CN110473663A - 一种超柔性长寿命长距离的工业机器人拖链电缆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超柔性长寿命长距离的工业机器人拖链电缆，包括：电缆包覆体、超高分子量聚乙烯纤维芯线及绝缘芯线；超高分子量聚乙烯纤维芯线由至少两根超高分子量PE纤维丝同心绞合而成，绝缘芯线由无氧铜精细导体与碳纤维丝同心绞合而成；电缆包覆体包括由内向外依次分布的TPEE中被层、导电PE屏蔽层、复合编织层及TPU护套层，TPEE绝缘层靠近第一线体设置，导电PE屏蔽层位于TPEE中被层和复合编织层之间，TPU护套层位于电缆包覆体的外侧，复合编织层位于导电PE屏蔽层及TPU护套层之间。本发明具有高耐扭转、高耐弯曲、高耐拖链及超长使用寿命的效果，特别适用工业机器人及服务器人的拖链场所应用。

Description

一种超柔性长寿命长距离的工业机器人拖链电缆

技术领域

本发明涉及一种电缆，尤其涉及一种超柔性长寿命长距离的工业机器人拖链电缆。

背景技术

随着全球工业制造4.0和当前工业机器人、服务机器人及其他特种用途机器人产业的强势兴起，世界级制造企业无人工厂精密智造的高端方案提出，各行各业人工制造成本的普遍提高，制造企业各企业家们对机器人的高端应用和技术革新需求越来越强烈了。当前全球机器人产业中最著名的国际企业有美国通用、三菱电机、安川电器、松下、台达、三洋、欧姆龙；国内机器人产业较有影响力的知名企业有：埃斯顿、华中数控、广州数控、新松等。而与其配套的工业机器人拖链电缆主要有：多芯柔性拖链电缆、高柔性100万次多芯柔性拖链电缆、高柔性200万次多芯柔性拖链电缆、高柔性500万次多芯柔性拖链电缆、超高柔性高速1000万次多芯柔性拖链电缆、超高柔性超高速2000万次多芯柔性拖链电缆、超高柔性超高速3000万次多芯柔性拖链电缆、超高柔性超高速5000万次多芯柔性拖链电缆；如果按照其结构类型主要包括：多芯屏蔽/非屏蔽型、多对屏蔽/非屏蔽型；按照其结构形状主要有圆形、排线型；主要标准均需达到美国/德国/机器人产业联盟/机器人协会/机器人团体和行业标准，以满足高耐扭转高耐弯曲高耐拖链测试的严格要求。

当前国内工业机器人和服务机器人及其他特种用途机器人高柔性和超高速拖链电缆普遍存在拖链弯曲半径小、使用寿命较短(最多拖链次数很难超过5000万次)、拖链次数少、拖链加速度慢、拖链行程距离短，在应用工艺制造技术上粗糙；其次国内因为材料选型区间有限和制造设备及技术落后，品质控制和保证力量薄弱，造成大多数工业机器人高端拖链电缆仍需要依赖进口，技术可信度差。所以按照机器人产业线缆产品的逐渐成熟性和实际应用需求，并满足德国莱茵TUV《2pfG2577标准》和UL:RP5770标准及VDE-PB-0022标准进行产品设计和应用性创新势在必行。

有鉴于此，有必要对目前的拖链电缆结构进行进一步的改进。

发明内容

为解决上述至少一技术问题，本发明的主要目的是提供一种超柔性长寿命长距离的工业机器人拖链电缆。

为实现上述目的，本发明采用的一个技术方案为：提供一种超柔性长寿命长距离的工业机器人拖链电缆，包括：电缆包覆体，以及位于电缆包覆体内且多根并列设置的超高分子量聚乙烯纤维芯线及绝缘芯线；

所述超高分子量聚乙烯纤维芯线由至少两根超高分子量PE纤维丝同心绞合而成，所述绝缘芯线无氧铜精细导体与碳纤维丝同心绞合而成；

所述电缆包覆体包括由内向外依次分布的TPEE中被层、导电PE屏蔽层、复合编织层及TPU护套层，所述TPEE中被层靠近第一线体设置，所述导电PE屏蔽层位于TPEE中被层和复合编织层之间，所述TPU护套层位于电缆包覆体的外侧，所述复合编织层位于导电PE屏蔽层及TPU护套层之间。

其中，所述超高分子量聚乙烯纤维芯线及绝缘芯线的同心绞合间距均为11-13mm。

其中，所述超高分子量聚乙烯纤维芯线的周壁包覆有第一TPEE绝缘层。

其中，所述绝缘芯线的周壁包覆有第二TPEE绝缘层。

其中，所述超高分子量聚乙烯纤维芯线的数量有四根，所述绝缘芯线的数量有六根，相邻所述超高分子量聚乙烯纤维芯线之间设有两根绝缘芯线。

其中，所述复合编织层包括导电无纺布、芳纶纱及镀锡扁铜箔编织而成。

其中，所述电缆包覆体的截面大致呈两端为圆弧的矩形设置，所述芳纶纱及镀锡扁铜箔编织形成矩形的长边，所述导电无纺布形成矩形的弧形边。

其中，所述导电无纺布的厚度为0.02-0.04mm，所述镀锡扁铜箔的厚度为0.03-0.05mm。

本发明的技术方案主要包括电缆包覆体，以及位于电缆包覆体内且多根并列设置的第一线体及第二线体，其中，第一线体为由至少两根超高分子量PE纤维丝同心绞合形成的超高分子量聚乙烯纤维芯线，第二线体为由无氧铜精细导体与碳纤维丝同心绞合形成的绝缘芯线；该电缆包覆体包括由内向外依次分布的TPEE中被层、导电PE屏蔽层、复合编织层及TPU护套层。通过上述结构的设计，能够满足高耐扭转、高耐弯曲、高耐拖链及超长使用寿命的要求，特别适用工业机器人及服务器人的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一实施例超柔性长寿命长距离的工业机器人拖链电缆的截面图；

图2为本发明一实施例中超高分子量聚乙烯纤维芯线的截面图；

图3为本发明一实施例中绝缘芯线的截面图；

图4为本发明一实施例中复合编织层的截面图；

图5为本发明一实施例中拖链电缆作拖链运动的原理图。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参照图1-3，图1为本发明一实施例超柔性长寿命长距离的工业机器人拖链电缆的截面图；图2为本发明一实施例中超高分子量聚乙烯纤维芯线的截面图；图3为本发明一实施例中绝缘芯线的截面图。在本发明实施例中，该超柔性长寿命长距离的工业机器人拖链电缆，包括：电缆包覆体20，以及位于电缆包覆体20内多根并列设置的超高分子量聚乙烯纤维芯线11及绝缘芯线12；

所述超高分子量聚乙烯纤维芯线11由至少两根超高分子量PE纤维丝112同心绞合而成，所述绝缘芯线12由无氧铜精细导体与碳纤维丝同心绞合而成；

所述电缆包覆体20包括由内向外依次分布的TPEE中被层21、导电PE屏蔽层22、复合编织层23及TPU护套层24，所述TPEE中被层21靠近第一线体11设置，所述TPU护套层24位于电缆包覆体20的外侧，所述导电PE屏蔽层22位于TPEE中被层21和复合编织层23之间，所述复合编织层23位于导电PE屏蔽层22及TPU护套层24之间。

上述超高分子量聚乙烯纤维芯线11，由至少两根7*7/0.1mm超高分子量PE纤维丝112同心绞合而成。超高分子量聚乙烯纤维芯线11，具有在当前比强度和比模量纤维材料中最高，密度低(0.97～0.98g/cm3)介电常数低，轻柔可浮于水面，该超高分子量聚乙烯纤维芯线11可以替换为凯夫拉纤维；抗冲击性和抗切割性突出；超强防紫外线幅射和中子及伽玛射线，耐磨性好，摩擦系数小，耐化学腐蚀，曲挠寿命高。具体绞合时，采用φ50mm高速绞铜机或φ405mm缠绕机先同心绞合后复绞工序作业。

上述绝缘芯线12，由7/19/0.06无氧铜精细导体与12/0.06碳纤维丝同心绞合形成的绝缘芯线12。其中，无氧铜精细导体满足IEC60228六类导体要求，绞距小，导电性高，记忆恢复性好。而碳纤维材料质量轻，密度在1.5～2.0g/cm3；高强度，高模量，兼有柔软加工性能，超强耐腐蚀和抗拉力，线膨胀系数小，良好的耐低温性能。其次具有耐油、抗幅射，抗放射，能有效吸收有毒气体和减速中子特性。具体绞合时，采用φ50mm高速绞铜机或φ405mm缠绕机先同心绞合后复绞工序作业。

上述的导电PE屏蔽层22，容易成型，密度小质量轻无毒，成本低，吸水率低，表面光泽度好，柔韧性好，抗冲击，且耐低温耐油和耐化学稳定性良好；高效抗电子电器产品静电，完美消散导电和电磁波干扰，其次可以调节电阻率，是缆链运动过程中理想的屏蔽材料。生产时，采用φ150mm排线被覆机押出，押出温度控制范围在185～240℃之间，押出后φT6.0*W24±0.4mm，白色。

上述的复合编织层23，其主要特点是克服了传统金属屏蔽效果僵硬、外形难以变化、重量大，成本高的多方缺陷，具有隔离电磁波和无限电波的干扰，以及使用寿命长久的优点。复合编织层23的具体结构请参照下述实施例。

上述的TPU护套层24，具体有优异的高张力和高拉力，高强韧性抗撕裂能力强，极强的耐屈折性能，高度环保。耐磨耐寒耐油，耐水耐老化，耐气候，耐霉菌；同时具有高防水性透温性，防风防寒、抗菌防霉、保暖抗紫外线和能量释放功能。其次，机械强度高，承载能力强，抗冲击性和减震性能突出，加工性好；在-35℃下可保持良好的弹性、柔顺性。生产时，采用押出前护套料要充分在90℃的烘料箱中烘烤4小时；押出温度在180～205℃之间，采用加压式模具和三段式长径比24～28高剪切力等距不等深渐变型押出螺杆，其中加料段槽深15mm,计量段槽深4.5mm,加料段螺纹数5～6个，压缩段螺纹数11～12个，计量段螺纹数8～10个。设备采用φ150mm排线外被机押出。冷却水温要尽量低或使用冷冻机，冷却水槽要尽可能长，必要时在冷却水中加入防粘剂。押出蜂巢板上的过滤网采用80-100-120-100-80共5层细网，以确保挤出塑胶材料充分塑化和挤出线缆表面光滑及线径均匀度。押出后完成外径φT9.8*W28±0.5mm，黑色半雾面护套。

本发明的技术方案主要包括电缆包覆体20，以及位于电缆包覆体20内多根并列设置的第一线体11及第二线体12，其中，第一线体11为由至少两根超高分子量PE纤维丝112同心绞合形成的超高分子量聚乙烯纤维芯线11，第二线体12为由无氧铜精细导体与碳纤维丝同心绞合形成的绝缘芯线12；该电缆包覆体20包括由内向外依次分布的导电PE屏蔽层22、复合编织层23及TPU护套层24。通过上述结构的设计，能够满足高耐扭转、高耐弯曲、高耐拖链及超长使用寿命的要求。

进一步的，所述超高分子量聚乙烯纤维芯线11及绝缘芯线12的同心绞合间距均为11-13mm。同心绞合间距可以为11mm，12mm，13mm。其中，本方案中采用的绞合间距为12mm。可以理解的，绞合间距还可以为其他间距。

在一具体的实施例中，所述超高分子量聚乙烯纤维芯线11的周壁包覆有第一TPEE绝缘层111。进一步的，所述绝缘芯线12的周壁包覆有第二TPEE绝缘层121。

上述实施例中，第一TPEE绝缘层111及第二TPEE绝缘层121采用ID＝2.0±0.05mm，颜色依次为黑、棕、红、橙、黄、绿、蓝、紫、灰、白，采用φ50mm低烟无卤绝缘押出机作业。TPEE中被层21采用ID＝T4.0*W22±0.3mm。生产时，采用φ120mm排线被覆机押出；押出作业前在烘料箱中必须进行4±1小时，105±5℃连续烘烤。押出温度在185～200℃之间，保持第1段冷却水槽在2～2.5M，第2段水槽至少保持二层或三层，总长度在30米或以上，保持线材充分冷却。上述的第一TPEE绝缘层111、第二TPEE绝缘层121及TPEE中被层21，具有超好的加工性能和超长的使用寿命，强度高，柔韧性好和动态力学性能更好。具有极高的拉伸强度和优异的耐疲劳性能和耐热性能，是多次循环负载使用条件下的超理想材料。其次具有优异的抗蠕变和耐低温性能，极佳的耐油性能和耐老化性能，良好的机械性能；着色优良，成型加工性能好和良好的可回收利用性。更适用于超高折弯次数拖链电缆、直线电机电缆和机器人本体电缆。

具体的，所述超高分子量聚乙烯纤维芯线11的数量有四根，所述绝缘芯线12的数量有六根，相邻所述超高分子量聚乙烯纤维芯线11之间设有两根绝缘芯线12。内部整体结构和芯线排列成1芯(高强高模超高分子量聚乙烯纤维芯+超柔韧性和动态力学超强的)TPEE材料绝缘芯线，中间再间隔2芯(高导电性碳纤维丝同心绞合超细六类导体+超柔韧性和动态力学超强的)TPEE材料绝缘芯线，如此3个循环结构设计，从第1芯芯线到第10芯芯线中间间隔了4根比强度比模量最高的超高分子量聚乙烯纤维TPEE绝缘芯线，整体受力均衡；在超高负荷超高强度超高加速度拖链运动过程中，总体受力均匀程度高，屈服强度大，抗蠕变能力强，达到超过13个月的超强度拖链长寿命测试过程。此外，本方案还具有较佳的材料相容性，TPEE芯线和电缆包覆体20中的TPEE中被层21挤出/附着力一体化结合良好；TPEE芯线和导电PE屏蔽层22挤出相融性良好，而导电PE屏蔽层22具有超强抗电磁屏蔽干扰，防静电和缓冲防震的作用，在超强拖链运动中可以起到如同润滑剂减小运动摩擦系数效果。

请参照图4，图4为本发明一实施例中复合编织层23的截面图。在一具体的实施例中，所述复合编织层23包括导电无纺布232、芳纶纱及镀锡扁铜箔编织231而成。具体的，所述电缆包覆体20的截面大致呈两端为圆弧的矩形设置，所述芳纶纱及镀锡扁铜箔编织231形成矩形的长边，所述导电无纺布232形成矩形的弧形边。本方案中，导电PE屏蔽层22、紧贴其结构的高韧导电无纺布232、及超柔性超抗拉强度芳纶纱与精细镀锡扁铜箔编织混编结构起到了再次加强抗外界电磁干扰作用，同时又完成了高抗超强拖链运动的双重作用。其中，8束芳纶纱与16锭精细镀锡扁铜箔编织。生产时，采用24锭高速南洋静音式编织机作业，放线和收线张力及编织节距要相对小，每英寸约10～12目，编织覆盖率需达到90～95％。

上述的导电无纺布232具有极好的柔韧性、导电性，耐磨及抗高温，抗张力性极强，服贴性优良。本产品选用单面带胶导电无纺布232，厚度0.02-0.04mm，优选为0.03mm，超强紧贴导电PE屏蔽层22。其主要特点是克服了传统金属屏蔽效果僵硬、外形难以变化、重量大，成本高的多方缺陷。导电无纺布232材质非常柔软，轻巧，有很强的回复功能，适合隔离电磁波和无限电波的干扰。

上述，芳纶纱(帝人芳纶纱)具有密度小，质量轻，高拉伸模量，断裂强度高，断裂伸长率低，高温状态下可保持固有稳定性，收缩率非常低，玻璃转化温度非常高；其次抗腐蚀性能高不导电，较强的抗化学性能，低伸长率，非常适合与精细铜线或铜箔匹配。上述的芳纶纱可以替换为碳纤维。

上述的镀锡扁铜箔材料选用0.03-0.05mm，优选为0.04mm软态镀锡扁铜箔，具有良好的抗腐蚀性能，成型性好，可焊接性高，无毒无味；屏蔽效应更耐用更持久，使用寿命长久。

本方案的拖链电缆拖链运动时，产品外形呈半椭圆长方体或圆形，拖链运动一启动就开始做椭圆圆柱体运动，特别适合坦克链做拖链U形运动；受力中心点沿P中心距和H最大上下距离作来回往复循环运动，请参照图5。图5中30为拖链线缆移动端，40为拖链线缆固定端。产品整体外形和U形运动同步性好，受力面积大；而缆链内部是圆形芯线，按往返拖链运动受力分析，芯线为球体，相对外面圆柱体内部芯线球体受力面积更大。从源头保证了长寿命和长距离高强度拖链运动的大范围受力面积，确保5000万次或以上拖链运动次数。从上图示得到：链条的主要运动尺寸参数是链节距P,链条的弯曲部分形成一个不封闭的多边形，在导向运动时可看作是该多边形沿一固定直线作纯滚动，从中得到影响缆链传动不均匀系数至关重要。

本方案可以应用于精益化生产流水线上、高空消防作业工具和精密数控机床，工业机器人、服务机器人、防爆机器人、矿用机器人、教育机器人和各类特殊功能机器人拖链作业场所。具体而言，本拖链电缆可以用于高负载拖链或移动机械部件、控制柜的电气和电子设备布线、自动化工程电气设备/工业机器人系统的信号传输或控制电缆、工业作用环境下频繁弯曲声场合的安装拖链运动场所；特别适用在自动运转、搬运、仓储、数控机床和机器人系统需要长期往复运动的拖链用线地方。在未来工业机器人和服务机器人技术不断精进的条件下，随着生物仿生学的技术创新，未来的拖链线缆会真正使用上高仿原生态人工合成原纤纤维蜘蛛丝作为线缆成缆填充材料、导体中心填充材料、编织加强混编材料，并普及应用到各行各业的拖链线缆结构设计。

综上，本方案的超柔性长寿命长距离工业机器人拖链电缆，至少具有：

1、工业机器人和服务机器人在高负载条件下超高强度柔韧2D/3D扭转测试效果；

2、工业机器人和服务机器人超长距离/超长行程高速运动测试效果；

3、工业机器人和服务机器人超长时间高寿命拖链测试效果；

4、工业机器人和服务机器人弯折旋转/快速弯折旋转/90度弯折和垂直扭转测试要求；

5、工业机器人和服务机器人高性价比的低成本市场通用性效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种超柔性长寿命长距离的工业机器人拖链电缆，其特征在于，所述超柔性长寿命长距离的工业机器人拖链电缆包括：电缆包覆体，以及位于电缆包覆体内且多根并列设置的超高分子量聚乙烯纤维芯线及绝缘芯线；

所述超高分子量聚乙烯纤维芯线由至少两根超高分子量PE纤维丝同心绞合而成，所述绝缘芯线无氧铜精细导体与碳纤维丝同心绞合而成；

所述电缆包覆体包括由内向外依次分布的TPEE中被层、导电PE屏蔽层、复合编织层及TPU护套层，所述TPEE中被层靠近第一线体设置，所述TPU护套层位于电缆包覆体的外侧，所述导电PE屏蔽层位于TPEE中被层和复合编织层之间，所述复合编织层位于导电PE屏蔽层及TPU护套层之间。

2.如权利要求1所述的超柔性长寿命长距离的工业机器人拖链电缆，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯纤维芯线及绝缘芯线的同心绞合间距均为11-13mm。

3.如权利要求1所述的超柔性长寿命长距离的工业机器人拖链电缆，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯纤维芯线的周壁包覆有第一TPEE绝缘层。

4.如权利要求3所述的超柔性长寿命长距离的工业机器人拖链电缆，其特征在于，所述绝缘芯线的周壁包覆有第二TPEE绝缘层。

5.如权利要求4所述的超柔性长寿命长距离的工业机器人拖链电缆，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯纤维芯线的数量有四根，所述绝缘芯线的数量有六根，相邻所述超高分子量聚乙烯纤维芯线之间设有两根绝缘芯线。

6.如权利要求5所述的超柔性长寿命长距离的工业机器人拖链电缆，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯纤维芯线及绝缘芯线的截面均呈圆形。

7.如权利要求6所述的超柔性长寿命长距离的工业机器人拖链电缆，其特征在于，所述复合编织层包括导电无纺布、芳纶纱及镀锡扁铜箔编织而成。

8.如权利要求7所述的超柔性长寿命长距离的工业机器人拖链电缆，其特征在于，所述电缆包覆体的截面大致呈两端为圆弧的矩形设置，所述芳纶纱及镀锡扁铜箔编织形成矩形的长边，所述导电无纺布形成矩形的弧形边。

9.如权利要求8所述的超柔性长寿命长距离的工业机器人拖链电缆，其特征在于，所述导电无纺布的厚度为0.02-0.04mm，所述镀锡扁铜箔的厚度为0.03-0.05mm。