Sistemas de preensão para manuseamento de materiais em engenharia mecânica

Particularmente em grandes fábricas e cadeias de produção, é imperativo lidar com técnicas de manuseamento de materiais e peças de trabalho. Devido apenas ao peso, muitas vezes é quase impossível mover os materiais manualmente. É aqui que começa o manuseamento de materiais: Os sistemas de preensão ou correias transportadoras, por exemplo, facilitam o movimento e o controlo de materiais e aumentam a eficiência. Em seguida, vamos analisar mais detalhadamente vários sistemas de preensão e como são utilizados.

O que é exatamente o manuseamento de materiais?

O manuseamento de materiais, ou também a tecnologia de manuseamento, torna os processos de fabricação mais fáceis, seguros e produtivos. A tarefa principal é o movimento, armazenamento, controlo e gestão de materiais. Os sistemas de manuseamento de materiais podem poupar espaço de armazenamento ou servir como armazenamento. Por conseguinte, é ainda mais importante que os sistemas de manuseamento de materiais suportem elevadas exigências:

• devem ser resilientes, móveis e flexíveis.
• não devem incorrer em custos elevados.

Tipos de sistemas de manuseamento de materiais

Os sistemas de manuseamento de materiais podem ser, por exemplo: correias transportadoras, empilhadeiras, sistemas robóticos, guindastes ou sistemas de pinça em linhas de produção automatizadas. No entanto, também podem ser utilizados em trabalho manual, por exemplo, para apoiar os operadores nas tarefas diárias, como mover tambores ou caixas. Em particular, a aderência é uma das principais tarefas em muitas fábricas de produção. Ao utilizar sistemas de manuseamento de materiais, os processos manuais anteriormente utilizados podem ser acelerados e as ausências ao trabalho relacionadas com doenças podem ser reduzidas. Aqui, os sistemas de preensão ou os sistemas de pinça contribuem particularmente para trabalhar de forma ergonómica.

Sistemas de preensão

Os sistemas de preensão suportam o manuseamento e controlo precisos de materiais e peças de trabalho. Estão disponíveis sistemas de preensão para suportar trabalhos manuais de preensão, tais como pinças cilíndricas, pinças de roletes ou pinças de caixa. Mas os sistemas de preensão também são usados nas linhas de produção no fabrico. As pinças são frequentemente utilizadas em conjunto com robôs: Funcionam como uma peça de ligação entre o robô industrial e a peça de trabalho.

Pinças de vácuo

Na pinça de vácuo, é gerado um vácuo com uma bomba entre a pinça e a peça de trabalho. A pinça de vácuo é colocada na peça de trabalho e a pressão negativa na pinça de vácuo faz com que a peça de trabalho seja aspirada para dentro da pinça de vácuo.

• 1 = peça de trabalho
• 2 = vácuo
• 3 = pinça de vácuo

A força de retenção depende da diferença de pressão entre o ambiente e a pressão na própria pinça de vácuo. Quanto maior a diferença, mais forte a força de retenção e as cargas mais pesadas podem ser levantadas. As peças de trabalho a serem transportadas podem variar de peças rígidas a facilmente maleáveis com superfícies com capacidade de sucção. A força de sucção diminui se a superfície a ser aspirada for porosa ou permeável ao ar. Isto requer aumentar a área da secção transversal eficaz da linha ou utilizar várias ventosas mais pequenas. Peças de trabalho macias como papel, materiais finos, películas de plástico podem ser amassadas pela força de sucção.

Além deste tipo de pinça de vácuo, também existe a pinça de Bernoulli. Utiliza um princípio um pouco diferente: o princípio de Bernoulli. O fluxo de ar é passado através de um bocal estreito a alta velocidade. Aqui também é criada uma pressão negativa, que gera um efeito de sucção e atrai o objeto. Além disso, existe uma ligeira flutuabilidade que levanta o objeto minimamente da superfície. O contacto entre a pinça e a peça de trabalho é, assim, reduzido ao mínimo.

Os sistemas de fixação por vácuo podem ser utilizados de várias formas: São adequados para cargas suaves e delicadas, como sacos e copos, bem como para cargas pesadas. Devido ao contacto mínimo entre a pinça e a peça de trabalho, a pinça de Bernoulli é geralmente adequada para materiais particularmente delicados, como películas de papel e plástico, mas menos para cargas pesadas.

Pinça pneumática

As pinças pneumáticas são sistemas de pinça controlados por ar comprimido para segurar e mover componentes, peças de trabalho e cargas. Dependendo da forma, do peso e do movimento necessário do objeto a ser transportado, podem ser utilizadas pinças de garra, pinças rotativas ou pinças de pinça numa grande variedade de formas.

As pinças pneumáticas são amplamente utilizadas em muitos setores e indústrias devido à sua fiabilidade, eficiência e design simples. Regra geral, as pinças foram concebidas como pinças de dois ou três dedos. Além das pinças de ação única com abridor (punho interno) ou função mais próxima (punho externo), as pinças de ação dupla também são comuns.

A figura seguinte mostra a estrutura esquemática de uma pinça paralela ativa de dupla ação:

• A = ligação pneumática
• B = ligação pneumática
• 1 = orifícios ranhurados
• 2 = movimento lateral da placa de montagem para os dedos (disponível para ambas as direções)
• 3 = fechar e abrir os dedos

Com a pinça de dupla ação, existem duas ligações pneumáticas, cada uma das quais é responsável por abrir e fechar a pinça. Se a ligação pneumática A estiver pressurizada, o pistão é empurrado para baixo e a pinça fecha. Se a ligação pneumática B estiver pressurizada, o pistão é empurrado para cima e a pinça abre. O guia de montagem para o conjunto de dedos pode ser movido lateralmente no corpo da pinça (2) através dos orifícios ranhurados (1). O rolamento ligado ao pistão funciona no orifício diagonal do meio. O movimento da placa de montagem para dedos é iniciado guiando-a neste orifício ranhurado. Se o pistão se mover na direção vertical, enquanto o movimento horizontal da placa de montagem para os dedos é forçado a abrir ou fechar (3).

Embora as pinças sejam utilizadas principalmente para objetos particularmente largos ou grandes, as pinças são normalmente utilizadas para determinadas formas (por exemplo, tubos) e as pinças para dedos são utilizadas para objetos mais pequenos que precisam de ser agarrados. Devido aos diferentes tipos de pinças pneumáticas, são adequadas para uma variedade de aplicações, por exemplo, na indústria eletrónica e na automação de processos. As pinças pneumáticas funcionam de forma altamente eficiente e fiável. Caracterizam-se pelos baixos custos operacionais e podem ser utilizados em espaços apertados. Também são fáceis de configurar e manusear.

Pinça hidráulica

O fluido hidráulico, normalmente um óleo hidráulico, é utilizado para pinças hidráulicas. O fluido hidráulico é pressurizado através de uma bomba hidráulica e, assim, transportado para o cilindro de trabalho onde transfere a força. Funcionam de acordo com um sistema semelhante a pinças pneumáticas.

As pinças hidráulicas permitem forças de preensão muito elevadas, razão pela qual podem ser utilizadas para cargas pesadas. Também são muito resistentes e adequadas para condições ambientais adversas. No entanto, devido ao risco de fuga, não podem ser utilizadas para transportar materiais que não devem ser contaminados. A sua elevada força de preensão também exclui a sua utilização em materiais delicados. A construção de pinças hidráulicas é geralmente mais complexa (por exemplo, devido a bombas de óleo, etc.) e, portanto, um pouco mais intensiva em manutenção e dispendiosa do que outras pinças.

Pinça elétrica

As pinças elétricas têm um sistema de controlo com microprocessadores, por exemplo, um sistema de controlo PLC. Isto permite selecionar a velocidade de fecho e a força de preensão com precisão. Também é frequentemente indicada se uma peça de trabalho foi ou não recolhida com sucesso. Um movimento rotacional é gerado através de um motor elétrico ou atuadores elétricos. Este movimento rotativo do motor é então transferido para uma caixa de engrenagens onde move as mandíbulas de aperto como movimento linear. As mandíbulas de preensão podem, por exemplo, ser construídas paralelamente ou em ângulo. O sistema de controlo eletrónico monitoriza e controla os processos. São frequentemente instalados sensores adicionais que medem a força, a distância e outros parâmetros. As pinças elétricas são adequadas para altas velocidades e ações em vários passos, pois podem ser controladas com precisão. Ao contrário, por exemplo, pinças de vácuo ou hidráulicas, não são necessárias linhas adicionais para líquido ou ar. No entanto, uma vez que a sua superfície de preensão é muitas vezes bastante dura. Por conseguinte, não são adequadas para objetos delicados. Além disso, a força de preensão é bastante baixa, de modo que objetos pesados geralmente só podem ser levantados usando a variante de subpreensão.

Inserções de preensão

As inserções de preensão podem ser utilizadas nas mandíbulas da pinça para otimizar a superfície de contacto entre a pinça e a peça de trabalho. As inserções de preensão melhoram assim a preensão ou adaptam-se a formas especiais. Um mandril é uma forma especial de inserção de aperto, que normalmente consiste em aço e, assim, proporciona alta precisão e resistência, mas também é bastante inflexível. Outros materiais para inserções de pinça consistem em:

• Borracha/elastómero como: silicone, borracha, poliuretano. Estes materiais aderem bem, são flexíveis e protegem a superfície, mas são apenas parcialmente duráveis em condições adversas
• Plástico, por exemplo, poliamida, polietileno. São leves, acessíveis e suaves para a superfície, mas podem falhar sob cargas e temperaturas elevadas.
• Materiais especiais como madeira, cerâmica são para aplicações especiais. A cerâmica é, por exemplo, altamente resistente ao calor, enquanto a madeira é resistente à abrasão. No entanto, devido à sua especialização, geralmente são mais dispendiosos do que outros acessórios de preensão.

Sistema de ferramentas de preensão Euro

O sistema de ferramentas de preensão Euro foi desenvolvido pelo Grupo de Trabalho Automóvel. É um sistema padronizado para apertar e substituir pinças. É amplamente utilizado na Europa e não só no setor automóvel, mas também noutras indústrias e na indústria transformadora. O sistema EGT baseia-se numa secção de alumínio octogonal com orifício de grelha para uma substituição rápida de componentes.

Interfaces padronizadas, mecanismos de troca rápida e modularidade permitem a substituição rápida dos componentes quebrados, o que reduz significativamente o tempo de inatividade não programado. O sistema EGT é compatível com muitas marcas e modelos. A MISUMI tem uma gama abrangente de componentes baseados no sistema EGT.

Design exemplificativo de um sistema de preensão incl. componentes

Dependendo do tipo de pinça, os sistemas de pinça consistem nos seguintes componentes:

• Unidade de acionamento: Controla o movimento das mandíbulas da pinça ou superfícies da pinça. Pode ser um motor elétrico (para pinças elétricas) ou um cilindro (pinças hidráulicas, pinças pneumáticas)
• Sistema de controlo: Em pinças elétricas, o sistema de controlo assume o movimento da pinça e outras tarefas.
• Fonte de alimentação: Dependendo da pinça, esta pode ser: a fonte de eletricidade, ar comprimido ou bomba hidráulica.
• Sensores: estão instalados em pinças elétricas. Monitorizam a pressão, a força entre outros parâmetros relevantes.
• Adaptador de montagem: estes são utilizados para fixar pinças ao braço do robô ou semelhante. Podem ser padronizados de acordo com o sistema EGT.

Um dos componentes mais importantes é a própria pinça do robô. Tem contacto direto com o objeto de preensão. Aqui também, existem diferentes tipos que são utilizados dependendo da aplicação. Em pinças paralelas, por exemplo, as mandíbulas de preensão são fixadas paralelamente de modo a que a força seja distribuída de forma uniforme nas mandíbulas de preensão. Isto torna particularmente fácil apanhar formas padrão. Em pinças angulares, as pinças são semelhantes a alicates. Esta é a forma como se adaptam a diferentes formas. Além disso, pode ser instalado mais do que um mecanismo de aperto, por exemplo, numa pinça múltipla. Pode agarrar vários objetos ao mesmo tempo. Além disso, existem pinças multifuncionais que combinam vários métodos e funções de aperto.

A MISUMI oferece alguns componentes que suportam a construção de um sistema de pinça: por exemplo, placas de montagem ou pinos de localização

Cálculo da força de preensão e peso

A força de preensão pode ser utilizada para determinar o peso teoricamente possível que pode ser transportado. O seguinte aplica-se a pinças paralelas, por exemplo: a força de preensão é a soma das forças individuais que atuam em cada dedo. A seguinte fórmula é utilizada para calcular o peso máximo do objeto a ser agarrado:

• m = peso da peça de trabalho em kg
• F_G = soma aritmética das forças de preensão
• μ = coeficiente de fricção, dependente do material
• g = gravidade (9,81 m/s²)
• a = aceleração (m/s²)
• S = fator de segurança*

* Deve ser considerado um fator de segurança mais elevado em caso de alta aceleração, desaceleração ou cargas de choque.