Grondbeginselen van pneumatische grijpers voor industriële toepassingen

Pneumatische grijpers zijn elektromechanische toestellen die in industriële toepassingen worden gebruikt voor het grijpen en opheffen, vasthouden, roteren en plaatsen van voorwerpen op vaste locaties. Deze grijpers worden gewoonlijk geïnstalleerd op het uiterste punt van werkstukverwerkende machines of zes-assige, cartesiaanse of selectieve compliance gearticuleerde robotarmen (SCARA) als eindeffectoren voor het uitvoeren van diverse materiaalverwerkende taken. Aangevuld door de vooruitgang van de laatste decennia op het gebied van regelingen, sensoren en feedback-connectiviteit, coördineren pneumatische grijperbewegingen (in de eerste plaats voor het grijpen en loslaten) gewoonlijk met die van de machine-as of robotarm waarop zij zijn gemonteerd.

Pneumatische grijperbediening

Afbeelding 1: Hier ziet u een pneumatische grijper met twee vingers aan het uiteinde van een robotarm. De bekvingers maken fysiek contact met het te grijpen voorwerp en zorgen ervoor dat de grijper voorwerpen kan vasthouden en loslaten. (Bron afbeelding: Kazakov - Getty Images)

Afbeelding 2: Parallelgrijpers, drievingergrijpers en hoekgrijpers zijn de drie meest gebruikte grijpertypen in industriële toepassingen. De hier getoonde pneumatische grijper met drie vingers heeft vingers met een hoek van 120° om O-ringen voorzichtig uit te rekken en ze op de ontvangende assen te monteren. (Bron afbeelding: Schunk)

Pneumatische grijpers zijn verreweg het meest gebruikte grijptype voor industriële toepassingen zoals robot-pick-and-place, werktuigmachines, werkstukbewerking en assemblagetaken. Hoewel sommige pneumatische grijpers de vorm hebben van blaas- en zuignap-eindtransmitters, zijn pneumatische grijpers met vingers of kaken de meest voorkomende en worden zij over het algemeen verondersteld wanneer geen andere context wordt gegeven.

Pneumatische grijpers zijn voor hun werking afhankelijk van perslucht. Bij een of ander opdrachtsignaal laten kleppen lucht door interne kanalen stromen en activeren zij mechanische verbindingen - die op hun beurt de grijpervingers openen en sluiten. Deze primaire reeks subcomponenten wordt ondersteund door pneumatische slangen, regelcomponenten en bedrading, montageflenzen voor bevestiging aan machines en robots, failsafe-mechanismen, en een behuizing die deze componenten omhult.

Hoewel de vrijgegeven stand (vastgehouden door een mechanische drukveer) gewoonlijk de standaard is, zijn er ook grijperontwerpen op de markt die standaard op grijpen zijn ingesteld. Waar een gesloten (grijp)stand de standaard is, zorgt een veer voor de grijpkracht ... en door perslucht in de grijper te brengen, worden de bekken geopend. Bepaalde grijpers vertrouwen op perslucht voor zowel het grijpen als het loslaten van kracht.

Video 1: In een veel voorkomende variant wordt de pneumatische grijper via een speciale slang aangesloten op een persluchtsysteem. De kracht van de perslucht verplaatst een zuiger die op zijn beurt (via een tandwiel, kniehefboom of schuifkoppeling) de externe bekken over hun slagbereik in beweging brengt. (Bron video: Schunk)

De regeling van de lucht in een pneumatische grijper berust vaak op voorgeprogrammeerde cycli voor het loslaten van de greep ... of (in meer gesofisticeerde toepassingen) op feedback van sensoren die vastgehouden voorwerpen detecteren.

Soorten pneumatische grijpers

Afbeelding 3: Twee-vinger parallelle grijpers uit de PGN-plus serie van Schunk bieden lange bekken en zijn voorzien van afdichtingen, vuilafstotende ronde lineaire geleidingen en zeer sterke aluminium-legering behuizingen om vuile industriële omgevingen te overleven. (Bron afbeelding: Schunk)

Pneumatische grijpers met bek en vingers worden ingedeeld volgens hun:

• Kinematische rangschikking, aantal vingers, actie, en type bevestiging
• Fysieke grootte en maximale grijpkracht
• Bek- en behuizingconstructie - inclusief niveau van bescherming tegen binnendringen
• Connectiviteit met gangbare industriële besturingsnetwerken

Pneumatische grijpers met twee vingers, die voor het eerst in de jaren 1970 op de markt kwamen, worden vandaag het meest gebruikt en vertegenwoordigen meer dan de helft van alle pneumatische grijpertoepassingen. De vingers in deze ontwerpen schuiven of zwaaien op scharnierpunten om zich als een hek of een kreeftenklauw rond doelobjecten te sluiten. Zij kunnen gebruik maken van een parallelle bekwerking of een schuine vingergreep.

Pneumatische grijpers met parallelle bekbeweging: Bij parallelle grijpers glijden de twee vingers naar binnen en naar buiten - in een rechtlijnige beweging - op dezelfde as langs sporen in het bovenste grijperlichaam. Gewoonlijk is het de naar binnen glijdende actie die de werkstukken of andere voorwerpen grijpt. Er zijn echter toepassingen in overvloed waarbij de twee vingers naar buiten schuiven om holle of open werkstukken (zoals bijvoorbeeld O-ringen of cilinders) aan de binnendiameter vast te zetten. De voordelen van deze doodsimpele grijpers zijn legio. De verschillende subcomponenten voor dergelijke grijpers zijn eenvoudiger te vervaardigen dan andere, waardoor deze grijpers zeer kosteneffectief zijn. Bovendien is er één vaste grijpkracht over de gehele vingertip - wat het werk vereenvoudigt bij toepassingen met delicate of anderszins drukgevoelige werkstukken. Tenslotte kunnen parallelle grijpers zo worden ontworpen dat zij vrij ver kunnen sluiten en openen - zelfs tot een paar meter of meer.

Pneumatische grijpers met schuine vingerwerking: Bij deze grijpers zijn de geactiveerde uiteinden van de vingers vastgepind aan een vast scharnierpunt. Wanneer pneumatische kracht wordt toegepast, zorgen een zuiger en een mechanisch wigelement ervoor dat de vingers dichtzwaaien (of in andere variaties, opengaan) zoals bij openslaande deuren. In de open stand komen de bekken buiten de grijperbehuizing of steken recht naar buiten. In de gesloten (typische grijp)stand kantelen de uiteinden van de grijpervingers naar binnen om zich te sluiten in een taps toelopende grijpvorm. Een nadeel bij het ontwerp van deze grijpers is dat, in tegenstelling tot parallelle vingers, hoekvingers een beperkte slag hebben en een grijpkracht genereren die variabel is langs de slag. Haakse vingergrijpers met directe zuigerwerking kunnen echter een uitzonderlijk grote grijpkracht hebben - tot 2.300 N of meer.

Hogere vingertallen: grijpers met drie en vier vingers

Waar pneumatische grijpers met twee vingers ongeschikt zijn om de werkstukken van een operatie te hanteren, kunnen grijpers met drie en vier vingers (en zelfs grijpers met vijf vingers in speciale humanoïde robottoepassingen) betere grijpondersteuning en stabiliteit bieden. Maar voor alle duidelijkheid: al deze grijpers komen veel minder vaak voor dan tweevingergrijpers ... en alleen drievingergrijpers komen vaak voor in industriële toepassingen. Hun grotere toepasbaarheid gaat ten koste van een prijs, maar grijpers met drie vingers kunnen werkstukken en andere voorwerpen met een meer complexe of uitdagende geometrie grijpen. Zogenaamde zelfcentrerende pneumatische grijpers met drie vingers hebben een drietal vingers die op gelijke afstand van elkaar zijn geplaatst (120° van elkaar op een machineklem), zodat de vingers bij een verandering van handeling moeten worden verwisseld. Deze sluiten naar binnen om werkstukken op een centraal punt vast te pakken. Bij zogenoemde adaptieve drievingerige pneumatische grijpers daarentegen zijn twee vingers tegen elkaar geplaatst en de derde als een duim. Deze grijpers, die het meest worden gebruikt in mobiele robots, kunnen voorwerpen op verschillende manieren oppakken om rekening te houden met variaties in de geometrie van een bepaald werkstuk.

Intern grijpend en dubbelwerkend

Hoewel de meeste pneumatische grijpers worden gebruikt voor het grijpen of klemmen van onderdelen aan de buitenkant (contact maken met buitenoppervlakken van voorwerpen), zijn interne grijpbewerkingen essentieel voor vele assemblagetoepassingen. Hier openen de grijpervingers zich om voorwerpen met holle geometrie van binnenuit vast te grijpen. In sommige gevallen kunnen grijpers worden ingezet voor zowel uitwendige als inwendige grijpoperaties - maar ze moeten wel zodanig zijn ontworpen dat ze beide mogelijkheden hebben.

Pneumatische bek- en vingergrijpers zijn er ook in de vorm van enkelvoudige en dubbelwerkende grijpertypen. In enkelwerkende grijpers genereert de kracht van de perslucht de grijpbeweging en -kracht. Zodra de toevoer wordt afgesloten, keren de vingers terug naar hun oorspronkelijke positie en blijven zij daar dankzij de werking van een eenvoudige drukveer. Dubbelwerkende grijpers daarentegen vereisen perslucht voor zowel de grijp- als de losbewegingen. In feite kunnen dubbelwerkende grijpers zowel intern als extern grijpen, zoals hierboven beschreven.

Gemeenschappelijke pneumatische grijper toepassingen

Afbeelding 4: De Schunk PGN-plus grijper heeft een ovale zuigeraandrijving. (Bron afbeelding: Schunk)

Pneumatische grijpers worden veel gebruikt in industriële omgevingen - vooral voor geautomatiseerde werkcellen, assemblage- en productielijnen, machinebesturing bij geavanceerde fabricage, gevaarlijke fabriekszones, en logistiek en geautomatiseerde opslag. Een klein maar groeiend aantal commerciële, recreatieve en consumentenrobottoepassingen (waaronder mobiliteitsbionica) maakt ook gebruik van pneumatische grijpers.

Overweeg pneumatische grijpers voor materiaalbehandeling in verwerkings- en verpakkingsapparatuur voor levensmiddelen en dranken. Hier is de schone werking van pneumatiek een pluspunt - en pneumatisch bediende vingergrijpers vullen het gebruik van andere luchtaangedreven blaas- en zuiggrijpertypen aan voor het hanteren van alles van dozen en wijnflessen tot eieren en zakjes snoep. Grijpers voor werktuigmachines zijn daarentegen meestal ontworpen voor slechts één type werkstuk - en in sommige gevallen moeten zij zelfs die werkstukken vasthouden terwijl bewerkingen of andere processen worden uitgevoerd. Waar pneumatische grijpers betrokken zijn bij assemblage of sorteren en selecteren, worden zij vaak ondersteund door sensor- of zelfs machine-vision systemen om hun acties te sturen. Anders kunnen Hall-effect- en nabijheidssensoren in de grijper voldoende feedback geven.

Voordelen en beperkingen van pneumatische grijpers

Een belangrijk voordeel van pneumatische grijpers ten opzichte van andere grijpertypen is dat zij verkrijgbaar zijn in talrijke maten en grijpkrachten, gaande van enkele Newton tot verscheidene kilo-Newton, en dat zij kunnen worden aangepast voor verschillende toepassingen - zelfs die waarbij duizenden herhalingen per uur nodig zijn. Industriële pneumatische grijpers bieden ook een ongeëvenaarde herhaalbaarheid voor precisie-automatiseringsopdrachten. Bovendien, pneumatische grijpers:

• Zijn kosten- en energiebesparend in gebruik
• Zijn licht en compact - vooral in vergelijking met bepaalde opties op basis van motor en hydraulica

In tegenstelling tot hun hydraulische en elektrische tegenhangers zijn pneumatische grijpers grotendeels ongevoelig voor hun werkomgeving. Dit in tegenstelling tot elektrisch bediende grijpers met gevoelige elektronica die defect kan raken in vochtige omgevingen.

Natuurlijk hebben pneumatische grijpers enkele nadelen en beperkingen. Deze houden voornamelijk verband met de operationele kosten en de complexiteit van pneumatische ontwerpen en persluchtsystemen in het algemeen. De eerste installatie van dergelijke systemen kan kostbaar en ingewikkeld zijn. Er is echter sprake van schaalvoordelen wanneer een industriële onderneming reeds elders gebruik maakt van persluchtsystemen.

Selectiecriteria voor pneumatische grijpers

De dimensionering en specificatie van pneumatische grijpers voor een bepaalde materiaaltransporttoepassing moet beginnen met een duidelijke definitie van de belangrijkste ontwerpparameters.

Grootte en grijpkracht: Pneumatische grijpers moeten voldoende opengaan voor de te hanteren voorwerpen. De vereiste pneumatische grijper-vingerkracht hangt af van het gewicht van de te hanteren voorwerpen, alsmede van de wrijvingscoëfficiënt van de vinger ten opzichte van het voorwerp, het contactoppervlak van de vinger ten opzichte van het voorwerp en de kracht die nodig is om de kracht van de tegenover elkaar liggende vingers tegen te gaan. Hoogontwikkelde materialen en coatings voor grijpervingers kunnen de wrijvingscoëfficiënt tussen vinger en voorwerp verhogen. Uiteraard moeten de bekken van pneumatische grijpers voor gebruik in levensmiddelen of farmaceutische toepassingen vervaardigd zijn van of bekleed zijn met FDA-goedgekeurde materialen.

Er is een grote variabiliteit in de verhouding tussen de grootte en het gewicht van het te grijpen stuk - waarbij lichte maar volumineuze voorwerpen vaak de grootste uitdagingen inzake grijperontwerp vormen.

Onderdeelgeometrie: Om te werken met voorwerpen met complexe geometrieën zijn vaak pneumatische grijpers nodig met drie in plaats van twee vingers. Dat is met name het geval wanneer een reeks werkstukken een enigszins verschillende geometrie kan hebben. Maar waar de werkstukken consistent zijn, kunnen twee-vingergrijpers aangepaste oppervlakken en vormen hebben om specifieke grijppunten op deze voorwerpen aan te passen. De kostenbesparingen van twee-vingergrijpers kunnen vaak het gebruik ervan rechtvaardigen wanneer deze oplossing aan de eisen van de operatie voldoet.

Bedrijfsomgeving: Pneumatische grijperlagers, interne mechanische elementen en behuizingen zijn er in overvloed om te voldoen aan schone en verontreinigde bedrijfsomgevingen. Van bijzonder belang zijn de temperatuurwaarden van pneumatische grijpers (die aangeven binnen welke grenzen een grijper optimaal functioneert) en de IP-waarden, die aangeven welke mate van deeltjes en vocht een bepaalde grijper kan weerstaan voordat hij binnendringt.

Conclusie

Pneumatische grijpers zijn robotachtige eindeffectoren die essentieel zijn voor de materiaalbehandeling op productielijnen. Deze grijpers houden, oriënteren en plaatsen werkstukken en andere voorwerpen voor verwerking, assemblage met andere onderdelen, of afstoten - zoals van een transportband door een kwaliteitscontrolestation. Ondanks de nadelen van persluchtsystemen die nodig zijn voor pneumatische grijperbediening, zijn deze vaak de schoonste, snelste en meest geschikte keuze voor het hanteren van onderdelen.