Podstawy chwytaków pneumatycznych do zastosowań przemysłowych

Chwytaki pneumatyczne to urządzenia elektromechaniczne stosowane w przemyśle do chwytania, podnoszenia, trzymania, obracania i umieszczania obiektów w określonych miejscach. Chwytaki te są zazwyczaj instalowane jako końcówki obrabiarek oraz robotów sześcioosiowych, kartezjańskich lub SCARA jako efektory końcowe do wykonywania różnych zadań związanych z manipulowaniem materiałami. Dzięki postępowi, jaki dokonał się w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat w dziedzinie sterowania, czujników i łączności zwrotnej, ruchy chwytaka pneumatycznego (głównie chwytanie i puszczanie) są zwykle skoordynowane z ruchami osi maszyny lub ramienia robota, na którym jest zamocowany.

Działanie chwytaka pneumatycznego

Ilustracja 1: pneumatyczny chwytak dwupalcowy na końcu ramienia robota. Palce szczęki stykają się fizycznie z obiektem, który ma być chwytany i to dzięki nim chwytak chwyta i puszcza obiekty. (Źródło ilustracji: Kazakov • Getty Images)

Ilustracja 2: chwytaki równoległe, trójpalcowe i kątowe to trzy najpopularniejsze typy chwytaków do zastosowań przemysłowych. Pokazany tutaj pneumatyczny chwytak trójpalcowy ma palce rozmieszczone co 120°, które pozwalają mu delikatnie rozciągać pierścienie okrągłe i instalować je na wałkach odbiorczych. (Źródło ilustracji: Schunk)

Chwytaki pneumatyczne są zdecydowanie najbardziej rozpowszechnionym typem chwytaków w zastosowaniach przemysłowych obejmujących zrobotyzowane procesy przenoszenia, obrabiania oraz montażu. Chociaż niektóre chwytaki pneumatyczne mają postać efektorów końcowych typu przeponowego i przyssawkowego, najbardziej rozpowszechnione są chwytaki pneumatyczne z palcami lub szczękami. Zwykle stanowią one rozwiązanie domyślne w przypadku braku konkretnych wymogów.

Pneumatyczne chwytaki szczękowe działają dzięki sprężonemu powietrzu. Po odebraniu sygnału zawory wpuszczają powietrze przez kanały wewnętrzne i aktywują elementy mechaniczne, które z kolei otwierają i zamykają palce chwytaka. Ten podstawowy zestaw podzespołów uzupełniają przewody pneumatyczne, podzespoły sterujące i okablowanie, kołnierze montażowe przeznaczone do mocowania do maszyn i robotów, mechanizmy zabezpieczające w przypadku awarii oraz obudowa, w której znajdują się wymienione komponenty.

Chociaż położenie otwarte (utrzymywane przez mechaniczną sprężynę ściskającą) jest zwykle położeniem domyślnym, na rynku dostępne są również chwytaki, które domyślnie ustawiają się w położeniu chwytania. W przypadku gdy położenie zamknięcia (chwytania) jest położeniem domyślnym, sprężyna wytwarza siłę chwytania, a dopływ sprężonego powietrza do chwytaka powoduje otwarcie szczęk. W rzeczywistości niektóre chwytaki wykorzystują sprężone powietrze zarówno do chwytania, jak i puszczania.

Wideo 1: jeden z popularnych modeli chwytaka pneumatycznego jest podłączany do instalacji sprężonego powietrza za pośrednictwem specjalnego węża. Siła sprężonego powietrza powoduje przemieszczenie tłoka, który z kolei (poprzez koła zębate, łączniki przegubowe lub przesuwne) powoduje uruchomienie zewnętrznych szczęk w zakresie ich skoku. (Źródło wideo: Schunk)

Sterowanie powietrzem w chwytaku pneumatycznym jest często uzależnione od zaprogramowanych cykli chwytania i puszczania lub (w bardziej zaawansowanych zastosowaniach) od informacji zwrotnych z czujników wykrywających trzymane obiekty.

Typy chwytaków pneumatycznych

Ilustracja 3: dwupalcowe chwytaki równoległe serii PGN-plus firmy Schunk zapewniają duży skok szczęk i wyposażone są w uszczelki, odporne na zabrudzenia okrągłe prowadnice liniowe oraz wytrzymałe obudowy ze stopu aluminium, które sprawdzą się w zanieczyszczonych środowiskach przemysłowych. (Źródło ilustracji: Schunk)

Szczękowe i palcowe chwytaki pneumatyczne są klasyfikowane według następujących kategorii:

• Układ kinematyczny, liczba palców, działanie i typ montażu
• Rozmiar fizyczny i maksymalna siła chwytania
• Konstrukcja szczęk i obudowy - w tym poziom ochrony przed wnikaniem
• Łączność z powszechnie stosowanymi przemysłowymi sieciami sterowania

Obecnie najczęściej stosowanymi chwytakami są pneumatyczne chwytaki dwupalcowe wprowadzone na rynek w latach 70. - stanowią ponad połowę wszystkich chwytaków pneumatycznych. Palce w tych konstrukcjach przesuwają się lub poruszają w punktach obrotu, zamykając się jak brama lub szczypce homara wokół obiektów docelowych. Mogą one wykorzystywać zarówno równoległe działanie szczęki, jak i kątowe działanie palców.

Chwytaki pneumatyczne ze szczękami zamykającymi się równolegle: w chwytakach równoległych dwa palce przesuwają się do wewnątrz i na zewnątrz - ruchem prostoliniowym - na tej samej osi wzdłuż torów w górnej części korpusu chwytaka. Zazwyczaj detale lub inne obiekty są chwytane poprzez ruch przesuwny do wewnątrz. Jednakże istnieje wiele chwytaków, w których dwa palce przesuwają się na zewnątrz w celu przytrzymania detali otwartych lub posiadających pustą przestrzeń w środku (takich jak pierścienie okrągłe lub cylindry). Korzyści wynikające z tak prostej konstrukcji chwytaków jest wiele. Różne podzespoły takich chwytaków są proste w produkcji, co czyni te chwytaki bardzo ekonomicznymi. Ponadto w całym zakresie skoku palca występuje taka sama siła chwytania, co upraszcza pracę z detalami delikatnymi i wrażliwymi na nacisk. Wreszcie, równoległe chwytaki można zaprojektować tak, aby zamykały i otwierały się dość szeroko - nawet na kilkadziesiąt centymetrów.

Chwytaki pneumatyczne z palcami poruszanymi kątowo: w tych chwytakach sterowane końce palców są przymocowane do stałego punktu obrotu. Po zadziałaniu siły pneumatycznej tłok i mechaniczny element klinowy powodują obrót palców do pozycji zamkniętej (lub w innych wersjach otwartej), jak w drzwiach francuskich. W położeniu otwartym szczęki poruszają się na zewnątrz poza korpus chwytaka lub wysuwają się prosto na zewnątrz. W położeniu zamkniętym (zwykle chwytanie) końcówki palców chwytaka przechylają się do wewnątrz, zamykając się i tworząc kształt stożka. W przeciwieństwie do typów z równoległymi palcami, jednym z ograniczeń konstrukcyjnych dotyczących stosowania tych chwytaków jest ograniczony skok palców kątowych i zmienna siła chwytania w zależności od miejsca w zakresie skoku. Oznacza to, że chwytaki kątowe przy bezpośrednim działaniu tłoka mogą mieć wyjątkowo dużą siłę chwytania - do 2300N i więcej.

Więcej palców: chwytaki trój- i czteropalcowe

Tam, gdzie do obsługi obrabianych przedmiotów nie sprawdzą się chwytaki pneumatyczne z dwoma palcami, lepszy chwyt i stabilność zapewnią chwytaki z trzema i czterema palcami (a w specjalistycznych zastosowaniach w robotyce humanoidalnej nawet chwytaki z pięcioma palcami). Dla jasności trzeba jednak przyznać, że wszystkie takie chwytaki są znacznie mniej powszechne niż chwytaki dwupalcowe. W zastosowaniach przemysłowych popularne są jedynie chwytaki trójpalcowe. Mimo że zastosowanie chwytaków trójpalcowych, które charakteryzują się szerszym zakresem stosowania, wiąże się ze zwiększonymi kosztami, to chwytaki takie mogą chwytać detale i inne przedmioty o bardziej skomplikowanej geometrii. Tak zwane samocentrujące chwytaki pneumatyczne z trzema palcami posiadają trzy równomiernie rozmieszczone (co 120° na uchwycie maszynowym) palce, które wymagają wymiany, jeśli chcemy zmienić tryb pracy. Zamykają się one do środka, chwytając detal w punkcie środkowym. Natomiast tak zwane adaptacyjne chwytaki pneumatyczne z trzema palcami mają dwa palce obok siebie, a trzeci naprzeciw nich, niczym kciuk. Są one najczęściej spotykanymi chwytakami w robotyce mobilnej i potrafią chwytać obiekty na kilka sposobów, zależnie od kształtu detalu.

Chwytanie wewnętrzne i działanie dwustronne

Chociaż większość chwytaków pneumatycznych służy do chwytania lub obejmowania przedmiotów wokół ich zewnętrznych części (kontakt z zewnętrznymi powierzchniami obiektów), w wielu zastosowaniach montażowych istotne są również operacje chwytania od wewnątrz. W takich sytuacjach palce chwytaka otwierają się, aby chwytać od wewnątrz obiekty z pustymi przestrzeniami w środku. W niektórych przypadkach chwytaki mogą służyć zarówno do chwytania od zewnątrz, jak i od wewnątrz, jednak muszą być odpowiednio zaprojektowane, aby obsługiwać obie funkcje.

Szczękowe i palcowe chwytaki pneumatyczne mogą mieć formę uchwytów o działaniu jedno- i dwustronnym. W chwytakach o działaniu jednostronnym ruch i siłę chwytania generuje sprężone powietrze. Po wyłączeniu zasilania palce powracają do położenia wyjściowego i pozostają w nim dzięki działaniu prostej sprężyny dociskowej. Inaczej jest z chwytakami dwustronnego działania, które wymagają sprężonego powietrza zarówno do aktywacji ruchu chwytania, jak i puszczania. W praktyce chwytaki dwustronnego działania mogą być w stanie chwytać obiekty zarówno od wewnątrz, jak i od zewnątrz, zgodnie z wcześniejszym opisem.

Typowe zastosowania chwytaka pneumatycznego

Ilustracja 4: chwytak PGN-plus firmy Schunk posiada owalny napęd tłokowy. (Źródło ilustracji: Schunk)

Chwytaki pneumatyczne są szeroko stosowane w instalacjach przemysłowych - zwłaszcza w zautomatyzowanych celkach roboczych, na liniach montażowych i produkcyjnych, w maszynach nadzorowanych - związanych z zaawansowaną produkcją, strefami niebezpiecznymi w zakładach, logistyce, a także w zautomatyzowanych operacjach magazynowych. Chwytaki pneumatyczne wykorzystywane są również w niewielkiej, ale rosnącej gamie zastosowań w robotyce komercyjnej, rekreacyjnej i konsumenckiej (w tym w mobilnej bionice).

Przeanalizujmy chwytaki pneumatyczne do manipulowania materiałami w urządzeniach do przetwórstwa żywności i napojów oraz do pakowania. Tutaj czysta pneumatyka jest atutem - pneumatycznie uruchamiane chwytaki palców stanowią uzupełnienie innych przeponowych i przyssawkowych chwytaków, zapewniając obsługę dowolnych elementów, od pudeł i butelek wina po jaja i torebki cukierków. Natomiast chwytaki w obrabiarkach są zazwyczaj przeznaczone do tylko jednego rodzaju detalu, a w niektórych przypadkach nawet mają za zadanie przytrzymywanie tych detali podczas ich obróbki lub innych procesów. W przypadku gdy chwytaki pneumatyczne są stosowane przy montażu lub sortowaniu i selekcji, są one często doposażone w czujniki, a nawet systemy widzenia maszynowego, które kierują ich działaniem. A jeśli tak nie jest, wystarczające informacje zwrotne zapewnią czujniki hallotronowe i zbliżeniowe w chwytaku.

Zalety i ograniczenia chwytaków pneumatycznych

Jedną z kluczowych zalet chwytaków pneumatycznych w porównaniu z innymi typami chwytaków jest dostępność wielu rozmiarów i rożnych sił chwytu, od kilku niutonów do kilku kiloniutonów. Mogą być one modyfikowane do różnych zastosowań - nawet tych wymagających tysięcy cykli roboczych na godzinę. Przemysłowe chwytaki pneumatyczne zapewniają również bezkonkurencyjną dokładność wykonywania precyzyjnych zadań automatyki. Ponadto chwytaki pneumatyczne:

• Są ekonomiczne i wydajne w eksploatacji
• Są lekkie i kompaktowe - zwłaszcza w porównaniu z niektórymi rozwiązaniami silnikowymi i układami hydraulicznymi

W przeciwieństwie do odpowiedników hydraulicznych i elektrycznych, chwytaki pneumatyczne są w dużej mierze niewrażliwe na wpływ otoczenia roboczego. Na przykład chwytaki elektryczne z wrażliwą elektroniką, mogą ulec awarii w wilgotnych środowiskach.

Oczywiście chwytaki pneumatyczne mają pewne wady i ograniczenia. Są one przede wszystkim związane z kosztami operacyjnymi i skomplikowaną konstrukcją pneumatyczną oraz ogólnie układami sprężonego powietrza. Wstępna konfiguracja takich układów może być kosztowna i skomplikowana. Jednak w przypadku zakładów przemysłowych, gdzie wykorzystuje się już inne urządzenia na sprężone powietrze, mamy do czynienia z korzyścią skali.

Kryteria doboru chwytaka pneumatycznego

Określanie rozmiaru i dobór chwytaków pneumatycznych do danego zastosowania do transportu i obsługi materiałów należy rozpocząć od jasnego zdefiniowania kluczowych parametrów konstrukcyjnych.

Rozmiar i siła chwytania: chwytaki pneumatyczne powinny otwierać się na tyle, aby objąć obsługiwane obiekty. Wymagana siła palców chwytaka pneumatycznego zależy od wagi obsługiwanych obiektów, a także od współczynnika tarcia między palcami a obiektami oraz siły przeciwdziałającej sile palców przeciwstawnych. Zaawansowane technologicznie materiały i powłoki chwytaka mogą zwiększyć współczynnik tarcia między palcami a obiektami. Oczywiście szczęki chwytaków pneumatycznych do stosowania w przemyśle spożywczym lub farmaceutycznym muszą być wykonane z materiałów zatwierdzonych przez FDA lub nimi pokryte.

Istnieje duża zmienność w zakresie stosunku rozmiaru do wagi obsługiwanych części - lekkie, ale duże objętościowo przedmioty często stanowią największe wyzwanie z punktu widzenia zaprojektowania chwytaka.

Geometria części: obsługiwane obiekty o złożonych kształtach często wymagają chwytaków pneumatycznych z trzema zamiast dwoma palcami. Jest to szczególnie ważne, gdy seria detali może mieć nieco różniące się kształty. Natomiast w przypadku, gdy detale są jednakowe, chwytaki dwupalcowe mogą posiadać niestandardowe powierzchnie i kształty, aby wpasować się w określone punkty chwytania na tych obiektach. Często wybór chwytaków dwupalcowych może uzasadniać oszczędność kosztów wynikająca z ich zastosowania, o ile rozwiązanie to spełnia wymagania danego procesu.

Środowisko pracy: łożyska chwytaka pneumatycznego, wewnętrzne elementy mechaniczne i obudowy pozwalają na zastosowanie go zarówno w czystym, jak i zanieczyszczonym środowisku pracy. Szczególnie ważna jest temperatura znamionowa chwytaka pneumatycznego (która określa zakres, w którym chwytak będzie działał w optymalny sposób), a także klasa ochrony IP określająca poziom ochrony danego chwytaka przed wnikaniem cząstek stałych i wilgoci.

Podsumowanie

Chwytaki pneumatyczne są robotycznymi efektorami końcowymi, niezbędnymi do manipulowania materiałami na liniach produkcyjnych. Chwytaki te przytrzymują, ustawiają i układają detale i inne przedmioty w celu obróbki, montażu z innymi częściami lub odrzucenia - np. z przenośnika na stacji kontroli jakości. Pomimo wad systemów sprężonego powietrza niezbędnych do pracy chwytaka pneumatycznego, są one często najczystszym, najszybszym i najbardziej odpowiednim wyborem do obsługi części.