工業機器人用柔性電纜技術要求研究

王會永， 包大勇， 李 娜， 李 瑞， 邢 力， 李浩天， 何曉騰

（1.青島海關技術中心，青島 266002； 2.上海國纜檢測中心有限公司，上海200444）

0 引 言

工業機器人是綜合機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能、控制技術等多種學科的先進技術于一體的復雜智能機器［1］。 1962 年，世界上第一臺工業機器人由美國AMF 公司研發，隨后日本、德國、英國和瑞典等國家先后開始工業機器人的研究，20 世紀70 年代初我國的工業機器人開始研究［2-4］，經過幾十年的發展，工業機器人已在各個領域得到廣泛應用，不僅可以提高勞動效率、保證產品質量，而且能夠有效縮短生產周期，取得了重大的經濟效益和社會效益，需求量不斷攀升［5-6］。 我國工業機器人保有量占全球的四分之一，已成為全球最大的工業機器人市場［7］。

工業機器人用柔性電纜作為傳遞動力和控制信號的重要部件，必須具有與工業機器人工作相適應的性能才能滿足使用要求。 工業機器人用柔性電纜的技術要求不同普通軟電纜，是由于工業機器人的使用環境、特殊運動方式及工作強度等因素決定的。目前，工業機器人用柔性電纜包括拖鏈布線電纜和機器人本體內電纜。

1 工業機器人用柔性電纜性能要求分析

工業機器人按照臂部的運動形式可以分為直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型和關節型機器人等［8］。 目前，關節型機器人使用較多，基本都帶有拖鏈系統。 以6 軸工業機器人為例，分析柔性電纜在機器人工作中的工作狀態。 6 軸工業機器人示意圖見圖1。

圖1 6 軸工業機器人示意圖

由圖1 可知：6 軸工業機器人本體的主要組成部分［9］包括手部、腕部、上臂、下臂、腰部和基部。圖1 中的第一軸相當于腰關節，主要實現回轉運動（旋轉）；第二軸相當于肩關節，主要實現俯仰運動（升降）；第三軸相當于肘關節，主要實現俯仰和回轉運動；第四軸、第五軸和第六軸相當于腕部關節，主要實現回轉、側擺和翻滾運動。

可以發現，機器人的運動主要包括回轉、俯仰、擺動和翻滾等運動方式。 在實際工作中，機器人的運動可以有多種運動形式的組合，例如：回轉加升降、回轉加仰俯，以及升降加仰俯等運動。 柔性電纜“附著”在機器人上跟隨機器人運動，主要承受扭轉力、彎折力和往復力等作用。

結合功能需求，工業機器人用柔性電纜具有以下性能特點：

（1）穩定的動力傳輸性能

穩定的動力傳輸性能是對柔性電纜最基本的要求，要確保工業機器人持續穩定工作，就必須在運動過程中保持電力傳輸的穩定性。

（2）精確的信號傳輸性能

工業機器人工作主要是依據計算機發出的指令完成相應操作，而計算機指令的接收與傳遞主要通過柔性電纜作為載體進行傳輸，柔性電纜信號傳輸的精確性和傳輸效率將直接影響機器人對指令的接收，進而對機器人的動作產生影響。

（3）較長的機械使用壽命

在機器人的工作過程中，柔性電纜的彎折、扭轉、往復運動，及各種磨擦是無法避免的。 在反復、長期的此類運動下容易造成導體斷芯、線芯間短路及屏蔽層破損等機械損傷，因此，要求柔性電纜具有較長的機械使用壽命以確保機器人能夠持續穩定工作。

（4）良好的環境適應性

工業機器人在制造業領域廣泛應用，可能會面對高低溫環境、水蒸氣、油污及腐蝕性物質等復雜環境，同時柔性電纜也難以避免直接或間接接觸機器人內部的油、液體、氣體等。 因此，要求柔性電纜具有一定的耐油、防水、抗高溫、耐低溫，以及耐腐蝕等性能，才能確保機器人能夠持續穩定工作。

2 工業機器人用柔性電纜技術要求

根據柔性電纜性能要求，與普通軟電纜技術要求相比，柔性電纜要在導體結構、絕緣和護套、絞合結構、屏蔽結構和機械性能等方面提出更高的要求。

2.1 導體結構的設計

導體是電纜機械壽命的第一層保障，導體結構直接關系到電纜機械運動過程中的受力和斷線情況，所以導體結構設計至關重要。 在運行速率及頻率要求不高的使用條件下，柔性電纜可采用GB／T 3956—2008 中第五種銅導體或在第五種銅導體中增加加強絲；但在運行速率或頻率要求較高的使用條件下，最好采用GB／T 3956—2008 中第六種銅導體或在第六種銅導體中增加加強絲。 以上兩種情況，也可以采用銅皮軟線或直接采用銅合金導體。若采用銅合金導體，由于銅合金材質的導電率要比純銅的導電率低，所以相同截面積的銅合金導體電阻可能會比純銅導體的直流電阻大，電纜設計時應考慮直流電阻帶來的影響。

影響導體性能的因素除了導體材質外，還應注意絞合應力的影響。 導體為多根絞合或多股復絞合，絞合過程中每根絲受到的應力應均勻一致。

2.2 絕緣材料的選擇

絕緣材料是電纜重要的組成部分之一。 絕緣材料的選擇不僅直接關系到柔性電纜的介電性能，還與電纜的運行溫度、工作環境及耐彎曲、耐扭轉和往復運動等有關系。

絕緣材料的厚度是電纜的技術要求之一。 根據不同材料的介電性能確定擠包絕緣材料的厚度，控制擠出絕緣材料的最薄處的厚度以保證其性能。 對于動力電纜，電壓等級較高，絕緣材料的厚度相對厚一些，但如果在工業機器人導軌內或本體內使用，須對柔性電纜的外徑進行適當限制，而且要控制絕緣材料的厚度以減小電纜的外形尺寸。

在柔性電纜的長期運動過程中，電纜各絞合線芯之間的移動會引起線芯之間的摩擦，特別是對于高速運行的編碼器電纜等信號傳輸電纜，須選擇機械強度高、表面光滑、摩擦因數小的絕緣材料，以防止線芯之間因磨擦造成的破損引起短路或擊穿。

2.3 成纜絞合結構的設計

成品電纜的機械性能與電纜的絞合有直接的關系，絞合成纜的基本要求是纜芯圓整度。 絞合結構要考慮在運行過程中各線芯受力均勻，因此，應避免絞合成纜的中心部位絞合線芯，采用加強擠出填充的方式，以防止線芯在整線受拉過程中的受力。 對于多芯電纜的絞合，可采用先形成絞合單元，再復絞成纜的結構設計，在受力過程中給予電纜每根線芯更多的活動空間，不易斷線。 另外，還應注意電纜絞合節距的控制。

2.4 屏蔽結構的選擇

屏蔽作為電纜信號抗干擾常用的一種方法，主要功能是保證信號傳輸的抗干擾能力。 一般采用銅絲編織或鍍錫銅絲編織的形式，有高柔性要求時也可采用銅皮軟線作為編織材料，同時應考慮編織工藝對電纜柔軟度的影響。

2.5 護套材料的選擇

電纜護套是直接接觸外部環境的部件，是保護電纜的第一道屏障，護套材料性能的優劣直接影響柔性電纜的介電性能、機械性能及使用壽命等。

護套厚度是電纜的重要要求之一。 根據不同材料的介電性能確定護套的厚度要求，控制護套的最薄處厚度以保證其性能。 對于在工業機器人導軌內或本體內使用的柔性電纜，不僅要對柔性電纜的外徑適當限制，還應控制護套厚度以減小電纜的外形尺寸。

護套材料的選擇不僅要滿足耐磨和耐機械應力要求，還要考慮護套材料柔軟度對柔性電纜的影響。此外，柔性電纜在使用過程中還可能會接觸油類介質以及受到紫外線等環境因素的影響，因此，護套材料的選擇還應考慮環境因素及工作條件。

3 結 語

工業機器人用柔性電纜作為新型特種用途電纜，與普通軟電纜相比，具有特殊的使用要求。 目前，全球著名的四大工業機器人制造商［10］生產的機器人本體上很少使用我國品牌的柔性電纜。 研究和分析工業機器人用柔性電纜的技術要求，制定相關的行業標準，有利于促進國內工業機器人用柔性電纜的發展，同時能夠提高工業機器人用柔性電纜的質量水平。