Una delle fasi più importanti per assicurare il successo dell’implementazione del vostro cobot è la selezione della giusta attrezzatura posta all’estremità del braccio (EOAT) per l’operazione che deve compiere. Qui diamo un’occhiata ai passi necessari per individuare l’attrezzatura giusta per i vostri processi e per i pezzi da lavorare all’interno di ambienti specifici.
Che cos’è un end effector?
L’end effector è l’elemento di collegamento tra robot e pezzo in lavorazione(workpiece) in grado di apportare valore aggiunto al processo finale. Senza un end effector, un robot non può fare molto infatti non può considerarsi una macchina. Ci sono diversi tipi di end effector come pinze, torce di saldatura, sensori forza e/o di coppia, strumenti di rimozione del materiale, sistemi si aspirazione, cambio utensili, ecc. Gli end effector possono essere alimentati elettricamente, idraulicamente, pneumaticamente, ecc. Per prima cosa, vale la pena discutere alcuni dei termini comunemente usati quando ci si riferisce all’interfaccia fisica tra un robot e l’oggetto che viene spostato o lavorato. A seconda del settore termini come end effector, pinza, mano robotica, tool sono spesso usati senza troppe differenze. Per continuare verranno denominati “end of arm tooling” come termine generico.
Perché è necessario l’End Of Arm Tooling (EOAT)?
Lavori diversi richiedono strumenti diversi. Anche processi che potrebbero sembrare identici a prima vista possono richiedere soluzioni molto diverse a causa delle differenze di ambiente o del modo in cui i pezzi sono presentati. Sia i robot industriali che quelli collaborativi sono progettati per disporre di un’ampia gamma di EOAT. Generalmente i robot non sono forniti con utensili specifici all’estremità del braccio, essendo dotati di una flangia di adattamento unificata in uscita dell’ultimo giunto, possono collegare qualsiasi sistema per adattarsi all’applicazione. Spetta quindi a chi implementa il robot (integratore), valutare il lavoro da fare e selezionare gli strumenti più appropriati per i compiti da svolgere.
Prima di tutto occorre capire l’applicazione
- Prima di guardare le opzioni disponibili, è importante iniziare con la comprensione del problema che state cercando di risolvere e cosa volete ottenere. Qual’è l’operazione da svolgere? (es. prendere e depositare un oggetto oppure depositare una guarnizione liquida lungo una traiettoria).
Appettiamo di dover realizzare un Pick&Place. Ecco di seguito alcune domande che possono aiutare nell’analisi dell’applicazione per la determinazione dell’ EOAT:
- Qual è il peso degli oggetti che il cobot dovrà spostare?
- Quali sono le forme e le dimensioni degli oggetti da spostare?
- L’oggetto (workpiece) che dobbiamo lavorare può avere delle variazioni (es.di dimensioni che cambiano nel tempo)?
- Che tipo di superfici hanno gli oggetti (es. dure, morbide, porose, asciutte, oliate)?
- Gli oggetti sono rigidi, instabili o devono essere maneggiati con cura?
- Il sistema di presa può avere un movimento solo aperto/chiuso o di corse intermedie e flessibili?
- Il Sistema di presa deve avere requisiti relativi all’igene, (es.camera bianca; FDA)?
- Il Sistema di presa deve avere proprietà per resistere a temperature elevate?
- Come saranno presentati gli oggetti al cobot (es.singolarizzati, orientati, ecc.)
- Il modo di presentazione degli oggetti è ripetibile?
- Ci sono altre operazioni che il cobot deve eseguire durante il processo? (per esempio: prelievo e posizionamento e pressione di un pulsante, ecc.)
- Quanti processi occorre eseguire e quanti oggetti occorre manipolare?
- Vi è l’esigenza di esercitare una forza attraverso l’EOAT come parte del processo (per esempio: torcere, avvitare, premere un pulsante, lucidare)
- Quale livello di precisione è richiesto nel posizionamento al deposito?
- Sono necessari sensori aggiuntivi per lo stato del sistema di presa (es. segnali di presa pezzo)?
- Ci sono persone accanto al Cobot durante i processi, per quanto tempo? (sempre, saltuariamente, mai)
Queste sono alcune domande la cui risposta può determinare l’impiego di un EOAT piuttosto che un’altro.
I sistemi di azionamento
I sistemi di azionamento per gli EOAT sono generalmente i seguenti:
Pneumatico
I dispositivi sono alimentati da aria compressa che determina attraverso la pressione la forza del dispositivo e attraverso la portata dell’alimentazione la sua velocità. L’impiego della pneumatica è estremamente comune nella produzione e viene utilizzata per tutta una serie di applicazioni di tipo pick and place. Questo tipo di azionamento è in genere economico nei componenti ma richiede una linea d’aria o un compressore d’aria per funzionare in maniera continuativa. L’azionamento pneumatico tende anche ad essere meno preciso di altri azionamenti. D’altra parte, fornisce una presa forte utile per la movimentazione di pezzi da lavorare in pinza.
Elettrico
L’azionamento elettrico permette la costruzione ad esempio di servo-pinze. I vantaggi sono la precisione di posizionamento, il controllo della velocità, il controllo della forza. Tendenzialmente l’azionamento elettrico rende semplice la configurazione e l’integrazione. L’azionamento elettrico rende i sistemi tipicalmente più costosi.
Idraulico
Gli attuatori idraulici presentano alcuni vantaggi in certe situazioni: alta densità di potenza, basso costo di acquisto dei componenti, alta rigidità, alta velocità, e rappresenano una tecnologia comunemente usata in robototica in applicazioni che prevedono attività pesanti.
Vuoto
Il vuoto viene impiegato in strumenti che usano ventose, piuttosto che ganasce, per prendere e spostare gli oggetti. Adatto a pezzi non porosi, puliti e con una superficie uniforme alla quale la ventosa può aderire. Il vuoto come azionamento rende gli EOAT più leggeri e convenienti. L’alimentazione a pressione negativa di solito si ottiene mettendo un tubo di Venturi (che si presenta sotto forma di collegamento in linea) all’estremità di una linea di aria compressa.
Elettromagnetico
Le pinze elettromagnetiche (e le pinze a magneti permanenti) offrono una soluzione alternativa per le parti metalliche ferrose. Questi tipi di utensili sono particolarmente utili per gli articoli che non sono uniformi e non hanno superfici piane che potrebbero altrimenti essere impegnative per le pinze con ganasce o ventose. Particolare attenzione deve essere data alle parti che potrebbero essere sensibili ai campi elettromagnetici, come i componenti elettronici.
Strumenti comuni EOAT
Una volta che avete individuato i requisiti specifici e le complicazioni associate alle parti da manipolare, potete passare a selezionare il giusto tipo di utensile per il lavoro che occorre fare. Di seguito una raccolta di informazioni su una ampia gamma di soluzioni commerciali. Le variabili per la scelta degli EOAT sono ampie. Le opzioni vanno dagli strumenti pronti all’uso a soluzioni personalizzate costruite da specialisti dell’integrazione.
Di seguito condividerò alcuni esempi, altre opzioni sono disponibili direttamente alla pagina end effectors.
Pinza a 2 griffe a movimento parallelo (Pneumatiche, Elettriche)
Questa è una pinza semplice utilizzata in molte applicazioni (esempio immagine ONROBOT). L’alimentazione può essere elettrica, pneumatica e anche idraulica. Il mercato fornisce un’ampia varietà di dimensioni, forze, pesi e intervalli di corsa. Vengono generalmente utilizzate quando si afferrano le parti da due superfici parallele e piatte. Possono afferrare una parte sia con il movimento di chiusura che con il movimento di apertura della pinza. Ci sono anche pinze angolari a 2 ganasce con dita girevoli a 90 gradi che si possono completamente retrarre e fornire un gioco extra che è vantaggioso per applicazioni particolari.
Pinza a 3 griffe (Pneumatiche, Elettriche)
Disponibile anche in varianti angolari, questo dispositivo EOAT (esempio immagine SCHUNK) è comunemente utilizzato per prelevare parti cilindriche. Questo tipo di pinza ha tre ganasce distanziate di 120 gradi l’una dall’altra. Grazie ad un movimento all’unisono, “centra” la parte oltre a fornire una presa sicura. Può anche afferrare sia un esterno che un interno in quanto la forza di chiusura è la medesima sia in apertura che in chiusura.
Ventose (Pneumatiche)
La ventosa (esempio immagine COVAL) è uno strumento che aderisce a una superficie liscia sfruttando la pressione generata al suo interno. Può essere di svariate forme, la più comune è quella circolare. Consiste essenzialmente in una camera in cui si viene a formare una depressione e il cui bordo è conformato in maniera da ottenere una buona tenuta al passaggio dell’aria. Una volta appoggiata sulla superficie sulla quale si vuol fare aderire, la camera interna viene posta in depressione, o deformando il corpo della ventosa per far aumentare il volume della camera, o aspirando l’aria per mezzo di una pompa. La forza con cui la ventosa aderisce alla superficie dipende dalla differenza fra la pressione interna e quella atmosferica e dalla superficie della ventosa. Impiego tipico per processi di imballaggio veloci che impongono requisiti particolare alle ventose in termini di tenuta e resistenza all’usura.
Pinze ad espansione (Pneumatiche)
Le pinze a espansione (esempio immagine GIMATIC) vengono utilizzate per afferrare superfici cilindriche dall’interno , una pinza a soffietto utilizza una camera d’aria in elastomero per contattare la parte. Viene gonfiata con aria compressa provocando l’espansione e la presa della parte. Quando l’aria viene rilasciata, la camera d’aria si sgonfia e lascia cadere la parte.
Pinza a espansione (Idrauliche)
Questo dispositivo EOAT (esempio immagine AMF) è utilizzato per afferrare superfici cilindriche e parallele utilizzando un movimento lineare e una forma a cuneo per espandere quindi aprire o chiudere le «dita» metalliche per afferrare l‘esterno o l’interno di una parte con la potenza dell’attuazione idraulica.
Pinze o-ring (Pneumatiche, Elettriche)
Questa attrezzatura (esempio immagine ZIMMER Group) per estremità del braccio è un dispositivo speciale progettato per gestire le guarnizioni O-ring. Simile a una pinza parallela a 3 ganasce, la pinza O-ring ha sei o talvolta otto dita che si espandono radialmente e afferrano il diametro interno dell’O-ring. Una volta allungato, l’O-ring può essere posizionato dalla macchina in una scanalatura all’estremità di un albero cilindrico.
Pinze ad aghi (Pneumatiche, Elettriche)
Questa è una variante di pinza (esempio immagine FIPA) è progettata per raccogliere materiali in fogli porosi o tessuti, come i tessuti in cotone, pelle, lana penetrando la superficie con più aghi affilati. Le pinze di presa ad aghi offrono la possibilità di afferrare pezzi difficili indipendentemente dalla loro forma. Aghi incrociati garantiscono una forza di presa elevata.
Ventose con Generatori di vuoto (Elettriche)
Generatore di vuoto elettrico (esempio immagine SCHMALZ) per la movimentazione di pezzi ermetici o leggermente porosi. Tipicamente dotati di interfaccia integrata per il controllo e il monitoraggio del processo di gestione. Per l’uso nella robotica mobile, nella manipolazione di piccoli pezzi completamente automatizzata e nelle attività di movimentazione fissa. Esistono ventose per ogni applicazione, la selezione è fondamentale.
Ventose flottanti (Pneumatiche)
Le ventose flottanti (esempio immagine SCHMALZ) funzionano in base al principio di Bernoulli e consentono una movimentazione senza contatto di pezzi sottili e delicati, quali ad es. pellicola, carta o celle solari. La ventosa flottante genera un cuscino d’aria sul quale è “sospeso” il pezzo. Con l’ausilio di una portata elevata vengono compensate le perdite, in modo che sia possibile movimentare e separare pezzi anche porosi.
Sistemi di presa magnetici (azionamento pneumatico; elettrico)
Questi tipi di pinze (esempio immagine SMC) hanno una presa sicura garantita da un magnete permanente. Il design è compatto e leggero, ha requisiti minimi di spazio, basso peso totale a parità di carico ammesso. È possibile ottenere forze di taglio elevate mediante inserti di vari materiali posti in prossimità della zona di contatto magnetico. La presa di pezzi ferromagnetici viene effettuata, mediante il campo magnetico di un magnete permanente integrato. Il magnete viene mosso mediante l’aria compressa, in maniera tale da attivare e disattivare la presa. Le ventose magnetiche vengono azionate mediante valvole pneumatiche.
Pinze elettrostatiche (Elettriche)
Le forze elettrostatiche sono la chiave per un tipo di pinza che può afferrare e manovrare oggetti di forma strana e fragili senza danneggiarli o segnarli. Oggetti naturali come frutta e verdura hanno forme e dimensioni uniche e imprevedibili e spesso non devono essere danneggiati mentre vengono spostati. Le pinze di presa basate sull’elettrostatica (esempio immagine GRABIT) offrono nuove soluzioni convincenti nella manipolazione robotica dei pezzi. L’elettrostatica è una tecnologia altamente flessibile e a bassissima energia che elimina la necessità di una tecnologia del vuoto ingombrante e ad alto consumo energetico o di pinze meccaniche. Per il costo energetico del funzionamento di una pinza a vuoto convenzionale per una settimana, una pinza a elettrodeposizione può funzionare per 10 anni. Le pinze elettrostatiche offrono una soluzione flessibile per la manipolazione di smartphone e tablet, circuiti stampati (PCB), circuiti flessibili, tessuti e tessuti, pannelli solari, lastre di vetro, fogli di fibre composite pre-preg e lamiere. Queste pinze eliminano la necessità di pinze specifiche per ogni pezzo, riducono i tempi morti necessari per il cambio delle pinze e soprattutto rendono possibili nuove applicazioni. Questa tecnologia permette una manipolazione delicata senza graffi e sbavature grazie alla sua presa pulita elimina la necessità di rimuovere i residui lasciati dalle ventose.
VERSABALL® Kit (Pneumatiche)
La flessibilità di conformazione dinamica della pinza VERSABALL di EMPIRE ROBOTICS utilizza la tecnologia proprietaria Empire di bloccaggio granulare per ottenere una presa flessibile e adattiva attraverso una rapida modulazione della durezza. I kit di ricerca non sono destinati all’impiego a tempo pieno in applicazioni industriali, in quanto le specifiche delle prestazioni non possono ancora essere garantite.
FlexShapeGripper (Pneumatiche)
La pinza di FESTO è costituita da un cilindro a doppio effetto, di cui una camera è riempita di aria compressa mentre la seconda è riempita permanentemente di acqua. Questa seconda camera è dotata di una pelle elastica in silicone, che equivale alla lingua del camaleonte. Il volume delle due camere è progettato in modo che la deformazione della parte in silicone sia compensata. Il pistone, che separa strettamente le due camere l’una dall’altra, è fissato con un’asta sottile all’interno del cappuccio in silicone e comanda la presa.
Pinze Adattive (Elettriche)
Sono pinze tipicamente elettriche (esempio immagine ROBOTIQ) compatibili con tutti i principali robot industriali. La pinza adattiva a due/tre dita rende il robot ancora più preciso e sensibile, persino con le parti da afferrare più fragili e complesse. Sono possibili tre modalità di presa: avvolgente, parallelo esterno, parallelo interno. Queste modalità permettono di afferrare parti dalle differenti geometrie, quali: piatto, quadrato, cilindrico, forato. Sfruttando poi il feedback di corrente possono anche fare una misura della forza impressa al serraggio.
Fin Ray Effect® (Pneumatiche)
La soluzione tecnica di questi sistema di presa di FESTO è sorprendentemente semplice. L’elemento di base è un triangolo ad angolo acuto che è costruito con lati flessibili. I due lati sono tenuti separati da tutori articolati collegati alle due parti laterali. Questo crea una struttura basata sull’elemento di base a due raggi della pinna del pesce osseo con le stesse proprietà di deformazione della pinna della coda del pesce. Se questa struttura bionica con Fin Ray® Effect viene spinta lateralmente contro un oggetto convesso, si adatta alla forma dell’oggetto. Tali costruzioni sono molto stabili e la stabilità è persino aumentata dal carico dovuto alla tensione creata dai sostegni trasversali articolati. Un attrezzo di presa adattivo, ideale per sollevare con cura oggetti sensibili o fragili con una superficie convessa, può essere prodotto semplicemente combinando due elementi installati su staffe appropriate.
Pinze bioniche (pneumatiche-elettriche)
Four Fingers Lip di The Gripper Company gestisce prodotti familiari delle dimensioni di una mano umana come frutta a nocciolo e tappi e vasi di piante da serra, uova, carne, pollame e persino pesce. La punta delle dita con lamelle morbide assicurano nessun danno alla superficie del pezzo, anche con forze di compressione relativamente alte. La cavità si apre in modo che il rilascio sia controllato garantendo un rilascio accurato e ripetitivo dei prodotti nonostante le varie dimensioni e forme. Nella maggior parte dei casi l’azionamento è un cilindro ad aria con un funzionamento veloce e affidabile. Nei casi in cui è richiesto un alto livello di destrezza, si può prendere in considerazione l’azionamento con servomotore. Questo fornisce il più alto livello industriale di forza, velocità e controllo della posizione. La parte più innovativa di questa pinza è il livello eccezionale di auto-cedevolezza incorporata basata sui principi della biomimetica, che gli permette di manipolare oggetti, di forma e dimensioni significativamente variabili, in modo delicato ma sicuro e veloce.
Octopus Gripper (Pneumatiche)
La pinza bionica di FESTO consiste in una struttura di silicone morbido, che può essere controllata pneumaticamente. Se vi si applica aria compressa, il tentacolo si piega verso l’interno e può avvolgere il rispettivo oggetto da afferrare in modo aderente e delicato. Proprio come nel suo modello naturale, due file di ventose sono disposte all’interno del tentacolo di silicone. Mentre le piccole ventose all’estremità della pinza lavorano passivamente, alle ventose più grandi può essere applicato il vuoto, grazie al quale l’oggetto aderisce saldamente alla pinza. Ciò significa che può raccogliere e tenere una varietà di forme diverse.
Soft gripper (Pneumatiche)
Le pinze morbide (esempio SOFT GRIPPING) hanno guadagnato molta attenzione negli ultimi anni grazie ai loro vantaggi di facile fabbricazione, flessibilità e adattabilità. I modelli teorici della pinza sono stabiliti per caratterizzare l’angolo di flessione, la forza di bloccaggio, la forza di attrito e la capacità di sopportare il peso. Si tratta di attuatori in elastomero morbido azionati ad aria consentono applicazioni industriali che in precedenza erano off-limits per l’automazione. Si adattano alle forme applicando forze proporzionali alla pressione dell’aria o al vuoto. Adatti per manipolazione diretta del cibo ma non solo.
BarrettHand (Elettrica)
Il BarrettHand™ della serie BH8 è una pinza programmabile a più dita con la destrezza necessaria per fissare oggetti di diverse dimensioni, forme e orientamenti. Anche con il suo peso ridotto (980 grammi) e la sua base super compatta (25 mm), è totalmente autonoma. Essendo una pinza a otto assi intelligente e altamente flessibile, si riconfigura in tempo reale per conformarsi in modo sicuro a un’ampia varietà di forme di pezzi senza interruzioni del cambio utensili. La pinza apporta valore all’automazione perché: riduce il numero e le dimensioni richieste delle celle di lavoro robotizzate, aumentando al contempo la produttività. Tutti i giunti hanno encoder di posizione ad alta precisione.
Sandia Hand
Sandia Hand è modulare e consente di collegare diversi tipi di dita o attacchi con magneti e di inserirli rapidamente nell’impugnatura. L’operatore ha la flessibilità di collegare rapidamente e facilmente dita aggiuntive o altri strumenti, come torce elettriche, cacciaviti o fotocamere. Oltre a consentire la flessibilità del sistema, la modularità consente una manutenzione più semplice e prolunga la durata del sistema. Le dita sono progettate per cadere nel caso in cui l’operatore accidentalmente scontro la mano in una parete o qualche altro oggetto.
Qb SoftHand (elettrica)
L’idea alla base della Qb Robotics deriva dallo studio dei principi del controllo motorio umano. Il motore presente sul dispositivo permette la movimentazione di un tendine, il cui funzionamento è basato sul principio delle articolazioni umane: la mano robotica è de-sensorizzata ed in grado di adattare la presa ad oggetti dalle diverse forme e dimensioni diverse grazie alla meccanica. Come conseguenza di questo, il comportamento della mano non è predeterminato, ma dipende dall’interazione fisica tra la mano stessa e l’ambiente circostante.
Utensili di processo (elettrici, pneumatici)
In questo caso pensiamo al polso un utensile (esempio avvitatore della WEBER ) necessario per compiere una azione coadiuvato dal posizionamento del braccio robotico. Esistono infinite applicazioni, tra le più note oltre l’avvitatura, la rivettatura.
SWITL della Furukawa Kiko Co., Ltd. è una mano robotica che consente di manipolare pezzi morbidi che fino ad ora non potevano essere manipolati. Una mano robotica che permette di manipolare pezzi morbidi che perdono la loro forma quando vengono afferrati. È possibile raccogliere materiali inconsistenti come ketchup e maionese senza cambiarne la forma e spostarlo in un’altra posizione così come vengono raccolti. È facile da usare ed è una tecnologia di base per un’ampia gamma di settori e si prevede che i suoi campi di applicazione si espandano.
SWITL è stato sviluppato in risposta alla necessità di automatizzare il processo di allineamento manuale delle linee di trasferimento dell’impasto del pane. Lo sviluppo di SWITL ha permesso di trattare pezzi che prima erano impossibili da manipolare e ha il potenziale per cambiare in modo significativo il processo di produzione. Inoltre, poiché si tratta di una tecnologia che può essere applicata non solo nell’industria alimentare ma anche in una vasta gamma di campi, si prevede che venga applicata anche in nuovi prodotti.
Utensili per lavorazioni a contatto (elettrici, pneumatici)
In questo caso pensiamo al polso un utensile (esempio ONROBOT ) necessario per compiere una azione coadiuvato dal movimento del braccio robotico che oltre a eseguire traiettorie deve esercitare una forza sul piano in lavorazione. Esistono infinite applicazioni, tra le più note la smerigliatura, la stinatura, la pulitura, la lucidatura.
Utensili per lavorazioni senza contatto (elettrici, pneumatici)
In questo caso pensiamo al polso un utensile (esempio AIM ROBOTICS ) necessario per compiere una azione coadiuvato dal movimento del braccio robotico che deve esegire traiettorie definite nello spazio. Esistono infinite applicazioni, tra le più note la dosatura, incollaggio.
Design su misura degli strumenti End of Arm Tooling (EOAT)
In molte applicazioni è necessario progettare e costruire sistemi di presa robotica ad alte prestazioni o sistemi di presa robotizzati multipli per sistemi di produzione speciali. Le competenze richieste per sviluppare strumenti di fine braccio (EOAT) sono specifiche per ogni applicazione. In molti casi occorre impiegare più competenze nello stesso progetto o attrezzature come la stampa 3D per risolvere problemi di costruzione.
Ultime considerazioni
Se state installando il robot e non siete integratori oltre all’EOAT potreste anche aver bisogno di considerare i seguenti componenti aggiuntivi o accessori:
- Una flangia di interfacciamento per fissare l’EOAT al robot
- Ganasce da applicare a pinze progettate specificamente per adattarsi al pezzo da lavorare
- Cablaggio di cavi per permettere al robot di comunicare con l’attrezzatura scelta
- Sistemi di condizionamento aria (se si usa una pinza pneumatica o una pinza a vuoto)
- Un sistema di visione per coadiuvare il lavoro dell’EOAT
- I requisiti costruttivi di sicurezza necessari (se le persone lavoreranno con o vicino al robot) per esempio seguendo ISO/TR 20218-1, Progettazione di sicurezza per gli END EFFECTOR.