工業(yè)機(jī)器人用柔性電纜技術(shù)要求研究

王會(huì)永， 包大勇， 李 娜， 李 瑞， 邢 力， 李浩天， 何曉騰

（1.青島海關(guān)技術(shù)中心，青島 266002； 2.上海國(guó)纜檢測(cè)中心有限公司，上海200444）

0 引 言

工業(yè)機(jī)器人是綜合機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能、控制技術(shù)等多種學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)于一體的復(fù)雜智能機(jī)器［1］。 1962 年，世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人由美國(guó)AMF 公司研發(fā)，隨后日本、德國(guó)、英國(guó)和瑞典等國(guó)家先后開(kāi)始工業(yè)機(jī)器人的研究，20 世紀(jì)70 年代初我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人開(kāi)始研究［2-4］，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，不僅可以提高勞動(dòng)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量，而且能夠有效縮短生產(chǎn)周期，取得了重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，需求量不斷攀升［5-6］。 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人保有量占全球的四分之一，已成為全球最大的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)［7］。

工業(yè)機(jī)器人用柔性電纜作為傳遞動(dòng)力和控制信號(hào)的重要部件，必須具有與工業(yè)機(jī)器人工作相適應(yīng)的性能才能滿足使用要求。 工業(yè)機(jī)器人用柔性電纜的技術(shù)要求不同普通軟電纜，是由于工業(yè)機(jī)器人的使用環(huán)境、特殊運(yùn)動(dòng)方式及工作強(qiáng)度等因素決定的。目前，工業(yè)機(jī)器人用柔性電纜包括拖鏈布線電纜和機(jī)器人本體內(nèi)電纜。

1 工業(yè)機(jī)器人用柔性電纜性能要求分析

工業(yè)機(jī)器人按照臂部的運(yùn)動(dòng)形式可以分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型機(jī)器人等［8］。 目前，關(guān)節(jié)型機(jī)器人使用較多，基本都帶有拖鏈系統(tǒng)。 以6 軸工業(yè)機(jī)器人為例，分析柔性電纜在機(jī)器人工作中的工作狀態(tài)。 6 軸工業(yè)機(jī)器人示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 6 軸工業(yè)機(jī)器人示意圖

由圖1 可知：6 軸工業(yè)機(jī)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(dāng)于腰關(guān)節(jié)，主要實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（旋轉(zhuǎn)）；第二軸相當(dāng)于肩關(guān)節(jié)，主要實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)（升降）；第三軸相當(dāng)于肘關(guān)節(jié)，主要實(shí)現(xiàn)俯仰和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；第四軸、第五軸和第六軸相當(dāng)于腕部關(guān)節(jié)，主要實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、側(cè)擺和翻滾運(yùn)動(dòng)。

可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)主要包括回轉(zhuǎn)、俯仰、擺動(dòng)和翻滾等運(yùn)動(dòng)方式。 在實(shí)際工作中，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可以有多種運(yùn)動(dòng)形式的組合，例如：回轉(zhuǎn)加升降、回轉(zhuǎn)加仰俯，以及升降加仰俯等運(yùn)動(dòng)。 柔性電纜“附著”在機(jī)器人上跟隨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，主要承受扭轉(zhuǎn)力、彎折力和往復(fù)力等作用。

結(jié)合功能需求，工業(yè)機(jī)器人用柔性電纜具有以下性能特點(diǎn)：

（1）穩(wěn)定的動(dòng)力傳輸性能

穩(wěn)定的動(dòng)力傳輸性能是對(duì)柔性電纜最基本的要求，要確保工業(yè)機(jī)器人持續(xù)穩(wěn)定工作，就必須在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持電力傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

（2）精確的信號(hào)傳輸性能

工業(yè)機(jī)器人工作主要是依據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令完成相應(yīng)操作，而計(jì)算機(jī)指令的接收與傳遞主要通過(guò)柔性電纜作為載體進(jìn)行傳輸，柔性電纜信號(hào)傳輸?shù)木_性和傳輸效率將直接影響機(jī)器人對(duì)指令的接收，進(jìn)而對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作產(chǎn)生影響。

（3）較長(zhǎng)的機(jī)械使用壽命

在機(jī)器人的工作過(guò)程中，柔性電纜的彎折、扭轉(zhuǎn)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)，及各種磨擦是無(wú)法避免的。 在反復(fù)、長(zhǎng)期的此類運(yùn)動(dòng)下容易造成導(dǎo)體斷芯、線芯間短路及屏蔽層破損等機(jī)械損傷，因此，要求柔性電纜具有較長(zhǎng)的機(jī)械使用壽命以確保機(jī)器人能夠持續(xù)穩(wěn)定工作。

（4）良好的環(huán)境適應(yīng)性

工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，可能會(huì)面對(duì)高低溫環(huán)境、水蒸氣、油污及腐蝕性物質(zhì)等復(fù)雜環(huán)境，同時(shí)柔性電纜也難以避免直接或間接接觸機(jī)器人內(nèi)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(jī)器人能夠持續(xù)穩(wěn)定工作。

2 工業(yè)機(jī)器人用柔性電纜技術(shù)要求

根據(jù)柔性電纜性能要求，與普通軟電纜技術(shù)要求相比，柔性電纜要在導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、絕緣和護(hù)套、絞合結(jié)構(gòu)、屏蔽結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能等方面提出更高的要求。

2.1 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

導(dǎo)體是電纜機(jī)械壽命的第一層保障，導(dǎo)體結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到電纜機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力和斷線情況，所以導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 在運(yùn)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(dǎo)體或在第五種銅導(dǎo)體中增加加強(qiáng)絲；但在運(yùn)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(dǎo)體或在第六種銅導(dǎo)體中增加加強(qiáng)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(dǎo)體。若采用銅合金導(dǎo)體，由于銅合金材質(zhì)的導(dǎo)電率要比純銅的導(dǎo)電率低，所以相同截面積的銅合金導(dǎo)體電阻可能會(huì)比純銅導(dǎo)體的直流電阻大，電纜設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮直流電阻帶來(lái)的影響。

影響導(dǎo)體性能的因素除了導(dǎo)體材質(zhì)外，還應(yīng)注意絞合應(yīng)力的影響。 導(dǎo)體為多根絞合或多股復(fù)絞合，絞合過(guò)程中每根絲受到的應(yīng)力應(yīng)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(guān)系到柔性電纜的介電性能，還與電纜的運(yùn)行溫度、工作環(huán)境及耐彎曲、耐扭轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)等有關(guān)系。

絕緣材料的厚度是電纜的技術(shù)要求之一。 根據(jù)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(duì)于動(dòng)力電纜，電壓等級(jí)較高，絕緣材料的厚度相對(duì)厚一些，但如果在工業(yè)機(jī)器人導(dǎo)軌內(nèi)或本體內(nèi)使用，須對(duì)柔性電纜的外徑進(jìn)行適當(dāng)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(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電纜各絞合線芯之間的移動(dòng)會(huì)引起線芯之間的摩擦，特別是對(duì)于高速運(yùn)行的編碼器電纜等信號(hào)傳輸電纜，須選擇機(jī)械強(qiáng)度高、表面光滑、摩擦因數(shù)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

成品電纜的機(jī)械性能與電纜的絞合有直接的關(guān)系，絞合成纜的基本要求是纜芯圓整度。 絞合結(jié)構(gòu)要考慮在運(yùn)行過(guò)程中各線芯受力均勻，因此，應(yīng)避免絞合成纜的中心部位絞合線芯，采用加強(qiáng)擠出填充的方式，以防止線芯在整線受拉過(guò)程中的受力。 對(duì)于多芯電纜的絞合，可采用先形成絞合單元，再?gòu)?fù)絞成纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在受力過(guò)程中給予電纜每根線芯更多的活動(dòng)空間，不易斷線。 另外，還應(yīng)注意電纜絞合節(jié)距的控制。

2.4 屏蔽結(jié)構(gòu)的選擇

屏蔽作為電纜信號(hào)抗干擾常用的一種方法，主要功能是保證信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_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(shí)也可采用銅皮軟線作為編織材料，同時(shí)應(yīng)考慮編織工藝對(duì)電纜柔軟度的影響。

2.5 護(hù)套材料的選擇

電纜護(hù)套是直接接觸外部環(huán)境的部件，是保護(hù)電纜的第一道屏障，護(hù)套材料性能的優(yōu)劣直接影響柔性電纜的介電性能、機(jī)械性能及使用壽命等。

護(hù)套厚度是電纜的重要要求之一。 根據(jù)不同材料的介電性能確定護(hù)套的厚度要求，控制護(hù)套的最薄處厚度以保證其性能。 對(duì)于在工業(yè)機(jī)器人導(dǎo)軌內(nèi)或本體內(nèi)使用的柔性電纜，不僅要對(duì)柔性電纜的外徑適當(dāng)限制，還應(yīng)控制護(hù)套厚度以減小電纜的外形尺寸。

護(hù)套材料的選擇不僅要滿足耐磨和耐機(jī)械應(yīng)力要求，還要考慮護(hù)套材料柔軟度對(duì)柔性電纜的影響。此外，柔性電纜在使用過(guò)程中還可能會(huì)接觸油類介質(zhì)以及受到紫外線等環(huán)境因素的影響，因此，護(hù)套材料的選擇還應(yīng)考慮環(huán)境因素及工作條件。

3 結(jié) 語(yǔ)

工業(yè)機(jī)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(yè)機(jī)器人制造商［10］生產(chǎn)的機(jī)器人本體上很少使用我國(guó)品牌的柔性電纜。 研究和分析工業(yè)機(jī)器人用柔性電纜的技術(shù)要求，制定相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有利于促進(jìn)國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人用柔性電纜的發(fā)展，同時(shí)能夠提高工業(yè)機(jī)器人用柔性電纜的質(zhì)量水平。