Grundlæggende principper for pneumatiske gribere til industrielle anvendelser

Pneumatiske gribere er elektromekaniske anordninger, der anvendes i industrielle applikationer til at gribe og løfte, holde, dreje og placere genstande på bestemte steder. Disse gribere monteres typisk på de fjerneste dele af enten maskiner til bearbejdning af emner eller seksakse-, kartesiske eller SCARA-robotarme (SCARA-robotarme) som endeeffektorer til udførelse af forskellige materialehåndteringsopgaver. Med de seneste årtiers fremskridt inden for styring, sensorer og feedbackforbindelser koordineres pneumatiske griberes bevægelser (primært til at gribe og frigøre) typisk med bevægelserne i den maskinakse eller robotarm, som de er monteret på.

Betjening af pneumatisk griber

Figur 1: Her er vist en pneumatisk griber med to fingre på enden af en robotarm. Kæbefingrene skaber fysisk kontakt med det objekt, der skal gribes, og det er dem, der gør det muligt for griberen at holde og slippe objekter. (Billedkilde: Kazakov - Getty Images)

Figur 2: Parallelle, trefingrede og vinklede gribere er de tre mest almindelige gribetyper i industrielle applikationer. Den pneumatiske griber med tre fingre, der er vist her, har fingre, der er forskudt 120° for forsigtigt at strække O-ringe og montere dem på modtageraksler. (Billedkilde: Schunk)

Pneumatiske gribere er langt den mest almindelige gribetype til industrielle applikationer, der involverer robot-pick-and-place, værktøjsmaskiner, bearbejdning af emner og montageopgaver. Selv om nogle pneumatiske gribere har form af blære- og sugekop-endeeffektorer, er pneumatiske gribere med fingre eller kæber de mest udbredte, og de antages normalt, når der ikke er nogen anden sammenhæng.

Pneumatiske gribemaskiner med kæbe er afhængige af trykluft til deres funktion. Ved et signal giver ventilerne luft mulighed for at bevæge sig gennem interne kanaler og aktivere mekaniske forbindelser - som igen åbner og lukker griffens fingre. Dette primære sæt af underkomponenter understøttes af pneumatiske slanger, underkomponenter til styring og ledninger, monteringsflanger til fastgørelse til maskiner og robotter, fejlsikringsmekanismer og et hus, der omslutter disse komponenter.

Selv om den frigjorte position (fastholdt af en mekanisk trykfjeder) normalt er standard, findes der også grebsmodeller på markedet, der automatisk griber fat. Når der som standard er en lukket (gribe)stilling, er det en fjeder, der leverer grebskraften ... og når der kommer trykluft ind i griberen, åbnes kæberne. Faktisk er visse gribere afhængige af trykluft til både at gribe og frigive kraft.

Video 1: I en almindelig variant tilsluttes den pneumatiske griber via en specialslange til et trykluftsystem. Den komprimerede luftkraft fortrænger et stempel, der igen (via et gear, et knæk eller en glidestang) får de udvendige kæber til at bevæge sig gennem deres slaglængde. (Kilde til video: Schunk)

Styring af luft til en pneumatisk griber er ofte afhængig af forprogrammerede grebs- og frigørelsescyklusser ... eller (i mere sofistikerede applikationer) feedback fra sensorer, der registrerer fastholdte genstande.

Typer af pneumatiske gribere

Figur 3: Parallelle to-finger-gribere i Schunks PGN-plus-serie har lange kæbehøjder og omfatter tætninger, smudsafvisende runde lineære føringer og højstyrke-huse af aluminiumslegering til at overleve snavsede industrielle miljøer. (Billedkilde: Schunk)

Pneumatiske gribekæbe- og fingergribere klassificeres efter deres:

• Kinematisk arrangement, antal fingre, virkemåde og monteringsform
• Fysisk størrelse og maksimal grebskraft
• Kæbe- og huskonstruktion - herunder niveauet af beskyttelse mod indtrængen
• Tilslutning til almindelige industrielle styringsnetværk

Pneumatiske to-finger-grebemaskiner, der først blev markedsført i 1970'erne, er de mest udbredte i dag - de tegner sig for mere end halvdelen af alle pneumatiske gribeanvendelser. Fingrene i disse designs glider eller svinger på drejepunkter for at lukke sig som en låge eller en hummerkløe omkring målobjekter. De kan anvende enten parallelle kæber eller vinklede fingre.

Pneumatiske gribere med parallelle kæber: I parallelle gribere glider de to fingre indad og udad - i en lige bevægelse - på samme akse langs spor i det øverste griberhus. Det er typisk den indadgående glidende bevægelse, der griber fat i arbejdsemnerne eller andre genstande. Der er imidlertid mange anvendelser, hvor de to fingre glider udad for at fastgøre hule eller åbne emner (f.eks. O-ringe eller cylindre) fra deres indre diameter. Fordelene ved disse død-simple gribere er mange. De forskellige underkomponenter til sådanne gribere er enklere at fremstille end andre, hvilket gør disse gribere meget omkostningseffektive. Desuden er der én konstant grebskraft over hele fingerbevægelsen - hvilket letter arbejdet i forbindelse med applikationer, der involverer sarte eller på anden måde trykfølsomme emner. Endelig kan parallelle gribere konstrueres til at lukke og åbne ret bredt - selv til et par meter eller mere.

Pneumatiske gribere med vinklet fingervirkning: I disse gribere er fingrenes aktiverede ender fastgjort til et fast drejepunkt. Når der tilføres pneumatisk kraft, får et stempel og et mekanisk kileelement fingrene til at svinge lukket (eller i andre varianter, åbne) som franske døre. I åben position er kæberne vendt udad ud over griberhuset eller rager lige ud. I den lukkede (typisk gribe-) position hælder spidserne af gribefingrene indad for at lukke sig i en konisk form. Et designmæssigt forbehold ved brug af disse gribere er, at i modsætning til typer med parallelle fingre har vinklede fingre begrænsede slaglængder og genererer en grebskraft, der er variabel langs aktiveringsslaget. Når det er sagt, kan vinklede fingergribere med direkte stempelvirkning have en usædvanlig høj gribekraft - op til 2.300 N eller mere.

Højere antal fingre: Gribere med tre og fire fingre

Hvor pneumatiske gribere med to fingre ikke er egnede til at håndtere arbejdsemnerne, kan gribere med tre og fire fingre (og endda med fem fingre i specielle humanoide robotter) give bedre grebsstøtte og stabilitet. For at gøre det klart: Alle disse gribere er langt mindre almindelige end tofingergribere ... og kun trefingergribere er almindelige i industrielle applikationer. Deres højere anvendelsesmuligheder har en pris, men trefingrede gribere kan gribe arbejdsstykker og andre emner med mere komplekse eller udfordrende geometrier. Såkaldte selvcentrerende pneumatiske tre-finger-gribeknapper har en trio fingre, der er jævnt fordelt (120° fra hinanden på et maskinfutter), hvilket gør det nødvendigt at udskifte fingrene ved en ændring af operationen. De lukker indad for at gribe fat om arbejdsemnerne i et centralt punkt. I modsætning hertil sætter de såkaldte adaptive pneumatiske trefingergribere to fingre sammen og den tredje finger mod hinanden som en tommelfinger. Sådanne gribere, der er mest almindelige i mobile robotter, kan gribe objekter på flere måder for at imødekomme variationer i en given arbejdsstykkes geometri.

Indvendigt greb og dobbeltvirkende

Selv om de fleste pneumatiske gribere bruges til at gribe eller vugge dele på deres yderside (kontakt med ydre objektoverflader), er interne gribeoperationer afgørende for mange samleapplikationer. Her åbner gribefingrene sig for at gribe objekter med hule geometrier indefra. I nogle tilfælde kan gribere have til opgave at udføre både udvendige og indvendige gribeoperationer - men de skal være designet til at have begge funktioner.

Pneumatiske kæbe- og fingergribere kan også være i form af enkelt- og dobbeltvirkende grebstyper. I enkeltvirkende gribere genererer trykluft kraften fra trykluften gribebebevægelsen og -kraften. Når strømmen er lukket, vender fingrene tilbage til og forbliver i deres oprindelige position takket være en simpel trykfjeder. I modsætning hertil kræver dobbeltvirkende gribere trykluft til både gribe- og frigørelsesbevægelser. Dobbeltvirkende gribere kan faktisk være i stand til at gribe både indvendigt og udvendigt som beskrevet ovenfor.

Almindelige anvendelser af pneumatiske gribemaskiner

Figur 4: Schunk PGN-plus-griberen har et ovalt stempeldrev. (Billedkilde: Schunk)

Pneumatiske gribere anvendes i vid udstrækning i industrielle omgivelser - især til automatiserede arbejdsceller, montage- og produktionslinjer, maskinbetjening i forbindelse med avanceret produktion, farlige anlægsområder og logistik samt automatiserede lageroperationer. Et lille, men voksende antal kommercielle, rekreative og forbrugerrobotter (herunder bionisk mobilitet) anvender også pneumatiske gribere.

Overvej pneumatiske gribere til materialehåndtering i udstyr til forarbejdning og emballering af fødevarer og drikkevarer. Her er den rene drift af pneumatik et aktiv - og pneumatisk aktiverede fingergribere supplerer brugen af andre luftdrevne blære- og sugegribertyper til håndtering af alt fra kasser og vinflasker til æg og slikposer. I modsætning hertil er gribere i værktøjsmaskiner typisk designet til kun én type emne - og i nogle tilfælde har de endda til opgave at holde disse emner, mens bearbejdning eller andre processer udføres. Når pneumatiske gribere er involveret i samling eller sortering og udvælgelse, understøttes de ofte af sensor- eller endda maskinsynssystemer til at styre deres handlinger. Ellers kan Hall-effekt- og nærhedssensorer i griberen give tilstrækkelig feedback.

Fordele og begrænsninger ved pneumatiske gribere

En væsentlig fordel ved pneumatiske gribere i forhold til andre gribetyper er, at de er tilgængelig i mange størrelser og med mange forskellige grebskræfter, fra et par Newton til flere kilonewton, og at de kan tilpasses til forskellige applikationer - selv dem, der kræver tusindvis af gentagelser i timen. Industrielle pneumatiske gribere tilbyder også en uovertruffen gentagelighed til præcisionsautomatiseringsopgaver. Desuden pneumatiske gribere:

• Er omkostnings- og strømbesparende at drive
• Er lette og kompakte - især sammenlignet med visse motor- og hydraulikbaserede løsninger

I modsætning til deres hydrauliske og elektriske modstykker er pneumatiske gribere stort set upåvirkede af deres arbejdsmiljøer. Det står i modsætning til elektrisk aktiverede gribere med følsom elektronik, som kan fungere dårligt i fugtige omgivelser.

Pneumatiske gribere har naturligvis nogle ulemper og begrænsninger. Disse er primært relateret til driftsomkostningerne og kompleksiteten af pneumatiske konstruktioner og trykluftsystemer generelt. Den indledende opsætning af sådanne systemer kan være dyr og kompliceret. Når det er sagt, er der stordriftsfordele, når en industri allerede anvender trykluftsystemer andre steder.

Udvælgelseskriterier for pneumatiske gribere

Dimensionering og specifikation af pneumatiske gribere til en given materialehåndteringsapplikation bør starte med en klar definition af de vigtigste designparametre.

Størrelse og grebskraft: Pneumatiske gribere skal kunne åbnes tilstrækkeligt til at rumme de genstande, der håndteres. Den krævede fingerkraft afhænger af vægten af de genstande, der håndteres, samt af friktionskoefficienten mellem finger og genstand, arealet af fingerenes kontaktflade med genstanden og den kraft, der skal modvirke de modsatte fingre. Højteknologiske materialer og belægninger til gribefingre kan øge friktionskoefficienten mellem finger og objekt. Selvfølgelig skal kæberne på pneumatiske gribere til brug i fødevare- eller farmaceutiske applikationer være fremstillet af eller belagt med FDA-godkendte materialer.

Der er stor variation i forholdet mellem størrelsen og vægten af den håndterede del - med lette og samtidig voluminøse emner, der ofte udgør de største udfordringer for design af griberne.

Delgeometri: Håndterede genstande med komplekse geometrier kan ofte kræve pneumatiske gribere med tre i stedet for to fingre. Det gælder især, når en række arbejdsstykker kan have lidt forskellige geometrier. Men når arbejdsemnerne er ensartede, kan tofingergribere inkorporere tilpassede overflader og former for at imødekomme specifikke gribepunkter på disse genstande. Omkostningsbesparelserne ved tofingergribere kan ofte retfærdiggøre brugen af dem, når denne løsning opfylder virksomhedens krav.

Driftsmiljø: Pneumatiske griberlejer, interne mekaniske elementer og huse er der mange af, så de opfylder både rene og forurenede driftsmiljøer. Særligt vigtige er temperaturklassificeringer for pneumatiske gribere (som angiver de områder, inden for hvilke en griber fungerer optimalt) samt IP-klassificeringer, som definerer det niveau af partikler og fugt, som en given griber kan modstå, før den trænger ind.

Konklusion

Pneumatiske gribere er robotiske endeffektorer, der er afgørende for materialehåndtering på produktionslinjer. Disse gribere holder, orienterer og placerer arbejdsstykker og andre genstande med henblik på forarbejdning, samling med andre dele eller kassation - f.eks. fra et transportbånd gennem en kvalitetskontrolstation. På trods af ulemperne ved trykluftsystemer, der er nødvendige for pneumatisk griberdrift, er disse ofte det reneste, hurtigste og mest velegnede valg til håndtering af emner.