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东南大学硕士学位论文 数控系统电磁兼容性分析与主轴控制研究 刘春歌指导教师：蒋全兴 东南大学机械工程学院电磁兼容研究室 摘要 数控加工技术以其加工精度高并且操作简单，而成为现代机械加工的一种重要方法。许多工厂 因此而把原有的普通机床进行数控化改造，既可以提高生产效率，又能够减轻工人劳动强度。 因为针对数控系统应用过程的功能性已经有大量研究，而实际机床数控化改造应用中，缺乏对 于机床电磁兼容性的研究，所以本文依据实验室原有普通钻床的数控化改造过程，分析了数控系统 各个模块，使得数控系统不但能够满足功能要求，并且从电磁兼容性角度分析了数控系统的抗干扰 性和工作可靠性，探讨了电阻器、电容器、电感、线缆、连接器、变压器、继电器和电动机等器件 在电磁干扰问题和控制技术中的应用，作为在系统电路设计中选择合适的电子元器件的依据。对电 路板从功能性和电磁兼容性结合考虑，从排版和布线等角度考虑电路的电磁干扰发射和敏感度，借 助仿真软件分析并且讨论如何减小信号干扰和电源干扰的问题。使用e d a 仿真工具提供的直流分 析、瞬态功率分析、灵敏度分析及参数优化等功能，对数控系统和伺服驱动系统的电路进行了逻辑 分析和参数优化。 钻床的原有机械系统基本完好，为配合数控系统使用，重新设计了主轴进刀量控制机构，使得 原有使用齿轮齿条啮合的进刀方式与蜗轮蜗杆传动控制相结合。蜗杆蜗轮传动机构传动平稳、振动 小、冲击小，可以实现自锁，并且蜗轮蜗杆体积小、结构紧凑，重量轻。使用蜗杆蜗轮传动控制进 刀系统还可以实现大的传动比。钻床的数控化改造过程中，采用步进电机、滚珠丝杠传动方式，实 现两轴联动，在原钻床加工能力的基础上发展成可以加工曲线形状的工件。对机床其它结构进行了 适当的调整、修复和维护。 课题试验中，因为没有电路原理图，所以借助了仿真软件的作用，确定修复方案，并且最后提 供修复后的电路原理图。参考了国内外相关先进技术和经验方法，不但使改进后的机床操作简单， 自动化效率高，而且系统可靠性高，稳定性好。 关键词：数控系统电磁干扰敏感性蜗杆传动进给控制 摘要 r e s e a r c ho ne l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yo fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m a n dd e v e l o p m e n tf o rt h em a i na x l e l i uc h u n g e s u p e r v i s o r ：j i a n gq u a n x i n g e m cl a b ，c o l l e g eo f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g , s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , n a n j i n gc h i n a a bs t r a c t n u m e r i c a lc o n t r o l ( n c ) m a c h i n ei sw i d e l yu s e df o ri t sh i g ha c c u r a c ya n ds i m p l eo p e r a t i n gp r o c e s s i n s e e ko fh i g he f f i c i e n c ya n da l s of o rr e d u c i n gt h el a b o ri n t e n s i t y , m a n ym a c h i n i n gf a c t o r i e sg i v eb i g c o n c e l t i si nt h en cr e t r o f i t t i n go nm a c h i n et o o l s t h i sp a p e rf o c u s e so nh o wt oi m p r o v et h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yo ft h en cs y s t e m i ti sb a s e d o nt h en cr e t r o f i t t i n gp r o c e s so fad r i l lm a c h i n e 1 1 1 en cs y s t e mi sa n a l y z e dt ov e r i f yt h em a c h i n e s p e r f o r m a n c e s o m ep a r t sa n dc o m p o n e n t sf r o mt h i sn cs y s t e ml i k er e s i s t o r 、c a p a c i t o r 、i n d u c t o r 、 c o n n e c t o r 、c a b l el i n e 、r e l a ya n dm o t o ra r ee s p e c i a l l ys t u d i e dt og u a r a n t e et h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) t h er e s u l t sc a nb er e f e r e n c e dt oh e l pc h o o s ec o m p o n e n t sa n dp a r t s a ne d as o f t w a r en a m e d o r c a dr e p r e s e n t e db yc a d e n c ei su s e dt od r a wa l lt h el a y o u t s t h e l lw i t hh e l po fas i m u l a t i o ns o f t w a r e n a m e dp s p l c ea l s of r o mc a d e n c e ，a n a l y s i sa n do p t i m i z et h en cs y s t e mc i r c u i t ，m a k es u r et h a tt h i s m a c h i n ec a nw o r ks m o o t h l y t h em e c h a n i c a lp a r t so ft h i sd i l lm a c h i n ea r ei ng o o dc o n d i t i o n o n l yt h ef e e d i n gp r o c e s so ft h em a i n a x e lw a sm a n u a lc o n t r o l l e d t og e tt h em a x i m u mb e n e f i tf r o mt h en cs y s t e m ，w o r l na n dg e a rs t r u c t u r ei s a p p l i e di nt h ef e e d i n gp r o c e s s t h ew o r mg e a rh a sb e e ns e l e c t e df o rt h ed r i l ly a x i sr u n n i n gm e c h a n i s m s t e p p i n gm o t o ra n dr o ds c r e wa r eu s e di nt h es e r v os y s t e mt oa c h i e v ep l a n em o t i o n t h eo t h e rp a r t so ft h i s m a c h i n ea r ea d a p t e d i nt h i sn cr e t r o f i t t i n gp r o c e s s ，s o m ea d v a n c e dt e c h n i q u e sa n ds k i l l sb o t ha th o m ea n da b r o a da r e i n t r o d u c e da n dr e f e r e n t e dt oi m p r o v et h i sm a c h i n et h a ti tc a nw o r kw i t hh i g ha u t o m a t i o na n dr e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，e l e c t r o m a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y ， w o r mg e a r , f e e dc o n t r o l i i i 东南大学学位论文独创性声明及使用授权声明 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：童l 羞孟氐日期印秒形g , 21 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：墩导师签名： 日期：妒只多、2 占 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 1 1 1 数控技术在机床加工控制中的应用 机床数字控制( m a c h i n et o o ln u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 是用数字化信号对机床的运动及其加工过程 进行控制的一种控制方法【l 】。数控机床是装备了数控系统的机床，其加工过程是把刀具对工件的 运动坐标分割成一些最小的单位量，即最小位移量，由数控系统按照零件程序的要求，使刀具移 动若干个最小位移量( 即控制刀具的运行轨迹) ，从而实现刀具与工件的相对运动，完成对工件的 加工【2 】o n c 技术经过5 0 多年的发展，现代n c 系统已具备高速高精度加工的智能控制功能，它可以通 过轨迹插补运算完成螺旋线、渐开线等复杂曲线的加工；同时数控系统对最小位移量的控制能够平 滑机床的移动量，提高工件表面加工精度；数控系统还能够预计算出多程序段刀具轨迹，使进给系 统按照最优的迸给量和加速度工作，让机床的功能得到最大的发挥1 3 】。 现代的数控系统中引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，使得数控机床加工过 程中具有自动编程、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能。人机界面友好， 并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智 能化的进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。网络化的数控设备能够极大的满足生 产线、制造系统、制造企业对信息集成的需要，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全 球制造的基础单元。我国目前普通机床数量多，在机械部分完好的普通机床上依据实际需要加装数 控设备和数显设备以提高自动化程度从而减轻工人劳动强度，是一项非常经济实用的措施1 4 儿”。 数控技术作为采用信息技术对传统产业进行技术改造的典型应用，数控机床的发展受到越来越 多的机床制造业和科研机构的重视。随着微型计算机的迅速发展，计算机数控系统( c n c ) 的适用 范围更加广阔，数控机床的功能更加完善，并且可以依据需要设置。普通机床数字化改造业正在蓬 勃发展并且具有很好的市场前景和经济效益。 1 1 2 数控系统电磁兼容性 我国数控系统质量与国外同级产品相比，无论是设计水平还是实际使用，都较为逊色。日本的 f a n u c 公司的数控系统平均无故障工作时间为3 6 7 2 万小时，而我国要求达到3 0 0 0 小时为合格， 相差悬殊。其中扼制我国数控产品质量的一个主要原因是数控系统的电磁兼容问题。除却机床自身 机械结构，数控机床加工质量和效率越高，数控系统越复杂，工作速度越快。我国数控机床通过国 际e m c 认证困难，降低了我国数控机床的竞争性，同时引进国外数控技术和数控产品需要很多资 金。 1 2 数控系统电磁兼容性设计 1 2 1 数控系统自身电磁兼容性 数控系统电路主要由c p u 、动态存储器以及其它数字逻辑器件。数控电路产生的电磁干扰主要 是电路谐波、阻抗不匹配和串扰。 在数控系统工作过程中，电路逻辑状态高速变化，瞬态变化的电流具有很陡的上升时间和下降 时间，因此产生丰富的谐波。谐波不仅会增加系统的无功损耗，谐波电流和谐波电压还会加速元件 过热老化。数字电路中，计算电压过零点或者其它电压波形，取得电路同步工作。谐波电压导致电 路电压波形畸变，造成电压过零点漂移或者改变一个相间电压高于另一个相间电压的位置点。这两 种情况都会使得控制系统判断错误，进而引起机床误动作。数控系统中的可编程控制器( p l c ) ，要 1 东南大学硕士学位论文 求总谐波电压畸变率小于5 ，并且个别谐波电压畸变率小于3 。数控机床工作过程中，电路谐波 表现在显示器上有雪花或者乱码现象。虽然在软件上增加了抗干扰措施，硬件上也必须要有谐波抑 制设计。尤其谐波电流可能引起局部电路发生并联谐振或者串联谐振，将谐波能量放大。不但增大 了电路内部的损害，而且增大了整机的辐射发射，通过装置的缝隙或者线缆，辐射n ； i - 面，加大了 整机通过电磁兼容认证的难度，并且严重损害操作人员的身体健康。 文中主要分析了数控电路中元件的谐波特性，以及电源和隔离变压器丰富的谐波，研究平衡电 路设计中抑制奇次谐波的方法。 阻抗失配造成的反射干扰是数字电路常见的干扰类型。因为阻抗的不匹配，造成信号传输过程 中反射甚至多次反射，叠加的结果使得信号波形畸变，严重影响信号质量。任何信号的传输线，对 一定频率的信号来说，都存在着一定的非纯电阻性的波阻抗，其数值与集成电路的输出阻抗和输入 阻抗的数值各不相同，在他们相互连接时，势必存在着一些阻抗的不连续点。当信号通过这些不连 续点时便发生“反射”现象，造成波形畸变，产生反射噪声。另外，较长的传输线必然存在着较大的 分布电容和杂散电感，信号传输时将有一个延迟，信号频率越高，延迟越明显，造成的反射越严重， 信号波形产生的畸变也就越厉害。 本数控系统中，数控机床按照加工速度，分成1 5 级调速，也就是数控系统对应着1 5 种工作速 度。所以在调换工作速度时，电路波阻抗不变，但是信号速度变化了，阻抗不匹配，信号质量很难 保证，文中介绍了使用电路仿真软件计算电路阻抗减少失配的方法。实验验证了机床在1 5 级调速状 态下都可以正常工作。 串扰是两条信号线之间的耦合、信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。容性耦合引发耦合 电流；感性耦合引发耦合电压。p c b 板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线 端接方式对串扰都有一定的影响。 文中研究了p c b 布线方式对串扰的影响，以及合理使用地参考平面对减轻信号线之间串扰的作 用。因为地平面给信号线提供屏蔽的作用。电路板上的干扰主要是近场干扰，对于同一平面的信号 线尽量拉远，对于不同层的信号走线，层与层之间要求有地平面。同时走线方式影响辐射的大小， 文中仿真了直角走线和4 5 。角走线，在同样情况下的辐射量差异。 课题中还研究了线缆和连接器的电磁兼容问题。电缆是高效的电磁波接收天线和辐射天线，而 连接器作为能量的接入点，外部干扰可能会渗透进连接器而在触点上感应出电流和电压，反之，连 接器触点的射频能量可能泄漏出而干扰邻近的设备。文中分析了线缆的辐射模型，研究了连接器干 扰的产生原因和解决方法，易于理解和实践，具有重要的工程应用价值。 1 2 2 数控系统受到外界电磁干扰 数控机床的工作环境中有大量的高功率设备，这些设备在开启和关断过程中对电网造成很大的 脉冲冲击，电脉冲强度很大，虽然持续时间较短，但是频带很宽。文中介绍了数控电路的供电方式， 和信号的隔离设计。使得设备能够顺利通过j b t 8 8 3 2 2 0 0 1 “机床数控系统通用条件”中的电磁兼 容性要求。 数控装置的键盘和显示器最容易受到静电放电的危害。静电能量通过键盘耦合到数控电路，对 元件产生很大的危害，并且影响电路正常工作的信号质量。c e 认证、u l 安规认证以及国家标准 g b t1 7 6 2 6 2 电磁兼容试验和测试技术静电放电抗扰度试验都对设备的静电抗扰度有严格的要 求。文中详细分析了数控电路设计中，通过接地和搭接提供静电干扰的泄放途径，使得电路和元件 免受静电干扰。并且从布局和叠层设计中提高电路抗静电干扰的能力。 此外，因为使用不当也会降低数控系统的可靠性。经过统计分析，国产数控系统可靠性低的原 因主要是： ( 1 ) n 产的机电元器件质量较差。机床上容易出现问题的机电元器件有接插器、连接器、屏蔽电 缆、电容等，连接器和接插器在使用中出现接触欧姆值变大；阻容元件温度特性不够好；开关簧片 接触不牢等，给数控系统的可靠运行带来障碍。 2 第一章绪论 ( 2 ) 电源。在计算机数控系统故障统计分析中，由于受到电源传导干扰而引发的程序故障所占比 例最高。工厂的强电设备对电源有很强的干扰，运用电磁兼容性原理，加强电源系统的抗干扰性， 保证电子设备不受强的脉冲噪声干扰，安全运行。 ( 3 ) c n c 安装系统使用不当。数控系统的安装、调试和操作都应该遵循“使用手册”上面的指导。 1 3 研究目的与意义 普通机床数控化改造的意义在于，可以按照需要使用国内外最新的技术来改造现有机床。原有 普通机床的主体仍然可以使用，而数控改造后的机床工作效率和加工精度都得到很大的提高。在数 控化改造的过程中，出于经济效益考虑，很多企业的数控系统兼容性差，二次技术升级困难，尤其 是对数控系统的电磁兼容性考虑不足。数控系统在电磁环境恶劣的工业现场中能够安全工作必须满 足j b t 8 8 3 2 2 0 0 1 “机床数控系统通用条件”中的电磁兼容性要求。因为数控机床中既包含三相交 流电机、步进电机驱动器这样工作电流大于1 安培，工作电压高于3 6 伏的设备，又包含小电流、低 电压的弱电设备，比如微机控制与信号处理设备和传感器。此外，数控系统中还使用变压器、继电 器、机械开关等容易产生干扰的电子器件。强电设备产生的强烈电磁骚扰对弱电设备的正常工作构 成极大的威胁。此外，弱电设备还受到系统外各种动力负载、供电系统的骚扰。因为数控系统中控 弗0 设备为弱电设备，所以如果弱电设备因干扰而产生故障将影响整个机床系统的正常运行【6 】1 7 1l 引。 通过对数控系统的电磁兼容性分析，结合课题实际，提高数控机床可靠性的措施主要是： ( 1 ) 提高数控系统设计可靠性； ( 2 ) 提高伺服系统的设计可靠性； ( 3 ) 提高机械传动结构和功能部件的设计可靠性； ( 4 ) 采用有效的隔离和屏蔽技术，合理的接地与布线； ( 5 ) 正确使用数控系统功能。 传统的普通机床改造过程往往受到机床结构的限制，而不能充分发挥数控系统的功能甚至限制 了数控技术的使用。如何采用新技术来改造机床的主体，使得机床的新功能不受结构制约，而且加 工精度又得到相应提升，这一课题不仅对数控机床制造业具有重大意义，而且对机床技术的发展也 有很深远的影响。 1 4 本文的主要研究内容 本文在总结国内外普通机床数控化改造技术发展的基础上，结合本实验室普通钻床的数控化改 造过程，主要研究内容包括以下几点： ( 1 ) 恢复机床原有功能。对机床主体的机械部分进行修复，排除影响生产的故障。 ( 2 ) 分析数控系统在机床工作过程中，数控系统自身的电磁兼容性。数控系统自身做为干扰源， 数字电路工作时，产生高频辐射，数字元件工作状态变化时产生高频噪声，同时由于元件老化失效， 电路的阻抗发生变化，分析系统内部的电磁干扰。 ( 3 ) 分析数控系统可能受到的外界干扰。工厂其它机床设备在开启和关闭过程中，对电网产生 很大的脉冲冲击，分析提高数控系统的抗脉冲冲击能力的方法，电源滤波方法；同时数控系统的键 盘和显示器容易受到静电干扰，设计数控电路接地和搭接方式，对数控电路提供静电协防途径，使 电路和元件免受静电能量干扰。 ( 4 ) 实验检测设计结果满足要求，验证机床能正常工作。 ( 5 ) 重新设计机床的进刀控制系统，采用蜗轮蜗杆减速装置精确控制钻头的进刀量。 最后，通过本人对国内外机床数控化改造的学习，总结机床数控装置的电磁兼容性，对机床数 控化改造或者电磁兼容认证，有很好的参考价值。 3 东南大学硕士学位论文 第二章数控机床概述 2 1 数控机床简介 数控机床是采用数控技术进行加工控制的新型自动化机床，数控系统不仅能够控制机床各种动 作的先后顺序，还能够控制机床运动部件的运动精度和刀具相对工件的运动轨迹。数控机床也是发 展计算机辅助设计与控制( c a d c a m ) 与计算机集成制造系统( c i m s ) 等柔性加工和柔性制造系 统( f m s ) 的基础。 2 1 1 数控机床组成1 9 ，1 0 i 数控机床的组成如图2 1 所示。 图2 1 计算机数字控制系统框图 ( 1 ) 数控程序 数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令，即是由标准代码( 比如i s o 标准代码或e i a 标 准代码) 组成的加工程序清单。 ( 2 ) 输入装置 输入装置就是将n c 程序代码读入数控装置。它可以是磁盘驱动器或键盘。现代数控机床已经 可以通过通讯方式，将待加工的工件数控程序直接送入数控单元。 ( 3 ) 数控装置 数控装置是数控机床的核心，是由中央处理器( c p u ) 、存储器、各种输入输出接口等设备单元 组成的微机系统，其任务是对经输入装置输入的代码进行数据处理和相应运算，输出信息控制机床 各部分的运动完成工件的加工。 ( 4 ) 伺服系统 伺服系统是数控机床的执行部件，主要任务是把数控装置发来的指令信息进行功率放大，以驱 动机床运动。伺服系统由驱动器和伺服电机组成，与机床的执行部件和机械传动部件组成数控机床 的进给驱动系统。 ( 5 ) 机床的机械部件 数控机床的机械结构包括：各运动轴、工作台、传动轴、床身等部件，此外还有润滑、夹具等 辅助部件。 2 1 2 数控机床工作原理 数控机床工作原理框图见图2 2 。 4 第二章数控机床概述 伺服驱动机床主轴运动 加工 位置检测进给运动 _ 辅助控制 辅助动作 零件 图2 - 2 数控机床工作原理框图 本课题数控加工由人工编制数控程序，通过键盘输入数控系统，编写数控程序过程见图2 3 ， 然后由数控系统控制机床运动的启停、变速、运动方向和位移量，同时控制辅助运动比如刀具选择、 工件的夹持以及冷却等，数控系统控制刀具、工件和机床严格按照数控程序设定的顺序、路径和参 数运行，从而n q - 出形状、尺寸和精度符合要求的零件。 零 件 图 纸耋h | | | _ 竺兰! 竺叫蓁h 萎 2 2 数控系统组成 2 2 1 数控系统的硬件组成 数控系统硬件组成如图2 - 4 所示。 图2 3 数控系统编程过程 回 数 控 机 床 e p r o ml 啼 叫输入接口l 卜 机床 强电 r a m 卜叫输出扣卜 控制 上位机h 却k - i v i ) i k ：r t 卜i 接口i + 一位置控制| _ + i 伺服单元 图2 - 4 数控系统组成图 ( 1 ) 微处理器c p u ，它是c n c 装置的核心。 ( 2 ) 存储器，分为r o m 和r a m 。r o m 存储数控系统的控制软件，r a m 存储零件加工信息。 ( 3 ) 通信输入输出接口，键盘、显示器等人机交互设备以及通过总线与上位机之问进行各种加 工和控制信息传递。 ( 4 ) 开关量输入输出接口，机床继电器、行程开关等的控制接口电路。 ( 5 ) 位置控制装置，对伺服驱动装置进行控制的电路。 2 2 2 计算机数控装置接口电路【s 】 c n c 装置通过接口电路与机床外部设备连接并且实现通讯功能，主要有三种类型的接口电路： ( 1 ) 与驱动控制器或测量装置之间的连接电路： ( 2 ) 电源及保护电路； ( 3 ) 开关信号连接电路。 5 东南大学硕士学位论文 第( 1 ) 类接口传送的信息是c n c 装置与伺服单元、驱动电机、位置检测以及速度检测之间的控 制信息，属于数字控制、伺服控制和检测控制。 第( 2 ) 类电源与保护电路由数控机床强电线路中的电源控制电路组成。强电线路包括电源变压 器、继电器、接触器、保护开关、断路器等，为驱动单元、主轴电机、辅助电机、电磁铁、电磁阀、 离合器等功率执行元件供电。 第( 3 ) 类开关信号连接电路是c n c 装置与机床参考点、限位、面板开关等连接控制的信号。 接口电路主要完成以下任务： 进行电平转换和功率放大 一般c n c 装置的信号是t t l 电平，而控制机床和来自机床的信号电平通常不是t t l 电平，需 要通过接口电路来转换及放大。 防止干扰引起误动作 机床电器与数控装置之间用光电耦合器或者继电器实现电气隔离，防止电路间的干扰耦合。 模拟量和数字量之间的转换 c n c 的微处理器处理的是数字信号，进给轴和伺服控制等设备有模拟信号，需要在c n c 装置 和收发模拟信号的设备之间使用数模或者模数转换器。 2 3 数控机床存在干扰分析 所有的电子和电气设备都既是电磁干扰源又是电磁敏感设备，以前工业环境和生活环境中的电 磁噪声并不严重，许多电子工程师在设计中不需要借鉴电磁兼容经验。现在由于电磁干扰日益严重 地影响到电子产品的性能，对电子电气产品的电磁兼容性要求也成为检验产品质量的指标之一。下 面介绍电子产品电磁兼容的概念和影响电磁兼容性的因素，1 2 】。 电磁兼容性( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，简称e m c ) 指的是设备、分系统、系统在共同的电 磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。即：该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其它设备 的电磁发射导致不允许的降级；它也不会使同一电磁环境中的其它设备、分系统、系统因受其电磁 发射而导致不允许的降级。 电磁骚扰( e l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c e ) 与电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 电磁骚扰是 指任何可能引起器件、设备或系统性能降低的电磁现象，电磁骚扰可能是电磁噪声、无用信号或传 播媒介本身的变化；电磁干扰强调的是电磁骚扰现象所造成的后果。一般来说人们并不会严格区分 二者的区别，而统称为电磁干扰。 抗扰度( i m m u n i t y ) 与电磁敏感度( e l e c t r o m a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y ) 抗扰度是指存在电磁骚扰的 情况下，器件、设备或系统性能不降低条件下的正常运行能力；敏感度衡量的是电子设备或分系统 对电磁环境所呈现的不希望有的响应程度。敏感度阈值越小，抗扰度越差。 电磁兼容性涵盖了电磁干扰( e m i ) 与电磁敏感度( e m s ) 两个方面，为实现系统内或系统间 设备互不干扰、兼容运行，既要控制骚扰源的电磁发射，又要提高受骚扰对象的抗扰度。电磁兼容 涉及电磁能量的产生、传输和接收三个方面，如图2 5 所示，它表明防止产生电磁干扰的三个主要 途径： ( 1 ) 抑制发射源的发射； ( 2 ) 尽量伎耦合路径无效； ( 3 ) 使接收器对发射不敏感。 图2 5e m c 耦合问题的基本分解框图 电磁兼容技术是一门多学科交叉的综合性技术，强调理论和实践结合，随着电子技术、通信技 术以及机电一体化技术等高新科技的发展和应用，产品的电磁兼容性已经越来越受到人们的重视， 6 第二章数控机床概述 并且产品在进入市场以前必须通过相应的电磁兼容标准的测试，经过认证合格后才能投入市场。 在产品的设计过程中考虑电磁兼容性的优点是：( 1 ) 提前选择合适的元器件，避免重新设计， 可以使产品在满足强制要求的情况下最小化产品的成本：( 2 ) 保证产品的上市时间；( 3 ) 确保产品 在使用中不会因为受到外界环境的电磁干扰而出现故障。以上几点在保证产品的市场竞争力上与产 品的技术性能一样重要。 2 3 1 数控系统电磁兼容性要求【1 3 j 数控机床的工作性能必须满足“j b t 8 8 3 2 2 0 0 1 机床数控系统通用技术条件”的规定。因为数 控机床的工作场所经常是电磁环境恶劣的工业现场，所以标准中对数控系统的电磁兼容性有特定的 要求。在机床数控系统设计中要考虑到的电磁兼容性问题包括： ( 1 ) 电压暂降和短时中断抗扰度 数控系统运行时，在交流输入电源任意时间电压幅值降为额定值的7 0 ，持续时间5 0 0 m s ，相 继降落间隔时间1 0 m s ；在交流输入电源任意时间电压短时中断3 m s ，相继中断间隔时间为1 0 m s 。 电压暂降和短时中断各进行3 次，数控应该能够正常工作。 ( 2 ) 浪涌( 冲击) 抗扰度 数控系统运行时，分别在交流输入电源相线之间叠加峰值为l k v 的浪涌( 冲击) 电压；在交流 输入电源相线与保护接地端( p e ) 间叠加峰值为2 k v 浪涌( 冲击) 电压。浪涌冲击重复率为1 次m i n ， 极性为正负极。试验时正负各进行5 次，要求数控系统保持正常工作。 ( 3 ) 电快速瞬变脉冲群抗扰度 分为两类：第一类，在数控系统运行时，分别在交流供电电源端和保护地端( p e ) 之间，加入 峰值2 k v 、重复频率5 k h z 脉冲群，时间i m i n ，试验时数控系统正常工作；第二类，在数控系统运 行时，在i o 信号、数据和控制端口电缆上用耦合夹加入峰值l k v ，重复频率5 k h z 脉冲群，时间 r a i n 。试验时要求数控系统正常工作。 ( 4 ) 静电放电抗扰度 数控系统运行时，对操作人员经常触及的所有部位和保护地端( p e ) 之间进行静电放电试验， 接触放电电压6 k v ，空气放电电压8 k v ，试验中数控系统正常运行。 2 3 2 存在干扰源分析【1 4 ，1 5 ，1 6 ，1 7 】 由于电子技术的广泛应用，频谱占用的日益拥挤，设备布局密集，大功率设备和对干扰敏感的 精密仪器增多，使电磁兼容性问题越来越突出。实践证明，电磁兼容问题是依靠周密有效的设计实 现的，不是通过试验测试解决的。所以电磁兼容性设计应该与功能性设计同步进行、并行展开，而 且经验证明在设计初期就充分考虑设备的电磁兼容性，则问题的尽早提出可以尽早采取有效的解决 措施，降低产品经费。在设计的起始阶段有很多措施可以有效抑制电磁发射和控制干扰产生的问题， 因而成本低；等到产品投产后发现电磁兼容问题，不仅仅是可用的办法有限制，而且解决困难，从 而使得成本大大增加。 在数控机床中存在的可能引起电磁兼容性问题的电磁干扰源1 9 咆括： ( 1 ) 输电线路的电磁干扰 电力产生、变换与传输装置产生的电磁发射，其频率范围从5 0 h z 的工频到超高频段。有两种 噪声源被查明与电力线路系统有关：空气隙击穿和电晕放电。输电线路支持高频瞬变信号和其它信 号的长距离低衰减传播。输电线路因为线路和支撑件的周期性机械结构，构成谐振电路元件。这些 谐振有时可能稍微提高噪声频谱的峰值。输电线路噪声的时域波形是随机的和脉冲的，突发脉冲的 细微结构表现为持续时间短、上升时间快、畸变的方波，并常在高重复频率上发生。 由多用户产生的电磁干扰。在用户处注入输电线的宽带噪声有两种：因电压调整不当产生的线 电压偏移和由设备的切换产生的电感性瞬变过程。前者导致由用户电路负荷改变而产生的差模带宽 噪声。负载工作时大量涌入的瞬变电流，由于配电系统的源阻抗、分布电感和有限的线电压调整率 的缘故，造成输电线的电压浪涌和电压降。负载断开时，因为电流变化和有限的调整率的缘故，线 7 东南大学硕士学位论文 电压也将改变。后者即电感性瞬变过程，通常与电动机、螺线管、继电器和其它电感性负载有关， 特别是当这些负载通断从而产生随时间变化的电流时，导致电压的瞬变振幅可以达到高达额定线电 压1 5 倍的量级，而其上升时间可短到1 0 m s 。 ( 2 ) 元器件电磁干扰源 因为数控机床中整体包含有电线、电缆，连接器、电动机，开关、继电器，晶体管、二极管、 可控硅等，都属于元器件电磁干扰源，其工作本质是电磁干扰变换器，它们把电能转变成电气噪声。 ( 3 ) 电线、电缆与连接器 电线与电缆虽然本身并不产生电磁干扰，但却为进出其它电线、电缆、电路或设备的有害能量 提供了感应或辐射的“媒介”。 连接器本身也不是直接的电气噪声源，但是如果接触不良可以间接产生电磁干扰。实际上连接 器的作用原理类似于对环境敏感( 例如对冲击或振动敏感) 的变阻抗开关，结果使电流或电压源受 阻抗调制，从而会发射电磁干扰。 ( 4 ) 开关、电磁线圈与继电器 数控机床的控制系统中有大量电磁开关、继电器，在继电器断开的瞬间，其贮存的磁能可以产 生比供电电压高1 0 - - - 2 0 倍的感应电压，在开关的触点上将产生飞弧，它可以传导和或辐射宽带瞬 变电磁干扰。 ( 5 ) 有源器件 数控机床控制电路中的有源器件比如晶体管、二极管，也能产生电磁干扰。二极管由于反向恢 复周期形成来自交流电源的瞬时尖峰而产生瞬变过程。晶体管产生热噪声、散弹噪声与闪烁噪声， 限制了它在低电平放大方面的灵敏度；在高频下还可能发生寄生振荡。 ( 6 ) 电动机 数控机床的进给传动电动机采用步进电机，步进电机有两种基本类型：永磁铁( p m ) 和可变磁 组( v r ) 。这两种类型都是应用于定子的固定绕组的直流电去产生磁极。为了产生精确的定位，转 子和定子在它们的周线上分割为许多个极点。p m 步迸电机的转子是一个由稀土材料制作成的永磁 铁；v r 步进电机的转子由短线圈组成。定子中的磁通量在这些短线圈中感应出电流，而该电流又 在转子上感应出磁极。转子的绕组同相排列以提供不同程度的磁极分段，为降低磁路的磁阻，转子 极与被激励的定子极应对准。 因为驱动电路导线和电动机外壳之间存在共模电流，而电动机外壳又与机床相连接。由下图2 - 6 是步进电机驱动电路的工作原理图，由图可见，接通晶体管t l 和t 4 ，比如，让电流以指定的方向 经过相位a 和相位d ，使电动机转向一个要求的位置。将这些定子持续地接通电源和断开电源将产 生高频噪声并且会传送到连接线上。( 步进电机在工作时其电枢绕组通断频繁，当通电时会产生较大 的d u d t 、d i 衍值，形成严重的电磁干扰。当电枢绕组断电时，线圈中的磁场突然消失会产生很 高的瞬变电压窜入控制回路，对系统中的其它电子装置造成相当大的电能冲击。) 在输入导线和电动 机机身之间存在寄生电容，电动机外壳与机床床身连接。因此输入线上的噪声电流传送到机床床身 并且经由此回路返回到驱动电路。而共模电流通过由驱动线和接地面构成的环路变成差模电流。对 于一个典型的小型步进电机来说，输入线( 通常绑在一起) 和电动机机架之间的共模阻抗的测量表 明7 0 m h z 时共模阻抗为3 q ，接近为零值。 8 第二章数控机床概述 图2 - 6 步进电动机的典型驱动电路 ( 7 ) 能源与信号源 在数控机床工作时其内部消耗功率或者产生电磁能量以及控制信号的装置自身都是潜在的电磁 干扰源。数控机床中伺服控制电路、微机控制系统都对其它电子装置构成很大的电磁干扰威胁。 小结 数控机床的床身、伺服驱动系统与数控系统的连接中需要用到线缆、开关、继电器等器件，伺 服系统的电动机，电源电路的变压器，还有数控系统的高速数字电路，以及电路中的电子元件，如 果使用不当，都会产生电磁兼容性问题，从而威胁机床的工作可靠性，并且也限制了机床的技术升 级。在系统电路的设计中，将功能要求和电磁兼容结合考虑，从电路设计、元件选择、参数设定和 版图设计等系统设计的每一个步骤中分析可能引起干扰的因素，检查数控机床整体连接中存在的不 合理布置。 9 东南大学硕士学位论文 第三章钻床数控系统优化设计与电磁兼容 性分析 电磁兼容学科的发展和研究表明，对于电子电气设备，在其功能设计的初期就应该同步进行电 磁兼容性分析。本章在第二章的基础上，全面分析数控机床存在的电磁耦合因素，并且借助计算机 辅助分析和预测方法【1 8 l ，从电路设计到电子器件选择，综合考虑如何降低电磁干扰问题出现的可能 性，提高机床的工作可靠性。 3 1e d a 技术介绍 e d a 技术是在电子c a d 技术基础上发展起来的计算机软件系统，是指以计算机为工作平台， 融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。 现在国内使用较多影响广泛的电路设计仿真软件o r c a d ，最新版本o r c a d l 0 5 是c a d e n c e 公司于 2 0 0 5 年7 月推出的电子设计自动化( e d a ) 软件系统，其中包括三个主要部分： 1 ) 内置元器件信息系统的原理图输入器( c a p t u r ec i s ) ； 2 ) 模拟和混合信号仿真( p s p i c e a d ) 和高级分析( p s p i c e a a ) ； 3 ) 印制电路板设计( l a y o u tp l u s ) 。 o r c a d 与f p g a 设计系统( f p g as t u d i o ) 有接口，形成了完整的输入、分析、编辑和制造的 全线e d a 辅助设计工具c a d e n c es t u d i o 系列化解决方案。 3 1 1c a p u r ec i s1 0 5 1 1 9 , 2 0 1 由于o r c a dc a p t u r e 能够提供直观界面和具有丰富的功能，从而使其成为原理图设计输入的工 业标准。o r c a dc a p t u r ec i s ( c o m p o n e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是内置的元器件高级文档管理系统，不 仅提供c a p t u r e 的完整功能，还提供了一个完美的元器件数据管理接口，它可以通过m i c r o s o f t w i n d o w s 的o d b c 接口去连接不同的数据库整合元器件数据库的所有信息。使用这个功能可以全面 地设计输入工具和管理环境，可以减少查找和手工输入元器件资料的时间及人为的错误。o r c a d 1 0 5c a p t u r ec i s 的结构如图3 一l 所示。 项目管理模块 p r o j e c tm 瑚g e r i 上上 上 l 嚆嚣h 蠹h 啦p a g 陇e e d 制i t o 张r t ic i s ( i c a ) l 1 l 后处理工具 + 网表文件生成 生克计报表输出 图3 1o r c a d c a p t u r ec i s 软件功能 ( 1 ) 项目管理模块( p r o j e c tm a n a g e r ) c a p t u r ec i s 对电路设计实行项目管理。p r o j e c tm a n a g e r 既管理电路图的绘制。还协调处理电路 l o 东南大学硕士学位论文 和数字激励( 如信号、时钟和总线等) 。 ( 4 ) 可以进行各种电路仿真，如直流分析、交流分析、瞬态分析、参数分析、容差分析、温度 分析等，其精确程度主要依赖于元器件模型精确度的选择。分析结果可以作为检验电路设计是否合 理的依据以及进一步修改电路的参考。 ( 5 ) p s p i c ea d 包括了x i l i n x 的所有产品库，其独特的f p g a 和数模混合设计能力，能便捷地 进行印制电路板设计。 ( 6 ) 模拟仿真方法和事件驱动法的数字仿真综合利用，从而提高了仿真的速度，而不会降低精 度。 ( 7 ) p s p i c e 优化器( p s p i c eo p t i m i z e r ) 在指定可变的参数和要优化的性能指标下进行优化， p s p i c e a a 是新版本更新最多的一部分( 对p a r a m e t r i c 及s p e c i f i c a t i o n s 的个数无限制) 。 3 1 3 使用o r c a d 设计电路和仿真的意义1 2 1 ，捌 根据第二章的数控系统存在的干扰分析，以及电路自身设计中也存在不容忽视的电磁干扰，数 控系统微机接口电路以及伺服驱动电路都是敏感电路，并且数控系统内部电子器件密度大，走线窄， 不可避免的存在e m c 和e m i 的问题，所以对钻床数控系统的电磁兼容性分析十分重要。 为了进行电路模拟，必须先建立元器件的模型，也就是对于电路模拟程序所支持的各种元器件， 在模拟程序中必须有相应的数学模型来描述。而一个电子系统中往往包括上百种来自于不同生产厂 家的功能各异的电子元器件，设计者要进行e m c e m l 分析就必须了解这些元器件的电气特性，之 后才能具体模拟仿真。s p i c e ( s i m u l a t i o np r o g r a mw i t hi n t e g r a t e dc i r c u i te m p h a s i s ) 元器件模型是以 元器件的工作原理为基础，从元器件的数学方程式出发，得到的器件模型及模型参数与器件的物理 工作原理密切相关。s p i c e 电子元件模型