Condividi l'articolo:

Sistemi a pinza per la movimentazione dei materiali nell’ingegneria meccanica

Soprattutto nei grandi impianti di produzione e nelle catene di produzione, è fondamentale occuparsi delle tecniche di movimentazione di materiali e pezzi in lavorazione. A causa del solo peso, spesso è quasi impossibile spostare i materiali manualmente. È qui che inizia la movimentazione dei materiali: I sistemi a pinza o i nastri trasportatori, ad esempio, facilitano lo spostamento e il controllo dei materiali e aumentano l’efficienza. Di seguito, esamineremo più da vicino i vari sistemi a pinza e come vengono utilizzati.

Che cos’è esattamente la movimentazione dei materiali?

La movimentazione dei materiali, o anche la tecnologia di movimentazione, rende i processi di produzione più semplici, sicuri e produttivi. Il compito principale è lo spostamento, lo stoccaggio, il controllo e la gestione dei materiali. I sistemi di movimentazione dei materiali possono risparmiare spazio di stoccaggio o fungere da stoccaggio. Pertanto, è ancora più importante che i sistemi di movimentazione dei materiali siano in grado di soddisfare esigenze elevate:

devono essere resistenti, mobili e flessibili.
non devono comportare costi elevati.

Tipi di sistemi di movimentazione dei materiali

I sistemi di movimentazione dei materiali possono essere, ad esempio: nastri trasportatori, carrelli elevatori, sistemi robotizzati, gru o sistemi a pinza su linee di produzione automatizzate. Tuttavia, possono essere utilizzati anche nel lavoro manuale, ad esempio per supportare gli operatori nelle attività quotidiane come spostare fusti o scatole. In particolare, la presa è uno dei compiti principali in molti impianti di produzione. Utilizzando i sistemi di movimentazione dei materiali, i processi manuali precedentemente utilizzati possono essere accelerati e le assenze dal lavoro per malattia possono essere ridotte. In questo caso, i sistemi a pinza o sistemi di presa contribuiscono in particolare al funzionamento ergonomico.

Sistemi a pinza

I sistemi a pinza supportano la movimentazione e il controllo precisi di materiali e pezzi in lavorazione. Sono disponibili sistemi a pinza per supportare il lavoro di presa manuale, come le pinze per botti, le pinze per rulli o le pinze per scatole. Ma i sistemi a pinza vengono utilizzati anche sulle linee di produzione nel settore manifatturiero. Le pinze vengono spesso utilizzate insieme ai robot: Fungono da pezzo di collegamento tra il robot industriale e il pezzo in lavorazione.

Pinza per vuoto

Nella pinza per vuoto, viene generato un vuoto con una pompa tra la pinza e il pezzo in lavorazione. La pinza per vuoto viene posizionata sul pezzo in lavorazione e la pressione negativa sulla pinza per vuoto causa l’aspirazione del pezzo in lavorazione nella pinza per vuoto.

1 = pezzo in lavorazione
2 = vuoto
3 = pinza per vuoto

La forza di tenuta dipende dalla differenza di pressione tra l’ambiente e la pressione nella pinza a vuoto stessa. Maggiore è la differenza, maggiore è la forza di tenuta e i carichi più pesanti possono essere sollevati. I pezzi in lavorazione da trasportare possono variare da parti difficili a facilmente deformabili con superfici con capacità di aspirazione. La forza di aspirazione diminuisce se la superficie da aspirare è porosa o permeabile all’aria. Ciò richiede l’ampliamento dell’area trasversale effettiva della linea o l’uso di diverse ventose più piccole. Pezzi in lavorazione morbidi come carta, materiali sottili, film plastici accartocciarsi a causa della forza di aspirazione.

Oltre a questo tipo di pinza per vuoto, c’è anche la pinza Bernoulli. Utilizza un principio leggermente diverso: il principio di Bernoulli. Il flusso d’aria viene fatto passare attraverso un ugello stretto ad alta velocità. Anche in questo caso viene creata una pressione negativa, che genera un effetto di aspirazione e attrae l’oggetto. Inoltre, c’è un leggero galleggiamento che solleva minimamente l’oggetto dalla superficie. Il contatto tra la pinza e il pezzo in lavorazione viene quindi ridotto al minimo.

I sistemi a pinza per vuoto possono essere utilizzati in vari modi: Sono adatti per carichi morbidi e delicati come borse e occhiali, nonché per carichi pesanti. A causa del contatto minimo tra la pinza e il pezzo in lavorazione, la pinza Bernoulli è generalmente adatta per materiali particolarmente delicati, come film di carta e plastici, ma meno per carichi pesanti.

Pinza pneumatica

Le pinze pneumatiche sono sistemi a pinza controllati ad aria compressa per trattenere e spostare componenti, pezzi in lavorazione e carichi. A seconda della forma, del peso e del movimento necessario dell’oggetto da trasportare, è possibile utilizzare pinze a ganasce, pinze rotanti o pinze di serraggio in un’ampia varietà di forme.

Le pinze pneumatiche sono ampiamente utilizzate in molti settori e settori grazie alla loro affidabilità, efficienza e semplicità di progettazione. Di norma, le pinze sono progettate come pinze a due o tre dita. Oltre alle pinze a semplice effetto con funzione di apertura (presa interna) o di chiusura (presa esterna), sono comuni anche le pinze a doppio effetto.

La figura seguente mostra la struttura schematica di una pinza parallela attiva a doppio effetto:

Struttura e funzionamento di un gripper parallelo

A = connessione pneumatica
B = connessione pneumatica
1 = fori asolati
2 = movimento laterale della piastra di montaggio a dito (disponibile per entrambe le direzioni)
3 = chiusura e apertura delle dita

Nella pinza a doppio effetto sono presenti due collegamenti pneumatici, ciascuno dei quali è responsabile dell’apertura e della chiusura della pinza. Se la connessione pneumatica A è pressurizzata, il pistone viene spinto verso il basso e la pinza si chiude. Se la connessione pneumatico B è pressurizzata, il pistone viene spinto verso l’alto e la pinza si apre. La dima di montaggio per il montaggio delle dita può essere spostata lateralmente sul corpo della pinza (2) attraverso i fori scanalati (1). Il cuscinetto collegato al pistone scorre nel foro asolato diagonale centrale. Il movimento della piastra di montaggio a dito viene avviato guidandola in questo foro asolato. Se il pistone si muove in direzione verticale, mentre il movimento orizzontale della piastra di montaggio a dito è costretto ad aprirsi o chiudersi (3).

Processo di presa dall'esterno (1.A e 1.B) e dall'interno (2.A e 2.B)

Mentre le pinze a ganasce sono utilizzate principalmente per oggetti particolarmente larghi o grandi, le pinze di serraggio sono solitamente utilizzate per determinate forme (ad es. tubi) e le pinze a dito sono utilizzate per oggetti più piccoli che devono essere afferrati. Grazie ai diversi tipi di pinze pneumatiche, sono adatte per una varietà di applicazioni, ad es. nell’industria elettronica e nell’automazione dei processi. Le pinze pneumatiche funzionano in modo altamente efficiente e affidabile. Sono caratterizzate da bassi costi operativi e possono essere utilizzate in spazi ristretti. Sono anche facili da configurare e gestire.

Caricamento del pezzo mediante un gripper di serraggio

Pinza idraulica

Il fluido idraulico, solitamente un olio idraulico, viene utilizzato per le pinze idrauliche. Il fluido idraulico viene pressurizzato tramite una pompa idraulica e quindi trasportato al cilindro di lavoro dove trasferisce la forza. Funzionano secondo un sistema simile alle pinze pneumatiche.

Le pinze idrauliche consentono forze di presa molto elevate, motivo per cui possono essere utilizzate per carichi pesanti. Sono inoltre molto resistenti e adatte anche a condizioni ambientali difficili. Tuttavia, a causa del rischio di perdite, non possono essere utilizzate per trasportare materiali che non devono essere contaminati. La loro elevata forza di presa ne esclude anche l’utilizzo per materiali delicati. La costruzione di pinze idrauliche è generalmente più complessa (ad es., a causa di pompe dell’olio, ecc.) e quindi leggermente più impegnativa e costosa rispetto ad altre pinze.

Pinza elettrica

Le pinze elettriche sono dotate di un sistema di controllo con microprocessori, ad esempio un sistema di controllo PLC. Ciò consente di selezionare con precisione la velocità di chiusura e la forza di presa. Spesso viene anche indicato se un pezzo in lavorazione è stato prelevato correttamente o meno. Un movimento rotatorio viene generato tramite un motore elettrico o attuatori elettrici. Questo movimento rotatorio del motore viene quindi trasferito a una scatola ingranaggi dove sposta le ganasce di presa come movimento lineare. Le ganasce di presa possono essere realizzate ad esempio parallele o ad angolo. Il sistema di controllo elettronico monitora e controlla i processi. Spesso vengono installati sensori aggiuntivi che misurano la forza, la distanza e altri parametri. Le pinze elettriche sono adatte per alte velocità e azioni multifase, in quanto possono essere controllate con precisione. A differenza, ad esempio, delle pinze idrauliche o a vuoto, non sono necessarie linee aggiuntive per il fluido o l’aria. Tuttavia, poiché la loro superficie di presa è spesso piuttosto dura. Pertanto, non sono adatti a oggetti delicati. Inoltre, la forza di presa è piuttosto bassa, in modo che gli oggetti pesanti possano essere solitamente sollevati solo usando la variante della pinza secondaria.

Inserti di presa

Gli inserti di presa possono essere utilizzati sulle ganasce di presa per ottimizzare la superficie di contatto tra la pinza e il pezzo in lavorazione. Gli inserti di presa migliorano così la presa o si adattano a forme speciali Un mandrino è una forma speciale di inserto di presa, che solitamente è costituito da acciaio e quindi fornisce alta precisione e resistenza, ma è anche piuttosto inflessibile. Altri materiali per inserti di presa sono costituiti da:

Gomma/elastomero come silicone, gomma, poliuretano. Aderiscono bene, sono flessibili e proteggono la superficie, ma sono solo parzialmente resistenti in condizioni difficili
Plastica, ad es. poliammide, polietilene. Sono leggeri, convenienti e delicati sulla superficie, ma possono rompersi in presenza di carichi e temperature elevati.
Materiali speciali come legno e ceramica sono destinati ad applicazioni speciali. La ceramica è, ad esempio, altamente resistente al calore, mentre il legno è resistente alle abrasioni. Tuttavia, a causa delle loro caratteristiche speciali, sono solitamente più costosi di altri inserti di presa.

Sistema di utensili a pinza Euro

Il sistema di utensili a pinza Euro è stato sviluppato dal gruppo di lavoro Automotive. Si tratta di un sistema standardizzato per il fissaggio e la sostituzione delle pinze. È ampiamente utilizzato in Europa e non solo nel settore automobilistico, ma anche in altri settori e nella produzione. Il sistema EGT si basa su una sezione ottagonale in alluminio con foratura a griglia per una rapida sostituzione dei componenti.

Esempio di un profilo in alluminio secondo il sistema EGT presso MISUMI

Interfacce standardizzate, meccanismi a cambio rapido e modularità consentono una rapida sostituzione dei componenti rotti, riducendo significativamente i tempi di fermo. Il sistema EGT è compatibile con molti marchi e modelli. MISUMI offre una gamma completa di componenti basati su sistemi EGT.

Design esemplificativo di un sistema a pinza inclusi i componenti

A seconda del tipo di pinza, i sistemi a pinza sono costituiti dai seguenti componenti:

Unità di trasmissione: controlla il movimento delle ganasce di presa o delle superfici della pinza. Può essere un motore elettrico (per pinze elettriche) o un cilindro (pinze idrauliche, pinze pneumatiche)
Sistema di controllo: nelle pinze elettriche, il sistema di controllo subentra al movimento della pinza e ad altre attività.
Fonte di alimentazione: a seconda della pinza, questa può essere: la fonte di elettricità, aria compressa o pompa idraulica.
Sensori: sono installati nelle pinze elettriche. Monitorano la pressione, la forza, tra gli altri parametri rilevanti.
Adattatore di montaggio: questi vengono utilizzati per fissare le pinze al braccio del robot o simili Possono essere standardizzati in base al sistema EGT.

Uno dei componenti più importanti è la pinza robotizzata stessa. Ha un contatto diretto con l’oggetto di presa. Anche qui, sono disponibili diversi tipi che vengono utilizzati a seconda dell’applicazione. Nelle pinze parallele, ad esempio, le ganasce di presa sono fissate parallele in modo che la forza sia distribuita uniformemente sulle ganasce di presa. Ciò rende particolarmente facile il prelevamento di forme standard. Nelle pinze angolari, le pinze sono simili alle tenaglie. In questo modo si adattano a forme diverse. Inoltre, è possibile installare più di un meccanismo di presa, ad esempio in una pinza multipla. Questa può afferrare più oggetti contemporaneamente. Inoltre, esistono pinze multifunzione che combinano diversi metodi e funzioni di presa.

MISUMI offre alcuni componenti che supportano la costruzione di un sistema a pinza: ad es. piastre di montaggio o perni di posizionamento

Calcolo della forza di presa e del peso

La forza di presa può essere usata per determinare il peso teoricamente possibile che può essere trasportato. Quanto segue si applica alle pinze parallele, ad esempio: la forza di presa è la somma delle singole forze che agiscono su ciascun dito. La seguente formula viene utilizzata per calcolare il peso massimo dell’oggetto da afferrare:

m=\frac{F_{G} \times \mu}{(g+a) \times S}

m = peso del pezzo in lavorazione in kg
F_G = somma aritmetica delle forze di presa
μ = coefficiente di attrito, dipendente dal materiale
g = gravità (9,81 m/s²)
a = accelerazione (m/s²)
S = fattore di sicurezza*

* In caso di elevata accelerazione, decelerazione o carichi d’urto, è necessario considerare un fattore di sicurezza più elevato.