機(jī)器人電纜彎折性能的主要影響因素研究

高燕飛，王傳洋

(蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006)

機(jī)器人電纜彎折性能的主要影響因素研究

高燕飛，王傳洋

(蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006)

本文通過實驗研究了導(dǎo)體絞制、成纜結(jié)構(gòu)、編織材料等因素對機(jī)器人電纜耐彎折性能的影響。研究結(jié)果表明，相比于簡單束絲導(dǎo)體，復(fù)絞導(dǎo)體的耐彎折性能明顯提高；電纜中心有未扭絞絕緣線芯時，該絕緣線芯的導(dǎo)體在彎折實驗過程中易發(fā)生斷絲；采用強(qiáng)度高、柔性好的合金絲編織屏蔽層可保證長期彎折電纜的屏蔽性能。

機(jī)器人電纜；彎折性能；拖鏈；絞合方式

近年來，隨著數(shù)字制造技術(shù)、人工智能技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和云計算等技術(shù)的快速發(fā)展，高性能機(jī)器人研發(fā)步伐加快，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，所發(fā)揮的作用日漸重要，因而機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到各國政府的高度重視[1-3]。歐洲制定了2002—2022年機(jī)器人研究與應(yīng)用路線圖，德國計劃在“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略下加速推進(jìn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，法國政府于2013年推出了機(jī)器人發(fā)展計劃(希望2020年進(jìn)入世界機(jī)器人領(lǐng)域前五強(qiáng))，英國于2014年發(fā)布了機(jī)器人和自主系統(tǒng)戰(zhàn)略2020[4-5]?！吨袊圃?025》將機(jī)器人作為重點發(fā)展領(lǐng)域，為貫徹落實好這一部署，國家又制定了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)[6-7]。

機(jī)器人電纜是機(jī)器人的“血管”和“神經(jīng)”，其中機(jī)器人手臂用柔性電纜通常需具有如：柔軟性好、耐彎曲疲勞、抗電磁干擾、耐油、耐腐蝕、耐磨、防水、耐高溫或低溫、耐輻射等一系列優(yōu)異的性能，這對其絕緣、導(dǎo)體和護(hù)套材料的性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造裝備與工藝等都提出了較高的要求。各國機(jī)器人電纜的發(fā)展水平基本與機(jī)器人的發(fā)展同步，日本和歐美發(fā)達(dá)國家產(chǎn)品質(zhì)量高，性能穩(wěn)定，具備自給自足能力。我國企業(yè)對機(jī)器人電纜的研究起步較晚，研發(fā)投入不足，目前國產(chǎn)機(jī)器人電纜的性能與國外同類產(chǎn)品相比差距明顯，只能應(yīng)用在一些扭轉(zhuǎn)和彎曲頻率低、幅度小、速度慢的非關(guān)鍵部位，國內(nèi)所用高端機(jī)器人電纜絕大多數(shù)依賴進(jìn)口。目前國內(nèi)外關(guān)于機(jī)器人電纜制造的關(guān)鍵技術(shù)仍處于相對保密狀態(tài)，鮮有公開報道。本文通過實驗研究了多種因素對電纜彎折性能的影響。

1 實驗方法

1.1 實驗設(shè)備與方法

模擬機(jī)器人拖鏈，在電纜樣品上施加與拖鏈線槽相同的應(yīng)力。拖鏈電纜實驗裝置工作原理如圖1所示。取約2 m電纜，按照圖1方法將其固定在彎折實驗機(jī)上，運行條件為：彎曲半徑r=6D(D為電纜外徑)，速度小于3 m/s。實驗機(jī)運動到規(guī)定次數(shù)時，線間不應(yīng)發(fā)生短路現(xiàn)象，并且絕緣、護(hù)套均不能出現(xiàn)龜裂、破損以及其他異?，F(xiàn)象。

圖1 拖鏈電纜實驗裝置工作原理圖Fig.1 Towline cable experimental device working principle diagram

1.2 拖鏈內(nèi)布線說明

電纜被安裝或固定在拖鏈內(nèi)后，沿長度方向必須能自由移動，在拖鏈彎曲處不產(chǎn)生張力。相鄰電纜之間要避免扭纏等相互干擾，保持平行布線的格局。電纜周圍預(yù)留空間要求如圖2所示。橫向布線時，電纜距離拖鏈上側(cè)空隙須不小于電纜外徑的10%且最小不應(yīng)小于2 mm；距離拖鏈兩側(cè)空隙須不小于電纜外徑的10%，最小不應(yīng)小于1 mm。

圖2 拖鏈內(nèi)電纜周圍預(yù)留空間示意圖Fig.2 Towline within the reserved space around the cable schematic

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)體絞合方式對其彎折性能的影響

按標(biāo)準(zhǔn)IEC60228及GB/T3956電纜導(dǎo)體分為1類、2類、5類和6類四種，其中1類為實心導(dǎo)體，2類為絞合導(dǎo)體，5類和6類為軟絞合導(dǎo)體。與5類導(dǎo)體相比，6類導(dǎo)體的單線直徑更小，單線根數(shù)更多，柔軟性更好?？紤]到機(jī)器人手臂用柔性電纜需頻繁進(jìn)行彎曲和扭轉(zhuǎn)，目前其導(dǎo)體通常為特柔軟的6 類導(dǎo)體。就6類導(dǎo)體而言，其絞合方式也不盡相同，可以將全部單絲一次束絞成型，也可以先將單絲束絞成股線，然后再對股線進(jìn)行復(fù)絞。為對比以上兩種結(jié)構(gòu)導(dǎo)體的耐彎折性能，本文試制了兩種電纜并進(jìn)行圖1所示的拖鏈彎折實驗，彎曲半徑為6D，移動速度為1.5 m /s。電纜結(jié)構(gòu)如表1所示，彎折實驗結(jié)果如表2所示。

表1 電纜結(jié)構(gòu)表Tab.1 Cable structure table

注：導(dǎo)體結(jié)構(gòu)112/0.08代表112根直徑0.08 mm的銅絲一次束絞；導(dǎo)體結(jié)構(gòu)7/16/0.08代表16根直徑0.08 mm的銅絲一次束絞成股線，然后7根股線復(fù)絞。

表2 電纜彎折實驗結(jié)果Tab.2 Cable bending test results

表2實驗結(jié)果表明，在單絲直徑和根數(shù)相同的情況下，采用復(fù)絞能明顯提高導(dǎo)體的耐彎折性。由此可見，盡管復(fù)絞會影響導(dǎo)體生產(chǎn)效率，但在單絲數(shù)量較大時，復(fù)絞有利于保持導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而保證導(dǎo)體在彎折時受力均勻，避免機(jī)械應(yīng)力集中，極大提高了導(dǎo)體的彎折疲勞壽命。

2.2 成纜結(jié)構(gòu)對電纜彎折性能的影響

在結(jié)構(gòu)為7/16/0.08的復(fù)絞銅導(dǎo)體外擠包0.4 mm厚的PVC，制得絕緣線芯。將7根絕緣線芯分別按以下兩種結(jié)構(gòu)成纜：A.以一根為中心線，按常規(guī)1+6芯結(jié)構(gòu)成纜，結(jié)構(gòu)如圖3a)所示。B.在電纜中心放置填充繩，將7根絕緣線芯放在同一層成纜，結(jié)構(gòu)如圖3b)所示。成纜節(jié)距為層芯圓直徑的15倍，在纜芯外繞包包帶，然后擠包厚度為1 mm護(hù)套。

圖3 成纜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Cable structure diagram

將以上兩根電纜按圖1所示進(jìn)行拖鏈彎折實驗，彎曲半徑為6D，速度為1.5 m/s，觀測圖3a)和b)中1號絕緣線芯的導(dǎo)體電阻變化情況。在兩根絕緣線芯的導(dǎo)體電阻分別達(dá)到初始值的2倍時停止實驗，實驗結(jié)果如表3所示。

表3 7芯電纜彎折實驗結(jié)果Tab.3 7-core cable bending test results

由表3可見，位于電纜中心的絕緣線芯耐彎折性能較差，分析其原因為：位于電纜中心的絕緣線芯呈直線狀，其彎折實驗過程中受到的周期性應(yīng)力直接作用在局部導(dǎo)體和絕緣上。而圍繞電纜中心的絕緣線芯或填充成纜的絕緣線芯呈螺旋狀排列，該結(jié)構(gòu)有利于分散彎折應(yīng)力，避免局部絕緣和導(dǎo)體應(yīng)力集中，故絕緣線芯的導(dǎo)體不易折斷。以上結(jié)果說明，對彎折性要求較高的柔軟電纜，在成纜過程中不宜將1根絕緣線芯置于電纜中心。

2.3 屏蔽材料對電纜彎折性能的影響

由于機(jī)器人電纜使用場合廣泛，有些特殊場合可能有抗干擾的要求，這樣屏蔽處理就很有必要了。實驗中選擇了鍍錫銅絲和合金絲做編織材料進(jìn)行對比，在保持其他材質(zhì)與結(jié)構(gòu)一致的情況下，分別制作鍍錫銅絲編織的電纜E和合金絲編織的電纜F。

將電纜E和電纜F進(jìn)行圖1所示的拖鏈試驗，彎曲半徑為6D，速度為1.5 m/s，測試經(jīng)歷不同彎折時間后電纜屏蔽層的直流電阻，并觀測電纜屏蔽層的變化狀況，實驗結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 屏蔽層電阻值與移動次數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between shield resistance value and the number of movements

圖5 彎折150萬次后電纜屏蔽層圖片F(xiàn)ig.5 1.5 million bending cable shield picture

由圖4可知，鍍錫銅絲編織的電纜彎折約130萬次時，屏蔽層的電阻值已經(jīng)達(dá)到初始值的2倍，同樣條件下，合金絲編織的電纜屏蔽層電阻值基本沒有變化。比較圖5不難發(fā)現(xiàn)，鍍錫銅絲編織的電纜斷裂嚴(yán)重，并且斷裂部位混亂，而合金絲編織的電纜基本沒有斷裂，只是略有些發(fā)黑。因為合金絲獨特的化學(xué)元素組合，使其具有強(qiáng)度高、柔軟性好、屏蔽、防磁、不易產(chǎn)生靜電效應(yīng)等特性，更適合應(yīng)用于機(jī)器人電纜的屏蔽層。

3 結(jié)論

A.對于導(dǎo)體截面相對較大的柔性機(jī)器人電纜，采用復(fù)絞導(dǎo)體結(jié)構(gòu)有利于減小應(yīng)力集中，提高導(dǎo)體的彎折性能。

B.電纜中心無絞合的單根絕緣線芯在彎折過程中易產(chǎn)生應(yīng)力集中，故柔性機(jī)器人電纜不宜采用1+6+X成纜結(jié)構(gòu)。

C.合金絲強(qiáng)度、韌性、柔軟性、耐疲勞性均優(yōu)于普通鍍錫銅絲，更適合應(yīng)用于機(jī)器人電纜的屏蔽層。

[1] 沈麗云.“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的機(jī)器人發(fā)展淺析[J].通信電源技術(shù)，2016，33(04)：207-209.

[2] 宋月超，蔡永洪，唐小軍，等.工業(yè)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀分析[J].工業(yè)計量，2016，26(01)：65-68.

[3] 嚴(yán)華.機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].創(chuàng)新科技，2015，188(10)：29-31.

[4] 法國機(jī)器人發(fā)展計劃[EB/OL]. http://www.cietc.org/article.asp?id=6630.

[5] 英國機(jī)器人戰(zhàn)略:RAS2020機(jī)器人和自主系統(tǒng)[EB/OL].http://intl.ce.cn/specials/zxgjzh/201603/01/t20160301_9213520.shtml.

[6] 中國制造2025[EB/OL].http://www.mof.gov.cn/zhengwuxinxi/zhengcefabu/201505/t20150519_1233751.htm.

[7] 機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)[EB/OL].http://www.miit.gov.cn/n1146285/n1146352/n3054355/n3057585/n3057591/c4746611/content.html.

Studyonmaininfluencingfactorsofbendingperformanceofrobotcable

GAO Yan-fei， WANG Chuan-yang

(School of Mechanical and Electric Engineering, Suzhou University, Suzhou 215006, China)

In order to develop high performance flexible robot cable, the influence of conductor twisting, cable structure and braided material on the bending resistance of robot cable was studied experimentally. The results show that the bending resistance of the stranded conductor is obviously improved compared with bundle conductor. When the cable has a untwisted insulated core in center, the conductor of the center-core is prone to breakage during the bending test. Alloy wire braid shield with high strength and good flexibility can provide a guarantee for shielding performance of long-term bending robot cable.

Robot cable; Flexibility; Drag chain; Twisting method

TP242

A

1674-8646(2017)20-0002-03

2017-08-16

高燕飛(1988-)，女，碩士研究生在讀。