布线规则

对于强大，可靠的运动系统，必须正确设计，指定和安装电缆。

尽管运动控制系统的功能和复杂性不断增加，但它最关键的方面不是控制器、驱动器甚至马达等组件，而是布线。集成商、系统公司、OEM机器制造商和组件供应商都同意:在运动控制系统中，布线是最常见的故障点。它们可能不涉及微处理器或移动部件，但连接器远比简单的几个导体、一些绝缘和一个护套要复杂得多。如果一个运动系统是执行要求和最后，线束需要知情的设计，规范，和安装。

布线101.
运动控制系统的布线执行两个基本功能：电力传输和通信/控制。铜缆带有电源的电源，从运动控制器到电机。它还可以通过通信和控制信号，例如从HMI到驱动器。光纤电缆为铜提供替代通信和反馈。轻量级，紧凑，精确，免疫电噪声。缺点是它比铜缆更脆弱，增加了光电转换器的费用，需要专门的终止和安装训练。

电缆由由绝缘和护套隔开的铜导体组成(见图1)。绝缘材料可以防止电弧，一根电缆可以携带多达50对的双绞线。光缆由包覆层的石英玻璃芯组成，有助于确保光沿着光纤传播。此外，光纤电缆将包含加强构件和外部保护护套。后一种元素特别重要，因为精细拉伸的二氧化硅缺乏铜线的抗拉强度。

当布线失败时，根本原因是连接不良。过度弯曲或机械损伤会导致铜线和光纤断裂。故障可能是间歇性的，比如电缆反复弯曲的情况。在光纤的情况下，二氧化硅也会遭受应力引起的微裂纹，导致信号逐渐衰减，最终导致故障。

强度构件和护套材料的选择可以使电缆成型或断裂。一旦这些保护材料遭受重复应力或孤立冲击的破坏，信号传递元件也会随之发生。“通常你的导体会失败从弯曲和其他机械应力,因此这在很大程度上取决于你所使用的塑料模制的核心或挤压到电线上,”兰斯Bredeson说,连接部主任Turck Inc .(明尼苏达州明尼阿波利斯市)。

材料问题
电缆固有的脆弱性的一部分是暴露的物理长度。事实上，失败率与旅行的长度直接相关。工程总监John Gavilanes说:“如果电缆轨道上的电缆要跑10米或更长，那将会非常困难。”拉普兰人美国-(弗洛勒姆公园，新泽西)。“大多数情况下，如果电缆长度低于这个长度，电缆的寿命就会更长。”

护套材料的选择对性能和寿命都至关重要。例如，在高柔性应用中，恒定的弯曲会产生热量。适当的塑料可以驱散热量，同时提供防止破裂的结构支撑(见图2)。然而，应用非常广泛，因此没有一个完美的解决方案。

到目前为止，最常见的护套材料是聚氯乙烯(PVC)。它既经济又足够耐用，能够承受许多高挠性应用，特别是当与其他增加其弹性的材料结合时。这种材料有不同的等级，从低成本和低性能的版本到高性能的等级，甚至可能像橡胶一样。然而，一般来说，PVC暴露在阳光、石油和腐蚀性化学物质等恶劣环境条件下会变得脆弱。虽然高级pvc可以提供一些阻力，其他材料提供更好的选择要求苛刻的应用。

另一种选择是聚氨酯。与PVC不同，聚氨酯在接触液压油、冷却油等时不会变干。它可以在一些清洗环境下生存。这种材料也比PVC更能承受机械应力，尽管有点柔韧性差。

虽然PVC可以处理一些化学暴露，但它不是在食品和饮料应用中经历的类型清洗环境的最佳解决方案。在这种情况下，更常见的选择是聚丙烯。

与许多工程一样，电缆材料的选择涉及性能和成本之间的权衡。加维拉内斯说:“一种好的耐油PVC材料的价格是每磅1.10美元或1.20美元，而一种好的聚氨酯材料的价格可能在每磅3.5美元到5美元之间波动。”成本增加三到四倍，就会付出高昂的代价。或者是吗?“如果你有一款应用，你知道如果电缆坏了，就会有20个人坐在那里8个小时，这是一个很容易的理由。”

安装信息
当然，不正确的设计或规格并不是失败的唯一原因。如果没有正确安装，最好指定的表不会使用很长时间。理想情况下，电缆应该平直且不扭曲(见图3)。一个常见的错误是安装电缆架太短，无法容纳完整的电缆运行，因此必须将其强行安装到位。布莱德森说:“很多故障都是由电缆的敷设方式造成的。”“当你把它们压在机器或传送带上时，你是如何弯曲它们的?”弯曲半径呢?很多时候，电缆弯曲得比我们建议的更紧，然后他们绑得太紧了。”

在轨道的末端，电缆应用卡箍端接;否则，当系统运行时，电缆将开始行走。这会导致疲劳，最终导致失败。类似地，如果连接器的位置太接近弯曲点，连接器中的接触针将开始望远镜进和出，最终断裂。在这种情况下，应变消除元件是至关重要的。

弯曲半径是一个重要的指标，不同的电缆不同。将电缆弯曲得超过其设计允许的限度几乎肯定会导致麻烦。然而，在安装过程中可能会出现这样做的诱惑，例如，如果外壳没有规定足够大，以容纳组件和连接到它们的电缆的弯曲半径。这似乎是一个显而易见的错误，但它太常见了。

热管理是工程界长期关注的问题。低温会使材料变得更脆。如果它们是静态的，这可能不是问题，但根据定义，运动控制系统涉及运动。假设一个果汁制造商的包装操作是在一个制冷装置中进行的，这个制冷装置会持续一个周末。加维拉内斯说:“当你周一来上班，再次启动机器时，PVC会在你身上裂开。”“你必须在低温部分保持温和。”较好的冷藏选择是聚亚安酯，或用于食品/饮料的聚丙烯。

热也有它自己的问题，在光链路中引起波长漂移和噪声，并增加铜的电阻和信号衰减。在电力传输的情况下，解决方案包括评估电压降，以确定所需的仪表增加。然而，通信和控制信号传输可能对衰减更为敏感。在这种情况下，不同的材料可用于绝缘体、导体和护套。例如，聚四氟乙烯增加了热稳定性。导体镀银有助于控制氧化和增强信号。同样，所有这些技术都有相关的成本，因此确定应用程序是否需要它们很重要。

另一个环境问题是液体。水或其他液体可以穿透电缆并留在绝缘中，改变阻抗并使信号短路。最简单的解决方案是小心地让电缆远离液体，特别是不要把它放在低海拔，因为水可能会进入电缆。如果电缆偶尔变湿，它可以变干并运行良好。然而，在经常浸水的情况下，如在冲洗环境中，必须选择电缆，以防止进入。

终止的并发症
决定是否在安装时终止电缆或购买工厂终止电缆是一个重要的。光纤连接非常容易受到污染，所以除了最干净的环境外，工厂的终止是关键。说到铜，答案就不那么明确了。现场终止允许安装商或OEM选择他们需要的电缆的确切长度，但它也需要一定水平的操作专业知识。在初始安装期间，这可能不是问题，但如果关键系统在半夜出现故障，维护人员无法处理，这可能会造成问题。贝尔登公司(Belden Inc.，位于印第安纳州里士满)的高级产品开发工程师Brian Shuman说:“如果你的员工接受过培训，并具备凌晨两点现场终端的专业技能，以保持生产线正常运行，这是很好的，但电缆系统越复杂，现场安装就越复杂。”“随着时间的推移，维护人员只需要掌握最新的一项技能，而有了端子，就可以即插即用了。”

使用工厂端接电缆确实存在一些缺点，如增加成本，限制电缆长度的选择，以及需要储备各种备件。对于电机和驱动器，运动系统可以被设计成限制电缆长度的多样性，减少制造商和终端用户所需的库存数量。

无论可用的库存电缆的种类有多么广泛，对于某些应用程序来说，只有自定义解决方案才可以。然而，这种方法不应轻易采取。开发定制电缆的成本可能高达数万美元。物流过程可能会带来最小的订单规模和更长的交货时间。如果合同的性质需要多个供应商，那么挑战就会成倍增加。尽管存在这些问题，但如果线束是高度专业化的，并且是为大型生产运行的产品线设计的，那么定制的解决方案可能是最好的。

布线是运动系统的关键组件。最终，成功的配方归结为仔细评估，规划和沟通。“You have to have your environment reasonably well-defined and convey that to your distributor or supplier," says Shuman. "If you say, ‘I need some 14 gauge with two conductors, and it's for an industrial installation,’ chances are you’ll get generic cable. But if you can tell me that this is going to be used in a pharmaceutical application where it's going to get a washdown with a mild bleach solution, then we’ll make sure the material is compatible with that environment. "

如果您在前面的工程工作时间上，计划未来，并确保安装正确，您应该与电缆线束结束，这将是强大而不是系统的弱元素。