Fundamentos de las pinzas neumáticas para aplicaciones industriales

Las pinzas neumáticas son dispositivos electromecánicos que se utilizan en aplicaciones industriales para agarrar y levantar, sujetar, girar y colocar objetos en lugares determinados. Estas pinzas suelen instalarse en los extremos de las máquinas de procesamiento de piezas o en brazos robóticos de seis ejes, cartesianos o de cumplimiento selectivo (SCARA) como efectores finales para ejecutar diversas tareas de manipulación de materiales. Gracias a los avances de las últimas décadas en controles, sensores y conectividad de retroalimentación, los movimientos de las pinzas neumáticas (principalmente para agarrar y soltar) suelen coordinarse con los del eje de la máquina o el brazo robótico al que se montan.

Funcionamiento de las pinzas neumáticas

Figura 1: Aquí se muestra una pinza neumática de dos dedos en el extremo de un brazo robótico. Los dedos de la mandíbula hacen contacto físico con el objeto a agarrar y son los que permiten a la pinza sujetar y soltar objetos. (Fuente de la imagen: Kazakov - Getty Images)

Figura 2: Las pinzas paralelas, de tres dedos y angulares son los tres tipos de pinzas más comunes en las aplicaciones industriales. La pinza neumática de tres dedos que se muestra aquí tiene los dedos desplazados 120° para estirar suavemente las juntas tóricas y montarlas en los ejes de los recipientes. (Fuente de la imagen: Schunk)

Las pinzas neumáticas son, con diferencia, el tipo de pinza más común para las aplicaciones industriales de recogida y colocación robótica, máquinas herramienta, mecanizado de piezas y tareas de montaje. Aunque algunas pinzas neumáticas adoptan la forma de efectores finales de tipo vejiga y de ventosa, las pinzas neumáticas con dedos o mordazas son las más frecuentes y las que generalmente se asumen cuando no se da otro contexto.

Las pinzas neumáticas de mordaza dependen del aire comprimido para su funcionamiento. Al recibir una señal de comando, las válvulas permiten que el aire se desplace por los canales internos y activen los enlaces mecánicos, que a su vez abren y cierran los dedos de la pinza. Como apoyo a este conjunto primario de subcomponentes están las mangueras neumáticas, los subcomponentes de control y el cableado, las bridas de montaje para la fijación a máquinas y robots, los mecanismos de seguridad y una carcasa que encierra estos componentes.

Aunque la posición liberada (mantenida por un muelle de compresión mecánico) suele ser la predeterminada, también existen en el mercado diseños de pinzas que pasan por defecto a la posición de agarre. Cuando la posición cerrada (de agarre) es la predeterminada, un muelle proporciona la fuerza de agarre... y la entrada de aire comprimido en la pinza sirve para abrir las mordazas. De hecho, algunas pinzas dependen del aire comprimido tanto para la fuerza de agarre como para la de liberación.

Vídeo 1: En una variante común, la pinza neumática se conecta mediante una manguera especial a un sistema de aire comprimido. La fuerza del aire comprimido desplaza un pistón que, a su vez, (a través de algún engranaje, palanca o enlace deslizante) hace que las mordazas externas se accionen a través de su rango de carrera. (Fuente del vídeo: Schunk)

El control del aire en una pinza neumática suele depender de ciclos de agarre y liberación preprogramados... o (en aplicaciones más sofisticadas) de la retroalimentación de los sensores que detectan los objetos sujetados.

Tipos de pinzas neumáticas

Figura 3: Las pinzas paralelas de dos dedos de la serie PGN-plus de Schunk ofrecen largos recorridos de las mordazas e incluyen juntas, guías lineales redondas resistentes a la suciedad y carcasas de aleación de aluminio de alta resistencia para sobrevivir a entornos industriales sucios. (Fuente de la imagen: Schunk)

Las pinzas neumáticas de mordaza y de dedo se clasifican por su:

• Disposición cinemática, número de dedos, acción y tipo de montaje
• Tamaño físico y fuerza máxima de agarre
• Construcción de la mandíbula y de la carcasa, incluido el nivel de protección contra la entrada
• Conectividad con redes de control industrial comunes

Las pinzas neumáticas de dos dedos, que se comercializaron por primera vez en la década de 1970, son las más utilizadas en la actualidad y representan más de la mitad de todas las aplicaciones de pinzas neumáticas. Los dedos de estos diseños se deslizan o giran sobre puntos pivotantes para cerrarse como una compuerta o pinza de langosta alrededor de los objetos objetivo. Pueden emplear una acción paralela de la mandíbula o una acción angular de los dedos.

Pinzas neumáticas con acción de mordazas paralelas: En las pinzas paralelas, los dos dedos se deslizan hacia dentro y hacia fuera -en movimiento rectilíneo- sobre el mismo eje a lo largo de las pistas del cuerpo superior de la pinza. Normalmente, la acción de deslizamiento hacia dentro es lo que agarra las piezas u otros objetos. Sin embargo, abundan las aplicaciones en las que los dos dedos se deslizan hacia fuera para asegurar piezas huecas o abiertas (como juntas tóricas o cilindros, por ejemplo) desde su diámetro interior. Las ventajas de estas pinzas de fácil manejo abundan. Los distintos subcomponentes de estas pinzas son más sencillos de fabricar que otros, lo que hace que estas pinzas sean muy rentables. Además, hay una fuerza de agarre constante a lo largo de todo el recorrido de los dedos, lo que simplifica el trabajo asociado a las aplicaciones con piezas delicadas o sensibles a la presión. Por último, las pinzas paralelas pueden diseñarse para cerrarse y abrirse bastante, incluso hasta un par de metros o más.

Pinzas neumáticas con dedos accionados en ángulo: En estas pinzas, los extremos accionados de los dedos están sujetos a un punto de giro fijo. Al aplicar la fuerza neumática, un pistón y un elemento de cuña mecánica hacen que los dedos se cierren (o, en otras variantes, se abran) como puertas francesas. En la posición abierta, las mordazas sobresalen del cuerpo de la pinza o sobresalen en línea recta. En la posición cerrada (típicamente de agarre), las puntas de los dedos de la pinza se inclinan hacia dentro para cerrarse en una forma de agarre cónica. Una advertencia de diseño al utilizar estas pinzas es que, a diferencia de los tipos de dedos paralelos, los dedos en ángulo tienen carreras limitadas y generan una fuerza de agarre que es variable a lo largo de la carrera de accionamiento. Dicho esto, las pinzas de dedos acodados bajo la acción directa del pistón pueden tener una fuerza de agarre excepcionalmente alta: hasta 2,300 N o más.

Mayor número de dedos: pinzas de tres y cuatro dedos

Cuando las pinzas neumáticas de dos dedos son inadecuadas para manipular las piezas de una operación, las pinzas de tres y cuatro dedos (e incluso las de cinco dedos en aplicaciones robóticas especiales de tipo humanoide) pueden proporcionar un mejor soporte de agarre y estabilidad. Para ser claros, sin embargo: todas estas pinzas son mucho menos comunes que las de dos dedos... y sólo las de tres dedos son comunes en las aplicaciones industriales. Su mayor nivel de aplicabilidad tiene un costo, pero las pinzas de tres dedos pueden agarrar piezas y otros elementos con una geometría más compleja o difícil. Las denominadas pinzas neumáticas de tres dedos autocentrantes incluyen un trío de dedos espaciados uniformemente (a 120° de distancia en un mandril de máquina) que requieren el cambio de dedos para un cambio de operación. Se cierran hacia dentro para sujetar las piezas en un punto central. Por el contrario, las llamadas pinzas neumáticas adaptativas de tres dedos colocan dos dedos juntos y el tercero para oponerse a ellos como un pulgar. Más comunes en la robótica móvil, estas pinzas pueden recoger objetos de varias maneras para adaptarse a las variaciones de la geometría de una pieza determinada.

Sujeción interna y doble efecto

Aunque la mayoría de las pinzas neumáticas se utilizan para agarrar o acunar piezas en su exterior (contacto con las superficies externas del objeto), las operaciones de agarre interno son esenciales para muchas aplicaciones de montaje. Aquí, los dedos de la pinza se abren para agarrar objetos con geometrías huecas desde el interior. En algunos casos, las pinzas pueden encargarse de operaciones de agarre tanto externas como internas, aunque deben estar diseñadas para tener ambas capacidades.

Las pinzas neumáticas de mandíbula y dedos pueden adoptar también la forma de pinzas de simple y doble acción. En las pinzas de simple efecto, la fuerza del aire comprimido genera el movimiento y la fuerza de agarre. Una vez cortada la alimentación, los dedos vuelven y se mantienen en su posición original gracias a la acción de un simple muelle de compresión. Por el contrario, las pinzas de doble efecto requieren el accionamiento de aire comprimido para los movimientos de agarre y liberación. De hecho, las pinzas de doble efecto pueden ser capaces de realizar tanto la sujeción interna como la externa, tal y como se ha descrito anteriormente.

Aplicaciones habituales de las pinzas neumáticas

Figura 4: La pinza PGN-plus de Schunk tiene un accionamiento de pistón ovalado. (Fuente de la imagen: Schunk)

Las pinzas neumáticas se utilizan ampliamente en entornos industriales, sobre todo en células de trabajo automatizadas, líneas de ensamblaje y de producción, en el cuidado de máquinas asociado a la fabricación avanzada, en áreas de plantas peligrosas y en la logística, así como en operaciones de almacenamiento automatizado. Una pequeña pero creciente gama de aplicaciones de robótica comercial, recreativa y de consumo (incluida la biónica de movilidad) también utilizan pinzas neumáticas.

Considere las pinzas neumáticas para la manipulación de materiales en los equipos de procesamiento y envasado de alimentos y bebidas. En este caso, el funcionamiento limpio de la neumática es una ventaja, y las pinzas de dedos de accionamiento neumático complementan el uso de otros tipos de pinzas de vejiga y succión accionadas por aire para manipular desde cajas y botellas de vino hasta huevos y bolsas de caramelos. En cambio, las pinzas de las aplicaciones de máquinas-herramienta suelen estar diseñadas para un solo tipo de pieza y, en algunos casos, incluso se encargan de sujetar esas piezas mientras se realiza el mecanizado u otros procesos. Cuando las pinzas neumáticas intervienen en el montaje o en la clasificación y selección, a menudo se apoyan en sistemas de sensores o incluso de visión artificial para dirigir sus acciones. De lo contrario, los sensores de efecto Hall y de proximidad de la pinza pueden proporcionar suficiente información.

Ventajas y limitaciones de las pinzas neumáticas

Una de las principales ventajas de las pinzas neumáticas frente a otros tipos de pinzas es que están disponibles en numerosos tamaños y fuerzas de agarre, que van desde unos pocos Newtons hasta varios kilo-Newtons, y pueden adaptarse a diferentes aplicaciones, incluso a las que requieren miles de repeticiones por hora. Las pinzas neumáticas industriales también ofrecen una repetibilidad inigualable para las tareas de automatización de precisión. Además, las pinzas neumáticas:

• Son rentables y de bajo consumo
• Son ligeros y compactos, especialmente si se comparan con ciertas opciones basadas en motores e hidráulicos

A diferencia de sus homólogas hidráulicas y eléctricas, las pinzas neumáticas no se ven afectadas por el entorno de trabajo. Esto contrasta con las pinzas de accionamiento eléctrico con componentes electrónicos sensibles que pueden funcionar mal en entornos húmedos.

Por supuesto, las pinzas neumáticas tienen algunos inconvenientes y limitaciones. Estos están relacionados principalmente con el coste operativo y la complejidad de los diseños neumáticos y de los sistemas de aire comprimido en general. La configuración inicial de estos sistemas puede ser costosa y complicada. Dicho esto, existe una economía de escala cuando una operación industrial ya hace uso de sistemas de aire comprimido en otros lugares.

Criterios de selección de las pinzas neumáticas

El dimensionamiento y la especificación de las pinzas neumáticas para una determinada aplicación de manipulación de materiales debe comenzar con la definición clara de los parámetros clave de diseño.

Tamaño y fuerza de agarre: Las pinzas neumáticas deben abrirse lo suficiente para acomodar los objetos que se manipulan. La fuerza necesaria de los dedos de la pinza neumática depende del peso de los objetos que se manipulan, así como del coeficiente de fricción entre los dedos y el objeto, del área de contacto entre los dedos y de la fuerza para contrarrestar la de los dedos opuestos. Los materiales y revestimientos de los dedos de las pinzas, de alta ingeniería, pueden aumentar el coeficiente de fricción entre los dedos y el objeto. Por supuesto, las mordazas de las pinzas neumáticas para uso en aplicaciones alimentarias o farmacéuticas deben estar fabricadas o recubiertas con materiales aprobados por la FDA.

Existe una gran variabilidad en la relación entre el tamaño y el peso de la pieza manipulada, siendo los artículos ligeros pero voluminosos los que suelen plantear los mayores retos en el diseño de las pinzas.

Geometría de la pieza: Los objetos manipulados con geometrías complejas a menudo pueden requerir pinzas neumáticas con tres en lugar de dos dedos. Esto es especialmente cierto cuando una serie de piezas puede tener geometrías ligeramente diferentes. Pero cuando las piezas de trabajo son consistentes, las pinzas de dos dedos pueden incorporar superficies y formas personalizadas para acomodar puntos de agarre específicos en estos objetos. El ahorro de costes de las pinzas de dos dedos puede justificar a menudo su uso cuando esta solución satisface los requisitos de la operación.

Entorno operativo: Los cojinetes de las pinzas neumáticas, los elementos mecánicos internos y las carcasas abundan para satisfacer los entornos operativos limpios y contaminados. Especialmente importantes son las clasificaciones de temperatura de las pinzas neumáticas (que estipulan los rangos dentro de los cuales una pinza funcionará de forma óptima), así como las clasificaciones IP que definen el nivel de partículas y humedad que una pinza determinada puede resistir antes de entrar.

Conclusión:

Las pinzas neumáticas son efectores finales robóticos esenciales para la manipulación de materiales en las líneas de producción. Estas pinzas sujetan, orientan y colocan las piezas y otros objetos para su procesamiento, ensamblaje con otras piezas o rechazo, como la salida de una cinta transportadora a través de una estación de control de calidad. A pesar de los inconvenientes de los sistemas de aire comprimido necesarios para el funcionamiento de las pinzas neumáticas, éstas suelen ser la opción más limpia, rápida y adecuada para la manipulación de piezas.