作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

為工業機器人選擇變頻驅動器 (VFD) 電纜時，必須考慮幾個關鍵因素才能確保獲得最小的解決方案規格和最高的可靠性。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節式機器人、拾放應用或其他機器人解決方案。

需要考慮的規格包括最小彎曲半徑、最大扭轉、導線絞合結構、連續撓曲等級（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（額定彎曲次數高達 200 萬次）是如何適用于包括龍門機器人在內的一系列機器人設計的。然后，回顧具有復雜扭轉和彎曲運動的多軸關節機器人的需求，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，設計彎曲次數高達 1000 萬次，適用于如自動裝配和拾取貼裝等機器人應用。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。

運動基礎知識

工業機器人專用 VFD 電纜與通用工業電纜的關鍵差異在于其能夠支持高速、高重復、高精度動態響應的能力。這些特性會對電纜造成很大的應力。

大多數 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、包覆或屏蔽結構、導體截面積和絞合幾何構型等。要達到較高的撓曲次數，需要對電纜結構的方方面面進行精心設計，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。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。

彎曲半徑是連續撓曲（也稱為滾動撓曲）的一個關鍵指標，對于機器人應用而言，這是一項至關重要的規格參數。扭轉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±360°（圖 1）。

圖 1：在工業線纜應用中，彎曲撓曲通常具有顯著優勢。工業機器人領域需要線纜具備連續撓曲與扭轉撓曲性能。（圖片來源：LAPP）

連續撓曲是指電纜重復地進行前后線性移動，常見于自動化設備、龍門機器人或電纜軌道系統等應用中。這種撓曲會使電纜不斷受到磨損和應力作用，要求電纜能連續運動而不發生損壞。

針對扭轉撓曲性能設計的電纜可承受持續扭轉。在機器人中，纜線還可以來回拉動，將線性連續撓曲與旋轉式扭轉撓曲相結合。諸如多軸關節型機器人、工業噴涂機器人（尤其是其末端執行器）和拾取貼裝系統等應用中的電纜會出現扭轉撓曲。

與工業過程控制中的許多其他領域不同，目前還沒有標準化術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，通常以一系列 IEC 標準為基礎，如 IEC 60228“絕緣電纜導體”。

IEC 60228:2023 規定了各種類型和應用的電力電纜和電線中導體的標稱截面積。同時，還制定了針對導線數量、規格以及電阻值的要求。

該標準根據導體的撓曲性和結構將導體分為不同的類別，具體分為實心導體（1 類）、絞合導體（2 類）、撓性導體（5 類）和高撓性導體（6 類）。撓性更高的導體在線股內包含更多更細的導線。

除參考各種 IEC 標準外，LAPP 的連續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。這是一項規定測試和校準實驗室能力要求的國際標準。

LAPP 規定了五個連續撓曲性能等級和兩個扭轉撓曲電纜性能等級（表 1）。LAPP 還為基本工業電纜規定了三級彎曲撓曲性，為風輪機中使用的特種電纜規定了三級扭轉撓曲性。

表 1：LAPP 規定的連續撓曲和扭轉撓曲性能等級。(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。工業機器人需要快速加速和制動，而輕質電纜可最大限度地減少質量，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百萬次彎曲和扭轉。

機器人的基本運動

LAPP ?LFLEX VFD 1XL 電纜的連續撓曲等級為 CF-01，適用于龍門機器人等應用。這些電纜具有防油、防紫外線和屏蔽功能。增強型交聯聚乙烯 (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，同時保持了 CF-01 級撓曲性。

?LFLEX VFD 1XL 充分體現了電纜結構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應用。

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“可連續撓曲設計屬性”，達到了很強的撓曲性。不過，該型電纜的彎曲性能不足，使其不適合大多數機器人應用（圖 2）。

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

機器人的最大運動量

?LFLEX ROBOT F1 電纜實現了 TCF-01 級高抗扭轉撓曲性，對于要求最苛刻的機器人應用來說，是設計人員的信賴之選。該系列電纜的基本型號（如 [0029591] ）和屏蔽型號（如[0029689] ）都達到了這一扭轉撓曲性等級。這兩種型號的電纜都采用了 IEC 60228 標準規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 規格的較小電纜使用鍍錫銅線，而 ≥0.75 mm2 規格的電纜使用裸銅線。主要的性能差異在于最大額定扭轉等級，非屏蔽電纜的最大扭轉額定值為每米 ±360°，屏蔽電纜的最大扭轉額定值為每米 ±180°。

最大扭轉額定值表示長度為 1 米的電纜可達到的無損扭轉程度。撓曲性等級為 TCF-01 的此類電纜可承受持續運動和高動態應力，扭轉壽命超過 1 千萬次。

?LFLEX ROBOT F1 電纜專為多軸關節機器人、焊接機器人和工業噴漆機器人等應用而設計。例如，噴涂機器人通常采用六軸設計，可以執行需要大量扭轉的復雜動作（圖 3）。

圖 3：工業噴涂機器人。（圖片來源：LAPP）

在多軸機器人中，并非所有軸都會發生相同類型或相同程度的撓曲。根據不同的設計，有些軸可能會進行 ±360° 扭轉，有時會反向扭轉，而其他軸則會進行更多的線性連續撓曲，幾乎不會發生扭轉。?LFLEX ROBOT F1 電纜可用于所有運動場合，尤其適用于發生扭轉和彎曲組合應力的應用場合，例如與末端執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，且專為高動態動力拖鏈應用而設計。這種電纜適用于需要高抗彎曲性能和中等撓曲性的應用，例如一些龍門機器人設計和裝配或拾放機器。

這些電纜的連續撓曲等級為 CF-04，專用于多彎曲次數和連續撓曲應用，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生的應力。

應力消除機構的重要性

在機器人應用中，電纜會承受巨大的機械應力，應力消除機構的保護至關重要。應力消除機構通過防止外力傳遞到諸如焊點或連接器插針等內連接部分，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用設計的耐用、液密、易安裝的應力消除電纜密封套。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機器人等應用中的電纜消除應力。（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、具有防振內棘輪的集成鎖定機構。

結語

在機器人電纜選型期間，了解運動要求尤其重要。電纜是否會出現類似龍門機器人的連續撓曲，是否會出現類似工業噴涂機器人的扭轉撓曲，還是兩者都會出現？會出現多大撓曲？例如，一些多軸關節型機器人會出現 ±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備所需的應力釋放功能，并提供更強大的環境保護。