Fundamentos das garras pneumáticas para aplicações industriais

As garras pneumáticas são dispositivos eletromecânicos utilizados em aplicações industriais para agarrar e levantar, segurar, girar e colocar objetos em locais determinados. Estas garras normalmente são instaladas nas partes mais distantes das máquinas de processamento de peças ou de seis eixos, cartesianos, ou braço robótico articulado de conformidade seletiva (SCARA), como efetores terminais para executar várias tarefas de manuseio de material. Complementado pelos avanços das últimas décadas em controles, sensores e conectividade de resposta, os movimentos da garra pneumática (principalmente para agarrar e soltar) normalmente se coordenam com os do eixo da máquina ou do braço robótico ao qual são montados.

Operação da garra pneumática

Figura 1: Aqui é mostrada uma garra pneumática de dois dedos na extremidade de um braço robótico. Os dedos da castanha fazem contato físico com o objeto a ser agarrado e são os que permitem que a garra segure e solte os objetos. (Fonte da imagem: Kazakov • Getty Images)

Figura 2: Garras paralelas, de três dedos e angulares são os três tipos de garras mais comuns em aplicações industriais. A garra pneumática de três dedos mostrada aqui tem dedos deslocados em 120° para esticar suavemente os anéis de vedação e montá-los nos eixos receptores. (Fonte da imagem: Schunk)

As garras pneumáticas são de longe o tipo de garra mais comum para aplicações industriais que envolvem o pick-and-place robótico, máquinas-ferramentas, usinagem de peças de trabalho e tarefas de montagem. Embora algumas garras pneumáticas assumam a forma de efetores terminais tipo bexiga e ventosa, as garras pneumáticas com dedos ou castanhas são as mais prevalentes e as geralmente assumidas quando nenhum outro contexto é dado.

As garras pneumáticas de castanha dependem de ar comprimido para seu funcionamento. Após algum sinal de comando, as válvulas permitem que o ar passe pelos canais internos e ativam as ligações mecânicas — que por sua vez abrem e fecham os dedos das garras. O suporte deste conjunto primário de subcomponentes são mangueiras pneumáticas, subcomponentes de controle e fiação, flanges de montagem para fixação em máquinas e robôs, mecanismos à prova de falhas e uma carcaça que envolve estes componentes.

Embora a posição liberada (mantida por uma mola de compressão mecânica) seja geralmente o padrão, projetos de garras cujo padrão é agarrar também estão disponíveis no mercado. Quando uma posição fechada (agarrar) é o padrão, uma mola fornece a força de preensão, permitindo que o ar comprimido que entra na garra sirva para abrir as castanhas. Na verdade, certas garras dependem do ar comprimido para a força de agarrar e soltar.

Vídeo 1: Em uma variação comum, a garra pneumática se conecta através de uma mangueira especial a um sistema de ar comprimido. A força do ar comprimido desloca um pistão que, por sua vez (através de alguma engrenagem, alavanca ou articulação deslizante) faz com que as castanhas externas atuem através de seu alcance de curso. (Fonte do vídeo: Schunk)

O controle do ar em uma garra pneumática é muitas vezes dependente dos ciclos pré-programados de liberação da garra ou (em aplicações mais sofisticadas) da resposta dos sensores que detectam objetos retidos.

Tipos de garras pneumáticas

Figura 3: As garras paralelas de dois dedos da série PGN-plus da Schunk fornecem cursos longos na castanha e incluem vedações, guias lineares redondas resistentes à sujeira e carcaças de liga de alumínio de alta resistência para sobreviver a ambientes industriais sujos. (Fonte da imagem: Schunk)

As garras pneumáticas de castanha e dedo são classificadas por:

• Arranjo cinemático, número de dedos, ação e tipo de montagem
• Tamanho físico e força máxima de preensão
• Construção das castanhas e carcaças — incluindo nível de proteção contra ingresso
• Conectividade com redes comuns de controle industrial

Primeiramente disponíveis comercialmente nos anos 70, as garras pneumáticas de dois dedos são as mais amplamente aplicadas atualmente — respondendo por mais da metade de todas as aplicações de garras pneumáticas. Os dedos nestes projetos deslizam ou balançam em pontos de articulação para fechar como um portão ou uma garra de lagosta ao redor dos objetos-alvo. Eles podem empregar tanto a ação paralela da castanha quanto a ação angular dos dedos.

Garras pneumáticas com ação paralela da castanha: Nas garras paralelas, os dois dedos deslizam para dentro e para fora — em movimento de linha reta — no mesmo eixo ao longo de pistas no corpo superior da garra. Normalmente, a ação deslizante interna é o que agarra as peças ou outros objetos de trabalho. Entretanto, abundam as aplicações nas quais os dois dedos deslizam para fora para fixar peças ocas ou abertas (como anéis de vedação ou cilindros, por exemplo) a partir de seus diâmetros internos. Os benefícios dessas garras simples são abundantes. Os vários subcomponentes de tais garras são mais simples de fabricar do que outros, tornando essas garras muito econômicas. Além disso, há uma força de preensão constante sobre todo o curso do dedo — o que simplifica o trabalho associado às aplicações que envolvem peças delicadas ou sensíveis à pressão. Finalmente, as garras paralelas podem ser projetadas para fechar e abrir bem largas — mesmo a 60 cm ou mais.

Garras pneumáticas com ação angular dos dedos: Nessas garras, as extremidades atuadas dos dedos são fixadas a um ponto de rotação fixo. Com a aplicação de força pneumática, uma ação do pistão e um elemento de cunha mecânica fazem com que os dedos balancem fechados (ou em outras variações, abertos) como as portas francesas. Na posição aberta, as castanhas se estendem para fora do corpo da garra ou se projetam diretamente para fora. Na posição fechada (normalmente agarrando), as pontas dos dedos das garras se inclinam para dentro para fechar em uma forma cônica de agarrar. Uma ressalva ao utilizar estas garras é que, ao contrário dos tipos de dedos paralelos, os dedos angulados têm cursos limitados e geram uma força de preensão que é variável ao longo do curso de atuação. Dito isto, garras angulares sob ação direta do pistão podem ter força de preensão excepcionalmente alta — até 2.300 N ou mais alta.

Maior quantidade de dedos: garras de três e quatro dedos

Quando as garras pneumáticas de dois dedos são inadequadas para lidar com as peças de trabalho de uma operação, as garras de três e quatro dedos (e até mesmo as de cinco dedos em aplicações robóticas especiais do tipo humanóide) podem proporcionar melhor suporte e estabilidade de preensão. Mas para ser claro: todas essas garras são muito menos comuns do que as de dois dedos e, somente, as de três dedos são comuns em aplicações industriais. Seu maior nível de aplicabilidade tem um custo, mas as garras com três dedos podem agarrar peças e outros itens com geometria mais complexa ou desafiadora. As chamadas garras pneumáticas de três dedos auto-centrantes incluem um trio de dedos espaçados uniformemente (120° de distância em um mandril de máquina) que necessitam de troca de dedos para uma mudança de operação. Estes fecham para dentro para segurar as peças em um ponto central. Em contraste, as chamadas garras pneumáticas adaptativas de três dedos unem dois dedos e o terceiro para se opor a elas como um polegar. Mais comuns na robótica móvel, tais garras podem pegar objetos de várias maneiras para acomodar variações em uma determinada geometria de peça.

Preensão interna e atuação dupla

Embora a maioria das garras pneumáticas seja usada para agarrar ou prender peças pelo lado de fora (contato com superfícies externas do objeto), as operações internas de preensão são essenciais para muitas aplicações de montagem. Aqui, os dedos da garra se abrem para agarrar objetos com geometrias ocas por dentro. Em alguns casos, as garras podem ser encarregadas de operações de preensão tanto externas quanto internas — embora devam ser projetadas para ter ambas as capacidades.

As garras pneumáticas de castanha e dedo também podem ter a forma de garras de atuação simples e dupla. Em garras de atuação simples, a força do ar comprimido gera o movimento e a força de preensão. Uma vez que o fornecimento é desligado, os dedos voltam e permanecem em sua posição original graças à ação de uma simples mola de compressão. Em contraste, as garras de atuação dupla requerem acionamento por ar comprimido tanto para os movimentos de aperto como de liberação. De fato, as garras de atuação dupla podem ser capazes de agarrar tanto interna quanto externamente, como descrito acima.

Aplicações comuns de garra-pneumática

Figura 4: A garra Schunk PGN-plus tem um acionamento de pistão oval. (Fonte da imagem: Schunk)

As garras pneumáticas são amplamente utilizadas em configurações industriais — especialmente em máquinas de trabalho automatizadas, linhas de montagem e produção, máquinas de tendência associadas à fabricação avançada, áreas perigosas da fábrica e logística, bem como em operações automatizadas de armazém. Uma pequena mas crescente gama de aplicações comerciais, recreativas e de robótica de consumo (incluindo biônica de mobilidade) também faz uso de garras pneumáticas.

Considere garras pneumáticas para manuseio de materiais em equipamentos de processamento e embalagem de alimentos e bebidas. Aqui, a operação limpa da pneumática é uma vantagem — e garras de dedos acionados pneumaticamente complementam o uso de outros tipos de garras de bexiga e ventosa acionadas por ar para lidar com tudo, desde caixas e garrafas de vinho, até ovos e embalagens de doces. Em contraste, as garras em aplicações de máquinas-ferramenta são normalmente projetadas para apenas um tipo de peça — e, em alguns casos, são até mesmo encarregadas de segurar essas peças à medida que a usinagem ou outros processos são executados. Quando as garras pneumáticas estão envolvidas na montagem ou classificação e seleção, elas são frequentemente apoiadas por sistemas de sensores ou mesmo de visão de máquina para direcionar suas ações. Caso contrário, os sensores de efeito Hall e de proximidade na garra podem fornecer resposta suficiente.

Vantagens e limitações das garras pneumáticas

Um benefício chave das garras pneumáticas em relação a outros tipos de garras é que elas estão disponíveis em vários tamanhos e forças de aperto, desde alguns Newtons até vários quilo-Newtons, e podem ser adaptadas para diferentes aplicações — mesmo aquelas que requerem milhares de repetições por hora. As garras pneumáticas industriais também oferecem uma repetibilidade inigualável para tarefas de automação de precisão. Além disso, as garras pneumáticas:

• São eficientes em termos de custo e potência para operar
• São leves e compactas — especialmente quando comparadas a certas opções baseadas em hidráulica e motor

Ao contrário de suas contrapartidas hidráulicas e elétricas, as garras pneumáticas não são, em grande parte, afetadas por seus ambientes de trabalho. Isso contrasta com as garras acionadas eletricamente com eletrônica sensível que podem funcionar mal em ambientes úmidos.

Naturalmente, as garras pneumáticas têm alguns inconvenientes e limitações. Estes estão principalmente relacionados ao custo operacional e complexidade dos projetos pneumáticos e sistemas de ar comprimido em geral. O arranjo inicial de tais sistemas pode ser caro e complicado. Dito isto, há economia de escala onde uma operação industrial já faz uso de sistemas de ar comprimido em outros lugares.

Critérios de seleção de garras pneumáticas

O dimensionamento e a especificação de garras pneumáticas para uma determinada aplicação de manuseio de material devem começar com a definição clara dos parâmetros chave de projeto.

Tamanho e força de preensão: As garras pneumáticas devem abrir o suficiente para acomodar os objetos a serem manuseados. A força necessária do dedo da garra pneumática depende do peso dos objetos manuseados, bem como do coeficiente de atrito do dedo ao objeto, da área de contato do dedo ao objeto e da força para neutralizar aquelas dos dedos opostos. Materiais e revestimentos altamente projetados dos dedos da garra podem aumentar o coeficiente de atrito do dedo ao objeto. Naturalmente, as castanhas das garras pneumáticas para uso em aplicações alimentícias ou farmacêuticas devem ser feitas ou revestidas com materiais aprovados pela FDA.

Há uma grande variabilidade na relação entre o tamanho e o peso da peça manuseada — com itens leves, porém volumosos, muitas vezes apresentando os maiores desafios de projeto das garras.

Geometria da peça: Objetos manuseados com geometrias complexas podem frequentemente necessitar de garras pneumáticas com três dedos em vez de dois. Isso é especialmente verdade quando uma série de peças pode ter geometrias ligeiramente variáveis. Mas onde as peças são consistentes, as garras de dois dedos podem incorporar superfícies e formas personalizadas para acomodar pontos de preensão específicos nesses objetos. A economia de custos das garras de dois dedos pode muitas vezes justificar seu uso onde quer que esta solução satisfaça as exigências da operação.

Ambiente operacional: Rolamentos das garras pneumáticas, elementos mecânicos internos e carcaças são abundantes para satisfazer ambientes operacionais limpos e contaminados. Especialmente importantes são os dimensionamentos de temperatura das garras pneumáticas (que estipulam faixas dentro das quais uma garra funcionará de forma ideal), bem como as classificações de IP que definem o nível de material particulado e umidade que uma determinada garra pode resistir antes do ingresso.

Conclusão

As garras pneumáticas são efetores terminais robóticos essenciais para o manuseio de materiais nas linhas de produção. Estas garras seguram, orientam e colocam peças e outros objetos para processamento, montagem com outras peças, ou rejeição — quando descartam de um transportador através de uma estação de controle de qualidade. Apesar dos inconvenientes dos sistemas de ar comprimido necessários para a operação com garras pneumáticas, estas são frequentemente a escolha mais limpa, mais rápida e mais adequada para o manuseio de peças.