柔性扁平電纜在空間效率用途中的作用

大多數(shù)工程師認(rèn)為扁平電纜是在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備之間運(yùn)行的廉價(jià)接線。但是，并非所有扁平電纜都是相同的。有一種特殊類型的扁平電纜，在空間效率不是唯一考慮的用途中表現(xiàn)優(yōu)異。

所謂的擠壓Flexx-Sil?電纜專為運(yùn)動(dòng)控制和自動(dòng)化而設(shè)計(jì)，其靈活性，強(qiáng)度和擠出的Flexx-Sil?電纜是一系列導(dǎo)線，通過(guò)特殊的擠壓工藝封裝在Flexx-Sil?護(hù)套中。這些電纜最典型的形狀因素是扁平橫截面，導(dǎo)體平行排列。然而，電纜可以擠壓成其他形狀以滿足特定需求，例如緊密配合到布線通道中。

擠壓電纜技術(shù)是位于加利福尼亞州瓦倫西亞的Cicoil公司所獨(dú)有的。 Flexx-Sil?護(hù)套中包裹導(dǎo)體的基本技術(shù)已經(jīng)使用了50多年，可用于各種應(yīng)用，從噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)到工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備。最近的一項(xiàng)發(fā)展是通過(guò)使用專有的擠出工藝生產(chǎn)連續(xù)長(zhǎng)度的Flexx-Sil?夾套電纜（圖1）。這降低了成本，提高了精度，并且可以制造長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度，這對(duì)于舊方法來(lái)說(shuō)是不切實(shí)際的。這些較舊的方法涉及在Flexx-Sil?中成型導(dǎo)線，并將生成的電纜固化長(zhǎng)達(dá)兩天。

圖1：獨(dú)有的Cicoil擠出工藝生產(chǎn)連續(xù)長(zhǎng)度的Flexx-Sil?電纜。

扁平電纜與圓形電纜

將擠出的Flexx-Sil?扁平電纜的組成與結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比也很有用典型的圓形“柔性”電纜。圓形電纜通常的特征在于束中的絕緣線，其由幾層其他材料圍繞。該束通常包裹在紡織材料或聚合物中，以便在電纜移動(dòng)時(shí)使摩擦加熱最小化。 PVC護(hù)套圍繞著這些層。在屏蔽電纜中，還有一組額外的層，包括另一個(gè)低摩擦包裹，編織銅，以及PVC或其他選擇用于耐磨的材料的整體護(hù)套。關(guān)于這種結(jié)構(gòu)的注意事項(xiàng)是它使用多層絕緣材料和特殊的低摩擦材料，以減少電纜經(jīng)過(guò)多次重復(fù)運(yùn)動(dòng)循環(huán)時(shí)產(chǎn)生的摩擦（圖2）。

圖2：圓形“Flex”電纜。

為了進(jìn)行比較，Extruded Flexx-Sil?電纜還可以更有效地使用絕緣材料。它不需要低摩擦的膠帶和填料，因?yàn)閷?dǎo)體不會(huì)在形成外護(hù)套的Flexx-Sil?材料內(nèi)移動(dòng)。當(dāng)在其薄橫截面的平面內(nèi)彎曲時(shí)，擠出Flexx-Sil?本身比圓形電纜具有更大的靈活性。擠出Flexx-Sil?的扁平形狀因子也提供比圓形電纜更好的散熱性能，因?yàn)榻o定體積的表面積更大。較大的表面積使得扁平電纜在給定的溫升和給定橫截面的導(dǎo)體上承載較高的電流水平。扁平電纜中的導(dǎo)體也具有固定的幾何形狀，這使得電氣質(zhì)量保持一致且不變。擠出的Flexx-Sil?中的導(dǎo)體間距不會(huì)隨著電纜的移動(dòng)而改變。因此，電纜阻抗，電感，電容，時(shí)間延遲，串?dāng)_和衰減都保持不變。類似地，電纜中的導(dǎo)體都具有相同的物理和電氣長(zhǎng)度。這與電介質(zhì)尺寸保持不變的事實(shí)相結(jié)合，意味著電纜信號(hào)之間的信號(hào)偏移和差分時(shí)間延遲保持最小。

最后，扁平電纜可以形成固有的高密度互連系統(tǒng)。扁平電纜的封裝密度高于圓形電纜。在Flexx-Sil?擠出中可以看到導(dǎo)體的事實(shí)簡(jiǎn)化了編碼，檢查和跟蹤電路以進(jìn)行故障排除。

擠壓Flexx-Sil?與其他扁平電纜

此外，將Extruded Flexx-Sil?電纜與其他類型的扁平電纜進(jìn)行比較也是一種說(shuō)明。計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中使用的扁平電纜類型通常稱為帶狀電纜。它價(jià)格低廉且易于終止，因?yàn)樗膸缀涡螤钍菢?biāo)準(zhǔn)的。其導(dǎo)體以標(biāo)準(zhǔn)間距布置，因此帶狀電纜的絕緣位移連接器（IDC）是標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目。護(hù)套材料通常是PVC，但一些特殊用途的帶狀電纜可能會(huì)使用其他材料來(lái)處理高溫或低溫或需要壓力通風(fēng)布線的應(yīng)用。

帶狀電纜的問(wèn)題在于它不是設(shè)計(jì)用于重復(fù)彎曲。它的PVC護(hù)套相對(duì)脆弱。有專用護(hù)套材料表現(xiàn)出更大的靈活性，但它們往往缺乏機(jī)械韌性和抗刺激性化學(xué)品。此外，帶狀電纜僅適用于所有導(dǎo)體（28 AWG）的單線規(guī)，這限制了它們的使用。

還有另一種使用PTFE（也稱為Teflon?）的扁平電纜作為護(hù)套材料。這種材料以低摩擦而聞名，并且由PTFE護(hù)套制成的扁平電纜的目標(biāo)應(yīng)用是，盡管反復(fù)彎曲循環(huán)，但仍需要長(zhǎng)壽命。 PTFE扁平電纜的一個(gè)問(wèn)題是它們的制造過(guò)程會(huì)引起電纜的潛在弱點(diǎn)。聚四氟乙烯電纜是通過(guò)將兩個(gè)半殼的PTFE材料燒結(jié)在一起而制成的，這兩個(gè)半殼將導(dǎo)體夾在中間（圖3）。由兩個(gè)半殼形成的接縫是一個(gè)薄弱點(diǎn)，在反復(fù)彎曲后最終會(huì)破裂。一旦破裂，PTFE電纜就無(wú)法修復(fù);它必須更換。

圖3：將兩個(gè)PTFE半殼燒結(jié)在一起以生產(chǎn)電線護(hù)套。

此外，電線PTFE護(hù)套中的護(hù)套未在護(hù)套材料內(nèi)固定。它們可以從它們的初始位置蠕動(dòng)，或者被來(lái)自導(dǎo)線末端的連接處的力拉出。為了避免這些困難，PTFE扁平電纜沿著電纜以規(guī)則的間隔使用夾具，這增加了整體設(shè)計(jì)的成本和重量。例如，在線性運(yùn)動(dòng)應(yīng)用中，PTFE電纜的這些缺點(diǎn)導(dǎo)致電機(jī)的慣性更高，系統(tǒng)振動(dòng)增加，沉降時(shí)間更長(zhǎng)，所有這些都會(huì)降低系統(tǒng)的性能。

In與此相反，Extruded Flexx-Sil?電纜不需要夾緊系統(tǒng)，因?yàn)閷?dǎo)體不會(huì)從Flexx-Sil?中蠕變出來(lái)。封裝的Flexx-Sil?還可用作減震器，減震和減少振動(dòng)。這進(jìn)一步延長(zhǎng)了在嚴(yán)重?fù)u動(dòng)和振蕩的應(yīng)用中電纜的壽命。當(dāng)Extruded Flexx-Sil?電纜受到劃痕或穿刺時(shí)，它們會(huì)自我修復(fù)。靈活的Flexx-Sil?橡膠可以封閉小的不連續(xù)處。可以使用RTV在現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)較大的孔或切口。

設(shè)計(jì)考慮

在以重復(fù)運(yùn)動(dòng)為特征的應(yīng)用中指定電纜應(yīng)該允許四個(gè)關(guān)鍵品質(zhì)：允許的彎曲半徑，生命周期在不斷彎曲，封裝限制和環(huán)境因素下。

擠壓Flexx-Sil?電纜的彎曲半徑，與任何電纜的彎曲半徑一樣，取決于電線的規(guī)格和電纜中使用的導(dǎo)體類型。通常，導(dǎo)體的規(guī)格越細(xì)，允許的彎曲半徑越小。然而，應(yīng)該注意的是，使用PTFE護(hù)套的競(jìng)爭(zhēng)電纜的彎曲半徑是擠出的Flexx-Sil?電纜的兩倍以上，因?yàn)槊扛娎|包含相同的導(dǎo)體（圖4）。因此，擠出的Flexx-Sil?電纜可用于可能不適用于PTFE電纜的用途，因?yàn)樗鼈冞m合更緊湊的空間。

圖4：擠壓Flexx-Sil?電纜與聚四氟乙烯護(hù)套電纜的彎曲半徑。

目前大多數(shù)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備全天候運(yùn)行，通常機(jī)器人元件反復(fù)執(zhí)行嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)，有時(shí)是數(shù)千次天。這些應(yīng)用不僅強(qiáng)調(diào)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)部件，還強(qiáng)調(diào)電纜。工程師花費(fèi)大量時(shí)間確定機(jī)電推進(jìn)器的尺寸，但往往很少考慮布線是否尺寸合適。頻繁的結(jié)果是布線不能處理應(yīng)用的嚴(yán)苛，導(dǎo)致昂貴的過(guò)早失效。

事實(shí)上，行業(yè)研究表明，布線和布線會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)化設(shè)備質(zhì)量和可靠性問(wèn)題的50％以上。由于這些原因，設(shè)計(jì)人員應(yīng)插入安全系數(shù)以確保布線滿足彎曲周期的需求。

標(biāo)準(zhǔn)布線不會(huì)在這些應(yīng)用中持續(xù)使用，因?yàn)殡娎|不能連續(xù)彎曲。扁平電纜最適合連續(xù)彎曲。它們的導(dǎo)線可以在一個(gè)平面內(nèi)單獨(dú)彎曲，從而提供最佳的彎曲壽命。

對(duì)于在彎曲應(yīng)用中必須持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間的電纜，有兩個(gè)關(guān)鍵因素：導(dǎo)線和電纜護(hù)套。/p>

在連續(xù)彎曲的情況下，含有多股細(xì)針線的導(dǎo)體將持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。例如，標(biāo)準(zhǔn)28 AWG通常由7股36 AWG電線組成，而28 AWG高柔性電線由19股40 AWG電線（甚至更精細(xì)的電線）組成。較細(xì)規(guī)格的基線在恒定彎曲下表現(xiàn)出較少的冷加工。最小的冷加工使這些導(dǎo)線經(jīng)過(guò)數(shù)千萬(wàn)次彎曲循環(huán)。

鑒于包含細(xì)絞線的電纜，電纜護(hù)套（以及護(hù)套如何固定導(dǎo)線）是下一個(gè)決定性因素。長(zhǎng)壽命。 PVC或其他熱塑性護(hù)套太脆而不能承受連續(xù)彎曲，因此大多數(shù)高柔性電纜使用PTFE或Flexx-Sil?橡膠作為主要電纜護(hù)套。 PTFE和Flexx-Sil?橡膠可承受數(shù)千萬(wàn)次彎曲循環(huán)。然而，F(xiàn)lexx-Sil?橡膠是一種更好的選擇，適用于極窄的彎曲半徑，因?yàn)樗旧肀萈TFE更靈活。

Flexx-Sil?擠出電纜的另一個(gè)好處是導(dǎo)線是完全包裹在Flexx-Sil?橡膠中，而不是在典型的PTFE電纜內(nèi)部松動(dòng)。松散的電線會(huì)相互摩擦，增加摩擦，冷加工，并縮短電線壽命。 PTFE電纜在其整個(gè)長(zhǎng)度上通常需要額外的夾緊以最小化這種影響，這提高了系統(tǒng)的成本和重量/慣性。相比之下，Extruded Flexx-Sil?電纜對(duì)各個(gè)導(dǎo)體的封裝優(yōu)化了連續(xù)彎曲應(yīng)用中的電線壽命。

圖5：Cicoil獨(dú)特的扁平電纜保持不變各種導(dǎo)體可以成形為針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的型材。

隨著公司不斷為自動(dòng)化機(jī)器和流程添加特性和功能，空間越來(lái)越成為一個(gè)因素。工業(yè)建筑面積支付的溢價(jià)迫使機(jī)器占地面積縮小。結(jié)果通常是要求在更小的空間內(nèi)完成更多工作。在這種環(huán)境中，布線設(shè)計(jì)通常是事后的想法。電纜通常被“填入”剩余空間。但是，通常的結(jié)果不是最佳，而且可能導(dǎo)致無(wú)法預(yù)料的維護(hù)或故障排除問(wèn)題。

工程師應(yīng)該在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期考慮布線;不僅要評(píng)估空間考慮因素，還要評(píng)估裝配和可訪問(wèn)性標(biāo)準(zhǔn)。通常，圓形布線比扁平電纜占用更多空間，因?yàn)楸馄讲季€的幾何形狀固有地節(jié)省了空間（圖6）。然而，在扁平電纜中，并非所有類型的電纜都具有同樣的空間效率。例如，PTFE扁平電纜僅限于預(yù)成型的形狀，因?yàn)殡娋€插入由PTFE護(hù)套形成的“吊艙”中。

圖6：扁平電纜比圓形電纜更節(jié)省空間。

結(jié)果可能不是最佳，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員僅限于預(yù)先存在的電纜型材。

Flexx-Sil?擠出電纜的制造精度與其所含導(dǎo)體所需的尺寸和形狀完全相同?？梢跃_控制導(dǎo)體間距，F(xiàn)lexx-Sil?橡膠護(hù)套的厚度也可以精確控制，以提供應(yīng)用所需的尺寸。此外，F(xiàn)lexx-Sil?擠出電纜可以生產(chǎn)任何外部輪廓（上圖5）。這使得電纜形狀可以針對(duì)特定的空間進(jìn)行優(yōu)化。

Flexx-Sil?布線的另一個(gè)獨(dú)特功能是能夠“形成”S曲線和其他非線性形狀（圖7） ）。這使設(shè)計(jì)人員可以將電纜彎曲在障礙物周圍，以促進(jìn)極其緊湊的包裝。這種類型的“彎曲扁平電纜”已經(jīng)在超音速導(dǎo)彈和軍用飛機(jī)中使用多年，以節(jié)省空間和重量。它也越來(lái)越多地用于工業(yè)應(yīng)用中。

圖7：Flexx-Sil?擠出電纜可在橫向平面上成形，以進(jìn)一步優(yōu)化空間利用率。

溫度指數(shù)是當(dāng)空氣混合物中的氧氣濃度為20.9％時(shí)材料將持續(xù)燃燒的溫度。典型的Flexx-Sil?橡膠底座的溫度指數(shù)約為250°C。擠出的Flexx-Sil?電纜額定工作溫度為-65oC至+ 260°C（圖8）。

圖8：Flexx- Sil?在-65?C至+260?C的工作范圍內(nèi)保持室溫靈活性和其他品質(zhì)。

Flexx-Sil?在-65oC至+ 260范圍內(nèi)保持室溫靈活性和其他品質(zhì)°C工作范圍。此外，Cicoil Flexx-Sil?橡膠的線性熱膨脹系數(shù)極低（約為0.00018英寸/英寸/°F），而PTFE的線性熱膨脹系數(shù)約為4.7倍（0.00085英寸/英寸/英寸） F）。這意味著擠出的Flexx-Sil?電纜在寬溫度范圍內(nèi)將比PTFE電纜更好地保持其封裝尺寸，這在涉及極窄空間的應(yīng)用中可能很重要。