Grunderna för pneumatiska gripdon för industriella tillämpningar

Pneumatiska gripdon är elektromekaniska enheter som används i industriella tillämpningar för att gripa, lyfta, hålla, vrida och placera föremål på bestämda platser. Gripdonen installeras vanligtvis antingen på de yttersta delarna av maskiner för bearbetning av arbetsstycken eller sexaxliga, kartesiska eller SCARA-robotarmar (Selective Compliance Artikulated Robot Arm) som slutinstrument för att utföra olika materialhanteringsuppgifter. Tack vare de senaste decenniernas framsteg inom styrning, givare och återkoppling kan pneumatiska gripdon (främst för att gripa och släppa) vanligtvis samordna sina rörelser med rörelserna hos den maskinaxel eller robotarm som de är monterade på.

Drift av pneumatiska gripdon

Figur 1: Här visas ett pneumatiskt gripdon med två fingrar i änden av en robotarm. Gripdonets fingrar har fysisk kontakt med det föremål som ska gripas och gör det möjligt för gripdonet att hålla och släppa föremål. (Bildkälla: Kazakov • Getty Images)

Figur 2: Parallella gripdon, vinklade gripdon och gripdon med tre fingrar är de tre vanligaste typerna av gripdon i industriella tillämpningar. Det pneumatiska gripdon med tre fingrar som visas här har fingrar som är förskjutna 120° för att försiktigt sträcka ut O-ringar och montera dessa på mottagande axlar. (Bildkälla: Schunk)

Pneumatiska gripdon är den överlägset vanligaste typen av gripdon för industriella tillämpningar och omfattar robotar som plockar och placerar, verktygsmaskiner, bearbetning av arbetsstycken och monteringsuppgifter. Även om vissa pneumatiska gripdon har formen av bälgar och sugkoppar är pneumatiska gripdon med fingrar eller käkar de vanligaste och de som i allmänhet antas när inget annat sammanhang ges.

Pneumatiska gridpdon och käkar är beroende av tryckluft för att fungera. Vid en viss styrsignal låter ventiler luft passera genom interna kanaler som aktiverar mekaniska kopplingar och i sin tur öppnar och stänger gripdonets fingrar. Till denna primära uppsättning av underordnade komponenter hör pneumatiska slangar, delkomponenter för styrning och kabeldragning, monteringsflänsar för fastsättning på maskiner och robotar, felsäkringsmekanismer och ett hölje som omsluter komponenterna.

Även om det öppna läget (som bibehålls av en mekanisk tryckfjäder) normalt är standardläget, så finns det även gripdon där standardläget är att gripa. När ett stängt (gripande) läge är standardläge ger en fjäder greppkraften ... och tryckluft i gripdonet öppnar käftarna. Vissa gripdon är faktiskt beroende av tryckluft för att skapa kraft för att både gripa och släppa.

Video 1: I en vanlig variant ansluts det pneumatiska gripdonet via en specialslang till ett tryckluftssystem. Tryckluftens kraft förskjuter en kolv som i sin tur (via ett kugghjul, omkopplare eller en glidlänk) får de yttre käftarna att röra sig i sitt slaglängdsområde. (Videokälla: Schunk)

Tryckluftstyrningen för ett pneumatiskt gripdon är ofta beroende av förprogrammerade grepp- och släppcykler ... eller (i mer sofistikerade tillämpningar) återkoppling från givare som känner av de föremål som hålls fast.

Typer av pneumatiska gripdon

Figur 3: De parallella gripdonen med två fingrar i serien PGN-plus från Schunk har långa slaglängder för käftarna och inkluderar tätningar, smutsbeständiga runda linjära styrningar och mycket starka höljen i aluminiumlegering för att överleva i smutsiga industriella miljöer. (Bildkälla: Schunk)

Pneumatiska gripdon med käkar och fingrar klassificeras efter deras:

• Kinematiska placering, antalet fingrar, funktion och typ av montering.
• Fysisk storlek och maximal gripkraft
• Käftens och höljets konstruktion - inklusive klassificering för skydd mot intrång.
• Anslutningsmöjligheter till vanliga industriella styrnätverk

De pneumatiska gripdonen med två fingrar, som blev kommersiellt tillgängliga på 1970-talet, är de som används mest idag — och finns i mer än hälften av alla tillämpningar med pneumatiska gripdon. Fingrarna i dessa konstruktioner glider eller svänger vid svängpunkter för att stängas som en grind eller som hummerklor runt målobjektet. De kan ha antingen parallell käftverkan eller vinklad fingerverkan.

Pneumatiska gripdon med parallella käftar: I parallella gripdon glider de två fingrarna inåt och utåt - i raka rörelser - på samma axel längs spåren i den övre gripdonskroppen. Vanligtvis är det den inåtriktade glidningen som griper tag i arbetsstycken eller andra föremål. Det finns dock många tillämpningar där de två fingrarna glider utåt för att hålla fast ihåliga eller öppna arbetsstycken (t.ex. o-ringar eller cylindrar) från deras inre diameter. Fördelarna med dessa enkla gripdon är många. De olika delkomponenterna för dessa gripdon är enklare att tillverka än andra, vilket gör dem mycket kostnadseffektiva. Dessutom finns det en jämn greppkraft i hela fingerrörelsen, vilket underlättar arbetet i samband med tillämpningar med känsliga eller tryckkänsliga arbetsstycken. Slutligen kan parallella gripdon konstrueras för att stänga och öppna ganska brett - till och med upp till ett par meter eller mer.

Pneumatiska gripdon med vinklad fingerverkan: I dessa gripdon är fingrarnas drivna ändar fastsatta i en fast svängpunkt. När den pneumatiska kraften aktiveras får en kolv och ett mekaniskt kilelement fingrarna att svänga ihop (eller, i andra varianter, öppna) som franska dörrar. I det öppna läget svänger käftarna utåt utanför gripdonets kropp eller sticker rakt ut. I det stängda läget (vanligtvis greppet) lutar spetsarna på gripdonets fingrar inåt och sluter sig till en avsmalnande greppform. En invändning vid konstruktion av dessa gripdon är att vinklade fingrar, till skillnad från modeller med parallella fingrar, har begränsade slaglängder och genererar en gripkraft som är variabel längs med åtgärdens slaglängd. Med detta sagt kan gripdon med vinklade fingrar med direkt kolvverkan ha en exceptionellt hög gripkraft - upp till 2 300 N eller mer.

Högre antal fingrar: gripdon med tre eller fyra fingrar

Om pneumatiska gripdon med två fingrar är olämpliga för att hantera ett arbetsstycke kan gripdon med tre och fyra fingrar (och till och med gripdon med fem fingrar i specialtillämpningar för humanoida robotar) ge bättre stöd och stabilitet för greppet. För att vara tydlig: alla sådana gripdon är mycket ovanligare än gripdon med två fingrar ... och det är endast gripdon med tre fingrar som är vanliga i industriella tillämpningar. Deras högre grad av användbarhet har en kostnad, men gripdon med tre fingrar kan greppa arbetsstycken och andra föremål med mer komplicerad eller utmanande geometri. Så kallade självcentrerande pneumatiska gripdon med tre fingrar har en trio fingrar med jämnt avstånd (120° från varandra på en maskinchuck) som gör det nödvändigt att byta ut fingrarna när man ändrar arbetssättet. Dessa stängs inåt för att greppa arbetsstycken i en mittpunkt. I motsats till dessa, har så kallade adaptiva pneumatiska gripdon med två fingrar tillsammans och det tredje som en tumme. Sådana gripdon, som är vanligast i mobila robotar, kan ta upp föremål på flera olika sätt för att hantera variationer i en viss geometri av ett arbetsstycke.

Invändiga gripdon och dubbelverkande gripdon

Även om majoriteten av de pneumatiska gripdonen används för att gripa eller hålla delar runt deras utsida (kontakt med yttre objektsytor) är invändiga gripdonsåtgärder viktiga i många monteringstillämpningar. Här öppnas gripdonets fingrar för att ta tag i föremål med ihåliga geometrier från insidan. I vissa fall kan gripdonen ha till uppgift att gripa både ut- och invändigt - men de måste vara konstruerade för att ha båda funktionerna.

Pneumatiska gripdon med käkar och fingrar kan även ha enkel- eller dubbelfunktion. I gripdon med enkelfunktion genererar tryckluftens kraft griprörelsen och kraften. När tryckluften stängs av, återgår fingrarna till och stannar i sitt ursprungliga läge tack vare en enkel tryckfjäder. Däremot kräver dubbelverkande gripdon tryckluft för både grip- och släpprörelser. Dubbelverkande gripdon kan i själva verket ha både ett inre och ett yttre grepp enligt beskrivningen ovan.

Vanliga tillämpningar för pneumatiska gripdon

Figur 4: PGN-plus gripdon från Schunk har en oval kolvdrift. (Bildkälla: Schunk)

Pneumatiska gripdon används ofta i industriella miljöer - särskilt för automatiserade arbetsceller, monterings- och produktionslinjer, maskinskötsel i samband med avancerad tillverkning, farliga områden på anläggningen, logistik och automatiserad lagerhållning. Ett litet men växande antal kommersiella samt fritids- och konsumenttillämpningar med robotteknik (inklusive bionik för mobilitet) använder sig också av pneumatiska gripdon.

Överväg pneumatiska gripdon för materialhantering vid livsmedels- och dryckesbearbetning samt i förpackningsutrustning. Här är pneumatikens rena funktion en fördel - och pneumatiskt manövrerade gripdon med fingrar kompletterar användningen av andra tryckluftsdrivna blås- och suggripdon för att hantera allt från lådor och vinflaskor till ägg och godispåsar. Gripdon i verktygsmaskiner är däremot vanligtvis utformade för endast en typ av arbetsstycke - och i vissa fall har de till och med till uppgift att hålla dessa arbetsstycken medan bearbetning eller andra processer utförs. När pneumatiska gripdon är inblandade i montering, sortering och urval stöds de ofta av givare, eller till och med system för maskinseende för att styra åtgärderna. Annars kan Halleffektgivare och närhetssensorer i gripdonet ge tillräcklig återkoppling.

Fördelar och begränsningar med pneumatiska gripdon

En viktig fördel med pneumatiska gripdon jämfört med andra typer av gripdon är att de finns i många olika storlekar och gripkrafter, från några Newton till flera kilo-Newton, och att de kan anpassas för olika tillämpningar - även för tillämpningar som kräver tusentals upprepningar per timme. Industriella pneumatiska gripdon har även oöverträffad repeterbarhet för noggranna automatiseringsuppgifter. Dessutom är pneumatiska gripdon:

• Kostnads- och energieffektiva i drift.
• Lätta och kompakta - särskilt i jämförelse med vissa motor- och hydraulikbaserade alternativ.

Till skillnad från sina hydrauliska och elektriska motsvarigheter är pneumatiska gripdon i stort sett opåverkade av arbetsmiljön. Detta i motsats till elektriskt manövrerade gripdon med känslig elektronik som kan fungera dåligt i fuktiga miljöer.

Pneumatiska gripdon har givetvis även vissa nackdelar och begränsningar. Dessa är främst relaterade till driftskostnaden och komplexiteten hos pneumatiska konstruktioner och tryckluftssystem i allmänhet. Den första installationen av sådana system kan vara dyr och komplicerad. Det finns dock stordriftsfördelar när en industriell verksamhet redan använder tryckluftssystem på andra ställen.

Urvalskriterier för pneumatiska gripdon

Dimensionering och specificering av pneumatiska gripdon för en viss materialhanteringstillämpning bör börja med en tydlig definition av de viktigaste konstruktionsparametrarna.

Storlek och gripkraft: De pneumatiska gripdonen måste vara tillräckligt öppna för att rymma de föremål som hanteras. Den erforderliga kraften i gripdonets fingrar beror på vikten på de föremål som hanteras samt på friktionskoefficienten mellan fingret och föremålet, ytan för kontakten mellan fingret och föremålet och kraften för att motverka de motsatta fingrarnas kraft. Högteknologiska material och ytbehandlingar på fingrarna kan öka friktionskoefficienten mellan fingret och föremålet. Självklart måste käftarna i pneumatiska gripdon för användning i livsmedels- eller läkemedelstillämpningar vara tillverkade av eller behandlade med FDA-godkända material.

Det finns stora variationer i förhållandet mellan storlek och vikt av den hanterade delen - med lätta men samtidigt skrymmande föremål som ofta utgör de största utmaningarna vid konstruktionen av gripdonen.

Föremålets geometri: Det är ofta nödvändigt med pneumatiska gripdon med tre i stället för två fingrar för att hantera föremål med komplicerade geometrier. Det gäller särskilt när en serie arbetsstycken kan ha något varierande geometrier. Men när arbetsstycken är konsekventa kan gripdon med två fingrar ha anpassade ytor och former för att passa specifika grippunkter på dessa föremål. Kostnadsbesparingarna för gripdon med två fingrar kan ofta motivera användningen av dessa när lösningen uppfyller verksamhetens krav.

Driftsmiljö: Lager i pneumatiska gripdon, invändiga mekaniska element och höljen finns i överflöd för att uppfylla kraven i rena och förorenade driftsmiljöer. Särskilt viktigt är temperaturklassificeringar för pneumatiska gripdon (som anger inom vilka områden ett gripdon fungerar optimalt) samt IP-klassificeringar som definierar nivån av partiklar och fukt som ett visst gripdon kan motstå innan det tränger in.

Sammanfattning

Pneumatiska gripdon är robotiserade ändmekanismer som är viktiga för materialhantering i produktionslinjer. Gripdonen håller, riktar och placerar arbetsstycken och andra föremål för bearbetning, montering med andra delar eller för att avvisas - t.ex. från ett transportband till en station för kvalitetskontroll. Trots nackdelarna med de tryckluftssystem som krävs för pneumatiska gripdon är dessa ofta det renaste, snabbaste och lämpligaste valet för hantering av delar.