王會永， 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.上海國纜檢測中心有限公司，上海200444）

0 引 言

工業(yè)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(shù)等多種學(xué)科的先進技術(shù)于一體的復(fù)雜智能機器［1］。 1962 年，世界上第一臺工業(yè)機器人由美國AMF 公司研發(fā)，隨后日本、德國、英國和瑞典等國家先后開始工業(yè)機器人的研究，20 世紀(jì)70 年代初我國的工業(yè)機器人開始研究［2-4］，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，工業(yè)機器人已在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，不僅可以提高勞動效率、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)濟效益和社會效益，需求量不斷攀升［5-6］。 我國工業(yè)機器人保有量占全球的四分之一，已成為全球最大的工業(yè)機器人市場［7］。

工業(yè)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(yè)機器人工作相適應(yīng)的性能才能滿足使用要求。 工業(yè)機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)機器人的使用環(huán)境、特殊運動方式及工作強度等因素決定的。目前，工業(yè)機器人用柔性電纜包括拖鏈布線電纜和機器人本體內(nèi)電纜。

1 工業(yè)機器人用柔性電纜性能要求分析

工業(yè)機器人按照臂部的運動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)型機器人等［8］。 目前，關(guān)節(jié)型機器人使用較多，基本都帶有拖鏈系統(tǒng)。 以6 軸工業(yè)機器人為例，分析柔性電纜在機器人工作中的工作狀態(tài)。 6 軸工業(yè)機器人示意圖見圖1。

圖1 6 軸工業(yè)機器人示意圖

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

可以發(fā)現(xiàn)，機器人的運動主要包括回轉(zhuǎn)、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(zhuǎn)加升降、回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)力、彎折力和往復(fù)力等作用。

結(jié)合功能需求，工業(yè)機器人用柔性電纜具有以下性能特點：

（1）穩(wěn)定的動力傳輸性能

穩(wěn)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(yè)機器人持續(xù)穩(wěn)定工作，就必須在運動過程中保持電力傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

（2）精確的信號傳輸性能

工業(yè)機器人工作主要是依據(jù)計算機發(fā)出的指令完成相應(yīng)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?shù)木_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(chǎn)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(zhuǎn)、往復(fù)運動，及各種磨擦是無法避免的。 在反復(fù)、長期的此類運動下容易造成導(dǎo)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(xù)穩(wěn)定工作。

（4）良好的環(huán)境適應(yīng)性

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

2 工業(yè)機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)、絕緣和護套、絞合結(jié)構(gòu)、屏蔽結(jié)構(gòu)和機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

導(dǎo)體是電纜機械壽命的第一層保障，導(dǎo)體結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到電纜機械運動過程中的受力和斷線情況，所以導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)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(dǎo)體或在第五種銅導(dǎo)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(dǎo)體或在第六種銅導(dǎo)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(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)體電阻可能會比純銅導(dǎo)體的直流電阻大，電纜設(shè)計時應(yīng)考慮直流電阻帶來的影響。

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，還與電纜的運行溫度、工作環(huán)境及耐彎曲、耐扭轉(zhuǎn)和往復(fù)運動等有關(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(yè)機器人導(dǎo)軌內(nèi)或本體內(nèi)使用，須對柔性電纜的外徑進行適當(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(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

成品電纜的機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)要考慮在運行過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(fù)絞成纜的結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)注意電纜絞合節(jié)距的控制。

2.4 屏蔽結(jié)構(gòu)的選擇

屏蔽作為電纜信號抗干擾常用的一種方法，主要功能是保證信號傳輸?shù)目垢蓴_能力。 一般采用銅絲編織或鍍錫銅絲編織的形式，有高柔性要求時也可采用銅皮軟線作為編織材料，同時應(yīng)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(huán)境的部件，是保護電纜的第一道屏障，護套材料性能的優(yōu)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(jù)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(yè)機器人導(dǎo)軌內(nèi)或本體內(nèi)使用的柔性電纜，不僅要對柔性電纜的外徑適當(dāng)限制，還應(yīng)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(yīng)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(zhì)以及受到紫外線等環(huán)境因素的影響，因此，護套材料的選擇還應(yīng)考慮環(huán)境因素及工作條件。

3 結(jié) 語

工業(yè)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(yè)機器人制造商［10］生產(chǎn)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(yè)機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)，有利于促進國內(nèi)工業(yè)機器人用柔性電纜的發(fā)展，同時能夠提高工業(yè)機器人用柔性電纜的質(zhì)量水平。