Principii de bază ale dispozitivelor de prindere pneumatice pentru aplicații industriale

Dispozitivele de prindere pneumatice sunt dispozitive electromecanice utilizate în aplicațiile industriale pentru prinderea și ridicarea, menținerea, rotirea și amplasarea obiectelor în locații prestabilite. De obicei, aceste dispozitive de prindere se instalează pe cele mai îndepărtate părți ale mașinilor de prelucrare a pieselor sau ale brațelor robotice cu șase axe, carteziene sau Selective Compliance Articulated Robot Arm (SCARA), ca efectori finali pentru executarea diverselor sarcini de manipulare a materialelor. Susținute de progresele înregistrate în ultimele decenii în ceea ce privește controlul, senzorii și conectivitatea de feedback, mișcările dispozitivelor de prindere pneumatice (în principal pentru prindere și eliberare) se coordonează în mod obișnuit cu cele ale axei mașinii sau ale brațului robotic pe care sunt montate.

Funcționarea dispozitivului de prindere pneumatic

Figura 1: aici este prezentat un dispozitiv de prindere pneumatic cu două degete la capătul unui braț robotic. Degetele fălcilor realizează contactul fizic cu obiectul care trebuie prins și sunt cele care permit dispozitivului de prindere să țină și să elibereze obiectele. (Sursa imaginii: Kazakov • Getty Images)

Figura 2: dispozitivele de prindere paralele, cu trei degete și înclinate sunt cele mai comune trei tipuri de dispozitive de prindere pentru aplicații industriale. Dispozitivul de prindere pneumatic cu trei degete prezentat aici are degetele decalate cu 120° pentru a întinde ușor garniturile inelare și a le monta pe arborii-țintă. (Sursa imaginii: Schunk)

Dispozitivele de prindere pneumatice sunt de departe cel mai răspândit tip de dispozitive de prindere pentru aplicațiile industriale care implică roboți de preluare și amplasare, mașini-unelte, prelucrarea pieselor și sarcini de asamblare. Deși unele dispozitive de prindere pneumatice iau forma unor efectori finali de tip vezică și ventuză, dispozitivele de prindere pneumatice cu degete sau fălci sunt cele mai răspândite și sunt, în general, cele presupuse atunci când nu există un alt context.

Dispozitivele de prindere pneumatice cu fălci funcționează pe baza aerului comprimat. La un anumit semnal de comandă, supapele permit aerului să se deplaseze prin canalele interne și să activeze legăturile mecanice, care, la rândul lor, deschid și închid degetele dispozitivului de prindere. În sprijinul acestui set principal de subcomponente vin furtunurile pneumatice, subcomponentele de control și cablurile, flanșele de montare pentru atașarea la mașini și roboți, mecanismele autoprotejate și o carcasă care acoperă aceste componente.

Deși poziția de eliberare (menținută de un arc de compresie mecanică) este, de obicei, cea implicită, pe piață sunt disponibile și modele de dispozitive de prindere care stau implicit în poziția de prindere. În cazul în care poziția închisă (de prindere) este cea implicită, un arc asigură forța de prindere... și permite aerului comprimat să intre în dispozitivul de prindere, cu scopul de a deschide fălcile. De fapt, anumite dispozitive de prindere se bazează pe aer comprimat atât pentru forța de prindere, cât și pentru cea de eliberare.

Videoclip 1: într-o variantă obișnuită, dispozitivul de prindere pneumatic se conectează printr-un furtun special la un sistem de aer comprimat. Forța aerului comprimat deplasează un piston care, la rândul său, (prin intermediul unui angrenaj, al unui comutator sau al unui cuplaj glisant) determină acționarea fălcilor externe pe toată cursa lor. (Sursa video: Schunk)

Controlul aerului într-un dispozitiv de prindere pneumatic se bazează adesea pe cicluri preprogramate de prindere-eliberare... sau (în aplicații mai sofisticate) pe feedback-ul primit de la senzorii care detectează obiectele ținute.

Tipuri de dispozitive de prindere pneumatice

Figura 3: dispozitivele de prindere paralele cu două degete din seria PGN-plus de la Schunk oferă curse lungi ale fălcilor și includ garnituri, ghidaje liniare rotunde rezistente la murdărie și carcase din aliaj de aluminiu de înaltă rezistență, pentru a rezista în medii industriale murdare. (Sursa imaginii: Schunk)

Dispozitivele de prindere pneumatice cu fălci și degete sunt clasificate în funcție de:

• Aranjamentul cinematic, numărul de degete, acțiunea și tipul de montare
• Dimensiunea fizică și forța maximă de prindere
• Construcția fălcii și a carcasei – inclusiv nivelul de protecție la infiltrare
• Conectivitatea la rețelele comune de control industrial

Apărute pentru prima dată pe piață în anii '70, dispozitivele de prindere pneumatice cu două degete sunt cele mai utilizate în prezent – reprezentând mai mult de jumătate din toate aplicațiile dispozitivelor de prindere pneumatice. Degetele acestor modele glisează sau se balansează pe puncte de pivotare pentru a se închide ca o poartă sau ca o gheară în jurul obiectelor țintă. Acestea pot folosi fie o acțiune paralelă a fălcilor, fie o acțiune înclinată a degetelor.

Dispozitivele de prindere pneumatice cu acțiune paralelă a fălcilor: în cazul dispozitivelor de prindere paralele, cele două degete glisează spre interior și spre exterior – cu o mișcare pe linie dreaptă – pe aceeași axă de-a lungul unor șine din partea superioară a corpului dispozitivului de prindere. În mod obișnuit, acțiunea de glisare spre interior este cea care prinde piesele de prelucrat sau alte obiecte. Cu toate acestea, există foarte multe aplicații în care cele două degete glisează spre exterior pentru a prinde piesele de prelucrat goale sau deschise (cum ar fi, de exemplu, garniturile inelare sau cilindrii) din interior. Avantajele acestor dispozitive de prindere foarte simple sunt numeroase. Diferitele subcomponente pentru astfel de dispozitive de prindere sunt mai simplu de fabricat decât altele, ceea ce face ca aceste dispozitive de prindere să fie foarte rentabile. În plus, există o forță de prindere constantă pe întreaga cursă a degetelor – ceea ce simplifică munca asociată cu aplicațiile care implică piese de prelucrat delicate sau sensibile la presiune. În cele din urmă, dispozitivele de prindere paralele pot fi proiectate să se închidă și să se deschidă destul de larg – chiar până la câteva zeci de centimetri sau mai mult.

Dispozitivele de prindere pneumatice cu acțiune înclinată a degetelor: la aceste dispozitive de prindere, capetele acționate ale degetelor sunt prinse de un punct de pivotare fix. La aplicarea energiei pneumatice, acționarea unui piston și un element mecanic cu pană determină închiderea degetelor (sau, în alte variante, deschiderea), ce balansează ca niște uși franțuzești. În poziția deschisă, fălcile balansează spre exterior, dincolo de corpul dispozitivului de prindere sau se proiectează direct în afară. În poziția închisă (de obicei, cea de prindere), vârfurile degetelor dispozitivului de prindere se înclină spre interior pentru a se închide într-o formă conică de prindere. Un compromis legat de proiectare privind utilizarea acestor dispozitive de prindere este că, spre deosebire de tipurile cu degete paralele, degetele înclinate au curse limitate și generează o forță de prindere care este variabilă de-a lungul cursei de acționare. Acestea fiind spuse, dispozitivele de prindere cu degete înclinate sub acțiunea directă a pistonului pot avea o forță de prindere extrem de mare – până la 2.300 N sau mai mult.

Numere mai mari de degete: dispozitive de prindere cu trei și patru degete

În cazul în care dispozitivele de prindere pneumatice cu două degete sunt inadecvate pentru manipularea pieselor de prelucrat din cadrul unei operațiuni, dispozitivele de prindere cu trei și patru degete (și chiar cu cinci degete în aplicațiile robotice specializate de tip umanoid) pot oferi un suport de prindere și o stabilitate mai bune. Totuși, pentru a fi clar: toate aceste dispozitive de prindere sunt mult mai puțin comune decât cele cu două degete... și numai cele cu trei degete sunt comune în aplicațiile industriale. Nivelul lor mai ridicat de aplicabilitate costă, dar dispozitivele de prindere cu trei degete pot prinde piese de prelucrat și alte obiecte cu o geometrie mai complexă sau mai dificilă. Așa-numitele dispozitive de prindere pneumatice cu trei degete și autocentrare au trei degete distanțate uniform (la distanță de 120° pe o mandrină de prelucrat) care necesită schimbarea degetelor pentru schimbarea operațiunii. Acestea se închid spre interior pentru a prinde piesele de prelucrat într-un punct central. În schimb, așa-numitele dispozitive de prindere pneumatice adaptive cu trei degete țin două degete împreună, iar al treilea se opune acestora, ca un deget mare. Cel mai des întâlnite în robotica mobilă, aceste dispozitive de prindere pot ridica obiecte în mai multe moduri, pentru a se adapta la variațiile geometriei unei anumite piese de prelucrat.

Prindere internă și acțiune dublă

Deși majoritatea dispozitivelor de prindere pneumatice sunt utilizate pentru prinderea sau susținerea pieselor din exteriorul lor (făcând contact cu suprafețele exterioare ale obiectului), operațiunile de prindere internă sunt esențiale pentru multe aplicații de asamblare. În acest caz, degetele dispozitivului de prindere se deschid pentru a prinde din interior obiectele cu geometrie goală. În unele cazuri, dispozitivele de prindere pot avea sarcina de a efectua atât operațiuni de prindere externă, cât și internă – deși trebuie să fie proiectate astfel încât să aibă ambele funcții.

Dispozitivele de prindere pneumatice cu fălci și degete pot prezenta tipuri de prindere cu acțiune unică sau dublă. În cazul dispozitivelor de prindere cu acțiune unică, forța aerului comprimat generează mișcarea și forța de prindere. După oprirea alimentării, degetele revin și rămân în poziția lor inițială datorită acțiunii unui simplu arc de compresie. În schimb, dispozitivele de prindere cu acțiune dublă necesită acționarea cu aer comprimat atât pentru mișcările de prindere, cât și pentru cele de eliberare. De fapt, dispozitivele de prindere cu acțiune dublă pot fi capabile atât de prindere internă, cât și de prindere externă, după cum s-a descris mai sus.

Aplicații obișnuite ale dispozitivelor de prindere pneumatice

Figura 4: dispozitivul de prindere Schunk PGN-plus are o acționare cu piston oval. (Sursa imaginii: Schunk)

Dispozitivele de prindere pneumatice sunt utilizate pe scară largă în mediile industriale – în special pentru celulele de lucru automatizate, liniile de asamblare și de producție, pentru îngrijirea mașinilor asociate cu producția avansată, pentru zonele periculoase ale fabricilor și pentru logistică, precum și pentru operațiunile de depozitare automată. Dispozitivele de prindere pneumatice sunt, de asemenea, utilizate și pentru o gamă mică, dar în creștere, de aplicații robotice comerciale, de agrement și de consum (inclusiv bionica de mobilitate).

Luați în considerare dispozitivele de prindere pneumatice pentru manipularea materialelor în echipamentele de procesare și ambalare a alimentelor și băuturilor. În acest caz, funcționarea curată a sistemului pneumatic este un avantaj – iar dispozitivele de prindere cu degete acționate pneumatic completează utilizarea altor tipuri de dispozitive de prindere cu vezică și ventuză, acționate cu aer, pentru a manipula orice, de la cutii și sticle de vin la ouă și pungi de bomboane. În schimb, dispozitivele de prindere din aplicațiile pentru mașini-unelte sunt, de obicei, concepute pentru un singur tip de piesă de prelucrat – și, în unele cazuri, au chiar sarcina de a ține aceste piese de prelucrat în timpul prelucrării sau al altor procese. În cazul în care dispozitivele de prindere pneumatice sunt implicate în asamblare sau sortare și selecție, acestea sunt adesea susținute de senzori sau chiar de sisteme de vedere automatizată pentru direcționarea acțiunilor lor. În caz contrar, senzorii de efect Hall și de proximitate din dispozitivul de prindere pot oferi suficient feedback.

Avantajele și limitările dispozitivelor de prindere pneumatice

Un avantaj cheie al dispozitivelor de prindere pneumatice față de alte tipuri de dispozitive de prindere este faptul că acestea sunt disponibile în numeroase dimensiuni și cu diferite forțe de prindere, de la câțiva Newtoni până la câțiva kilo-Newtoni, și pot fi adaptate pentru diferite aplicații – chiar și pentru cele care necesită mii de repetări pe oră. De asemenea, dispozitivele de prindere pneumatice industriale oferă o repetabilitate de neegalat pentru sarcini de automatizare precise. În plus, dispozitivele de prindere pneumatice:

• Sunt rentabile și consumă puțină energie
• Sunt ușoare și compacte – în special în comparație cu anumite opțiuni bazate pe motor și procese hidraulice

Spre deosebire de omologii lor hidraulici și electrici, dispozitivele de prindere pneumatice nu sunt afectate în mare măsură de mediile de lucru. Acest lucru este în contrast cu dispozitivele de prindere acționate electric, cu componente electronice sensibile care se pot defecta în medii umede.

Desigur, dispozitivele de prindere pneumatice au unele dezavantaje și limitări. Acestea sunt legate, în principal, de costul operațional și de complexitatea modelelor pneumatice și a sistemelor cu aer comprimat în general. Configurarea inițială a unor astfel de sisteme poate fi costisitoare și complicată. Acestea fiind spuse, există o economie de scară atunci când o operațiune industrială utilizează deja sisteme de aer comprimat în altă parte.

Criterii pentru selectarea dispozitivelor de prindere pneumatice

Dimensionarea și specificarea dispozitivelor de prindere pneumatice pentru aplicația de manipulare a unui anumit material ar trebui să înceapă cu definirea clară a parametrilor cheie de proiectare.

Dimensiunea și forța de prindere: dispozitivele de prindere pneumatice ar trebui să se deschidă suficient pentru a putea cuprinde obiectele manipulate. Forța necesară a degetelor dispozitivului de prindere pneumatic depinde de greutatea obiectelor manipulate, precum și de coeficientul de frecare între deget și obiect, de suprafața de contact între deget și obiect și de forța care trebuie să o contracareze pe cea a degetelor opuse. Materialele și straturile de acoperire de înaltă tehnologie ale degetelor de prindere pot crește coeficientul de frecare între deget și obiect. Bineînțeles, fălcile dispozitivelor de prindere pneumatice utilizate în aplicații alimentare sau farmaceutice trebuie să fie fabricate sau acoperite cu materiale aprobate de FDA.

Există o mare variabilitate în ceea ce privește raportul dintre dimensiunea și greutatea piesei manipulate – obiectele ușoare, dar voluminoase reprezentând adesea cele mai mari provocări în ceea ce privește proiectarea dispozitivelor de prindere.

Geometria pieselor: obiectele manipulate cu geometrii complexe pot necesita adesea dispozitive de prindere pneumatice cu trei degete în loc de două. Acest lucru este valabil mai ales în cazul în care o serie de piese de prelucrat poate prezenta geometrii ușor diferite. Dar în cazul în care piesele de prelucrat sunt consecvente, dispozitivele de prindere cu două degete pot încorpora suprafețe și forme personalizate pentru a se adapta la punctele de prindere specifice ale acestor obiecte. Economiile în ceea ce privește costurile dispozitivelor de prindere cu două degete pot justifica deseori utilizarea acestora ori de câte ori această soluție îndeplinește cerințele operațiunii.

Mediul de operare: există numeroase opțiuni pentru rulmenții dispozitivelor de prindere pneumatice, elementele mecanice interne și carcase, pentru a îndeplini cerințele mediilor de operare curate și contaminate. Deosebit de importante pentru dispozitivele de prindere pneumatice sunt valorile nominale ale temperaturii (care stipulează intervalele în care un dispozitiv de prindere va funcționa în mod optim), precum și clasificările IP care definesc nivelul de particule și umiditate la care un anumit dispozitiv de prindere poate rezista înainte de pătrunderea acestora.

Concluzie

Dispozitivele de prindere pneumatice sunt efectori finali robotizați care sunt esențiali pentru manipularea materialelor pe liniile de producție. Aceste dispozitive de prindere țin, orientează și amplasează piesele de prelucrat și alte obiecte pentru prelucrare, asamblare cu alte piese sau respingere – ca de exemplu, de pe o bandă transportoare care trece printr-o stație de control al calității. În ciuda dezavantajelor sistemelor cu aer comprimat necesare pentru funcționarea dispozitivelor de prindere pneumatice, acestea sunt adesea cea mai curată, cea mai rapidă și cea mai potrivită opțiune pentru manipularea pieselor.