摘要：随着工业机器人应用领域的扩大和工业机器人本身的功能不断扩展，工业机器人的电缆、线缆等部件将向更复杂、更精细、更多功能方向发展。本文首先对工业机器人用柔性电缆进行分类，然后对不同应用领域的柔性电缆在产品结构、性能要求等方面进行对比分析，并结合机器人产品在使用环境和寿命方面的特殊要求，给出工业机器人用柔性电缆在产品设计时应考虑的几个主要因素，最后提出了针对不同应用领域的工业机器人用柔性电缆设计的参考标准。通过本文研究，希望对工业机器人用柔性电缆设计和制造起到一定的指导作用，对促进我国工业机器人用柔性电缆在行业内更广泛地应用和发展起到一定的促进作用。

关键词：工业机器人；柔性电缆；性能；技术要求

引言

机器人是具有感知、规划、决策和控制能力的自主移动智能装备，是制造业向自动化、智能化发展的重要标志。随着我国工业机器人技术的不断发展，工业机器人在汽车制造、食品加工等行业得到了广泛地应用，应用领域越来越广。近年来，我国机器人产业取得了长足的发展，工业机器人市场份额不断提升，越来越多的企业涉足工业机器人领域。

近年来，我国工业机器人市场规模不断扩大，其中汽车制造、电子制造、食品加工等行业应用工业机器人数量逐年递增。在这些行业中使用的柔性电缆种类繁多，产品规格尺寸多样。目前我国对柔性电缆技术要求还不够完善，未形成统一的标准和规范。柔性电缆作为一种新兴的线缆产品，其技术要求与现有工业机器人使用电缆相比有一定区别。

一、柔性电缆分类

工业机器人是目前应用最广泛的自动化设备，其中柔性电缆是其核心部件。工业机器人用柔性电缆有两种结构，一种是传统的电缆结构，另一种是新型的柔性结构。传统的电缆结构应用较多，但是随着工业机器人技术的快速发展，新型的柔性电缆已开始被广泛应用。新型的柔性电缆具有柔性、环保、低电磁干扰等特点，而且适用于较恶劣的环境。传统的柔性电缆一般使用在较低电压下，不能满足工业机器人在高电压环境下正常工作的要求。

柔性电缆一般可以分为以下类型：柔性控制电缆，柔性动力电缆，柔性数据电缆，柔性伺服电缆。如果还要细分，则可以分为：传感器电缆，又称为编码电缆，伺服电机电缆，机器人电缆，清洁电缆，拖链系统电缆。柔性控制电缆是柔性电缆中最常见的类型。所谓柔性控制电缆，就是主要用于控制拖链电缆系统的电缆。柔性控制电缆的外套主要采用三种材料：PVC，PUR，PETP，其中又以PVC材料最为常见。这三种材料都是高密度材料，可以有效防止电缆磨损。这种电缆的特点是阻燃，弯曲半径小，PUR和PETE材料还有较好的耐性，可以耐酸碱，耐温和抗紫外线。柔性动力电缆和柔性控制电缆类似。柔性数据电缆又被称为柔性总线电缆，和柔性伺服电缆一样，都是柔性电缆中用于传输数据的类型。一般采用PUR和PETP材料作为护套，保护性能优良，具备良好的抗性和耐性。而且由于经常在机房中铺设，因此还有良好的阻燃性能。

在工业机器人的运行过程中，往往会因机械振动或碰撞等原因导致设备内部的机械部件发生一定的变形或损坏，从而影响设备的正常运行。而在设备运行过程中，由于外部环境和负载条件的变化，可能导致柔性电缆的内部结构也随之发生一定的改变，进而影响其性能。因此，在设计工业机器人用柔性电缆时，应充分考虑到机器人外部环境和负载条件变化对产品性能造成的影响。

二、电缆结构

随着我国工业机器人产业的快速发展，机器人应用系统对柔性电缆的要求也越来越高，传统的刚性电缆已经不能满足工业机器人柔性控制系统的需求。新型的柔性电缆采用聚氯乙烯（PVC）等材料制成，其内部结构分为导体、绝缘和屏蔽三个部分。导体材料：采用高纯度无氧铜作为导体材料，该材料具有导电性好、导热性好的特点，而且无氧铜中的杂质不易挥发，可延长电缆的使用寿命。在导体中添加少量的纳米级氧化铝或氧化锌等，可起到阻湿、阻燃和降低电阻率等作用。绝缘材料：在长期使用过程中，电缆的绝缘材料不会被腐蚀、老化，保证其电气性能和机械性能不会降低。根据环境温度情况，应对电缆进行严格的温度控制，保证其在规定温度下长期使用。导体与绝缘之间用绝缘塑料间隔并缠绕保护层，能够起到密封、防水、耐腐蚀、抗老化等作用。在导体和绝缘之间设置屏蔽层，能够减少电磁干扰，同时能够降低电磁辐射对产品性能的影响。根据使用场合，电缆可分为以下几类：

1、固定导体类：通常指固定在机器人上的电缆，通过弹性体固定在机器人上；

2、缠绕型柔性电缆：通常指缠绕在机器人上的电缆，一般由电线、橡胶带、金属丝组成，缠绕在机器人的各个部位；

3、填充型柔性电缆：通常指填充在机器人的内部，用以传递力和信号；

4、充气型柔性电缆：通常指充气后使用的柔性电缆，由橡胶带与金属丝组成，金属丝可有多种类型，如铜丝、铝丝等，与充气式柔性电缆相比，充气式柔性电缆的外径小，可减少其重量；

5、非充气型柔性电缆：通常指非充气状态下使用的柔性电缆，即不需要使用充气式结构来传递力和信号。

以上各种类型的电缆在结构上有所区别，但也存在一些共同点。例如固定导体类柔性电缆，其主要材料是绝缘材料和金属丝；缠绕型柔性电缆主要材料是绝缘材料和金属丝；填充型柔性电缆主要材料是橡胶带；充气型柔性电缆主要材料是橡胶带。对于工业机器人用柔性电缆而言，不同类型的产品在结构上各有特点。例如固定导体类产品在结构上的突出特点是其具有一定弹性和韧性、导电性能较好；缠绕型产品在结构上的突出特点是其具有一定硬度和强度。

三、结构设计

机器人用柔性电缆的结构设计要根据机器人结构特点进行，尤其是工业机器人的机械连接部分，具有多自由度、自由度频繁切换、运动速度快等特点，因此结构设计要满足这些特点。

工业机器人用柔性电缆的结构设计可从以下方面进行：（1）电缆要满足机器人各个自由度之间的连接要求；（2）电缆具有防水、防潮、防尘等要求，以避免水汽及灰尘进入机器人内部；（3）电缆与机器人的连接方式为直接连接或绝缘加强线连接，以保证接触良好；（4）电缆的护套与机器人的外壳之间应有可靠的绝缘隔离，以保证绝缘层不受损伤；（5）电缆的线芯需要具有防短路、过载及机械损伤等功能，以保证机器人正常运行。

四、电气性能

根据机器人不同的使用环境，工业机器人用柔性电缆需要具有一定的电气性能，如耐电压、耐电流、绝缘电阻等，这些性能要求一般都高于普通电缆。

1.导线直流电阻的测量

柔性电缆的导电线芯主要传输电能或电信号。导线的电阻是其电气性能的主要指标，在交流电压作用时线芯电阻由于集肤效应、邻近效应面比直流电压作用时大，但在电压频率为50Hz时两者相差很小，现在标准规定那个均只能要求检测线芯的直流电阻或电阻率是否超过标准中的规定的值，通过此项的检查可以发现生产工艺中的某些缺陷：如导线断裂或其中部分单线断裂；导线截面不符合标准；产品的长度不正确等。对柔性电缆，还可检查其是否会影响柔性电缆产品的运行中允许载流量。

2.绝缘电阻的测试

绝缘电阻是反映电线电缆产品绝缘特性的重要指标，它与该产品的耐电强度，介质损耗，以及绝缘材料在工作状态下的逐渐劣化等均有密切的关系。对于通信电缆，线间绝缘电阻过低还会增大回路衰减、回路间的串音及在导电线芯上进行远距离供电泄漏等，因此都要求绝缘电阻应高于规定值。

测定绝缘电阻可以发现工艺中的缺陷，如绝缘干燥不透或护套损伤受潮；绝缘受到污染和有导电杂质混入；各种原因引起的绝缘层开裂等。在柔性电缆｜柔性电缆的运行中，经常要检测绝缘电阻和泄漏电流，以此作为是否能够继续安全使用。

五、机械性能

工业机器人用柔性电缆的机械性能主要包括拉伸性能、扭转性能、弯曲性能和耐轴弯曲性能。

若需对电缆进行更加全面的机械物理性能评估，可进行EN 50289-3-2001、GB/T 5013.2-2008、GB/T 5023.2-2008、GB/T 7424.2-2008等标准中介绍的耐磨试验、冲击试验、压扁试验、拉伸性能试验、电缆刚性试验、扭绞试验等。工业机器人用柔性电缆的弯曲性能和耐轴弯曲性能对其应用具有重要影响。目前，国内柔性电缆大多采用软绞线结构，在一定程度上限制了其弯曲半径和扭转半径，这就要求电缆具有较好的耐轴弯曲性能和耐弯曲性能。此外，对于工业机器人用柔性电缆而言，其工作环境一般较为恶劣，因此对其耐轴弯曲性能的要求也比较高。

对于工业机器人用柔性电缆的耐轴弯曲性能和耐扭转性能，国家标准只作了较低要求，而实际应用中一般会有更高的要求。因此在制定标准时可以考虑到实际情况。对于国内现有产品而言，基本上都能够满足国家最新标准要求；对于新产品而言，可以通过改进生产工艺和材料配方来达到要求。

六、主要技术指标要求

国内柔性电缆相关标准主要有：中国机械工业联合会制订的《工业机器人用柔性电缆》系列标准（YD/T2642-2017），该标准在设计要求和技术要求方面对柔性电缆的结构、材料、性能和技术要求进行了详细规定。机器人用柔性电缆应满足机器人产品的特殊要求，因此，在设计和制造过程中必须考虑柔性电缆的使用环境和寿命要求。目前，国内柔性电缆行业标准中关于机器人用柔性电缆的技术要求主要包括：机械性能、电气性能、绝缘性能、耐环境应力开裂性能等。

工业机器人用柔性电缆的性能要求，除了要满足基本的电气性能要求外，还要满足机器人产品在使用环境、使用寿命、机械强度等方面的特殊要求。因此，工业机器人用柔性电缆除了应符合 GB/T 24481-2009 《工业机器人用柔性电缆》外，还应满足 GB/T 28476-2010 《工业机器人用柔性电缆》及 GB/T 28476-2009 《工业机器人用柔性电缆》的规定。

其中， GB/T 28476-2010 《工业机器人用柔性电缆》标准中对工业机器人用柔性电缆的外径、长度、电气性能等方面均做出了明确要求。因此，在产品设计时，应考虑采用相同规格的线缆材料。

工业机器人用柔性电缆的机械性能要求主要包括：伸长率、回弹性、弯曲疲劳强度等，同时，还应满足产品的弯曲性能要求，即产品弯曲后回弹性要求不能超过50%；绝缘材料的耐温等级应满足不同温度范围内的使用要求，同时，还应满足耐环境应力开裂要求。

工业机器人用柔性电缆在机械性能方面的要求主要包括：弯曲疲劳强度、拉伸强度、弯曲疲劳寿命、抗冲击强度等。

工业机器人用柔性电缆在电气性能方面的要求主要包括：绝缘材料应具有良好的导电性、耐热性和耐水性；导体截面应与工作电流匹配；护套应具有较高的抗拉强度和韧性，以防止电缆受到损坏；绝缘材料不应有明显的机械损伤。

七、应用领域分析

工业机器人用柔性电缆在工业机器人中的应用，主要有以下三种情况：

1.根据应用环境选择不同类型的工业机器人用柔性电缆，例如用于机器人本体及系统的控制和信号传输，以保证机器人的正常工作。

2.根据结构形式选择不同类型的工业机器人用柔性电缆，如单芯、多芯、束状线及电缆，以满足不同系统的需要。

3.根据用途选择不同类型的工业机器人用柔性电缆，例如用于装配作业的机器人用柔性电缆应满足电气绝缘性能，在具有一定压力条件下可承受一定载荷。

综上所述，工业机器人用柔性电缆应用领域主要有：1.用于本体及系统控制和信号传输；2.用于装配作业的机器人用柔性电缆；3.用于设备维修和系统调试等其它用途的柔性电缆。针对不同应用领域的工业机器人用柔性电缆在设计和制造时应考虑到产品结构、性能等方面应满足使用环境、使用功能及使用寿命方面的要求。

结束语

在国内工业机器人用柔性电缆行业中，虽然已经有很多企业生产了工业机器人用柔性电缆，但是行业发展水平仍然有待提高，而且国家标准中的技术要求也不够全面，这需要相关的行业组织、科研机构以及企业共同努力。我国目前已有相关产品标准和国家标准，但是缺乏对工业机器人用柔性电缆的完整技术要求。

随着我国工业机器人技术水平不断提高，工业机器人用柔性电缆也将迎来快速发展，为适应行业发展趋势和提高产品质量，需要进一步完善和修订相关标准、规范企业生产行为、推动国内企业加大研发投入、加强与国外先进标准的对标工作等。

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作者简介：陈义军（1980.11—） 高级工程师，江苏江扬电缆有限公司技术研发部部长。