Las pinzas son dispositivos de sujeción; esta es su principal función. Para obtener un determinado efecto, hay que disponer las pinzas de forma que puedan moverse en las tres dimensiones. Esto no es especialmente complicado, p. ej. en una aplicación con un robot de 6 ejes, ya que el propio robot dispone de la suficiente movilidad. En aplicaciones donde los costes sean críticos y no se exijan grandes velocidades, vale la pena considerar los ejes de manos, disponibles a menudo como módulos flexibles que pueden reemplazar a un robot. Esto genera soluciones que pueden instalarse rápidamente y a costes razonables.
Dependiendo de la aplicación, un eje de mano puede ser interesante para los siguientes movimientos. Rotación > 360°, giro parcial < 360°, movimientos de fuerza (generalmente con carreras cortas) y movimientos de atornillado, particularmente para inserción de tornillos. Sin embargo, la aplicación más típica es el giro parcial, por lo que los fabricantes de pinzas casi siempre ofrecen unidades compatibles con el giro. La Fig. 3–1 muestra un módulo de dos ejes que puede girar entre 0 y 270° y permite una carrera lineal de empuje de hasta 100 mm. Las posiciones finales están amortiguadas para un posicionado preciso. Pero ¿qué podemos hacer con esta capacidad de movimientos?
Consideremos primero el término “grados de libertad”. Una pieza puede tener un máximo de 6 grados de libertad, expresados como 3 movimientos lineales en las tres dimensiones de los ejes x, y, z, y 3 movimientos giratorios α1, α2, α3 sobre los ejes x, y, z. A propósito, las máquinas manipuladoras pueden tener más de 6 grados de libertad. Entonces se habla de grados de libertad mecánica o de libertad de movimientos.
Los movimientos de empuje (Fig. 3–2) se describen como sigue: 1 Vertical, arriba/abajo
3
Pinzas y ejes de manos
Fig. 3–1: Pinza de tres puntos combinada con una unidad lineal/giratoria
Grados de libertad de movimiento de la mano
en donde los movimientos giratorios, siguiendo la terminología de la aviación [1], se designan como sigue:
α1 Cabeceo, inclinación α2 Balanceo, torsión α3 Guiñada, giro.
El movimiento de los dedos de la pinza no se considera un grado de libertad, ya que este movimiento no influye en la trayectoria de la pinza.
Especialmente en aplicaciones de alimentación en máquinas herramientas, se busca que la máquina reanude el trabajo lo antes posible tras el cambio de pieza. Tras el cambio, el manipulador generalmente tendrá tiempo suficiente para dejar las piezas mecanizadas y tomar las nuevas del almacén. Para este tipo de aplicaciones se utiliza la doble pinza. La Fig. 3–3 muestra un diseño común de doble pinza.
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Fig. 3–2:
La mano humana puede ejecutar movimientos con 6 grados de libertad (según Bejczy) a) Biológicos b) Técnicos
Las pinzas dobles ahorran tiempo de proceso
Fig. 3–3:
Doble pinza en forma de torreta a) Pinza radial b) Pinza axial
3 Pinzas y ejes de manos 1 2 3 G a) b) α1 α2 α3 a) b)
La torreta es accionada por un cilindro giratorio con posiciones finales amortiguadas y con ajuste fino en ambos extremos. Una característica importante es la posibilidad de compensar el juego entre el piñón y la cremallera, ya que de lo contrario podrían producirse notables errores de posicionado del punto de pinzado. Las dobles pinzas de este tipo se utilizan a menudo con robots de pórtico. El hecho que el pinzado se haga radialmente o axialmente depende de la posición del eje de la pieza en el almacén. Las piezas largas y delgadas generalmente se alimentan horizontalmente con pinzado radial, mientras que el pinzado axial es el método más común para piezas cortas y gruesas así como para piezas fundidas con o sin bridas. Las torretas deben diseñarse para aceptar pinzas estándar.
Los sistemas de pinzado a menudo se adaptan para una determinada aplicación. La pinza del dispositivo para manipular ejes mostrado en la Fig. 3–4 es un ejemplo de ello. En este caso, se han dispuesto dos pinzas estándar sobre una placa basculante cuyo movimiento lo ejecuta un cilindro neumático. El cambio de pinza se hace rápidamente y con amortiguación externa en los finales del recorrido, en los que se utilizan tornillos de tope para ajustar el ángulo con precisión. Esta solución se utiliza, por ejemplo, en robots de pórtico para alimentar piezas a máquinas herramienta y a equipos de verificación.
Fig. 3–4:
Doble pinza basculante 1 Brida de sujeción 2 Tope amortiguador 3 Tornillo de ajuste 4 Pinza de dedos paralelos 5 Cilindro neumático 1 2 3 4 5
1 2 3 4 5 6 7 8 9
En aplicaciones de fabricación en serie, los componentes neumáticos han demostrado ser ideales para generar movimientos. Por ejemplo, puede utilizarse un actuador giratorio/lineal para crear un módulo manipulador completo, como muestra la Fig. 3–5. En este caso, el punto de pinzado no está centrado con el vástago del actuador giratorio/lineal sino que se halla desplazado. Esto crea un área de trabajo en forma de arco dentro del cual deben quedar las posiciones a alcanzar. Esta es una solución extremadamente sencilla para tareas normales de inserción. Las piezas son posicionadas paso a paso por una mesa de coordenadas (almacén) en un punto de toma fijo. Si se exigiera una velocidad extremadamente alta, la solución sería disponer una segunda pinza opuesta a la primera. Esto permitiría tomar una pieza del almacén y al mismo tiempo insertar otra en el punto receptor de la pieza (funcionamiento en paralelo).
También pueden montarse rápida y fácilmente módulos manipuladores sencillos utilizando ventosas de aspiración estándar y actuadores basculantes (Fig. 3–6). Un eje adicional de carrera corta convertiría esta combinación en un dispositivo de tomar-y-dejar. Puede utilizarse un eje hueco con brida para hacer pasar la línea de vacío. Este actuador puede funcionar a frecuencias de conmutación de hasta 3 Hz.
27 Ejes de manos
utilizados para montar pequeñas piezas
Fig. 3–5:
Módulo manipulador para montaje de pequeñas piezas 1 Cilindro giratorio 2 Cilindro elevador 3 Placa de adaptación 4 Pinza estándar 5 Sistema de transferencia 6 Pieza para insertar 7 Receptor de la pieza 8 Dedo de la pinza
A menudo es necesario girar o voltear piezas entre estaciones, por ejemplo, invirtiendo la posición de las piezas al recibirlas en un proceso de montaje. Una solución sencilla incorporada en la línea se muestra en la Fig. 3–7. Una pinza estándar ejecuta un movimiento basculante de 180°. En este caso los dedos están dispuestos en forma de boca. La pieza se desliza hacia los topes que ofrece la “boca” abierta; una vez posicionada la pieza se cierra la pinza y se transfiere, volteándola, a la siguiente cinta transportadora.
Fig. 3–6:
Manipulador con ventosa y actuador basculante Fig. 3–7: Volteo de piezas 1 Dedos de la pinza 2 Pinza estándar 3 Actuador basculante 4 Pieza 5 Cinta transportadora
Para reducir tiempos de proceso, las máquinas con platos divisores a menudo están provistas de dispositivos de sujeción dobles. Este tipo de máquinas se conocen como “duplex”, ya que producen dos piezas acabadas por cada ciclo de trabajo. Sería atractivo pensar en construir una pinza cuádruple, capaz de retirar dos piezas acabadas y al mismo tiempo alimentar dos piezas en bruto. Sin embargo, una pinza de este tipo sería muy voluminosa y difícil de usar, especialmente con piezas muy irregulares. Esta aplicación puede resolverse utilizando una pinza triple de torreta. Esto se muestra en la Fig. 3–8. La pinza libre G1 toma primero una pieza acabada del punto de sujeción S1. A continua-ción la pinza G2 inserta una pieza en bruto en el punto que queda libre. La misma pinza G2, ahora libre, toma la segunda pieza acabada del punto de sujeción S2. La segunda pieza en bruto es posicionada por la pinza G3 [2]. Si se utilizara una pinza simple, el robot debería ejecutar muchos movimientos en vacío, prolongando el ciclo de trabajo.
29 Alimentación
de estaciones dobles
Fig. 3–8:
Pinza triple instalada en una máquina especial con estaciones dobles G Pinzas
S Puntos de sujeción
La Fig. 3–9 muestra una solución particularmente simple para la alimentación de chapas ferromagnéticas. Una ventosa de aspiración está montada directamente en el vástago hueco de un cilindro estándar. Las ventosas toman una pieza de chapa a través de los rodillos de un transportador. La pieza de chapa queda sujeta a los rodillos magnéticos del transportador de rodillos superior y a continuación es arrastrada hacia otro transportador de rodillos convencional. La pila de chapas es progresivamente levantada por un dispositivo elevador. Si el transportador de rodillos de salida se dispone con una cierta inclinación, las chapas metálicas se desplazarán solamente por la gravedad. Pueden hallarse más sugerencias sobre la manipulación de piezas de chapa en [3,4]. Alimentación de chapas metálicas Fig. 3–9: Extracción de chapas ferromagnéticas de una pila utilizando ventosas de aspiración/módulo elevador
1 Ventosa de aspiración 2 Cilindro estándar
con vástago hueco 3 Bastidor 4 Rodillos magnéticos 5 Transportador de rodillos 6 Pila de chapas metálicas 7 Mesa elevadora 1 2 3 4 5 6 7
Las excelentes propiedades de los componentes neumáticos los han popularizado en sectores muy distintos de la pura ingeniería mecánica. Los módulos neumáticos están siendo utilizados para movimientos de manipulación en las más diversas aplicaciones. El agitador de probetas mostrado en la Fig. 3–10 es un ejemplo procedente de la automatización de laboratorios.
Este agitador ha sido realizado utilizando un cilindro estándar, una unidad basculante con eje hueco y brida, una pinza estándar y un adaptador. Sería posible también realizar agitadores múltiples con varias pinzas o generar otras combinaciones de movimientos. Lo importante es poder crear rápidamente un dispositivo de bajo coste, sin tener que desarrollar grandes trabajos preparatorios.
[1] Siegert, H.-J.; Bocionek, S.: Robotik: Programmierung intelligenter Roboter (“Robótica: Programación de Robots Inteligentes”), publicado por Springer Verlag, Berlin, Heidelberg et alia. 1996 [2] Breuer, H.J.: Bestehende Fertigungsanlage für Schwenklager mit zehn
Industrierobotern automatisiert (“Automatización de una línea de producción existente para rodamientos de rótula utilizando diez robots industriales”), en la revista “Werkstatt und Betrieb” 123(1990)12, pp. 929–932
[3] Hesse, S.: Blechteile automatisch handhaben (“Manipulación automática de piezas de chapa metálica”), en la revista Bänder, Bleche, Rohre 37(1996)4, pp. 21–23
[4] Hesse, S.: Umformmaschinen (“Máquinas de conformado”), publicado por Vogel Buchverlag, Würzburg 1995
31 Agitador de probetas
Fig. 3–10: Agitador de probetas sencillo realizado a partir de componentes estándar
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