las pinzas y sus aplicaciones

Handling Machining Assembly Organisation

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Pneumatics Electronics Mechanics Sensorics Software

Hesse Las pinzas y sus aplicacionesinclusive tcnica de vaco

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Hesse Las pinzas y sus aplicaciones

Handling Pneumatics

Stefan Hesse

Las pinzas y sus aplicacionesInclusive tcnica de vaco

Blue Digest on Automation

Blue Digest on Automation 2004 by Festo AG & Co. KG Ruiter Strasse 82 D-73734 Esslingen Tel. (0711) 347-0 Fax. (0711) 347-2155 Sin nuestra expresa autorizacin, queda terminantemente prohibida la reproduccin total o parcial de este documento, as como su uso indebido y/o su exhibicin o comunicacin a terceros. De los infractores se exigir el correspondiente resarcimiento de daos y perjuicios. Quedan reservados todos los derechos inherentes, en especial los de patentes, de modelos registrados y estticos.

Prefacio

Desde siempre, el hombre ha tenido el sueo de liberarse del pesado trabajo manual con la utilizacin de dispositivos automticos. No hace falta decir que este sueo siempre ha dependido de los componentes disponibles en el momento considerado. Las lneas automticas de produccin de los aos veinte, utilizadas por la compaa inglesa MORRIS MOTORS, aun tenan que controlarse muy mecnicamente, por lo que no se produjeron resultados espectaculares. No fue sino hasta los aos sesenta que se estableci una nueva tecnologa bsica: Las mquinas NC (Control Numrico) y el robot industrial. Ambas estn controladas por ordenador, y por lo tanto son libremente programables en lo que respecta a movimientos. El robot es un dispositivo de manipulacin importante que reproduce aproximadamente el brazo humano. Para que sea efectivo necesita tambin manos mecnicas a las que se conoce generalmente con el nombre de pinzas. Estas pinzas tambin se necesitan en los dispositivos de tomar-y-dejar y en un amplio abanico de sistemas automatizados. En principio, hay dos diseos bsicos de pinzas: Las diseadas en forma de dedos y las que no se parecen en nada a los dedos humanos. Existen miles de patentes de pinzas; cada una de ellas se atribuye la capacidad de resolver los problemas de pinzado mucho mejor que sus predecesoras. Esto demuestra que las pinzas tienen un papel clave en la manipulacin automtica. Para el usuario, es cada vez ms difcil conocer con detalle la amplia oferta actual en tecnologa de pinzas. Esta es la razn por la que hemos publicado esta breve introduccin al tema. Por encima de todo, se pretende dar consejos e ideas prcticas a los usuarios, ya que la seleccin de pinzas no es una tarea trivial. Al igual que en otras tecnologas, existe el riesgo de tomar la decisin equivocada. Sin embargo, actualmente muchas tareas de pinzado pueden realizarse utilizando elementos estndar. Por ello, las pinzas especiales slo se desarrollan para casos especficos. Un slido conocimiento sobre las pinzas y su utilizacin es siempre una buena inversin para el futuro. Stefan Hesse

Prefacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Tabla de contenido Tabla de contenido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

1 Anlisis de las funciones de pinzado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 Las pinzas en la fabricacin y el montaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3 Pinzas y ejes de manos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 4 Construccin de accesorios para pinzas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 5 Fuerzas que actan en las pinzas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 6 Propiedades tcnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 7 Campos de aplicacin y tipos de pinzas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 8 Lista de comprobacin para pinzas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 9 Ventosas de aspiracin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 10 Ventosas para todas las aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 11 Las ventosas en la tcnica de manipulacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 12 Lista de ilustraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 13 Lista de trminos especiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

1 Anlisis de las funciones de pinzado

Las pinzas complementan y mejoran el rendimiento de los dispositivos de manipulacin automtica. Estos dispositivos no incluyen tan slo los robots industriales, sino tambin los dispositivos de insercin, manipuladores y dispositivos especiales de alimentacin, p. ej. para mquinas automticas, mquinas de verificacin y sistemas de montaje por lotes. Las pinzas forman el enlace entre todo tipo de piezas y la mquina manipuladora correspondiente. Mientras el hombre puede sujetar fcilmente y sin vacilar incluso las piezas ms complejas, en el mundo de la tcnica de sujecin se necesita una cuidadosa planificacin para obtener la secuencia deseada y debe mantenerse con extrema precisin la situacin definida. Este libro trata con determinados aspectos que aseguran que las pinzas produzcan el efecto deseado.

Las pinzas son la solucin, pero de qu tarea se trata?

Una definicin general del concepto pinzas se da en la directiva VDI 2860. Segn ella, la caracterstica que distingue a una pinza es la sujecin, retencin y subsecuente liberacin temporal de objetos de una forma geomtrica determinada. Las pinzas actan como las manos de las mquinas automatizadas. La palabra pinza describe esencialmente la creciente familia de accesorios para sistemas de manipulacin. Elegir la pinza adecuada no siempre resulta fcil. Sin embargo, no siempre se aprecia el hecho que la propia descripcin correcta del problema ya puede ser ms de la mitad de la solucin.

Determinacin del perfil de requisitos

La solucin a una tarea de sujecin puede definirse en trminos de requerimientos tecnolgicos, parmetros de la pieza, la mquina a utilizar para la manipulacin y las condiciones ambientales. Los requerimientos tecnolgicos pueden incluir el tiempo disponible para el pinzado, el recorrido de la pinza, la curva de la fuerza y el nmero de objetos a sujetar simultneamente. Los parmetros ms importantes del objeto son su masa, forma, dimensiones y tolerancias, la posicin del centro de gravedad, estabilidad, propiedades superficiales, material, rigidez y temperatura. Los datos necesarios para el manipulador incluyen los propios errores de posicionado, aceleracin de los ejes y condiciones de conexin. Los parmetros ambientales son las fuerzas que intervienen en el proceso, el espacio disponible para el pinzado, las condiciones de asentamiento, la suciedad, humedad y vibraciones que hubiera. La cosa se complica si la pinza debe sujetar varias piezas diferentes consecutivamente, ya que en este caso hay que satisfacer varias necesidades a la vez. Tambin hay que tener en cuenta que no siempre es posible sujetar una pieza por todos sus lados; por ejemplo, podra ser necesario evitar tocar superficies con mecanizados de precisin. Una secuencia de alimentacin podra tambin imponer limitaciones. Esto puede verse claramente en este ejemplo: Fig. 11.


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Fig. 11: Divisin de un objeto (O) en zona de pinzado (P), zona de sujecin (S) y zona de asentamiento (A) 1 2 3 4 5 Piezas Cargador Dispositivo de sujecin Pinza Pinza magntica

1 2 4 5 A

S G 3

G

Hay que levantar una pieza y colocarla en posicin de sujecin. La pieza no puede tomarse por la zona de sujecin S, ya que queda cubierta por el cargador. En la zona de pinzado disponible hay que considerar el hecho que la pieza puede deslizarse de la posicin deseada. Por ello debemos definir para cada pieza, qu zonas pueden utilizarse para sujetarla. Naturalmente, la situacin cambia si el usuario elige una posicin axial diferente en el cargador u otro tipo de cargador. En nuestro ejemplo, la zona de sujecin y la de pinzado son idnticas. La zona de pinzado debe definirse obligatoriamente. El ejemplo parte de la sujecin exterior. Las piezas huecas, con taladros o escotes tambin pueden sujetarse internamente, como se muestra en Fig. 12.Fig. 12: Cmo puede sujetarse una pieza? a) Pinzado exterior b) Pinzado interior c) Combinacin de pinzado exterior e interior

a)

b)

c)

Este es un factor importante en la seleccin de una pinza, ya que en el caso del pinzado interno la fuerza de sujecin acta desde dentro hacia fuera, necesitndose una pinza de doble efecto. Por otro lado, la sujecin externa generalmente precisa ms espacio alrededor de la pinza.

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La precisin del posicionado es ms importante en el montaje que en el transporte. Los errores de posicionado pueden ser debidos a: la precisin en la repetibilidad del manipulador, los errores de posicionamiento de la pinza, las tolerancias de la pieza, o bien los errores de coincidencia entre la pieza bsica y los movimientos de los ejes. La Fig. 13 muestra un ejemplo.Fig. 13: La eleccin incorrecta del punto de pinzado puede ocasionar errores de posicionado durante el montaje a) Sujecin de un componente por su cuerpo b) Sujecin por las patas de conexionado

a b

a)

b)

Los hilos de conexin de un componente electrnico deben insertarse en un circuito impreso. Si el componente se sujeta por su cuerpo, las distorsiones tales como el ligero doblado de las patas de conexin dificultarn notablemente el correcto montaje; el efecto ser mayor cuanto mayor sea la distancia a. Si, por otro lado, la pieza se sujeta por las patas a la distancia b de su extremo, la situacin es considerablemente mejor. Hay que considerar tambin a qu distancia hay que colocar los componentes. Cualquier pinza necesita un determinado espacio mnimo a su alrededor para poder maniobrar.

Se necesita realmente una pinza controlada?

La manipulacin en s no crea ningn valor aadido. Slo en operaciones de montaje o cuando se utilizan herramientas guiadas puede un robot industrial aadir valor a una pieza. Por ello es muy ventajoso si pueden simplificarse los manipuladores e incluso eliminarse completamente. Ejemplo: un usuario quiere alimentar piezas a un dispositivo de fijacin como el mostrado en la Fig. 14.


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Fig. 14: Alimentacin a un dispositivo de fijacin 1 Punto de fijacin 2 Pinza de forma muy simple (mandril o pinza elstica ) 3 Cargador

2 1

3

Se plante usar una pinza mecnica tipo mandbula para sujecin interna. Pero por qu? Una simple pinza elstica sin control ya sera suficiente. La pinza puede insertarse elsticamente en la pieza que se halla en el cargador y transportarla al punto de sujecin. Basta con que antes de retirar la pinza, las mandbulas del dispositivo de sujecin se cierren. Hay que intentar siempre hallar la solucin ms sencilla. Naturalmente, a menudo hay demasiadas condiciones marginales que lo impiden. Sin embargo, el principio no cambia: primero simplificar y despus automatizar!

Las cargas puntuales elevadas pueden daar la pieza

Hay muchas piezas que pueden soportar la fuerza de sujecin necesaria sin sufrir daos. Pero tambin hay otras piezas que, por ejemplo, estn pulidas, son de pared delgada, blandas, frgiles o con acabados finsimos que pueden daarse durante el pinzado, especialmente por pinzas cuya sujecin supone una carga puntual. (Vase Fig. 15).

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Fig. 15: Tipos de carga puntual resultantes del pinzado a) b) c) d) Superficie/superficie Lnea/superficie Punto/superficie Doble lnea/superficie

a)

b)

c)

d)

La carga puntual es la fuerza de contacto por unidad de zona de pinzado que resulta de la propia sujecin. En el punto de contacto se produce una deformacin. Sin embargo, no hay que suponer que la fuerza de contacto sea la misma que la fuerza de cierre de la pinza. Las pinzas en forma de V, por ejemplo, reparten las fuerzas. La gravedad tambin puede ser un factor, segn la orientacin de la pinza, como puede serlo el coeficiente de rozamiento . Unas cargas puntuales excesivas pueden producir marcas de pinzado o abolladuras en piezas huecas En el caso de pinzas con guas de deslizamiento, las oscilaciones de todo el sistema pueden producir efectos transitorios en los coeficientes de rozamiento esttico y de deslizamiento. Esto significa que durante un movimiento (sujeto a vibraciones), la fuerza de contacto puede aumentar o disminuir ligeramente debido al hecho que el rozamiento de las guas puede ser mayor o menor durante un breve perodo de tiempo, reduciendo o aumentando la fuerza de pinzado. Este fenmeno raramente se produce en pinzas con dedos montados sobre rodamientos a bolas.

Dificultades con la precisin

Cuando se trata de posicionar objetos con precisin, las personas confiamos en nuestra coordinacin ojo/mano y conseguimos sin dificultad, por ejemplo, enhebrar una aguja. El pinzado mecnico debe ser igual de preciso y sin problema alguno. Pueden surgir dificultades en tres situaciones: En el momento de tomar la pieza En el momento de alinearla con el dispositivo de pinzado Al depositarla en una determinada posicin.1 Anlisis de las funciones de pinzado

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Los dispositivos de pinzado tienen un margen de trabajo limitado. Las piezas que se hallen fuera o en el lmite de este margen, no podrn sujetarse con fiabilidad. La respuesta es o bien utilizar una pinza de margen ms amplio (que requiere un mayor tiempo de pinzado) o reducir la tolerancia de colocacin de la pieza. Esto puede conseguirse a menudo con medios simples. La Fig. 16 muestra un ejemplo. En la disposicin anterior, la piezas se situaba con muy poca precisin en el punto de toma. Se obtiene una notable mejora utilizando una plantilla con efecto de centraje.Fig. 16: Los puntos de toma precisos, garantizan un pinzado fiable a) Posicin imprecisa de la pieza b) Una plantilla en V centra la pieza

a)

b)

Cuando los dedos de la pinza cierran en arco y deben sujetar piezas de diferentes dimetros, las piezas no se alinean con el centro de la pinza. Sin embargo, el centro de pinzado, tambin conocido como el TCP (Tool Centre Point/Punto Central de la Herramienta), generalmente es un valor introducido en la programacin del manipulador cuando ste es un robot. Las desviaciones de esta clase pueden causar problemas en operaciones de ensamblaje de precisin. Este tipo de dificultades se muestran en la Fig. 17 [1]. Este efecto no se produce con las pinzas de dedos paralelos.Fig. 17: Las pinzas cuyos dedos cierran en arco pueden desplazar el centro de pinzado a) Pinza en forma de tijera con dos piezas diferentes 1 y 2 pinza de tijera b) Pinza de dedos paralelos

11 2

2

xa) b)

Tambin pueden surgir dificultades al depositar la pieza con precisin. Aqu se suman los errores de posicionado del manipulador, el error de la pinza y el error de la pieza [2]. Los errores de forma de la pieza pueden ser especialmente importantes con piezas largas y mandbulas estrechas, como muestra la Fig. 18. La solucin consiste en usar pinzas ms anchas y un revestimiento adaptable en la superficie de pinzado.

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Por todo ello, la precisin debe estudiarse en conjunto. Una pinza con mandbulas prismticas (en forma de V), compensar los errores de posicin citados y alinear la pieza con el TCP. Una pinza magntica o una ventosa no lo conseguir. Estos tipos de pinza mantienen el error de la toma y aaden sus propias imprecisiones. Naturalmente la tecnologa utilizada en el proceso tambin cuenta; un anillo de pinzado abre slo unos milmetros y requiere ms precisin que una pinza de dedos de apertura completa.Fig. 18: Desviacin del centro producida por irregularidades de la pieza

x

y

x

Resumen

Una operacin de pinzado puede verse influida por varios parmetros que pueden hacer que la pinza, en el peor de los casos, se deje la pieza. Aqu hemos tratado algunas de las razones que pueden contribuir a estos errores. Un exhaustivo estudio de la aplicacin de pinzado ayudar a reconocer con antelacin las posibles dificultades [3].

Publicaciones

[1] Volmer, J. (Hrsg.): Industrieroboter Funktion und Gestaltung (Robots Industriales: Funcionamiento y Diseo), publicado por Verlag Technik, Berlin y Munich 1992 [2] Hesse, S.: Montagemaschinen (Mquinas de montaje), publicado por Vogel-Buchverlag, Wrzburg 1993 [3] Hesse, S.: Greifer-Praxis (Las pinzas en la prctica), publicado por Vogel-Buchverlag, Wrzburg 1991


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2 Las pinzas en lafabricacin y el montaje

La eleccin de una pinza viene determinada por el estado del objeto a tomar y la finalidad de la operacin de manipulacin. Los clsicos campos de aplicacin son la fabricacin (alimentacin) y el montaje (manipulacin). Sin embargo, han surgido tambin aplicaciones diferentes de las que normalmente se exigen en produccin. Estas incluyen el embalaje (que exige altas velocidades) o la recogida selectiva (posicin imprecisa del objeto). Por ello es necesario adaptar constantemente las pinzas a los nuevos e importantes campos de aplicacin que van surgiendo. Las pinzas estndar han alcanzado un buen nivel de desarrollo y no son utilizadas nicamente para casos clsicos de manipulacin. Hay tambin sistemas de pinzas para aplicaciones especiales. Con ayuda de carriles y placas de adaptacin, pueden configurarse, por ejemplo, pinzas dobles, pinzas de varias posiciones y pinzas para la toma simultnea de varias piezas. Lo ilustraremos por medio de algunos ejemplos seleccionados.

Manipulacin de piezas con pinzas estndar

Las pinzas de 3 puntos son las preferidas para manipular piezas cilndricas. Con este sistema se consigue tanto un buen centraje como una gran fiabilidad [1]. Con una cuidadosa configuracin puede obtenerse una cierta adaptacin a las diferentes dimensiones de las piezas a manipular. La Fig. 21 muestra un ejemplo que utiliza espigas templadas para la sujecin de pequeas piezas por el interior. Si se quiere, estas espigas pueden reposicionarse en otros taladros ya previstos en los dedos de la pinza. El resultado es un mayor margen de pinzado, an a costa de un reposicionamiento manual de los pasadores. No es siempre indispensable utilizar las espigas de sujecin en forma concntrica; a veces puede ser mejor distribuir los pasadores segn el contorno interior del objeto, por ejemplo, para sujetar un cuerpo con una abertura rectangular (Fig. 21c). Utilizando pasadores en las pinzas, tambin pueden sujetarse con eficacia piezas con una determinada distribucin de agujeros.

Fig. 21: Utilizacin de pinzas de 3 puntos a) Pasadores reposicionables en la pinza b) Pinzado concntrico interno de un anillo c) Pinzado interno no-concntrico de un objeto rectangular

a)

b)

c)

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2 Las pinzas en la fabricacin y el montaje

La longitud mnima til de sujecin de las espigas debe ser de unos 5 mm. Esto vale tambin para los dedos de las pinzas mecnicas. Las piezas con una longitud a partir de 200 mm se manipulan mejor con pinzas de sujecin por varios puntos. La mejor forma de producir pinzas de esta clase es combinando dos pinzas estndar. Esto se muestra en la Fig. 22, tomando como ejemplo el pinzado de un perfil de chapa. Para ello, las pinzas se montan en un ral de adaptacin. La fuerza de sujecin por pinza se reduce a la mitad y se absorben mejor los momentos de giro que pueden producirse si se trabaja a gran velocidad.Fig. 22: Pinzas multipunto para piezas largas

El centro de gravedad de la pieza debe encontrarse exactamente entre las dos pinzas. Si se trabaja con una sola pinza, este centro de gravedad debe hallarse lo ms cerca posible del punto de sujecin. Se utilizan cada vez ms los sistemas de sujecin modificados basados en pinzas estndar. Un ejemplo de ello es la disposicin de pinzas en serie cuando se trata de tomar varias piezas de una paleta o, viceversa, de depositarlas en paletas, cajas, etc. Tambin en estos casos se fijan varias pinzas en un ral y actan entonces como una nica pinza para sujetar varias piezas simultneamente. Esto se ilustra en la Fig. 23. Puesto que la sujecin se realiza simultneamente por varios puntos, hay que determinar las posiciones de las piezas con bastante precisin. Si se quieren tomar piezas de una cinta transportadora, por ejemplo, puede ser necesario alinearlas previamente encima de la cinta.


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Fig. 23: Pinza multi-piezas para transferir hileras completas de piezas

En el momento de colocar las piezas en los puntos de sujecin, puede surgir el problema siguiente: al sujetar la pieza, el flujo de fuerzas forma una cadena cinemtica cerrada, ya que la pinza an est tambin sujetando la pieza. Esto significa que el nuevo punto de sujecin fuerza prcticamente la posicin de la pinza y, por consiguiente, de todo el sistema de manipulacin. A largo plazo, los robots y las pinzas pueden deteriorarse. Es preciso hallar la forma de compensar este efecto. Existen robots que, en estas situaciones, trabajan con ms elasticidad y no intentan mantener su posicin a toda costa, sino que van cediendo. Puede fijarse la propia pinza elsticamente (pinza flotante) o utilizar pinzas estndar con elemento presionador integrado o montado. En este caso, la pinza abre el dispositivo de sujecin y la pieza es presionada por medio del elemento presionador por ejemplo, un empujador neumtico contra los elementos del sistema de sujecin. Seguidamente, el dispositivo de sujecin se cierra y la pinza puede retirarse.

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El pinzado en operaciones de montaje

Hay una gran cantidad de detalles a observar si quiere conseguirse un montaje automtico con xito. Sin duda alguna figuran en primer lugar el tiempo y la precisin. Puede ganarse tiempo, por ejemplo, utilizando pinzas revlver. Es perfectamente posible utilizar pinzas estndar para este fin. La Fig. 24 muestra una placa de montaje con el nmero necesario de pinzas. En algunos casos podran disponerse tambin herramientas de montaje. La ventaja es que se evitaran carreras del robot en vaco, con lo que podra reducirse el ciclo de montaje. Sin embargo, el gran radio de la pinza constituye una notable desventaja. Por eso hay que prever con anterioridad si hay suficiente espacio libre alrededor del lugar de montaje.

Fig. 24: Pinza multi-piezas para operaciones de montaje

Las nuevas tecnologas, tales como los sistemas de reconocimiento por vdeo crean nuevas exigencias en los sistemas de pinzado. Un ejemplo de ello es la colocacin de bombones en un envase Blister. En un sentido ms amplio, esta manipulacin se considera como una especie de ensamblaje. La Fig. 25 muestra una solucin en la que varias ventosas toman los bombones rectangulares de la cinta de transporte. Las ventosas estn montadas en cilindros antigiro de simple efecto. Cada una de las ventosas puede avanzar independientemente a gran velocidad. Cuando el sistema visual detecta un objeto, determina las coordenadas as como tambin la orientacin del objeto (eje longitudinal) y la ventosa ajusta su ngulo consecuentemente. Ahora, la ventosa avanza rpidamente tomando durante este mismo movimiento un bombn de la cinta y regresando a su posicin inicial. Cuando todas las ventosas ha tomado cada una un bombn, el robot gira hacia la cinta de envasado y los coloca todos simultneamente en las cavidades del Blister. Puesto que todos los bombones ya estn correctamente orientados, sern depositados perfectamente en las correspondientes cavidades del envase.


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Fig. 25: Pinzas de ventosas mltiples para operaciones de montaje 1 Eje giratorio NC (eje de la mano del robot) 2 Placa angular de montaje 3 Cilindro estndar antigiro 4 Ventosa 5 Cinta transportadora 6 Piezas (p. ej. bombones)

1 2

3

4 6 5

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Pinzas de fuerza o pinzas de forma?

Una pieza puede ser sujetada por medio de la fuerza (fuerza de friccin) de los dedos de la pinza. Sin embargo, puede considerarse tambin el simple apoyo en la forma de la pinza, e incluso los efectos adhesivos, por ejemplo la adhesin con grasa o cola, como sistema fsico de sujecin. Ilustramos los principios de las posibilidades en la Fig. 26.

Fig. 26: Mtodos de sujetar una pieza (ejemplo: una bola) 1 Cierre sin pinzado 2 Cierre parcial combinado con fuerza de pinzado 3 Slo por pinzado (sujecin por la fuerza) 4 Sujecin con succin (campo de fuerza) 5 Sujecin con campo magntico 6 Sujecin con capa de adhesivo, p. ej. con grasa

1

2

3

4

5

6

A menudo se utiliza la sujecin por la fuerza de apriete . Sin embargo, tenemos que considerar en este caso lo siguiente: para sujetar el objeto, los dedos tienen que ejercer una fuerza FG de por lo menos FG = m g/ (sin considerar aqu los mrgenes de seguridad ni otros efectos dinmicos). En este caso, es el coeficiente de rozamiento y m la masa de la pieza. Sin embargo, en una operacin de montaje esta fuerza no es suficiente, pues hay que aadirle la fuerza del propio ensamblaje FS. Por consiguiente, la fuerza necesaria de sujecin ser FG = (m g + FS)/. Si se supone un coeficiente de rozamiento de 0,1, la fuerza de sujecin FG sera 10 veces superior a la suma formada por el peso de la pieza a manejar y la fuerza de ensamblaje. Esto puede producir deformaciones o deterioros del objeto, sobre todo cuando se manipulan piezas delicadas. Por ello es aconsejable utilizar una sujecin con forma. La Fig. 27b muestra como, con este tipo de pinzado, la pieza puede apoyarse en el dedo de la pinza, pudiendo ser la fuerza de apriete relativamente baja.


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Fig. 27: Principio de sujecin: La sujecin por la forma ejerce menos fuerza en las piezas durante el pinzado y la sujecin a) Pinzado de un huevo con la mano humana [2] b) Pinzado de una pieza y sujecin durante el montaje c) Posicin de la pinza durante el movimiento de alimentacin

Sujecin por la fuerza

Sujecin por la forma

a)

m.g

m.g

b)

c)

Tambin puede ser recomendable una sujecin por forma para movimientos de alimentacin. Cuando una pieza es levantada rpidamente, no slo est sometida a la fuerza debida al peso m g, sino tambin a una fuerza de inercia FT que es funcin de la aceleracin vertical. En cambio, si se gira la mano 90 antes de elevar la pieza, la sujecin por fuerza se transforma temporalmente casi en una sujecin con forma para este movimiento. Estos ejemplos muestran que la pinza es un componente en el que influyen muchos factores y que nunca debe utilizarse sin considerar las diferentes posibilidades.

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Pinzas como separadores

Las pinzas son componentes muy bien probados, que pueden utilizarse como alimentadores de piezas, extrayndolas de un almacn o cargador. Generalmente, las piezas se extraen de una en una, en cuyo caso hablamos de un proceso de separacin. La Fig. 28 muestra un ejemplo de aplicacin de una pinza para formar un alimentador separador.

Fig. 28: Alimentador separador utilizando una pinza paralela 1 Pinza paralela 2 Obturadores

1

2

En lugar de dedos, se han montado obturadores en la pinza. Estos deberan ser lo ms cortos posible, como es usual en aplicaciones pinzado, para evitar sobrecargar las guas lineales de los dedos y con ello aumentar su vida til. Esta solucin slo es adecuada para piezas pequeas; para piezas grandes hay otras soluciones [3]. Para reducir la carga que acta sobre los obturadores, se ha dispuesto una rampa escalonada que permite absorber gran parte de las fuerzas creadas por la acumulacin de piezas en el almacn cargador.

Publicaciones

[1] Seegrber, L.: Greifsysteme fr Montage, Handhabung und Industrieroboter (Sistemas de pinzas para montaje, manipulacin y robots industriales), publicado por expert Verlag, Renningen, 1993 [2] Bohmann, J.; Nnnig, R.: Ein Greifer fr empfindliche Teile (Pinzas para piezas delicadas), artculo en la revista Konstruktion N 45 (1993) pg. 9597 [3] Hesse, S.: Atlas der modernen Handhabungstechnik (Manual de la moderna tecnologa de manipulacin), publicado por Vieweg Verlag, Wiesbaden, 1995


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3 Pinzas y ejes de manos

Las pinzas son dispositivos de sujecin; esta es su principal funcin. 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 aplicacin con un robot de 6 ejes, ya que el propio robot dispone de la suficiente movilidad. En aplicaciones donde los costes sean crticos y no se exijan grandes velocidades, vale la pena considerar los ejes de manos, disponibles a menudo como mdulos flexibles que pueden reemplazar a un robot. Esto genera soluciones que pueden instalarse rpidamente y a costes razonables. Dependiendo de la aplicacin, un eje de mano puede ser interesante para los siguientes movimientos. Rotacin > 360, giro parcial < 360, movimientos de fuerza (generalmente con carreras cortas) y movimientos de atornillado, particularmente para insercin de tornillos. Sin embargo, la aplicacin ms tpica es el giro parcial, por lo que los fabricantes de pinzas casi siempre ofrecen unidades compatibles con el giro. La Fig. 31 muestra un mdulo de dos ejes que puede girar entre 0 y 270 y permite una carrera lineal de empuje de hasta 100 mm. Las posiciones finales estn amortiguadas para un posicionado preciso. Pero qu podemos hacer con esta capacidad de movimientos?

Fig. 31: Pinza de tres puntos combinada con una unidad lineal/giratoria

Grados de libertad de movimiento de la mano

Consideremos primero el trmino grados de libertad. Una pieza puede tener un mximo de 6 grados de libertad, expresados como 3 movimientos lineales en las tres dimensiones de los ejes x, y, z, y 3 movimientos giratorios 1, 2, 3 sobre los ejes x, y, z. A propsito, las mquinas manipuladoras pueden tener ms de 6 grados de libertad. Entonces se habla de grados de libertad mecnica o de libertad de movimientos. Los movimientos de empuje (Fig. 32) se describen como sigue: 1 2 3 Vertical, arriba/abajo Frontal, avance/retroceso Lateral, izquierdo/derecho

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en donde los movimientos giratorios, siguiendo la terminologa de la aviacin [1], se designan como sigue: 1 Cabeceo, inclinacin 2 Balanceo, torsin 3 Guiada, 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.Fig. 32: La mano humana puede ejecutar movimientos con 6 grados de libertad (segn Bejczy)

1a) Biolgicos b) Tcnicos

2 1 2 3 3 G

a)

b)

Las pinzas dobles ahorran tiempo de proceso

Especialmente en aplicaciones de alimentacin en mquinas herramientas, se busca que la mquina reanude el trabajo lo antes posible tras el cambio de pieza. Tras el cambio, el manipulador generalmente tendr tiempo suficiente para dejar las piezas mecanizadas y tomar las nuevas del almacn. Para este tipo de aplicaciones se utiliza la doble pinza. La Fig. 33 muestra un diseo comn de doble pinza.

Fig. 33: Doble pinza en forma de torreta a) Pinza radial b) Pinza axial

a)

b)


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La torreta es accionada por un cilindro giratorio con posiciones finales amortiguadas y con ajuste fino en ambos extremos. Una caracterstica importante es la posibilidad de compensar el juego entre el pin y la cremallera, ya que de lo contrario podran producirse notables errores de posicionado del punto de pinzado. Las dobles pinzas de este tipo se utilizan a menudo con robots de prtico. El hecho que el pinzado se haga radialmente o axialmente depende de la posicin del eje de la pieza en el almacn. Las piezas largas y delgadas generalmente se alimentan horizontalmente con pinzado radial, mientras que el pinzado axial es el mtodo ms comn para piezas cortas y gruesas as como para piezas fundidas con o sin bridas. Las torretas deben disearse para aceptar pinzas estndar. Los sistemas de pinzado a menudo se adaptan para una determinada aplicacin. La pinza del dispositivo para manipular ejes mostrado en la Fig. 34 es un ejemplo de ello. En este caso, se han dispuesto dos pinzas estndar sobre una placa basculante cuyo movimiento lo ejecuta un cilindro neumtico. El cambio de pinza se hace rpidamente y con amortiguacin externa en los finales del recorrido, en los que se utilizan tornillos de tope para ajustar el ngulo con precisin. Esta solucin se utiliza, por ejemplo, en robots de prtico para alimentar piezas a mquinas herramienta y a equipos de verificacin.Fig. 34: Doble pinza basculante

11 2 3 4 Brida de sujecin Tope amortiguador Tornillo de ajuste Pinza de dedos paralelos 5 Cilindro neumtico

2 3 5

4

26


Ejes de manos utilizados para montar pequeas piezas

En aplicaciones de fabricacin en serie, los componentes neumticos han demostrado ser ideales para generar movimientos. Por ejemplo, puede utilizarse un actuador giratorio/lineal para crear un mdulo manipulador completo, como muestra la Fig. 35. En este caso, el punto de pinzado no est centrado con el vstago del actuador giratorio/lineal sino que se halla desplazado. Esto crea un rea de trabajo en forma de arco dentro del cual deben quedar las posiciones a alcanzar. Esta es una solucin extremadamente sencilla para tareas normales de insercin. Las piezas son posicionadas paso a paso por una mesa de coordenadas (almacn) en un punto de toma fijo. Si se exigiera una velocidad extremadamente alta, la solucin sera disponer una segunda pinza opuesta a la primera. Esto permitira tomar una pieza del almacn y al mismo tiempo insertar otra en el punto receptor de la pieza (funcionamiento en paralelo).

Fig. 35: Mdulo manipulador para montaje de pequeas piezas 1 2 3 4 5 Cilindro giratorio Cilindro elevador Placa de adaptacin Pinza estndar Sistema de transferencia 6 Pieza para insertar 7 Receptor de la pieza 8 Dedo de la pinza

1 2

3 4 5 6

7

8 9

Tambin pueden montarse rpida y fcilmente mdulos manipuladores sencillos utilizando ventosas de aspiracin estndar y actuadores basculantes (Fig. 36). Un eje adicional de carrera corta convertira esta combinacin en un dispositivo de tomar-y-dejar. Puede utilizarse un eje hueco con brida para hacer pasar la lnea de vaco. Este actuador puede funcionar a frecuencias de conmutacin de hasta 3 Hz.


27

Fig. 36: Manipulador con ventosa y actuador basculante

A menudo es necesario girar o voltear piezas entre estaciones, por ejemplo, invirtiendo la posicin de las piezas al recibirlas en un proceso de montaje. Una solucin sencilla incorporada en la lnea se muestra en la Fig. 37. Una pinza estndar ejecuta un movimiento basculante de 180. En este caso los dedos estn 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, voltendola, a la siguiente cinta transportadora.Fig. 37: Volteo de piezas 1 2 3 4 5 Dedos de la pinza Pinza estndar Actuador basculante Pieza Cinta transportadora

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Alimentacin de estaciones dobles

Para reducir tiempos de proceso, las mquinas con platos divisores a menudo estn provistas de dispositivos de sujecin dobles. Este tipo de mquinas se conocen como duplex, ya que producen dos piezas acabadas por cada ciclo de trabajo. Sera atractivo pensar en construir una pinza cudruple, capaz de retirar dos piezas acabadas y al mismo tiempo alimentar dos piezas en bruto. Sin embargo, una pinza de este tipo sera muy voluminosa y difcil de usar, especialmente con piezas muy irregulares. Esta aplicacin puede resolverse utilizando una pinza triple de torreta. Esto se muestra en la Fig. 38. La pinza libre G1 toma primero una pieza acabada del punto de sujecin S1. A continuacin 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 sujecin S2. La segunda pieza en bruto es posicionada por la pinza G3 [2]. Si se utilizara una pinza simple, el robot debera ejecutar muchos movimientos en vaco, prolongando el ciclo de trabajo.

Fig. 38: Pinza triple instalada en una mquina especial con estaciones dobles G Pinzas S Puntos de sujecin


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Alimentacin de chapas metlicas

La Fig. 39 muestra una solucin particularmente simple para la alimentacin de chapas ferromagnticas. Una ventosa de aspiracin est montada directamente en el vstago hueco de un cilindro estndar. Las ventosas toman una pieza de chapa a travs de los rodillos de un transportador. La pieza de chapa queda sujeta a los rodillos magnticos del transportador de rodillos superior y a continuacin 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 inclinacin, las chapas metlicas se desplazarn solamente por la gravedad. Pueden hallarse ms sugerencias sobre la manipulacin de piezas de chapa en [3,4].

Fig. 39: Extraccin de chapas ferromagnticas de una pila utilizando ventosas de aspiracin/mdulo elevador 1 Ventosa de aspiracin 2 Cilindro estndar con vstago hueco 3 Bastidor 4 Rodillos magnticos 5 Transportador de rodillos 6 Pila de chapas metlicas 7 Mesa elevadora

2 3 4

1

6 7

5

30


Agitador de probetas

Las excelentes propiedades de los componentes neumticos los han popularizado en sectores muy distintos de la pura ingeniera mecnica. Los mdulos neumticos estn siendo utilizados para movimientos de manipulacin en las ms diversas aplicaciones. El agitador de probetas mostrado en la Fig. 310 es un ejemplo procedente de la automatizacin de laboratorios.

Fig. 310: Agitador de probetas sencillo realizado a partir de componentes estndar

Este agitador ha sido realizado utilizando un cilindro estndar, una unidad basculante con eje hueco y brida, una pinza estndar y un adaptador. Sera posible tambin realizar agitadores mltiples con varias pinzas o generar otras combinaciones de movimientos. Lo importante es poder crear rpidamente un dispositivo de bajo coste, sin tener que desarrollar grandes trabajos preparatorios.

Publicaciones

[1] Siegert, H.-J.; Bocionek, S.: Robotik: Programmierung intelligenter Roboter (Robtica: Programacin de Robots Inteligentes), publicado por Springer Verlag, Berlin, Heidelberg et alia. 1996 [2] Breuer, H.J.: Bestehende Fertigungsanlage fr Schwenklager mit zehn Industrierobotern automatisiert (Automatizacin de una lnea de produccin existente para rodamientos de rtula utilizando diez robots industriales), en la revista Werkstatt und Betrieb 123(1990)12, pp. 929932 [3] Hesse, S.: Blechteile automatisch handhaben (Manipulacin automtica de piezas de chapa metlica), en la revista Bnder, Bleche, Rohre 37(1996)4, pp. 2123 [4] Hesse, S.: Umformmaschinen (Mquinas de conformado), publicado por Vogel Buchverlag, Wrzburg 1995


31

4 Construccin de accesorios para pinzas

Se necesitan muchos componentes y procedimientos tcnicos, tales como un robot industrial, un controlador, un programa, un almacn de piezas, sensores y pinzas para hacer que un manipulador tome una pieza de forma realmente automtica. Al final de la cadena, son las mandbulas de la pinza o su equivalente lo que toma contacto con la pieza. Este contacto es a veces un diminuto punto, y es aqu donde se encuentran las mayores diferencias un taco de hierro es fcil de tomar, pero un arenque escabechado ya no lo es tanto. De ah podemos deducir que las mandbulas de las pinzas deben adaptarse a la pieza. As que cuntos diseos diferentes de mandbulas hay? Las Mandbulas son componentes separados e intercambiables, generalmente de forma que proporcionan un contacto amoldado o por fuerza con una pieza y la sostienen en su sitio. Los dedos son componentes rgidos, elsticos o articulados que transmiten la fuerza y que se sitan alrededor de la pieza. Las mandbulas se fijan sobre los dedos utilizando un sistema de unin fijo o con un cierto movimiento. Las mandbulas las construye generalmente el usuario o el fabricante de la mquina. Algunas empresas facilitan este proceso suministrando mandbulas universales neutras que slo requieren una mecanizacin del contorno negativo de la pieza, pero que tienen superficies de unin ya preparadas. Tambin hay mandbulas moldeadas, en las cuales el contorno de la pieza se produce prensndolas en resina sinttica, goma vulcanizada o metal fundido.

La principal misin de las pinzas es ofrecer un sistema de sostn

Una funcin de aseguramiento comprende el sostenimiento temporal de un objeto en una posicin y orientacin definidas, seguido de una liberacin como inversin al sostenimiento o una cancelacin de la funcin de aseguramiento. En relacin con las pinzas mecnicas, hablamos generalmente de pinzado y liberacin. La funcin de sostn la proporcionan generalmente las mandbulas, que por ello reciben el nombre de sistema de sostenimiento como muestra la Fig. 41. La funcin de un sistema de sostenimiento es una caracterstica esencial de todas las pinzas. El sostenimiento puede conseguirse por pinzado mecnico pero tambin por campos de fuerza fludicos o magnticos, o por el mecanizado de forma de las superficies [1].

32


Fig. 41: Algunos de los subsistemas de una pinza mecnica 1 2 3 4 Adaptador Generador de fuerza Conversor de fuerza Transmisin de la fuerza, con dedos como componentes de la transmisin 5 Mandbulas como componentes del pinzado

1

2

3

4

5

Interface

Sistema de sostn

Actuacin

Cinemtica

Cuando se disean las mandbulas de una pinza es esencial conocer los puntos en los que se sujetar la pieza. Los parmetros tcnicos, naturalmente, tambin tienen una cierta influencia. La Fig. 42 ilustra esto con el ejemplo de una pinza de dos dedos. En general es preferible tener zonas de contacto que lneas o puntos de contacto.Fig. 42: El contorno de la zona de pinzado determina la forma de la mandbula utilizada, 1, 2 3.

1

2

3

Las condiciones no son siempre ptimas. Si consideramos el caso de las superficies planas paralelas, vemos que algunas piezas no son completamente paralelas; por ejemplo, las piezas moldeadas de plstico pueden tener una cierta despulla de desmoldeo. Si la falta de paralelismo es pequea, podra ser suficiente utilizar como mandbula un recubrimiento de goma adaptable.


33

Sin embargo, a veces es mejor disponer mandbulas adaptables o pendulares, de las cuales la Fig. 43 muestra un ejemplo. Las rtulas de bola pueden compensar errores angulares en cualquier direccin. Los recubrimientos de goma o las almohadillas hechas a medida a menudo son suficientes para este fin y tienen la ventaja que aumentan el coeficiente de rozamiento ( aprox. 0,5), favoreciendo el hecho de utilizar una fuerza de sujecin menor.Fig. 43: Mandbulas con superficies de adaptacin 1 Recubrimiento de goma o de plstico 2 Mandbula pendular 3 Mandbula con rtula

1

2

3

34


Diferencias en las dimensiones de la pieza

En algunas pinzas, el centro de la herramienta cambia cuando se toman piezas de diferentes dimensiones. Los diseos incluyen pinzas tipo tornillo de banco (un dedo fijo y otro mvil) y pinzas del tipo tijera. En el primer caso, en la programacin deben permitirse cambios de posicin, mientras que en el caso de las pinzas en forma de tijera, los cambios de posicin deben preverse con mandbulas de formas especiales ya que, como muestra la Fig. 44 las superficies de pinzado estn arqueadas y no tienen la usual forma en V.

Fig. 44: JForma de la mandbula con efecto centrador para pinzas tipo tijera TCP = Tool centre point (Punto Central de la Herramienta) D = Dimetro de la pieza

TCP

R2

D R R1

B A C1 A

El dimensionado debera realizarse de acuerdo con lo siguiente: La relacin entre el dimetro D1 (pieza ms grande) y D2 (pieza ms pequea) no debera ser mayor de 2,5. El ngulo del punto de contacto debera ser aproximadamente entre 20 y 25. Se utilizan las siguientes ecuaciones: D= D1 + D2 2 0,5 R tan( 3,14/180)

A=

B = 0,5 R

R1 =

0,5 R 0,5 D sin( 3,14/180) 0,5 R + 0,5 D sin( 3,14/180)

R2 =


35

Este clculo se aplica tambin a pinzas en ngulo (dedos con puntos de basculamiento separados C1 y C2). Entonces el radio R1 aumenta, mientras que R2 disminuye. El ngulo entre las lneas TCP-C1 y TCP-C2 debera quedar en el margen de 0 < < (2 40). El caso es diferente cuando hay que sujetar varias piezas simultneamente. Aqu tambin es esencial alcanzar un cierto grado de movilidad utilizando el principio del pinzado mltiple, es decir, con puntos de presin individuales como se muestra en la Fig. 45.Fig. 45: Pinzado simultneode varias piezas, utilizando un distribuidor de presin para compensar las tolerancias

F

F

Para permitir un mayor margen de dimensiones, tambin es posible utilizar mandbulas escalonadas en forma de V. As, utilizando un recorrido de 50 mm en cada caso, es posible sujetar piezas con dimetros que van desde 1 a 110 mm. Las mandbulas utilizadas para esto se muestran en la Fig. 46 [2]. Sin embargo, hay que aceptar desplazamientos de x del punto central de la herramienta. Una aplicacin tpica de esta clase de pinzas sera el montaje de una caja de cambios en una clula de montaje, en la que los ejes, rodamientos y engranajes, todos con dimetros diferentes, deben ser manipulados sucesivamente.

36


Fig. 46: Mandbulas de una pinza paralela para 3 mrgenes de dimetros

y

x

1 3 7 0.

...

30

.. 7 0

mm

x

0.

.. 1 0

mm m

0m

50 mm

50 mm

Mandbulas para pinzas en secuencia

Las pinzas en secuencia se utilizan para sujetar una cantidad definida de objetos diferentes en una secuencia invariable. Las mandbulas deben tener consecuentemente varios puntos de sujecin que coincidan en cada caso con los puntos de contacto de cada pieza. La mejor forma de explicar esto es a travs de un ejemplo como el de la Fig. 47, con 4 piezas. Est definida la orientacin y los puntos de pinzado requeridos por el proceso. Las mandbulas deben tener el perfil negativo de cada punto de sujecin, lo que produce formas bastante complejas. Esto, naturalmente, no siempre es posible pero se han llegado a disear mandbulas que permiten tomar 9 piezas diferentes para el montaje de una caja de cambios sin tener que cambiar las mandbulas. Por ciento, que este caso slo se encuentra en clulas de montaje, en las que se necesita un robot para montar tantos componentes diferentes como sea posible. En las lneas de montaje en serie, los robots, y por lo tanto las pinzas generalmente se establecen para una tarea especfica.


37

Fig. 47: Mandbulas con superficies de pinzado especficamente adaptadas

D

A B C C D B

A

Mandbulas para aplicaciones especiales

Pueden disearse pinzas para muchas aplicaciones especiales [3]. Hay, por ejemplo, pinzas con mandbulas giratorias que pueden girar una pieza 90. Una mandbula es pasiva, mientras que la otra est provista de un actuador rotativo. Sin embargo, hay que tratar de utilizar siempre pinzas normales antes de desarrollar pinzas especiales. La Fig. 48 muestra algunos ejemplos de pinzas especiales.

Fig. 48: Variantes de mandbulas para pinzas paralelas 1 Mandbula amoldable por conjunto de lminas 2 Mandbula de ancho regulable 3 Mandbula combinada

1

2

3

La mandbula amoldable incorpora finas placas metlicas. Cuando se cierra la pinza, las placas son empujadas por la pieza, formando un negativo de su contorno. A continuacin se bloquea todo el conjunto. Este amoldado es reversible, es decir, las lminas pueden restablecerse. Las mandbulas tambin puede dotarse con mecanismos de cierre permitiendo que el ancho de pinzado, pero no el recorrido, se ajuste a las dimensiones de la pieza. Las mandbulas 384 Construccin de accesorios para pinzas

tambin pueden girarse 180. Para sujetar varias piezas simultneamente (pinzas combinadas), las mandbulas deben estar dotadas de un nmero adecuado de rebajes idnticos. Aqu tambin debemos considerar el problema de la tolerancia [4]. Tambin es posible dotar a los dedos de las pinzas con mandbulas mviles. La Fig. 49 muestra un ejemplo. Cuando cierran los dedos de la pinza, se ponen en contacto con la pieza y la levantan de su alojamiento en V. No es necesario que el manipulador tenga movimiento de elevacin. No obstante, para ello es necesario que las mandbulas y las piezas tengan una superficie de deslizamiento lisa y adecuada. El punto de contacto debe ser por debajo del centro de la pieza. La finalidad de este diseo es ahorrar la necesidad de un eje de movimiento.Fig. 49: La pinza con mandbulas mviles levanta la pieza de su alojamiento en V 1 2 3 4 5 6 7 Cuerpo de la pinza Dedos Mandbula mvil Eje giratorio Superficie de apoyo Muelle de torsin Pieza


39

Consideraciones sobre el recorrido de la mandbula

,

Al seleccionar la forma de las mandbulas de las pinzas, debe darse una holgura segn la forma de aproximacin de la pinza a la pieza, ya que puede influir en la carrera necesaria. La aproximacin puede ser axial o radial; en general son las condiciones tcnicas las que lo determinan. La Fig. 410 muestra dos casos, tomando el ejemplo de las mandbulas en forma de V, que requieren diferentes carreras de pinzado c para la misma pieza. Siempre se necesita un margen de seguridad de apertura a y un margen de seguridad de cierre b; esto compensa las tolerancias y proporciona la holgura necesaria.

Fig. 410: La forma de aproximacin afecta a la apertura necesaria a Margen de seguridad de apertura b Margen de seguridad de cierre c Carrera necesaria de la mandbula

Aproximacin

Aproximacin axial

b a

b a

c

c

Publicaciones

[1] Cardaun, U.: Systematische Auswahl von Greifkonzepten (Conceptos para la seleccin sistemtica de pinzas ). Tesis doctoral, Universidad de Hanover 1981 [2] Volmer, J. (Hrsg.): Industrieroboter Funktion und Gestaltung (Robots industriales: Funcin y diseo), publicado por Verlag Technik, Berlin y Munich 1992 [3] Hesse, S. (Hrsg.): Industrieroboterperipherie (Perifricos para robtica industrial), publicado por Hthig Verlag, Heidelberg 1990 [4] Hesse, S.: Lexikon Handhabungseinrichtungen und Industrierobotik (Lxico de dispositivos manipuladores y robots industriales), publicado por expert Verlag, Renningen 1995

40


5 Fuerzas que actan en las pinzas

La misin principal de una pinza es la de sostener objetos de forma segura durante un cierto tiempo. Las pinzas que utilizan el principio de sujecin por fuerza, de las que trataremos aqu, se necesitan para contrarrestar los esfuerzos dinmicos y estticos, as como los pares que se producen durante una secuencia de movimientos. La fuerza de sujecin exigida es, pues, el principal criterio para la seleccin del tipo y tamao adecuado de pinza. La fuerza de sujecin necesaria puede y debera calcularse aproximadamente, aunque ello no represente la solucin ideal. En casos dudosos deberan hacerse pruebas o recomendar al usuario que las hiciera, ya que algunas variables estn sometidas a fluctuaciones o son simples estimaciones. Si se va demasiado a lo seguro, tal vez sea una desventaja para el usuario ya que para una pinza ms pesada necesitar un manipulador de mayor capacidad de carga, o bien ver disminuida la capacidad de carga del sistema.

Esta ley, formulada por Isaac Newton en 1687, afirma lo siguiente: Tercera ley de Newton sobre el movimiento La acciones de dos cuerpos entre s son siempre iguales y en sentido opuesto, es decir, la reaccin es siempre igual y opuesta a la accin. Esto significa que la fuerza y la contrafuerza estn en equilibrio. Un ejemplo simple se muestra en la Fig. 51a. Una barra es sometida a una carga de traccin. En el primer caso, un extremo de la barra est sujeto, mientras que en el segundo dos personas tiran en sentido opuesto por cada extremo. La fuerza de traccin en la barra en cada caso no es de 400 N sino de 200 N. Si esto lo aplicamos a la pinza de dedos paralelos mostrada en la Fig. 51b, veremos que est sujeta al mismo principio. No importa si slo se desplaza un dedo y aplica una fuerza de 200 N o si los dos dedos opuestos generan una fuerza de 200 N cada uno. Las dos pinzas mostradas son equivalentes en trminos de fuerza.


41

Fig. 51: La ley de interaccin de las fuerzas a) La fuerza de traccin en la barra es de 200 N en ambos casos b) Debido al principio de accin = reaccin, en las pinzas paralelas no importa si la fuerza de pinzado FG es aplicada por uno de los dedos o por ambos.

200 N

200 N

200 N

a)

FG b) 200 N

FG 200 N

FG 200 N

La tercera ley de Newton sobre el movimiento, se aplica tambin a las pinzas de tres puntos en una forma ligeramente modificada, como veremos. En este caso, las fuerzas actan en tres direcciones.

Las fuerzas de rozamiento crean un efecto de sostenimiento

Si limitamos nuestro estudio de los principios de sostenimiento al equilibrio de fuerzas con pinzas mecnicas, veremos que la fuerza de sujecin es slo un medio para obtener un fin. Desde el punto de vista del rozamiento, la fuerza de sujecin acta como una fuerza normal . La verdadera funcin de sujecin la realizan las fuerzas de rozamiento FR que se crean segn la ley de rozamiento de Coulomb, en una direccin opuesta a la de movimiento y opuesta a la fuerza G, debida al peso del objeto sujetado. El caso ms sencillo lo muestra la Fig. 52.

Fig. 52: Fuerzas que actan en una pieza sujeta (en reposo)

FR 1

FR

1 Dedo 2 Mandbula 3 Pieza

FG Coeficiente de rozamiento

FG

2 3 G

Esta situacin se aplica cuando el dispositivo de manipulacin se halla en reposo (o se mueve muy lentamente). Se obtiene la siguiente ecuacin: G = FG n 425 Fuerzas que actan en las pinzas

o expresado de otra forma: FG = mG n

Variables en la frmula: FG = Fuerza mnima requerida de sujecin en N G = Fuerza debida al peso del objeto en N g = Aceleracin de la gravedad en m/s2 m = Masa de la pieza en kg n = Nmero de dedos o mandbulas = Coeficiente de rozamiento entre la mandbula y el objeto. Como vemos, en la frmula se considera el nmero de dedos ya que se crea una fuerza de rozamiento FR en cada mandbula. Con tres puntos de contacto, n = 3. Hay diversas variantes posibles para la solucin de tres puntos. La Fig. 53 muestra una verdadera pinza de tres dedos y una solucin basada en una pinza de dos dedos. En este ltimo caso, la fuerza de pinzado se reparte en la mandbula en V en fuerzas de contacto FKi.Fig. 53: Vista en planta de dos situaciones de pinzado a) Pinza de dos dedos con mandbula en V b) Pinza de tres dedos

FG FK2 FG

FG

FG = FK1

FK3 G = FKi .

FG

G = FG . . 3

Si, en el caso de la pinza de dos dedos, se elige una mandbula con un ngulo 120, el mismo que la posicin de los dedos en una pinza de tres dedos, ambas pinzas seran iguales respecto a las fuerzas de sujecin. Slo habr diferencias con otros ngulos de mandbula. En estos casos debemos referirnos a ngulos de contacto, que pueden determinarse por la siguiente frmula, si se permite cualquier ngulo de mandbula: FKi = G sin1 (sin1 + sin2 + sin3)

en donde: i = 1, 2, 3 e 1 = 180 23 2 = 180 13 3 = 180 125 Fuerzas que actan en las pinzas

43

El total de las 3 fuerzas de rozamiento FR1 a FR3 (Fig. 54) debe ser por lo menos suficientemente grande para compensar la fuerza G debida al peso producida por la gravedad. Tambin debern conocerse las fuerzas de contacto si queremos comprobar la presin de sujecin por unidad de superficie en el caso de piezas sensibles.Fig. 54: Clculo de las fuerzas de contacto para una pinza

FG = FK1

FR1 FR3 FR2

13

FK3 12 FK2 23

G

La Fig. 55 muestra las relaciones matemticas que controlan las fuerzas de sujecin durante un movimiento ascendente en el caso de las mandbulas corrientes en V con 3 4 puntos de contacto con el objeto. Hay que distinguir entre tres variantes de sujecin: Sujecin puramente por forma Sujecin por forma y rozamiento Sujecin puramente por rozamiento.

44


Fig. 55: Fuerzas en una pinza paralela para piezas, con mandbula en V a g m S Aceleracin lineal Aceleracin de la gravedad Masa Factor de seguridad Coeficiente de rozamiento

Croquis

Fuerzas de contacto

Fuerza de sujecin ascendente

Sujecin puramente por formaa FG

FK1 =m .g FK1 1 FG 2 FK2

m(g + a)sin2 sin(1 + 2) FG = m(g + a) S m(g + a)sin1 sin(1 + 2)

FK2 =

Sujecin por forma y rozamientoFR1 a FR2

m(g + a) FK1 = 2cos1 FG = FK2 = m(g + a) 2cos2 m(g + a) 2 tan S

FG FK1 1 m .g 2

FG FK2

FR a FG= FK1 FG FK2 90 m .g FR

FK1 = m(g + a)tan2 FG = FK1 S FK2 = m(g + a) 2cos2

Sujecin puramente por rozamientoa FG FK 2 m .g FG

m(g + a) FK = 4

m(g + a) FG = 2 sin S

FR


45

La sujecin depende mucho del coeficiente de rozamiento. Como valores orientativos pueden tomarse los siguientes: Piezas con superficies lisas ligeramente aceitadas = 0,1 Contacto de metal con = 0,5 a 0,2 Mandbulas con superficies grafiladas = 0,3 a 0,4 Mandbulas con recubrimiento antideslizante o contacto metal/goma = 0,5 a 0,7.

Las ecuaciones dadas en la Fig. 55 incorporan tolerancias para ciertos factores que an no se han mencionado: El coeficiente de rozamiento vara mucho. Por ello debe incluirse un factor de seguridad S. En la prctica, el factor utilizado se halla entre 1,5 y 4. La fuerza G debida al peso, representa slo una parte de la carga. Deben aplicarse tolerancias para otras fuerzas, en especial las fuerzas de la inercia debidas a la aceleracin a del brazo del manipulador o del robot. Tambin pueden intervenir fuerzas propias del proceso, como es el caso, por ejemplo, de la insercin de componentes durante una operacin de montaje.

Comprobar el ciclo de movimiento

En el caso de manipuladores multieje, puede suceder que la situacin de la fuerza cambie de vez en cuando durante un ciclo de movimiento. Puede ser posible contrarrestar ciertas fuerzas que se producen utilizando mandbulas de forma (movimientos laterales), mientras que otras fuerzas pueden necesitar un mayor coeficiente de rozamiento. Se trata, pues, de identificar la fase del movimiento que exige la mayor fuerza de sujecin y seleccionar la pinza bajo estos criterios. La Fig. 56 muestra diversos movimientos tpicos y las fuerzas que se producen en ellos.

Fig. 56: Situaciones de fuerza durante el movimiento de la pinza

v

v

FRa) b) c) d) e) En reposo Movimiento ascendente Movimiento descendente Movimiento lateral Movimiento ascendente inclinado

FRv=0

FR

FR

FR

FR

FB FGa) G v

FB FGG v

FG

FGb)

FGc) G

FG

FR

FR

FR

FR

FG

FBG

FG

FG

FBG

FG

d)

e)

46


En el caso de un movimiento ascendente, la fuerza G debida al peso y la fuerza debida a la inercia FB pueden ser compensadas por las fuerzas de rozamiento FR. Durante el movimiento de descenso, la fuerza de la inercia acta oponindose a la fuerza debida al peso y hace que la pieza sea realmente ms ligera. Sin embargo, durante la fase de frenado, se produce una fuerza de deceleracin. En el caso de movimientos laterales, la fuerza de la inercia es absorbida por la forma de las mandbulas, lo que no exige fuerzas de rozamiento adicionales. Sin embargo, la fuerza de la inercia intenta abrir los dedos de la pinza. Con movimientos inclinados, deben tenerse en consideracin las fuerzas de la inercia que actan horizontal y verticalmente. Por descontado, la posicin es algo diferente con mandbulas prismticas (en V) o con otros tipos de manipuladores. Siempre es necesario estudiar la operacin completa de manipulacin. Las fuerzas de inercia pueden calcularse, en general, como sigue: FB = m a o en el caso de movimientos rotativos: FB = m r Trminos utilizados en las frmulas citadas: a m r = = = = Aceleracin lineal en m/s2 Masa del objeto manipulado en kg Distancia al punto de giro en m Aceleracin angular en rad/s1.

En condiciones de funcionamiento normales, debera ser posible utilizar los valores de aceleracin que alcanzan los robots (los especificados en los catlogos). Sin embargo esto no sera del todo correcto. Los valores crticos no son los de las condiciones normales, sino los de las situaciones excepcionales, especialmente las que siguen a una PARADA DE EMERGENCIA del robot. Podemos tomar, por ejemplo, los siguientes valores estndar para la aceleracin: Aceleracin en funcionamiento normal, lineal: Aceleracin por PARO DE EMERGENCIA, lineal: Aceleracin en funcionamiento normal, rotativa: Aceleracin por PARO DE EMERGENCIA, rotativa: a = 5 m/s2, aN = 10 m/s2, = 10 rad/s2 y N = 17 rad/s2.

Si en la documentacin tcnica del robot se dispone de datos ms precisos, deberan utilizarse preferentemente.


47

Ejemplo: Un robot industrial debe tomar un objeto en P1, transportarlo a travs de P2 hasta P3 y depositarlo en P4 Fig. 57). Qu fuerzas de sujecin deben desarrollar las dos mordazas? (Asumimos: = 0,2; Factor de seguridad S = 2).Fig. 57: Ejemplo de una tarea de manipulacin

P2

P3

P1 P4

Masa = 1 kg

Fuerza de sujecin durante la elevacin:m(g + a) S FG = n = 1 (9,81 + 5) 2 0,2 2 = 74N

Fuerza de sujecin durante el recorrido lateral:mgS FG = n +ma= 1 9,81 2 0,2 2 + 1 5 = 54N

Fuerza de sujecin hacia abajo durante el PARO DE EMERGENCIA (tras la fase de aceleracin):FG = m (g + aN) S n = 1 (9,81 + 10) 2 0,2 2 = 99N

En general las pinzas deben seleccionarse basndose en las situaciones de PARO DE EMERGENCIA, ya que en estas situaciones es necesario que la pieza contine siendo sostenida por la pinza y no sea expulsada. Los mayores valores de aceleracin (de hecho, valores de deceleracin) se producen durante un PARO DE EMERGENCIA.

48


Problemas con el par

En los casos tratados hasta ahora, se ha supuesto que el centro de gravedad de la pieza est situado con precisin entre las mandbulas de la pinza. Naturalmente, el centro puede tambin quedar en cualquier otra parte, aunque debera evitarse esta circunstancia ya que puede provocar giros no deseados de las piezas cuando existen aceleraciones importantes.

Fig. 58: Ejemplos de pares creados como resultado de la sujecin de piezas

1

2

3

a FK1

b FK2 G FK2

l c FK2 FK1 G

l c FK1 G

En el caso 1 se aplica lo siguiente:Gb FK1 = a+b y FK2 = Ga a+b

Para los casos 2 y 3 se aplica lo siguiente:G(l + c) FK1 = l y FK2 = G c l

El hecho que las pinzas puedan manejar cargas excntricas puede crear a veces dificultades de clculo. Generalmente, los fabricantes de pinzas indican en sus grficos de capacidad de carga las fuerzas debidas a la longitud de los dedos y que producen un par que tiende a abrir los dedos de la pinza o a hacer girar la pieza en los casos en que las mordazas no sean prismticas. Cuanto ms anchas son las mandbulas, mejor es la distribucin de fuerzas y menores las fuerzas necesarias para sujetar la piezas cuando su centro de gravedad queda fuera de las mandbulas.


49

Por qu es tan importante observar estos lmites? La Fig. 59 muestra las fuerzas que se producen. Segn la ley de la palanca (la fuerza multiplicada por su brazo es igual a la resistencia multiplicada por el suyo), la fuerza de sujecin FG produce fuerzas de vuelco en la gua de los dedos. Estas fuerzas, a su vez, producen un aumento de los rozamientos. Parte de la fuerza de sujecin generada es contrarrestada por las fuerzas de rozamiento en la gua. Adems, siempre que se produce rozamiento, se anticipa el desgaste. Si se sobrepasan los lmites admisibles, la pinza no alcanzar su vida til prevista ni se conseguir la fuerza de sujecin requerida.Fig. 59: Fuerzas excntricas actuando sobre el dedo de una pinza FN Fuerzas normales actuando sobre la gua x Longitud del dedo hasta el punto de accin y Distancia desde el punto de accin hasta el centro de la pinza

v FNx FNy

x FG

FR

FNy y FNx

FG

50


Curva caracterstica de la fuerza de sujecin

El usuario debe saber si su pinza desarrolla una fuerza constante durante todo el recorrido. Esta informacin la da la curva caracterstica de la fuerza de sujecin. La Fig. 510 muestra dos mecanismos de transmisin como ejemplos. A medida que gira el ngulo del dedo (en una pinza angular) la fuerza de sujecin vara a lo largo del recorrido en funcin del coseno del ngulo de rotacin . Por otro lado, en el segundo ejemplo, FG = constante. Si el ngulo de giro de una pinza angular es pequeo, este efecto puede despreciarse. Sin embargo, algunos mecanismos de palanca tienen curvas caractersticas de fuerza de sujecin con variaciones muy acusadas. Un caso tpico es el de la pinza accionada por leva de rodillera cuya curva tiene un gradiente muy acusado, con elevadas fuerzas de sujecin disponibles solamente en una pequea zona del recorrido. Estos dos ejemplos muestran que no todas las pinzas desarrollan una fuerza constante a lo largo de su recorrido.

Fig. 510: Fuerza de sujecin FG segn el recorrido h de la pinza a) Pinza angular b) Pinza paralela Q Fuerza de traccin h Recorrido de la pinza


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6 Propiedades tcnicas

Las propiedades tcnicas de las pinzas y su coste forman la base para evaluar una determinada aplicacin y para comparar las propuestas de los diferentes fabricantes. Cuanto ms se adapte una determinada gama de pinzas a las necesidades medias del usuario, tanto ms fcil ser seleccionar la pinza adecuada. Naturalmente, habr aplicaciones especiales que exigirn pinzas especiales. Pero a fin de cuentas qu es lo que caracteriza a una pinza? Para elegir una pinza primero hay que estudiar la aplicacin. Esto revelar lo que se exige de las pinzas y que cargas debern soportar. Si este tipo de estudios se realiza de forma inadecuada, precipitada o incompleta, el resultado probablemente ser frustrante. Si la eleccin de las pinzas no es buena se producirn fallos rpidamente y no se obtendr el rendimiento esperado. Es arriesgado aconsejar una determinada pinza sin una buena base. La eleccin de basarse en un equilibrio entre lo que se le exige a la pinza y las caractersticas que garantiza el fabricante.

Unas palabras acerca de las caractersticas

Las propiedades de una pinza pueden ilustrarse con algunos datos caractersticos. La tabla de la Fig. 61 da una lista de estos datos. Las caractersticas pueden subdividirse en datos primarios y datos secundarios. Al examinar si una pinza es adecuada deberemos proceder paso a paso, verificando previamente los datos primarios y utilizando los secundarios para tomar la decisin final. Por descontado que no todo es siempre importante en todos los casos. Por ello es aconsejable ponderar los datos caractersticos de cada aplicacin. Por ejemplo, los tiempos de apertura y cierre no son importantes si el tiempo de proceso no es crtico, lo cual sucede cuando el tiempo de manipulacin de la pinza no se suma al tiempo de proceso, sino que se desarrolla en paralelo con otras operaciones. En lo que a la fuerza de sujecin se refiere, ser pequea si, por ejemplo, tan slo hay que insertar las tres patillas de conexin de un componente en un circuito impreso. Tambin puede obtenerse una sujecin fiable con pinzas que cierran por la fuerza de un muelle. Sin embargo, si en la aplicacin hay que sujetar componentes ms pesados (por ejemplo rels), la fuerza de sujecin ser importante y deber verificarse. En casos especficos, puede ser aconsejable considerar otros valores caractersticos, por ejemplo, el tiempo de cambio de mandbulas en aplicaciones en las que hay que cambiarlas con frecuencia, tal vez incluso varias veces por da, debido al desgaste o a la necesidad de manipular diferentes productos. Un dato caracterstico secundario a veces puede convertirse en primario, por ejemplo, si una pinza debe ser adecuada para funcionar en salas (Clean room). Para este caso, habr muchas pinzas que debern desestimarse de entrada.

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Fig. 61: Datos caractersticos de las pinzas

Datos caractersticos de las pinzas Denominacin del tipo Diseo Tamao Datos principales Principio de funcionamiento - mecnico - fludico - magntico - adhesivo Fuerza de sujecin en N Variaciones de la fuerza (diagrama de fuerza-recorrido) Recorrido por mandbula en mm o ngulo de apertura en grados Sujecin con ajuste Capacidad de carga mx. en N Tiempo de cierre en s Tiempo de apertura en s Valores lmite de carga - Fuerzas - Pares - Longitud de los dedos Nmero de componentes de la sujecin Dimensiones principales en mm Peso muerto en kg Datos secundarios Relacin masa/rendimiento en N/gramos Momento de inercia de la masa en kgcm2 Margen de presin de funcionamiento en bar Ciclos de mantenimiento Diseo de los cojinetes y las guas Gama de tamaos Precisin en la repetibilidad en mm Margen de temperaturas de funcionamiento en grados Modo de funcionamiento - Simple efecto - Doble efecto Frecuencia mxima de trabajo en Hz Posicin de montaje Tipo de energa y consumo Retencin de la fuerza de pinzado en caso de fallo de tensin Supervisin de la fuerza de pinzado Especificaciones del material Vida til Datos de interface - mecnico - fludico - elctrico Caractersticas ambientales - Clase de sala limpia - Aire de escape - Partculas abrasivas


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Precisin de la sujecin

Las operaciones de manipulacin funcionan de forma perfecta slo en teora. Si observamos atentamente, veremos que siempre es necesario dar una cierta tolerancia en todos los ejes. En teora esto es cierto, la nica cuestin es el orden de magnitud de los errores resultantes. La Fig. 62 muestra una forma exagerada de la situacin general. La pieza alimentada est sujeta a errores, los movimientos del robot son imprecisos y la posicin final, por ejemplo, una pieza bsica sobre la cual se montan otras, tambin est sujeta a tolerancias. Solamente un preciso anlisis de las tolerancias mostrar si la situacin es crtica o no. Aproximadamente un tercio de todas las aplicaciones de montaje son de insercin de pasadores en agujeros. Algunas de estas operaciones pueden ser consideradas como montajes de precisin, con holguras de tan slo unas centsimas de milmetro. En estos casos, puede suceder que la precisin de la pinza y del robot industrial sobrepasen los lmites permisibles. La precisin en la repeticin de una pinza se define como la variacin en el posicionado del extremo de las mandbulas durante 100 operaciones sucesivas de sujecin (movimientos de cierre). Esta cifra puede ser, por ejemplo, de 0,02 mm en el caso de una pinza paralela.

Fig. 62: Modelo general de una operacin de manipulacin 1 Cargador de piezas en un transportador suspendido 2 Robot industrial en una unidad mvil 3 Carretilla de montaje en una lnea de transferencia

1

2

3

Para poder realizar un montaje con pequeas tolerancias, deben adoptarse las siguientes medidas: Mejorar la repetibilidad, en especial la del dispositivo de manipulacin Disear los componentes a montar de tal forma que se facilite el ensamblaje, especialmente disponiendo guas y chaflanes. Combinar pinzas utilizando mecanismos de adaptacin. Los mecanismos de adaptacin son dispositivos situados antes de la pinza y que estn previstos para compensar errores de posicionado y angulares entre la pieza sostenida por la pinza y el eje de unin definido por la base fija que recibe la pieza. Hay que distinguir entre mecanismos de adaptacin y centraje activos (IRCC = instrumented remote centre compliance) e instrumentos de adaptacin pasivos (RCC = remote centre compliance). Por su configuracin relativamente 546 Propiedades tcnicas

sencilla, la mayora son del tipo RCC. Estos pueden compensar fcilmente desviaciones de la posicin del orden de los 2 mm, con un error de orientacin de 2 y un juego permisible entre las dos piezas de 0,01 mm. Para que estos dispositivos puedan funcionar, hay que prever chaflanes de gua en la pieza receptora (agujero), en la pieza a insertar (pasador) o en ambas; este detalle no debe ignorarse. La Fig. 63 muestra el principio de un dispositivo RCC. La adaptacin puede obtenerse utilizando una configuracin especial de componentes a base de elastmeros o de muelles de lminas. El par de adaptacin interno compensar los errores angulares, mientras que el externo los de posicionado. El punto de giro aparente (remoto) de la pieza a insertar queda en su extremo inferior. No es necesario que el usuario construya sus propios mecanismos de adaptacin; estn disponibles comercialmente en una gama variada de tamaos.Fig. 63: Mecanismo de adaptacin con compensacin lateral y angular combinadas 1 Compensacin lateral (posicin) 2 Compensacin angular 3 Punto de giro aparente para la compensacin angular 4 Placa de soporte de la pinza 5 Pinza paralela 6 Dedos de la pinza 7 Pieza a insertar 8 Pieza receptora

1

2

4 5

6 3 7 8

El problema de montar un pasador es similar al problema que surge en los movimientos de alimentacin al insertar una pieza en un dispositivo de fijacin. Hay una pequea pero fundamental diferencia entre estas dos operaciones. A continuacin consideraremos este tipo de operacin.

Compensacin del error de alineacin axial

Una pinza con la pieza sujeta representa una estructura rgida. Si se utiliza para alimentar un dispositivo de sujecin que cierre antes de que la pinza abra, se producir una sobrecarga en la pinza. La Fig. 64 muestra esta situacin si asumimos que los ejes no estn perfectamente paralelos. La pinza y el manipulador son forzados a adoptar la direccin del eje de fijacin lo cual representa efectivamente una sobrecarga. Hay una breve conexin forzada entre el manipulador y la mquina a la cual se alimenta la pieza. Una placa de sujecin flexible para la pinza puede ayudar a evitar que se produzcan daos.


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Fig. 64: Situacin en la que puede producirse una sobrecarga de la pinza y del manipulador si no se prev compensacin a) Alimentacin a un dispositivo de sujecin b) Correccin axial durante el cierre del dispositivo de sujecin

a)

b)

Fuerza debida al cierre

Este problema tambin aparece tericamente cuando una pinza toma una pieza de un palet bajo condiciones de desalineamiento axial. Cuando la pinza sujeta la pieza, el brazo del robot es empujado de nuevo fuera de su posicin y en consecuencia utiliza la fuerza de sus actuadores para intentar alcanzar de nuevo la posicin programada. Esto puede incluso daar el sistema de accionamiento del robot. Tambin en este caso una brida de unin ligeramente flexible ofrece una solucin Fig. 65). Adems, el valor elegido para la holgura de las piezas en sus portadores no debe ser demasiado pequea, para permitir que la pieza se adapte a la posicin de la pinza.Fig. 65: Toma de una pieza en un palet de transporte a) Desalineacin axial x durante la aproximacin a la posicin b) Compensacin durante la operacin de sujecin

x

a)

b)

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Las situaciones descritas aqu no pueden ser resueltas slo por las pinzas. Hay que prestar atencin al desalineamiento axial. Cul es la respuesta? Hay varias posibilidades: Dependiendo del tipo de dispositivo de fijacin (plato de sujecin, insercin vertical), puede ser posible trabajar en la secuencia Entregar/abrir pinzas/cerrar dispositivo de fijacin/retirar pinza, o tal vez sea esencial trabar en la secuencia Insertar pieza/cerrar dispositivo de sujecin/abrir pinzas/retirar pinza. El primer caso no presenta dificultades ya que no existe conexin forzada entre el dispositivo de fijacin y la pinza. Hay robots industriales que permiten una accin flotante dentro de ciertos lmites. El brazo se adapta y el robot no intenta restablecer su anterior posicin. Esto se consigue por medio de una amplia zona de coincidencia para la evaluacin de las seales procedentes de los transductores de posicin de los respectivos ejes del robot. Es posible utilizar sensores de mueca que detectan la desalineacin. Los datos del sensor se utilizan para calcular los movimientos correctores del brazo del robot. El mtodo ms sencillo es utilizar placas intermedias de adaptacin (gomas, muelles), que proporcionen una compensacin adecuada, por lo menos para pequeos errores. Incluso a veces es suficiente con mandbulas de superficie adaptable. Tambin es posible disponer las pinzas para que abran en etapas. En la fase de transicin, la fuerza de la pinza se reduce ligeramente. Las pinzas de este tipo disponibles comercialmente funcionan con dedos elsticos (muelles de lminas) accionados por un cilindro de tres posiciones. Tambin existen pinzas con una determinada suspensin flotante para aquellos casos en los que se esperan grandes desviaciones entre la posicin real y la programada, por ejemplo cuando se retiran piezas de una estantera. Una vez que la pieza ha sido sujetada y elevada, la pinza se desplaza al centro del eje y se bloquea en esta posicin. Esto requiere que haya un dispositivo de bloqueo incorporado en la pinza. La secuencia Insertar pieza/abrir mandbulas/fijar/retirar pinza, puede conseguirse utilizando el elemento de presin mostrado en la Fig. 66. Este es un dispositivo adicional que complementa la funcin de sujecin y que es presionado en el momento de tomar la pieza. Una vez alcanzada la posicin de fijacin la pinza abre. Ahora acta el dispositivo adicional y la pieza es empujada contra la zona de contacto del dispositivo de fijacin. La pinza, una vez completada su tarea se retira sin haber estado sometida a sobrecargas.


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Por la cantidad de soluciones posibles puede deducirse que el problema de las desalineaciones hay que tomarlo bastante en serio.Fig. 66: Pinza combinada con un elemento de presin 1 2 3 4 5 Muelle de presin Pinza Placa de presin Pieza Dedos de la pinza

1 2

3

4

5

La Fig. 67 muestra un dispositivo muy sencillo que puede utilizarse para ayudar en operaciones de montaje. La pinza est montada en un cono de unos 15. Esto hace que la pinza sea flexible en las direcciones x, y, z en aquellos casos en que la pieza a unir pierda su posicin y se apoye sobre la pieza receptora. En este caso, el cono se levanta ligeramente, creando un espacio de tolerancia en el plano x, y. La pinza puede ahora moverse en la direccin adecuada. No obstante, es necesario que las partes a unir dispongan de chaflanes de gua.Fig. 67: Sencillo mecanismo de adaptacin para montaje vertical 1 Cono de centrado 2 Placa de conexin para la pinza 3 Pinza 4 Dedo de la pinza 5 Pieza a insertar 6 Pieza receptora 7 Brazo del manipulador

1 2

7 3 4 z 5 6 y x

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Proteccin contra colisiones

Las pinzas son los efectores finales, lo que significa que se hallan al final de la cadena cinemtica (robots de brazo libre) y por ello tienen el mayor radio de accin de todos los componentes del robot. Esto tambin significa que las pinzas estn sujetas al mayor riesgo de colisin. Para evitarlo, se han desarrollado dispositivos de proteccin de colisiones (o dispositivos de desconexin). Estos dispositivos se fijan entre la pinza y el brazo del robot y complementan el sistema de control de la pinza. Los dispositivos de proteccin se disparan cuando se sobrepasa un umbral de carga ajustable, en cuyo caso se genera una seal de desconexin. En el caso del dispositivo mostrado en la Fig. 68, se utiliz una cmara presurizada neumticamente para mantener el dispositivo tenso. En caso de colisin, el cojn de aire pierde presin y el mecanismo se vuelve blando, es decir, ligeramente flexible.

Fig. 68: Proteccin ajustable de una pinza contra colisiones, mostrando la capacidad de reaccin a) Rotacional b) Vertical c) Horizontal F Fuerza de disparo z Recorrido vertical ngulo de inclinacin producido por la colisin ngulo de basculamiento

z

F F F

a)

b)

c)

Tambin hay mecanismos cargados por muelles en los cuales las pinzas ceden ante sobrecargas y retroceden ante un obstculo. No obstante, este tipo de pinzas no son fcilmente ajustables pero son de diseo muy simple. El factor decisivo es, por descontado, la aplicacin de que se trate y la probabilidad que aparezcan obstculos inesperados. Esto indicar si es necesario proteger una pinza contra colisiones. Si no hay obstculos en ninguna parte cerca de la pinza, no ser necesario prever proteccin ante colisiones.


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Zona de trabajo de la pinza

Cada pinza necesita espacio para trabajar. El recorrido hasta el punto de sujecin necesita una zona de trabajo de la pinza o un canal de alimentacin que debe estar libre de obstculos. Las dimensiones mnimas de esta zona las determina el contorno de la pinza con los dedos abiertos o con la pieza si esta sobresale ms all de los bordes de la pinza. En espacios limitados tal vez ser mejor utilizar pinzas de dedos paralelos que angulares. Esto se muestra en la Fig. 69. Se supone que la pieza que debe montarse a presin en una base receptora debe ser tomada por una pinza de forma en la direccin de la insercin. Sin embargo, esto tambin puede conseguirse con una pinza paralela, con la ventaja que ello permitira posiciones de almacenamiento ms cercanas en el palet. Esto aumentara la capacidad de almacenamiento, factor que casi siempre es deseable.

Fig. 69: Cuando se trabaja en espacios reducidos, hay que considerar el espacio circundante de la pinza a) Pinza radial b) Pinza paralela 1 Lmites espaciales 2 Radio descrito por los dedos de la pinza 3 Pieza 4 Palet 5 Pinza paralela abierta x Distancia entre posiciones de almacenamiento

1

2 3 5

4x a) x b)

Capacidad de carga y peso muerto

Cuanto ms ligera es una pinza, tanto mayor ser la capacidad de carga del manipulador y tanto menores las dificultares debidas a la cinemtica de los mecanismos. La Fig. 610 muestra la relacin entre la carga nominal del dispositivo manipulador y la carga de la herramienta, con pinzas que a menudo se consideran como herramientas. La especificacin de la carga nominal se refiere al interface entre el brazo del robot y la brida de conexin de la pinza. Si se hace funcionar el manipulador con la carga mxima posible, deben reducirse la velocidad y la aceleracin. Esto puede afectar uno o ms ejes de movimiento. Con ello, el ciclo de manipulacin ser ms lento. Esto no es problema si los tiempos de proceso son bastante mayores que el ciclo de manipulacin. Por ello vale la pena considerar en determinados casos si puede utilizarse un manipulador de mayor capacidad de carga.

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Fig. 610: Especificaciones de capacidad de carga para robots industriales

Carga nominal Carga de la herramienta Carga de trabajo

Carga adicional Carga de trabajo mxima Carga mxima El rendimiento de una pinza puede expresarse por la relacin entre la fuerza de sujecin en Newtons y el peso muerto en gramos. El ndice de rendimiento de una pinza con una masa de 420 g y una fuerza de pinzado de 300 N sera as de 0,71 Newtons por gramo de peso muerto. Los valores por encima de 1 indican pinzas de muy buen rendimiento. Sin embargo, la mayora de las pinzas tienen ndices por debajo de 1.

Vida til

La vida til de una pinza es un criterio de seleccin importante. Las pinzas modernas estn diseadas para durar por lo menos 10 millones de ciclos de pinzado. Esto se consigue utilizando materiales de alta calidad, dando el tratamiento adecuado a las superficies de contacto de las partes mviles y disponiendo guas de precisin resistentes al desgaste. Hay que asegurarse de que no se sobrepasa el tipo ni el valor de la carga especificado para la pinza en cuestin. Hay que utilizar pinzas con juntas adicionales si se trabaja en un ambiente con refrigerantes lquidos, polvo de fundicin o de tratamientos abrasivos.


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7 Campos de aplicacin y tipos de pinzas

La excelente flexibilidad de un robot industrial desde los puntos de vista mecnico y de tecnologa de control, y la velocidad de los dispositivos de tomar-y-dejar, slo pueden ofrecer ventajas prcticas si las pinzas seleccionadas cumplen con los requerimientos de la aplicacin en cuestin. Sin embargo, las aplicaciones de una determinada pinza no estn sujetas a una rgida definicin; con un poco de imaginacin, siempre pueden hallarse modificaciones que ofrezcan una solucin ptima a una aplicacin de pinzado. El objetivo de este captulo es proporcionar algunas ideas sobre ello. Una de las principales utilizaciones de los robots industriales y los dispositivos de insercin es, sin duda alguna, las aplicaciones de montaje y de alimentacin a mquinas. Ambos campos de aplicacin pueden involucrar requerimientos y deseos del usuario que vayan ms all de los casos promedio. Tambin puede darse el caso que un slo mdulo de pinza deba manipular objetos con amplias variaciones geomtricas. Cada tarea que vaya a realizar una pinza debe ser meditada amplia y escrupulosamente antes de formular ninguna recomendacin.

Areas de aplicacin de las pinzas

Es casi imposible especificar tipos particulares de pinzas para determinadas aplicaciones, ya que prcticamente cada tipo de pinza puede ser adecuada para una aplicacin seleccionando el tamao adecuado, las mandbulas, los dispositivos perifricos, la tcnica de almacenamiento y la estrategia de sujecin. La Fig. 71 muestra una correlacin aproximada entre caractersticas de objetos y tipos de pinzas. Esta correlacin se refiere a situaciones normales y cubre las pinzas paralelas, las pinzas radiales (dedos que se abren a 90), las pinzas angulares (dedos que se abren 18 cada uno), las pinzas de 3 puntos y las pinzas de aspiracin. Siempre hay amplias variaciones en cada tipo de pinza y casos especiales, tales como en las pinzas de aspiracin combinadas, que pueden levantar planchas metlicas de varias toneladas de peso. El principio de la pinza angular se utiliza para grandes manipuladores de forjas con capacidades de carga de hasta 250 toneladas.

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Fig. 71: Correlacin aproximada entre objetos y tipos de pinzas Ideal Adecuado Adecuado en ciertos casos No aplicable

Tipos de pinzas Objetos Masa 0,2 ... 1 kg 1 ... 10 kg 10 ... 50 kg> 50 kg

Dimensiones

20 ... 50 mm 50 ... 300 mm 300 ... 1000 mm > 1000 mm

Sujecin interna Superf. Lisa Rugosa Porosa Sensible Piezas redond. Disco Cilindro corto Eje/vstago Prismas Bloque Plano/corto Plano/largo Plsticos Textiles Lminas Vidrio Cermica

La seleccin de pinzas viene condicionada por parmetros de funcionamiento y propiedades especiales. La Fig. 72, p. ej., muestra un pinza radial cuyo gran ngulo le permite sujetar piezas metlicas con bordes, al estar dotada de mandbulas tipo pinzas de soldadura. Esto es casi imposible de realizar con otro tipo de pinzas.


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Fig. 72: Pinza radial sujetando una pieza metlica de chapa

El tamao de la pieza a manipular no necesariamente impone el tamao de la pinza. Si, por ejemplo, se necesita una pinza para circuitos integrados (ICs) grandes con 40 patas, esta pinza casi siempre deber ser capaz de ejecutar un potente movimiento de cierre, ya que con grandes ICs se necesitan fuerzas considerables para doblar las numerosas patas. Como muestra la Fig. 73 la razn de ello es que la pinza debe ajustar las patas a una distancia precisa durante su movimiento de cierre. Las pata

las pinzas y sus aplicaciones

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