Jak dobrać odpowiedni efektor końcowy do swojej komórki robotycznej

Wybór odpowiedniego efektora końcowego zależy od pięciu czynników: obrabianego elementu, zadania, otoczenia, typu robota oraz wymaganego czasu cyklu. Efektor końcowy to narzędzie umieszczone na końcu ramienia robota. Służy do chwytania, trzymania, spawania lub umieszczania przedmiotów. To właśnie on decyduje o tym, jakie zadania może w ogóle wykonać Twoja komórka robotyczna. Niniejszy przewodnik przedstawia kryteria wyboru, jasną ścieżkę podejmowania decyzji oraz porównanie wszystkich ważnych typów chwytaków.

Jedno należy zaznaczyć od razu: rzadko zdarza się, by istniał jeden idealny efektor końcowy. Istnieje natomiast efektor odpowiedni do konkretnego zadania. Właśnie taki znajdziesz, zadając pytania we właściwej kolejności.

Spis treści

• 5 kryteriów wyboru w skrócie
• Krok po kroku do odpowiedniego efektora końcowego
• Porównanie najważniejszych typów chwytaków
• Obliczanie siły chwytu, nośności i czasu cyklu
• Interfejs, bezpieczeństwo i praca z kobotami
• Typowe błędy przy wyborze
• Często zadawane pytania

Pięć kryteriów wyboru w skrócie

Wybór efektora końcowego można sprowadzić do pięciu kryteriów. Sprawdź je w następującej kolejności:

1. Element obrabiany: kształt, waga, materiał, powierzchnia i wrażliwość. Gładka blacha wymaga innego rozwiązania niż miękka torba.
2. Zadanie: chwytanie, montaż, paletyzacja, spawanie, cięcie lub kontrola. Do każdej funkcji przeznaczone jest inne narzędzie.
3. Otoczenie: pył, wilgotność, temperatura i wymagania higieniczne. W przemyśle spożywczym obowiązują inne zasady niż w przemyśle maszynowym.
4. Typ robota: robot przemysłowy, kobot lub specjalistyczne ramię robota. Interfejs mechaniczny i udźwig muszą być odpowiednie.
5. Czas cyklu: To, jak szybko musi nastąpić uchwyt, wynika z liczby sztuk. Wysokie częstotliwości cyklu wymagają lekkich i szybkich systemów.

Te pięć punktów już znacznie zawęża wybór. Najważniejszym czynnikiem jest tutaj obrabiany element. To on determinuje zasadę chwytania, a wszystkie pozostałe kryteria opierają się na tym.

Krok po kroku do odpowiedniego efektora końcowego

Stosując ustaloną kolejność, na podstawie tych pięciu kryteriów podejmuje się decyzję. Cztery kroki prowadzą do celu.

Krok 1: Zmierzyć element obrabiany. Zanotować masę, wymiary, materiał i powierzchnie chwytania. Ważny jest zakres. Jeśli komórka obsługuje kilka wariantów, liczy się najcięższa i najbardziej delikatna część.

Krok 2: Określenie zasady chwytania. Z charakterystyki przedmiotu wynika odpowiednia zasada. Gładkie, gęste powierzchnie przemawiają za zastosowaniem próżni. Wyraźne kontury przemawiają za chwytakiem mechanicznym. Części ferromagnetyczne przemawiają za chwytakiem magnetycznym.

Krok 3: Oblicz obciążenie. Oblicz siłę chwytu i nośność z rezerwą. Nośność robota musi wystarczyć do uniesienia zarówno elementu, jak i efektora końcowego. Waga własna chwytaka jest często pomijana.

Krok 4: Sprawdź interfejs i bezpieczeństwo. Kołnierz musi pasować do robota. Sprawdź również, czy chwytak wymaga zasilania elektrycznego, sprężonego powietrza lub sygnału magistrali. W przypadku pracy z kobotami należy dodatkowo przeprowadzić ocenę ryzyka. Dopiero po wykonaniu tych czterech kroków można dokonać wyboru.

Porównanie najważniejszych typów efektorów końcowych

Efektory końcowe dzielą się na 7 głównych grup. Tabela pokazuje, do jakich zastosowań najlepiej nadaje się każda z grup.

Chwytaki mechaniczne

Chwytaki mechaniczne chwytają obiekt za pomocą dwóch lub więcej szczęk. Są to urządzenia uniwersalne. Znajdziesz je w montażu, podczas przenoszenia elementów oraz przy załadunku maszyn. Są wytrzymałe i znajdują zastosowanie w wielu branżach, od przemysłu spożywczego po budowę maszyn. Ich ograniczeniem jest powierzchnia chwytu. Element musi posiadać kontur, za który szczęki mogą go pewnie chwycić.

Chwytaki pneumatyczne

Chwytaki pneumatyczne działają na sprężone powietrze. Dzięki temu są szybkie i lekkie. Wykorzystuje je wiele robotów typu „pick-and-place”, ponieważ umożliwiają one osiągnięcie wysokich częstotliwości cyklu. Oferują one dobre połączenie szybkości, prostej technologii i niskich kosztów eksploatacji. Warunkiem jest dostępność zasilania sprężonym powietrzem w komórce roboczej.

Chwytaki próżniowe

Chwytaki próżniowe przyciągają element siłą ssania zamiast go zaciskać. Rozwiązanie to nadaje się do płaskich, gładkich lub delikatnych elementów. Często stosuje się je w maszynach pakujących, paletyzatorach oraz w produkcji elektronicznej. Pozwala to na delikatne przemieszczanie szkła, kartonu, tworzyw sztucznych i cienkich blach. Powierzchnia musi być wystarczająco gładka, aby przyssawka mogła się utrzymać.

Chwytak magnetyczny

Chwytak magnetyczny to proste rozwiązanie dla elementów ferromagnetycznych. Swoje zalety wykazuje w produkcji, budowie maszyn i montażu. Chwyta szybko i bez skomplikowanej mechaniki. Działa tylko w przypadku materiałów magnetycznych, co wyraźnie ogranicza jego zastosowanie.

Zmieniacz narzędzi

W elastycznych komórkach produkcyjnych pojedynczy efektor końcowy często nie wystarcza. Zmieniacz narzędzi pozwala robotowi na automatyczną zmianę narzędzi, na przykład między chwytakiem, wkrętarką, przyssawką a palnikiem spawalniczym. Dzięki temu komórka jest wszechstronna, a nie ma potrzeby ręcznej zmiany wyposażenia. Korzystają na tym przede wszystkim koboty i roboty przemysłowe wykonujące różne zadania.

Narzędzia spawalnicze i tnące

Do spawania, cięcia lub wiercenia stosuje się specjalistyczne efektory końcowe. Są one wytrzymałe, precyzyjne i często wyposażone w czujniki do kontroli jakości. Typowymi obszarami zastosowań są przemysł motoryzacyjny i obróbka metali, czyli wszędzie tam, gdzie wymagana jest wysoka precyzja i wydajność.

Specjalistyczne efektory końcowe

Niektóre zadania wymagają indywidualnych rozwiązań. Należą do nich chwytaki dopuszczone do kontaktu z żywnością, narzędzia do bardzo lekkich lub wysoce precyzyjnych części oraz systemy sterowane czujnikami zapewniające najwyższą dokładność. Przykładami są chwytaki igłowe do tekstyliów lub adaptacyjne chwytaki profilowe, które dostosowują się do zmieniających się konturów. Te efektory końcowe są opracowywane indywidualnie i są precyzyjnie dostosowane do konkretnego zadania.

Określanie siły chwytu, nośności i czasu cyklu

Trzy parametry techniczne decydują o tym, czy efektor końcowy sprawdzi się w praktyce: siła chwytu, nośność i czas cyklu. Należy je wymiarować z rezerwą, a nie na granicy możliwości.

Siła chwytu musi bezpiecznie utrzymywać element, nawet podczas przyspieszania i hamowania. Gdy robot porusza się szybko, działają dodatkowe siły. Dlatego należy zaplanować rezerwę wykraczającą poza samą masę. W przypadku chwytaków próżniowych liczy się powierzchnia ssania, a w przypadku chwytaków mechanicznych – kształt szczęk.

Udźwig robota stanowi twardy limit. Musi on wystarczyć do uniesienia zarówno obrabianego elementu, jak i chwytaka. Ciężki chwytak zmniejsza ładowność. Należy zawsze uwzględniać masę własną narzędzia, w przeciwnym razie wymiarowanie ramienia robota będzie nieprawidłowe.

Czas taktu łączy obie wielkości z tempem pracy. Lżejszy chwytak szybciej przyspiesza i skraca czas cyklu. W przypadku dużych ilości produkowanych elementów właśnie to decyduje o wydajności komórki. Mechaniczne połączenie między robotem a narzędziem opisano w normie ISO 9409-1. Określa ona wymiary kołnierza i zapewnia, że robot oraz efektor końcowy są do siebie dopasowane.

Interfejs, bezpieczeństwo i praca z kobotami

Efektor końcowy wymaga czegoś więcej niż tylko odpowiedniego mechanizmu chwytnego. Do tego dochodzą trzy elementy: interfejs zgodny z normą ISO 9409-1, stopień ochrony zgodnie z normą IEC 60529 oraz koncepcja bezpieczeństwa zgodna z normą ISO 10218.

Interfejs obejmuje kołnierz mechaniczny oraz zasilanie prądem elektrycznym, sprężonym powietrzem lub sygnałami. Pomocna jest tu wspomniana norma ISO 9409-1, ponieważ ujednolica ona wymiary przyłączy.

Stopień ochrony określa, w jakim stopniu narzędzie jest zabezpieczone przed pyłem i wodą. Opiera się on na kodzie IP (International Protection) zgodnie z normą IEC 60529 Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC). Komórka produkcyjna w przemyśle spożywczym wymaga wyższego stopnia ochrony niż sucha linia montażowa. Więcej na ten temat w artykule poświęconym robotom w przemyśle spożywczym.

W przypadku pracy z robotami współpracującymi (cobotami) dochodzi jeszcze kwestia bezpieczeństwa. Efektor końcowy robota współpracującego nie może mieć ostrych krawędzi ani miejsc, w których może dojść do przygniecenia. Podstawę stanowią normy ISO 10218-1 i ISO 10218-2 dotyczące robotów przemysłowych, uzupełnione specyfikacją techniczną ISO/TS 15066 dotyczącą zastosowań kolaboracyjnych. Są one uwzględniane w ocenie ryzyka całej komórki produkcyjnej. Artykuł poświęcony uruchomieniu gotowego rozwiązania robotycznego pokazuje, jak powstaje taka komórka – od koncepcji aż po uruchomienie.

Typowe błędy przy wyborze

Przy wyborze efektora końcowego powtarzają się te same błędy. Te 4 najczęściej kosztują czas i pieniądze.

• Zapomnienie o ciężarze własnym chwytaka: obciążenie oblicza się na podstawie elementu obrabianego, a chwytak spada pod stół. Należy zsumować obie wartości.
• Skupianie się wyłącznie na części wzorcowej: podczas testów działa idealna część demonstracyjna, natomiast w produkcji pojawiają się tolerancje i problematyczne przypadki. Należy zaprojektować chwytak z uwzględnieniem całego zakresu możliwości.
• Zbyt późna weryfikacja czasu taktu: ciężki chwytak spowalnia cały cykl. Wcześnie sprawdź tempo w odniesieniu do wymaganej liczby sztuk.
• Pominięto interfejs: kołnierz, sprężone powietrze lub sygnał nie pasują do robota. Przed podjęciem decyzji sprawdź połączenia.

Często zadawane pytania

Jak wybrać odpowiedni efektor końcowy?

Sprawdź pięć kryteriów w ustalonej kolejności: element obrabiany, zadanie, otoczenie, typ robota i czas taktu. Element obrabiany określa zasadę chwytania, czyli czy odpowiednie jest chwytało próżniowe, mechaniczne czy magnetyczne. Następnie należy określić siłę chwytu i nośność z rezerwą oraz sprawdzić interfejs i bezpieczeństwo. W ten sposób znajdziesz narzędzie, które pasuje do konkretnego zadania.

Czym jest efektor końcowy?

Efektor końcowy to narzędzie umieszczone na końcu ramienia robota. W języku angielskim nazywa się End of Arm Tooling, w skrócie EOAT. Stanowi on interfejs między robotem a obiektem i wykonuje właściwą funkcję: chwytanie, trzymanie, spawanie, pomiar lub umieszczanie. Robot zapewnia ruch, a efektor końcowy realizuje zadanie.

Jakie efektory końcowe są najczęściej stosowane?

Najczęściej stosowane są chwytaki mechaniczne, próżniowe i pneumatyczne. Niezawodnie realizują one standardowe zadania, takie jak „pick-and-place”, montaż i paletyzacja. Chwytaki mechaniczne chwytają obiekty o sztywnych konturach, chwytaki próżniowe utrzymują gładkie powierzchnie, a chwytaki pneumatyczne sprawdzają się przy wysokich częstotliwościach cyklu.

Jaką rolę odgrywa nośność przy wyborze?

Nośność stanowi twardy limit. Musi ona wystarczyć do uniesienia zarówno elementu, jak i efektora końcowego. Ciężki chwytak zmniejsza nośność użytkową ramienia robota. Kto uwzględnia tylko masę elementu, a zapomina o masie chwytaka, przeciąża robota. Dlatego zawsze należy uwzględnić obie masy oraz rezerwę.

Który efektor końcowy nadaje się do delikatnych produktów spożywczych?

W przypadku żywności liczy się delikatny chwyt i higiena. Chwytaki próżniowe oraz miękkie chwytaki dopuszczone do kontaktu z żywnością sprawdzają się dobrze, ponieważ chronią produkt. Ważne są powierzchnie nadające się do czyszczenia oraz odpowiedni stopień ochrony zgodnie z kodem IP. Jakie rozwiązania robotyczne sprawdzają się w tym środowisku, pokazuje artykuł poświęcony robotom w przemyśle spożywczym.

Co oznacza skrót EOAT?

Skrót EOAT oznacza End of Arm Tooling. Termin ten odnosi się do wszystkiego, co jest zamontowane na końcu ramienia robota, czyli do efektora końcowego wraz z jego mechaniką i czujnikami. Należą do nich chwytaki, przyssawki, wkrętarki i palniki spawalnicze. W praktyce terminy EOAT i efektor końcowy oznaczają to samo.

To, który efektor końcowy jest odpowiedni, wynika z charakteru obrabianego elementu i zadania, a nie z ogólnej odpowiedzi. Kto sprawdzi pięć kryteriów po kolei i zaprojektuje siłę chwytu, nośność oraz czas cyklu z rezerwą, ten niezawodnie wybierze właściwe narzędzie. W przypadku powtarzających się zadań, takich jak paletyzacja, gotowe do użycia komórki dostarczają odpowiedni efektor końcowy w komplecie, na przykład MalocherBot, komórka paletyzacyjna firmy Unchained Robotics.