Principes de base des pinces pneumatiques pour les applications industrielles

Les pinces pneumatiques sont des dispositifs électromécaniques utilisés dans les applications industrielles pour saisir et soulever, maintenir, faire pivoter et placer des objets à des endroits précis. Ces pinces s'installent généralement aux extrémités des machines d'usinage de pièces ou des bras robotiques à six axes, cartésiens ou SCARA en tant qu'effecteurs terminaux pour exécuter diverses tâches de manutention. Grâce aux progrès réalisés au cours des dernières décennies en matière de commandes, de capteurs et de connectivité de retour, les mouvements des pinces pneumatiques (principalement pour saisir et relâcher) sont généralement coordonnés avec ceux de l'axe de la machine ou du bras robotique sur lequel elles sont montées.

Fonctionnement des pinces pneumatiques

Figure 1 : Pince pneumatique à deux doigts à l'extrémité d'un bras robotique. Les doigts de la mâchoire entrent en contact physique avec l'objet à saisir et permettent à la pince de tenir et de relâcher les objets. (Source de l'image : Kazakov • Getty Images)

Figure 2 : Les pinces parallèles, à trois doigts et angulaires sont les trois types de pinces les plus courants dans les applications industrielles. La pince pneumatique à trois doigts présentée ici a des doigts décalés de 120° pour étirer délicatement les joints toriques et les monter sur les arbres récepteurs. (Source de l'image : Schunk)

Les pinces pneumatiques sont de loin le type de pinces le plus courant pour les applications industrielles impliquant des robots de transfert, des machines-outils, l'usinage de pièces et des tâches d'assemblage. Bien que certaines pinces pneumatiques prennent la forme d'effecteurs terminaux à ventouse et de type soufflet, les pinces pneumatiques avec doigts ou mâchoires sont les plus répandues et sont généralement adoptées lorsqu'aucun autre contexte n'est donné.

Les pinces pneumatiques à mâchoires utilisent de l'air comprimé pour leur fonctionnement. Sous l'effet d'un signal de commande, les valves permettent à l'air de circuler dans les canaux internes et d'activer les liaisons mécaniques qui, à leur tour, ouvrent et ferment les doigts de la pince. Cet ensemble primaire de sous-composants est complété par des tuyaux pneumatiques, des câbles et des sous-composants de commande, des brides de montage pour la fixation aux machines et aux robots, des mécanismes de sécurité et un boîtier qui renferme ces composants.

Bien que la position relâchée (maintenue par un ressort de compression mécanique) soit généralement la position par défaut, il existe également sur le marché des modèles de pinces en position de préhension par défaut. Lorsque la position fermée (préhension) est la position par défaut, un ressort fournit la force de préhension … et l'introduction d'air comprimé dans la pince sert à ouvrir les mâchoires. En fait, certaines pinces utilisent l'air comprimé à la fois pour la force de préhension et de relâchement.

Vidéo 1 : Dans une variante courante, la pince pneumatique est reliée par un tuyau spécial à un système d'air comprimé. La force de l'air comprimé déplace un piston qui, à son tour (par l'intermédiaire d'un engrenage, d'une bascule ou d'une glissière), fait bouger les mâchoires extérieures sur toute leur course. (Source de la vidéo : Schunk)

La commande de l'air dans une pince pneumatique dépend souvent de cycles de préhension-relâchement préprogrammés … ou (dans des applications plus sophistiquées) du retour d'informations des capteurs qui détectent les objets tenus.

Types de pinces pneumatiques

Figure 3 : Les pinces parallèles à deux doigts de la série PGN-plus de Schunk fournissent de longues courses de mâchoires et incluent des joints, des guides linéaires ronds résistants à la saleté et des logements en alliage d'aluminium à haute résistance pour survivre aux environnements industriels sales. (Source de l'image : Schunk)

Les pinces pneumatiques à mâchoires et à doigts sont classées selon les critères suivants :

• Disposition cinématique, nombre de doigts, action et type de montage
• Taille physique et force de préhension maximum
• Construction de la mâchoire et du logement — y compris le niveau de protection
• Connectivité aux réseaux de contrôle industriel courants

Commercialisées pour la première fois dans les années 1970, les pinces pneumatiques à deux doigts sont les plus largement utilisées aujourd'hui — représentant plus de la moitié de toutes les applications de pinces pneumatiques. Les doigts de ces modèles glissent ou basculent sur des points de pivot pour se fermer comme une barrière ou une pince de homard autour des objets cibles. Ces pinces peuvent utiliser soit une action parallèle des mâchoires, soit une action angulaire des doigts.

Pinces pneumatiques à action parallèle des mâchoires : Dans les pinces parallèles, les deux doigts glissent vers l'intérieur et vers l'extérieur — en ligne droite — sur le même axe le long de rails situés dans le corps supérieur de la pince. En général, c'est l'action de glissement vers l'intérieur qui saisit les pièces ou d'autres objets. Cependant, il existe de nombreuses applications dans lesquelles les deux doigts glissent vers l'extérieur pour fixer des pièces creuses ou ouvertes (comme des joints toriques ou des cylindres, par exemple) depuis leur diamètre intérieur. Les avantages de ces pinces très simples sont nombreux. Les différents sous-composants de ces pinces sont plus simples à fabriquer que d'autres, ce qui rend ces pinces très rentables. En outre, la force de préhension est constante sur toute la course du doigt, ce qui simplifie le travail associé aux applications impliquant des pièces délicates ou sensibles à la pression. Enfin, les pinces parallèles peuvent être conçues pour se fermer et s'ouvrir assez largement — même jusqu'à 60 centimètres ou plus.

Pinces pneumatiques à action angulaire des doigts : Dans ces pinces, les extrémités actionnées des doigts sont fixées à un point de pivot fixe. Sous l'effet de l'énergie pneumatique, un piston et un élément de calage mécanique font pivoter les doigts pour les fermer (ou, dans d'autres variantes, les ouvrir) comme des portes-fenêtres. En position ouverte, les mâchoires s'étendent vers l'extérieur au-delà du corps de la pince ou dépassent. En position fermée (généralement de préhension), les extrémités des doigts de la pince s'inclinent vers l'intérieur pour se refermer en une forme de préhension effilée. L'utilisation de ces pinces pose un problème de conception : contrairement aux types à doigts parallèles, les doigts angulaires ont une course limitée et génèrent une force de préhension qui varie le long de la course d'actionnement. Cependant, les pinces à doigts angulaires sous l'action directe d'un piston peuvent avoir une force de préhension exceptionnellement élevée — jusqu'à 2300 N ou plus.

Nombre de doigts plus élevé : pinces à trois et quatre doigts

Lorsque les pinces pneumatiques à deux doigts ne conviennent pas pour manipuler les pièces d'une opération, les pinces à trois ou quatre doigts (et même à cinq doigts dans les applications robotiques spécialisées de type humanoïde) peuvent offrir un meilleur support de préhension et une meilleure stabilité. Mais soyons clairs : toutes ces pinces sont beaucoup moins courantes que les pinces à deux doigts … et seules les pinces à trois doigts sont fréquentes dans les applications industrielles. Leur niveau d'applicabilité supérieur a un coût, mais les pinces à trois doigts peuvent saisir des pièces et d'autres articles à la géométrie plus complexe ou plus difficile. Les pinces pneumatiques à trois doigts dites à centrage automatique comprennent un trio de doigts régulièrement espacés (120° sur un mandrin de machine) qui nécessitent le remplacement des doigts pour un changement d'opération. Elles se ferment vers l'intérieur pour saisir les pièces en un point central. En revanche, les pinces pneumatiques à trois doigts dites adaptatives placent deux doigts ensemble et le troisième de manière opposée comme un pouce. Plus courantes sur les robots mobiles, ces pinces peuvent saisir des objets de plusieurs façons pour s'adapter aux variations de la géométrie d'une pièce donnée.

Préhension interne et double action

Bien que la majorité des pinces pneumatiques soient utilisées pour saisir les pièces de l'extérieur (contact avec les surfaces extérieures de l'objet), les opérations de préhension interne sont essentielles pour de nombreuses applications d'assemblage. Ici, les doigts de la pince s'écartent pour saisir les objets à géométrie creuse de l'intérieur. Dans certains cas, les pinces peuvent être chargées des opérations de préhension externe et interne — mais elles doivent être conçues pour avoir les deux capacités.

Les pinces pneumatiques à mâchoires et à doigts peuvent également prendre la forme de pinces à simple ou double action. Dans les pinces à action simple, la force de l'air comprimé génère le mouvement et la force de préhension. Une fois l'alimentation coupée, les doigts reviennent et restent dans leur position initiale grâce à l'action d'un simple ressort de compression. En revanche, les pinces à double action nécessitent l'actionnement de l'air comprimé pour les deux mouvements de prise et de relâchement. En fait, les pinces à double action peuvent être capables de réaliser une préhension interne et externe comme décrit ci-dessus.

Applications courantes des pinces pneumatiques

Figure 4 : La pince PGN-plus de Schunk est dotée d'une commande à piston ovale. (Source de l'image : Schunk)

Les pinces pneumatiques sont largement utilisées dans les environnements industriels, en particulier pour les cellules de travail automatisées, les lignes d'assemblage et de production, les machines associées à la fabrication avancée, les zones industrielles dangereuses, la logistique et les opérations de stockage automatisé. Un nombre restreint mais croissant d'applications robotiques commerciales, récréatives et grand public (y compris la bionique de mobilité) utilise également des pinces pneumatiques.

Pensez aux pinces pneumatiques pour la manutention des matériaux dans les équipements de transformation et de conditionnement alimentaires. Le fonctionnement propre des pinces pneumatiques est un atout — et les pinces à doigts à actionnement pneumatique complètent l'utilisation d'autres types de pinces pneumatiques à soufflet et à aspiration pour tout manipuler, des boîtes et bouteilles de vin aux œufs et sacs de bonbons. En revanche, les pinces utilisées dans les applications de machines-outils sont généralement conçues pour un seul type de pièce — et dans certains cas, elles sont même chargées de maintenir ces pièces pendant l'usinage ou d'autres processus. Lorsque les pinces pneumatiques sont impliquées dans l'assemblage, le tri et la sélection, elles sont souvent assistées par des capteurs, voire des systèmes de vision artificielle, pour diriger leurs actions. Dans le cas contraire, des capteurs à effet Hall et des capteurs de proximité dans la pince peuvent fournir un retour d'informations suffisant.

Avantages et limites des pinces pneumatiques

L'un des principaux avantages des pinces pneumatiques par rapport aux autres types de pinces est qu'elles sont disponibles dans de nombreuses tailles et forces de préhension, s'étendant de quelques newtons à plusieurs kilo-newtons, et qu'elles peuvent être adaptées à différentes applications, même celles nécessitant des milliers de répétitions par heure. Les pinces pneumatiques industrielles offrent également une répétabilité inégalée pour les tâches d'automatisation de précision. En outre, les pinces pneumatiques offrent les avantages suivants :

• Elles sont rentables et écoénergétiques.
• Elles sont légères et compactes, notamment par rapport à certaines options motorisées et hydrauliques.

Contrairement à leurs homologues hydrauliques et électriques, les pinces pneumatiques sont peu affectées par leur environnement de travail. Cela contraste avec les pinces à actionnement électrique dont l'électronique sensible peut mal fonctionner dans les environnements humides.

Bien entendu, les pinces pneumatiques présentent quelques inconvénients et limitations. Ceux-ci sont principalement liés au coût opérationnel et à la complexité des conceptions pneumatiques et des systèmes à air comprimé en général. La configuration initiale de ces systèmes peut être coûteuse et compliquée. Cependant, des économies d'échelle sont possibles lorsqu'une opération industrielle utilise déjà des systèmes à air comprimé ailleurs.

Critères de sélection des pinces pneumatiques

Le dimensionnement et la spécification des pinces pneumatiques pour une application de manutention donnée doivent commencer par une définition claire des paramètres de conception clés.

Taille et force de préhension : Les pinces pneumatiques doivent pouvoir s'ouvrir suffisamment pour saisir les objets à manipuler. La force requise pour les doigts de la pince pneumatique dépend du poids des objets à manipuler ainsi que du coefficient de friction entre le doigt et l'objet, de la surface de contact entre le doigt et l'objet, et de la force pour contrer celle des doigts opposés. Des matériaux et des revêtements haute technicité pour les doigts de la pince peuvent augmenter le coefficient de friction entre le doigt et l'objet. Bien entendu, les mâchoires des pinces pneumatiques destinées à être utilisées dans les applications alimentaires ou pharmaceutiques doivent être fabriquées ou recouvertes avec matériaux approuvés par la FDA.

Le rapport entre la taille et le poids de la pièce manipulée varie considérablement, les articles légers mais volumineux posant souvent les plus grands défis en matière de conception de pinces.

Géométrie des pièces : Les objets manipulés présentant des géométries complexes nécessitent souvent des pinces pneumatiques à trois doigts au lieu de deux. Cela est particulièrement vrai lorsqu'une série de pièces peut présenter des géométries légèrement différentes. Mais lorsque les pièces sont uniformes, les pinces à deux doigts peuvent intégrer des surfaces et des formes personnalisées pour s'adapter aux points de préhension spécifiques de ces objets. Les économies réalisées grâce aux pinces à deux doigts peuvent souvent justifier leur utilisation lorsque cette solution répond aux exigences de l'entreprise.

Environnement de travail : Les roulements, les éléments mécaniques internes et les logements des pinces pneumatiques sont nombreux pour répondre aux besoins des environnements de travail propres et contaminés. Les indices de température des pinces pneumatiques (qui stipulent les plages dans lesquelles une pince fonctionnera de manière optimale) sont particulièrement importants, de même que les indices IP qui définissent le niveau de particules et d'humidité auquel une pince donnée peut résister avant une infiltration.

Conclusion

Les pinces pneumatiques sont des effecteurs terminaux robotiques essentiels à la manutention des matériaux sur les lignes de production. Ces pinces maintiennent, orientent et placent des pièces et d'autres objets en vue de leur traitement, de leur assemblage avec d'autres pièces ou de leur rejet — par exemple d'un convoyeur vers un poste de contrôle de la qualité. Malgré les inconvénients des systèmes à air comprimé nécessaires au fonctionnement des pinces pneumatiques, celles-ci constituent souvent le choix le plus propre, le plus rapide et le mieux adapté à la manipulation des pièces.