作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

為工業(yè)機器人選擇變頻驅(qū)動器 (VFD) 電纜時，必須考慮幾個關(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。沒有萬能的解決方案，因此需要仔細分析具體的運動要求，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機器人，而其他電纜則適用于多軸關(guān)節(jié)式機器人、拾放應(yīng)用或其他機器人解決方案。

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（基于彎曲半徑、距離、加速度、速度和重量）、絕緣和護套材料以及電磁干擾 (EMI) 屏蔽等級。

本文將詳細介紹為工業(yè)機器人指定電纜時的一些精細要求，并將展示 LAPP 的 ?LFLEX? VFD 1XL 和 VFD 1XL 帶信號電纜（額定彎曲次數(shù)高達 200 萬次）是如何適用于包括龍門機器人在內(nèi)的一系列機器人設(shè)計的。然后，回顧具有復(fù)雜扭轉(zhuǎn)和彎曲運動的多軸關(guān)節(jié)機器人的需求，以及 ?LFLEX ROBOT F1 電纜會有益于這些機器人。

接下來，簡要介紹 ?LFLEX SERVO FD 7DSL，這是一種采用 6 類超細絞合線制成的混合電纜，設(shè)計彎曲次數(shù)高達 1000 萬次，適用于如自動裝配和拾取貼裝等機器人應(yīng)用。最后，本文將探討電纜密封套在確保電纜和機器人運動可靠性方面的重要性。

運動基礎(chǔ)知識

工業(yè)機器人專用 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)、高精度動態(tài)響應(yīng)的能力。這些特性會對電纜造成很大的應(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，但對于機器人來說是遠遠不夠的。

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。要達到較高的撓曲次數(shù)，需要對電纜結(jié)構(gòu)的方方面面進行精心設(shè)計，包括使用既薄又耐磨的護套材料。

電纜的彎曲半徑是一項基本規(guī)格，表示電纜的無損極限彎曲率，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，運動類型是決定性因素。

彎曲半徑是連續(xù)撓曲（也稱為滾動撓曲）的一個關(guān)鍵指標，對于機器人應(yīng)用而言，這是一項至關(guān)重要的規(guī)格參數(shù)。扭轉(zhuǎn)撓曲是另一種撓曲性，對某些類型的機器人極其重要；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。工業(yè)機器人領(lǐng)域需要線纜具備連續(xù)撓曲與扭轉(zhuǎn)撓曲性能。（圖片來源：LAPP）

連續(xù)撓曲是指電纜重復(fù)地進行前后線性移動，常見于自動化設(shè)備、龍門機器人或電纜軌道系統(tǒng)等應(yīng)用中。這種撓曲會使電纜不斷受到磨損和應(yīng)力作用，要求電纜能連續(xù)運動而不發(fā)生損壞。

針對扭轉(zhuǎn)撓曲性能設(shè)計的電纜可承受持續(xù)扭轉(zhuǎn)。在機器人中，纜線還可以來回拉動，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)型機器人、工業(yè)噴涂機器人（尤其是其末端執(zhí)行器）和拾取貼裝系統(tǒng)等應(yīng)用中的電纜會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)撓曲。

與工業(yè)過程控制中的許多其他領(lǐng)域不同，目前還沒有標準化術(shù)語來描述或量化不同類型的電纜撓曲性。每個制造商都必須制定自己的分類系統(tǒng)，通常以一系列 IEC 標準為基礎(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)體的標稱截面積。同時，還制定了針對導(dǎo)線數(shù)量、規(guī)格以及電阻值的要求。

該標準根據(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)包含更多更細的導(dǎo)線。

除參考各種 IEC 標準外，LAPP 的連續(xù)撓性測試方法還通過了 UL 的詳細審核。具體審核包括對校準專用設(shè)備、訓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 標準。這是一項規(guī)定測試和校準實驗室能力要求的國際標準。

LAPP 規(guī)定了五個連續(xù)撓曲性能等級和兩個扭轉(zhuǎn)撓曲電纜性能等級（表 1）。LAPP 還為基本工業(yè)電纜規(guī)定了三級彎曲撓曲性，為風輪機中使用的特種電纜規(guī)定了三級扭轉(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。(表格來源：Lapp）

重量輕也是機器人電纜選型時的一個重要考慮因素。工業(yè)機器人需要快速加速和制動，而輕質(zhì)電纜可最大限度地減少質(zhì)量，便于快速運動，并提高電纜性能，確保電纜能夠可靠地承受數(shù)百萬次彎曲和扭轉(zhuǎn)。

機器人的基本運動

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

?LFLEX VFD 1XL 充分體現(xiàn)了電纜結(jié)構(gòu)對于撓曲性的重要性。[701703] 等基本型號配有鍍錫細銅線，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），撓曲性等級為 CF-01，額定彎曲壽命范圍為 100 萬至 200 萬次，鏈長可達 15 英尺。

添加獨立雙絞屏蔽信號線對并搭配裸露式橋架電纜引流線，可通過單根線纜同時傳輸電力與信號來簡化安裝，但代價是電纜的撓曲性等級降低。?LFLEX VFD 1XL 信號電纜的撓曲性等級為 FL-02，使其適用于一般工業(yè)應(yīng)用。

例如，帶信號的 [701715] ?LFLEX VFD 1XL 型電纜的撓曲性等級為 FL-02，由于其“可連續(xù)撓曲設(shè)計屬性”，達到了很強的撓曲性。不過，該型電纜的彎曲性能不足，使其不適合大多數(shù)機器人應(yīng)用（圖 2）。

圖 2：添加信號線后，?LFLEX VFD 1XL 電纜的撓曲性等級為 FL-02，適用于一般工業(yè)應(yīng)用。如果沒有信號線，撓曲性等級則增加到 CF-01，非常適合基礎(chǔ)機器人應(yīng)用。（片來源：DigiKey）

機器人的最大運動量

?LFLEX ROBOT F1 電纜實現(xiàn)了 TCF-01 級高抗扭轉(zhuǎn)撓曲性，對于要求最苛刻的機器人應(yīng)用來說，是設(shè)計人員的信賴之選。該系列電纜的基本型號（如 [0029591] ）和屏蔽型號（如[0029689] ）都達到了這一扭轉(zhuǎn)撓曲性等級。這兩種型號的電纜都采用了 IEC 60228 標準規(guī)定的超細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，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)額定值表示長度為 1 米的電纜可達到的無損扭轉(zhuǎn)程度。撓曲性等級為 TCF-01 的此類電纜可承受持續(xù)運動和高動態(tài)應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)壽命超過 1 千萬次。

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

圖 3：工業(yè)噴涂機器人。（圖片來源：LAPP）

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

中級機器人運動

?LFLEX SERVO FD 低電容混合伺服電纜（如[1023278] 型）采用符合 IEC 60228 標準的超細裸銅線股和聚氨酯 (PUR) 外護套，且專為高動態(tài)動力拖鏈應(yīng)用而設(shè)計。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，例如一些龍門機器人設(shè)計和裝配或拾放機器。

這些電纜的連續(xù)撓曲等級為 CF-04，專用于多彎曲次數(shù)和連續(xù)撓曲應(yīng)用，且長電纜軌道可支持長達 300 英尺的鏈條。這些電纜的彎曲壽命可達 800 萬至 2000 萬次。信號對適用于 Hiperface DSL 和單電纜解決方案 (SCS) 開放鏈路接口。這些電纜可承受高加速度產(chǎn)生的應(yīng)力。

應(yīng)力消除機構(gòu)的重要性

在機器人應(yīng)用中，電纜會承受巨大的機械應(yīng)力，應(yīng)力消除機構(gòu)的保護至關(guān)重要。應(yīng)力消除機構(gòu)通過防止外力傳遞到諸如焊點或連接器插針等內(nèi)連接部分，來確保電纜連接具有長使用壽命。

LAPP 的 SKINTOP SL/SLR 系列是專為機器人應(yīng)用設(shè)計的耐用、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)機器人等應(yīng)用中的電纜消除應(yīng)力。（圖片來源：LAPP）

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

結(jié)語

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

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