數(shù)控機床輻射騷擾測試方法研究及整改應(yīng)用

李營花

(國家機床質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京 100102)

隨著機床數(shù)控系統(tǒng)的改造和更新應(yīng)用，數(shù)控機床應(yīng)用越來越廣泛。大多應(yīng)用在工業(yè)化制造工廠、集中加工車間場景中，需與其他設(shè)備協(xié)同配合形成生產(chǎn)線或共同完成零部件的加工、制造或裝配。這就使其必然存在電磁兼容問題：一方面會受到其他設(shè)備的電磁干擾，另一方面它本身處于工作狀態(tài)時也會對其他設(shè)備造成一定程度的電磁騷擾。

數(shù)控機床工作產(chǎn)生的電磁騷擾主要通過空間、線(電源線、信號線等)或兩者耦合進(jìn)行輻射和傳導(dǎo)，干擾其他設(shè)備的正常工作。容易造成其他設(shè)備功能不穩(wěn)定、程序錯亂和加工零件損壞等后果，嚴(yán)重的甚至造成停機停產(chǎn)。這就對數(shù)控機床電磁兼容性設(shè)計提出了更高的要求，而其設(shè)計的好壞要通過電磁兼容測試來檢驗。因此，數(shù)控機床的電磁兼容性測試，是電磁兼容設(shè)計的試金石，對其投入生產(chǎn)、順利完成生產(chǎn)任務(wù)起到重要把關(guān)作用，對數(shù)控機床可靠性增長具有指導(dǎo)意義。

1 自動切削機概況

本文研究對象是型號為70-5100的歐格八系全功能自動切削機床(以下簡稱“自動切削機”)。該自動切削機是一款配備開放式系統(tǒng)的五軸聯(lián)動牙科材料切削機床，由切削主機柜和水泵水箱(用于濕切加工)兩部分構(gòu)成，尺寸為863 mm×610 mm×(586×2)mm(長×寬×高)，樣品實物為圖2中所示被試品(EUT)，主要用在集中加工環(huán)境或醫(yī)療場所。若其向外輻射的電磁波過高，將會對其一定范圍內(nèi)的設(shè)備產(chǎn)生直接影響，輕者影響設(shè)備正常工作，重者造成醫(yī)療事故。因此，須對其進(jìn)行輻射騷擾特性測試，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，方可投入使用。

2 自動切削機輻射騷擾測試方法研究

2.1 測試原理及測量設(shè)備

電磁輻射是能量以電磁波形式由源發(fā)射到空間的現(xiàn)象，或能量以電磁波形式在空間傳播。電磁輻射騷擾測試是將EUT放在規(guī)定的高度，模擬正常運行狀態(tài)來布置，天線按規(guī)定的距離放置，在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)EUT，調(diào)節(jié)天線高度，使直射波和反射波接近或達(dá)到同相疊加，測出最大騷擾值。測試原理如圖1所示。

該自動切削機符合CISPR 11-2016中3.17規(guī)定的小型設(shè)備，在試驗場地可使用3 m測量距離。因此，測量場地采用本實驗室3 m法半電波暗室及屏蔽室。測量接收機使用安捷倫N9038A，使用3142E對數(shù)周期復(fù)合天線作為接收天線，搭配310N型前置預(yù)放大器，程控軟件使用TOYO EMI。同時，測試中使用了天線升降塔、轉(zhuǎn)臺、攝像頭等輔助設(shè)備。主要測量設(shè)備如表1所示。

表1 主要測量設(shè)備一覽表

2.2 EUT現(xiàn)場布置

應(yīng)在符合各種典型應(yīng)用情況下測量受試品，通過改變受試品的試驗布置來獲得騷擾電平最大值。

該自動切削機為落地式設(shè)備，為方便濕切加工模式下的水循環(huán)，在典型應(yīng)用情景中將切削主機柜平行放置于水泵水箱上面。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CISPR 16-2-3的要求，采用12 cm高木制絕緣臺將自動切削機與接地平面絕緣。電纜按照典型應(yīng)用情景放置，并保證在測試區(qū)域(1.2 m直徑，1.5 m離地高度)范圍內(nèi)。EUT現(xiàn)場測試試驗布置如圖2所示。

2.3 試驗參數(shù)設(shè)置

(1)測試頻段和距離

根據(jù)CISPR 11-2016的要求，對于1組A類設(shè)備的電磁輻射騷擾在9 kHz～30 MHz及1 000 MHz以上頻段無適用限值，因此僅在30～1 000 MHz頻率范圍內(nèi)對自動切削機進(jìn)行測試。測試距離為3 m。

(2)天線高度、極化方向

在試驗場地測量，天線中心在1～4 m高度變化，通過轉(zhuǎn)臺360°旋轉(zhuǎn)自動切削機，并在水平極化和垂直極化方向上分別進(jìn)行測量，以便在每一個測量頻率點獲得直射波和反射波同相位時會出現(xiàn)的最大指示值。

2.4 自動切削機輻射騷擾測試

按照以上自動切削機電磁輻射騷擾測試方法的分析研究，將試驗場地布置完善，確認(rèn)測試系統(tǒng)連接無誤并確認(rèn)試驗參數(shù)，進(jìn)行試驗測量。

(1)環(huán)境噪聲測試

首先進(jìn)行環(huán)境噪聲測試，自動切削機不通電的情況下測得環(huán)境噪聲符合限值以下6 dB的要求。

(2)典型工作狀態(tài)輻射騷擾測試

根據(jù)委托單位要求，自動切削機以空載方式運行典型加工程序，重復(fù)主軸運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為10 000 r/min。測試頻譜結(jié)果如圖3所示。

表2 自動切削機典型工作狀態(tài)下輻射騷擾懷疑點終測結(jié)果

3 頻譜分析及整改方案提出

根據(jù)CISPR 11-2016、GB 23712-2009、YY 0505-2012標(biāo)準(zhǔn)和該自動切削機的應(yīng)用場景及其供電特點，符合標(biāo)準(zhǔn)CISPR 11-2016中1組A類設(shè)備。電磁輻射騷擾特性限值如表3所示：

表3 自動切削機電磁輻射騷擾特性限值

顯然，自動切削機輻射騷擾測試頻譜和終測結(jié)果不滿足如上限值要求。雖然頻段前端超標(biāo)，但超標(biāo)頻段稀疏、最大超出限值13.3 dB，且后端的曲線包絡(luò)并不是很高。所以盡量通過改變外圍設(shè)計或配置來改善結(jié)果。

3.1 屏蔽體結(jié)構(gòu)整改方案

為查找發(fā)射源，使用近場探頭和頻譜分析儀近距離掃描，發(fā)現(xiàn)在環(huán)自動切削機1 m高度處30～100 MHz范圍內(nèi)騷擾值普遍較高。經(jīng)進(jìn)一步研究自動切削機的屏蔽結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，為方便實際使用時濕切加工模式下水循環(huán)，將切削主機柜安裝放置于水泵水箱上面，切削主機柜底部采用全開結(jié)構(gòu)。根據(jù)電磁干擾形成的三要素：騷擾源、傳播途徑和敏感設(shè)備，可以從抑制電磁騷擾源、抑制干擾耦合及提高敏感設(shè)備的抗擾能力3個方面降低電磁干擾。由于大部分電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、19把刀具換刀裝置、主軸和伺服系統(tǒng)均布置在切削主機柜中，全開結(jié)構(gòu)為電磁信號的傳播提供了有利途徑，因此抑制干擾耦合是解決該問題的最經(jīng)濟方案。

導(dǎo)電金屬中的自由電子可以向與電場相反的方向運動從而屏蔽電場，對電磁波產(chǎn)生反射，吸收和抵消等作用，從而起到減少電磁波輻射的作用。當(dāng)干擾電磁場的頻率較高時，利用低電阻率的金屬材料中產(chǎn)生的渦流，形成對外來電磁波的抵消作用，從而達(dá)到屏蔽的效果。因此，抑制干擾耦合技術(shù)中，金屬屏蔽技術(shù)可以有效隔離或減少輻射途徑的電磁騷擾。

采用屏蔽材料對切削主機柜底部進(jìn)行模擬封閉來驗證以上分析，驗證試驗采用單一變量法，試驗中的其他條件、布置、試驗參數(shù)和自動切削機工作狀態(tài)均不變，測試頻譜結(jié)果如圖4所示。

從結(jié)果頻譜可以看出，不僅30～100 MHz范圍內(nèi)騷擾值明顯降低，50～700 MHz頻率范圍內(nèi)垂直極化方向騷擾最大降低了44%。

3.2 電源線整改方案

盡管屏蔽措施在較寬的頻率范圍內(nèi)起到了降低騷擾的作用，但46 MHz頻率點附近的準(zhǔn)峰值仍然超出50 dB(μV/m)的限值要求。機柜底部屏蔽結(jié)構(gòu)上的開口雖然方便了電源線的引出，但同時使得內(nèi)部騷擾經(jīng)電源線傳導(dǎo)發(fā)射。此頻率為較低頻段，此頻段騷擾可通過增加磁環(huán)來改善。磁環(huán)具有低通高阻的特性。在電源線出口選用TDK生產(chǎn)的ZCAT2436-1330型鐵氧體鎳鋅磁芯磁環(huán)，該磁環(huán)具有高飽和磁感應(yīng)強度、高磁導(dǎo)率、頻率特性優(yōu)良等特點，其阻抗特性曲線如圖5所示。在46 MHz頻率點處的阻抗值為100 Ω，可以有效抑制該頻點電場。

基于以上分析和經(jīng)驗，在保留底部屏蔽材料和狀態(tài)不改變的基礎(chǔ)上采取將電源線增加磁環(huán)的試驗驗證措施，試驗中的其他條件、布置、試驗參數(shù)、自動切削機工作狀態(tài)仍然不變，測試頻譜如圖6所示。

由圖6易見，此措施在改善46 MHz頻率點附近騷擾超出限值的問題中取得了很好的效果，且裕量明顯變大。

綜上分析，確定了自動切削機的整改方案：切削主機柜底部增加屏蔽體，電源線增加磁環(huán)。驗證試驗證明了此整改方案的可行性。

4 整改方案應(yīng)用

在該自動切削機上實施以上整改方案，切削主機柜底部屏蔽結(jié)構(gòu)采用1 μm鍍鋅層的1 mm厚低碳鋼板，在電源線出口安裝ZCAT2436-1330型鐵氧體鎳鋅磁芯磁環(huán)。整改效果如圖7和圖8所示。再次測得自動切削機在30～1 000 MHz頻率范圍內(nèi)騷擾值滿足CISPR 11-2016標(biāo)準(zhǔn)限值要求，驗證了整改方案的有效性。

5 結(jié)語

本文研究了自動切削機輻射騷擾測試方法并應(yīng)用，為數(shù)控機床的電磁兼容試驗提供了理論依據(jù)。經(jīng)過對測試頻譜結(jié)果的分析，針對較寬頻率范圍內(nèi)騷擾值偏高的問題提出增加屏蔽體的整改方案，針對特定較低頻率點騷擾值偏高的問題提出了電源線增加磁環(huán)的整改方案，并經(jīng)試驗驗證了整改方案的可行性。在自動切削機上采取整改方案后，經(jīng)測試，在30～1 000 MHz頻率范圍內(nèi)騷擾符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，證明了整改方案的有效性、合理性。自動切削機電磁輻射騷擾值偏高的整改方案為數(shù)控切削機床類產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計及整改提供了經(jīng)驗和方案，在一定程度上豐富了電磁兼容設(shè)計思路，切實解決了在使用中干擾其他設(shè)備的實際問題。