Systemy chwytaków do przenoszenia materiałów w inżynierii mechanicznej

Zwłaszcza w dużych zakładach produkcyjnych i łańcuchach produkcyjnych konieczne jest zajęcie się technikami przenoszenia materiałów i przedmiotów obrabianych. Ze względu na samą wagę, ręczne przenoszenie materiałów jest często prawie niemożliwe. Tutaj zaczyna się praca z materiałami: Systemy chwytaków lub taśmy przenośnikowe, na przykład, ułatwiają ruch i kontrolę materiałów oraz zwiększają wydajność. Poniżej przyjrzymy się bliżej różnym systemom chwytaków i sposobom ich wykorzystania.

Czym dokładnie jest transport materiałów?

Transport materiałów, a także technologia obsługi, sprawia, że procesy produkcyjne są łatwiejsze, bezpieczniejsze i bardziej wydajne. Podstawowym zadaniem jest przemieszczanie, przechowywanie, kontrola i zarządzanie materiałami. Systemy transportu materiałów mogą zaoszczędzić miejsce do przechowywania lub służyć jako magazynowanie. Dlatego tym ważniejsze jest, aby systemy transportu materiałów wytrzymywały wysokie wymagania:

• muszą być odporne, mobilne i elastyczne.
• Nie powinny one ponosić wysokich kosztów.

Rodzaje systemów transportu materiałów

Systemy transportu materiałów mogą być na przykład: przenośniki taśmowe, wózki widłowe, systemy robotów, dźwigi lub systemy chwytaków na zautomatyzowanych liniach produkcyjnych. Mogą być jednak również wykorzystywane w pracy ręcznej, np. do wspierania operatorów w codziennych zadaniach, takich jak przenoszenie bębnów czy pudełek. W szczególności chwytanie jest jednym z głównych zadań w wielu zakładach produkcyjnych. Dzięki zastosowaniu systemów transportu materiałów, wcześniej stosowane procesy ręczne mogą zostać przyspieszone, a absencja w pracy związana z chorobą może zostać zmniejszona. W tym przypadku systemy chwytaków lub chwytaki przyczyniają się w szczególności do ergonomicznej pracy.

Systemy chwytaków

Systemy chwytaków obsługują precyzyjne przenoszenie i kontrolę materiałów i obrabianych przedmiotów. Dostępne są systemy chwytaków do obsługi ręcznego chwytania, takie jak chwytaki cylindryczne, chwytaki rolkowe lub chwytaki do pudełek. Ale systemy chwytaków są również stosowane na liniach produkcyjnych w produkcji. Chwytaki są często używane razem z robotami: Służą one jako łącznik między robotem przemysłowym a obrabianym przedmiotem.

Chwytaki próżniowe

W chwytaku próżniowym za pomocą pompy wytwarza się podciśnienie między chwytakiem a obrabianym przedmiotem. Chwytak próżniowy jest umieszczany na obrabianym przedmiocie, a podciśnienie na nim powoduje zasysanie przedmiotu obrabianego do chwytaka podciśnieniowego.

• 1 = obrabiany przedmiot
• 2 = podciśnienie
• 3 = chwytak próżniowy

Siła trzymania zależy od różnicy ciśnień między środowiskiem a ciśnieniem w samym chwytaku próżniowym. Im większa różnica, tym większa siła trzymania i większe obciążenia mogą być podnoszone. Przedmioty, które mają być transportowane, mogą obejmować zarówno twarde, jak i łatwo plastyczne części z powierzchniami umożliwiającymi zasysanie. Siła ssąca zmniejsza się, jeśli zasysana powierzchnia jest porowata lub przepuszcza powietrze. Wymaga to powiększenia efektywnego pola przekroju linii lub zastosowania kilku mniejszych przyssawek. Miękkie przedmioty, takie jak papier, cienkie materiały, folie z tworzywa sztucznego mogą być zgniatane przez siłę ssania.

Oprócz tego typu chwytaka próżniowego dostępny jest również chwytak Bernoulli. Wykorzystuje nieco inną zasadę: zasadę Bernoulliego. Przepływ powietrza jest przepuszczany przez wąską dyszę z dużą prędkością. Tutaj również powstaje podciśnienie, które generuje efekt ssania i przyciąga przedmiot. Ponadto istnieje niewielka pływalność, która podnosi obiekt minimalnie z powierzchni. W ten sposób kontakt między chwytakiem a obrabianym przedmiotem jest zredukowany do minimum.

Systemy chwytaków próżniowych mogą być stosowane na różne sposoby: Nadają się do delikatnych i delikatnych ładunków, takich jak torby i szklanki, a także do ciężkich ładunków. Ze względu na minimalny kontakt między chwytakiem a obrabianym przedmiotem chwytak Bernoulli jest ogólnie odpowiedni do szczególnie delikatnych materiałów, takich jak papier i folie z tworzywa sztucznego, ale mniej do dużych obciążeń.

Chwytak pneumatyczny

Chwytaki pneumatyczne to systemy chwytaków sterowane sprężonym powietrzem, które utrzymują i przemieszczają elementy, przedmioty i obciążenia. W zależności od kształtu, ciężaru i niezbędnego ruchu transportowanego przedmiotu, można zastosować chwytaki szczękowe, chwytaki obrotowe lub chwytaki zaciskowe o różnych kształtach.

Chwytaki pneumatyczne są szeroko stosowane w wielu sektorach i branżach ze względu na ich niezawodność, wydajność i prostą konstrukcję. Z reguły chwytaki są zaprojektowane jako chwytaki dwupalcowe lub trzypalcowe. Oprócz chwytaków jednostronnych z otwieraczem (wewnętrzny uchwyt) lub bliższym uchwytem (zewnętrzny uchwyt), chwytaki dwustronnego działania są również powszechne.

Na poniższym rysunku przedstawiono schematyczną strukturę aktywnego chwytaka równoległego dwustronnego działania:

• A = połączenie pneumatyczne
• B = połączenie pneumatyczne
• 1 = otwory rowkowane
• 2 = ruch boczny płyty montażowej palców (dostępne w obu kierunkach)
• 3 = zamykanie i otwieranie palców

W przypadku chwytaka o dwustronnym działaniu są dwa połączenia pneumatyczne, z których każde odpowiada za otwieranie i zamykanie chwytaka. Jeśli połączenie pneumatyczne A jest pod ciśnieniem, tłok jest dociskany w dół, a chwytak zamyka się. Jeśli połączenie pneumatyczne B jest pod ciśnieniem, tłok jest popychany do góry, a chwytak otwiera się. Przyrząd montażowy do montażu na palec można przesuwać bocznie na korpusie chwytaka (2) przez otwory szczelinowe (1). Łożysko połączone z tłokiem pracuje w środkowym, ukośnym otworze. Ruch płytki montażowej palca jest inicjowany przez prowadzenie jej w tym szczelinowym otworze. Jeśli tłok porusza się w kierunku pionowym, podczas gdy ruch poziomy płyty montażowej palca jest zmuszony do otwarcia lub zamknięcia (3).

Podczas gdy chwytaki szczękowe są najczęściej używane do szczególnie szerokich lub dużych obiektów, chwytaki zaciskowe są zwykle używane do niektórych kształtów (np. rur), a chwytaki palców są używane do mniejszych obiektów, które muszą być chwytane. Ze względu na różne typy chwytaków pneumatycznych nadają się do różnych zastosowań, np. w przemyśle elektronicznym i automatyzacji procesów. Chwytaki pneumatyczne działają bardzo wydajnie i niezawodnie. Charakteryzują się niskimi kosztami eksploatacji i mogą być stosowane w ciasnych przestrzeniach. Są również łatwe w konfiguracji i obsłudze.

Chwytak hydrauliczny

Płyn hydrauliczny, zwykle olej hydrauliczny, jest używany do chwytaków hydraulicznych. Płyn hydrauliczny jest pod ciśnieniem za pośrednictwem pompy hydraulicznej, a tym samym transportowany do cylindra roboczego, gdzie przenosi siłę. Działają one zgodnie z systemem podobnym do chwytaków pneumatycznych.

Chwytaki hydrauliczne pozwalają na bardzo duże siły chwytania, dlatego mogą być stosowane do dużych obciążeń. Są również bardzo odporne i nadają się do trudnych warunków otoczenia. Jednak ze względu na ryzyko wycieku nie można ich używać do transportu materiałów, które nie mogą być zanieczyszczone. Ich wysoka siła chwytania wyklucza również ich zastosowanie do delikatnych materiałów. Konstrukcja chwytaków hydraulicznych jest na ogół bardziej złożona (np. ze względu na pompy olejowe itp.), a zatem wymaga nieco więcej konserwacji i jest bardziej kosztowna niż inne chwytaki.

Chwytak elektryczny

Chwytaki elektryczne mają system sterowania z mikroprocesorami, np. system sterowania PLC. Pozwala to precyzyjnie dobrać prędkość zamykania i siłę chwytania. Często wskazuje się również, czy obrabiany przedmiot został pomyślnie podniesiony, czy nie. Ruch obrotowy jest generowany przez silnik elektryczny lub siłowniki elektryczne. Ten ruch obrotowy silnika jest następnie przenoszony do skrzyni biegów, gdzie przesuwa szczęki chwytające jako ruch liniowy. Szczęki chwytające mogą być na przykład konstruowane równolegle lub pod kątem. Elektroniczny system sterowania monitoruje i kontroluje procesy. Często instalowane są dodatkowe czujniki, które mierzą siłę, odległość i inne parametry. Chwytaki elektryczne doskonale nadają się do dużych prędkości i wieloetapowych działań, ponieważ można je precyzyjnie kontrolować. W przeciwieństwie do chwytaków próżniowych lub hydraulicznych, nie są wymagane żadne dodatkowe przewody dla płynu lub powietrza. Jednak, ponieważ ich powierzchnia chwytania jest często dość twarda. Dlatego nie nadają się do delikatnych przedmiotów. Ponadto siła chwytania jest raczej niska, dzięki czemu ciężkie przedmioty można zwykle podnosić tylko za pomocą wariantu chwytaka podrzędnego.

Płytki chwytające

Na szczękach chwytaka można stosować płytki chwytające w celu optymalizacji powierzchni styku między chwytakiem a obrabianym przedmiotem. Wstawki chwytające poprawiają przyczepność lub dostosowują się do specjalnych kształtów. Uchwyt jest specjalną formą płytki chwytającej, która zwykle składa się ze stali, a zatem zapewnia wysoką precyzję i wytrzymałość, ale jest również dość nieelastyczna. Inne materiały do płytek chwytakowych obejmują:

• Guma/elastomery, takie jak: silikon, guma, poliuretan. Dobrze przylegają, są elastyczne i chronią powierzchnię, ale są tylko częściowo trwałe w trudnych warunkach
• Tworzywo sztuczne, np. poliamid, polietylen. Są lekkie, niedrogie i delikatne na powierzchni, ale mogą zawieść przy dużych obciążeniach i temperaturach.
• Materiały specjalne, takie jak drewno, ceramika, są przeznaczone do specjalnych zastosowań. Ceramika jest na przykład wysoce odporna na ciepło, podczas gdy drewno jest odporne na ścieranie. Jednak ze względu na ich specjalizację są one zwykle droższe niż inne wkładki chwytakowe.

System narzędziowy Euro Gripper

System narzędziowy Euro Gripper został opracowany przez Automotive Working Group. Jest to znormalizowany system do mocowania i wymiany chwytaków. Jest szeroko stosowany w Europie i jest stosowany nie tylko w przemyśle motoryzacyjnym, ale także w innych branżach i produkcji. System EGT jest oparty na ośmiokątnej części aluminiowej z wierceniem otworów siatki w celu szybkiej wymiany komponentów.

Standaryzowane interfejsy, mechanizmy szybkiej wymiany i modułowość pozwalają na szybką wymianę uszkodzonych komponentów, co znacznie skraca czas przestojów. System EGT jest kompatybilny z wieloma markami i modelami. MISUMI posiada szeroką gamę komponentów systemowych EGT.

Przykładowy projekt systemu chwytaka, w tym Komponenty

W zależności od typu chwytaka systemy chwytaków składają się z następujących elementów:

• Jednostka napędowa: Kontroluje ruch szczęk chwytaka lub powierzchni chwytaka. Może to być silnik elektryczny (do chwytaków elektrycznych) lub cylinder (chwytaki hydrauliczne, chwytaki pneumatyczne)
• Układ sterowania: W chwytakach elektrycznych system sterowania przejmuje ruch chwytaka i inne zadania.
• Źródło zasilania: W zależności od chwytaka może to być: źródło energii elektrycznej, sprężone powietrze lub pompa hydrauliczna.
• Czujniki: są instalowane w chwytakach elektrycznych. Monitorują ciśnienie, siłę i inne istotne parametry.
• Adapter montażowy: służy do mocowania chwytaków do ramienia robota lub podobnych. Można je standaryzować zgodnie z systemem EGT.

Jednym z najważniejszych komponentów jest sam chwytak robota. Ma bezpośredni kontakt z chwytanym obiektem. Tutaj również są różne typy, wykorzystywane w zależności od zastosowania. Na przykład w chwytakach równoległych szczęki chwytające są przymocowane równolegle, tak że siła jest równomiernie rozłożona na szczękach chwytających. To sprawia, że szczególnie łatwo jest podnieść standardowe kształty. W chwytakach kątowych chwytaki są podobne do szczypiec. W ten sposób dostosowują się do różnych kształtów. Ponadto można zainstalować więcej niż jeden mechanizm chwytający, np. w wielu chwytakach. Może chwytać wiele przedmiotów jednocześnie. Ponadto są wielofunkcyjne chwytaki, które łączą kilka metod chwytania i funkcji.

Firma MISUMI oferuje niektóre komponenty wspierające budowę systemu chwytaków: np.płyty montażowe lub kołki ustalające

Obliczanie siły chwytania i ciężaru

Siła chwytająca może być użyta do określenia teoretycznie możliwej wagi, którą można przenosić. Poniższe zasady dotyczą na przykład chwytaków równoległych: siła chwytająca jest sumą poszczególnych sił działających na każdy palec. Do obliczenia maksymalnej wagi chwytanego przedmiotu służy następujący wzór:

• m = waga obrabianego przedmiotu w kg
• F_G = suma arytmetyczna sił chwytających
• μ = współczynnik tarcia, zależny od materiału
• g = grawitacja (9,81 m/s²)
• a = przyspieszenie (m/s²)
• S = współczynnik bezpieczeństwa*

* W przypadku dużego przyspieszenia, opóźnienia lub obciążenia udarowego należy wziąć pod uwagę wyższy współczynnik bezpieczeństwa.