Пневматични хващачи за роботи в индустрията

• Пневматичните хващачи са сред най-масово използваните типове захващащи механизми за роботи в съвременната индустрия
  
  
• Тези системи комбинират бързодействие и висока ефективност с деликатен захват
  
  
• Пневматиката предлага множество предимства пред други технологии за захващане на компоненти и изделия в производството

Пневматичните хващачи са сред най-масово използваните типове захващащи механизми за роботи в съвременната автоматизирана индустрия. Тези системи комбинират бързодействие и висока ефективност с деликатен захват, което значително разширява приложенията им в модерните фабрики. Сред основните преимущества на пневматиката пред аналогични технологии за захващане в индустрията, като магнетизма, вакуума, хидравликата и т. н., е и отличната й приложимост в колаборативни системи.

По данни на Business Research Insights глобалният пазар на пневматични решения за захващане е надхвърлил 800 млн. щатски долара през 2022 г., а до края на десетилетието се очаква да достигне повече от 970 млн. долара. Водеща тенденция в сегмента е интегрирането на различни по тип сензори в тези механизми с цел подобряване на точността и производителността им. Все по-често срещани на пазара са и усъвършенстваните хващачи с изкуствен интелект и сензори за машинно зрение, които предлагат множество възможности за мониторинг, диагностика, самообучение, автономни функции, инспекция и цялостна оптимизация на работния процес.

Експертите очакват в следващите години все по-активно на пазара да се налагат стандартизираните компоненти и дизайни и модулните концепции, които позволяват гъвкаво адаптиране на системните компоненти към най-разнообразни и нови приложения. В контекста на все по-отчетливия стремеж към устойчивост и екологична пригодност големите производители в сегмента все по-масово залагат и на по-природосъобразни материали, енергоспестяващи технологии и интелигентно управление на потреблението на системата, за да гарантират висока енергийна, ресурсна и бюджетна ефективност на решенията си.

Принцип на работа и специфики

Пневматичните хващачи са крайни изпълнителни устройства за промишлени роботи, които са широко използвани за манипулиране с разнообразни обекти в производството. Тези системи могат ефективно да захващат, повдигат, завъртат, ориентират, преместват и позиционират компоненти, детайли и готови изделия на поточната линия, за да бъдат извършвани върху тях различни операции, като обработка, асемблиране, качествен контрол и т. н. Най-съвременните концепции при дизайна, технологиите и софтуера осигуряват на потребителите точни, бързодействащи и ефективни решения за все по-широк кръг от приложения.

Пневматичните захващащи устройства могат да изпълняват функцията на крайни манипулатори както при автоматизирани машини за обработка на детайли с широки работни зони, така и при 6-осни, декартови, SCARA роботи, коботи и др. Движенията им обикновено са координирани с тези на съответната машина или роботизиран манипулатор, на който са монтирани. Макар работният принцип на тези системи да е относително прост, а действието им обикновено да се ограничава със захващане (затваряне на челюстите) и пускане (отваряне), технологичният напредък в областта през последните няколко десетилетия доведе до значителни подобрения при функционалността, управлението, сензорната интеграция, гъвкавостта и свързаността им.

Пневматичните хващачи използват налягане от захранваща система със сгъстен въздух, която осигурява необходимата сила за задвижване на вътрешно бутало, вследствие на чието движение челюстите се отварят и затварят. Челюстните пневматични хващачи се задействат на базата на команден сигнал, след който съответните клапани пропускат въздух през вътрешни канали. Въздушният поток активира различни механични връзки, в резултат на които челюстите се отварят и затварят. В допълнение към челюстите, традиционно изработвани от метал (но с възможност за използване и на различни други материали), ключови компоненти на тези хващачи са пневматичните маркучи, контролните елементи и окабеляването, монтажните фланци и приспособления, отказоустойчивите механизми, сензорите, компонентите за безопасност и общият корпус, в който се помещава всичко.
Наличните на пазара решения се отличават помежду си основно по кинематичното разположение, броя челюсти, действието и монтажната концепция, размерите и максималната сила на захващане, конструкцията и степента на защита, както и интерфейсните възможности и съвместимостта с различни популярни комуникационни стандарти за управление.

Най-популярни в наши дни са двучелюстните хващачи, които са въведени в практиката още през 70-те години на миналия век и съставляват повече от половината от системите в експлоатация към момента. Предлагат се и тричелюстни (обикновено с челюсти под ъгъл от 120°) и многочелюстни версии, най-често за специализирани приложения. Освен масово използваните варианти, които захващат обекта отвън, са налични и модели за вътрешно захващане на детайла или изделието – през канал или отвор. Що се отнася до функцията на челюстите, срещат се основно два типа хващачи – с паралелно или ъглово движение на захващане. Паралелните системи са прости, но изключително ефективни и най-масово използвани. Те гарантират деликатен захват с постоянна сила, подходящ дори за крехки и чупливи обекти. Тяхно предимство е и удълженият работен ход, който позволява широко отваряне с голямо разстояние между челюстите в крайна отворена позиция. За разлика от тях ъгловите хващачи имат ограничен ход, но пък могат да бъдат проектирани за значително по-голяма сила на захващане. При повечето модели на пазара отворената позиция, поддържана от механично компресирана пружина, е по подразбиране – това е от особено значение при управлението на функции като автоматично връщане в изходна позиция, например в колаборативни приложения. Предлагат се и варианти с изходна затворена позиция (на захват), при които пружината осигурява силата на захващане, а подаването на сгъстен въздух отваря челюстите.

В пневматичните захващащи механизми от този тип няма мотори или предавки, което опростява конструкцията и поддръжката и улеснява превръщането на силата на системата от бутало и цилиндър в захващаща сила. Селекцията на подходящ хващач за конкретно приложение обикновено се свежда до няколко основни съображения – формата, размерите и геометрията на обектите, с които ще се манипулира, както и материалът, от който са изработени; повърхностните им характеристики и/или тяхната крехкост; необходимата сила на захващане и характеристиките на работната среда. За тежки и агресивни условия е препоръчително да се избере специален модел хващач с висока степен на защита срещу прах, влага, замърсявания, корозия, химикали и т. н.

Предимства и приложения

Тъй като голяма част от производствените съоръжения по традиция разполагат със системи за доставка на сгъстен въздух, интегрирането на пневматични хващачи в роботизирани приложения е сравнително лесно и разходно ефективно. Основно предимство на захващащите механизми от този тип е фактът, че предлагат голяма сила в компактна, олекотена и относително евтина конструкция.

В цеховете, в които наличното място е ограничено, пневматичните захващащи модули са предпочитани като икономично по отношение на пространствените изисквания и изключително ергономично решение. Изброявайки преимуществата на тези системи, е редно да подчертаем и улесненото им обслужване – те могат да осигурят буквално милиони работни цикли без необходимост от каквато и да е специфична поддръжка.
Пневматичните хващачи са предпочитан избор в редица приложения за изпълнението на pick-and-place операции, обслужване на машини, роботизирана обработка на детайли, асемблиране и т. н. Друга популярна област на приложение на тези системи са роботизираните клетки, поточните линии, автоматизираните складови решения и логистичните платформи. Пневматични хващачи все по-често се използват като инструментална екипировка и за манипулатори, монтирани върху автономни мобилни роботи.

Ключово предимство на пневматиката е, че разчита на въздух, а не на флуиди, което елиминира риска от изтичане на работната течност и замърсяване на продукцията и средата. Това позволява базираните на този принцип захващащи модули да се изработват в хигиенни версии, подходящи не само за хранително-вкусовата, опаковъчната, фармацевтичната промишленост и производството на медицински изделия, но и за чисти стаи (например в електрониката), включително за такива с висок клас на чистота.

В зависимост от обхвата на приложенията, пневматичните хващачи могат да бъдат специализирани – проектирани за конкретна задача, например при обслужването на металообработващи машини, както и по-универсални и адаптивни, подходящи за захващане на широк набор от изделия с един механизъм.
Що се отнася до бюджетните аспекти при избора на хващач за даден индустриален робот, пневматичните системи са на значително по-достъпна цена от хидравличните си аналози, които в някои случаи биха могли да струват повече и от цял кобот.

Пневматичните захващащи модули се отличават и с отчетливо по-висока прецизност и повторяемост от хидравличните, като с помощта на вградени сензори, софтуерно управление, IO-Link комуникация или друга технология за свързаност те осигуряват непрекъснат поток от данни за приложението, който може да бъде използван за допълнително повишаване на точността в зависимост от приложението и обекта на захващане.

Не на последно място, пневматичните хващачи са налични в изключително богат асортимент от размери (освен стандартни, редица производители предлагат още микро и уголемени/подсилени версии), дизайни и варианти, а конструкцията им традиционно е много по-издръжлива на взискателни и агресивни среди от тази при хидравличните.