Grunnleggende om pneumatiske gripere for industrielle konstruksjoner

Pneumatiske gripere er elektromekaniske enheter som brukes i industrielle konstruksjoner for å gripe og løfte, holde, rotere og plassere gjenstander på angitte steder. Disse griperne installeres vanligvis på de mest fjerntliggende områdene på maskiner som behandler arbeidsstykker eller seksakse-, kartesian- eller SCARA-robotarmer (SCARA – selective compliance articulated robot arm) som endeeffektorer for å utføre forskjellige materialhåndteringsoppgaver. Supplert med fremskrittene fra de siste tiårene innen styringer, sensorer og tilbakekoblingskonnektivitet, koordineres vanligvis pneumatiske griperbevegelser (hovedsakelig for å gripe og slippe) med bevegelsene til maskinaksen eller robotarmen som de monteres på.

Pneumatisk griperdrift

Figur 1: Her vises en pneumatisk griper med to fingre på enden av en robotarm. Gripeklofingrene har fysisk kontakt med gjenstanden som skal gripes, og det er disse som gjør at griperen kan holde og slippe gjenstander. (Bildekilde: Kazakov • Getty Images)

Figur 2: Parallelle, trefingrede og vinklede gripere er de tre vanligste gripertypene i industrielle konstruksjoner. Den trefingrede pneumatiske griperen som vises her, har fingre utstrakt med 120-graders mellomrom for å forsiktig strekke O-ringer og montere dem på mottakeraksler. (Bildekilde: Schunk)

Pneumatiske gripere er den vanligste gripertypen for industrielle konstruksjoner, for eksempel robotplukkere, maskinverktøy, maskinbearbeiding av arbeidsstykker og monteringsoppgaver. Selv om noen pneumatiske gripere har endeeffektorer av blæretypen og sugekopptypen, er pneumatiske gripere med fingre eller gripekloer mest utbredt og brukes som regel når ingen annen kontekst er gitt.

Pneumatiske gripeklogripere er avhengige av trykkluft for å fungere. Ved mottak av visse kommandosignaler, gjør ventiler det mulig for luft å bevege seg gjennom interne kanaler og aktivere mekaniske koblinger – som igjen åpner og lukker griperens fingre. Pneumatiske slanger, styringsunderkomponenter og ledninger, monteringsflenser for festing til maskiner og roboter, feilsikringsmekanismer og et hus som omslutter disse komponentene, understøtter alle dette primære settet av underkomponenter.

Selv om den frigjorte posisjonen (som holdes av en mekanisk kompresjonsfjær) vanligvis er standard, er griperkonstruksjoner som er laget for å gripe som standard også tilgjengelige på markedet. I tilfeller der en lukket posisjon (gripeposisjon) er standard, leverer en fjær gripekraften – noe som gjør det mulig for trykkluft å komme inn i griperen slik at gripekloen åpnes. Visse gripere er faktisk avhengige av trykkluft for å både gripe og slippe.

Video 1: I en vanlig variant kobles den pneumatiske griperen til via en spesialslange som går til et trykkluftsystem. Kraften fra trykkluft forskyver et stempel, som igjen (via noe gir, vipper eller gliderlenker) gjør at de eksterne gripekloene aktiveres gjennom bevegelsesområdet. (Videokilde: Schunk)

Styring av luft inn i en pneumatisk griper er ofte avhengig av forprogrammerte gripe-slippe-sykluser – eller (i mer avanserte konstruksjoner) tilbakekobling fra sensorer som detekterer fastholdte objekter.

Ulike typer pneumatiske gripere

Figur 3: Parallelle gripere med to fingre i Schunks PGN-plusserien leverer lange gripeklobevegelser og omfatter tetninger, smussbestandige runde, lineære føringer og svært sterke hus av aluminiumslegering for å kunne overleve i skitne industrimiljøer. (Bildekilde: Schunk)

Pneumatiske gripere med gripeklo og fingre er klassifisert i henhold til:

• Kinematisk sammenstilling, antall fingre, handling og monteringstype
• Fysisk størrelse og maksimal gripekraft
• Gripeklo- og huskonstruksjon – inkludert kapslingsgrad
• Tilknytning til vanlige industrielle styringsnettverk

Pneumatiske gripere med to fingre ble først kommersielt tilgjengelig på 1970-tallet, og det er disse som brukes mest i dag. De står for mer enn halvparten av alle pneumatiske griperkonstruksjoner. Fingrene i disse konstruksjonene glir eller dreier rundt dreiepunkter for å lukke som en port eller klo rundt målgjenstander. De kan bruke enten parallell gripeklobevegelse eller vinklet fingerbevegelse.

Pneumatiske gripere med parallell gripeklohandling: I parallelle gripere glir de to fingrene innover og utover – i rettlinjet bevegelse – på samme akse langs sporene i den øvre griperhoveddelen. Vanligvis er det den innoverglidende handlingen som griper tak i arbeidsstykkene eller andre gjenstander. Det finnes imidlertid mange konstruksjoner der de to fingrene glir utover for å sikre hule eller åpne arbeidsstykker (for eksempel O-ringer eller sylindere) fra de indre diametrene deres. Fordelene som disse svært enkle griperne tilbyr er mange. De ulike underkomponentene for slike gripere er enklere å produsere enn andre typer, noe som gjør disse griperne svært kostnadseffektive. I tillegg er det en jevn gripekraft over hele bevegelseslengden til fingeren – noe som forenkler arbeid forbundet med konstruksjoner som omfatter delikate, eller på andre måter trykkfølsomme, arbeidsstykker. Til slutt kan parallelle gripere være konstruert for å lukkes og åpnes relativt bredt – opptil ca. 70 cm (et par fot) eller mer.

Pneumatiske gripere med vinklet fingerhandling: I disse griperne er de aktiverte endene på fingrene festet til et fast dreiepunkt. Under påføring av pneumatisk kraft, vil en stempelhandling og et mekanisk kileelement føre til at fingrene svinger til lukket tilstand (eller i andre varianter, åpen tilstand), på samme måte som franske dører. I åpen posisjon vil gripekloen strekke seg utover, forbi griperens hoveddel, eller stikke rett ut. I lukket (vanligvis ved griping) posisjon vipper spissene på gripefingrene innover for å lukke seg til en avsmalende gripeform. Et konstruksjonsmessig forbehold ved bruk av disse griperne er at vinklede fingre, i motsetning til typer med parallelle fingre, har begrensede bevegelseslengder og genererer en gripekraft som er variabel langs bevegelseslengden. Når det er sagt, kan vinklede fingergripere under direkte stempelhandling ha usedvanlig høy gripekraft — opptil 2300 N eller høyere.

Høyere fingerantall: Tre- og firefingrede gripere

I tilfeller der pneumatiske gripere med to fingre er uegnet for å håndtere arbeidsstykkene til et anlegg, kan gripere med tre og fire fingre (og til og med femfingrede gripere i spesielle robotkonstruksjoner av humanoid-typen) gi bedre støtte og stabilitet. Men, for å si ting tydeligere: Alle slike gripere er langt mindre vanlige enn gripere med to fingre – og kun trefingrede gripere er vanlige i industrielle konstruksjoner. Den høyere graden av anvendelighet kommer med en ekstra kostnad, men trefingrede gripere kan gripe tak i arbeidsstykker og andre gjenstander med mer kompleks eller utfordrende geometri. Såkalte selvsentrerende pneumatiske gripere med tre fingre omfatter en trio av fingre med jevn avstand fra hverandre (120 grader fra hverandre på en maskinchuck) som gjør det nødvendig å bytte ut fingre ved en driftsendring. Disse lukker seg innover for å kunne gripe arbeidsstykker på et midtpunkt. Til sammenligning vil såkalte adaptive pneumatiske trefingergripere putte to fingre sammen og den tredje til å motarbeide kraften som en tommel. Slike gripere brukes som regel på mobil robotikk, og de kan plukke opp gjenstander på flere forskjellige måter for å imøtekomme variasjoner i geometrien til et gitt arbeidsstykke.

Intern gripeevne og dobbel handling

Selv om flesteparten av pneumatiske gripere brukes til å gripe eller holde rundt delens utside, er interne gripeoperasjoner viktig for mange monteringsinnretninger. I disse tilfellene åpnes gripefingrene for å ta tak i gjenstander med hul geometri fra innsiden. I noen tilfeller kan gripere få i oppgave å utføre både eksterne og interne gripeoperasjoner – men de må være konstruert slik at det er mulig for dem å utføre begge disse funksjonene.

Pneumatiske gripere med gripeklo og fingre kan også utformes med gripertyper som bruker enkel og dobbel handling. I gripere med enkel handling, genererer kraften fra trykkluft gripebevegelsen og kraften. Når forsyningen er slått av, går fingrene tilbake til og forblir i sin opprinnelige posisjon, takket være handlingen til en grunnleggende trykkfjær. Gripere med dobbel handling krever derimot trykkluftaktivering for både gripe- og frigjøringsbevegelser. Gripere med dobbel handling kan faktisk være i stand til gripe både internt og eksternt, slik som er beskrevet ovenfor.

Vanlige konstruksjoner med pneumatiske gripere

Figur 4: Schunk PGN-plus-griperen har en oval stempeldriver. (Bildekilde: Schunk)

Pneumatiske gripere brukes ofte i industrimiljøer – spesielt for automatiserte arbeidsceller, monterings- og produksjonslinjer, maskintilpasning forbundet med avansert produksjon, farlige anleggsområder, logistikk og automatiserte lageroperasjoner. Et lite, men voksende utvalg av kommersielle og rekreasjons- og forbrukerrelaterte robotkonstruksjoner (inkludert mobilitetsbionikk) muliggjør også bruken av pneumatiske gripere.

Ta i betraktning pneumatiske gripere for materialhåndtering i utstyr som bearbeider og pakker mat og drikkevarer. Her er ren drift av pneumatikk en ressurs – og pneumatisk aktiverte fingergripere utfyller bruken av andre luftdrevne blære- og sugegripere, som kan håndtere alt fra esker og vinflasker til egg og godteposer. I motsetning til disse er gripere i maskinverktøykonstruksjoner vanligvis konstruert for kun én arbeidsstykketype – og i noen tilfeller har de til og med i oppgave å holde disse arbeidsstykkene, samtidig som maskinering eller andre prosesser utføres. I tilfeller der pneumatiske gripere er involvert i montering eller sortering og utvalg, støttes disse ofte av sensorer eller til og med maskinsynssystemer for å kunne styre handlingene. Ellers kan Hall-effekt- og nærhetssensorer i griperen gi tilstrekkelig tilbakekobling.

Fordeler og begrensninger med pneumatiske gripere

En viktig fordel med pneumatiske gripere sammenlignet med andre gripertyper, er at de er tilgjengelige i mange størrelser og med mange forskjellige gripekrefter, fra noen få Newton til flere kilo-Newton, og de kan tilpasses for forskjellige konstruksjoner – selv de som krever tusenvis av repetisjoner i timen. Industrielle pneumatiske gripere tilbyr også uovertruffen repeterbarhet for nøyaktige automatiseringsoppgaver. I tillegg er pneumatiske gripere:

• Kostnads- og krafteffektive i drift
• Lette og kompakte – spesielt sammenlignet med visse motor- og hydraulikkbaserte alternativer

I motsetning til sine hydrauliske og elektriske motparter, er pneumatiske gripere stort sett upåvirket av arbeidsmiljøet. Det står i sterk kontrast til elektrisk drevne gripere med følsom elektronikk som kan svikte i fuktige miljøer.

Selvfølgelig har pneumatiske gripere noen ulemper og begrensninger. Disse er først og fremst knyttet til driftskostnadene og kompleksiteten til generelle pneumatiske konstruksjoner og trykkluftanlegg. Innledende oppsett av slike systemer kan være kostbart og komplisert. Når det er sagt, er oppskalering økonomisk for industrielle virksomheter som allerede benytter trykkluftanlegg andre steder.

Valgskriterier for pneumatiske gripere

Dimensjonering og spesifisering av pneumatiske gripere for en gitt konstruksjon som håndterer materialer, bør starte med en klar definisjon av viktige konstruksjonsparametere.

Størrelse og gripekraft: Pneumatiske gripere må kunne åpnes bredt nok til å imøtekomme gjenstandene som skal håndteres. Nødvendig pneumatisk gripefingerkraft avhenger av vekten til gjenstandene som håndteres, samt finger-til-gjenstand-friksjonskoeffisienten, området for finger-til-gjenstand-kontakt og kraften som trengs for å motarbeide de motstående fingrene. Velkonstruerte gripefingermaterialer og -belegg kan øke finger-til-gjenstand-friksjonskoeffisienten. Selvfølgelig må gripekloene på pneumatiske gripere som brukes i næringsmiddelrelaterte eller farmasøytiske innretninger være laget av eller belagt med FDA-godkjente (FDA – Food and Drug Administration) materialer.

Det er stor variasjon i forholdet mellom den håndterte delestørrelsen og -vekten – der lette, men likevel voluminøse elementer ofte utgjør de største utfordringene når det kommer til utformingen av griperen.

Delegeometri: Håndterte gjenstander med komplekse geometrier kan ofte kreve pneumatiske gripere som har tre fingre i stedet for to. Dette gjelder spesielt i tilfeller der flere arbeidsstykker kan ha varierende geometrier. I tilfeller der arbeidsstykkene er konsistente, kan imidlertid gripere med to fingre innlemme tilpassede overflater og former for å imøtekomme spesifikke gripepunkter på disse gjenstandene. Kostnadsbesparelsen av å bruke gripere med to fingre kan ofte rettferdiggjøres i tilfeller der denne løsningen tilfredsstiller driftskravene.

Driftsmiljø: Det er et stort utvalg av lagre for pneumatiske gripere, interne mekaniske elementer og hus som tilfredsstiller rene og forurensede driftsmiljøer. Merketemperatur er spesielt viktig for pneumatiske gripere (som fastsetter områder hvor en griper vil fungere optimalt), samt IP-verdier som definerer nivået av partikler og fuktighet som en aktuell griper kan motstå før inntrengning skjer.

Konklusjon

Pneumatiske gripere er robotiske endeeffektorer som er nødvendige for materialhåndtering på produksjonslinjer. Disse griperne holder, orienterer og plasserer arbeidsstykker og andre gjenstander for behandling, montering med andre deler eller avvisning – for eksempel på et transportbelte gjennom en kvalitetskontrollstasjon. Til tross for ulempene forbundet med trykkluftsystemer som trengs for driften av pneumatiske gripere, er disse ofte det mest elegante, raskeste og mest egnede valget for håndtering av deler.