數控機床輻射騷擾測試方法研究及整改應用

李營花

(國家機床質量監督檢驗中心，北京 100102)

隨著機床數控系統的改造和更新應用，數控機床應用越來越廣泛。大多應用在工業化制造工廠、集中加工車間場景中，需與其他設備協同配合形成生產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備的電磁干擾，另一方面它本身處于工作狀態時也會對其他設備造成一定程度的電磁騷擾。

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

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的五軸聯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境或醫療場所。若其向外輻射的電磁波過高，將會對其一定范圍內的設備產生直接影響，輕者影響設備正常工作，重者造成醫療事故。因此，須對其進行輻射騷擾特性測試，滿足相關標準規定，方可投入使用。

2 自動切削機輻射騷擾測試方法研究

2.1 測試原理及測量設備

電磁輻射是能量以電磁波形式由源發射到空間的現象，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放在規定的高度，模擬正常運行狀態來布置，天線按規定的距離放置，在水平面內旋轉EUT，調節天線高度，使直射波和反射波接近或達到同相疊加，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規定的小型設備，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對數周期復合天線作為接收天線，搭配310N型前置預放大器，程控軟件使用TOYO EMI。同時，測試中使用了天線升降塔、轉臺、攝像頭等輔助設備。主要測量設備如表1所示。

表1 主要測量設備一覽表

2.2 EUT現場布置

應在符合各種典型應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備，為方便濕切加工模式下的水循環，在典型應用情景中將切削主機柜平行放置于水泵水箱上面。根據標準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。電纜按照典型應用情景放置，并保證在測試區域(1.2 m直徑，1.5 m離地高度)范圍內。EUT現場測試試驗布置如圖2所示。

2.3 試驗參數設置

(1)測試頻段和距離

根據CISPR 11-2016的要求，對于1組A類設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頻率范圍內對自動切削機進行測試。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，通過轉臺360°旋轉自動切削機，并在水平極化和垂直極化方向上分別進行測量，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，確認測試系統連接無誤并確認試驗參數，進行試驗測量。

(1)環境噪聲測試

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

(2)典型工作狀態輻射騷擾測試

根據委托單位要求，自動切削機以空載方式運行典型加工程序，重復主軸運轉，轉速為10 000 r/min。測試頻譜結果如圖3所示。

表2 自動切削機典型工作狀態下輻射騷擾懷疑點終測結果

3 頻譜分析及整改方案提出

根據CISPR 11-2016、GB 23712-2009、YY 0505-2012標準和該自動切削機的應用場景及其供電特點，符合標準CISPR 11-2016中1組A類設備。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果不滿足如上限值要求。雖然頻段前端超標，但超標頻段稀疏、最大超出限值13.3 dB，且后端的曲線包絡并不是很高。所以盡量通過改變外圍設計或配置來改善結果。

3.1 屏蔽體結構整改方案

為查找發射源，使用近場探頭和頻譜分析儀近距離掃描，發現在環自動切削機1 m高度處30～100 MHz范圍內騷擾值普遍較高。經進一步研究自動切削機的屏蔽結構發現，為方便實際使用時濕切加工模式下水循環，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構。根據電磁干擾形成的三要素：騷擾源、傳播途徑和敏感設備，可以從抑制電磁騷擾源、抑制干擾耦合及提高敏感設備的抗擾能力3個方面降低電磁干擾。由于大部分電氣系統、控制系統、19把刀具換刀裝置、主軸和伺服系統均布置在切削主機柜中，全開結構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濟方案。

導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。當干擾電磁場的頻率較高時，利用低電阻率的金屬材料中產生的渦流，形成對外來電磁波的抵消作用，從而達到屏蔽的效果。因此，抑制干擾耦合技術中，金屬屏蔽技術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、試驗參數和自動切削機工作狀態均不變，測試頻譜結果如圖4所示。

從結果頻譜可以看出，不僅30～100 MHz范圍內騷擾值明顯降低，50～700 MHz頻率范圍內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起到了降低騷擾的作用，但46 MHz頻率點附近的準峰值仍然超出50 dB(μV/m)的限值要求。機柜底部屏蔽結構上的開口雖然方便了電源線的引出，但同時使得內部騷擾經電源線傳導發射。此頻率為較低頻段，此頻段騷擾可通過增加磁環來改善。磁環具有低通高阻的特性。在電源線出口選用TDK生產的ZCAT2436-1330型鐵氧體鎳鋅磁芯磁環，該磁環具有高飽和磁感應強度、高磁導率、頻率特性優良等特點，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。

基于以上分析和經驗，在保留底部屏蔽材料和狀態不改變的基礎上采取將電源線增加磁環的試驗驗證措施，試驗中的其他條件、布置、試驗參數、自動切削機工作狀態仍然不變，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。驗證試驗證明了此整改方案的可行性。

4 整改方案應用

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構采用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。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頻率范圍內騷擾值滿足CISPR 11-2016標準限值要求，驗證了整改方案的有效性。

5 結語

本文研究了自動切削機輻射騷擾測試方法并應用，為數控機床的電磁兼容試驗提供了理論依據。經過對測試頻譜結果的分析，針對較寬頻率范圍內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的整改方案，并經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，經測試，在30～1 000 MHz頻率范圍內騷擾符合相關標準要求，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控切削機床類產品的電磁兼容設計及整改提供了經驗和方案，在一定程度上豐富了電磁兼容設計思路，切實解決了在使用中干擾其他設備的實際問題。