Urządzenia chwytające i narzędzia układów manipulacyjnych i robotów

Maszyny manipulacyjne, niezależnie od ich przeznaczenia, wyposażone są w odpowiednie końcówki manipulacyjne zwane efektorami końcowymi. W przypadku maszyn manipulacyjnych przeznaczonych do zadań transportowych efektorami są chwytaki. Natomiast w maszynach manipulacyjnych przeznaczonych do wykonywania czynności technologicznych rolę efektorów pełnią odpowiednie narzędzia (rys. 4.26). Transportowanie obiektu składa się z trzech faz:

1) pobranie (uchwycenie) obiektu z miejsca składowania,
2) trzymanie obiektu podczas jego przemieszczania,
3) uwolnienie obiektu w miejscu przeznaczenia.

Każda z tych faz wiązać się może z realizacją wielu operacji rozpoznania obiektu manipulacji, określenia jego pozycji i zorientowania oraz przemieszczenie członów mechanizmu chwytaka powodujące uchwycenie obiektu.

Poprawne uchwycenia obiektu manipulacji zależne jest od:
– sposobu unieruchomienia obiektu w chwytaku,
– parametrów obiektu manipulacji,
– wzajemnego początkowego ustawienia chwytaka i obiektu,
– warunków dynamicznych procesu manipulacji.

Sposób unieruchomienia powinien zagwarantować niezmienność położenia obiektu względem chwytaka w czasie trwania procesu manipulacji. Parametry obiektu manipulacji (np. kształt i gabaryty, masa, rodzaj materiału, odporność na naprężenia zewnętrzne, gładkość powierzchni) mają wpływ na konstrukcję chwytaka – siłę zacisku, sposób przemieszczania szczęk, zastosowanie odpowiednich czujników. Przy niedokładnym wzajemnym początkowym ustawieniu chwytaka i obiektu mogą wystąpić podczas chwytania niepożądane obciążenia, które mogą być przejmowane przez obiekt, jednostkę kinematyczną maszyny manipulacyjnej oraz urządzenia współpracujące i stanowić zagrożenie dla poprawnej pracy robota.

Warunki dynamiczne procesu manipulacji (rodzaj wykonywanych ruchów oraz przyspieszenia) powodują znaczne zmiany wartości oraz kierunku i zwrotu sił wypadkowych działających na obiekt. Poprawne uchwycenie polega na unieruchomieniu obiektu w najbardziej niekorzystnych warunkach dynamicznych. 

Trzymanie obiektu w czasie procesu manipulacji może wiązać się z:
− kontrolą obecności obiektu w chwytaku,
− kontrolą poprawności osadzenia obiektu w chwytaku,
− regulacją siły chwytu.

Uwolnienie obiektu w miejscu przeznaczenia może wiązać się z:

− koniecznością rozpoznania miejsca, w którym obiekt manipulacji ma być umieszczony,
− koniecznością pomiaru i ewentualnie sterowania sił i momentów powstających na skutek zetknięcia się przemieszczanego obiektu z podłożem.

Wyróżnić można dwa podstawowe sposoby oddziaływania chwytaka na obiekt manipulacji:
a) przez wytworzenie pola sił działających na obiekt – chwytanie siłowe
b) przez wytworzenie połączeń pomiędzy elementami chwytaka i obiektem pozbawiających obiekt wszystkich stopni swobody – chwytanie kształtowe.

W przypadku chwytania siłowego siły oddziałujące na obiekt manipulacji mogą być typu:
– naprężającego (ściskające lub rozciągające), - przyciągającego (adhezyjnego).

Chwytaki realizujące chwytanie kształtowe oraz siłowe naprężąjące nazywane są chwytakami mechanicznymi, natomiast chwytakami realizującymi chwytanie adhezyjne są chwytaki podciśnieniowe oraz magnetyczne.

CHWYTAKI MECHANICZNE

Rys. 4.27. Struktura chwytaka mechanicznego

W chwytakach mechanicznych, których struktura przedstawiona jest na rys. 4.27, stosowany może być napęd pneumatyczny, hydrauliczny lub elektryczny. Współcześnie duże znaczenie ma napęd elektryczny.

Przykłady budowy najczęściej stosowanych układów przeniesienia napędu chwytakow przedstawia poniższa tabelka 4.3.

Tabela 4. 3. Przykłady budowy najczęściej stosowanych układów przeniesienia napędu chwytaków mechanicznych

Elementami wykonawczymi chwytaków mogą być również elastyczne końcówki chwytne. Elastyczne końcówki chwytne wykonywane są ze specjalnie profilowanego elastomeru lub gumy i zmieniają swój kształt pod wpływem ciśnienia sprężonego powietrza (lub cieczy roboczej) podawanego do ich wnętrza. Chwytaki z elastycznymi końcówkami chwytnymi (rys. 4.28) są często stosowane z uwagi na ich zalety, takie jak:

1) możliwość chwytania przedmiotów kruchych, o delikatnych ściankach, skomplikowanych kształtach,
2) możliwość budowania chwytaków z wieloma końcówkami chwytnymi, dzięki czemu są one bardziej uniwersalne,
3) możliwość nastawiania wartości siły chwytu dzięki nastawieniu odpowiedniej wartości ciśnienia sprężonego powietrza lub cieczy roboczej,
4) niski koszt wykonania, prosty montaż, prosta wymiana zużytych elementów.

Rys. 4.28. Zasada budowy i działania chwytaków z elastycznymi końcówkami

CHWYTAKI PODCIŚNIENIOWE (PRÓŻNIOWE)

Chytaki podciśnieniowe (próżniowe) wykorzystują zasadę powstania siły dzięki istnieniu podciśnienia w przestrzeni ograniczonej powierzchnią obiektu manipulacji i czaszą elestycznej przyssawki. Podciśnienie w komorze przyssawki wytwarzane jest przez strumienice gazowe (iniektory) lub przez tłokowe lub wirnikowe pompy próżniowe. W celu zwiększenia pewności chwycenia stosuje się kilka (co najmniej trzy) przyssawki zamocowane w jednym korpusie posiadające wspólny kolektor podciśnieniowy z zaworami kulowymi gwarantującymi doszczelnienie kolektora podciśnieniowego. Ze względu na prostotę konstrukcji, mały ciężar, niski koszt chwytaki podciśnieniowe są powszechnie stosowane.

CHWYTAKI MAGNETYCZNE

W chwytakach magnetycznch pole sił działających na obiekt manipulacji wytwarzany jest w dwojaki sposób: przez magesy trwałe lub przez elektromagnesy. 

Ograniczenia stosowania chwytaków magnetycznych są następujące:
– możliwość chwytania wyłącznie obiektów ferromagnetycznych,
– gwałtowne przemieszczanie się obiektu manipulacji podczas zbliżania się chwytaka (zmiana położenia początkowego obiektu),
– występowanie magnetyzmu szczątkowego powodujące przyciąganie drobin metalowych oraz trudności w uwalnianiu obiektu,
– zmniejszanie się siły chwytu z powodu zabrudzenia powierzchni uchwytu,
– wydzielania się dużej ilości ciepła w uzwojeniach elektromagnesu.

CHWYTAKI KSZTAŁTOWE

Uchwycenie obiektu manipulacji przez chwytak kształtowy następuje poprzez wytworzenie połączeń pomiędzy elementami chwytaka, a obiektem i pozbawienia obiektu możliwości wykonania ruchu względem elementów chwytających. Najprostszym i typowym przykładem konstrukcji chwytaka kształtowego jest wyposażenie chwytaka mechanicznego w końcówki chwytne o kształcie odpowiadającym kształtowi powierzchni chwytanego obiektu. 

Chwytaki kształtowe znajdują zastosowanie przy manipulowaniu :
1) obiektami kruchymi, wiotkimi, o powierzchni pokrytej powłokami wykluczającymi wywieranie jakiegokolwiek nacisku,
2) obiektami o dużej masie, kiedy niezbędne by było wytworzenie bardzo dużych sił chwytu,
3) obiektami o kształcie bardzo złożonym.

Opracowano na podstawie materiałów KOWEZiU.