Nozioni di base sulle pinze pneumatiche per applicazioni industriali

Le pinze pneumatiche sono dispositivi elettromeccanici utilizzati in applicazioni industriali per afferrare e sollevare, mantenere, ruotare e posizionare oggetti in posizioni prestabilite. Queste pinze si installano tipicamente sulle estremità di macchine per la lavorazione dei pezzi o di bracci robotici a sei assi, cartesiani o a conformità selettiva articolata (SCARA) come effettori terminali per eseguire vari compiti di manipolazione dei materiali. Forti dei progressi degli ultimi decenni in materia di controlli, sensori e connettività di retroazione, i movimenti delle pinze pneumatiche (principalmente per afferrare e rilasciare) in genere si coordinano con quelli dell'asse della macchina o del braccio robotico su cui sono montati.

Funzionamento di una pinza pneumatica

Figura 1: Una pinza pneumatica a due dita all'estremità di un braccio robotico. Le dita della ganascia entrano in contatto fisico con l'oggetto da afferrare e permettono alla pinza di trattenere e rilasciare gli oggetti. ((Immagine per gentile concessione di Kazakov • Getty Images)

Figura 2: Le pinze parallele, a tre dita e angolate sono i tre tipi di pinze più comuni nelle applicazioni industriali. La pinza pneumatica a tre dita qui illustrata ha le dita sfalsate di 120° per tendere delicatamente gli anelli toroidali e montarli sugli alberi riceventi. (Immagine per gentile concessione di Schunk)

Le pinze pneumatiche sono di gran lunga il tipo più comune per le applicazioni industriali di pick-and-place robotico, macchine utensili, lavorazione dei pezzi e attività di assemblaggio. Anche se alcune pinze pneumatiche hanno la forma di effettori terminali di presa a vescica e a ventosa, le pinze pneumatiche con dita o ganasce sono le più diffuse e quelle cui generalmente si pensa quando non viene dato altro contesto.

Le pinze pneumatiche a ganasce usano l'aria compressa per funzionare. Quando viene impartito un segnale di comando, le valvole permettono all'aria di passare attraverso i canali interni e attivano i collegamenti meccanici - che a loro volta aprono e chiudono le dita della pinza. A sostegno di questa serie primaria di sottocomponenti ci sono tubi pneumatici, elementi di controllo e cablaggio, flange di montaggio per il fissaggio a macchine e robot, meccanismi di sicurezza e un alloggiamento che racchiude tutti questi componenti.

Anche se la posizione rilasciata (tenuta da una molla di compressione meccanica) è di solito l'impostazione predefinita, sul mercato sono disponibili anche pinze preimpostate per la presa. Quando la posizione chiusa (di presa) è l'impostazione predefinita, una molla fornisce la forza di presa e l'aria compressa alimentata nella pinza serve ad aprire le ganasce. Alcune pinze si affidano all'aria compressa sia per la presa sia per il rilascio della forza.

Video 1: In una variante comune, la pinza pneumatica si collega tramite un tubo speciale a un sistema ad aria compressa. La forza dell'aria compressa sposta un pistone che a sua volta (attraverso un ingranaggio, una leva o un collegamento a slitta) fa sì che le ganasce esterne si attivino per l'escursione della loro corsa. (Video per gentile concessione di Schunk)

Il controllo dell'aria in una pinza pneumatica si basa spesso su cicli preprogrammati di rilascio della presa o - in applicazioni più sofisticate - sulla retroazione dei sensori che rilevano gli oggetti trattenuti.

Tipi di pinze pneumatiche

Figura 3: Le pinze parallele a due dita serie PGN-plus di Schunk offrono ganasce ad ampia escursione e includono tenute, guide lineari rotonde resistenti alla sporcizia e alloggiamenti in lega di alluminio ad alta resistenza per sopravvivere agli ambienti industriali. (Immagine per gentile concessione di Schunk)

Le pinze pneumatiche a ganasce e a dita sono classificate in base alla loro:

• Disposizione cinematica, numero di dita, azione e tipo di montaggio
• Dimensioni fisiche e forza di presa massima
• Costruzione delle ganasce e dell'alloggiamento - incluso il livello di protezione dalle infiltrazioni
• Connettività alle comuni reti di controllo industriale

Disponibili per la prima volta in commercio negli anni 1970, le pinze pneumatiche a due dita sono oggi le più diffuse e rappresentano più della metà di tutte le applicazioni di presa pneumatica. Le dita in questi modelli scorrono o oscillano su punti di rotazione per chiudersi come un cancello o una chela di aragosta intorno agli oggetti. Possono utilizzare sia l'azione parallela delle ganasce sia l'azione angolata delle dita.

Pinze pneumatiche con azione parallela delle ganasce: nelle pinze parallele, le due dita scorrono verso l'interno e verso l'esterno - con un movimento in linea retta - sullo stesso asse lungo piste nel corpo superiore della pinza. Tipicamente, l'azione di scorrimento verso l'interno permette di afferrare i pezzi o altri oggetti. Tuttavia, molte sono le applicazioni in cui le due dita scorrono verso l'esterno per fissare pezzi cavi o aperti (come anelli toroidali o cilindri) afferrandoli per il diametro interno. I vantaggi di queste semplici pinze sono molteplici. I vari sottocomponenti di queste pinze sono più semplici da produrre rispetto ad altri, rendendo queste pinze economicamente molto vantaggiose. Inoltre, esercitano una forza di presa costante su tutta la corsa e questo semplifica il lavoro associato alle applicazioni che riguardano pezzi delicati o altrimenti sensibili alla pressione. Infine, le pinze parallele possono essere progettate per chiudersi e aprirsi su un'area piuttosto ampia - anche 60 cm o più.

Pinze pneumatiche con azione angolare delle dita: in queste pinze, le estremità azionate delle dita sono bloccate a un punto di rotazione fisso. Quando viene applicata la potenza pneumatica, un pistone e un elemento meccanico a cuneo fanno sì che le dita si chiudano (o, in altre varianti, si aprano) a mo' di portafinestra. In posizione aperta, le ganasce sporgono verso l'esterno oltre il corpo della pinza o si proiettano in avanti. Nella posizione chiusa (tipicamente di presa), le punte delle dita della pinza si inclinano verso l'interno per chiudersi in una forma di presa affusolata. Un'accortezza progettuale quando si usano queste pinze: a differenza dei tipi a dita parallele, le dita angolate hanno corse limitate e generano una forza di presa variabile lungo la corsa di attuazione. Detto questo, le pinze a dita angolate sotto l'azione diretta del pistone possono avere una forza di presa eccezionalmente alta - fino a 2.300 N o superiore.

Un numero maggiore di dita: pinze a tre e quattro dita

Laddove le pinze pneumatiche a due dita sono inadeguate a gestire i pezzi di un'operazione, le pinze a tre e quattro dita (e persino quelle a cinque dita in applicazioni speciali di robotica umanoide) possono fornire un migliore supporto e stabilità di presa. Per chiarire: tutte queste pinze sono molto meno comuni delle pinze a due dita e solo le pinze a tre dita sono comuni nelle applicazioni industriali. Il loro più alto livello di applicabilità ha un costo, ma le pinze a tre dita possono afferrare pezzi e altri oggetti con una geometria più complessa. Le cosiddette pinze pneumatiche a tre dita autocentranti comprendono un trio di dita equidistanziate (120° su un mandrino della macchina) che richiedono la sostituzione delle dita per un cambio di operazione. Queste si chiudono verso l'interno per afferrare i pezzi in un punto centrale. Al contrario, le cosiddette pinze pneumatiche adattive a tre dita uniscono due dita e la terza agisce in opposizione come il pollice. Più comuni nella robotica mobile, tali pinze possono afferrare gli oggetti in diversi modi per adattarsi alle variazioni della geometria di un dato pezzo.

Presa interna e doppio effetto

Anche se la maggior parte delle pinze pneumatiche è utilizzata per afferrare i pezzi dalla parte esterna (contatto con le superfici esterne dell'oggetto) le operazioni di presa interna sono essenziali per molte applicazioni di assemblaggio. Qui, le dita della pinza si aprono per afferrare oggetti con geometrie cave dall'interno. In alcuni casi, le pinze possono eseguire operazioni di presa sia esterne che interne - ma devono essere progettate per entrambe le capacità.

Le pinze pneumatiche a ganasce e a dita possono assumere anche la forma di prese a singola o doppia azione. Nelle pinze a singolo effetto, la forza dell'aria compressa genera il movimento e la presa. Una volta interrotta l'alimentazione, le dita tornano e rimangono nella loro posizione originale grazie all'azione di una semplice molla di compressione. Al contrario, le pinze a doppio effetto richiedono l'attuazione dell'aria compressa per entrambi i movimenti di presa e rilascio. Infatti, le pinze a doppio effetto possono effettuare sia la presa interna sia quella esterna come descritto sopra.

Applicazioni comuni di una pinza pneumatica

Figura 4: La pinza PGN-plus di Schunk ha un azionamento a pistone ovale. (Immagine per gentile concessione di Schunk)

Le pinze pneumatiche sono ampiamente utilizzate in ambito industriale - soprattutto per le celle di lavoro automatizzate, le linee di assemblaggio e di produzione, la gestione di macchine associate alla produzione avanzata, le aree di impianti pericolosi e la logistica, nonché le operazioni di stoccaggio automatizzato. Una piccola ma crescente serie di applicazioni di robotica commerciale, ricreativa e consumer (compresa la bionica della mobilità) fa anche uso di pinze pneumatiche.

Considerate le pinze pneumatiche per la movimentazione dei materiali nelle attrezzature per la lavorazione e l'imballaggio di alimenti e bevande. Qui, il funzionamento pulito della pneumatica è un vantaggio - e le pinze a dita ad azione pneumatica completano l'uso di altri tipi di pinze a vescica e ventosa ad aria compressa per gestire tutto, da scatole e bottiglie di vino a uova e sacchetti di caramelle. Al contrario, le pinze nelle applicazioni per macchine utensili sono tipicamente progettate per un solo tipo di pezzo - e in alcuni casi, sono anche incaricate di trattenere quei pezzi durante la lavorazione o altri processi. Laddove le pinze pneumatiche sono coinvolte nell'assemblaggio o nello smistamento e nella selezione, spesso sono supportate da sensori o anche da sistemi di visione artificiale per impartire loro le azioni. Altrimenti, i sensori a effetto Hall e di prossimità nella pinza possono fornire una retroazione sufficiente.

Vantaggi e limiti delle pinze pneumatiche

Un vantaggio chiave delle pinze pneumatiche rispetto ad altri tipi di pinze è che sono disponibili in numerose dimensioni e forze di presa, da pochi newton a diversi kilonewton e possono essere adattate a diverse applicazioni - comprese quelle che richiedono migliaia di ripetizioni all'ora. Le pinze pneumatiche industriali offrono anche una ripetibilità senza pari per compiti di automazione di precisione. Inoltre, le pinze pneumatiche:

• Sono economicamente vantaggiose ed efficienti dal punto di vista energetico
• Sono leggere e compatte - specialmente se paragonate a certe opzioni basate su motore e sull'idraulica

A differenza delle loro controparti idrauliche ed elettriche, le pinze pneumatiche in generale non sono interessate dall'ambiente di lavoro. Questo è in forte contrasto con le pinze ad azionamento elettrico che hanno un'elettronica sensibile e possono malfunzionare in ambienti umidi.

Naturalmente, le pinze pneumatiche hanno alcuni svantaggi e limiti. Questi sono principalmente legati al costo operativo e alla complessità dei progetti pneumatici e dei sistemi ad aria compressa in generale. La configurazione iniziale di tali sistemi può essere costosa e complicata. Detto questo, vi sono considerazioni importanti sull'economia di scala quando un'operazione industriale fa già uso di sistemi ad aria compressa altrove.

Criteri di selezione delle pinze pneumatiche

Il dimensionamento e le specifiche delle pinze pneumatiche per una data applicazione di manipolazione dei materiali devono iniziare con la chiara definizione dei parametri di progettazione.

Dimensioni e forza di presa: le pinze pneumatiche devono aprirsi quanto basta per accogliere gli oggetti da manipolare. La forza richiesta per le dita della pinza pneumatica dipende dal peso degli oggetti da maneggiare e dal coefficiente di attrito dito-oggetto, dall'area di contatto dito-oggetto e dalla forza per contrastare quella delle dita opposte. I materiali e i rivestimenti delle dita di presa altamente ingegnerizzati possono aumentare il coefficiente di attrito dito-oggetto. Naturalmente, le ganasce delle pinze pneumatiche per l'uso in applicazioni alimentari o farmaceutiche devono essere fatte o rivestite con materiali approvati dagli enti preposti (FDA negli Stati Uniti).

Vi è un'ampia variabilità nel rapporto tra le dimensioni e il peso del pezzo manipolato - gli oggetti leggeri ma ingombranti spesso pongono le maggiori sfide alla progettazione della pinza.

Geometria del pezzo: gli oggetti con geometrie complesse possono spesso richiedere pinze pneumatiche con tre dita anziché due. Questo è particolarmente vero quando una serie di pezzi può avere geometrie leggermente diverse. Ma laddove i pezzi sono identici, le pinze a due dita possono incorporare superfici e forme personalizzate per accogliere punti di presa specifici su questi oggetti. Il risparmio sui costi delle pinze a due dita può spesso giustificare il loro uso quando questa soluzione soddisfa i requisiti dell'operazione.

Ambiente operativo: i cuscinetti di una pinza pneumatica, gli elementi meccanici interni e gli alloggiamenti disponibili sono variegati e soddisfano gli ambienti operativi sia puliti che contaminati. Particolarmente importanti sono le classificazioni di temperatura delle pinze pneumatiche (che stabiliscono l'intervallo entro cui la pinza funzionerà in modo ottimale) così come i gradi di protezione IP che definiscono il livello di particolato e di umidità a cui una data pinza può resistere prima dell'infiltrazione.

Conclusione

Le pinze pneumatiche sono effettori terminali robotici essenziali per la movimentazione dei materiali sulle linee di produzione. Queste pinze trattengono, orientano e posizionano pezzi e altri oggetti per la lavorazione e l'assemblaggio e possono anche occuparsi degli scarti, spingendo i pezzi non conformi via da un trasportatore se installate in una stazione di controllo qualità. Nonostante gli svantaggi dei sistemi ad aria compressa necessari per il suo funzionamento, la pinza pneumatica è spesso la scelta più pulita, più veloce e più adatta per la manipolazione dei pezzi.