啟帆工業(yè)機(jī)器人管線包設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李偉華 王偉 李興和 楊林 鄭勇山

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;管線包;線束;電纜

0引言

隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用范圍的快速擴(kuò)張，對(duì)機(jī)器人自身的技術(shù)要求也越來(lái)越高，比如電纜和氣管。由于工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性、使用的特殊性以及環(huán)境要求越來(lái)越苛刻，對(duì)電纜和氣管提出了更高的要求，比如環(huán)保、阻燃、耐油、耐高低溫、耐扭曲、高柔軟、高耐磨、抗干擾等。電纜和氣管是工業(yè)機(jī)器人的“血管”和“神經(jīng)”，一旦電纜和氣管出現(xiàn)故障，工業(yè)機(jī)器人就無(wú)法正常工作，這不僅會(huì)對(duì)客戶造成經(jīng)濟(jì)損失，而且損害公司良好形象和聲譽(yù)，同時(shí)故障維修的難度和成本相當(dāng)高。合理的電纜和氣管選型、布置，不僅能大幅減少故障問(wèn)題，還可大幅縮短安裝和維修工時(shí)，提高生產(chǎn)和維修效率。因此，本文引入了管線包的基本概念及作用，并介紹了啟帆工業(yè)機(jī)器人管線包設(shè)計(jì)過(guò)程與應(yīng)用情況，為工業(yè)機(jī)器人管線設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)和參考。

1管線包基本概念及作用

圖1所示為啟帆某機(jī)器人設(shè)計(jì)模型與實(shí)物照片。工業(yè)機(jī)器人管線包是為了保護(hù)電纜、氣管等設(shè)計(jì)和制作的成套線束方案和產(chǎn)品，可明顯減少電纜和氣管等磨損、老化，延長(zhǎng)使用壽命，更不會(huì)阻礙和限制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡和范圍，還可以減少電纜和氣管所承受的彎曲和扭轉(zhuǎn)力。管線包設(shè)計(jì)主要包括零配件選型、線路布置、長(zhǎng)度確定以及模塊化制作和便捷安裝等。

管線包合理的零配件選型和獨(dú)特的布局設(shè)計(jì)，即使在極端的彎曲情況下，也能始終保持管線良好的形態(tài)和抗壓性能，不會(huì)對(duì)管線零配件造成特別的擠壓，為管線提供有效保護(hù)。管線包制作和安裝具有模塊化特點(diǎn)，可提前根據(jù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)計(jì)好管線包方案，提前制作好管線包，不用等到現(xiàn)場(chǎng)下料、焊接、邊裝機(jī)邊布線等，而管線包的安裝更加方便快捷，就如同給機(jī)器人穿衣服一樣，只需按照預(yù)留的安裝孔位固定好即可。

2管線包設(shè)計(jì)過(guò)程

管線包設(shè)計(jì)主要分為物料選型和布置方案兩部分，其中物料選型主要有電纜、連接器、氣管、氣管接頭、輔助配件等;而布置方案主要有線束的長(zhǎng)度、固定點(diǎn)、保護(hù)措施、模塊化制作和安裝等。這兩部分內(nèi)容是相互影響的。

2.1管線包選型

這里主要介紹管線包電纜、波紋管、氣管等基本的常用的物料與選型。

2.1.1電纜

工業(yè)機(jī)器人通常采用伺服電機(jī)，該電機(jī)通常有2處接頭，其中一處是動(dòng)力線（有的電機(jī)將制動(dòng)器接線獨(dú)立出來(lái)，因此有3處接頭），一處是編碼器。以某伺服電機(jī)舉例說(shuō)明，如圖2所示。

動(dòng)力線由3根相線、1根地線、1對(duì)制動(dòng)器線構(gòu)成，制動(dòng)器線為一雙絞線，如圖3所示。啟帆采用增量式編碼器，接頭針腳數(shù)為7個(gè)，其中6個(gè)是傳遞3對(duì)信號(hào)，剩余1個(gè)是屏蔽信號(hào)。由于信號(hào)線纜含有屏蔽層，因此編碼器線只需3對(duì)雙絞線，如圖4所示。線芯規(guī)格均可參考電機(jī)說(shuō)明書。

管線包動(dòng)力線和編碼器線均是機(jī)器人專用柔性電纜，應(yīng)能滿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)高頻次、長(zhǎng)時(shí)間的彎曲和扭轉(zhuǎn)。機(jī)器人用電纜需要進(jìn)行彎曲和扭轉(zhuǎn)壽命測(cè)試（可查閱相關(guān)廠家產(chǎn)品說(shuō)明書）。啟帆機(jī)器人管線包采用某日本品牌FLEX系列電纜，其彎曲和扭轉(zhuǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

2.1.2波紋管

管線包波紋管有以下作用：（1）減少電纜與機(jī)器人本體或其他物體的摩擦、刮蹭、劃傷等，同時(shí)波紋管內(nèi)壁光滑，對(duì)電纜幾乎無(wú)磨損;（2）電纜比較柔軟，無(wú)法靠自身形成拱形支撐，而波紋管有較好的韌性，可以較大跨度和高度地支撐起電纜，如圖5所示;（3）波紋管將多個(gè)電纜集合起來(lái)，減少機(jī)器人本體電纜的密集感，線路清晰、簡(jiǎn)潔、美觀，如圖1所示。

波紋管有多種材質(zhì)，比如金屬、塑料、復(fù)合編織材料等，根據(jù)不用的需要進(jìn)行選擇。通常波紋管采用塑料，主要是尼龍，其性能也是大相徑庭。不能將一般用途的波紋管用于機(jī)器人管線包，因?yàn)橐话阌猛镜牟y管滿足不了機(jī)器人高頻次、長(zhǎng)時(shí)間的彎曲和扭轉(zhuǎn)而斷裂，如圖6所示。管線包波紋管跟電纜一樣，不僅要做常規(guī)項(xiàng)目測(cè)試（比如自熄滅性、高溫老化、抗拉伸、抗壓、抗沖擊等），還需要做彎曲性能測(cè)試（包括低溫彎曲），上述相關(guān)測(cè)試可查看廠家產(chǎn)品說(shuō)明書。啟帆前期采用某德國(guó)品牌波紋管，由于價(jià)格昂貴和交期較長(zhǎng)，現(xiàn)引進(jìn)一廣州國(guó)產(chǎn)品牌，兩者規(guī)格參數(shù)如表2所示。單波紋管是無(wú)法使用的，需要配合接頭、固定座等附件一起使用。

2.1.3氣管

工業(yè)機(jī)器人本體末端通常采用氣動(dòng)裝置，通過(guò)吸盤吸附板料，實(shí)現(xiàn)取料、上料、取件等動(dòng)作。通常氣管布置和安裝不好，很容易就掙脫、甩出、損壞等。啟帆將氣管和本體電纜一起做到管線包，氣管從機(jī)器人本體底部引入，如圖7（a）所示，一直到本體末端，如圖7（b）所示，而客戶只需要安裝好本體前端的氣動(dòng)裝置，接上本體末端和底部的氣管接頭即可，工作難度和工時(shí)大大減少，方便快捷。

氣管選型主要是氣管規(guī)格和氣管根數(shù)，看客戶的具體使用要求，也可參考機(jī)器人制造商的推薦。啟帆管線包氣管規(guī)格有外徑Φ6mm、Φ8mm、Φ10mm、Φ12mm5種，氣管根數(shù)通常是1～2根。管線包氣管同樣要考慮彎曲特性，如彎曲半徑過(guò)小會(huì)導(dǎo)致氣管彎折、憋氣，甚至破裂。表3所示為某日本品牌氣管最小彎曲半徑數(shù)據(jù)。

2.2管線包布置

機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成且管線包物料選型大體確定后才開始做管線包布置方案。啟帆管線包布置方案是在SolidWorks三維平臺(tái)基于機(jī)器人本體模型來(lái)設(shè)計(jì)的，如圖1（a）所示。

2.2.1確定線束大體走向

通常有內(nèi)置線束和外置線束，其中內(nèi)置線束在機(jī)器人本體內(nèi)部，多采用中空結(jié)構(gòu)，且管線包安裝較復(fù)雜;外置線束在本體外部，只需在本體預(yù)留固定安裝孔位，管線包安裝方便快捷。啟帆管線包，如圖1中MR機(jī)器人底座、一二軸座和主臂段采取的外置線束，而副臂、末端手腕以及某些小型機(jī)如圖7（b）所示則采用內(nèi)置線束。

2.2.2確定管線包安裝固定點(diǎn)

安裝固定點(diǎn)自下而上設(shè)置，從機(jī)器人本體底座一直到末端，通常每隔一定距離要設(shè)置一固定點(diǎn)，用于固定或支撐管線包。固定點(diǎn)通常是鈑金件，比如接線盒、壓線扣、固定板等，如圖8所示。設(shè)置固定點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人本體各軸是處于零位狀態(tài)。

2.2.3敷設(shè)管線包線束

采用SolidWorks中3D草圖繪制樣條曲線，適當(dāng)調(diào)整樣條曲線，盡可能平滑、柔順，且貼近實(shí)物狀態(tài)，通過(guò)掃描完成線束敷設(shè)。線束應(yīng)預(yù)留一定的余量即彎曲的跨度、高度等，但不要預(yù)留過(guò)多，過(guò)多會(huì)使得管線包線束碰到機(jī)器人本體，造成碰撞、磨損等。在零位狀態(tài)布置好線束后，如圖9（a）所示，可量取各段線束長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度值還需要在極限位進(jìn)行校驗(yàn)，如圖9（b）所示。在極限位時(shí)，管線包線束彎曲或扭曲程度是最大的，注意核實(shí)彎曲半徑是否有超出產(chǎn)品的使用范圍。

2.2.4拆取管線包組件并出線束圖

圖1（a）所示為啟帆某機(jī)型人管線包設(shè)計(jì)完成的模型。拆取管線包組件，使管線包模塊化，可單獨(dú)提前制作好，不用跟機(jī)器人本體制作混雜在一起。啟帆某四軸機(jī)器人管線包組件模型如圖10所示。如要生產(chǎn)制作管線包，還需要拆裝配圖，分成單獨(dú)的線束圖。啟帆將管線包線束拆分成動(dòng)力線束、編碼線束、備用線與氣管線束3部分，圖11所示為啟帆某四軸機(jī)器人管線包線束。

2.2.5管線包線束與接頭固定方式

波紋管固定比較簡(jiǎn)單，選用配套的接頭和固定座就可以，但線束和接頭的固定需要注意。通常1kW及以上電機(jī)采用圓形接頭，如圖2所示，通過(guò)卡扣和螺紋擰緊固定，而1kW以下電機(jī)多采用快插接頭，每個(gè)廠家規(guī)格不一，不利于管線包的批量制作，因此啟帆通常將電機(jī)原快速接頭剪掉，管線包和電機(jī)分別統(tǒng)一安裝上某一外國(guó)品牌的快插接頭，如圖8（d）所示。

快插接頭和電纜如果不固定，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，電纜會(huì)甩動(dòng)，接頭很容易松脫。電纜可采用壓線扣固定如圖8（b）與圖8（d）所示，也可采用扎帶將其固定在固定座上，如圖8（c）～（d）所示，但電纜在固定前，一定要包裹膠皮，如圖8（b）所示，確保電纜壓緊?？觳褰宇^通常采取三點(diǎn)固定法，如圖8（c）～（d）所示，其中快插接頭為中間點(diǎn)，兩邊線束為前后點(diǎn)，該三點(diǎn)均要固定牢固。啟帆通常采用扎帶將電纜和接頭扎緊在固定座上。

3管線包應(yīng)用

目前管線包已經(jīng)全面應(yīng)用于啟帆關(guān)節(jié)機(jī)器人，圖1（b）所示為啟帆MR6機(jī)器人管線包安裝完畢照片，圖7所示為啟帆SRE7機(jī)器人照片（管線包內(nèi)置），圖12所示為啟帆其他機(jī)器人管線包安裝完畢照片。啟帆自2018年5月取消現(xiàn)場(chǎng)散件布線（邊安裝機(jī)器人本體邊布線），引入和設(shè)計(jì)全新管線包，以及合理的選型與布局，使得布線效率相比之前提高了3倍，管線故障率下降了90%。目前還未收到任何關(guān)于電纜和氣管磨損、斷裂等質(zhì)量投訴，同時(shí)機(jī)器人外觀更加簡(jiǎn)潔、美觀。

4結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人電纜和氣管使用要求越來(lái)越高、布線生產(chǎn)效率低、管線故障頻發(fā)等問(wèn)題，啟帆引進(jìn)了管線包概念和技術(shù)，采取合理的選型與科學(xué)的布局設(shè)計(jì)，取得了良好的應(yīng)用效果，使用壽命大幅延長(zhǎng)、生產(chǎn)效率大幅提高、故障大幅度減少，為今后機(jī)器人布線設(shè)計(jì)提供了重要指導(dǎo)和參考。