1. Електричний шум
Електричні перешкоди в системі викликаються електромагнітними перешкодами (EMI), коли сигнали, що з’являються в одній електричній ланцюзі, створюють перешкоди в сусідній ланцюзі через електромагнітну індукцію, електростатичне з’єднання або провідність. EMI може спричиняти проблеми в щоденній роботі верстата з CNC і проявлятися різними способами, такими як помилкове спрацьовування кінцевих вимикачів, передчасне переривання операцій зондування інструменту, пошкодження послідовного каналу передачі даних до VFD або нестабільна робота систем управління CNC та програмного забезпечення.
Коли струм проходить через провідник, створюється магнітне поле. Зі збільшенням струму магнітне поле посилюється, а потім знову зникає, коли струм перестає протікати. Якщо це змінне магнітне поле перетинає інший провідник, воно може індукувати в ньому небажану напругу, яка проявляється у вигляді шуму.
Існує кілька методів, які можна застосувати для мінімізації впливу ЕМІ в будь-якій електричній системі. Найефективнішим з них, очевидно, є запобігання виникненню шуму. На практиці метод контролю впливу ЕМІ зазвичай полягає в застосуванні заходів, що запобігають забрудненню бажаних сигналів в системі CNC шумом.
2. Земля, земля та спільне
При використанні таких термінів, як «земля», «заземлення» та «спільний», може виникнути плутанина. У деяких випадках вони можуть використовуватися для опису одного й того самого поняття, а саме точки в електричній системі, до якої відносяться всі напруги. У цій статті терміни «земля» та «заземлення» відносяться до точки, в якій вхідне мережеве живлення заземлюється, тоді як «спільний» — це зворотний або негативний вивід на джерелі постійного струму. У деяких випадках допускається заземлення загального виводу на джерелі постійного струму, тим самим надаючи негативному виводу на цьому джерелі той самий потенціал, що і вхідному заземленню змінного струму, але для цілей цього обговорення терміни «земля» і «загальний» повинні бути чітко розмежовані, щоб уникнути плутанини.
3. Вибір та використання дроту
Провід буває різних типів, розмірів і конфігурацій. Перебрати всі доступні типи проводів — завдання надзвичайно складне, але для цілей цієї статті необхідно розглянути лише типи проводів, які зазвичай використовуються при підключенні контролера ЧПУ. Крім того, спосіб використання проводу може мати певний вплив на систему в цілому. Нижче наведено кілька порад, які можуть виявитися корисними.
3.1. Однопровідний дріт
Провід буває двох типів: з суцільним провідником і багатожильний. Провід з суцільним сердечником зазвичай дешевший за багатожильний, але більш схильний до руйнування, якщо використовується в умовах, де передбачається багаторазове згинання. На щастя, поширеність багатожильного проводу на ринку означає, що його використання слід заохочувати, де це можливо.
Проводи повинні бути закінчені таким чином, щоб всі жили провідника були акуратно і надійно розміщені в з’єднувальному роз’ємі. Це можна зробити, скрутивши жили перед вставкою в закінчення або використовуючи обтискну клему, таку як лопатка або шнурок. Слід подбати про те, щоб жодна жила проводу не виходила за межі закінчення, щоб запобігти випадковому короткому замиканню з сусідніми закінченнями.
Якщо використовуєте обтискну муфту на оголеному дроті, уникайте паяння жил перед обтисканням. Обтискання наконечника на паяному дроті може призвести до того, що наконечник з часом розхитається, оскільки паяні жили втрачають свою стисливість після нанесення обтиску. З тієї ж причини паяний дріт не слід встановлювати в клемній коробці, де гвинт при затягуванні вгризається безпосередньо в дріт.
Під час зачищення дроту для підключення знімайте лише мінімальну кількість ізоляції, необхідну для того, щоб підключення було повністю закрите після завершення роботи. Занадто сильне зачищення ізоляції призведе до оголення частини дроту, що може спричинити коротке замикання.
Також слід враховувати схему, для якої призначений провід; напруга, при якій працює схема, та сила струму, що протікає по ній, впливають на вибір проводу, який буде використовуватися. Тонка ізоляція на шматку переробленого кабелю Ethernet CAT5 недостатня, щоб витримати напругу, яка може з’явитися на вихідних клемах частотно-регульованого приводу, а площа поперечного перерізу провідника недостатня, щоб пропускати струм силою в кілька ампер без перегріву та потенційної небезпеки виникнення пожежі. І навпаки, хоча цілком допустимо підключати ланцюг кінцевого вимикача за допомогою кабелю площею 2,5 кв. мм, це створює зайвий об’єм у джгуті проводів. Зверніться до документації виробника та місцевих норм електромонтажу для отримання інформації про мінімальні рекомендовані розміри дротів для живлення та управління.
3.2. Екранований дріт
Існує два типи екранованого дроту. Один має голу дротяну оплетку, яка оточує дріт всередині, а інший має металеву фольгу, яка оточує дріт всередині. Тип екранованого дроту, який ви оберете, буде залежати від рівня шуму, з яким ви намагаєтеся боротися.
Провід з фольговим екраном має тонкий алюмінієвий або мідний фольговий шар, який зазвичай прикріплений до пластикової плівки, що оточує провід. Закритий провід зазвичай покритий на 100%. Приєднання фольги до землі може бути складним, особливо якщо фольга виготовлена з алюмінію або ламінована на пластикову основу. З цієї причини зазвичай всередині кабелю знаходиться оголений металевий багатожильний провід, який контактує з фольгою по всій довжині кабелю. Він називається дренажним проводом і використовується для підключення до землі.
Плетений екранований провід має плетену мідну оплетку, яка оточує провід. Він більш об’ємний, ніж фольга, і не забезпечує 100% покриття, але є більш гнучким, ніж типи з фольговим екрануванням. Покриття зазвичай становить від 70% до 95% залежно від щільності плетіння. Незважаючи на менший рівень покриття плетеного екрану, його ефективність вища, ніж у фольгового екрану, завдяки більшій об’ємності плетіння та кращим провідним властивостям міді порівняно з алюмінієм.
У дуже шумних середовищах можна застосувати додатковий підхід до двох вищезазначених методів екранування, при якому одночасно використовуються екранування плетінкою та фольгою. Окремі дроти в багатожильному кабелі також можуть бути екрановані разом із загальним екраном, що накладається на всю оболонку кабелю.
4. Напруга мережі змінного струму
Вхідний змінний струм, що живить систему CNC, може підхоплювати і передавати шум в блоки живлення та інше обладнання. Наприклад, якщо вхідне живлення також використовується для живлення великих двигунів, на лінії, що живить компоненти CNC, можуть виникати електричні перешкоди. Хоча більшість сучасних електронних пристроїв мають вбудовані фільтри мережі, що допомагають мінімізувати чутливість до перешкод, що передаються по мережі, індивідуальний та модульний характер системи CNC може означати, що використовувані компоненти походять з різних джерел з різним ступенем вбудованої стійкості до перешкод.
Вбудовані фільтри можуть бути встановлені на вхідному електроживленні, що живить систему CNC, щоб допомогти зменшити будь-які індуковані шуми. Запуск системи CNC від окремого електроживлення, відокремленого від великих джерел електричних шумів, також може допомогти мінімізувати будь-які потенційні джерела перешкод, що передаються по електромережі.
|
Note
|
Майте на увазі, що в багатьох країнах встановлення та зміну мережевих кіл можуть виконувати лише ліцензовані електрики. |
5. Блоки живлення
5.1. Заземлення змінного струму
Типова верстат з CNC може мати кілька різних блоків живлення (PSU), встановлених в системі. Будь-який пристрій, що живиться від вхідної мережі, призначений для заземлення, повинен бути належним чином і постійно підключений до заземлення мережі. В ідеалі це слід зробити в одній і тій же точці системи, якою може бути різьбовий стрижень або болт, мідна/латунна заземлювальна планка або велика металева монтажна пластина всередині корпусу управління.
Поширеність високочастотних імпульсних блоків живлення, що використовуються в системах CNC, збільшує ймовірність передачі радіочастотних перешкод від них до сусідніх схем. Багато з цих блоків живлення мають металевий корпус, який, якщо підключити до заземлення мережі, допоможе екранувати передачу високочастотних електромагнітних перешкод на інші електричні компоненти.
З точки зору безпеки важливо, щоб ці з’єднання заземлення мережі також були механічно міцними і не могли від’єднатися, а провід, що використовується, мав площу поперечного перерізу, достатню для пропускання передбачуваного струму короткого замикання у разі виникнення короткого замикання на землю. Також обов’язково, щоб заземлення мережі ніколи не використовувалося як провідник струму для інших компонентів системи. Заземлення повинно використовуватися тільки для однієї мети: заземлення з метою безпеки.
Також зверніть увагу, що колір оболонки, яка використовується для заземлення, може бути визначений нормами електромонтажу вашої країни, а проходження інших, не пов’язаних з цим сигналів по дротах такого ж кольору може бути заборонено.
5.2. Загальний DC
Спільне використання джерела живлення постійного струму певною мірою залежить від електричних вимог до роботи системи CNC. Наприклад, драйвер крокового двигуна, що працює з живленням двигуна 24 В постійного струму та логічним живленням 5 В, може мати оптично ізольовані лінії вхідного сигналу, які забезпечують повне електричне розділення вхідних та вихідних схем драйвера з метою безпеки та захисту від перешкод. У цьому випадку об’єднання загальних виводів живлення крокового двигуна та логічного управління може мати згубний вплив на роботу системи.
Як правило, найбільш доцільно тримати загальні частини різних блоків живлення постійного струму, що використовуються в системі CNC, окремо одна від одної та окремо від заземлення мережі змінного струму, якщо немає конкретної необхідності з’єднувати їх між собою. У більшості випадків загальні точки потужних секцій системи CNC (наприклад, драйвери крокових або сервомоторів, шпиндельні двигуни тощо) будуть відокремлені від загальних точок електрочутливих секцій CNC (плати інтерфейсу управління, кінцеві вимикачі, схеми інструментальних датчиків тощо) для запобігання перехресному забрудненню двох систем.
Якщо необхідно з’єднати кілька спільних точок різних блоків живлення або підключити спільну точку блоку живлення до заземлення мережі змінного струму, це слід робити тільки в одній точці і якомога ближче до спільної клеми блоків живлення.
У верстатах з CNC, де драйвери обладнання та схеми інтерфейсу попередньо зібрані, рішення про те, які загальні виводи постійного струму куди підключаються, зазвичай не приймає кінцевий користувач.
6. Живлення постійного струму
У ситуаціях, коли ланцюг постійного струму працює з відключеною загальною точкою від заземлення мережі (тобто джерело живлення є «плаваючим»), може бути корисним використовувати для живлення постійного струму скручені пари проводів, причому кожна пара проводів у ланцюзі (наприклад, позитивний і негативний виводи) фізично скручена разом у вигляді спіралі. Скручування проводу дозволяє обом провідникам якомога тісніше ділити між собою «простір». Будь-які електромагнітні перешкоди, що проходять через них, будуть в значній мірі скасовані, оскільки обидва провідники отримають однаковий рівень електромагнітних перешкод. Для додаткового захисту використовуйте скручений провід, який розміщений в екранованій оболонці з екраном, підключеним до заземлення мережі.
Однак слід зауважити, що скручені пари проводів менш ефективні в боротьбі з ефектами ЕМІ, якщо один з двох проводів підключений до заземлення мережі, оскільки провідник із потенціалом заземлення менш схильний до впливу ЕМІ, ніж незаземлений провідник. У таких випадках скручування проводів має менший вплив на загальну стійкість до перешкод, і екранований кабель буде більш ефективним у зменшенні сприйняття перешкод.
7. Сигнальні дроти та лінії керування
Проводи, які використовуються для передачі логічних сигналів до і від різних периферійних пристроїв в CNC (наприклад, входи контролера крокового двигуна, кінцеві вимикачі осей тощо), найбільш схильні до перешкод. Причиною цього є низький рівень напруги, що використовується для передачі інформації. Коли спрацьовує кінцевий вимикач або вимикач початкового положення, або зонд інструменту встановив або розірвав контакт, цей сигнал використовується для позначення того, що подія відбулася. Зазвичай це робиться за допомогою вхідних контактів на інтерфейсній платі комп’ютера або паралельному порту, які, залежно від програми, можуть сигналізувати за допомогою напруги всього 3,3 В. Очевидно, що імпульс шуму 2 В може порушити достовірність сигналу, якщо корисний діапазон становить лише 0-3,3 В.
Якщо можливо, ізолюйте спільну точку блоку живлення, що живить логічні периферійні пристрої, від решти системи. Наприклад, ізоляція загального виводу низьковольтного блоку живлення від загального виводу блоку живлення крокового двигуна зменшить ймовірність того, що великі струми, що протікають у зворотній лінії крокового двигуна, забруднять загальний вивід низьковольтного блоку живлення.
Якщо контролер використовує диференціальну сигналізацію, для передачі сигналу використовуйте скручені пари. Екранований кабель є кращим вибором, коли лінії управління є односторонніми, або якщо відстані великі, або проходять через електрично несприятливі середовища. При заземленні екрану кабелю підключіть його до заземлення мережі.
Якщо контролер та інтерфейсні пристрої можуть витримувати більш високі сигнали управління, розгляньте можливість зміни вимог до електропроводки та джерела живлення, щоб використовувати більш високу напругу для передачі сигналів (наприклад, 12 В або 24 В). Той самий 2-вольтовий стрибок електромагнітних перешкод, який може пошкодити сигнал кінцевого вимикача 3,3 В, буде набагато менш імовірним джерелом проблем для кінцевого вимикача, що працює з сигналом 24 В.
8. Драйвери крокових або серводвигунів
Металевий корпус драйвера повинен бути підключений до місцевої мережі заземлення в системі CNC. На деяких корпусах драйверів вказано конкретний вивід як точку заземлення, і в цьому випадку ця точка повинна бути підключена до заземлення за допомогою спеціального дроту.
Проводка керування та живлення має бути максимально розділена. Прокладайте вхідні сигнальні дроти подалі від вихідних ліній джерела живлення та приводу двигуна.
Рекомендується прокладати як вхідні дроти драйвера, так і вихідні дроти двигуна в екранованому кабелі з екраном, підключеним до заземлення мережі. Екран на вхідних лініях допомагає зменшити кількість перешкод, які вони можуть приймати, а екран на вихідних лініях зменшує кількість шуму, який вони можуть випромінювати.
9. Частотні приводи
Якщо це можливо, частотно-регульований привід (VFD) слід встановлювати в окремому корпусі або шафі, щоб зменшити ризик випромінювання шуму в сусідні електропроводки. Якщо корпус VFD металевий, його необхідно заземлити відповідно до рекомендацій, наведених у документації виробника.
Оскільки VFD є електронним комутаційним пристроєм високої потужності та високої частоти, вихідний сигнал схильний до електромагнітних перешкод, тому рекомендується підключати вихід VFD до підключеного двигуна за допомогою екранованого кабелю, екран якого підключений до заземлення мережі.
10. Маршрутизація провідників
10.1. Прокладання рухомих проводів
Будь-який провід, який буде переміщатися під час нормальної роботи CNC, відноситься до цієї категорії. Наприклад, проводи, що проходять від крокових драйверів через систему управління кабелями (тягові ланцюги) і потім до крокових двигунів, встановлених на рухомому порталі. Кабелі та проводи, що працюють в таких умовах, повинні мати підвищену гнучкість. Це виключає використання проводів і кабелів з суцільним сердечником, оскільки постійне згинання призведе до втоми і, в кінцевому підсумку, до виходу з ладу провідників.
Якщо кабелі прокладаються в кабельному каналі/носії, закріпіть їх на обох кінцях кабельного каналу. В іншому випадку може статися заїдання, що призведе до передчасного зносу кабелю. Також слід подбати про те, щоб запобігти механічному тертя провідників об інші частини машини.
У кабель-трасі/носці дотримуйтесь ідеї нейтральної осі. Прокладайте дріт якомога ближче до нейтральної осі. Переконайтеся, що дріт не натягується в ситуації з найдовшою нейтральною оссю.
10.2. Прокладання стаціонарних проводів
Як зазначалося раніше, прокладення різних типів сигнальних кабелів (високовольтних і низьковольтних) поблизу один від одного може посилити електромагнітні перешкоди. Проводки слід розміщувати на максимально можливій відстані одна від одної. Якщо дві проводки перетинаються, кут перетину повинен бути якомога ближчим до 90 градусів.
Уникайте довгих петель надлишкового дроту на будь-яких периферійних пристроях - вони є чудовими антенами для прийому або передачі шуму. По можливості прокладайте дроти поблизу великих заземлених конструкцій. Якщо корпус контролера має велику металеву задню пластину, яка заземлена, закріпіть всю контрольну проводку якомога ближче до цієї поверхні під час прокладання проводки між двома точками.
11. Механічний шум
Дуже мало механічних перемикачів (наприклад, кінцевий вимикач осі або вхід датчика інструменту) закриваються або відкриваються ідеально під час роботи. Найчастіше контакти перемикача фізично відскакують один від одного кілька разів протягом дуже короткого проміжку часу під час роботи. Це може бути інтерпретовано контролером верстата як кілька операцій одного і того ж сигналу, коли насправді очікувалося лише одне чітке змінення стану. Іноді це не має значення, але в багатьох випадках бажано забезпечити, щоб будь-яка зміна стану була якомога «чистішою» і не заважала роботі машини. Це досягається за допомогою дебаунсингу.
Дебаунсінг досягається шляхом дозволу зміни стану механічного перемикача, яка реєструється контролером тільки через певний проміжок часу, щоб дати можливість відскоку контактів перемикача вщухнути. Зазвичай достатньо затримки в 5-15 мілісекунд. Це можна зробити за допомогою додавання деякого обладнання до сигнальної схеми або в програмному забезпеченні LinuxCNC.
11.1. Апаратне усунення дребезгу
Існує кілька схем для реалізації дебаунсингу перемикачів і контактів реле за допомогою апаратного забезпечення, від додавання одного конденсатора між сигнальною і загальною лініями до спеціальних інтегральних схем дебаунсингу, таких як MC14490 або MAX6818. Кілька схем апаратного дебаунсингу можна знайти за посиланням нижче:
11.2. Виправлення помилок у програмному забезпеченні
Рівень абстракції апаратного забезпечення (HAL) LinuxCNC включає компонент дебаунс. Цей компонент має один вхідний і один вихідний контакт. Його завдання полягає в моніторингу вхідного сигналу і відправці вихідного сигналу після активації вхідного сигналу протягом запрограмованого періоду затримки. Більш детальну інформацію про компонент дебаунс можна знайти на наступній сторінці:
12. Документація
Важливість документування встановленої електропроводки та компонентів не можна переоцінити. Якщо користувач захоче модифікувати систему CNC в майбутньому або якщо виникнуть проблеми, які потребують виправлення, то повна і стисла документація щодо електропроводки та обладнання може заощадити багато годин роздумів і розчарувань.
12.1. Документація апаратного забезпечення
Як мінімум, обов’язково зберігайте всю документацію, пов’язану з встановленим обладнанням, у безпечному місці. Крокові контролери, роз’ємні плати, блоки живлення, частотні перетворювачі, інтерфейси та контролери, серво- та крокові драйвери, а також будь-які пов’язані налаштування пристроїв є критично важливими компонентами системи, і їх документація повинна бути під рукою для зручного використання.
12.2. Схеми підключення
Під час підключення верстата з CNC обов’язково складіть схему, до якої можна буде звернутися пізніше. Схема не повинна бути надто акуратною, але вона повинна бути зрозумілою, щоб її можна було легко інтерпретувати пізніше, в ідеалі будь-якою особою, яка може потребувати обслуговування обладнання. Включіть такі деталі, як кольори використовуваних проводів, номери контактів, номери деталей та будь-які інші примітки, які допоможуть пояснити конкретні деталі, які не відразу помітні при першому погляді на схему.
12.3. Ідентифікація проводки
Приділіть час, щоб ідентифікувати кожен провід у системі. Коли пучок проводів закріплений кабельною стяжкою, може бути дуже складно розібратися, який провід куди підключається. Позначте проводи двигуна за допомогою з’єднання або осі, з якими вони пов’язані, або ідентифікуйте кожен сигнальний провід, щоб було легко визначити, що робить цей сигнал. Також буде корисно перенести цю інформацію на схеми підключення.