為機器人選擇 VFD 纜線時，對動作效能的考量

作者：Jeff Shepard

資料提供者：DigiKey 北美編輯群

2025-06-25

為工業機器人指定變頻器 (VFD) 纜線時，必須考量幾個關鍵因素，以確保達到最小解決方案和最大可靠性。沒有任何解決方案可以「一體適用」，需要針對每種應用仔細分析其特定動作要求，才能確保使用最合適的纜線。

某些類型的纜線適用於龍門機器人，而其他類型的纜線則擅長於多軸關節機器人、拾取應用或其他機器人解決方案。

需要考量的規格包括最小彎曲半徑、最大扭力、電線絞合結構、連續彎曲額定值 (基於彎曲半徑、距離、加速度、速度、重量)、絕緣和護套材料以及電磁干擾 (EMI) 屏蔽的等級。

本文詳細介紹為工業機器人指定纜線時的一些細微之處，並展示 LAPP 的 ÖLFLEX® VFD 1XL 和含訊號纜線的 VFD 1XL (額定彎曲次數高達 200 萬次) 如何適用於各種機器人設計，包括龍門機器人。然後，回顧具有複雜扭轉和彎曲動作的多軸關節機器人的需求；ÖLFLEX ROBOT F1 纜線可能可以輔助這些機器人。

接著，文章簡要介紹 ÖLFLEX SERVO FD 7DSL。這是一種由 Class 6 超細絞線製成的混合纜線，設計為彎曲次數高達 1000 萬次，可用於機器人應用，例如自動組裝和拾放。最後，本文檢視纜線接頭的重要性，及其如何確保纜線和機器人動作的可靠性。

動作基礎知識

用於一般工業應用和工業機器人的 VFD 纜線之間的主要差異在於後者可支援快速、可重複、精準的動作。這對纜線會施加很大的壓力。

大多數 VFD 纜線都有一些彈性。這通常代表它們可以彎折，以便在安裝過程中進行佈線。在固定應用中很實用，但對機器人而言此功能遠遠不足。

影響纜線撓性的因素包括絕緣類型、包覆或屏蔽的添加、導體尺寸、絞合結構等。要達到較高的彎折次數，需要重視纜線的各個結構，包括既薄又耐磨的護套材料。

纜線的彎曲半徑是一項基本規格，表明纜線在不受損壞的情況下可以彎區的程度，但這並無法表示纜線可以耐受的彎曲次數。瞭解會施加於纜線的動作類型，有助於選擇合適的纜線並確保達到所需的生命週期。

彎曲半徑是連續彎曲的一項參數，也稱為滾動彎曲，這是機器人應用的重要規格。扭轉彎曲是另一種撓性參數，對於某些類型的機器人而言很重要；在某些情況下，纜線可以繞其軸線旋轉 ±360° (圖 1)。

彎折彎曲、連續彎曲和扭轉彎曲的圖片 圖 1：在大多數工業纜線裝配中，彎折彎曲是一項優勢。工業機器人需要具備連續彎曲和扭轉彎曲的能力。(圖片來源：LAPP)

連續彎曲是指纜線重複以線性來回動作，常見於自動化設備、龍門機器人、纜線軌道系統等應用。這種彎曲會讓纜線不斷磨損和受壓，因此纜線必須能夠耐受連續動作而不損壞。

專為扭轉彎曲設計的纜線可以承受不間斷的扭曲。在機器人中，纜線也可能會遭受來回拉動，此動作結合線性連續彎曲與旋轉扭轉彎曲。多軸關節機器人、工業噴漆機器人 (尤其是其末端執行器) 和拾取系統等應用中的纜線可能會有扭轉彎曲。

與工業製程控制中的許多其他領域不同，不同類型的纜線撓性沒有標準化術語來描述或量化。每個製造商都必須自行開發分類系統，通常基於一系列 IEC 標準，例如 IEC 60228「絕緣纜線的導體」標準。

IEC 60228:2023 規定各種類型和應用的電力線和電線中導體的標稱截面積。此外，也包括對電線數、尺寸以及電阻值的要求。

依據導體的撓性和結構，將其分類，包括實心 (Class 1)、絞合 (Class 2)、撓性 (Class 5) 和高撓性 (Class 6) 導體。較高撓性的導體，在股線內含有較多較細的電線。

除了參考各種 IEC 標準外，LAPP 的連續彎折測試方法已經過詳細審核，取得 UL 驗證。此審查包括對校準的專業設備、訓練有素的工作人員、受控文件的要求，都需符合 ISO/IEC 17025 國際標準；此標準係針對測試和校準實驗室的能力進行規範。

LAPP 定義一系列五個連續彎曲效能等級和兩個扭轉彎曲纜線效能等級 (表 1)。LAPP 還為基礎工業纜線定義三個彎折彎曲等級，以及為風力發電機使用的特殊纜線定義三個扭轉彎曲等級。

表 1：LAPP 定義的連續彎曲和扭轉彎曲效能等級。(表格來源：Lapp)

為機器人選擇纜線時，重量也必須要輕。工業機器人需要快速加速和制動，而輕型纜線具有最低質量，能快速動作，並讓纜線可靠地耐受數百萬次彎曲和扭轉循環。

機器人基本動作

LAPP 的 ÖLFLEX VFD 1XL 纜線具有 CF-01 連續彎曲等級，適用於龍門機器人等應用。這些纜線具有防油、抗紫外線、屏蔽的特點。增強型交聯聚乙烯 (XLPE) 絕緣材料 (也稱為 XLPE plus) 具有機器人所需的機械效能，且外徑較小，支援在狹小空間內安裝，同時保持 CF-01 的靈活性。

ÖLFLEX VFD 1XL 展現出纜線撓性在結構上的重要性。701703 等基本型號採用細鍍錫銅線，屏蔽層由隔離帶和三層箔帶 (覆蓋率 100%) 組成，外加鍍錫銅編織層 (覆蓋率 85%)，其彎曲等級為 CF-01，額定循環壽命範圍為 100 萬至 200 萬次，且鏈長可達 15 ft。

添加一對獨立的箔屏蔽線用於訊號連接，並使用非絕緣托盤纜線 (TC) 排擾線，使一條纜線能夠同時處理電源和訊號，如此可簡化安裝，但代價是彎曲等級較低。ÖLFLEX VFD 1XL 含訊號纜線的彎曲等級為 FL-02，適合一般工業應用。

例如，含訊號的 701715 ÖLFLEX VFD 1XL 為 FL-02 等級，並且由於其「連續彎曲設計屬性」而具有高撓性。然而，額定循環壽命較短，因此不適合大多數機器人應用 (圖 2)。

LAPP 的 ÖLFLEX VFD 1XL 纜線具有 FL-02 彎曲等級圖片圖 2：ÖLFLEX VFD 1XL 纜線加上訊號線後，其彎曲等級為 FL-02，適用於一般工業應用。無訊號線時，彎曲等級提升至 CF-01，成為基本機器人應用的理想選擇。(圖片來源：DigiKey)

機器人最大動作

對於最高要求的機器人應用，設計人員可以選用 ÖLFLEX ROBOT F1 纜線，此纜線具有 TCF-01 的高扭轉彎曲等級。基本型號 (如 0029591) 和屏蔽型號 (如 0029689) 都具備這種扭轉彎曲等級。兩者均採用符合 IEC 60228 規範的超細銅線和熱塑性彈性體 (TPE) 絕緣。

0.14 mm² 至 0.5 mm² 的較小纜線採用鍍錫銅線，而 ≥0.75 mm² 的纜線採用裸銅線。主要的效能差異在於最大扭轉額定值，非屏蔽纜線為每公尺 ±360°，屏蔽纜線為每公尺 ±180°。

最大扭轉額定值表明纜線在 1 m 長度內不受損之下可耐受的扭轉量。具有 TCF-01 彎曲等級的此類纜線可以耐受超過 1000 萬次扭轉循環的連續動作和高動態應力。

ÖLFLEX ROBOT F1 纜線專為多軸關節機器人、焊接機器人、工業噴漆機器人等應用所設計。例如，噴漆機器人通常採用六軸設計，以實作需要大量扭轉的複雜動作 (圖 3)。

工業噴漆機器人圖片 圖 3：工業噴漆機器人。(圖片來源：LAPP)

多軸機器人的各軸不一定會經歷相同類型或程度的彎曲。依據設計，有些軸會經歷 ±360° 的扭轉，有時方向相反，而其他軸則經歷較線性的連續彎曲，或幾乎沒有或甚至完全沒有扭轉。ÖLFLEX ROBOT F1 纜線可用於所有動作場景，但特別適合結合扭轉和彎曲應力的應用，例如與末端執行器工具的連接。

中級機器人動作

ÖLFLEX SERVO FD 低電容混合伺服纜線 (如 1023278) 採用 IEC 60228 定義的超細裸銅線和聚氨酯 (PUR) 外護套，專為高動態動力鏈應用所設計。適用於需要高循環壽命和中等彎曲的應用，例如一些龍門機器人設計和組裝或拾放機器。

這些纜線的連續彎曲等級為 CF-04，設計用於高循環、連續彎曲應用，其長纜線軌道可支援長達 300 ft 的鏈長。其循環壽命為 800 萬至 2000 萬次。此訊號對適用於 Hiperface DSL 和單纜線解決方案 (SCS) 開放鏈路介面。可耐受高加速度施加的應力。

防拉裝置的重要性

在機器人應用中，纜線遭受巨大機械應力，由防拉裝置提供的防護非常重要。此裝置還可以防止外力傳遞到內部連接 (例如焊點或連接器引腳)，確保纜線連接的長使用壽命。

LAPP 的 SKINTOP SL/SLR 系列是耐用、液密、容易組裝的防拉纜線接頭，專為機器人應用所設計。例如，S2221 的夾持範圍為 9 至 16 mm，適用於中等直徑 VFD 纜線 (圖 4)。

LAPP 的 SKINTOP SL/SLR 系列圖片 圖 4：此類纜線接頭可為工業機器人等應用中的纜線提供防拉作用。(圖片來源：LAPP)

SKINTOP SL/SLR 纜線接頭中的氯丁橡膠套管可提供 IP68 等級的液密、防塵氣密密封。還具有整合鎖定機制，具有內部棘輪，可提供防振保護。

結論

在選擇機器人纜線時，必須瞭解應用的動作要求。需考量纜線是否會經歷類似於龍門機器人的連續彎曲、類似於工業噴漆機器人的扭轉彎曲，或者兩者兼有。彎曲程度為何？例如，有些多軸關節機器人可以彎曲 ±360°，而其他機器人只需要彎曲 ±180°。

添加訊號線等功能可能會降低纜線的彎曲等級，實例如 ÖLFLEX VFD 1XL 與含訊號線的 VFD 1XL。其他纜線，例如 ÖLFLEX SERVO FD，即使含整合式訊號纜線，也能保持極高的連續彎曲等級，並滿足拾取和組裝機器人的需求。最後，使用纜線接頭可以提供防拉，以及保護纜線和任何連接的電子設備，並且強化環境保護。