CN115774310A - 一种层绞式光缆 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种层绞式光缆，包括屏蔽管、位于屏蔽管内多根通信线缆、包裹在屏蔽管上的外护套以及设在通信线缆的两端的航空插头，通信线缆包括线缆芯和包裹缆芯的保护层，屏蔽管的端部位于航空插头内。屏蔽管包括围绕多根通信线缆的轴向均匀分布的柔性丝、顺序套在多根通信线缆上的多个屏蔽环和柔性屏蔽管，柔性丝和屏蔽环均位于柔性屏蔽管内，屏蔽环相邻的屏蔽环边缘抵接。本申请公开的层绞式光缆，使用光电信号组合的方式来降低通信线缆的重量，同时重新设计屏蔽的方式来使通信线缆在空间多自由度复合运动下能够持续且稳定传递信号的能力，用以使工业机器人在持续工作的过程中能够保持高定位精度。

Description

一种层绞式光缆

技术领域

本申请涉及线缆技术领域，尤其是涉及一种层绞式光缆。

背景技术

工业机器人运行过程中，通信线缆负责传递信号。在多轴工业机器人的控制中，需要引入更多的信号，用以采集环境信息和实现复杂的动作控制，这就导致目前使用的通信线缆直径较粗，这会增加机器人的负荷。

通信线缆还对运行的稳定性和位置精度等多个方面具有重要影响，对于DELTA这种线缆基本不动的工业机器人，或者SCARA这种线缆扭曲不是特别大的工业机器人，一般的通信线缆能够满足使用要求。但是多轴工业机器人的运动过程包括多关节和多种扭曲方式的复合，通信线缆就容易出现问题，特别是通信线缆的屏蔽层容易出现破损，这会直接影响加工过程中的定位精度。

发明内容

本申请提供一种层绞式光缆，使用光电信号组合的方式来降低通信线缆的重量，同时重新设计屏蔽的方式来使通信线缆在空间多自由度复合运动下能够持续且稳定传递信号的能力，用以使工业机器人在持续工作的过程中能够保持高定位精度。

本申请的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

本申请提供了一种层绞式光缆，包括：

屏蔽管；

多根通信线缆，均位于屏蔽管内，通信线缆包括线缆芯和包裹缆芯的第一保护层；

外护套，包裹在屏蔽管上；以及

航空插头，设在通信线缆的两端，屏蔽管的端部位于航空插头内；

屏蔽管包括围绕多根通信线缆的轴向均匀分布的柔性丝、顺序套在多根通信线缆上的多个屏蔽环和柔性屏蔽管；

柔性丝和屏蔽环均位于柔性屏蔽管内；

屏蔽环与相邻的屏蔽环边缘抵接；

一个屏蔽环的周向方向上，两根相邻的柔性丝分别位于屏蔽环的内侧和外侧；

柔性丝的长度方向上，两根相邻的屏蔽环分别位于柔性丝的内侧和外侧。

在本申请的一种可能的实现方式中，屏蔽环的两个端部向屏蔽环的内侧弯曲后形成弧状结构，并贴合在屏蔽环的内壁上。

在本申请的一种可能的实现方式中，屏蔽环包括环形屏蔽环和鼓形屏蔽环；

鼓形屏蔽环的周向方向上具有环形凸起。

在本申请的一种可能的实现方式中，至少一个鼓形屏蔽环组成鼓形屏蔽环组，任意两个相邻的鼓形屏蔽环组间存在至少一个环形屏蔽环。

在本申请的一种可能的实现方式中，还包括位于屏蔽管和和柔性屏蔽管之间的信号线，信号线顺序与绝缘环分隔开的每一段屏蔽环连接；

柔性丝的长度方向上，存在至少一个绝缘环，绝缘环位于两个相邻的屏蔽环之间；

柔性屏蔽管的内壁上涂覆有第二保护层。

在本申请的一种可能的实现方式中，信号线与绝缘环分隔开的每一段屏蔽环具有多个连接点。

在本申请的一种可能的实现方式中，还包括保持支架和周向均布在保持支架上的卡槽；

通信线缆卡入到卡槽内，多个卡槽沿通信线缆间隔设置。

在本申请的一种可能的实现方式中，还包括加强引导线，加强引导线位于多根通信线缆之间并顺序穿过每一个卡槽。

在本申请的一种可能的实现方式中，加强引导线的直径为通信线缆直径的20%-30%。

整体而言，本申请提供的层绞式光缆，使用光信号与电信号组合传递信号的方式来降低通信线缆的重量。因为柔性丝的存在，因此层绞式光缆具有较高的强度，能够在高速移动和频繁的弯曲作业中使通信线缆及通信线缆与航空插头的连接处能够保持稳定。发生扭转时，相邻的屏蔽环在周向方向上的相对位置可以发生微量错位，在高频繁的扭转过程中，这种结构可以使得屏蔽环不易发生金属疲劳导致的断裂。

发生弯曲时，层绞式光缆内的部分屏蔽环受到挤压后出现局部形变，当弯曲消失后该局部形变也能够随之一起消失，屏蔽环的形状能够迅速恢复。两层屏蔽的方式可以以更薄的厚度提供等同的屏蔽效果，同时还解决了单屏蔽层易出现金属疲劳导致的断裂和破损的问题，在空间多自由度复合运动下不易出现金属疲劳。

附图说明

图1是本申请提供的一种层绞式光缆的外形示意图。

图2是本申请提供的一种层绞式光缆的截面形状示意图。

图3是本申请提供的一种通信线缆的结构示意图。

图4是本申请提供的一种屏蔽管的结构示意图。

图5是本申请提供的一种柔性丝和屏蔽环的连接示意图。

图6是本申请提供的一种屏蔽环端部具有弧状结构的示意图。

图7是本申请提供的一种环形屏蔽环和鼓形屏蔽环的示意图。

图8是本申请提供的一种鼓形屏蔽环变形时的示意图。

图9是本申请提供的一种绝缘环的分布位置示意图。

图10是本申请提供的一种保护层的位置示意图。

图11是本申请提供的一种保持支架的结构示意图。

图中，1、屏蔽管，2、通信线缆，3、外护套，4、航空插头，6、保持支架，7、加强引导线，11、柔性丝，12、屏蔽环，13、柔性屏蔽管，21、线缆芯，22、第一保护层，51、绝缘环，52、第二保护层，53、信号线，61、卡槽，121、环形屏蔽环，122、鼓形屏蔽环。

实施方式

以下结合附图，对本申请中的技术方案作进一步详细说明。

请参阅图1和图2，为本申请公开的一种层绞式光缆，层绞式光缆由屏蔽管1、通信线缆2、外护套3和航空插头4等组成，通信线缆2的数量为多根，这些通信线缆2均位于屏蔽管1内，屏蔽管1外侧包裹有外护套3，通信线缆2的作用是传递信号，屏蔽管1的作用是隔绝外部信号对通信线缆2的干扰，外护套3能够起到保护（屏蔽管1与通信线缆2的完整性）与隔绝（外部环境的灰尘水分和氧气等）两个作用。

通信线缆2的两端各安装有一个航空插头4，航空插头4上连接端子的数量与通信线缆2的根数相同，每一根通信线缆2负责向一个终端传递信号（一对多控制）或者向一个终端传递一个固定类型的信号（一对一控制）。

请参阅图3，通信线缆2包括线缆芯21和包裹缆芯21的第一保护层22，线缆芯21两端的第一保护层22需要去除掉一部分，然后将露出的线缆芯21与航空插头4连接。对于包裹在通信线缆2上的屏蔽管1，其两端同样需要***到航空插头4内。

通信线缆2有光缆和电缆两种，二者的具体数量需要根据终端控制参数进行确定，对于光缆而言，需要从航空插头4的侧壁上引出后再连接一个连接头，或者在航空插头4内集成光纤适配器。

另外，光缆还可以使用波分复用技术来同时传递多个信号，也就是一个光缆同时传递多个信号。对于多轴机器人而言，动作信号可以使用电缆传递，采集信号和部分不重要的低频次的信号可以使用光缆传递。

航空插头4连接口处的内壁上涂覆有保护层，或者安装有一个绝缘套，保护层与绝缘套的作用是避免屏蔽管1与航空插头4发生直接接触，因为航空插头4内的部分结构使用金属材料制作。对于屏蔽管1的外接，可以在航空插头4的连接口处开设一个卡槽，与屏蔽管1连接的接地线入到卡槽内。

请参阅图4，屏蔽管1由柔性丝11、屏蔽环12和柔性屏蔽管13两部分组成，柔性丝11的数量为多根，这些柔性丝11围绕多根通信线缆2的轴向均匀分布，屏蔽环12顺序安装在柔性丝11上，具体的方式是一个屏蔽环12的周向方向上，两根相邻的柔性丝11分别位于屏蔽环12的内侧和外侧；柔性丝11的长度方向上，两根相邻的屏蔽环12分别位于柔性丝11的内侧和外侧。

请参阅图5，同时相邻屏蔽环12的边缘还抵接在一起，可以将柔性丝11和屏蔽环12视为通过编织的方式组装在一起。柔性屏蔽管13包裹住柔性丝11和屏蔽环12，或者说柔性丝11和屏蔽环12均位于柔性屏蔽管13内。

这种结构的屏蔽管1的优势在于：

因为柔性丝11的存在，具有较高的抗拉强度，能够在高速移动和频繁的弯曲作业中使通信线缆2及通信线缆2与航空插头4的连接处能够保持稳定；

发生扭转时，相邻的屏蔽环12在周向方向上的相对位置可以发生微量错位，在高频繁的扭转过程中，这种结构可以使得屏蔽环12不易发生金属疲劳导致的断裂，并且多根柔性丝11也能够提供一定的抗扭性能，因为在发生扭转时，柔性丝11具有恢复原形的趋势。

发生弯曲时，部分屏蔽环12受到挤压后出现局部形变，当弯曲消失后该局部形变也能够随之一起消失，屏蔽环12的形状能够迅速恢复，原因是通过柔性丝11，可以将形变分散到相邻的屏蔽环12上，这样可以使多个屏蔽环12来共同承担该形变，也就意味着每一个屏蔽环12只需要进行微量的形变。

即使相邻的屏蔽环12间出现了缝隙，但是由于柔性丝11的连接与相邻屏蔽环12剩余部分间的接触，依然能够提供屏蔽，并且，本申请还使用了柔性屏蔽管13来提供二次屏蔽。

柔性屏蔽管13使用具有一定韧性的薄膜制作，其作用是填补柔性丝11和屏蔽环12形成的编织结构的遗漏点。应理解，补柔性丝11和屏蔽环12使用编织形式拼接在一起，意味着在发生多关节和多种扭曲方式的复合运动时，这种编织结构可能会出现漏点，导致补柔性丝11和屏蔽环12提供的屏蔽出现短暂失效，柔性屏蔽管13的作用就是避免上述情况的出现。

还应理解，对于高屏蔽性，目前使用的方式多是增加屏蔽层的厚度，此处需要考虑到多轴工业机器人的应用场景，多轴工业机器人多为集群使用，例如汽车的自动化焊接和总装车间，这些车间内多轴工业机器人密集部署，控制信号密集，同时存在有线和无线两种信号，需要层绞式光缆提供高屏蔽性。

但是考虑到屏蔽层厚度增加后重量增加、硬度增加和韧性下降，导致在这种结构的通信线缆在空间多自由度复合运动时存在跟随性差与屏蔽层易出现金属疲劳导致的断裂和破损。

请参阅图2和图4，针对于上述问题，本申请使用的解决方案是柔性丝11和屏蔽环12提供一次屏蔽，柔性屏蔽管13提供二次屏蔽，两层屏蔽的方式可以以更薄的厚度提供等同的屏蔽效果。同时还解决了单屏蔽层易出现金属疲劳导致的断裂和破损的问题，因为一次屏蔽和二次屏蔽的厚度都更薄，因在空间多自由度复合运动下不易出现金属疲劳。

应理解，电磁屏蔽一般可分为三种：静电屏蔽、静磁屏蔽和高频电磁场屏蔽。三种屏蔽的目的都是防止外界的电磁场进入到某个需要保护的区域中，原理都是利用屏蔽对外场的感应产生的效应来抵消外场的影响。但是由于所要屏蔽的场的特性不同，因而对屏蔽壳材料的要求和屏蔽效果也就不相同。

外壳的厚度和磁导率对屏蔽效果有很明显的影响：外壳越厚、磁导率越高，屏蔽的效果就越好。因此，在重量和体积受到限制的情况下，常常采用高磁导率的铁镍合金来做屏蔽壳，但是对于通信线缆而言，这会使通信线缆得重量增加。

请参阅图6，作为申请提供的层绞式光缆的一种具体实施方式，屏蔽环12的两个端部向屏蔽环12的内侧弯曲后形成弧状结构，并贴合在屏蔽环12的内壁上，这种方式可以在屏蔽环12的两个端部处各形成一个具有空腔的保护性结构，该保护性结构具有一定的弹性，能够在承压时发生形变，从而保证两个屏蔽环12接触部分处的密封性。

另外，这种具有保护性结构的屏蔽环12在接触时还不易发生位置移动，或者说能够使两个相邻的屏蔽环12之间的位置保持相对稳定。应理解，两个相邻的屏蔽环12直接接触，因为屏蔽环12的厚度有限，会导致屏蔽环12的边缘处无法保持相对静止，在层绞式光缆高频次的移动过程中，屏蔽环12的边缘处可能出现破损，破损会导致屏蔽环12出现局部形变和裂痕，局部形变和裂痕会导致屏蔽环12上出现屏蔽失效点。

在屏蔽环12的两个端部处均有空腔的保护性结构后，两个相邻的保护性结构会抵接在一起，在增加接触面积的同时可以将原有的相对滑动或者挤压变为弹性形变，使屏蔽环12能够保持完整。

进一步地，屏蔽环12有环形屏蔽环121和鼓形屏蔽环122两种，区别在于鼓形屏蔽环122的周向方向上具有环形凸起，请参阅图7，环形凸起使得鼓形屏蔽环122在受到挤压时环形凸起处能够发生形变，环形凸起出现的形变能够将鼓形屏蔽环122受到的挤压吸收，如图8所示（图中虚线表示原始位置，并且为了显示对比效果，对鼓形屏蔽环122的宽度不做改变），挤压消失时环形凸起能够复原，使鼓形屏蔽环122恢复原状。

增加了鼓形屏蔽环122后，意味着本申请提供的层绞式光缆在出现弯曲时，弯曲影响范围内的鼓形屏蔽环122能够主动发生形变，使得本申请提供的层绞式光缆具有更高的韧性，并且该韧性在周向方向上的任意位置处均能够表达。

应理解，环形屏蔽环121和鼓形屏蔽环122的位置不是固定的，也就是可以根据具体的使用场景进行定制，将鼓形屏蔽环122安装在实际使用过程中的弯曲处，使得本申请公开的层绞式光缆可以进行针对性设计。

另外，在空间上同时发生扭曲和扭转时，各处的屏蔽环12（包括环形屏蔽环121和鼓形屏蔽环122）独立，能够进行针对性的相对转动和局部形变。

环形屏蔽环121和鼓形屏蔽环122的排列方式如下：至少一个鼓形屏蔽环122组成鼓形屏蔽环组，任意两个相邻的鼓形屏蔽环组间存在至少一个环形屏蔽环121。

请参阅图9，作为申请提供的层绞式光缆的一种具体实施方式，在柔性丝11的长度方向上存在至少一个绝缘环51，绝缘环51位于两个相邻的屏蔽环12之间，绝缘环51的作用是将屏蔽环12分为多段，各段屏蔽环12独立。

在一些可能的实现方式中，绝缘环51使用弹性材料（例如橡胶）制作，同时在绝缘环51的外壁上涂覆一层屏蔽涂层。

请参阅图10，另外，在柔性屏蔽管13的内壁上还涂覆有第二保护层52，第二保护层52的作用是避免信号线53与柔性屏蔽管13发生接触。信号线53位于屏蔽管1和和柔性屏蔽管13之间，作用是检测屏蔽环12的完整性。

请参阅图9，信号线53顺序与绝缘环51分隔开的每一段屏蔽环12连接，这样当其中一段屏蔽环12出现破损时，信号线53都能够检测到。

应理解，在前文中提到，屏蔽层出现破损时还会出现定位精度在允许误差范围内外波动的情况，对于处在空间多自由度复合运动下的通信线缆而言，屏蔽层出现的破损可能仅在一个特定的位置或者姿态时才会出现，这就导致信号可能是一种临时性的短暂信号，如果信号线53仅连接在屏蔽环12的两端处，可能出现采集不到信号的情况。

为了解决上述问题，本申请中对屏蔽环12进行了划分，当其中不同段出现破损时，与信号线53连接的分析仪就能够得到不同的信号，信号的区别在于强度，因为传输距离越长，信号的强度越弱。

信号在传递过程中受到绝缘环51的拦截，仅能够在信号线53上进行传递，使得信号具有了统一的传递路径，利于后期进行数据（波形）分析。

进一步地，信号线53与绝缘环51分隔开的每一段屏蔽环12具有多个连接点。

请参阅图1和图11，作为申请提供的层绞式光缆的一种具体实施方式，还增加了保持支架6，保持支架6的周向上均布有卡槽61，卡槽61的数量与通信线缆2的数量相等，多个卡槽61沿通信线缆2间隔设置，每一根通信线缆2均卡入到对应的卡槽61内。

保持支架6的作用是使通信线缆2在空间多自由度复合运动下的相对位置能够保持相对稳定，举例说明，通信线缆2的长度是固定的，当通信线缆2发生空间扭转时，会导致其与航空插头4的连接处受到拉力，这可能导致连接处的信号传递出现失真。

使用了保持支架6进行位置固定后，保持支架6可以将形变（扭转）分散该多根通信线缆2，相当于提高了单根通信线缆2的抗扭性能。

进一步地，增加了加强引导线7，加强引导线7位于多根通信线缆2之间并顺序穿过每一个卡槽61。加强引导线7能够填充多根通信线缆2中间空缺处，同时还能够提供一定的抗拉和抗扭性能。

在一些可能的实现方式中，加强引导线7的直径为通信线缆2直径的20%-30%，主要目的是控制层绞式光缆的直径和重量，使多根通信线缆2能够尽可能的向中心处聚拢。

当然，加强引导线7的两端可以直接连接在航空插头4上，这样通信线缆2收到的拉力可以转由加强引导线7承担，同时在发生扭转时，加强引导线7可以通过保持支架6带动屏蔽管1内的多根通信线缆2进行同步扭转。

同步扭转的优势在于多根通信线缆2的对应位置处能够发生均匀的形变，会恢复时也能够恢复，这样可以使多根通信线缆2得相对位置不变。

本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种层绞式光缆，其特征在于，包括：

屏蔽管（1）；

多根通信线缆（2），均位于屏蔽管（1）内，通信线缆（2）包括线缆芯（21）和包裹缆芯（21）的第一保护层（22）；

外护套（3），包裹在屏蔽管（1）上；以及

航空插头（4），设在通信线缆（2）的两端，屏蔽管（1）的端部位于航空插头（4）内；

屏蔽管（1）包括围绕多根通信线缆（2）的轴向均匀分布的柔性丝（11）、顺序套在多根通信线缆（2）上的多个屏蔽环（12）和柔性屏蔽管（13）；

柔性丝（11）和屏蔽环（12）均位于柔性屏蔽管（13）内；

屏蔽环（12）与相邻的屏蔽环（12）边缘抵接；

一个屏蔽环（12）的周向方向上，两根相邻的柔性丝（11）分别位于屏蔽环（12）的内侧和外侧；

柔性丝（11）的长度方向上，两根相邻的屏蔽环（12）分别位于柔性丝（11）的内侧和外侧。

2.根据权利要求1所述的层绞式光缆，其特征在于，屏蔽环（12）的两个端部向屏蔽环（12）的内侧弯曲后形成弧状结构，并贴合在屏蔽环（12）的内壁上。

3.根据权利要求1或2所述的层绞式光缆，其特征在于，屏蔽环（12）包括环形屏蔽环（121）和鼓形屏蔽环（122）；

鼓形屏蔽环（122）的周向方向上具有环形凸起。

4.根据权利要求3所述的层绞式光缆，其特征在于，至少一个鼓形屏蔽环（122）组成鼓形屏蔽环组，任意两个相邻的鼓形屏蔽环组间存在至少一个环形屏蔽环（121）。

5.根据权利要求1所述的层绞式光缆，其特征在于，还包括位于屏蔽管（1）和柔性屏蔽管（13）之间的信号线（53），信号线（53）顺序与绝缘环（51）分隔开的每一段屏蔽环（12）连接；

柔性丝（11）的长度方向上，存在至少一个绝缘环（51），绝缘环（51）位于两个相邻的屏蔽环（12）之间；

柔性屏蔽管（13）的内壁上涂覆有第二保护层（52）。

6.根据权利要求5所述的层绞式光缆，其特征在于，信号线（53）与绝缘环（51）分隔开的每一段屏蔽环（12）具有多个连接点。

7.根据权利要求1所述的层绞式光缆，其特征在于，还包括保持支架（6）和周向均布在保持支架（6）上的卡槽（61）；

通信线缆（2）卡入到卡槽（61）内，多个卡槽（61）沿通信线缆（2）间隔设置。

8.根据权利要求7所述的层绞式光缆，其特征在于，还包括加强引导线（7），加强引导线（7）位于多根通信线缆（2）之间并顺序穿过每一个卡槽（61）。

9.根据权利要求8所述的层绞式光缆，其特征在于，加强引导线（7）的直径为通信线缆（2）直径的20%-30%。

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