Sistemas de agarre para la manipulación de materiales en ingeniería mecánica

Especialmente en grandes plantas de producción y cadenas de producción, es imperativo tratar las técnicas de manipulación de materiales y piezas de trabajo. Debido solo al peso, a menudo es casi imposible mover los materiales manualmente. Aquí es donde comienza la manipulación de materiales: Los sistemas de agarre o las cintas transportadoras, por ejemplo, facilitan el movimiento y el control de los materiales y aumentan la eficiencia. A continuación, analizaremos con más detalle varios sistemas de garras y cómo se utilizan.

¿Qué es exactamente la manipulación de materiales?

La manipulación de materiales, o también la tecnología de manipulación, hace que los procesos de fabricación sean más fáciles, seguros y productivos. La tarea principal es el movimiento, almacenamiento, control y gestión de materiales. Los sistemas de manipulación de materiales pueden ahorrar espacio de almacenamiento o servir como almacenamiento. Por lo tanto, es aún más importante que los sistemas de manipulación de materiales soporten altas demandas:

• Deben ser resilientes, móviles y flexibles.
• No deberían incurrir en altos costes.

Tipos de sistemas de manipulación de materiales

Los sistemas de manipulación de materiales pueden ser, por ejemplo: cintas transportadoras, carretillas elevadoras, sistemas robóticos, grúas o sistemas de agarre en líneas de producción automatizadas. Sin embargo, también se pueden utilizar en el trabajo manual, p. ej., para apoyar a los operadores en tareas cotidianas como mover bidones o cajas. En particular, el agarre es una de las principales tareas en muchas plantas de producción. Mediante el uso de sistemas de manipulación de materiales, los procesos manuales utilizados anteriormente se pueden acelerar y las ausencias laborales relacionadas con enfermedades se pueden reducir. En este caso, los sistemas de agarre o los sistemas de agarre contribuyen especialmente al trabajo ergonómico.

Sistemas de agarre

Los sistemas de agarre ayudan a la manipulación y el control precisos de materiales y piezas de trabajo. Los sistemas de agarre están disponibles para soportar el trabajo de agarre manual, como mordazas de agarre para barriles, rodillos o cajas. Pero también se utilizan sistemas de agarre en las líneas de producción en la fabricación. Los agarradores se utilizan a menudo junto con robots: Sirven como pieza de conexión entre el robot industrial y la pieza de trabajo.

Agarradores de vacío

En el agarrador de vacío se genera un vacío con una bomba entre la garra y la pieza de trabajo. El agarrador de vacío se coloca en la pieza de trabajo y la presión negativa en el agarrador de vacío hace que la pieza de trabajo se aspire en el agarrador de vacío.

• 1 = pieza de trabajo
• 2 = vacío
• 3 = agarrador de vacío

La fuerza de retención depende de la diferencia de presión entre el entorno y la presión en el propio agarrador de vacío. Cuanto mayor sea la diferencia, mayor será la fuerza de retención y más pesadas serán las cargas que pueden elevarse. Las piezas de trabajo que se van a transportar pueden variar desde piezas duras hasta piezas fácilmente maleables con superficies con capacidad de succión. La fuerza de succión disminuye si la superficie que se aspira es porosa o permeable al aire. Esto requiere ampliar el área transversal efectiva de la línea o utilizar varias ventosas más pequeñas. Las piezas de trabajo blandas, como el papel, los materiales finos y las películas de plástico, pueden arrugarse con la fuerza de succión.

Además de este tipo de agarrador de vacío, también está el agarrador Bernoulli. Utiliza un principio algo diferente: el principio Bernoulli. El flujo de aire pasa a través de una boquilla estrecha a alta velocidad. En este caso también se crea una presión negativa, que genera un efecto de succión y atrae al objeto. Además, se produce una ligera flotabilidad que levanta el objeto mínimamente de la superficie. El contacto entre el agarrador y la pieza de trabajo se reduce al mínimo.

Los sistemas de agarrador de vacío se pueden utilizar de varias maneras: Son adecuados para cargas suaves y delicadas, como bolsas y vasos, así como para cargas pesadas. Debido al contacto mínimo entre el agarrador y la pieza de trabajo, el agarrador Bernoulli es generalmente adecuado para materiales particularmente delicados, como papel y películas de plástico, pero menos para cargas pesadas.

Agarrador neumático

Los agarradores neumáticos son sistemas de agarradores controlados por aire comprimido para sujetar y mover componentes, piezas de trabajo y cargas. Dependiendo de la forma, el peso y el movimiento necesario del objeto que se va a transportar, se pueden utilizar agarradores de mordaza, agarradores giratorios o agarradores de abrazadera en una amplia variedad de formas.

Los agarradores neumáticos se utilizan ampliamente en muchos sectores e industrias debido a su fiabilidad, eficiencia y diseño sencillo. Por regla general, los agarradores están diseñadas como agarradores de dos o tres dedos. Además de los agarradores de acción simple con apertura (empuñadura interior) o función de cierre (empuñadura exterior), también son comunes los agarradores de doble acción.

La siguiente figura muestra la estructura esquemática de un agarrador paralelo activo de doble acción:

• A = conexión neumática
• B = conexión neumática
• 1 = orificios ranurados
• 2 = movimiento lateral de la placa de montaje de dedo (disponible para ambas direcciones)
• 3 = cierre y apertura de los dedos

Con el agarrador de doble acción, hay dos conexiones neumáticas, cada una de las cuales es responsable de abrir y cerrar el agarrador. Si la conexión neumática A está presurizada, el pistón se empuja hacia abajo y el agarrador se cierra. Si la conexión neumática B está presurizada, el pistón se empuja hacia arriba y el agarrador se abre. La plantilla de montaje para el montaje del dedo puede moverse lateralmente sobre el cuerpo del agarrador (2) a través de los orificios ranurados (1). El cojinete conectado al pistón se encuentra en el orificio ranurado diagonal central. El movimiento de la placa de montaje del dedo se inicia guiándola en este orificio ranurado. El pistón se mueve en dirección vertical, mientras que el movimiento horizontal de la placa de montaje manual se fuerza a abrir o cerrar (3).

Aunque los agarradores de mordaza se utilizan principalmente para objetos particularmente anchos o grandes, los agarradores de abrazadera se utilizan normalmente para ciertas formas (p. ej., tuberías) y los agarradores de dedo se utilizan para objetos más pequeños que necesitan sujetarse. Debido a los diferentes tipos de agarradores neumáticos, son adecuados para una variedad de aplicaciones, por ejemplo, en la industria electrónica y en la automatización de procesos. Los agarradores neumáticos funcionan de forma muy eficiente y fiable. Se caracterizan por los bajos costes operativos y pueden utilizarse en espacios reducidos. También son fáciles de configurar y manejar.

Agarrador hidráulico

Generalmente se utiliza un fluido hidráulico, normalmente un aceite hidráulico, para agarradores hidráulicos. El fluido hidráulico se presuriza a través de una bomba hidráulica y, por lo tanto, se transporta al cilindro de trabajo donde transfiere la fuerza. Funcionan de acuerdo con un sistema similar a los agarradores neumáticos.

Los agarradores hidráulicos permiten fuerzas de agarre muy altas, por lo que se pueden utilizar para cargas pesadas. También son muy resistentes y adecuados para condiciones ambientales adversas. Sin embargo, debido al riesgo de fugas, no se pueden utilizar para transportar materiales que no deben estar contaminados. Su alta resistencia de agarre también excluye su uso para materiales delicados. La construcción de los agarradores hidráulicos es generalmente más compleja (p. ej., debido a bombas de aceite, etc.) y, por lo tanto, requiere algo más de mantenimiento y tiene un coste superior al de otros agarraderos.

Agarrador eléctrico

Los agarradores eléctricos tienen un sistema de control con microprocesadores, por ejemplo, un sistema de control PLC. Esto permite seleccionar con precisión la velocidad de cierre y la fuerza de agarre. A menudo también se indica si una pieza de trabajo se ha recogido correctamente o no. Se genera un movimiento rotacional a través de un motor eléctrico o actuadores eléctricos. Este movimiento giratorio del motor se transfiere entonces a una caja de engranajes que mueve las mordazas de agarre como movimiento lineal. Las mordazas de agarre pueden construirse, por ejemplo, en paralelo o en ángulo. Un sistema de control electrónico supervisa y controla los procesos. A menudo se instalan sensores adicionales, que miden la fuerza, la distancia y otros parámetros. Los agarradores eléctricos son adecuados para altas velocidades y acciones de varios pasos, ya que se pueden controlar con precisión. A diferencia de los agarradores hidráulicos o de vacío, no se necesitan líneas adicionales para fluido o aire. Sin embargo, su superficie de agarre suele ser bastante dura. Por lo tanto, no son adecuados para objetos delicados. Además, la fuerza de agarre es bastante baja, por lo que los objetos pesados solo pueden levantarse utilizando la variante con agarre secundario.

Plaquitas de agarre

Se pueden utilizar plaquitas de agarre en las mordazas del agarrador para optimizar la superficie de contacto entre el agarrador y la pieza de trabajo. Las plaquitas de agarre mejoran el agarre o se adaptan a formas especiales. Un mandril es una forma especial de plaquita de agarre, que normalmente consiste en acero y, por lo tanto, proporciona alta precisión y resistencia, pero también es bastante inflexible. Otros materiales para plaquitas de agarre consisten en:

• Caucho/elastómero, como silicona, caucho, poliuretano. Se adhieren bien, son flexibles y protegen la superficie, pero solo son parcialmente duraderos en condiciones difíciles
• Plástico, p. ej. poliamida, polietileno. Son ligeros, asequibles y suaves en la superficie, pero pueden fallar bajo altas cargas y temperaturas.
• Los materiales especiales como la madera y la cerámica son para aplicaciones especiales. La cerámica es, por ejemplo, altamente resistente al calor, mientras que la madera es resistente a la abrasión. Sin embargo, debido a su especialización, suelen ser más caras que otras plaquitas de agarre.

Sistema de herramientas Euro Gripper

El Euro Gripper Tooling System fue desarrollado por el Automotive Working Group. Es un sistema estandarizado para sujetar y reemplazar agarradores. Se utiliza ampliamente en Europa y no solo en la industria de automoción, sino también en otras industrias y fabricación. El sistema EGT se basa en una sección de aluminio octogonal con taladrado de orificios de rejilla para una rápida sustitución de componentes.

Las interfaces estandarizadas, los mecanismos de cambio rápido y la modularidad permiten una rápida sustitución de los componentes rotos, lo que reduce significativamente el tiempo de inactividad. El sistema EGT es compatible con muchas marcas y modelos. MISUMI tiene una gama completa de componentes basados en sistemas EGT.

Diseño ejemplar de un sistema de agarre incluyendo los componentes

Dependiendo del tipo de garra, los sistemas de agarre constan de los siguientes componentes:

• Unidad de accionamiento: Controla el movimiento de las mordazas o las superficies del agarrador. Puede ser un motor eléctrico (para agarradores eléctricos) o un cilindro (agarradores hidráulicos, agarradores neumáticos)
• Sistema de control: En los agarradores eléctricos, el sistema de control se encarga del movimiento del agarrador y otras tareas.
• Fuente de alimentación: Dependiendo del agarrador, puede ser la fuente de electricidad, aire comprimido o bomba hidráulica.
• Sensores: se instalan en garras eléctricas. Supervisan la presión y la fuerza, entre otros parámetros relevantes.
• Adaptador de montaje: se utilizan para sujetar los agarradores al brazo robótico o similares. Pueden estandarizarse según el sistema EGT.

Uno de los componentes más importantes es el propio agarrador del robot. Tiene contacto directo con el objeto de agarre. En este caso también se utilizan diferentes tipos en función de la aplicación. En los agarradores paralelos, por ejemplo, las mordazas de agarre están unidas paralelamente para que la fuerza se distribuya uniformemente en ellas. De este modo es particularmente fácil asir formas estándar. En los agarradores angulares, los agarradores son similares a los alicates. Esta es la forma en que se adaptan a diferentes formas. Además, se puede instalar más de un mecanismo de agarre, por ejemplo, en un agarrador múltiple. Puede sujetar varios objetos al mismo tiempo. Además, hay agarradores multifuncionales que combinan varios métodos y funciones de agarre.

MISUMI ofrece algunos componentes compatibles con la construcción de un sistema de agarre: por ejemplo, placas de montaje o pasadores de posicionamiento

Cálculo de la fuerza de agarre y el peso

La fuerza de agarre se puede utilizar para determinar el peso teóricamente posible que se puede transportar. Lo siguiente se aplica a los agarradores paralelos, por ejemplo: la fuerza de agarre es la suma de las fuerzas individuales que actúan en cada dedo. La siguiente fórmula se utiliza para calcular el peso máximo del objeto que se va a sujetar:

• m = peso de la pieza de trabajo en kg
• F_G = suma aritmética de las fuerzas de agarre
• μ = coeficiente de fricción, dependiente del material
• g = gravedad (9,81 m/s²)
• a = aceleración (m/s²)
• S = factor de seguridad*

* Se debe considerar un factor de seguridad más alto en caso de altas cargas de aceleración, desaceleración o choque.