Chwytaki robotów – jak wybrać najlepszy?

Podstawowa decyzja, jaką należy podjąć, to wybór technologii – wybierać w tym zakresie można spośród chwytaków: pneumatycznych, hydraulicznych próżniowych i elektrycznych. Zasadniczo, jeżeli wymagana jest duża dokładność przemieszczenia i kontrola siły chwytania w pętli sprzężenia zwrotnego, warto się zdecydować na chwytaki elektryczne. Jeśli natomiast podnoszone będą ciężkie przedmioty wymagające użycia bardzo dużej siły, należy zainwestować w te hydrauliczne. W razie gdy z kolei transportowane obiekty nie narzucają specjalnych wymagań, najekonomiczniejszym typem będą chwytaki pneumatyczne – wyróżniają je niższe koszty zakupu oraz eksploatacji. Ich zaletą są poza tym łatwość konserwacji oraz dobry stosunek siły podnoszenia do rozmiarów. Chwytaki próżniowe również mają wiele zalet. Najważniejsze to: prosta, kompaktowa, lekka konstrukcja i niewielkie wymagania w zakresie konserwacji. Są w stanie chwytać przedmioty mocno i szybko, ale również delikatnie operować tymi tego wymagającymi. Dalej omawiamy szerzej każdą z wymienionych kategorii chwytaków.

Jakie są typy chwytaków pneumatycznych?

Chwytaki pneumatyczne (szczęki) zbudowane są z korpusu wyposażonego w liniowy siłownik pneumatyczny. Sprężone powietrze może być wykorzystywane do otwierania i zamykania albo tylko otwierania chwytaka, z zamykaniem przy użyciu sprężyny. Łapie on ładunek, zamykając się na nim z zewnątrz albo otwierając wewnątrz niego. Chociaż na rynku chwytaki pneumatyczne są dostępne w różnych wersjach, generalnie można wyróżnić ich dwa typy: kątowe oraz równoległe.

Pierwsze są często tańsze niż równoległe, ze względu na prostszą konstrukcję. Najlepiej nadają się do chwytania płaskich przedmiotów, natomiast raczej nie sprawdzają się w trzymaniu przedmiotów zakrzywionych. Chwytaki równoległe są lepszym wyborem w przypadku cięższych ładunków, szczególnie o równoległych bokach. Ze względu na bardziej skomplikowany mechanizm przeniesienia ruchu liniowego cylindra na ruch szczęk są zazwyczaj droższe.

Specyfika przenoszonego przedmiotu warunkuje szczegóły konstrukcji tego rodzaju chwytaków. Przykładowo czasem wymagane mogą być szczęki zakrzywione, innym razem uformowane tak, żeby obejmowały lub pewniej trzymały ładunek. Wybór materiału ich wewnętrznej / zewnętrznej strony też wpływa na siłę trzymania, zapewniając odpowiednie tarcie, a oprócz tego może zapobiec uszkodzeniu przedmiotu przez chwytak. Siła chwytania zależy przede wszystkim jednak od ciśnienia medium zasilającego – powinna być wystarczająca do utrzymania przedmiotu, ale nie nadmierna, by go nie uszkodzić.

Chwytaki pneumatyczne vs hydrauliczne

Ze względu na podobieństwa w działaniu napędów tytułowych chwytaków często się je ze sobą porównuje. Generalnie te hydrauliczne są znacznie bardziej wymagające w eksploatacji oraz konserwacji niż chwytaki pneumatyczne. Mogą być także droższe. Pneumatyczne szczęki zapewniają poza tym większą dokładność manipulacji niż hydrauliczne. Te natomiast są niezastąpione, w przypadku gdy wymagane jest podnoszenie ciężkich obiektów (typowo o wadze powyżej 50 kg).

To jednak z drugiej strony dyskwalifikuje je w jednej z obecnie bardziej perspektywicznych aplikacji automatyki, czyli robotach współpracujących. Skoro bowiem (ze względu na bezpieczeństwo ludzi) dopuszcza się w nich operowanie przedmiotami typowo nie cięższymi niż 15 kilogramów, wyposażenie ich w chwytaki hydrauliczne byłoby zbyt kosztowne i niczym nieuzasadnione. Dodatkowo obarczenie użytkowników robotów współpracujących (często projektowanych z myślą o zastosowaniach, w których będą obsługiwane przez osoby niebędące ekspertami w dziedzinie robotyki) skomplikowaną konserwacją i rozwiązywaniem problemów w układach hydraulicznych mijałoby się z celem.

Jak działają chwytaki próżniowe?

Chwytaki (przyssawki) próżniowe (podciśnieniowe) stanowią interfejs między instalacją próżniową a podnoszonym przedmiotem. Przy zetknięciu się przyssawki z jego powierzchnią aktywowany jest generator podciśnienia, który usuwa powietrze z miejsca styku. W warunkach „próżni”, dzięki temu, że ciśnienie wewnątrz przyssawki jest niższe niż to na zewnątrz, ciśnienie atmosferyczne dociska podnoszony przedmiot do chwytaka – w praktyce więc przyssawka „sama” ani nie przyczepia się do niego, ani go nie chwyta. Im większa jest różnica między ciśnieniem otoczenia a podciśnieniem wewnątrz przyssawki albo im większa efektywna powierzchnia styku chwytaka i przedmiotu, tym większa jest siła trzymania.

Warto zaznaczyć, że idealnie, gdyby przyssawka przylegała do gładkiej powierzchni, po wytworzeniu podciśnienia jej obrzeże powinno szczelnie zamknąć chwytak przed powietrzem atmosferycznym. To pozwoliłoby na kompletne i szybkie usunięcie z niego powietrza, zapewniając pewny chwyt podnoszonego przedmiotu. W rzeczywistych warunkach jednak rzadko jego powierzchnia jest perfekcyjnie równa. W takim przypadku nawet mikronierówności, skazy i porowatości sprawiają, że na styku przyssawki i przedmiotu występują nieszczelności, przez które powietrze z zewnątrz przenika do wnętrza chwytaka. Rekompensuje się to większą mocą generatora lub używając mniejszych przyssawek.

Typy i aplikacje chwytaków próżniowych

Generalnie, ze względu na kształt, przyssawki próżniowe można podzielić na płaskie i mieszkowe. Pierwsze mają małą objętość wewnętrzną, dzięki czemu szybko można z nich usunąć powietrze. To sprawia, że chwytają przedmioty w bardzo krótkim czasie. Prawidłowo zaprojektowane przyssawki tego typu charakteryzuje stabilne trzymanie przedmiotu nawet przy dużych siłach ścinających, które powstają na skutek silnych przyspieszeń towarzyszących wykonywaniu nagłych ruchów. Płaskie przyssawki sprawdzają się w transportowaniu przedmiotów o płaskich lub lekko zakrzywionych powierzchniach, jak płyty metalowe i szklane, arkusze z tworzywa sztucznego, deski drewniane.

Chwytaki mieszkowe mają jeden albo więcej zwojów i przypominają harmonijkę. Taki kształt pozwala na kompensowanie różnych wysokości przedmiotów, podnoszenie tych o nierównych powierzchniach oraz delikatne unoszenie tych łatwo ulegających uszkodzeniu, jak podzespoły elektroniczne lub ciastka. Poza tym przyssawki mieszkowe sprawdzają się w transporcie m.in. zakrzywionych części, takich jak panele karoserii, rury, części z tworzyw sztucznych, wyroby zapakowane w folię termokurczliwą.

Chwytaki płaskie i mieszkowe dostępne są w wersjach okrągłej i owalnej, do przenoszenia lekkich, jak i trochę cięższych przedmiotów, w zależności od rozmiarów przyssawki. Ponadto są oferowane w różnych wykonaniach, które na przykład ze względu na materiał przyssawki nie pozostawiają śladów. Ich przykładowe zastosowanie to transport szkła i PCB.

Chwytaki elektryczne

W chwytakach elektrycznych ruch szczęk jest napędzany serwosilnikami lub silnikami krokowymi sterowanymi przez kontroler robota, a ich położenie monitoruje wbudowany czujnik. Dzięki temu możliwa jest precyzyjna kontrola położenia szczęk, siły oraz prędkości chwytania. Można oprócz tego zaprogramować skok szczęk, tak żeby ten sam chwytak trzymał niektóre przedmioty mocno, a inne delikatnie.

Chwytaki elektryczne są najczęściej wykorzystywane w warunkach kontrolowanych, gdzie wymagany jest wyższy stopień czystości – przykłady to: clean roomy i linie produkcyjne w przemyśle farmaceutycznym, w których na przykład wyciek powietrza zasilającego, nie wspominając o cieczy hydraulicznej, jest niedopuszczalny. Oprócz tego, ze względu na możliwości ich regulacji i kontroli, chwytaki tego typu zyskują na popularności wśród producentów robotów współpracujących.

Monika Jaworowska