Come scegliere i cavi flessibili per le applicazioni industriali

Di recente mi sono recato a una mostra di robotica organizzata da un maker locale. L'ingegnosità e la varietà delle attrezzature esposte erano sorprendenti. Sono rimasto particolarmente colpito da Spot, il robot di Boston Dynamics dalle sembianze canine, anche se devo ammettere che i suoi movimenti non proprio canini mi hanno innervosito.

Questa esperienza mi ha fatto venire in mente le sfide della distribuzione di energia e dati in macchinari in movimento. In applicazioni consolidate come i sistemi pick-and-place e per campi emergenti come i cobot, i cavi devono piegarsi e torcersi in continuazione. Per i cablaggi standard progettati per applicazioni statiche, questo rappresenta un problema. Se sottoposti a flessioni ripetute, questi cavi possono infatti deteriorarsi per diversi motivi. Ad esempio:

• La guaina del cavo può danneggiarsi a causa dell'abrasione con i sistemi di gestione dei cavi o di altri elementi ambientali.
• Le ripetute sollecitazioni possono provocare la rottura dei materiali isolanti e di rivestimento.
• I conduttori e la schermatura possono rompersi, soprattutto in applicazioni con movimenti complessi che richiedono una continua flessione dei cavi.

In ambienti difficili, gli effetti di questo deterioramento possono essere aggravati dalla presenza di materiali abrasivi o corrosivi e da temperature estreme. Questi rischi ambientali possono indebolire la guaina e l'isolamento, rendendoli vulnerabili ai guasti.

Per garantire la longevità di applicazioni come queste, è utile adottare una filosofia di progettazione "outside-in". Ad esempio:

• Anzitutto, assicurarsi che la guaina del cavo sia in grado di resistere ai rischi ambientali esterni.
• Stabilire se sia necessario un sistema di schermatura e verificare che possa resistere alle sollecitazioni previste.
• Assicurarsi che il cavo abbia una struttura interna adeguata, compresi conduttori progettati per flessioni ripetute.

Esamineremo ora ciascuno di questi fattori in modo più approfondito.

Scelta di un materiale di rivestimento durevole per i cavi

I cavi flessibili per gli ambienti industriali sono in genere dotati di guaine in polivinilcloruro (PVC), poliuretano (PUR) o elastomero termoplastico (TPE). Sebbene ognuno di questi materiale abbia i suoi vantaggi, il TPE offre una resistenza superiore alla maggior parte dei rischi ambientali (Figura 1). Il TPE si distingue anche per la sua eccezionale flessibilità, in quanto resiste a ripetute piegature e flessioni senza incrinarsi o rompersi.

Figura 1: Il TPE offre una resistenza superiore alla maggior parte dei rischi ambientali. (Immagine per gentile concessione di Alpha Wire)

Questi vantaggi possono essere visti nei cavi in TPE Xtra-Guard Flex di Alpha Wire. Classificati per 1 milione di cicli di flessione e con classi di infiammabilità e resistenza all'olio I/II e FT4, questi cavi sono stati progettati per garantire affidabilità e prestazioni elevate in applicazioni come la robotica di produzione e il controllo del movimento.

Sono disponibili nelle varianti Power-Limited Tray Cable (PLTC) o Tray Cable (TC). Le classificazioni PLTC e TC significano che un cavo può passare direttamente nelle canalette o nelle passerelle senza alcuna protezione aggiuntiva, anche in ambienti esterni, semplificando così l'installazione e riducendo i costi.

Alpha Wire offre anche cavi di controllo in TPE Xtra-Guard Continuous Flex per applicazioni come le gru a cavalletto. Questi cavi sono caratterizzati da una struttura ancora più robusta per resistere a sollecitazioni estreme.

Bilanciare flessibilità ed efficacia nel materiale di schermatura

Ci si potrebbe sentire sopraffatti dalla quantità di opzioni per la schermatura dalle interferenze elettromagnetiche (EMI). Gli ingegneri devono scegliere tra un'ampia gamma di materiali, fra cui rame e alluminio, e numerosi metodi di costruzione, come lamine e trecce. Ogni opzione comporta dei compromessi per quanto concerne l'efficacia della schermatura, la resistenza meccanica, il costo e il peso.

Un modo per ridurli al minimo è quello di utilizzare una combinazione di schermature. Ad esempio, l'esclusiva Supra-Shield di Alpha Wire utilizza una lamina di alluminio/poliestere/alluminio e una schermatura a treccia in rame stagnato per una copertura del 75%. Come illustrato nella Figura 2, la combinazione di schermature a lamina e a treccia offre prestazioni EMI eccezionali, pur mantenendo un'eccellente flessibilità.

Figura 2: Supra-Shield combina schermature a lamina e a treccia per ottenere prestazioni superiori. (Immagine per gentile concessione di Alpha Wire)

Progettazione di conduttori durevoli

Per garantire una maggiore durata, i conduttori di un cavo flessibile devono avere una struttura a trefoli (Figura 3). Ciò permette di distribuire le sollecitazioni derivanti dalla flessione anziché concentrarle in un unico punto, riducendo l'affaticamento del metallo e il rischio di rottura. Tutti i cavi in TPE Xtra-Guard Flex hanno una struttura a trefoli con sezioni che vanno da 10 a 20 AWG e un numero di conduttori da 2 a 12.

Figura 3: I conduttori a trefoli, come quelli mostrati, distribuiscono la tensione per ridurre l'affaticamento del metallo. (Immagine per gentile concessione di Alpha Wire)

Conclusione

I macchinari in movimento presentano sfide uniche per quanto riguarda il cablaggio. Per la longevità e l'affidabilità del sistema, è fondamentale garantire che i cavi siano in grado di resistere ai rigori di queste applicazioni e del loro ambiente operativo. Come dimostrato, materiali come il TPE offrono resistenza e flessibilità superiori, mentre sistemi di schermatura innovativi come Supra-Shield di Alpha Wire garantiscono prestazioni EMI ottimali senza sacrificare la durata. Inoltre, l'uso di conduttori a trefoli nei cavi garantisce che siano in grado di sopportare le sollecitazioni delle applicazioni.