1
今天這一篇我們講一講機(jī)器人專用線纜。早在2018年的時(shí)候我寫一篇文章《都講如何選電機(jī)減速機(jī),機(jī)器人線纜你會(huì)選嗎?》當(dāng)時(shí)的背景是單位受邀參加一個(gè)論壇,討論的是如何制定工業(yè)機(jī)器人的線纜評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),幾年過去了,今天我們回過頭再捋一下一些小細(xì)節(jié)。
今天要講的并不是標(biāo)準(zhǔn)解讀,而是個(gè)人對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的看法,線纜實(shí)際的測(cè)試方式以及使用上的一些零散的注意點(diǎn)。
我們都知道,“標(biāo)準(zhǔn)”是具有滯后性的,總要等到市場(chǎng)達(dá)到一定規(guī)模之后才會(huì)形成標(biāo)準(zhǔn),然后再逐步修正。而機(jī)器人線纜的標(biāo)準(zhǔn)的滯后性顯然要嚴(yán)重得多。
目前已知的針對(duì)工業(yè)機(jī)器人線纜的標(biāo)準(zhǔn)有以下4個(gè)。
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(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在2016年發(fā)布的 CRIA 0003-2016《工業(yè)機(jī)器人專用電纜》,這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是TUV的相似,這個(gè)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(guó)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(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在標(biāo)題中明確了這是為機(jī)器人發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn),其他兩個(gè)并沒有在標(biāo)題上明確給出,但確實(shí)是機(jī)器人線纜廠家引用標(biāo)準(zhǔn),這里其實(shí)很難界定什么是工業(yè)機(jī)器人線纜,只能說機(jī)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(huì)用到,機(jī)器人也可以算作一個(gè)廣義的設(shè)備。
并且標(biāo)準(zhǔn)中都有涉及到拖鏈的測(cè)試,這看起來更像傳統(tǒng)的設(shè)備線纜,但仔細(xì)想下,機(jī)器人線纜按布局位置可以分為在機(jī)器人內(nèi)部的線纜、在機(jī)器人外部的管線包(中大型機(jī)器人)、以及拖鏈線纜(機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的適用范圍,這里不必糾結(jié)。
另外可以看到VDE的發(fā)布時(shí)間相對(duì)晚一點(diǎn),是在2018年,這更像一個(gè)測(cè)試規(guī)范,包含了機(jī)械測(cè)試、化學(xué)測(cè)試、熱學(xué)測(cè)試、EMC電磁兼容、燃燒測(cè)試等五大部分,我的感覺是VDE是在前面幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)做了更豐富更細(xì)致的內(nèi)容。
以上標(biāo)準(zhǔn)都可以從發(fā)布方或者質(zhì)檢機(jī)構(gòu)買到。網(wǎng)上也有不少對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)機(jī)構(gòu)或者深度合作的線纜廠家探討解讀。個(gè)人解讀或者一般小廠的經(jīng)驗(yàn)可能會(huì)弱一些。
我的個(gè)人看法是標(biāo)準(zhǔn)這個(gè)東西就是一個(gè)基礎(chǔ),是一個(gè)充分非必要條件。意思是如果廠家已經(jīng)按照某一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)自測(cè)過,這說明該廠家在這方面已經(jīng)有所準(zhǔn)備,但是并不保證通過標(biāo)準(zhǔn)的就一定能符合機(jī)器人要求。而沒有按照某一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)過的廠家,但是這款產(chǎn)品已經(jīng)在機(jī)器人廠家驗(yàn)證過,這可能還更靠譜一些,畢竟對(duì)機(jī)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(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的,我看的是機(jī)器人整體而不是線纜。
這在減速機(jī)上類似的情況。由于減速機(jī)行業(yè)的持續(xù)發(fā)展,除了減速機(jī)廠家會(huì)采購(gòu)或自研減速機(jī)測(cè)試設(shè)備外,已經(jīng)在不少檢測(cè)機(jī)構(gòu)按照減速機(jī)的國(guó)標(biāo)采購(gòu)了專業(yè)減速機(jī)測(cè)試設(shè)備,可以按照國(guó)標(biāo)測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo),也有不少?gòu)S家在推銷時(shí)會(huì)給提供檢測(cè)報(bào)告。這當(dāng)然是好事,讓大家有一個(gè)相對(duì)公平的橫向?qū)Ρ,但必須要說的是,檢測(cè)機(jī)構(gòu)只對(duì)檢測(cè)樣品負(fù)責(zé),不對(duì)批量產(chǎn)品負(fù)責(zé),并且標(biāo)準(zhǔn)只是一個(gè)入門門檻,優(yōu)劣更在標(biāo)準(zhǔn)之外。
而且,減速機(jī)這個(gè)還更特殊一些,不管你怎么定標(biāo)準(zhǔn),HD跟納博就是標(biāo)準(zhǔn),你奈我何~~~~
我們言為正傳,關(guān)于線纜品牌選擇與品牌這個(gè)事,我是這么看的。
1、標(biāo)準(zhǔn)是加分項(xiàng),但并非入場(chǎng)券。因?yàn)樽铋_始我在選擇機(jī)器人線纜的時(shí)候,標(biāo)準(zhǔn)還沒有,所以大家都不知道什么樣的線纜才是可以在機(jī)器人上用的線纜,那個(gè)時(shí)候廠家跟我說誰(shuí)誰(shuí)誰(shuí)用過他們家線纜,我也不太信,也不敢信,因?yàn)槲液芮宄莻(gè)時(shí)候大家對(duì)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(jiǎn)單的線纜有時(shí)會(huì)是大坑(但是大多數(shù)情況下又沒事)。而進(jìn)口品牌的機(jī)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(biāo)準(zhǔn),你說誰(shuí)誰(shuí)誰(shuí)用過,那請(qǐng)?zhí)峁y(cè)試報(bào)告,如果沒有也沒關(guān)系(廠家不會(huì)每一款線纜都測(cè)過),你推薦給我的線纜使用你的設(shè)備測(cè)一次。另外,相同的樣品,我會(huì)另外采用不同的測(cè)試方法再測(cè)一次。
2、自測(cè)更靠譜。上面講相同的樣品要自測(cè),是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)與實(shí)際應(yīng)用是有差距的。實(shí)際的機(jī)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)不可能做得這么細(xì),所以他們是不同運(yùn)動(dòng)分解為若干種簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng),并且做成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)。而實(shí)際的機(jī)器人線纜運(yùn)動(dòng)要復(fù)雜得多。
以下幾個(gè)圖是從標(biāo)準(zhǔn)中的截圖,實(shí)際對(duì)應(yīng)的更豐富的測(cè)試設(shè)備各位可以翻一下開頭提到的文章,當(dāng)時(shí)有專家做了介紹。




前面講到由于機(jī)器人的分類與構(gòu)型很多,所以標(biāo)準(zhǔn)是將不同機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分解為以下幾種簡(jiǎn)單的測(cè)試運(yùn)動(dòng):
測(cè)試一:雙滑輪的曲撓(≤4mm2)
這項(xiàng)測(cè)試考核電纜在徑向承受拉力,線芯施加電壓電流負(fù)荷的情況下,整體的柔韌性表現(xiàn)。
測(cè)試二:彎折及旋轉(zhuǎn)
這項(xiàng)測(cè)試中電纜兩端固定,中間部分做離心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
測(cè)試三:彎折
這是模擬多關(guān)節(jié)機(jī)器人可能會(huì)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(cè)試四:拖鏈彎曲
這項(xiàng)測(cè)試是拖鏈電纜必做的項(xiàng)目,彎曲半徑為6D。
測(cè)試五:90度彎折(>4mm2)
測(cè)試時(shí),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?yàn)槊看螐澱鄣狞c(diǎn)是在兩個(gè)固定件間的位置,并且反復(fù)在一個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行操作,所以這項(xiàng)測(cè)試要求比較苛刻。
測(cè)試六:2D扭轉(zhuǎn)
2D旋轉(zhuǎn)有兩個(gè)測(cè)試可二選一。一個(gè)是水平式的,左端有一個(gè)自旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)的次數(shù)根據(jù)客戶的需求確定一個(gè)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(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)都是至少500萬次。
測(cè)試七:垂直扭轉(zhuǎn)
進(jìn)行垂直扭轉(zhuǎn)測(cè)試時(shí),下面有一個(gè)固定端,該測(cè)試時(shí)旋轉(zhuǎn)的角度比較大,每分鐘是12次的旋轉(zhuǎn)速度。
測(cè)試八:3D旋轉(zhuǎn)
3D旋轉(zhuǎn)測(cè)試比較復(fù)雜,與90度彎折測(cè)試有點(diǎn)像,不過下面的盤子還要進(jìn)行一個(gè)自旋轉(zhuǎn),類似3D環(huán)境下的考核,一個(gè)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(shí)際上的機(jī)器人狀況是多種不同線纜加氣管、多種不運(yùn)動(dòng)的組合,所以我們當(dāng)時(shí)的做法是,根據(jù)企業(yè)自身的產(chǎn)品把對(duì)機(jī)器人分成不同的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng),然后把機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化變成線纜測(cè)試平臺(tái)。這是在初期投入很少的測(cè)試,而當(dāng)產(chǎn)品豐富之后,最直接的當(dāng)然是直接上機(jī)器人測(cè)試,或者使用機(jī)器人進(jìn)行改造變成測(cè)試平臺(tái),因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)機(jī)器人因?yàn)橥饷嬗蟹雷o(hù)殼等,要停機(jī)檢測(cè)不太方便。
下面是之前在文章中展示過的部分測(cè)試平臺(tái)示意。




又是最后的雜七雜八的環(huán)節(jié)。
1、線纜測(cè)試合格標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),只有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。上面的正式標(biāo)準(zhǔn)中都有對(duì)判斷方法與判斷標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)需要另外制定,因?yàn)樽詼y(cè)的是復(fù)合運(yùn)動(dòng),角度不同、速度不同,線纜數(shù)量不同等等都會(huì)影響標(biāo)準(zhǔn)。記得當(dāng)初有記錄的測(cè)試是按照超過360的角度,1秒運(yùn)動(dòng)一次的頻率,多線纜復(fù)合運(yùn)動(dòng),最終結(jié)束測(cè)試時(shí)運(yùn)動(dòng)超過1000萬次,并且結(jié)束測(cè)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(jī)器人線纜壽命到期的。
2、本質(zhì)上來說,線纜跟電機(jī)減速機(jī)一樣,也是需要定期檢查更換的。而更換周期跟測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試周期不同測(cè)試平臺(tái)是長(zhǎng)期大角度高速運(yùn)動(dòng),而實(shí)際機(jī)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(huì)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(duì)線芯來說,屏蔽層是很容易被忽略的對(duì)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(biāo)準(zhǔn)答案,需要跟廠家深入探討測(cè)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(shí)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(gè)時(shí)候還是導(dǎo)通的,甚至是剛好在某個(gè)角度電阻還特別小,而只有到另外一個(gè)角度的時(shí)候,電阻會(huì)突然變大,所以我們判斷的標(biāo)準(zhǔn)是角度內(nèi)的最大阻值。而實(shí)際的案例也遇到過。很早之前剛開始研發(fā)SCARA的時(shí)候,樣機(jī)測(cè)試過程中絲桿突然就不受控制飛出去了,但是沒有任何報(bào)錯(cuò),怎么查都查不出問題,因?yàn)檠b上去又很長(zhǎng)時(shí)間沒有異常,查了好久才發(fā)現(xiàn)是線纜其實(shí)已經(jīng)斷了,但是相互之間還搭著,只有剛好在某個(gè)瞬間出了問題,而且過程極短,報(bào)錯(cuò)都沒有。
5、線纜固定遵從靜要緊,動(dòng)要松的原則。即線纜的固定端要完全固定,不然會(huì)與固定鈑金、扎帶等磨損,這種磨損會(huì)很快,動(dòng)要松是指運(yùn)動(dòng)部分要流暢,不纏繞,不打結(jié),不長(zhǎng)短不一,不繃緊,不過長(zhǎng)。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(dòng)性,不然滴下來又是麻煩。
7、線纜末端接插件是品質(zhì)重災(zāi)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(dǎo)線壓斷、連接器扣不緊等等等等,末端剝皮長(zhǎng)短也需要控制,剝長(zhǎng)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(rèn)證中超標(biāo)的情況經(jīng)常發(fā)生,這對(duì)線纜的細(xì)節(jié)處理很重要。而且不僅是機(jī)器人,我發(fā)現(xiàn)好些小設(shè)備或電機(jī)也是抗干擾強(qiáng),干擾別人更強(qiáng)~~~~~~另外抗干擾也有不同等級(jí)之分,比如過了CR認(rèn)證或者CE認(rèn)證也不代表安全,一些特殊場(chǎng)景或者客戶的接線方式會(huì)讓你頭疼到懷疑人生。
9、目前看來,國(guó)產(chǎn)線纜與進(jìn)口線纜的存在兩方面的差異。相同的要求,國(guó)產(chǎn)可能成本還要高,而相同的線纜規(guī)格,國(guó)產(chǎn)比進(jìn)口要略粗一點(diǎn),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(jī)器人上做線。中大型機(jī)器人的是采用管線包,這個(gè)大家都知道是整體做好之后再裝配,但是即使是小機(jī)器人,比如SCARA或者小六軸,都要避免在機(jī)器人上壓線。最典型的是采用中空減速機(jī),中空孔比較小的時(shí)候,不少人是先穿線再壓接插件,這不僅影響效率,也會(huì)有非常大的質(zhì)量隱患,因?yàn)樵跈C(jī)器人只能手動(dòng)壓線,這對(duì)工人要求很高。正確的做法應(yīng)該是線纜整體做好,然后本體裝配完成后,整體進(jìn)行穿線、固定、連接,各位可以看看汽車廠的生產(chǎn)線的紀(jì)錄片就是這種做法。而且不僅僅是機(jī)器 人,而且大的非標(biāo)廠家在設(shè)備也會(huì)采用這種方式,把做線交給專業(yè)線束廠家,自己只負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)跟組裝。當(dāng)然這里要有量,并且對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)有要求。
11、永遠(yuǎn)不要相信供應(yīng)商缺貨時(shí)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(yàn)證,否則你拿純金當(dāng)銅賣給我也不要。你的好壞跟我的好壞不在一個(gè)評(píng)價(jià)體系,除非相互校驗(yàn)過。這不僅是線纜,對(duì)所有零部件都是如此。
12、機(jī)器人線纜會(huì)越來越少,甚至消失。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)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(yùn)動(dòng)角度外,也會(huì)大大增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性,也限制了很多設(shè)計(jì),未來的趨勢(shì)一定是線纜越來越少,F(xiàn)在協(xié)作常用的分布式驅(qū)動(dòng)布局設(shè)計(jì),把驅(qū)動(dòng)分散到各個(gè)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(guó)外也已經(jīng)有人做出了樣機(jī),不僅是分布式驅(qū)動(dòng),而且是分布式驅(qū)控,每一個(gè)關(guān)節(jié)就是一個(gè)單軸機(jī)器人,關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)可以快速連接,沒有接線動(dòng)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(dòng)。或者再進(jìn)一步,隨著無線充電與通信技術(shù)的發(fā)展,機(jī)器人也采用無線供電與通信也未可知。
2
3
4