יסודות תפסים פנאומטיים עבור יישומים תעשייתיים

תפסים פנאומטיים הם התקנים אלקטרומכניים המשמשים ביישומים תעשייתיים עבור אחיזה והרמה, החזקה, סיבוב והנחת אובייקטים במקומות מוגדרים. תפסים אלו מותקנים בדרך כלל בנקודות הרחוקות ביותר של מכונות לעיבוד חלקי עבודה או של זרועות רובוטיות עם שישה צירים, קרטזיאניות או מסוג Selective Compliance Articulated Robot Arm‏ (SCARA) הפועלות כאפקטורי קצה לביצוע משימות שונות של טיפול בחומרים. הפיתוחים בעשורים האחרונים בבקרה, חיישנים וחיבוריות משוב שפרו את תנועות התפסים הפנאומטיים (בעיקר עבור תפיסה ושחרור) המתואמות לרוב עם אלו של ציר המכונה או הזרוע הרובוטית שעליה הם מורכבים.

פעולת תפס פנאומטי

איור 1: כאן מוצג תפס פנאומטי בעל שתי אצבעות בקצה זרוע רובוטית. אצבעות הלסת יוצרות מגע פיזי עם החפץ שיש לתפוס והן המאפשרות לתפס להחזיק ולשחרר חפצים. (מקור התמונה: Kazakov • Getty Images)

איור 2: תפסים מקבילים, בעלי שלוש אצבעות ובזווית הם שלושת סוגי התפסים הנפוצים ביותר ביישומים תעשייתיים. בתפס הפנאומטי בעל שלוש אצבעות המוצג כאן, האצבעות הן בהיסט של °‏120‏ כדי למתוח בעדינות טבעות-O ולהרכיב אותן על צירים מקבלים. (מקור התמונה: Schunk)

תפסים פנאומטיים הם ללא ספק סוג התפס הנפוץ ביותר עבור יישומים תעשייתיים הכוללים Pick-and-Place רובוטי, מכונות עיבוד שבבי ומשימות הרכבה. אף על פי שחלק מהתפסים הפנאומטיים הם בצורה של אפקטורי קצה מסוג שלפוחית וגביע יניקה, התפסים הפנאומטיים עם אצבעות או לסתות הם הנפוצים ביותר וכאלה שבדרך כלל מניחים שאלו הם בהיעדר הקשר אחר.

תפסים פנאומטיים עם לסתות מבוססים על אוויר דחוס עבור הפעלתם. עם אות פקודה כלשהו, שסתומים מאפשרים לאוויר לזרום דרך תעלות פנימיות ולהפעיל קישורים מכניים - שבתורם פותחים וסוגרים את אצבעות התפס. תומכים בקבוצה עיקרית זו של רכיבי משנה הם צינורות פנאומטיים, תתי-רכיבי בקרה, חיווט ואוגני הרכבה עבור חיבור למכונות ורובוטים, מנגנוני בטיחות אל-כשל, ומארז המכיל רכיבים אלו.

למרות שמצב משוחרר (מוחזק על ידי קפיץ דחיסה מכני) הוא בדרך כלל ברירת המחדל, תכני תפסים שברירת המחדל שלהם היא אחיזה גם כן זמינים בשוק. כאשר מצב סגור (אחיזה) הוא ברירת המחדל, קפיץ מספק את כוח האחיזה... ואפשור של אוויר דחוס לתוך התפס משמש לפתיחת הלסתות. למעשה, תפסים מסוימים מסתמכים על אוויר דחוס הן לתפיסה והן לשחרור כוח.

סרטון 1: בווריאציה נפוצה אחת, התפס הפנאומטי מתחבר באמצעות צינור מיוחד למערכת אוויר דחוס. הכוח של האוויר הדחוס מחליף בוכנה שבתורה (באמצעות קישור של גלגל שיניים, Toggle‏ או החלקה כלשהו) גורם ללסתות החיצוניות לפעול בתחום המהלך שלהן. (מקור הסרטון: Schunk‏)

בקרת האוויר לתוך התפס הפנאומטי מסתמכת לעתים קרובות על מחזורי אחיזה-שחרור מתוכנתים-מראש... או (ביישומים מתוחכמים יותר) משוב מחיישנים שמזהים עצמים מוחזקים.

סוגי תפסים פנאומטיים

איור 3: תפסים מקבילים עם שתי אצבעות בסדרת PGN-plus מבית Schunk מספקים מהלכי לסתות ארוכים וכוללים אטמים, מובילים ליניאריים חסיני-לכלוך ובתי סגסוגת-אלומיניום בעלי חוזק גבוה כדי לשרוד בסביבות תעשייתיות מלוכלכות. (מקור התמונה: Schunk)

תפסים פנאומטיים מסוג לסתות ואצבעות מסווגים לפי:

• סידור קינמטי, מספר אצבעות, אופן פעולה וסוג הרכבה
• גודל פיזי וכוח אחיזה מקסימלי
• מבנה לסת ומארז - כולל רמת הגנה מפני חדירות
• חיבוריות לרשתות בקרה תעשייתיות נפוצות

תפסים פנאומטיים עם שתי אצבעות היו זמינים לראשונה באופן מסחרי בשנות ה-70, והם המיושמים ביותר כיום - הם מהווים יותר מחצי מכלל יישומי התפסים הפנאומטיים. האצבעות בתכנים אלה מחליקות או סובבות על נקודות ציר כדי לסגור כמו שער או לסת של סרטן סביב אובייקט המטרה. הם יכולים להשתמש בפעולת לסתות מקבילות או בפעולת אצבעות בזווית.

תפסים פנאומטיים עם פעולת לסתות מקבילות: בתפסים מקבילים, שתי אצבעות מחליקות פנימה והחוצה - בתנועה בקו ישר - על אותו ציר לאורך פסים בגוף התפס העליון. בדרך כלל, פעולת ההחלקה פנימה היא זו שתופסת את חלקי העבודה או אובייקטים אחרים. עם זאת, יש הרבה יישומים שבהם שתי האצבעות מחליקות החוצה כדי לאבטח חלקי עבודה חלולים או פתוחים (כגון טבעות O או צילינדרים, למשל) מהקטרים הפנימיים שלהן. היתרונות של תפסים פשוטים ביותר אלו הם רבים. תתי-הרכיבים השונים עבור תפסים אלו הם פשוטים יותר לייצור לעומת אחרים, מה שהופך תפסים אלו ליעילים וחסכוניים ביותר. בנוסף, ישנו כוח אחיזה אחד יציב לאורך כל מהלך האצבעות - המפשט את העבודה הקשורה ליישומים הכוללים חלקי עבודה עדינים או רגישים ללחץ באופן אחר. לבסוף, תפסים מקבילים יכולים להיות מתוכננים כך שייסגרו ויפתחו די רחב - אפילו עד כמה מטרים או יותר.

תפסים פנאומטיים עם פעולת אצבעות זוויתיות: בתפסים אלה, הקצוות המופעלים של האצבעות מוצמדים לנקודת ציר קבועה. עם הפעלת כוח פנאומטי, פעולת בוכנה ואלמנט טריז מכני גורמים לאצבעות להיסגר (או בוואריאציות אחרות, להיפתח) כמו דלתות צרפתיות. במצב פתוח, הלסתות נפרשות החוצה מעבר לגוף התפס או בולטות ישר החוצה. במצב סגור (בדרך כלל אחיזה), קצות אצבעות התפס נוטות פנימה כדי להיסגר לצורת אחיזה עם הצרה הדרגתית. אזהרת תכנון אחת בעת שימוש בתפסים אלה היא שבניגוד לסוגי אצבעות מקביליות, לאצבעות זוויתיות יש אורכי מהלכים מוגבלים והן מייצרות כוח אחיזה משתנה לאורך מהלך ההפעלה. עם זאת, תפסי אצבעות זוויתיות תחת פעולת בוכנה ישירה יכולים להיות בעלי כוח אחיזה גבוה במיוחד - עד N‏ 2,300 או יותר.

מספרי אצבעות גבוהים יותר: תפסי שלוש וארבע אצבעות

כאשר תפסים פנאומטיים עם שתי אצבעות אינם מתאימים לטפל בחלקי העבודה של פעולה, תפסני שלוש וארבע אצבעות (ואפילו תפסי חמש אצבעות ביישומי רובוטיקה מיוחדים מסוג הומנואידי) יכולים לספק תמיכת אחיזה ויציבות טובות יותר. עם זאת, שיהיה ברור: כל התפסים הללו נפוצים הרבה פחות מאשר תפסי שתי אצבעות... ורק תפסני שלוש אצבעות הם נפוצים ביישומים תעשייתיים. רמת הישימות הגבוהה יותר שלהם כרוכה במחיר גבוה יותר, אך תפסים בעלי שלוש אצבעות יכולים לתפוס חלקי עבודה ופריטים אחרים בעלי גיאומטריה מורכבת או מאתגרת יותר. מה שנקרא תפסים פנאומטיים עם שלוש אצבעות עם מרכוז-עצמי כוללים שלישיית אצבעות במרווחים אחידים (מרוחקות ב-°‏120‏ זו מזו על מלחציי מכונה) המחייבת החלפת אצבעות לצורך שינוי פעולה. אלו נסגרות פנימה כדי לאחוז חלקי עבודה בנקודת מרכז. בניגוד לכך, מה שנקרא תפסים פנאומטיים אדפטיביים עם שלוש אצבעות מחברים שתי אצבעות יחד והשלישית היא מולן כמו אגודל. נפוצים ביותר ברובוטיקה ניידת, תפסים כאלה יכולים להרים אובייקטים בכמה דרכים כדי להתאים לשוני בגיאומטריה נתונה של חלק עבודה.

אחיזה פנימית ופעולה כפולה

למרות שרוב התפסים הפנאומטיים משמשים לאחיזה או ערסול של חלקים סביב הצד החיצוני שלהם (תוך מגע עם המשטחים החיצוניים של האובייקט), פעולות האחיזה הפנימית הן חיוניות עבור יישומי הרכבה רבים. כאן, אצבעות התפס נפתחות כדי לאחוז אובייקטים בעלי גיאומטריות חלולות מבפנים. במקרים מסוימים התפסים פועלים עם אחיזה חיצונית ופנימית גם יחד - אם כי הם חייבים להיות מתוכננים עבור שתי היכולות.

תפסים פנאומטיים עם לסתות ואצבעות יכולים גם כן ללבוש צורה של אחיזה עם פעולה יחידה ועם פעולה כפולה. בתפסים עם פעולה יחידה, הכוח של האוויר הדחוס יוצר הן את התנועה והן את כוח האחיזה. ברגע שהספקת-הכוח מנותקת, האצבעות חוזרות ונשארות במצבן המקורי הודות לפעולת קפיץ דחיסה פשוט. לעומת זאת, תפסים בעלי פעולה כפולה דורשים הפעלת אוויר דחוס הן עבור תנועת האחיזה והן עבור תנועת השחרור. למעשה, תפסים בעלי פעולה כפולה עשויים להיות מסוגלים לאחיזה פנימית וחיצונית גם יחד כמתואר לעיל.

יישומי תפסים פנאומטיים נפוצים

איור 4: לתפס Schunk PGN-plus יש דוחף בוכנה אובאלי. (מקור התמונה: Schunk)

תפסים פנאומטיים נמצאים בשימוש נרחב במערכים תעשייתיים - במיוחד עבור תאי עבודה אוטומטיים, קווי הרכבה וייצור, טיפול במכונות הקשורות לייצור מתקדם, אזורי מפעל מסוכנים, ולוגיסטיקה כמו גם פעולות אחסנה אוטומטיות. מערך קטן אך הולך וגדל של יישומי רובוטיקה מסחריים, לפנאי ולצרכנים (כולל ביוניקת ניידות) משתמש בתפסים פנאומטיים.

נבחן תפסים פנאומטיים עבור טיפול בחומרים בציוד עיבוד ואריזה של מזון ומשקאות. כאן, הפעולה הנקייה של פנאומטיקה היא נכס - ותפסי אצבעות המופעלים פנאומטית משלימים את השימוש בשאר סוגי תפסי שלפוחית ויניקה מונעי-אוויר כדי לטפל בכל דבר, מארגזי ובקבוקי יין ועד ביצים ושקיות ממתקים. בניגוד לזאת, תפסים ביישומי כלי עבודה מתוכננים בדרך כלל רק עבור סוג אחד של חלקי עבודה - ובמקרים מסוימים אף מוטלת עליהם המשימה להחזיק את חלקי העבודה הללו בזמן ביצוע עיבוד שבבי או תהליכים אחרים. כאשר תפסים פנאומטיים מעורבים בהרכבה או במיון ובבחירה, הם נתמכים לרוב על ידי חיישנים או אפילו מערכות ראיית-מכונה כדי לכוון את פעולותיהם. אחרת, חיישני אפקט הול וחיישני הקירבה בתפס יכולים לספק משוב מתאים.

יתרונות ומגבלות של תפסים פנאומטיים

יתרון מפתח אחד של תפסים פנאומטיים על פני סוגי תפסים אחרים הוא שהם זמינים בגדלים ובכוחות אחיזה רבים, החל מניוטון בודדים ועד כמה קילו-ניוטון, וניתן להתאים אותם עבור יישומים שונים - אפילו אלו הדורשים אלפי חזרות בשעה. תפסים פנאומטיים תעשייתיים מציעים גם עקביות תוצאות של פעולות חוזרות ונשנות ללא-תחרות עבור משימות אוטומציה מדויקות. בנוסף, תפסים פנאומטיים:

• הם יעילים בפעולה מבחינת העלות וההספק
• הם קלים וקומפקטיים - במיוחד בהשוואה לאפשרויות מסוימות המבוססות על מנוע והידראוליקה

בניגוד למקביליהם ההידראוליים והחשמליים, התפסים הפנאומטיים אינם מושפעים כמעט מסביבת העבודה שלהם. זאת בניגוד לתפסים המופעלים חשמלית עם אלקטרוניקה רגישה שיכולה לתפקד בצורה לא-תקינה בסביבות רטובות.

כמובן שלתפסים פנאומטיים יש כמה חסרונות ומגבלות. אלה קשורים בעיקר לעלות התפעול ולמורכבות של תכנים פנאומטיים ומערכות אוויר דחוס בכלל. ההתקנה הראשונית של מערכות כאלה עשויה להיות יקרה ומסובכת. עם זאת, יש יתרון לגודל כאשר פעילות תעשייתית כבר משתמשת במערכות אוויר דחוס במקומות אחרים.

קריטריונים לבחירת תפס פנאומטי

קביעת הגודל והמפרט של תפסים פנאומטיים עבור יישום נתון של טיפול בחומרים צריכה להתחיל בהגדרה ברורה של פרמטרי התכנון העיקריים.

גודל וכוח אחיזה: תפסים פנאומטיים צריכים להיפתח מספיק כדי להתאים לאובייקטים בהם מטפלים. כוח האצבעות הפנאומטיות הנדרש תלוי במשקל האובייקטים המטופלים וכן במקדם החיכוך בין האצבעות לאובייקט, שטח המגע בין האצבעות לאובייקט ובכוח האיזון מול האצבעות המנוגדות. חומרים וציפויים של אצבעות תפסים מהונדסים במיוחד יכולים להגביר את מקדם החיכוך בין האצבעות לאובייקט. כמובן, הלסתות של תפסים פנאומטיים לשימוש ביישומי מזון או תרופות חייבות להיות עשויות או מצופות בחומרים המאושרים על ידי ה-FDA.

קיימת שונות רחבה ביחס בין הגודל והמשקל של החלק המטופל - כאשר פריטים קלים אך מגושמים מהווים לרוב את האתגרים הגדולים ביותר בתכנון התפס.

גיאומטריית החלק: אובייקטים מטופלים עם גיאומטריות מורכבות עלולים לעתים קרובות לחייב תפסים פנאומטיים עם שלוש אצבעות במקום שתיים בלבד. זה נכון במיוחד כאשר לסדרה של חלקי עבודה עשויות להיות גיאומטריות שונות במעט. אך כאשר חלקי העבודה הם עקביים, תפסים עם שתי אצבעות יכולים לשלב משטחים וצורות מותאמים-במיוחד כדי להתאים לנקודות אחיזה ספציפיות על אובייקטים אלה. החיסכון בעלויות של תפסים עם שתי אצבעות יכול לעתים קרובות להצדיק את השימוש בהם בכל מקום שהפתרון הזה עונה על דרישות הפעולה.

סביבת הפעולה: קיימים מסבי תפס פנאומטיים, אלמנטים מכניים פנימיים ומארזים רבים כדי לספק סביבות פעולה נקיות כמו גם מזוהמות. חשובים במיוחד הם דירוגי הטמפרטורה של תפס פנאומטי (הקובעים תחומי טמפרטורה שבהם התפס יתפקד בצורה אופטימלית), וכן דירוגי IP המגדירים את רמת החומרים החלקיקיים והרטיבות שתפס נתון יכול לפעול בה לפני שתתרחש חדירה.

סיכום

תפסים פנאומטיים הם אפקטורי קצה רובוטיים החיוניים לטיפול בחומרים בקווי ייצור. תפסים אלה מחזיקים, מכוונים ומניחים חלקי עבודה ואובייקטים אחרים עבור עיבוד, הרכבה עם חלקים אחרים או דחייה - כמו מתוך מסוע דרך תחנת בקרת איכות. למרות החסרונות של מערכות אוויר דחוס הנחוצות לתפעול תפסים פנאומטיים, אלו הן לרוב הבחירה הנקייה, המהירה והמתאימה ביותר עבור טיפול בחלקים.