返回的信号逻辑比对，综合判断防护门运行状态；同时门开关解锁线圈的运行状态也设有开关信号进行监控，在系统中结合防护门状态以及解锁线圈的状态，可在多方面确认放回门的动作状态是否为合法安全动作，设备可在第一时间做出应对安全保护动作，最大程度保护操作人员人身安全与设备运行安全，提高设备的安全可靠性。

制造业已进入中国制造2025时代，数控设备面临更新换代，各类生产设备都会产生强烈的电磁干扰，数控设备日趋增加的各项功能要求更高的安全标准，数控设备电气控制系统的设计应着眼于提高设备可靠性。本文提到的方案均由实际生产，设备维护中总结而来，有很强的工程指导性，设计人员应根据不同设备的工作方式、工作环境及对不同安全标准的要求采用对应的设计方案。

参考文献：

[1]杨卫玲．数控机床抗干扰性能的检测及措施[J]．电工技术，2008(10)：46—48

[2] 孙道彬, 刘丽. 数控机床电气控制系统的故障诊断与维护[J].价值工程,2011(03).

[3] 沈春波. 数控机床电气控制系统中的电气隔离技术[J]. 科技创新与应用 2013(1).