Az ipari felhasználási területekre szánt pneumatikus robotkezekkel kapcsolatos alapismeretek

A pneumatikus robotkezek olyan elektromechanikus eszközök, amelyeket ipari felhasználási területeken használnak tárgyak megfogására és felemelésére, megtartására, elforgatására, majd adott helyre történő elhelyezésére. Ezek a robotkezek jellemzően a munkadarab-megmunkáló gépek, illetve hattengelyű, derékszögű (descartes-i) koordinátarendszert használó vagy SCARA (választott síkban mozgatható csuklós robotkar, selective compliance articulated robot arm) robotkarok legtávolabbi részeire vannak felszerelve, mint a különböző anyagmozgatási feladatok elvégzésére szolgáló végberendezések . A vezérlések, az érzékelők és a visszacsatoló kapcsolatok terén az elmúlt évtizedekben elért fejlődést felhasználva a pneumatikus robotkéz mozgása (elsősorban a megfogás és az elengedés) általában koordinálva van annak a géptengelynek vagy robotkarnak a mozgásával, amelyhez csatlakozik.

A pneumatikus robotkezek működtetése

1. ábra: A képen egy robotkar végén lévő kétujjú pneumatikus robotkéz látható. A robotkéz ujjai fizikai kapcsolatot teremtenek a megfogandó tárggyal, és ezek az ujjak teszik lehetővé, hogy a robotkéz megtartsa, illetve elengedje a tárgyakat (kép: Kazakov • Getty Images)

2. ábra: Az ipari felhasználási területeken a párhuzamos, a háromujjú és a ferde ujjú robotkéz a három leggyakoribb robotkéztípus. Az itt látható háromujjú pneumatikus robotkéz 120°-onként elhelyezett ujjakkal van ellátva, hogy óvatosan feszítse szét az O-gyűrűket, és felhelyezze azokat a fogadó tengelyekre (kép: Schunk)

Az ipari felhasználási területeken – ide tartozik többek közt a robotizált felszedés és elhelyezés, a szerszámgépek, a munkadarabok megmunkálása és az összeszerelési munkák – a pneumatikus robotkezek messze a legelterjedtebb robotkéztípusok. Bár egyes pneumatikus robotkezek buborékos kialakítású vagy szívócsészés végberendezésekkel vannak felszerelve, az ujjas (illetve pofás) pneumatikus robotkezek a legelterjedtebbek, és hacsak nincs más leírás megadva, általában ezekre gondolnak az emberek a robotkéz szó említésekor.

Az ujjas és pofás kialakítású pneumatikus robotkezek működtetése sűrített levegővel történik. Valamilyen parancsjelre a szelepek lehetővé teszik, hogy a levegő áthaladjon a belső csatornákon, és működtesse a mechanikus rudazatot, amely ennek hatására nyitja vagy zárja a robotkéz ujjait. Ez az elsődleges részegységkészlet pneumatikus tömlőkből, vezérlő részegységekből és vezetékekből, az ezeknek a gépekhez és robotokhoz való rögzítéséhez szükséges rögzítőperemekből, üzembiztos mechanizmusokból, valamint az ezeket az alkatrészeket magában foglaló házból áll.

Bár általában a nyitott vagy elengedési (mechanikus nyomórugó által tartott) helyzet az alapértelmezett, a piacon kaphatóak olyan kialakítású robotkezek is, amelyeknek a zárt vagy megfogási helyzet az alapértelmezett helyzetük. Ahol a zárt (megfogási) helyzet az alapértelmezett, ott egy rugó biztosítja a robotkéz erejét, és a robotkézbe beengedett sűrített levegő szolgál az ujjak (vagy pofák) nyitására. Egyes robotkezek sűrített levegőt használnak mind a megfogáshoz, mind az elengedéshez szükséges erő kifejtésére.

1. videó: A legelterjedtebb megoldásokban a pneumatikus robotkéz egy speciális tömlőn keresztül csatlakozik egy sűrített levegős rendszerhez. A sűrített levegő ereje elmozdít egy dugattyút, amely aztán (valamilyen fogaskerekes áttételen, billenő- vagy csúszórudazaton keresztül) a külső ujjakat mozgatja a teljes mozgási tartományukban (videó: Schunk)

A pneumatikus robotkézbe jutó levegő vezérlése gyakran előre programozott megfogás-elengedési ciklusokra támaszkodik, vagy (kifinomultabb berendezésekben) a megfogott tárgyakat észlelő érzékelők visszajelzéseire.

Pneumatikus robotkéztípusok

3. ábra: A Schunk PGN-plus sorozatú, két párhuzamos pofával ellátott robotkezek hosszú pofamozdulatokat tesznek lehetővé, és tömítéseket, porálló kerek lineáris vezetősíneket tartalmaznak egy nagy szilárdságú alumíniumötvözetből készült házban, hogy elviseljék a sok szennyeződéssel járó ipari környezetet (kép: Schunk)

A pofás vagy ujjas pneumatikus robotkezeket a következők szerint osztályozzák:

• Kinematikai elrendezés, az ujjak vagy pofák száma, a működés és a rögzítés típusa
• Fizikai méret és legnagyobb fogóerő
• Az ujj vagy pofa és a ház szerkezeti felépítése – beleértve a behatolás elleni védelem szintjét (IP minősítés) is
• Csatlakoztathatóság az elterjedt ipari vezérlőhálózatokhoz

Napjainkban a kereskedelmi forgalomban először az 1970-es években megjelent pneumatikus kétujjú/kétpofás robotkezek a legelterjedtebbek – az összes pneumatikus robotkéz több mint felét teszik ki. Az ilyen kialakítású robotkezek ujjai/pofái csúsznak vagy egy forgáspont körül elfordulnak, és így kapuként vagy homárkarmokként záródnak a céltárgy köré. Használhatnak párhuzamosan mozgó pofákat vagy ferde ujjakat.

Pneumatikus robotkéz párhuzamosan mozgó pofákkal: A párhuzamos robotkezeken a két pofa – egyenes vonalú mozgással – ugyanazon tengely mentén csúszik befelé és kifelé a robotkéz házának felső részében kialakított pályán. A pofák jellemzően a befelé irányuló csúszás révén fogják meg a munkadarabokat vagy más tárgyakat. Létezik azonban számos olyan megoldás is, ahol a két pofa kifelé csúszik, hogy üreges vagy nyitott munkadarabokat (például O-gyűrűket vagy hengereket) a belső átmérőjüknél fogjon meg. Ezeknek a nagyon egyszerű robotkezeknek rengeteg előnyük van. Az ilyen robotkezek különböző részegységei egyszerűbben gyárthatók, mint más robotkezekéi, így ezek a robotkezek nagyon költségtakarékosak. Ezenkívül a pofa teljes elmozdulási útján állandó a fogóerő, ami megkönnyíti az ilyen robotkezek kényes vagy nyomásérzékeny munkadarabokhoz való használatát. Végül pedig a párhuzamos robotkezeket ki lehet alakítani úgy, hogy kellően szélesen zárjanak vagy nyissanak – akár néhány méteres vagy annál is nagyobb távolságban is.

Pneumatikus robotkezek ferde ujjakkal: Az ujjak működtőegységhez kapcsolódó vége egy állandó forgásponthoz van rögzítve. A pneumatikus erő ráadáskor egy dugattyú és egy mechanikus ékelem hatására az ujjak becsukódnak (illetve más változatokban kinyílnak), mint a franciaablakok. Nyitott helyzetben az ujjak kifelé állnak a robotkéz házán túl, vagy akár egyenesen kifelé állnak. Zárt (jellemzően fogási) helyzetben a robotkéz ujjainak vége befelé dől, hogy az ujjak kúpos fogóformába záródjanak. Az ilyen robotkezek használatakor az egyik jellemző, amire oda kell figyelni, az, hogy a párhuzamos pofájú típusokkal ellentétben a ferde ujjaknak korlátozott a mozgási útvonaluk, és a mozgási útvonal mentén a robotkéz ujjai változó erőt fejtenek ki. Mindezek mellett a dugattyúval közvetlenül mozgatott ferde ujjú robotkezek kivételesen nagy – akár 2300 N vagy még nagyobb – fogóerőt is kifejthetnek.

Nagyobb ujjszám: három- és négyujjú robotkezek

Ahol a kétujjú pneumatikus robotkezek nem megfelelőek a munkadarabok mozgatására, ott a három- vagy négyujjú (sőt, a kifejezetten emberszerű robotikai eszközökben akár ötujjú) robotkezek biztosabb fogást és nagyobb stabilitást tesznek lehetővé. De hogy egyértelmű legyen: az összes ilyen robotkéz együtt is sokkal kevésbé elterjedt, mint a kétujjú, és az ipari felhasználási területeken is csak a háromujjú robotkezek gyakoriak a kétujjúakon kívül. A jobb használhatóságnak ára van, de a háromujjú robotkezek képesek megfogni a bonyolultabb vagy kihívást jelentő formájú munkadarabokat és egyéb tárgyakat is. Az úgynevezett önközpontosító háromujjú pneumatikus robotkezek három egymástól egyforma távolságra lévő ujjat tartalmaznak (egymástól 120°-ra elhelyezve egy gépi tokmányban), ami tevékenységváltáskor szükségessé teszi az ujjak cseréjét. Ezek az ujjak befelé záródnak, hogy a középpontban lévő munkadarabot megfogják. Ezzel szemben az úgynevezett alkalmazkodó háromujjú pneumatikus robotkezek két ujja együtt mozog, a harmadik pedig hüvelykujjként szemben áll velük. Ez a robotkéztípus a mobil robotokon a leggyakoribb, és többféleképpen is fel tudja venni a tárgyakat, mert képes alkalmazkodni az adott munkadarab alakjához.

Belső fogás és kettős működés

Bár a pneumatikus robotkezek többségét az alkatrészek kívülről történő megfogására használják (a tárgy külső felületeivel érintkeznek), a belülről való megfogás számos összeszerelési területen alapvető fontosságú. Itt a robotkéz ujjai kinyílnak, hogy belülről fogják meg az üreges kialakítású tárgyakat. Bizonyos esetekben a robotkezekkel külső és belső megfogást is lehet végezni, viszont ezeket a robotkezeket úgy kell megtervezni, hogy mindkét feladatra alkalmasak legyenek.

A pofás és ujjas pneumatikus robotkezek lehetnek egyszeres és kettős működtetésű típusok is. Az egyszeres működtetésű robotkezekben a sűrített levegő ereje hozza létre a fogó mozdulatot és a fogóerőt. A sűrítettlevegő-ellátás kikapcsolása után az ujjak egy egyszerű nyomórugónak köszönhetően visszatérnek eredeti helyzetükbe, és ott is maradnak. Ezzel szemben a kettős működtetésű robotkezek sűrített levegővel való működtetést igényelnek mind a megfogó, mind az elengedő mozdulathoz. A kettős működésű robotkezek a fent leírtak szerint képesek lehetnek mind a belülről, mind a kívülről történő megfogásra.

A pneumatikus robotkezek gyakori felhasználási területei

4. ábra: A Schunk PGN-plus robotkéz működtetése egy ovális dugattyúval történik (kép: Schunk)

A pneumatikus robotkezeket elterjedten használják ipari környezetekben – különösen automatizált robotcellákban, összeszerelő- és gyártósorokon, a fejlett gyártáshoz kapcsolódó gépkezelés területén, veszélyes üzemi területeken, a logisztikában és az automatizált raktárkezelési műveletekben. A kereskedelmi, szabadidős és fogyasztói robotikai alkalmazások (beleértve a közlekedéshez kapcsolódó bionikát is) ma még kis, de egyre növekvő köre is használ pneumatikus robotkezeket.

Érdemes megfontolni a pneumatikus robotkezek használatát az élelmiszer- és italfeldolgozó és -csomagoló berendezések anyagmozgatásához is. Itt a pneumatika tiszta működése előnyös, és a pneumatikusan működtetett ujjú robotkezek kiegészítik más levegővel működtetett, például buborékos és szívócsészés robotkéztípusok használatát a dobozoktól és borosüvegektől kezdve a tojásokig és cukorkás zacskókig mindenféle termék kezelésénél. Ezzel szemben a szerszámgépekben alkalmazott robotkezeket jellemzően csak egy munkadarab-típushoz tervezték – és egyes esetekben még az is a feladatuk, hogy ezeket a munkadarabokat a megmunkálás vagy más folyamatok végrehajtása közben tartsák. Ahol a pneumatikus robotkezek összeszerelésben vagy válogatásban és kiválasztásban vesznek részt, ott gyakran érzékelőrendszerek vagy akár gépilátás-rendszerek segítik őket, hogy irányítsák a tevékenységüket. Más esetekben a robotkézben lévő Hall-érzékelők és közelségérzékelők elegendő visszacsatolást biztosíthatnak.

A pneumatikus robotkezek előnyei és korlátai

A pneumatikus robotkezek egyik legfontosabb előnye más robotkéztípusokkal szemben, hogy számos méretben és a néhány N-ostól a több kN-osig többféle fogóerővel kaphatóak, és a különböző felhasználásokhoz igazíthatóak – akár óránként több ezer ismétlést igénylő tevékenységekhez is. Az ipari pneumatikus robotkezek a nagy pontosságú automatizálási feladatokhoz is páratlan ismételhetőséget kínálnak. Ezenkívül a pneumatikus robotkezek:

• költség- és energiatakarékosan üzemeltethetőek
• könnyűek és kis méretűek – különösen bizonyos villanymotoros és hidraulikus megoldásokhoz képest

Hidraulikus és villamos társaikkal ellentétben a pneumatikus robotkezekre különösebben nincs hatással a munkakörnyezet. Ezzel szemben például a villamos működtetésű, érzékeny elektronikával ellátott robotkezek párás környezetben meghibásodhatnak.

Természetesen a pneumatikus robotkezeknek is vannak hátrányaik és korlátaik. Ezek főként a pneumatikus szerkezetek és általában a sűrített levegős rendszerek működési költségeivel és összetettségével kapcsolatosak. Az ilyen rendszerek kezdeti beállítása költséges és bonyolult lehet. Ez azt jelenti, hogy gazdaságosabb a használatuk, ha az adott ipari üzem már máshol is használ sűrített levegős rendszereket.

A pneumatikus robotkéz kiválasztási szempontjai

Az adott anyagmozgatási területre szánt pneumatikus robotkezek méretezése és műszaki adatainak meghatározása a legfontosabb tervezési paraméterek egyértelmű meghatározásával kezdődik.

Méret és fogóerő: A pneumatikus robotkéznek eléggé ki kell nyílnia ahhoz, hogy a mozgatott tárgyakat be tudja fogadni. A szükséges pneumatikus robotkéz ujjának vagy pofájának ereje függ a mozgatott tárgyak tömegétől, valamint az ujj vagy pofa és a tárgy közötti súrlódási együtthatótól, az ujj vagy pofa és a tárgy érintkezési felületétől és az ellenoldali ujjak/pofák nyomásának ellensúlyozához szükséges erőtől. A robotkézujjak és -pofák kiválóan megtervezett anyagai és bevonatai növelhetik az ujj vagy pofa és a tárgy közötti súrlódási együtthatót. Természetesen az élelmiszeripari vagy gyógyszeripari alkalmazásokban használt pneumatikus robotkézujjakat vagy -pofákat az FDA (az amerikai Élelmiszer- és Gyógyszerfelügyelet) által jóváhagyott anyagokból kell készíteni, vagy azokkal kell bevonni.

A mozgatott alkatrészek méretének és tömegének aránya igen változatos – gyakran a könnyű, ámde terjedelmes elemek jelentik a legnagyobb kihívást a robotkéz tervezésénél.

Az alkatrész alakja: A bonyolult alakú mozgatott tárgyak miatt gyakran kettő helyett három ujjal ellátott pneumatikus robotkezek használatára lehet szükség. Ez különösen igaz akkor, ha egy munkadarab-sorozat elemeinek alakja is némileg eltérő lehet. Ahol azonban a munkadarabok egyformák, a kétujjú/kétpofás robotkezek ujjai/pofái lehetnek testreszabott felületűek és formájúak, hogy alkalmazkodjanak az ilyen tárgyak egyedi megfogási pontjaihoz. A kétujjú/kétpofás robotkezekkel elérhető költségmegtakarítás gyakran indokolja azok alkalmazását, amennyiben ez a megoldás megfelel a művelet követelményeinek.

Működési környezet: A pneumatikus robotkezek csapágyai, belső mechanikai elemei és házai sokfélék lehetnek, hogy megfeleljenek a tiszta és szennyezett üzemi környezeteknek is. Különösen fontosak a pneumatikus robotkezek hőmérséklet-besorolásai (amelyek azokat a hőmérséklet-tartományokat szabják meg, amelyeken belül a robotkéz optimálisan működik), valamint az IP-besorolások, amelyek azt adják meg, hogy az adott robotkéz milyen mértékben tud ellenállni a szilárd részecskék és a nedvesség behatolásának.

Összegzés

A pneumatikus robotkezek olyan robotokhoz való végberendezések, amelyek nélkülözhetetlenek a gyártósorokon történő anyagmozgatáshoz. Ezek a robotkezek munkadarabokat és más tárgyakat tartanak, állítanak be és helyeznek el feldolgozásra, más alkatrészekkel való összeszerelésre vagy selejtezésre – például szállítószalagról levéve, amint egy minőség-ellenőrző állomáson haladnak keresztül. A pneumatikus robotkezek működtetéséhez szükséges sűrített levegős rendszerek hátrányai ellenére gyakran ezek jelentik a legtisztább, leggyorsabb és legmegfelelőbb választást az alkatrészmozgatáshoz.