工业机器人电缆的抗电磁干扰优化设计

文/王桂琴

随着科技水平的不断进步，我国开始从中国制造向中国创造转变，自动化能力和机械化作业水平不断提升，尤其是工业机器人得到了广泛应用。工业机器人是受人的直接指挥，按照既定编排程序运行的面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，在很多行业和领域变得越来越重要。与机器人配套使用的工业机器人电缆，无论是信号传输能力，还是缓解适应能力，必须具有高性能才能满足使用需求，一款优质的机器人电缆是工业机器人性能发挥的保障。而电缆是高效的电磁波接受天线和辐射天线，是主要干扰源，既是干扰的发生器又是干扰的接收器，因此做好电缆的抗电磁干扰设计对电子设备和机械臂的安全可靠运行有着重要作用。

1 工业机器人电缆的性能特点

工业机器人电缆广泛应用在焊接、组装、采集、产品检测等具有高效性、持久性、速度和准确性的工业机器人设备的使用中。为了应用于工业机器人设备，机器人用电缆需要具有信号传输稳定、耐磨损、耐弯曲等性能特点，这些性能直接影响机器人电缆的使用寿命。

信号传输性能稳定：工业机器人接受来自计算机的指令并按照指令完成相应操作，而指令发出到机器人接收之间需要依靠机器人电缆进行信息传输，因此电缆信号传输的效率和稳定性将直接影响机器人对信号指令的接收，对机器人的行动作业产生影响。

高耐磨损性能：工业机器人的使用环境中电缆多为移动使用，电缆的外护层直接接触设备，因此电缆需要具有优异的耐磨性能，以及抗机械性能，这样能够有效的延长电缆的使用寿命。

耐弯曲性能以及耐扭转性能：工业机器人由于具有极高的灵活性和自由度，在作业过程中电缆需要频繁的弯曲或扭转，因此耐弯曲耐扭转性能直接反映出机器人的作业灵活性和效率。

环境适应性：工业机器人设备在很多领域都有应用，面对的环境复杂多变，水、油污、腐蚀性物质等不可避免的接触到，因此高效优质的工业机器人电缆需要考虑环境适应的需要，护套要求相对严格，具有一定的耐磨、耐油、防水、耐腐蚀、抗老化、抗撕裂、抗高低温性能等。

2 干扰源分析

来自空间的辐射干扰，空间的辐射电磁场主要是由电力网络、电器设备的暂态过程、雷电、雷达等产生的，电缆可以接收到空间的电磁干扰，将干扰能量传进设备电路。外加电场在电缆线芯间电容耦合的作用下产生静电干扰，以静电耦合的方式进入系统，可能会造成设备的误动，严重的造成绝缘击穿。

由通电电流引起的电磁感应干扰，如果交流导线或设备周围存在交变电磁场，当机器人电缆经过这一区域时将以电磁感应的形式对信号产生干扰。

高频电磁波产生的干扰，如大功率高频发生装置、雷电电磁脉冲、电气装置接点开断时的电弧等，都会产生一定程度的高频电磁波引起干扰。

当电网内部发生变化、大型电力设备启停、直交流电传动装置引起谐波、电网短路暂态过电压冲击等产生的电磁干扰也会通过电源线进行传播。

电缆中的导线互相平行，且距离较近，导线之间具有很大的寄生电容和互感，也是导致串扰的原因之一。

电缆连接的设备接地电位不同，电缆屏蔽引起地线干扰。

3 电缆抗电磁干扰设计分析

3.1 电缆选型的抗干扰设计

参照《电力工程电缆设计规范》（GB 50217-2018），为了使机器人电缆达到抗干扰的目的，在电缆选型上应该注意以下几点：

电源、电压、直流电源和跳闸控制回路等应采用独立的控制电缆，增强可靠的两套系统。

弱点回路的每一对往返导线应属于同一根控制电缆；电流互感器、电压互感器每组二次绕组的相线和中性线应配置在同一根电缆内。弱点信号、控制回路与强电信号、控制回路不应合用一根控制电缆。

计算机监控系统信号回路控制电缆的开关量信号可选用总屏蔽，高电平模拟信号可选用对绞线芯总屏蔽，必要时选用对绞线芯分屏蔽；低电平模拟信号或脉冲量信号，选用对绞线芯分屏蔽，必要时选用对绞线芯分屏蔽的复合总屏蔽。

控制电缆金属屏蔽按照可能的电气干扰影响计入综合抑制干扰措施，满足降低干扰或过电压的要求，用于集成电路、微机保护的电流、电压和信号接点的控制电缆应选用屏蔽型；位于110kV以上的配电装置的控制电缆应选用总屏蔽或双层式总屏蔽。

3.2 电缆敷设的抗干扰方法

电缆敷设路径遵照电缆传输性质，不同性质的电缆分开敷设，将高压电缆、动力电缆、控制电缆和信号电缆等分层，避免相互干扰。尽量将控制电缆和信号电缆敷设在金属桥架或钢管中，在尽可能的条件下将二者远离，也尽量远离电压高、电流大的电力电缆。电缆捆扎时注意将动力电缆和控制电缆分开捆扎。

敷设在配电装置中的控制电缆和信号电缆，与耦合电容器或电容式电压互感、避雷针接地处的距离在可用范围内尽量远离。

电缆敷设完成后，接线时尽量使剥出的芯线长度短，避免不同信号间的相互干扰。

3.3 导线之间信号串扰问题

导线之间的信号串扰是信号在传输过程中在传输线的相邻导线上产生的电磁干扰电压，串扰的强弱与相邻两条线路之间的互阻和信号线的抗阻有关。对普通信号线来说，尽量采用特性阻抗低的导线。对于扁平电缆，当用一条电缆传输多种电平信号时，要按电平级别分组，不同组的导线之间保持一定距离。可以把两个相邻信号线的导线用一根空闲导线分开，并将空闲导线接地，这样就将两组相邻导线间的耦合电容转化为对地电容。如果干扰严重，可以采用双绞线结构电缆，将其中一根接地，减小静电干扰和空间干扰。

3.4 接地系统的抗干扰方法

根据屏蔽理论，接地阻抗越小，屏蔽效果越高，因此接地的目的就是通过恰当的接地方式，将接地阻抗降低。一般情况下屏蔽电缆和设备之间都是通过连接器连接，这样连接器就成为了电缆屏蔽的一部分，因此连接器和屏蔽电缆的连接方式也会对屏蔽电缆的屏蔽效果产生影响，目前连接方式有卡接、焊接和抽头。

电缆接地设计中的抗干扰方法还有：将控制电缆其中一个备芯接地，并在控制室一点接地；集成电路、微机保护电流、电压和信号的电缆屏蔽层，在开关安置场所与控制室同时接地；当电磁感应干扰较大时，控制电缆屏蔽层采用两点接地，静电感应干扰较大时，采用一点接地。对于双重屏蔽或复合式总屏蔽，内外屏蔽分别采用一点、两点接地。电力电缆接线盒终端的金属外壳、电缆桥架、电缆穿行的钢管等的金属部分要接地，非金属的电缆槽盒应在内部放置接地导线。

接地网设计时要降低接地网电阻限制接地电位升高，在避雷器下设置单独的集中接地装置或其他方式以降低其接地冲击电阻，防止雷电流入地时由于瞬时局部电位升高引起对二次电缆的反击。在电缆沟内设置通长的接地导体尽量使电缆沟内电位均匀，防止电位不均对二次回路造成干扰。

4 总结

本文对工业机器人用电缆的抗干扰设计进行了研究，分析了工业机器人用电缆的性能特点，对干扰源进行了分析，从电缆选型、电缆敷设、导线、接地系统角度给出一些电缆抗电磁干扰的方法。工业机器人电缆具有良好的抗电磁干扰性能，才能应用于工业机器人设备，为设备提供控制和测量信号的传输以及电源连接，保障机器人在工业领域发挥出其独特的优势和魅力。