数控机床辐射骚扰测试方法研究及整改应用

李营花

(国家机床质量监督检验中心，北京 100102)

随着机床数控系统的改造和更新应用，数控机床应用越来越广泛。大多应用在工业化制造工厂、集中加工车间场景中，需与其他设备协同配合形成生产线或共同完成零部件的加工、制造或装配。这就使其必然存在电磁兼容问题：一方面会受到其他设备的电磁干扰，另一方面它本身处于工作状态时也会对其他设备造成一定程度的电磁骚扰。

数控机床工作产生的电磁骚扰主要通过空间、线(电源线、信号线等)或两者耦合进行辐射和传导，干扰其他设备的正常工作。容易造成其他设备功能不稳定、程序错乱和加工零件损坏等后果，严重的甚至造成停机停产。这就对数控机床电磁兼容性设计提出了更高的要求，而其设计的好坏要通过电磁兼容测试来检验。因此，数控机床的电磁兼容性测试，是电磁兼容设计的试金石，对其投入生产、顺利完成生产任务起到重要把关作用，对数控机床可靠性增长具有指导意义。

1 自动切削机概况

本文研究对象是型号为70-5100的欧格八系全功能自动切削机床(以下简称“自动切削机”)。该自动切削机是一款配备开放式系统的五轴联动牙科材料切削机床，由切削主机柜和水泵水箱(用于湿切加工)两部分构成，尺寸为863 mm×610 mm×(586×2)mm(长×宽×高)，样品实物为图2中所示被试品(EUT)，主要用在集中加工环境或医疗场所。若其向外辐射的电磁波过高，将会对其一定范围内的设备产生直接影响，轻者影响设备正常工作，重者造成医疗事故。因此，须对其进行辐射骚扰特性测试，满足相关标准规定，方可投入使用。

2 自动切削机辐射骚扰测试方法研究

2.1 测试原理及测量设备

电磁辐射是能量以电磁波形式由源发射到空间的现象，或能量以电磁波形式在空间传播。电磁辐射骚扰测试是将EUT放在规定的高度，模拟正常运行状态来布置，天线按规定的距离放置，在水平面内旋转EUT，调节天线高度，使直射波和反射波接近或达到同相叠加，测出最大骚扰值。测试原理如图1所示。

该自动切削机符合CISPR 11-2016中3.17规定的小型设备，在试验场地可使用3 m测量距离。因此，测量场地采用本实验室3 m法半电波暗室及屏蔽室。测量接收机使用安捷伦N9038A，使用3142E对数周期复合天线作为接收天线，搭配310N型前置预放大器，程控软件使用TOYO EMI。同时，测试中使用了天线升降塔、转台、摄像头等辅助设备。主要测量设备如表1所示。

表1 主要测量设备一览表

2.2 EUT现场布置

应在符合各种典型应用情况下测量受试品，通过改变受试品的试验布置来获得骚扰电平最大值。

该自动切削机为落地式设备，为方便湿切加工模式下的水循环，在典型应用情景中将切削主机柜平行放置于水泵水箱上面。根据标准CISPR 16-2-3的要求，采用12 cm高木制绝缘台将自动切削机与接地平面绝缘。电缆按照典型应用情景放置，并保证在测试区域(1.2 m直径，1.5 m离地高度)范围内。EUT现场测试试验布置如图2所示。

2.3 试验参数设置

(1)测试频段和距离

根据CISPR 11-2016的要求，对于1组A类设备的电磁辐射骚扰在9 kHz～30 MHz及1 000 MHz以上频段无适用限值，因此仅在30～1 000 MHz频率范围内对自动切削机进行测试。测试距离为3 m。

(2)天线高度、极化方向

在试验场地测量，天线中心在1～4 m高度变化，通过转台360°旋转自动切削机，并在水平极化和垂直极化方向上分别进行测量，以便在每一个测量频率点获得直射波和反射波同相位时会出现的最大指示值。

2.4 自动切削机辐射骚扰测试

按照以上自动切削机电磁辐射骚扰测试方法的分析研究，将试验场地布置完善，确认测试系统连接无误并确认试验参数，进行试验测量。

(1)环境噪声测试

首先进行环境噪声测试，自动切削机不通电的情况下测得环境噪声符合限值以下6 dB的要求。

(2)典型工作状态辐射骚扰测试

根据委托单位要求，自动切削机以空载方式运行典型加工程序，重复主轴运转，转速为10 000 r/min。测试频谱结果如图3所示。

表2 自动切削机典型工作状态下辐射骚扰怀疑点终测结果

3 频谱分析及整改方案提出

根据CISPR 11-2016、GB 23712-2009、YY 0505-2012标准和该自动切削机的应用场景及其供电特点，符合标准CISPR 11-2016中1组A类设备。电磁辐射骚扰特性限值如表3所示：

表3 自动切削机电磁辐射骚扰特性限值

显然，自动切削机辐射骚扰测试频谱和终测结果不满足如上限值要求。虽然频段前端超标，但超标频段稀疏、最大超出限值13.3 dB，且后端的曲线包络并不是很高。所以尽量通过改变外围设计或配置来改善结果。

3.1 屏蔽体结构整改方案

为查找发射源，使用近场探头和频谱分析仪近距离扫描，发现在环自动切削机1 m高度处30～100 MHz范围内骚扰值普遍较高。经进一步研究自动切削机的屏蔽结构发现，为方便实际使用时湿切加工模式下水循环，将切削主机柜安装放置于水泵水箱上面，切削主机柜底部采用全开结构。根据电磁干扰形成的三要素：骚扰源、传播途径和敏感设备，可以从抑制电磁骚扰源、抑制干扰耦合及提高敏感设备的抗扰能力3个方面降低电磁干扰。由于大部分电气系统、控制系统、19把刀具换刀装置、主轴和伺服系统均布置在切削主机柜中，全开结构为电磁信号的传播提供了有利途径，因此抑制干扰耦合是解决该问题的最经济方案。

导电金属中的自由电子可以向与电场相反的方向运动从而屏蔽电场，对电磁波产生反射，吸收和抵消等作用，从而起到减少电磁波辐射的作用。当干扰电磁场的频率较高时，利用低电阻率的金属材料中产生的涡流，形成对外来电磁波的抵消作用，从而达到屏蔽的效果。因此，抑制干扰耦合技术中，金属屏蔽技术可以有效隔离或减少辐射途径的电磁骚扰。

采用屏蔽材料对切削主机柜底部进行模拟封闭来验证以上分析，验证试验采用单一变量法，试验中的其他条件、布置、试验参数和自动切削机工作状态均不变，测试频谱结果如图4所示。

从结果频谱可以看出，不仅30～100 MHz范围内骚扰值明显降低，50～700 MHz频率范围内垂直极化方向骚扰最大降低了44%。

3.2 电源线整改方案

尽管屏蔽措施在较宽的频率范围内起到了降低骚扰的作用，但46 MHz频率点附近的准峰值仍然超出50 dB(μV/m)的限值要求。机柜底部屏蔽结构上的开口虽然方便了电源线的引出，但同时使得内部骚扰经电源线传导发射。此频率为较低频段，此频段骚扰可通过增加磁环来改善。磁环具有低通高阻的特性。在电源线出口选用TDK生产的ZCAT2436-1330型铁氧体镍锌磁芯磁环，该磁环具有高饱和磁感应强度、高磁导率、频率特性优良等特点，其阻抗特性曲线如图5所示。在46 MHz频率点处的阻抗值为100 Ω，可以有效抑制该频点电场。

基于以上分析和经验，在保留底部屏蔽材料和状态不改变的基础上采取将电源线增加磁环的试验验证措施，试验中的其他条件、布置、试验参数、自动切削机工作状态仍然不变，测试频谱如图6所示。

由图6易见，此措施在改善46 MHz频率点附近骚扰超出限值的问题中取得了很好的效果，且裕量明显变大。

综上分析，确定了自动切削机的整改方案：切削主机柜底部增加屏蔽体，电源线增加磁环。验证试验证明了此整改方案的可行性。

4 整改方案应用

在该自动切削机上实施以上整改方案，切削主机柜底部屏蔽结构采用1 μm镀锌层的1 mm厚低碳钢板，在电源线出口安装ZCAT2436-1330型铁氧体镍锌磁芯磁环。整改效果如图7和图8所示。再次测得自动切削机在30～1 000 MHz频率范围内骚扰值满足CISPR 11-2016标准限值要求，验证了整改方案的有效性。

5 结语

本文研究了自动切削机辐射骚扰测试方法并应用，为数控机床的电磁兼容试验提供了理论依据。经过对测试频谱结果的分析，针对较宽频率范围内骚扰值偏高的问题提出增加屏蔽体的整改方案，针对特定较低频率点骚扰值偏高的问题提出了电源线增加磁环的整改方案，并经试验验证了整改方案的可行性。在自动切削机上采取整改方案后，经测试，在30～1 000 MHz频率范围内骚扰符合相关标准要求，证明了整改方案的有效性、合理性。自动切削机电磁辐射骚扰值偏高的整改方案为数控切削机床类产品的电磁兼容设计及整改提供了经验和方案，在一定程度上丰富了电磁兼容设计思路，切实解决了在使用中干扰其他设备的实际问题。