工業(yè)機器人用線纜綜述

朱旭東

（上海電纜研究所有限公司，上海200093）

0 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)智能化的要求，工業(yè)機器人正逐步從單元化向復雜的多功能發(fā)展。作為傳遞動力和信號的載體，工業(yè)機器人用線纜同時也需滿足更高的性能要求，需具有更高的耐彎曲性、耐扭轉性、耐移動性。本文在綜合分析大量文獻資料的基礎上，對機器人線纜的定義、行業(yè)標準、基本結構和性能要求進行了深入的探討，以供線纜企業(yè)參考。

1 機器人線纜定義

機器人線纜是指機器人本體、供電、信號、控制以及機器人周邊用線。

通常可將機器人線纜分類為：（1）機器人動力線纜：為機器人提供動力，一般為固定敷設；（2）控制器到示教器線纜：為柔性線纜，對抗拉強度有要求；（3）控制主機到本體連接線纜：包括動力線、I／O線、信號線等，固定或移動敷設，如移動敷設則為拖鏈線纜，有較高的彎曲性能要求；（4）機器人本體線纜：包括動力線、I／O線、信號線等，對彎曲性能有很高的要求。因此，機器人線纜除了電氣性能、耐候性能等基本要求外，還應經(jīng)受長時間彎曲運動、大角度扭絞運動以及高速往復運動。

2 機器人線纜標準

為符合工業(yè)機器人的使用特性，機器人線纜在滿足線纜基本的電氣性能、耐候性能試驗要求的基礎上，還需要經(jīng)受特別設計的成品電纜機械強度試驗以驗證線纜的機械物理性能。這些機械強度試驗應盡可能地模擬機器人線纜的實際操作環(huán)境。

目前，國內外現(xiàn)行的機器人線纜試驗標準主要有：（1）中國機器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟于 2016年發(fā)布的CRIA 0003.1—2016《工業(yè)機器人專用電纜》初稿，正在上報成為國家標準。（2）德國TUV萊茵公司2016年8月發(fā)布的TUV 2 PfG 2577“Requirements for Cable Used in Robot System”，規(guī)定了機器人線纜8個機械耐疲勞試驗項目，這也是目前眾多機器人線纜企業(yè)引用的標準。目前，該標準已改版至2 PfG 2577／07.19。（3）德國 VDE公司2018年7月發(fā)布的VDE-PB-0022“Test Specification Classification of Flexible Industrial Cables”，該標準分為機械試驗、耐化學試驗、耐溫試驗、EMC電磁兼容試驗、燃燒試驗等五大部分。（4）美國UL公司2018年8月發(fā)布的UL RP 5770“Recommended Practice for Evaluating Cables for Use in Repeated Flexing Applications”，在引用UL 758標準的基礎上，規(guī)定了4項機械性能測試方法。（5）國家電線電纜質量監(jiān)督檢驗中心2019年發(fā)布的 TICW 21—2019《工業(yè)機器人用柔性電纜》對機器人線纜提出了更明確的技術要求。

上述標準將拖鏈試驗、扭轉試驗、彎曲試驗及屈撓試驗等機械壽命試驗作為驗證機器人線纜機械物理性能的重要依據(jù)。各個標準對于測試參數(shù)、試驗結果判斷等有不同的要求：線纜分別經(jīng)拖鏈試驗500～2 000萬次、扭轉試驗100～1 000萬次、彎曲試驗5 000次～1 000萬次、屈撓試驗30～100萬次后，試樣護套及絕緣線芯表面無目力可見的裂紋；每根線芯及金屬屏蔽層保持導通；線芯經(jīng)耐壓試驗不擊穿；導體直流電阻變化率在10%～25%范圍。并根據(jù)試驗條件及結果對線纜的機械物理性能進行等級分類。

若需對電纜進行更加全面的機械物理性能評估，可 進 行 EN 50289-3—2001、GB／T 5013.2—2008、GB／T 5023.2—2008、GB／T 7424.2—2008 等標準中介紹的耐磨試驗、沖擊試驗、壓扁試驗、拉伸性能試驗、電纜剛性試驗、扭絞試驗等。

3 機器人線纜設計

（1）導體結構

推薦采用具有柔韌性的6類特軟級導體。一般來說導體越細，線纜的柔韌性越好，但導體過細，會使得單絲在導體制品中的相對位置不是固定和有序的，造成導體松散。生產(chǎn)廠商應通過一系列長期的試驗，優(yōu)化導體單絲直徑，使導體有最合適的抗拉強度以及柔韌性。其次導體應采用多模拉絲，以減少導體單絲的內應力。采用復絞導體，且股線節(jié)距和復絞節(jié)距控制適當，能使導體耐彎折性能明顯提高［1］。另外，如有更高的使用要求時，可采用銅合金導體且在每股導體中添加芳綸絲或鍍鋅鋼絲進行加強［2］。

（2）芯線絕緣

通常來說，機器人線纜絕緣材料有聚氯乙烯（PVC）、熱塑性彈性體（TPE）、熱塑性聚酯彈性體（TPE-E）、聚氟乙烯（ETFE）、聚氨酯（PUR）等。 圖1比較了不同機器人線纜的運動性能，這些線纜采用了不同的絕緣和護套材料組合。絕緣／護套的組合為聚烯烴（POE）／PUR、TPE／PUR 或 TPE／TPE，線纜能達到經(jīng)1 000萬次拖鏈運動以及100～300萬次扭轉不失效。如需要滿足更高的運動性能要求，絕緣材料可選擇ETFE或TPE-E，護套材料可選擇特種低摩擦系數(shù)PVC，這樣能極大提高線纜的運動性能和彎曲半徑使用范圍。值得注意的是，當導體材料采用銅合金時，線纜在6倍彎曲半徑條件下拖鏈運動次數(shù)能達到5 000萬次，扭轉次數(shù)能夠達到1 500萬次以上（±240°／m）。 因此，線纜生產(chǎn)商應綜合考慮其性能要求、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品成本等方面來選擇合適的機器人線纜專用材料。通常絕緣材料的生產(chǎn)工藝應采用壓力式擠出，線纜內的絕緣材料不能彼此黏滯［3］。

圖1 機器人線纜不同材料組合的運動性能比較

機器人線纜常用材料的一般力學性能見表1。ETFE材料機械強度優(yōu)良、抗撕裂極強、抗張強度高，更重要的是可減薄產(chǎn)品的絕緣厚度，線纜直徑越小，意味著在指定彎曲半徑下的柔韌性更好，壽命更長。TPE-E材料具有橡膠的彈性和工程塑料的強度，TPE-E模量比相同硬度的其它熱塑性彈性體高。當以模量為重要的設計條件時，用TPE-E可縮小制品的橫截面面積，減少材料的用量。TPE-E具有極高的拉伸強度，可以承受更大的負載。在低應變條件下，TPE-E具有優(yōu)良的耐疲勞性能，這一特點與高彈性相結合，使該材料成為多次循環(huán)負載使用條件下的理想材料。PUR材料具有極好的耐磨性（約為天然橡膠的3～5倍）；在相同硬度下，比其它的彈性體承載能力高；低溫柔順性好，在-60℃的低溫下仍具有良好的彎曲性能［4］。

（3）抗拉元件

根據(jù)線芯數(shù)量，線纜的中心以及每根芯線交叉區(qū)域的空間里應填充抗拉元件，如錦綸纖維、芳綸繩、鋼絲加強芯等。這種方法能有效地保護絞線結構，防止絞線游離到線纜的中心區(qū)域。

（4）絞線結構

成纜的節(jié)徑比要比較小，一般設計為 10～12倍［5］。成纜時各芯線放線張力一致，避免出現(xiàn)內應力，并采用退扭絞合。絞線結構應按運動狀態(tài)設計，可采用隔片、支架、支撐體等方式為芯線提供抗彎折和抗扭曲的力。必要時可采用增加導向芯線、記憶金屬條等方式，使電纜沿預設的折彎方向進行彎曲或長時間彎曲纏繞后，也可以自由恢復到原先狀態(tài)。如使用包帶，推薦使用聚氟乙烯耐磨型包帶或者波形無紡布，彎曲時有一定的收縮性。避免使用鋁箔和聚酯薄膜，會使電纜比較硬，柔軟度降低。

表1 機器人線纜常用材料的力學性能

（5）內護套

有屏蔽的電纜可選擇在屏蔽前加一層內護套，可減少絕緣和屏蔽之間的摩擦，保護絕緣芯線不被損壞。應采用擠壓成型的內護套，以保證絞線結構不會散亂。

（6）屏蔽編織層

用優(yōu)化的屏蔽結構將屏蔽層緊緊地編織在內護套外，屏蔽層需具備優(yōu)異的抗扭能力，避免因斷裂造成電磁兼容性（EMC）失效。機器人線纜還可采用6類抗氧化鍍錫軟銅絲同向大節(jié)距疏繞的屏蔽方式。斜包型屏蔽會使電纜比較柔軟，但是編織的屏蔽效果會更好。如有更高要求時，屏蔽材料選擇銅箔絲（中心為芳綸絲）。

（7）外護套

外護套材料通常有PVC、TPE、PUR等幾種，其中PUR具有較高的耐彎曲、耐磨損和低溫下良好的柔軟性，因此可以更好地滿足機器人電纜對耐磨損、耐彎曲和柔軟性的要求。同時，也可通過對材料改性來滿足不同的功能，如抗紫外線、耐低溫、耐油以及成本優(yōu)化。高耐磨性是所有這些外護套材料都必須具備的特性，并且還要求外護套材料不與線纜中其他材料黏結。

4 機器人線纜性能要求

線纜作為機器人的一個重要的組成部分，直接影響機器人的使用壽命。任何機器人線纜都是有使用壽命的，平均半年就要更換一次，這對用戶來說也是一筆不小的支出。因此機器人生產(chǎn)廠商在線纜選型時應分析線纜需要滿足的性能及要求，同時線纜生產(chǎn)廠商在設計線纜時需明確客戶的使用要求，提供高性價比的產(chǎn)品。通常，應從如下幾方面考慮：

（1）明確使用狀態(tài)。線纜是否長期經(jīng)受單向或雙向扭轉，是否經(jīng)受彎曲扭轉和拉伸的聯(lián)合動作，對線纜耐磨性、抗撕裂性、柔軟性要求等。線纜的結構及成品外徑需根據(jù)使用時的彎曲半徑、扭曲弧度設計，并注意生產(chǎn)工藝對線纜彎曲半徑的影響。

（2）明確使用功能。是動力電纜、控制信號電纜，還是監(jiān)測反饋信號電纜、傳輸數(shù)據(jù)電纜、復合電纜等。機器人用柔性線纜包括0.6／1 kV及以下動力線纜、450／750 V及以下控制線纜、伺服線纜以及30 V信號線纜。

（3）明確在什么設備上用。工業(yè)機器人又分弧焊機機器人、點焊機機器人、裝配機機器人、噴漆機機器人、搬運機機器人等，特殊的機器人會有特殊的要求，比如弧焊機機器人就要求線纜能耐高溫和耐火花飛濺。

（4）明確運行速率、運行長度、允許的電壓降、數(shù)據(jù)傳輸性能等要求。

（5）明確使用環(huán)境（例如溫度和濕度），明確電纜應具備的其他特殊性能（例如阻燃性、抗酸堿性、耐候性、耐高低溫、環(huán)保要求、抗電磁干擾要求等）。

5 結束語

隨著中國機器人行業(yè)的發(fā)展，對于配套產(chǎn)業(yè)的要求也越來越高，機器人線纜作為機器人配套產(chǎn)業(yè)中的重要一環(huán)，也面臨著升級換代。我國線纜企業(yè)應牢牢抓住這個難得的發(fā)展機遇，努力提高國產(chǎn)機器人線纜的可靠性，從設計、原材料、工藝等方面全力趕超國外產(chǎn)品，實現(xiàn)進口替代。