Teollisuussovelluksiin suunnattujen pneumaattisten tarraimien perusteet

Pneumaattiset tarraimet ovat teollisuussovelluksissa käytettäviä sähkömekaanisia laitteita, joilla tartutaan kappaleisiin ja nostetaan, pidellään ja käännetään niitä sekä asetetaan niitä määriteltyihin paikkoihin. Nämä tarraimet asennetaan tyypillisesti joko työkappaleiden käsittelykoneiden tai kuusiakselisten, karteesisten tai SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arm) -robottikäsivarsien kauimmaisiin osiin päätetyövälineiksi erilaisten materiaalinkäsittelytehtävien suorittamista varten. Viime vuosikymmenten aikana ohjaustoiminnoissa, antureissa ja takaisinkytkentäliitännöissä tapahtuneen kehityksen ansiosta pneumaattisten tarraimien liikkeet (pääasiassa tartunta ja irrotus) koordinoidaan tyypillisesti sen koneen akselin tai robottikäsivarsien liikkeiden kanssa, johon ne on kiinnitetty.

Pneumaattisten tarraimien toiminta

Kuva 1: Kuva näyttää robottikäsivarren päässä olevan kaksisormisen pneumaattisen tarraimen. Leukojen sormet luovat fyysisen kosketuksen tartuttavaan kohteeseen ja sormien avulla tarrain pystyy pitelemään esineitä ja irrottamaan otteen niistä. (Kuvan lähde: Kazakov • Getty Images)

Kuva 2: Rinnakkaiset, kolmisormiset ja kiertyväsormiset tarraimet ovat kolme teollisuussovelluksissa yleisintä tarraintyyppiä. Kuvassa näkyvässä kolmisormisessa pneumaattisessa tarraimessa sormien kulma on 120°, minkä ansiosta sillä voidaan venyttää O-renkaita varovasti ja asentaa ne kohdeakseleille. (Kuvan lähde: Schunk)

Pneumaattiset tarraimet ovat ylivoimaisesti yleisin tarraintyyppi teollisuussovelluksissa, mukaan lukien robottiladonta, työstökoneet, työkappaleiden työstö ja kokoonpanotehtävät. Vaikka olemassa on myös rakko- ja imukuppityyppisiä pneumaattisia tarraimia, sormilla tai leuoilla varustetut pneumaattiset tarraimet ovat kaikkein yleisimpiä. Tarraimien myös oletetaan yleensä olevan tätä tyyppiä, jos muuta kontekstia ei ole annettu.

Pneumaattiset leukatarraimet toimivat paineilman avulla. Venttiilit sallivat komentosignaalin saatuaan ilman virtauksen sisäisten kanavien läpi ja aktivoivat mekaanisia linkkejä – ne puolestaan avaavat ja sulkevat tarttujasormet. Näiden ensisijaisten osakomponenttien lisäksi tarvitaan pneumaattisia letkuja, ohjauksen osakomponentteja ja johdotus, kiinnityslaipat koneisiin ja robotteihin kiinnittämistä varten, vikasuojausmekanismit sekä kotelo näiden komponenttien ympärille.

Vaikka tarraimen oletusasento on yleensä avoin (mekaaninen puristusjousi sitä auki), markkinoilla on saatavana myös sellaisia malleja, joiden oletusasentona on suljettu. Kun oletusasento on suljettu (kiinnipito), tartuntavoima tuotetaan jousella, ja leuat avataan paineilmalla. Tietyt tarraimet itse asiassa käyttävät paineilmaa sekä tartunta- että avausvoiman tuottamiseen.

Video 1: Eräässä yleisessä muunnoksessa pneumaattinen tarrain liitetään erikoisletkun kautta paineilmajärjestelmään. Paineilman voima siirtää mäntää, joka puolestaan saa ulkoiset leuat liikkumaan (jonkin hammaspyörän, vivuston tai liukuvivun kautta) kautta koko niiden liikealueen. (Videon lähde: Schunk)

Pneumaattiseen tarraimeen syötettävän paineilman ohjaus perustuu usein valmiiksi ohjelmoituihin tartunta- ja irrotussykleihin – tai (kehittyneemmissä sovelluksissa) palautteeseen pideltävät esineet tunnistavalta anturilta.

Pneumaattisten tarraimien tyypit

Kuva 3: Schunkin PGN-plus-sarjan kaksisormiset rinnakkaistarraimet tarjoavat pitkän leukaliikkeen. Nämä tarraimet sisältävät tiivisteet, likaa kestävät pyöreät lineaariohjaimet ja lujatekoiset alumiiniseoksesta valmistetut kotelot, joten ne soveltuvat myös likaisiin teollisuusympäristöihin. (Kuvan lähde: Schunk)

Pneumaattisten leuka- ja sormitarraimien luokitteluperusteita ovat:

• kinemaattinen rakenne, sormien lukumäärä, toiminta- ja kiinnitystapa
• fyysinen koko ja suurin tartuntavoima
• leuan ja kotelon rakenne – mukaan lukien kotelon IP-suojaustaso
• liitettävyys yleisiin teollisuusohjausverkkoihin.

Pneumaattiset kaksisormitarraimet, jotka tulivat markkinoille ensimmäisen kerran 1970-luvulla, ovat nykyään kaikkein yleisimpiä – niiden osuus on yli puolet kaikista pneumaattisten tarraimien sovelluksista. Näissä malleissa sormet joko liukuvat lineaarisesti tai kääntyvät nivelpisteen mukaisesti ja sulkeutuvat näin portin tai hummerin saksien tavoin kohde-esineiden ympärille. Ne voivat käyttää joko rinnakkaista (samansuuntaista) leukaliikettä tai saksimaista sormiliikettä.

Pneumaattiset tarraimet rinnakkaisleuoilla: Rinnakkaisleuoissa kaksi sormea liukuu suoraviivaisesti sisään- ja ulospäin samalla akselilla tarraimen ylärungossa olevia kiskoja pitkin. Sisäänpäin suuntautuvaa liukuvaa liikettä käytetään tavallisesti työkappaleisiin tai muihin esineisiin tarttumiseen. On kuitenkin myös paljon sovelluksia, joissa kaksi sormea liukuu ulospäin ja tarttuu onttoihin tai avoimiin työkappaleisiin (kuten O-renkaisiin tai sylintereihin) käyttäen niiden sisähalkaisijaa. Nämä yksinkertaiset tarraimet tarjoavat lukuisia etuja. Tällaisten tarraimien eri osakomponentit ovat yksinkertaisempia valmistaa kuin muiden, minkä vuoksi nämä tarraimet ovat erittäin kustannustehokkaita. Lisäksi tartuntavoima on tasainen sormen koko liikealueella, mikä helpottaa niiden käyttöä sellaisissa sovelluksissa, joihin liittyy helposti rikkoutuvia tai muuten paineelle herkkiä työkappaleita. Rinnakkaistarraimet voidaan myös suunnitella sulkeutumaan ja aukeamaan melko leveälle – jopa pari jalkaa tai enemmän.

Pneumaattiset tarraimet saksimaisella sormiliikkeellä: Näissä tarraimissa sormien päät on kiinnitetty kiinteään nivelpisteeseen. Pneumaattinen voima ohjaa männän liikettä ja mekaanista kiilaelementtiä, jotka saavat sormet kiertymään kiinni (tai toisissa malleissa auki) pariovien tapaan. Aukiasennossa leuat ulottuvat ulospäin tarraimen rungon yli tai työntyvät suoraan ulos. Suljetussa (tyypillisesti tartunta-) asennossa tarttujasormien kärjet kallistuvat sisäänpäin ja sulkeutuvat kartionmuotoiseen tartuntaotteeseen. Näitä tarraimia käytettäessä suunnittelussa on otettava huomioon, että saksimallisten sormien liike-etäisyys on rinnakkaisiin sormityyppeihin verrattuna rajallinen, eikä niiden puristusvoima ole tasainen koko liikealueella. Kiertyväsormiset tarraimet voivat kuitenkin tarjota huomattavan suuren tartuntavoiman käytettäessä suoraa männän liikettä – jopa 2 300 N tai enemmän.

Suuremmat sormimäärät: kolmi- ja nelisormitarraimet

Jos kaksisormiset pneumaattiset tarraimet eivät sovellu työkappaleiden käsittelyyn, kolmi- ja nelisormitarraimilla (ja jopa viisisormitarraimilla erityisissä humanoidityyppisissä robotiikkasovelluksissa) voidaan saavuttaa parempi tartuntatuki ja stabiilius. Selvyyden vuoksi on kuitenkin todettava, että kaikki tällaiset tarraimet ovat paljon kaksisormitarraimia harvinaisempia – ja vain kolmisormitarraimet ovat yleisiä teollisuussovelluksissa. Korkeammalla joustavuudella on hintansa, mutta kolmisormitarraimilla voidaan tarttua sellaisiin työkappaleisiin ja muihin esineisiin, joiden geometria on monimutkainen tai haastava. Niin sanotuissa itsekeskittävissä pneumaattisissa kolmisormitarraimissa on kolme sormea yhtä suurella etäisyydellä toisistaan (120°:n päässä toisistaan koneistukassa). Vaihdettaessa toimenpidettä myös sormet täytyy vaihtaa . Ne sulkeutuvat sisäänpäin ja tartuttava työkappale asettuu niiden keskelle. Niin sanotuissa mukautuvissa pneumaattisissa kolmisormitarraimissa sen sijaan kaksi sormea asetetaan yhteen ja kolmas sormi asetetaan niitä vasten peukalon tavoin. Tällaiset tarraimet ovat yleisimpiä mobiilirobotiikassa ja ne voivat tarttua kohteisiin eri tavoilla. Näin ne voivat mukautua tietyn työkappaleen geometrian vaihteluihin.

Tartunta sisäpuolelta ja kaksitoimisuus

Vaikka suurimmalla osalla pneumaattisista tarraimista kappaleisiin tartutaan ja niistä pidetään kiinni niiden ulkopinnoista (koskettamalla kappaleiden ulkopintoja), tartunta sisäpuolelta on välttämätöntä monissa kokoonpanosovelluksissa. Tällöin tarttujasormet avautuvat voidakseen tarttua geometrialtaan onttoihin kohteisiin sisältä päin. Joissakin tapauksissa tarraimia voidaan käyttää tartuntaan sekä ulko- että sisäpuolelta, mutta ne on täytynyt suunnitella näitä molempia tapauksia varten.

Pneumaattiset leuka- ja sormitarraimet voivat olla myös yksi- ja kaksitoimisia. Yksitoimisissa tarraimissa paineilman voima tuottaa tartuntaliikkeen ja -voiman. Kun ilmansyöttö katkaistaan, sormet palaavat alkuperäiseen asentoonsa ja pysyvät siinä yksinkertaisen puristusjousen voimasta. Kaksitoimiset tarraimet sen sijaan vaativat paineilmaa sekä tartunta- että irrotusliikkeisiin. Kaksitoimiset tarraimet saattavat tosiasiassa pystyä tarttumaan objektiin sekä sisä- että ulkopuolelta, kuten edellä on kuvattu.

Pneumaattisten tarraimien yleiset sovellukset

Kuva 4: Schunkin PGN-plus-tarraimessa männän liike on soikea. (Kuvan lähde: Schunk)

Pneumaattisia tarraimia käytetään laajalti teollisuudessa – erityisesti automatisoiduissa työsoluissa, kokoonpano- ja tuotantolinjoilla, edistyneeseen valmistukseen liittyvässä koneenhoidossa, vaarallisilla laitosalueilla ja logistiikassa sekä automatisoiduissa varastointitoiminnoissa. Pneumaattisia tarraimia käytetään myös pienessä mutta kasvavassa joukossa kaupallisia, vapaa-ajan ja kuluttajarobotiikan sovelluksia (mukaan lukien mobiilibioniikka).

Ajatellaanpa pneumaattisten tarraimien käyttöä materiaalinkäsittelyyn elintarvikkeiden ja juomien käsittely- ja pakkauslaitteissa. Pneumatiikan puhdas toiminta on tässä tapauksessa eduksi – lisäksi paineilmatoimiset sormitarraimet täydentävät muiden paineilmakäyttöisten rakko- ja imukuppitarraintyyppien käyttöä kaikenlaisissa sovelluksissa laatikoiden ja viinipullojen käsittelystä kananmuniin ja karkkipusseihin. Työstökonesovelluksissa käytettävät tarraimet on sitä vastoin yleensä suunniteltu vain yhtä työkappaletyyppiä varten. Joissakin tapauksissa niiden tehtävänä on jopa pidellä kyseisiä työkappaleita koneistuksen tai muiden prosessien aikana. Kun pneumaattisia tarraimia käytetään kokoonpanoon tai lajitteluun ja valintaan, niiden ohjauksessa käytetään usein myös anturi- tai jopa konenäköjärjestelmiä. Muissa tapauksissa tarraimen käyttämät Hall- ja lähestymisanturit voivat antaa riittävän palautteen.

Pneumaattisten tarraimien edut ja rajoitukset

Yksi pneumaattisten tarraimien tärkeimmistä eduista on muihin tarraintyyppeihin nähden se, että niitä on saatavana lukemattomina eri kokoina ja erilaisilla tarttumisvoimilla muutamasta newtonista useisiin kilonewtoneihin. Ne voidaan myös sovittaa erilaisiin sovelluksiin – jopa sellaisiin, joissa vaaditaan tuhansia toistoja tunnissa. Pneumaattiset teollisuustarraimet tarjoavat myös vertaansa vailla olevan toistettavuuden tarkkoihin automaatiotehtäviin. Muita pneumaattisten tarraimien ominaisuuksia:

• kustannus- ja energiatehokkaita käyttää
• kevyitä ja kompakteja – erityisesti tiettyihin moottori- ja hydrauliikkapohjaisiin vaihtoehtoihin verrattuna.

Toisin kuin hydrauliset ja sähköiset vastineensa, pneumaattisten tarraimien toimintaympäristöt eivät vaikuta niihin. Tämä poikkeaa merkittävästi sähkökäyttöisistä tarraimista, joissa käytetään herkkää ja kosteissa ympäristöissä vikaantumiselle altista elektroniikkaa.

Pneumaattisilla tarraimilla on tietenkin myös haittoja ja rajoituksia. Ne liittyvät pääasiassa yleisesti pneumatiikkarakenteiden ja paineilmajärjestelmien käyttökustannuksiin ja kompleksisuuteen. Tällaisten järjestelmien käyttöönotto voi olla aluksi kallista ja monimutkaista. Kustannuksia laskee kuitenkin se, jos teollisuuslaitoksessa jo käytetään paineilmajärjestelmiä muualla.

Pneumaattisten tarraimien valintaperusteet

Pneumaattisten tarraimien mitoittaminen ja spesifiointi tiettyyn materiaalinkäsittelysovellukseen tulisi aloittaa tärkeimpien suunnitteluparametrien selkeästä määrittelystä.

Koko ja tartuntavoima: Pneumaattisten tarraimien täytyy avautua tarpeeksi, jotta käsiteltävät kohteet mahtuvat niihin. Pneumaattisen tarraimen tarvitsema sormivoima riippuu käsiteltävien esineiden painosta sekä sormen ja esineen välisestä kitkakertoimesta, niiden välisestä kosketuspinta-alasta ja vastakkaisten sormien vastavoimasta. Tarttujasormien korkeatasoiset materiaalit ja pinnoitteet voivat parantaa sormen ja kohteen välistä kitkakerrointa. Elintarvike- tai lääkesovelluksissa käytettävien pneumaattisten tarraimien leuat on luonnollisestikin valmistettava FDA:n hyväksymistä materiaaleista tai ne on pinnoitettava tällaisella materiaalilla.

Käsiteltävän osan koon ja painon välinen suhde vaihtelee suuresti – kevyet mutta tilaa vievät kappaleet asettavat usein suurimmat haasteet tarraimien suunnittelulle.

Osageometria: Geometrialtaan monimutkaisten esineiden käsittely voi edellyttää usein pneumaattisia tarraimia, joissa on kahden sormen sijasta kolme sormea. Tämä pätee erityisesti silloin, kun työkappaleet poikkeavat geometrialtaan hieman toisistaan. Jos työkappaleet ovat kuitenkin yhdenmukaisia, kaksisormitarraimissa voidaan käyttää tapauskohtaisia pintoja ja muotoja näiden kappaleiden erityisten tartuntapisteiden mukaan. Kaksisormitarraimien kustannussäästöt puhuvat usein niiden käytön puolesta silloin, kun tämä ratkaisu täyttää operationaaliset vaatimukset.

Toimintaympäristö: Pneumaattisen tarraimen laakereita, sisäisiä mekaanisia elementtejä ja koteloita on yllin kyllin puhtaiden ja likaisten käyttöympäristöjen vaatimuksiin. Erityisen tärkeitä ovat pneumaattisten tarraimien lämpötilaluokitukset (jotka määrittelevät tarraimen optimaaliset toiminta-alueet) sekä IP-luokitukset. Jälkimmäiset määrittelevät, kuinka paljon hiukkasia ja kosteutta tietty tarrain kestää ennen kuin niitä pääsee sen sisälle.

Yhteenveto

Pneumaattiset tarraimet ovat tuotantolinjojen materiaalinkäsittelyssä välttämättömiä robottien päätetyövälineitä. Nämä tarraimet pitelevät, suuntaavat ja asettavat työkappaleita ja muita objekteja käsittelyä, kokoonpanoa (muiden osien kanssa) tai hylkäämistä varten, esimerkiksi kuljettimen laadunvalvontapisteessä. Pneumaattiset tarraimet ovat niiden toiminnan kannalta välttämättömien paineilmajärjestelmien huonoista puolista huolimatta usein kaikkein puhtain, nopein ja sopivin vaihtoehto osien käsittelyyn.