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[機器人電纜] 機器人設(shè)計避坑指南4——機器人線纜
P:2025-09-24 08:30:09
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1、概述
今天這一篇我們講一講機器人專用線纜。早在2018年的時候我寫一篇文章《都講如何選電機減速機，機器人線纜你會選嗎？》當時的背景是單位受邀參加一個論壇，討論的是如何制定工業(yè)機器人的線纜評估標準，幾年過去了，今天我們回過頭再捋一下一些小細節(jié)。
今天要講的并不是標準解讀，而是個人對標準的看法，線纜實際的測試方式以及使用上的一些零散的注意點。
2、機器人線纜標準
我們都知道，“標準”是具有滯后性的，總要等到市場達到一定規(guī)模之后才會形成標準，然后再逐步修正。而機器人線纜的標準的滯后性顯然要嚴重得多。
目前已知的針對工業(yè)機器人線纜的標準有以下4個。
1、TUV萊茵制定的《PfG 2577/07.19 Requirements for Cables used in Robot System》，這是19年的2.0版本，更早的一版是2016年的版本。
2、中國機器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在2016年發(fā)布的 CRIA 0003-2016《工業(yè)機器人專用電纜》，這個標準是TUV的相似，這個很好理解，本來TUV也是起草單位之一。
3、VDE在2018年發(fā)布的VDE-PB-0022《Test Specification Classification of Flexible Industrial Cables》。之前好像有VDE的朋友送了我一本紙質(zhì)的還是電子版的，一下子找不到了。
4、美國UL公司在2018年發(fā)布的 RP 5770《Recommended Practice for Evaluating Cables for Use in Repeated Flexing Applications》。
可以看到，只有TUV和中國機器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在標題中明確了這是為機器人發(fā)布的標準，其他兩個并沒有在標題上明確給出，但確實是機器人線纜廠家引用標準，這里其實很難界定什么是工業(yè)機器人線纜，只能說機器人常用的線纜是高柔線纜，但是并不代表其他設(shè)備不會用到，機器人也可以算作一個廣義的設(shè)備。
并且標準中都有涉及到拖鏈的測試，這看起來更像傳統(tǒng)的設(shè)備線纜，但仔細想下，機器人線纜按布局位置可以分為在機器人內(nèi)部的線纜、在機器人外部的管線包（中大型機器人）、以及拖鏈線纜（機器人行走軸），而管線包與拖鏈線纜在設(shè)備中就非常常見，所以關(guān)于標準的適用范圍，這里不必糾結(jié)。
另外可以看到VDE的發(fā)布時間相對晚一點，是在2018年，這更像一個測試規(guī)范，包含了機械測試、化學測試、熱學測試、EMC電磁兼容、燃燒測試等五大部分，我的感覺是VDE是在前面幾個標準的基礎(chǔ)做了更豐富更細致的內(nèi)容。
以上標準都可以從發(fā)布方或者質(zhì)檢機構(gòu)買到。網(wǎng)上也有不少對標準的解讀文章，大家可以搜一下，我這里不班門弄斧了。比較建議是通過檢測機構(gòu)或者深度合作的線纜廠家探討解讀。個人解讀或者一般小廠的經(jīng)驗可能會弱一些。
3、標準與品牌怎么選
我的個人看法是標準這個東西就是一個基礎(chǔ)，是一個充分非必要條件。意思是如果廠家已經(jīng)按照某一個標準自測過，這說明該廠家在這方面已經(jīng)有所準備，但是并不保證通過標準的就一定能符合機器人要求。而沒有按照某一個標準測過的廠家，但是這款產(chǎn)品已經(jīng)在機器人廠家驗證過，這可能還更靠譜一些，畢竟對機器人廠家來說，我要證明的是我的所使用的線纜是有性能保障的，而不需要保證我所用的線纜是通過某項標準測試的，我看的是機器人整體而不是線纜。
這在減速機上類似的情況。由于減速機行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，除了減速機廠家會采購或自研減速機測試設(shè)備外，已經(jīng)在不少檢測機構(gòu)按照減速機的國標采購了專業(yè)減速機測試設(shè)備，可以按照國標測試各項指標，也有不少廠家在推銷時會給提供檢測報告。這當然是好事，讓大家有一個相對公平的橫向?qū)Ρ�，但必須要說的是，檢測機構(gòu)只對檢測樣品負責，不對批量產(chǎn)品負責，并且標準只是一個入門門檻，優(yōu)劣更在標準之外。
而且，減速機這個還更特殊一些，不管你怎么定標準，HD跟納博就是標準，你奈我何~~~~
我們言為正傳，關(guān)于線纜品牌選擇與品牌這個事，我是這么看的。
1、標準是加分項，但并非入場券。因為最開始我在選擇機器人線纜的時候，標準還沒有，所以大家都不知道什么樣的線纜才是可以在機器人上用的線纜，那個時候廠家跟我說誰誰誰用過他們家線纜，我也不太信，也不敢信，因為我很清楚那個時候大家對于線纜的關(guān)注是普遍不夠的，包括我自身也是在特定條件下才發(fā)現(xiàn)看似簡單的線纜有時會是大坑（但是大多數(shù)情況下又沒事）。而進口品牌的機器人線纜都是定制，根本買不到。
所以比較好的方式是，你說你通過標準，你說誰誰誰用過，那請?zhí)峁y試報告，如果沒有也沒關(guān)系（廠家不會每一款線纜都測過），你推薦給我的線纜使用你的設(shè)備測一次。另外，相同的樣品，我會另外采用不同的測試方法再測一次。
2、自測更靠譜。上面講相同的樣品要自測，是因為標準與實際應用是有差距的。實際的機器人有多種構(gòu)型，SCARA、六軸、協(xié)作、內(nèi)部/外部走線等等，線纜測試標準不可能做得這么細，所以他們是不同運動分解為若干種簡單的運動，并且做成標準測試平臺。而實際的機器人線纜運動要復雜得多。
以下幾個圖是從標準中的截圖，實際對應的更豐富的測試設(shè)備各位可以翻一下開頭提到的文章，當時有專家做了介紹。
4、線纜自測
前面講到由于機器人的分類與構(gòu)型很多，所以標準是將不同機器人運動分解為以下幾種簡單的測試運動：
測試一：雙滑輪的曲撓(≤4mm2)
這項測試考核電纜在徑向承受拉力，線芯施加電壓電流負荷的情況下，整體的柔韌性表現(xiàn)。
測試二：彎折及旋轉(zhuǎn)
這項測試中電纜兩端固定，中間部分做離心旋轉(zhuǎn)運動。
測試三：彎折
這是模擬多關(guān)節(jié)機器人可能會用到的懸臂，有一端固定在右下角，另一端是旋轉(zhuǎn)，本身彎曲的速度是200flexings/min，至少3萬次。
測試四：拖鏈彎曲
這項測試是拖鏈電纜必做的項目，彎曲半徑為6D。
測試五：90度彎折(>4mm2)
測試時，電纜自由鍛在180度范圍內(nèi)左右搖擺，每分鐘40次的旋轉(zhuǎn)率，總次數(shù)要求是100萬次。因為每次彎折的點是在兩個固定件間的位置，并且反復在一個點上進行操作，所以這項測試要求比較苛刻。
測試六：2D扭轉(zhuǎn)
2D旋轉(zhuǎn)有兩個測試可二選一。一個是水平式的，左端有一個自旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的次數(shù)根據(jù)客戶的需求確定一個角度。第二種是曲線旋轉(zhuǎn)，左端也是固定的，右端在軸上旋轉(zhuǎn)。兩個測試標準都是至少500萬次。
測試七：垂直扭轉(zhuǎn)
進行垂直扭轉(zhuǎn)測試時，下面有一個固定端，該測試時旋轉(zhuǎn)的角度比較大，每分鐘是12次的旋轉(zhuǎn)速度。
測試八：3D旋轉(zhuǎn)
3D旋轉(zhuǎn)測試比較復雜，與90度彎折測試有點像，不過下面的盤子還要進行一個自旋轉(zhuǎn)，類似3D環(huán)境下的考核，一個周期需要旋轉(zhuǎn)360度，旋轉(zhuǎn)的速度是30次每分鐘，至少是500萬次。
而實際上的機器人狀況是多種不同線纜加氣管、多種不運動的組合，所以我們當時的做法是，根據(jù)企業(yè)自身的產(chǎn)品把對機器人分成不同的關(guān)節(jié)運動，然后把機構(gòu)簡化變成線纜測試平臺。這是在初期投入很少的測試，而當產(chǎn)品豐富之后，最直接的當然是直接上機器人測試，或者使用機器人進行改造變成測試平臺，因為標準機器人因為外面有防護殼等，要停機檢測不太方便。
下面是之前在文章中展示過的部分測試平臺示意。
5、雜七雜八
又是最后的雜七雜八的環(huán)節(jié)。
1、線纜測試合格標準。這個沒有一個統(tǒng)一的標準，只有企業(yè)標準。上面的正式標準中都有對判斷方法與判斷標準做了介紹，比如多少萬次之后電阻變化不能超過多少百分比。但企業(yè)標準需要另外制定，因為自測的是復合運動，角度不同、速度不同，線纜數(shù)量不同等等都會影響標準。記得當初有記錄的測試是按照超過360的角度，1秒運動一次的頻率，多線纜復合運動，最終結(jié)束測試時運動超過1000萬次，并且結(jié)束測試并不是斷線，而是阻值基本不變，隨后就切入量產(chǎn)。而到目前為止還沒有遇到機器人線纜壽命到期的。
2、本質(zhì)上來說，線纜跟電機減速機一樣，也是需要定期檢查更換的。而更換周期跟測試平臺的測試周期不同測試平臺是長期大角度高速運動，而實際機器人絕大多數(shù)是有停頓，這不僅是扭轉(zhuǎn)角度問題，還有熱量積累問題，持續(xù)的扭轉(zhuǎn)會有能量的集中，磨損更快，這里不是線性的，而是指數(shù)型降低。關(guān)于更換周期，不同廠家的建議值不同，但大多并不是到期就換，而是定期檢查，有隱患才換，畢竟一套線換下來可不便宜。不同廠家建議更換周期不同，下面只是某一家的參考。
3、相對線芯來說，屏蔽層是很容易被忽略的對象。并且改善方式可能更難，不僅涉及到屏蔽層的材料，還有編織方式、編織密度、屏蔽效果等等。并不一定是越密越好，也不一定是十字交織的網(wǎng)線最好，這里沒有標準答案，需要跟廠家深入探討測試。之前也有聽說把屏蔽層跟表皮做成一體的嘗試，這樣屏蔽層的耐磨性更好，不知現(xiàn)在有沒有出產(chǎn)品。
4、藕斷絲連，欲斷難斷。很多時候，可能屏蔽層或線芯已經(jīng)碎成碴了，但是彼此之間還搭著，這個時候還是導通的，甚至是剛好在某個角度電阻還特別小，而只有到另外一個角度的時候，電阻會突然變大，所以我們判斷的標準是角度內(nèi)的最大阻值。而實際的案例也遇到過。很早之前剛開始研發(fā)SCARA的時候，樣機測試過程中絲桿突然就不受控制飛出去了，但是沒有任何報錯，怎么查都查不出問題，因為裝上去又很長時間沒有異常，查了好久才發(fā)現(xiàn)是線纜其實已經(jīng)斷了，但是相互之間還搭著，只有剛好在某個瞬間出了問題，而且過程極短，報錯都沒有。
5、線纜固定遵從靜要緊，動要松的原則。即線纜的固定端要完全固定，不然會與固定鈑金、扎帶等磨損，這種磨損會很快，動要松是指運動部分要流暢，不纏繞，不打結(jié)，不長短不一，不繃緊，不過長。注意轉(zhuǎn)彎半徑。
6、油脂可以大大提升壽命。有專用的線纜油脂可以大大提升壽命，防止線纜之間，線纜外內(nèi)壁等地方相互磨損，但是油脂必須沒有流動性，不然滴下來又是麻煩。
7、線纜末端接插件是品質(zhì)重災區(qū)。這里除了本身的質(zhì)量問題，更多是工藝與品控問題，如端子松脫、導線壓斷、連接器扣不緊等等等等，末端剝皮長短也需要控制，剝長了自然好做，但容易有干擾隱患。
8、相比被別人干擾，干擾別人的情況更容易出現(xiàn)。這在認證中超標的情況經(jīng)常發(fā)生，這對線纜的細節(jié)處理很重要。而且不僅是機器人，我發(fā)現(xiàn)好些小設(shè)備或電機也是抗干擾強，干擾別人更強~~~~~~另外抗干擾也有不同等級之分，比如過了CR認證或者CE認證也不代表安全，一些特殊場景或者客戶的接線方式會讓你頭疼到懷疑人生。
9、目前看來，國產(chǎn)線纜與進口線纜的存在兩方面的差異。相同的要求，國產(chǎn)可能成本還要高，而相同的線纜規(guī)格，國產(chǎn)比進口要略粗一點，可能是材料與工藝的差距。更深入的就不懂不敢亂說了。
10、盡量避免在機器人上做線。中大型機器人的是采用管線包，這個大家都知道是整體做好之后再裝配，但是即使是小機器人，比如SCARA或者小六軸，都要避免在機器人上壓線。最典型的是采用中空減速機，中空孔比較小的時候，不少人是先穿線再壓接插件，這不僅影響效率，也會有非常大的質(zhì)量隱患，因為在機器人只能手動壓線，這對工人要求很高。正確的做法應該是線纜整體做好，然后本體裝配完成后，整體進行穿線、固定、連接，各位可以看看汽車廠的生產(chǎn)線的紀錄片就是這種做法。而且不僅僅是機器 人，而且大的非標廠家在設(shè)備也會采用這種方式，把做線交給專業(yè)線束廠家，自己只負責設(shè)計跟組裝。當然這里要有量，并且對標準化設(shè)計有要求。
11、永遠不要相信供應商缺貨時說材料相同可以直接替換甚至更好，或者說使用了更貴的材料的鬼話。除非讓我看到完全相同的成分分析，或者已經(jīng)經(jīng)過了相同的驗證，否則你拿純金當銅賣給我也不要。你的好壞跟我的好壞不在一個評價體系，除非相互校驗過。這不僅是線纜，對所有零部件都是如此。
12、機器人線纜會越來越少，甚至消失。傳統(tǒng)工業(yè)機器人中都是線纜集中到基座，繁多的線纜除了限制了關(guān)節(jié)運動角度外，也會大大增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，也限制了很多設(shè)計，未來的趨勢一定是線纜越來越少。現(xiàn)在協(xié)作常用的分布式驅(qū)動布局設(shè)計，把驅(qū)動分散到各個關(guān)節(jié)，大大減少了線纜的數(shù)量。而如果關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)之前不是連線，而是采用滑環(huán)的話，則關(guān)節(jié)角度不再受限，將更加靈活。國外也已經(jīng)有人做出了樣機，不僅是分布式驅(qū)動，而且是分布式驅(qū)控，每一個關(guān)節(jié)就是一個單軸機器人，關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)可以快速連接，沒有接線動作，關(guān)節(jié)連接就代表了電氣也連接到位，裝好關(guān)節(jié)，一鍵啟動�；蛘咴龠M一步，隨著無線充電與通信技術(shù)的發(fā)展，機器人也采用無線供電與通信也未可知。
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