Základy pneumatických chapadel pro průmyslové aplikace

Pneumatická chapadla jsou elektromechanická zařízení používaná v průmyslových aplikacích pro uchopování a zvedání, držení, otáčení a umísťování předmětů na určená místa. Tato chapadla se obvykle instalují na nejvzdálenější místa buď strojů na zpracování obrobků, nebo šestiosých, kartézských nebo kloubových robotických ramen se selektivním přizpůsobením („selective compliance articulated robot arm“, SCARA), jako jsou koncové efektory k provádění různých úkolů manipulace s materiálem. Pohyby pneumatických chapadel (především uchopení a uvolnění) jsou doplněny pokrokem v oblasti ovládacích prvků, senzorů a zpětnovazební konektivity za posledních několik desetiletí a jsou obvykle koordinovány s pohyby osy stroje nebo robotického ramene, na které jsou namontovány.

Ovládání pneumatického chapadla

Obrázek 1: Dvouprsté pneumatické chapadlo na konci robotického ramene. Prsty čelistí jsou ve fyzickém kontaktu s předmětem, který má být uchopen, a umožňují chapadlu držet a uvolňovat předměty. (Zdroj obrázku: Kazakov • web Getty Images)

Obrázek 2: Paralelní, tříprstá a úhlová chapadla jsou třemi nejběžnějšími typy chapadel v průmyslových aplikacích. Zde zobrazené tříprsté pneumatické chapadlo má prsty posunuté o 120° pro jemné natažení O-kroužků a jejich namontování na přijímající hřídele. (Zdroj obrázku: společnost Schunk)

Pneumatická chapadla jsou zdaleka nejběžnějším typem chapadel pro průmyslové aplikace zahrnující robotické operace Pick and Place, obráběcí stroje, zpracování obrobků a montážní úkony. Ačkoli mají některá pneumatická chapadla podobu vakových a přísavných koncových efektorů, pneumatická chapadla s prsty nebo čelistmi jsou nejrozšířenější a obecně se myslí právě ta, pokud není uveden žádný jiný kontext.

Čelisťová pneumatická chapadla se ve svém fungování spoléhají na stlačený vzduch. Na základě určitého příkazového signálu umožňují ventily průchod vzduchu vnitřními kanály a aktivují mechanické spoje, které zase otevírají a svírají prsty chapadla. Tuto primární sadu dílčích součástí podporují pneumatické hadice, dílčí řídicí součásti a kabeláž, montážní příruby pro připevnění ke strojům a robotům, mechanismy zabezpečené proti selhání a kryt, který tyto součásti uzavírá.

Přestože je poloha uvolnění (držená mechanickou tlačnou pružinou) obvykle výchozí, na trhu jsou k dispozici také provedení chapadel, u kterých je výchozí polohou uchopení. Tam, kde je výchozí poloha sevřená (uchopení), zajišťuje uchopovací sílu pružina a vpuštění stlačeného vzduchu do chapadla slouží k rozevření čelistí. Některá chapadla se k síle pro uchopení a uvolnění ve skutečnosti spoléhají na stlačený vzduch.

Video 1: V jedné běžné variantě se pneumatické chapadlo připojuje pomocí speciální hadice k systému stlačeného vzduchu. Síla stlačeného vzduchu přemístí píst, který zase (prostřednictvím nějakého ozubeného kola, kolenového nebo posuvného spojení) způsobí, že se vnější čelisti aktivují v rozsahu svého zdvihu. (Zdroj videa: společnost Schunk)

Řízení vzduchu do pneumatického chapadla je často závislé na předem naprogramovaných cyklech uchopení-uvolnění nebo (v sofistikovanějších aplikacích) zpětné vazbě ze senzorů, které detekují držené předměty.

Typy pneumatických chapadel

Obrázek 3: Dvouprstá paralelní chapadla řady Schunk PGN-plus poskytují dlouhé zdvihy čelistí a jsou vybavena těsněními, kulatým lineárním vedením odolným proti nečistotám a pouzdry z vysoce pevné hliníkové slitiny, aby odolávala i průmyslovému prostředí plnému nečistot. (Zdroj obrázku: společnost Schunk)

Čelisťová a prstová pneumatická chapadla se klasifikují podle následujících vlastností:

• Kinematické uspořádání, počet prstů, pohyb a typ upevnění
• Fyzická velikost a maximální uchopovací síla
• Konstrukce čelistí a krytu – včetně úrovně ochrany proti vniknutí
• Konektivita do běžných průmyslových řídicích sítí

Dnes nejrozšířenější jsou pneumatická dvouprstá chapadla, která byla poprvé komerčně dostupná v 70. letech 20. století – představují více než polovinu všech aplikací pneumatických chapadel. Prsty v těchto provedeních klouzají nebo se houpou v otočných bodech a uzavírají se jako brána nebo klepeta humrů kolem cílových předmětů. Mohou využívat buď paralelní pohyb čelistí, nebo úhlový pohyb prstů.

Pneumatická chapadla s paralelním pohybem čelistí: V paralelních chapadlech se dva prsty posouvají dovnitř a ven – v přímém pohybu – na stejné ose podél drah v horní části těla chapadla. Typicky se obrobky nebo jiné předměty uchopí při pohybu směrem dovnitř. Existuje však mnoho aplikací, ve kterých se oba prsty vysouvají směrem ven, aby zajistily duté nebo otevřené obrobky (jako jsou například O-kroužky nebo válce) z jejich vnitřních průměrů. Výhody těchto dokonale jednoduchých chapadel jsou bohaté. Různé dílčí součásti pro taková chapadla jsou jednodušší na výrobu než jiné, což činí tato chapadla nákladově velmi efektivní. Kromě toho je po celém zdvihu prstu jedna stálá uchopovací síla, což zjednodušuje práci spojenou s aplikacemi zahrnujícími jemné nebo jinak na tlak citlivé obrobky. A konečně, paralelní chapadla mohou být navržena tak, aby se zavírala a otevírala poměrně široce, dokonce na několik desítek centimetrů nebo více.

Pneumatická chapadla s úhlovým pohybem prstů: U těchto chapadel jsou ovládané konce prstů připevněny k pevnému otočnému bodu. Při použití pneumatické síly způsobí působení pístu a mechanického klínového prvku, že se prsty sevřou (nebo v jiných variantách otevřou) jako francouzské dveře. V otevřené poloze se čelisti ohýbají směrem ven za tělo chapadla nebo vyčnívají přímo ven. V sevřené (typicky uchopovací) poloze se konce prstů chapadla nakloní dovnitř, aby se uzavřely do zkoseného tvaru uchopení. Jednou z konstrukčních výhrad při používání těchto chapadel je, že na rozdíl od typů s paralelními prsty mají úhlové prsty omezené zdvihy a generují uchopovací sílu, která je v průběhu zdvihu ovládání proměnná. To znamená, že úhlová prstová chapadla mohou mít při přímém působení pístu výjimečně vysokou uchopovací sílu – až 2 300 N nebo vyšší.

Vyšší počet prstů: chapadla se třemi a čtyřmi prsty

Tam, kde jsou dvouprstá pneumatická chapadla pro manipulaci s obrobky nevhodná, mohou lepší podporu uchopení a stabilitu poskytnout tříprstá a čtyřprstá chapadla (a ve speciálních robotických aplikacích humanoidního typu dokonce pětiprstá chapadla). Aby však bylo jasno: Všechna taková chapadla jsou mnohem méně běžná než chapadla se dvěma prsty a v průmyslových aplikacích jsou běžná pouze chapadla se třemi prsty. Jejich vyšší úroveň použitelnosti něco stojí, ale tříprstá chapadla mohou uchopit obrobky a další předměty se složitější nebo náročnější geometrií. Takzvaná samostředicí tříprstá pneumatická chapadla zahrnují trojici prstů, které jsou rovnoměrně rozmístěny (120° od sebe na sklíčidle stroje), což ke změně operace vyžaduje výměnu prstů. Ty se uzavírají dovnitř, aby uchopily obrobky ve středu. Naproti tomu takzvaná adaptivní tříprstá pneumatická chapadla spojují dva prsty k sobě a třetí přikládají proti nim jako palec. Taková chapadla jsou nejběžnější u mobilních robotů a mohou uchopovat předměty několika způsoby, aby se přizpůsobila variacím dané geometrie obrobku.

Vnitřní uchopení a dvojčinnost

Ačkoli se většina pneumatických chapadel používá k uchopení nebo uchycení dílů kolem jejich vnějšku (dotýkají se vnějších povrchů předmětů), pro mnoho montážních aplikací jsou nezbytné operace vnitřního uchopení. Zde se prsty chapadla otevírají k uchopení předmětů, které mají uvnitř dutou geometrii. V některých případech mohou být chapadla pověřena jak vnějšími, tak vnitřními uchopovacími operacemi, musí být tedy navržena tak, aby nabízela obě možnosti.

Čelisťová a prstová pneumatická chapadla mohou mít také formu jednočinných a dvojčinných uchopovacích typů. U jednočinných chapadel vytváří síla stlačeného vzduchu uchopovací pohyb a sílu. Po vypnutí napájení se prsty vrátí do původní polohy a zůstanou ve své původní poloze díky působení jednoduché tlačné pružiny. Naproti tomu dvojčinná chapadla vyžadují ovládání stlačeným vzduchem jak pro uchopovací, tak pro uvolňovací pohyb. Dvojčinná chapadla mohou být ve skutečnosti schopna jak vnitřního, tak vnějšího uchopení, jak je popsáno výše.

Běžné aplikace pneumatických chapadel

Obrázek 4: Chapadlo Schunk PGN-plus má pohon s oválným pístem. (Zdroj obrázku: společnost Schunk)

Pneumatická chapadla jsou v průmyslovém prostředí široce rozšířena – zejména v automatizovaných pracovních buňkách, montážních a výrobních linkách, obsluze strojů spojené s pokročilou výrobou, nebezpečných oblastech závodů a logistice stejně jako v automatizovaných skladových operacích. Pneumatická chapadla také využívá malá, ale rostoucí řada komerčních, rekreačních a spotřebitelských robotických aplikací (včetně bioniky mobility).

Vezměme v úvahu třeba pneumatická chapadla pro manipulaci s materiálem v zařízeních na zpracování a balení potravin a nápojů. Zde je čistý provoz pneumatických zařízení výhodou a pneumaticky ovládaná prstová chapadla doplňují použití jiných vzduchem poháněných typů vaků a přísavek pro manipulaci se vším od krabic a lahví vína po vejce a sáčky s bonbóny. Naproti tomu chapadla v aplikacích obráběcích strojů jsou obvykle navržena pouze pro jeden typ obrobku a v některých případech mají dokonce za úkol tyto obrobky během obrábění nebo jiných procesů přidržovat. Tam, kde jsou pneumatická chapadla zapojena do montáže nebo třídění a výběru, jsou často podporována senzory nebo dokonce systémy strojového vidění, které řídí jejich činnost. Dostatečnou zpětnou vazbu mohou jinak poskytovat senzory s Hallovým efektem a snímače přiblížení v chapadle.

Výhody a omezení pneumatických chapadel

Jednou z klíčových výhod pneumatických chapadel oproti jiným typům chapadel je, že jsou k dispozici v mnoha velikostech a uchopovacích silách v rozsahu od několika Newtonů do několika tisíc Newtonů a že je lze přizpůsobit pro různé aplikace – dokonce i takové, které vyžadují tisíce opakování za hodinu. Průmyslová pneumatická chapadla také nabízejí bezkonkurenční opakovatelnost pro úkoly přesné automatizace. Navíc pro pneumatická chapadla platí:

• Jejich provoz je efektivní z hlediska nákladů a energie.
• Jsou lehká a kompaktní – zejména ve srovnání s určitými možnostmi založenými na motoru a hydraulice.

Na rozdíl od jejich hydraulických a elektrických protějšků nejsou pneumatická chapadla z velké části ovlivněna svým pracovním prostředím. Jsou tak opakem elektricky ovládaným chapadlům s citlivou elektronikou, která mohou ve vlhkém prostředí selhat.

Samozřejmě, že i pneumatická chapadla mají určité nevýhody a omezení. Ty se týkají především provozních nákladů a složitosti pneumatických konstrukcí a systémů stlačeného vzduchu obecně. Počáteční nastavení takových systémů může být nákladné a komplikované. To znamená, že dochází k úspoře v rozsahu tam, kde průmyslový provoz již systémy stlačeného vzduchu využívá jinde.

Kritéria výběru pneumatického chapadla

Dimenzování a specifikace pneumatických chapadel pro danou aplikaci manipulace s materiálem by měly začít jasnou definicí klíčových konstrukčních parametrů.

Velikost a uchopovací síla: Pneumatická chapadla by se měla dostatečně rozevřít, aby se do nich vešly předměty, se kterými se manipuluje. Požadovaná síla prstu pneumatického chapadla závisí na váze předmětů, se kterými se manipuluje, stejně jako na koeficientu tření mezi prstem a předmětem, ploše kontaktu mezi prstem a předmětem a síle působící mezi protilehlými prsty. Koeficient tření mezi prstem a předmětem mohou výrazně zvýšit špičkové materiály a potahy prstů chapadel. Samozřejmě, že čelisti pneumatických chapadel pro použití v potravinářských nebo farmaceutických aplikacích musí být vyrobeny z materiálů nebo potahu schválených úřadem FDA.

V poměru velikosti a hmotnosti manipulované části existuje široká variabilita – provedení chapadla způsobují největší problémy často lehké, ale přesto objemné předměty.

Geometrie dílu: Manipulované předměty se složitou geometrií mohou často vyžadovat pneumatická chapadla se třemi prsty namísto dvou. To platí zejména tam, kde může mít řada obrobků mírně odlišné geometrie. Ale tam, kde jsou obrobky konzistentní, mohou dvouprstá chapadla začlenit přizpůsobené povrchy a tvary, aby se adaptovala na konkrétní uchopovací body na těchto předmětech. Úspora nákladů dvouprstých chapadel může často ospravedlnit jejich použití všude tam, kde toto řešení splňuje požadavky provozu.

Provozní prostředí: Ložiska pneumatického chapadla, vnitřní mechanické prvky a pouzdra uspokojí požadavky čistých a kontaminovaných provozních prostředí. Obzvláště důležité jsou jmenovité hodnoty teploty pneumatického chapadla (které určují rozsahy, ve kterých bude chapadlo optimálně fungovat), stejně jako krytí IP, které definuje úroveň částic a vlhkosti, kterým může dané chapadlo zabránit ve vniknutí.

Závěr

Pneumatická chapadla jsou robotické koncové efektory, které jsou nezbytné pro manipulaci s materiálem na výrobních linkách. Tato chapadla drží, orientují a umísťují obrobky a jiné předměty pro zpracování, sestavení s jinými díly nebo vyřazení – jako z dopravníku přes stanici kontroly kvality. Navzdory nevýhodám systémů stlačeného vzduchu nezbytných pro provoz pneumatického chapadla jsou tato chapadla často nejčistší, nejrychlejší a nejvhodnější volbou pro manipulaci s díly.