工業(yè)機(jī)器人電纜的抗電磁干擾優(yōu)化設(shè)計(jì)

文/王桂琴

隨著科技水平的不斷進(jìn)步，我國開始從中國制造向中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)變，自動(dòng)化能力和機(jī)械化作業(yè)水平不斷提升，尤其是工業(yè)機(jī)器人得到了廣泛應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人是受人的直接指揮，按照既定編排程序運(yùn)行的面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，在很多行業(yè)和領(lǐng)域變得越來越重要。與機(jī)器人配套使用的工業(yè)機(jī)器人電纜，無論是信號傳輸能力，還是緩解適應(yīng)能力，必須具有高性能才能滿足使用需求，一款優(yōu)質(zhì)的機(jī)器人電纜是工業(yè)機(jī)器人性能發(fā)揮的保障。而電纜是高效的電磁波接受天線和輻射天線，是主要干擾源，既是干擾的發(fā)生器又是干擾的接收器，因此做好電纜的抗電磁干擾設(shè)計(jì)對電子設(shè)備和機(jī)械臂的安全可靠運(yùn)行有著重要作用。

1 工業(yè)機(jī)器人電纜的性能特點(diǎn)

工業(yè)機(jī)器人電纜廣泛應(yīng)用在焊接、組裝、采集、產(chǎn)品檢測等具有高效性、持久性、速度和準(zhǔn)確性的工業(yè)機(jī)器人設(shè)備的使用中。為了應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人設(shè)備，機(jī)器人用電纜需要具有信號傳輸穩(wěn)定、耐磨損、耐彎曲等性能特點(diǎn)，這些性能直接影響機(jī)器人電纜的使用壽命。

信號傳輸性能穩(wěn)定：工業(yè)機(jī)器人接受來自計(jì)算機(jī)的指令并按照指令完成相應(yīng)操作，而指令發(fā)出到機(jī)器人接收之間需要依靠機(jī)器人電纜進(jìn)行信息傳輸，因此電纜信號傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性將直接影響機(jī)器人對信號指令的接收，對機(jī)器人的行動(dòng)作業(yè)產(chǎn)生影響。

高耐磨損性能：工業(yè)機(jī)器人的使用環(huán)境中電纜多為移動(dòng)使用，電纜的外護(hù)層直接接觸設(shè)備，因此電纜需要具有優(yōu)異的耐磨性能，以及抗機(jī)械性能，這樣能夠有效的延長電纜的使用壽命。

耐彎曲性能以及耐扭轉(zhuǎn)性能：工業(yè)機(jī)器人由于具有極高的靈活性和自由度，在作業(yè)過程中電纜需要頻繁的彎曲或扭轉(zhuǎn)，因此耐彎曲耐扭轉(zhuǎn)性能直接反映出機(jī)器人的作業(yè)靈活性和效率。

環(huán)境適應(yīng)性：工業(yè)機(jī)器人設(shè)備在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，面對的環(huán)境復(fù)雜多變，水、油污、腐蝕性物質(zhì)等不可避免的接觸到，因此高效優(yōu)質(zhì)的工業(yè)機(jī)器人電纜需要考慮環(huán)境適應(yīng)的需要，護(hù)套要求相對嚴(yán)格，具有一定的耐磨、耐油、防水、耐腐蝕、抗老化、抗撕裂、抗高低溫性能等。

2 干擾源分析

來自空間的輻射干擾，空間的輻射電磁場主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、電器設(shè)備的暫態(tài)過程、雷電、雷達(dá)等產(chǎn)生的，電纜可以接收到空間的電磁干擾，將干擾能量傳進(jìn)設(shè)備電路。外加電場在電纜線芯間電容耦合的作用下產(chǎn)生靜電干擾，以靜電耦合的方式進(jìn)入系統(tǒng)，可能會(huì)造成設(shè)備的誤動(dòng)，嚴(yán)重的造成絕緣擊穿。

由通電電流引起的電磁感應(yīng)干擾，如果交流導(dǎo)線或設(shè)備周圍存在交變電磁場，當(dāng)機(jī)器人電纜經(jīng)過這一區(qū)域時(shí)將以電磁感應(yīng)的形式對信號產(chǎn)生干擾。

高頻電磁波產(chǎn)生的干擾，如大功率高頻發(fā)生裝置、雷電電磁脈沖、電氣裝置接點(diǎn)開斷時(shí)的電弧等，都會(huì)產(chǎn)生一定程度的高頻電磁波引起干擾。

當(dāng)電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生變化、大型電力設(shè)備啟停、直交流電傳動(dòng)裝置引起諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)過電壓沖擊等產(chǎn)生的電磁干擾也會(huì)通過電源線進(jìn)行傳播。

電纜中的導(dǎo)線互相平行，且距離較近，導(dǎo)線之間具有很大的寄生電容和互感，也是導(dǎo)致串?dāng)_的原因之一。

電纜連接的設(shè)備接地電位不同，電纜屏蔽引起地線干擾。

3 電纜抗電磁干擾設(shè)計(jì)分析

3.1 電纜選型的抗干擾設(shè)計(jì)

參照《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50217-2018），為了使機(jī)器人電纜達(dá)到抗干擾的目的，在電纜選型上應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

電源、電壓、直流電源和跳閘控制回路等應(yīng)采用獨(dú)立的控制電纜，增強(qiáng)可靠的兩套系統(tǒng)。

弱點(diǎn)回路的每一對往返導(dǎo)線應(yīng)屬于同一根控制電纜；電流互感器、電壓互感器每組二次繞組的相線和中性線應(yīng)配置在同一根電纜內(nèi)。弱點(diǎn)信號、控制回路與強(qiáng)電信號、控制回路不應(yīng)合用一根控制電纜。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)信號回路控制電纜的開關(guān)量信號可選用總屏蔽，高電平模擬信號可選用對絞線芯總屏蔽，必要時(shí)選用對絞線芯分屏蔽；低電平模擬信號或脈沖量信號，選用對絞線芯分屏蔽，必要時(shí)選用對絞線芯分屏蔽的復(fù)合總屏蔽。

控制電纜金屬屏蔽按照可能的電氣干擾影響計(jì)入綜合抑制干擾措施，滿足降低干擾或過電壓的要求，用于集成電路、微機(jī)保護(hù)的電流、電壓和信號接點(diǎn)的控制電纜應(yīng)選用屏蔽型；位于110kV以上的配電裝置的控制電纜應(yīng)選用總屏蔽或雙層式總屏蔽。

3.2 電纜敷設(shè)的抗干擾方法

電纜敷設(shè)路徑遵照電纜傳輸性質(zhì)，不同性質(zhì)的電纜分開敷設(shè)，將高壓電纜、動(dòng)力電纜、控制電纜和信號電纜等分層，避免相互干擾。盡量將控制電纜和信號電纜敷設(shè)在金屬橋架或鋼管中，在盡可能的條件下將二者遠(yuǎn)離，也盡量遠(yuǎn)離電壓高、電流大的電力電纜。電纜捆扎時(shí)注意將動(dòng)力電纜和控制電纜分開捆扎。

敷設(shè)在配電裝置中的控制電纜和信號電纜，與耦合電容器或電容式電壓互感、避雷針接地處的距離在可用范圍內(nèi)盡量遠(yuǎn)離。

電纜敷設(shè)完成后，接線時(shí)盡量使剝出的芯線長度短，避免不同信號間的相互干擾。

3.3 導(dǎo)線之間信號串?dāng)_問題

導(dǎo)線之間的信號串?dāng)_是信號在傳輸過程中在傳輸線的相鄰導(dǎo)線上產(chǎn)生的電磁干擾電壓，串?dāng)_的強(qiáng)弱與相鄰兩條線路之間的互阻和信號線的抗阻有關(guān)。對普通信號線來說，盡量采用特性阻抗低的導(dǎo)線。對于扁平電纜，當(dāng)用一條電纜傳輸多種電平信號時(shí)，要按電平級別分組，不同組的導(dǎo)線之間保持一定距離?？梢园褍蓚€(gè)相鄰信號線的導(dǎo)線用一根空閑導(dǎo)線分開，并將空閑導(dǎo)線接地，這樣就將兩組相鄰導(dǎo)線間的耦合電容轉(zhuǎn)化為對地電容。如果干擾嚴(yán)重，可以采用雙絞線結(jié)構(gòu)電纜，將其中一根接地，減小靜電干擾和空間干擾。

3.4 接地系統(tǒng)的抗干擾方法

根據(jù)屏蔽理論，接地阻抗越小，屏蔽效果越高，因此接地的目的就是通過恰當(dāng)?shù)慕拥胤绞?，將接地阻抗降低。一般情況下屏蔽電纜和設(shè)備之間都是通過連接器連接，這樣連接器就成為了電纜屏蔽的一部分，因此連接器和屏蔽電纜的連接方式也會(huì)對屏蔽電纜的屏蔽效果產(chǎn)生影響，目前連接方式有卡接、焊接和抽頭。

電纜接地設(shè)計(jì)中的抗干擾方法還有：將控制電纜其中一個(gè)備芯接地，并在控制室一點(diǎn)接地；集成電路、微機(jī)保護(hù)電流、電壓和信號的電纜屏蔽層，在開關(guān)安置場所與控制室同時(shí)接地；當(dāng)電磁感應(yīng)干擾較大時(shí)，控制電纜屏蔽層采用兩點(diǎn)接地，靜電感應(yīng)干擾較大時(shí)，采用一點(diǎn)接地。對于雙重屏蔽或復(fù)合式總屏蔽，內(nèi)外屏蔽分別采用一點(diǎn)、兩點(diǎn)接地。電力電纜接線盒終端的金屬外殼、電纜橋架、電纜穿行的鋼管等的金屬部分要接地，非金屬的電纜槽盒應(yīng)在內(nèi)部放置接地導(dǎo)線。

接地網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)要降低接地網(wǎng)電阻限制接地電位升高，在避雷器下設(shè)置單獨(dú)的集中接地裝置或其他方式以降低其接地沖擊電阻，防止雷電流入地時(shí)由于瞬時(shí)局部電位升高引起對二次電纜的反擊。在電纜溝內(nèi)設(shè)置通長的接地導(dǎo)體盡量使電纜溝內(nèi)電位均勻，防止電位不均對二次回路造成干擾。

4 總結(jié)

本文對工業(yè)機(jī)器人用電纜的抗干擾設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，分析了工業(yè)機(jī)器人用電纜的性能特點(diǎn)，對干擾源進(jìn)行了分析，從電纜選型、電纜敷設(shè)、導(dǎo)線、接地系統(tǒng)角度給出一些電纜抗電磁干擾的方法。工業(yè)機(jī)器人電纜具有良好的抗電磁干擾性能，才能應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人設(shè)備，為設(shè)備提供控制和測量信號的傳輸以及電源連接，保障機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮出其獨(dú)特的優(yōu)勢和魅力。