基于開放式體系結構的數控機床可靠性及抗干擾設計

胡江平

(湖北工程職業學院，湖北 黃石 435000)

1 內部可靠性、抗干擾優化設計

1.1 可靠性優化設計

1.1.1 設計容錯、冗余

通過增設容錯元件、冗余陣列，可以增強體系的可靠性。其中的冷備份冗余系統，有11個工作單元，其余相同功能的單元并不會工作，僅當作后備單元。若工作單元出現失效問題，則后備系統便啟動，以維持系統正常作業，但冷備份單元卻并不可靠。而在熱備份體系中，各備份單元一直都是待機態，能及時切換故障，具有很好的可靠性。

1.1.2 建立監視程序運行的體系

為了監視程序運行，需增設看門狗電路。正常作業時，定期給看門狗輸送1個信號。若有段時間沒有輸送給看門狗信號，則看門狗會發出復位信號，把系統掛起來。

1.2 抗干擾優化設計

1.2.1 調整、保護內部電源

在計算機數控系統中，計算機電源一般通過多級濾波結合電壓集成調整器來調整，以快速適應交流電壓波動，能很好地保護過、欠電壓。同時，還就控制軸、相應模塊，單獨予以供電，以免影響它們間的電壓波動。

1.2.2 有效隔離

在計算機數控(CNC)系統、I/O回路中，除了濾波外還要進行隔離，以隔斷輸入/輸出聯系，抵御干擾信號。連接CNC的I/O端采用光電隔離，以分開I/O電路與地線，分別使用電源，并單向輸送信息，以防干擾信號饋入輸入端。連接電磁鐵、電磁閥的地方采用繼電器隔離，實現機械接觸。

1.2.3 直流濾波

目前，在直流電路中，改變負載會導致電源噪聲。例如，在數字電路的狀態轉變時，便會產生巨大的尖峰電流，瞬時發出噪聲。通過電容、電感等，能有效抑制這種噪聲。通常在電源入口，具體的跨接范圍，設置電感不大的電解、陶瓷等電容，以用作直流電源的濾波器。在大規模芯片電源中，往往會在引角設計濾波電容，而在中小規模電源中，則可數片共用一個適合的濾波電容。

2 外部抗干擾優化設計

2.1 電源抗干擾

當外部電網電壓出現波動時，會干擾數控機床，允許變化：380V、220V±15%。同時，電網負載電感也會干擾數控機床。據調查，100MHz以上的干擾會微弱影響數控機床，且通過壓敏、低通濾波，能控制20kHz～100MHz干擾明顯衰減；通過隔離變壓器，可以徹底消除低于20kHz的干擾；通過交流穩壓電源，可以徹底消除交流電壓的慢變，詳見圖1。

圖1 交流供電圖

2.2 屏蔽

就輻射式干擾而言，一般通過屏蔽來克服。①屏蔽干擾源，達到屏蔽靜電、磁的效果；②用雙層金屬柜屏蔽控制系統，這2層分別是電導性能優異、導磁性優異的鋁板、鐵板，以屏蔽設備、雷電、高壓線的干擾。

2.3 接地、布線

在數控機床中，地線有多種形式。有小信號電路、邏輯回路及其直流電源一起形成的工作地，也有電磁閥、繼電器及其運行驅動電源一起形成的功率地，但不可混接以上兩者。此外，系統中一切金屬構件的安全地必須接到大地上，且接地電纜的宜A>10mm2，且控制地電阻在1Ω以下。而布線時必須分開強、弱電，輸入、輸出線，脈沖、電平線。輸入信號，通過金屬屏蔽線，分開后再通過金屬管走線等就。外置PLC，既應單獨供電，也應專門安裝地線，便能串聯其他設備再接地。

3 結語

目前，開放式數控機床以其高自動化等優勢深受人們認可。但不可靠等因素，卻會嚴重影響著這該體系結構，甚至危及操作人員。所以，為了適應目前制造市場的嚴酷競爭、滿足業界信息化、便捷化發展要求，有關人士應積極設計出可靠性好、能抗干擾的優質數控機床。