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チェーンフレックス テスト事例
技術情報 300V 600V エンコーダ バス 同軸 光 ロボット エア ReadyCable® （ハーネス品） ケーブル クランプ 技術資料 電話 ：03-5819-2030 FAX ：03-5819-2055 Eメール：[email protected] チェーンフレックス テスト事例 295 エナジーチェーン用に テストを重ね、 開発したケーブル ― チェーンフレックス イグスの試験場 ― チェーンフレックスケーブルのテストが日々繰り返し行われています｡ 296 チェーンフレックスケーブルの役割 昨今要求されている「高頻度・高速・高加速」運転への 対応、また精密さが要求される環境条件など、特に動力・ 電力などエネルギー供給や管理の分野では、試験・検証 済で、長期にわたって効率的に機能するシステムが必要 とされています。ケーブルは今や、EMC（電磁適合性） を始めとして、UL､CSA、VDE､InterbusやProfibus等 の各種規格および指令への準拠が必須となっています。 このような条件を満たし、ご使用のオートメーションシ ステムが、停止することなく適切に、しかも世界中どこ にあっても低コストで機能する―――これを実現するこ とこそイグスの使命であると考えています。 5000 良いケーブルは コストを削減します (x 1000) チェーンフレックス CF5のテスト：「短 いストローク」と「長 いストローク」で CF5と他社ケーブル を 比 較 （ 1 m m 2× 7 心）。CF5の曲げ半径 はケーブル径の4.3倍 往復ストロークの数 2877 2000 1774 短いストローク 500 180 世界中のどの地域でも短期間で納品できるということは、 購入の際の重要な判断基準となります。イグスのケーブ ルが優れている点は、各種テストに合格しているという ことと、世界50か国以上に置かれている販売拠点、倉庫 からの優れた納品システムです。これによりお客様は時 間とコスト、および製品の保管場所の節約が可能になり ます。このシステムは、弊社の850種類にも及ぶケーブ ルのすべてに採用されております。 長いストローク * テスト終了までケー ブルに異常なし 75 0 A (x 1000) B C D E イグス チェーンフレックス CF5のテスト：「短 いストローク」と「長 いストローク」で CF5と他社ケーブル を比較（1mm 2×25 心）。CF5の曲げ半径 はケーブル径の4.3倍 往復ストロークの数 5000 1000 短いストローク 500 長いストローク 128 繰り返しのテスト 3.2 0 * テスト終了までケー ブルに異常なし A B C D E イグス ケーブル保護管エナジーチェーンとエナジーチェーン用 ケーブルのメーカーとして、イグスはさまざまなタイプ のケーブル保護管とケーブルで、実際の環境を想定した テストを実施しています。ドイツ・ケルンにある自社の 技術試験場では、厳しい条件の下で数多くのテストが並 行して行われています。現在は35を超える種類のテスト が行えるようになっています。この広範囲にわたる最新 のテストデータは、正確で信頼できる耐用年数を提供す るほか、弊社内における新製品開発の基礎ともなってい ます。さらにエナジーチェーン、ケーブル、ケーブルユ ニット・レディーチェーンのテストデータは、エナジー チェーンシステム全体の開発設計の礎になっています。 297 「寿命を延ばして メリヤス 状の布 特殊技術と独創性の結晶 ― チェーン ▲ 多層撚りの線心 引張強度の ない中心材 図1： 他社製 短いピッチ長で 成形された束撚り エネルギー供給システムに必要なことは、システムに使用されている ケーブルを含め、すべてのコンポーネントが問題なく稼動するです。 実は1980年代初頭から生産現場で、顕著になってきた問題がありま す。オートメーション技術の採用により、連続的に高頻度で高い負荷 が掛けられるような設備が増加したため、エネルギー供給システム自 体は問題なく機能しているにもかかわらず、ケーブルやホースが断 線・破損する事例が多発したのです。極端な場合にはヨレ、線心の破 損によってライン全体が停止してしまい、生産性が低下することがあ りました。お客様のこのようなご不満を解決するソリューションを求 めて、弊社は率先して解決に乗り出しました。そして世界で初めて、 稼動するケーブル保護管と中に敷設するケーブルの両方を、総合的に 考えたエナジーチェーンシステムを開発したのです。弊社では、 1989年以来培ってきたノウハウと繰り返し行われている精緻な試験 結果を基に、世界中の工場から機械のダウンタイムをなくすべく設計 開発を続けています。 「コークスクリュー」現象を防ぐには ここで言う「コークスクリュー」とは、ガイドされて動くケーブルが 過度な荷重・引っ張り等によりらせん状に変形し、復元しなくなるこ とを言います。多くの場合その直後に線心破断が発生します。「コー クスクリュー」はどのようにして発生するのでしょうか。また、それ を避ける方法はないのでしょうか。エナジーチェーンシステム全体を 慎重に設計することももちろん重要ですが、ガイドされるケーブルの 構造も「コークスクリュー」を防ぐ重要な要因となります。基本的に は、ケーブルを束で撚るか層で撚るかによって明確に違いが生じま す。 引張強度の ある中心材 耐摩耗性が高く隙間 に食い込む充実押し 出し成形の外被 ▲ 層で撚ったケーブルの特性 図2 遮蔽性能の 高いシールド イグス製 ▲ 図3 隙間に食い込 む充実押し出 し成形の内被 引張強度の ある中心材 298 層撚りケーブルは製造が非常に簡単であり、そのため「ケーブル保護 管に適した」ケーブルとして安価で市場に出回っています。 一見魅力的に見えるこれらのケーブルも、「コークスクリュー現象」 によってシステムが運転不能となれば、すぐに「高い買い物」であっ たことがわかります。このような問題とはどのようにして起こるので しょうか。ケーブルの構造を見ればわかります（図1参照） 。 層で撚ってある場合、ケーブルの線心は程度の差はあってもほとんど がしっかりと撚られており、中心に近い数層では撚りが比較的長くな っていて、その上からチューブ状に押し出し成形された外被が施され ます。シールドケーブルの場合、線心はメリヤス状の布かホイルで被 覆されます。しかし似た構造の、例えば線心が12本のケーブルには、 運転中どのようなことが起こるでしょうか。 線心が動くことで、屈曲によってケーブルの内側が押し潰され、外側 の線心が引き伸ばされます。初期の段階では、使用素材の弾性が十分 なため良好に動作します。しかし、すぐに素材の疲労によって永久的 な変形が生じ、次に、決められた経路からの逸脱によって線心に「収 縮するゾーンと伸長するゾーン」ができます。こうしてコークスクリ ュー現象が起こり、ほとんどの場合、そのすぐ後に線心が破断しま す。 コストを下げる」 フレックス設計に対するイグスの自信 1989年以来、束撚りの試行・テストを数百万回 以上も繰り返してきました 非常に高度な技術で幾重にも撚られた内部構造をケーブルに成形する 束撚り方法を採用することにより、この問題を解消することができま す。特別なピッチ素線を撚り、出来た線心をケーブルがらせん状に1 本の束に撚り上げます。ケーブルの断面が大きい場合､引張力を軽減 する中心材の周りに撚り上げます。さらに、線心の束を引張強度のあ る中心材の周りに撚っていきます（図2参照） 。 このように線心を何回も撚ることで、すべての線心のケーブルを曲げ たときに生じる内径と外径の線心長さの差を同一に変えます。撚り構 造に必要な内部安定性を与える耐引張り性の高い中心材の周囲で、引 張力と圧縮力のバランスが保たれます。この結果、最大の曲げ応力を かけた場合でも撚りが安定性を保つのです（図3参照） 。 不具合の解説 線心破断 一定の曲げ応力の下で、個々の線心に機械的な過負 荷、引張り負荷が掛かることで銅線が断線し、導電 不良が生じます。多くの場合、素線の不良や、撚り ピッチの方向および長さの不良が原因です。 絶縁体の損傷 導体周囲の絶縁体が損傷することで短絡が生じます。 一定の曲げ応力による材質疲労や、撚り構造内部で の材質の摩耗が原因となります。導体または編組シ ールドの単線破断により、絶縁体に穴が開きます。 コークスクリュー 図4：ヨレてしまった他社製ケーブル 電磁適合性（EMC）問題とシールドワイヤーの 破断 曲げ動作において個々の心線に機械的な過負荷、引 張り負荷が掛かることで銅線が破断し、外部からも 分かる変形がケーブル全体に生じます。多くの場合、 構造特性（層撚り、中心材がないこと、チューブ押 し出し成形の外被の緩み等） 、ケーブルに掛かる高い 曲げ応力が原因です。 外被の摩耗 ケーブルシールドは、原則として次の2つの課題を満たさねばなりま せん。 ● 外部干渉からケーブルを保護すること ● 外部に伝送する前に、干渉を遮蔽すること 外被が摩耗して内部の撚り線やシールドが露出する こと。多くの場合、外被の素材選定のミスや押し出 し成形プロセスの不良によって表面に欠陥が生じ、 摩耗が避けられなくなることが原因です。 この2つの課題は非常に重要です。信号不良が発生すると、そのシス テム自体と、外部のシステムの両方が大きなダメージを受けるからで す。さらに、特に問題になるのは、シールドの破損は通常外部から発 見することができないため、不具合対策が非常に困難になります。こ のような問題は、どのようにして発生するのでしょうか。この場合に も、ケーブルの内部構造にその答えを見つけることができます。つま り、シールドがケーブルの動きに対応できるように設計されているか 否かです。固定ケーブルのシールドは非常に容易かもしれませんが、 可動ケーブルに永久的なシールドを施すことは非常に困難です。 外被の膨張、破断 例えばいわゆる「ケーブル保護管に適した」とされるケーブルでも、 中間層の撚りをホイルまたはメリヤス状の布により被覆しています。 撚りを被覆することで、線心と編組シールドを分離しないようにして います。しかし、こういった対策は固定ケーブルには良好に機能して も、可動ケーブルの場合にはきわめて不十分となることがあります。 ホイルやメリヤス状の布は、撚り、シールド、そして外被の間に結合 力を生むことがなく、応力が掛かった状態ではそれぞれが分離してし まうことがあります。この結果、金属製のシールドが線心の絶縁体と 擦れ合うようになり、短絡の発生の可能性が大きくなるのです。 外被が柔らかくなって変形するか、破断して内部の 撚り線またはシールドが見えるようになること。使 用する油脂や化学薬品に適さない素材を選択したこ とが原因です。 シールド効果の損失、 電磁適合性 （EMC）問題 電気ケーブル内外の電磁干渉は、多くの場合、シー ルドの編組角度が繰り返しの曲げに適さないことか ら機械的な過負荷が生じ、シールドワイヤーが破断 することによって起こります。これ以外にも、支持 効果のないホイルの使用や不適切な外被構造が原因 で編組が緩むことがあります。 299 「寿命を延ばして 外被破断が発生した他社ケーブ ル（0.14mm2 × 36心） 特殊技術と独創性の結晶 ― チェーン しかし、シールド自体の製造には非常に時間とコストがかかるため、 編みが完全に全体を覆わないシールドや、もっと単純なワイヤーの被 覆が使用されることもあります。これによる欠点は明白です。編みが 完全に全体を覆わないシールドは、動く状態では限られたシールド効 果しか発揮せず、動作や引張りによって効果がさらに低減します。こ のため、シールドの種類は重要であるのにもかかわらず、他社のカタ ログでは言及しないことが多々あります。 イグスでは、編組遮蔽率約90%のケーブルを採用し、内部構造を最 適化することでこの欠点を解消しています。ほぼすべてのシールド付 チェーンフレックスケーブルで、撚り構造の周囲に隙間に食い込むよ う内被を押し出し成形しています。この「第二の外被」は、次の2つ の機能を果たしています。 ● 撚り構造どうしを1つに保持し、各線心を1つの経路でガイド。 ● 非常に固く編み込まれたシールドにとっての堅牢な丸型ベースと なる。 シールドワイヤーの破断とその回避方法 シールドの製造過程においても、適切に行えること、あるいは適切に 行えないことが数多くあります。この過程で重要となる要因の１つ に、編み角度があります。 「ケーブル保護管に適した」とされるケーブルでは、ケーブルの外周 側にあるシールドワイヤーに掛かる引張り荷重を考慮しなければなり ません。編組角度が適切でないと、引張り荷重が過度に増加して、シ ールドワイヤーの破断が生じます。この結果、シールド効果の低下か ら短絡（ワイヤーの鋭い先端がメリヤス状の布やホイルを突き破り、 線心まで達する）まで、さまざまな不具合が発生します。これを見分 けるにはどうすればいいのでしょうか。絶縁体を剥いたときにシール ドを簡単に外被側に押し戻せるようであれば、そのシールドは動きの あるケーブルシステムには大抵の場合不向きです。イグスは、次のよ うな直接的なアプローチによってこの問題を解決しました｡ ● 長期の評価試験結果を基にシールドの最適な編組角度を採用 − 引 張力を効率的に打ち消し、ケーブル保護管エナジーチェーン内で安 全・確実に動く ● 安定した内被 − シールドが離れて制御不能になることがない ● シールド自体の撚り構造 − ねじれ保護効果をもたらす 外被の摩擦、破断 内部構造の欠陥は外からではほとんど分からないのに対して、外被に 問題があればすぐに分かります。外被は複雑な内部構造を第一に保護 するものです。このため、外被が壊れる、摩耗する、あるいは膨張す るということは、大きな品質の欠陥なのです。このような外被の問題 を避けるため、イグスでは7種類の外被材質を採用しており、個々の 環境条件に合ったものをお選びいただけます。 隙間に食い込む押し出し成形による外被 外被にとっては、材質だけでなくその製造工程も重要です。いわゆる 「ケーブル保護管に適した」といわれるケーブルの外被は、押し出し 300 コストを下げる」 フレックス設計に対するイグスの自信 成形してチューブ状（チューブ押し出し形成）にするのが普通 であるため、内部の撚り構造が屈曲運動に耐えられるサポート にはなりません。撚り構造が分離してしまう可能性があります。 このためイグスでは、他社に先駆け、いわゆる「隙間に食い込 む充実押し出し成形」による外被を採用しました。 チェーンフレックスケーブルでは、タルクパウダー（石灰粉） を線心の撚り構造にまぶして、その間に外被材料を注入してい くことで、内部構造が開かないようにすると同時に、線心がズ レないようにガイドしています。この特殊な保護構造では、外 被を高圧で押し出し成形することにより、撚りの過程で線心間 にできてしまう隙間を完全に埋めています。この結果、外被は 通路として線心をガイドし、線心が決められた動作を正しくで きるようにしています。この外被は、撚り構造のサポートの役 割も果たします。 高品質のイグスチェーンフレックスケーブル ● 引張力を軽減する中心材 ● 束撚り構造 ● シールドケーブル内には、撚りを被覆する隙間に食い込む押 し出し成形の内被 ● 密閉された編組シールド ● 最適化されたシールドの編組角度 ● 隙間に食い込む押し出し成形の外被 優れたケーブル・7つの基本 1. 引張力を軽減する中心材 ケーブルの中心部には、線心数や断面積に応じて隙間が できます。この中心部の隙間は、高品質な中心材（よく ある廃棄素材を使った充填材やダミーコアではない）で 可能な限り埋める必要があります。こうすることで撚り 構造を効率的に保護でき、撚りがケーブルの内側に入り 込むことを避けることができます。 2. 素線の構造 素線の選定では、最も柔軟な素材を選ぶことが最高の解 決策であることが分かっています。個々の素線を非常に 細くすれば非常に柔軟な導体を製造できますが、このよ うな導体にはキンクが出来やすくなります。長期間テス トを重ねてきた結果、耐屈曲性が最強になるときの、ま とめてシールドされる個々の素線の直径、ピッチ長とピ ッチの方向をイグスは解明しました。 3. 線心の絶縁 絶縁材料は、ケーブルの内部で互いに固着しないように 製造されなければなりません。絶縁材にはさらに、撚り 上げられた個々の銅線をサポートすることも求められま す。したがってエナジーチェーンでは、数百万キロメー トルもの線心テストで信頼性が得られた最高品質の、高 圧で押し出し成形されたPVCやTPEといった素材を使 用しています。 4. 撚り 撚り構造は、耐引張性のある安定した中心材の周囲に最 適な短いピッチ長で撚られねばなりません。しかし使用 される絶縁材により、この撚り構造はさらにその撚りの 中の動きで定義される必要があります。更には線心数が 12本以上になると、束撚りを採用する必要もあります。 5. 内被 安価なメリヤス状の布や充填材等ではなく、隙間に食い 込む押し出し成形による内被を使用していなければなり ません。この方法により、撚り構造は縦方向に効率的に ガイドされるようになります。さらに、分離したり思わ ぬ方向に進むことがなくなります。 6. シールド 押し出し成形した内被の外側に施される全体のシールド は、最適な編み角度で引き締まったものでなければなり ません。編み構造やそれに包まれている撚り構造が緩ん で開いてしまうと、EMC（電磁的適合性）が大幅に悪 化し、シールドワイヤーの破断によって急激に作用しな くなることもあります。引き締まった編み構造の全体シ ールドは、撚り構造をねじれから保護する効果もありま す。 7. 外被 最適な素材で製造される外皮は、UV（紫外線）耐性、 低温での柔軟性、対油性、そしてコストの最適化など、 さまざまな要件を満たすことができます。さまざまな外 被がありますが、１つの共通した特性を持っていなけれ ばなりません。それは、耐摩耗性が高くなければなら ず、しかも他の素材に固着してはならない、という特性 です。また、柔軟であると同時にサポート機能を持たな ければなりません。いずれにせよ、外被は隙間に食い込 むよう高圧で押し出し成形される必要があります。 301 チェーンフレックス可動 イグスの300V/600V/エンコーダ/光ファイバーケーブルの断面構造 300V、シールドなし 最適なピッチ長と角度の束撚り 高い引張力に適した中心材 エナジーチェーンに最適な素線径 耐摩耗性の高い、隙間に食い込む充実押し 出し成形の外被 300V、シールド付 最適な編組角度を持つ全体のシールド（編 組遮蔽率約90%） 隙間に食い込む押し出し成形の内被が、撚 り構造をサポート 高い引張力に適した中心材 個々の束撚りに、耐ねじれ性のある中心材 を採用 高圧押し出し成形の外被 エンコーダケーブル、 シールド付 最適なピッチ長と角度で束撚り 隙間に食い込む押し出し成形の内被が、撚 り構造をサポート 高い引張力に適した中心材 ツイストペアの編組シールド 最適な編組角度を持つ全体シールド （編組遮蔽率約90%） 302 高圧押し出し成形の外被 ケーブルの断面 光ファイバーケーブル ガラス繊維強化プラスチック（GRP） ロッドによる撚り構造 ゲル充填ファイバーシース グラジエント（超屈曲性）ファイバー 耐摩耗性の高いTPE製外被 内部に組み込まれたねじれ軽減構造 600V、シールド付 最適な編組角度を持つ全体シールド （編組遮蔽率約90%） 最適な素線径 高い引張力に適した中心材 隙間に食い込む高圧押し出し成形の内被 最適なピッチ長と角度の撚り 最適なピッチで撚られたツイストペアを 覆うシールド 耐摩耗性の高い、高圧押し出し成形の外被 600V、シールド付 最適な編組角度を持つ全体シールド （編組遮蔽率約90%） 隙間に食い込む押し出し成形による内被 高い引張力に適した中心材 最適な素線径 最適なピッチ長と角度の撚り 耐摩耗性の高い、高圧押し出し成形の外被 303