作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

為工業(yè)機(jī)器人選擇變頻驅(qū)動(dòng)器 (VFD) 電纜時(shí)，必須考慮幾個(gè)關(guān)鍵因素才能確保獲得最小的解決方案規(guī)格和最高的可靠性。沒(méi)有萬(wàn)能的解決方案，因此需要仔細(xì)分析具體的運(yùn)動(dòng)要求，才能確定適合每種應(yīng)用的最佳電纜。

有些電纜適用于龍門(mén)機(jī)器人，而其他電纜則適用于多軸關(guān)節(jié)式機(jī)器人、拾放應(yīng)用或其他機(jī)器人解決方案。

需要考慮的規(guī)格包括最小彎曲半徑、最大扭轉(zhuǎn)、導(dǎo)線絞合結(jié)構(gòu)、連續(xù)撓曲等級(jí)（基于彎曲半徑、距離、加速度、速度和重量）、絕緣和護(hù)套材料以及電磁干擾 (EMI) 屏蔽等級(jí)。

本文將詳細(xì)介紹為工業(yè)機(jī)器人指定電纜時(shí)的一些精細(xì)要求，并將展示 LAPP 的 ?LFLEX? VFD 1XL 和 VFD 1XL 帶信號(hào)電纜（額定彎曲次數(shù)高達(dá) 200 萬(wàn)次）是如何適用于包括龍門(mén)機(jī)器人在內(nèi)的一系列機(jī)器人設(shè)計(jì)的。然后，回顧具有復(fù)雜扭轉(zhuǎn)和彎曲運(yùn)動(dòng)的多軸關(guān)節(jié)機(jī)器人的需求，以及 ?LFLEX ROBOT F1 電纜會(huì)有益于這些機(jī)器人。

接下來(lái)，簡(jiǎn)要介紹 ?LFLEX SERVO FD 7DSL，這是一種采用 6 類超細(xì)絞合線制成的混合電纜，設(shè)計(jì)彎曲次數(shù)高達(dá) 1000 萬(wàn)次，適用于如自動(dòng)裝配和拾取貼裝等機(jī)器人應(yīng)用。最后，本文將探討電纜密封套在確保電纜和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)可靠性方面的重要性。

運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)

工業(yè)機(jī)器人專用 VFD 電纜與通用工業(yè)電纜的關(guān)鍵差異在于其能夠支持高速、高重復(fù)、高精度動(dòng)態(tài)響應(yīng)的能力。這些特性會(huì)對(duì)電纜造成很大的應(yīng)力。

大多數(shù) VFD 電纜都具有一定程度的撓曲性。通常情況下，這意味著這種電纜可以彎曲，有利于在安裝過(guò)程中布線。這種特性在固定靜止的應(yīng)用中可能很有用，但對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

影響電纜撓曲性的因素有很多，具體包括絕緣類型、包覆或屏蔽結(jié)構(gòu)、導(dǎo)體截面積和絞合幾何構(gòu)型等。要達(dá)到較高的撓曲次數(shù)，需要對(duì)電纜結(jié)構(gòu)的方方面面進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，包括使用既薄又耐磨的護(hù)套材料。

電纜的彎曲半徑是一項(xiàng)基本規(guī)格，表示電纜的無(wú)損極限彎曲率，但并不表示電纜可承受的撓曲次數(shù)。電纜選型是否正確以及能否確保電纜具有所需使用壽命，運(yùn)動(dòng)類型是決定性因素。

彎曲半徑是連續(xù)撓曲（也稱為滾動(dòng)撓曲）的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)于機(jī)器人應(yīng)用而言，這是一項(xiàng)至關(guān)重要的規(guī)格參數(shù)。扭轉(zhuǎn)撓曲是另一種撓曲性，對(duì)某些類型的機(jī)器人極其重要；在某些情況下，電纜可繞軸線旋轉(zhuǎn)±360°（圖 1）。

圖 1：在工業(yè)線纜應(yīng)用中，彎曲撓曲通常具有顯著優(yōu)勢(shì)。工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域需要線纜具備連續(xù)撓曲與扭轉(zhuǎn)撓曲性能。（圖片來(lái)源：LAPP）

連續(xù)撓曲是指電纜重復(fù)地進(jìn)行前后線性移動(dòng)，常見(jiàn)于自動(dòng)化設(shè)備、龍門(mén)機(jī)器人或電纜軌道系統(tǒng)等應(yīng)用中。這種撓曲會(huì)使電纜不斷受到磨損和應(yīng)力作用，要求電纜能連續(xù)運(yùn)動(dòng)而不發(fā)生損壞。

針對(duì)扭轉(zhuǎn)撓曲性能設(shè)計(jì)的電纜可承受持續(xù)扭轉(zhuǎn)。在機(jī)器人中，纜線還可以來(lái)回拉動(dòng)，將線性連續(xù)撓曲與旋轉(zhuǎn)式扭轉(zhuǎn)撓曲相結(jié)合。諸如多軸關(guān)節(jié)型機(jī)器人、工業(yè)噴涂機(jī)器人（尤其是其末端執(zhí)行器）和拾取貼裝系統(tǒng)等應(yīng)用中的電纜會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)撓曲。

與工業(yè)過(guò)程控制中的許多其他領(lǐng)域不同，目前還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化術(shù)語(yǔ)來(lái)描述或量化不同類型的電纜撓曲性。每個(gè)制造商都必須制定自己的分類系統(tǒng)，通常以一系列 IEC 標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，如 IEC 60228“絕緣電纜導(dǎo)體”。

IEC 60228:2023 規(guī)定了各種類型和應(yīng)用的電力電纜和電線中導(dǎo)體的標(biāo)稱截面積。同時(shí)，還制定了針對(duì)導(dǎo)線數(shù)量、規(guī)格以及電阻值的要求。

該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)導(dǎo)體的撓曲性和結(jié)構(gòu)將導(dǎo)體分為不同的類別，具體分為實(shí)心導(dǎo)體（1 類）、絞合導(dǎo)體（2 類）、撓性導(dǎo)體（5 類）和高撓性導(dǎo)體（6 類）。撓性更高的導(dǎo)體在線股內(nèi)包含更多更細(xì)的導(dǎo)線。

除參考各種 IEC 標(biāo)準(zhǔn)外，LAPP 的連續(xù)撓性測(cè)試方法還通過(guò)了 UL 的詳細(xì)審核。具體審核包括對(duì)校準(zhǔn)專用設(shè)備、訓(xùn)練有素的人員和受控文件資料的要求，所有這些都符合 ISO/IEC 17025 標(biāo)準(zhǔn)。這是一項(xiàng)規(guī)定測(cè)試和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力要求的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

LAPP 規(guī)定了五個(gè)連續(xù)撓曲性能等級(jí)和兩個(gè)扭轉(zhuǎn)撓曲電纜性能等級(jí)（表 1）。LAPP 還為基本工業(yè)電纜規(guī)定了三級(jí)彎曲撓曲性，為風(fēng)輪機(jī)中使用的特種電纜規(guī)定了三級(jí)扭轉(zhuǎn)撓曲性。

表 1：LAPP 規(guī)定的連續(xù)撓曲和扭轉(zhuǎn)撓曲性能等級(jí)。(表格來(lái)源：Lapp）

重量輕也是機(jī)器人電纜選型時(shí)的一個(gè)重要考慮因素。工業(yè)機(jī)器人需要快速加速和制動(dòng)，而輕質(zhì)電纜可最大限度地減少質(zhì)量，便于快速運(yùn)動(dòng)，并提高電纜性能，確保電纜能夠可靠地承受數(shù)百萬(wàn)次彎曲和扭轉(zhuǎn)。

機(jī)器人的基本運(yùn)動(dòng)

LAPP ?LFLEX VFD 1XL 電纜的連續(xù)撓曲等級(jí)為 CF-01，適用于龍門(mén)機(jī)器人等應(yīng)用。這些電纜具有防油、防紫外線和屏蔽功能。增強(qiáng)型交聯(lián)聚乙烯 (XLPE) 絕緣材料（又稱 XLPE plus）具有機(jī)器人所需的機(jī)械性能，較小的外徑，可安裝在狹小空間內(nèi)，同時(shí)保持了 CF-01 級(jí)撓曲性。

?LFLEX VFD 1XL 充分體現(xiàn)了電纜結(jié)構(gòu)對(duì)于撓曲性的重要性。[701703] 等基本型號(hào)配有鍍錫細(xì)銅線，屏蔽層包括阻隔帶和三層箔帶（100% 覆蓋），以及鍍錫銅編織層（85% 覆蓋率），撓曲性等級(jí)為 CF-01，額定彎曲壽命范圍為 100 萬(wàn)至 200 萬(wàn)次，鏈長(zhǎng)可達(dá) 15 英尺。

添加獨(dú)立雙絞屏蔽信號(hào)線對(duì)并搭配裸露式橋架電纜引流線，可通過(guò)單根線纜同時(shí)傳輸電力與信號(hào)來(lái)簡(jiǎn)化安裝，但代價(jià)是電纜的撓曲性等級(jí)降低。?LFLEX VFD 1XL 信號(hào)電纜的撓曲性等級(jí)為 FL-02，使其適用于一般工業(yè)應(yīng)用。

例如，帶信號(hào)的 [701715] ?LFLEX VFD 1XL 型電纜的撓曲性等級(jí)為 FL-02，由于其“可連續(xù)撓曲設(shè)計(jì)屬性”，達(dá)到了很強(qiáng)的撓曲性。不過(guò)，該型電纜的彎曲性能不足，使其不適合大多數(shù)機(jī)器人應(yīng)用（圖 2）。

圖 2：添加信號(hào)線后，?LFLEX VFD 1XL 電纜的撓曲性等級(jí)為 FL-02，適用于一般工業(yè)應(yīng)用。如果沒(méi)有信號(hào)線，撓曲性等級(jí)則增加到 CF-01，非常適合基礎(chǔ)機(jī)器人應(yīng)用。（片來(lái)源：DigiKey）

機(jī)器人的最大運(yùn)動(dòng)量

?LFLEX ROBOT F1 電纜實(shí)現(xiàn)了 TCF-01 級(jí)高抗扭轉(zhuǎn)撓曲性，對(duì)于要求最苛刻的機(jī)器人應(yīng)用來(lái)說(shuō)，是設(shè)計(jì)人員的信賴之選。該系列電纜的基本型號(hào)（如 [0029591] ）和屏蔽型號(hào)（如[0029689] ）都達(dá)到了這一扭轉(zhuǎn)撓曲性等級(jí)。這兩種型號(hào)的電纜都采用了 IEC 60228 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的超細(xì)銅線和熱塑性彈性體 (TPE) 絕緣材料。

0.14 mm2 至 0.5 mm2 規(guī)格的較小電纜使用鍍錫銅線，而 ≥0.75 mm2 規(guī)格的電纜使用裸銅線。主要的性能差異在于最大額定扭轉(zhuǎn)等級(jí)，非屏蔽電纜的最大扭轉(zhuǎn)額定值為每米 ±360°，屏蔽電纜的最大扭轉(zhuǎn)額定值為每米 ±180°。

最大扭轉(zhuǎn)額定值表示長(zhǎng)度為 1 米的電纜可達(dá)到的無(wú)損扭轉(zhuǎn)程度。撓曲性等級(jí)為 TCF-01 的此類電纜可承受持續(xù)運(yùn)動(dòng)和高動(dòng)態(tài)應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)壽命超過(guò) 1 千萬(wàn)次。

?LFLEX ROBOT F1 電纜專為多軸關(guān)節(jié)機(jī)器人、焊接機(jī)器人和工業(yè)噴漆機(jī)器人等應(yīng)用而設(shè)計(jì)。例如，噴涂機(jī)器人通常采用六軸設(shè)計(jì)，可以執(zhí)行需要大量扭轉(zhuǎn)的復(fù)雜動(dòng)作（圖 3）。

圖 3：工業(yè)噴涂機(jī)器人。（圖片來(lái)源：LAPP）

在多軸機(jī)器人中，并非所有軸都會(huì)發(fā)生相同類型或相同程度的撓曲。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)，有些軸可能會(huì)進(jìn)行 ±360° 扭轉(zhuǎn)，有時(shí)會(huì)反向扭轉(zhuǎn)，而其他軸則會(huì)進(jìn)行更多的線性連續(xù)撓曲，幾乎不會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。?LFLEX ROBOT F1 電纜可用于所有運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，尤其適用于發(fā)生扭轉(zhuǎn)和彎曲組合應(yīng)力的應(yīng)用場(chǎng)合，例如與末端執(zhí)行器工具的連接部分。

中級(jí)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)

?LFLEX SERVO FD 低電容混合伺服電纜（如[1023278] 型）采用符合 IEC 60228 標(biāo)準(zhǔn)的超細(xì)裸銅線股和聚氨酯 (PUR) 外護(hù)套，且專為高動(dòng)態(tài)動(dòng)力拖鏈應(yīng)用而設(shè)計(jì)。這種電纜適用于需要高抗彎曲性能和中等撓曲性的應(yīng)用，例如一些龍門(mén)機(jī)器人設(shè)計(jì)和裝配或拾放機(jī)器。

這些電纜的連續(xù)撓曲等級(jí)為 CF-04，專用于多彎曲次數(shù)和連續(xù)撓曲應(yīng)用，且長(zhǎng)電纜軌道可支持長(zhǎng)達(dá) 300 英尺的鏈條。這些電纜的彎曲壽命可達(dá) 800 萬(wàn)至 2000 萬(wàn)次。信號(hào)對(duì)適用于 Hiperface DSL 和單電纜解決方案 (SCS) 開(kāi)放鏈路接口。這些電纜可承受高加速度產(chǎn)生的應(yīng)力。

應(yīng)力消除機(jī)構(gòu)的重要性

在機(jī)器人應(yīng)用中，電纜會(huì)承受巨大的機(jī)械應(yīng)力，應(yīng)力消除機(jī)構(gòu)的保護(hù)至關(guān)重要。應(yīng)力消除機(jī)構(gòu)通過(guò)防止外力傳遞到諸如焊點(diǎn)或連接器插針等內(nèi)連接部分，來(lái)確保電纜連接具有長(zhǎng)使用壽命。

LAPP 的 SKINTOP SL/SLR 系列是專為機(jī)器人應(yīng)用設(shè)計(jì)的耐用、液密、易安裝的應(yīng)力消除電纜密封套。以 [S2221] 電纜密封套為例，其夾持范圍為 9 mm - 16 mm，適用于中等直徑 VFD 電纜（圖 4）。

圖 4：這種電纜密封套可為工業(yè)機(jī)器人等應(yīng)用中的電纜消除應(yīng)力。（圖片來(lái)源：LAPP）

SKINTOP SL/SLR 電纜密封套中的氯丁橡膠襯套可提供 IP68 級(jí)液密和防塵氣密級(jí)密封。這種電纜密封套還包括性能卓越的、具有防振內(nèi)棘輪的集成鎖定機(jī)構(gòu)。

結(jié)語(yǔ)

在機(jī)器人電纜選型期間，了解運(yùn)動(dòng)要求尤其重要。電纜是否會(huì)出現(xiàn)類似龍門(mén)機(jī)器人的連續(xù)撓曲，是否會(huì)出現(xiàn)類似工業(yè)噴涂機(jī)器人的扭轉(zhuǎn)撓曲，還是兩者都會(huì)出現(xiàn)？會(huì)出現(xiàn)多大撓曲？例如，一些多軸關(guān)節(jié)型機(jī)器人會(huì)出現(xiàn) ±360° 撓曲，而另一些則只需要 ±180° 撓曲。

增加信號(hào)線等功能會(huì)降低電纜的撓曲性等級(jí)，如上文提到的 ?LFLEX VFD 1XL 與帶信號(hào)線的 VFD 1XL 的撓曲性對(duì)比。即使與集成信號(hào)電纜一起使用，諸如 ?LFLEX SERVO FD 等其他電纜，也能保持很好的連續(xù)撓曲性能，滿足拾放和裝配機(jī)器人需求。最后，使用電纜密封套可提供保護(hù)電纜和任何附屬電子設(shè)備所需的應(yīng)力釋放功能，并提供更強(qiáng)大的環(huán)境保護(hù)。