Vakuové manipulátory: Jak fungují a kde se používají

Vakuové manipulátory mají nezastupitelnou roli při manipulaci s materiály v mnoha průmyslových odvětvích. Jejich schopnost bezpečně, rychle a efektivně přesouvat různorodé předměty z nich činí nezbytný nástroj, který významně přispívá ke zvýšení produktivity a bezpečnosti práce. Tato zařízení jsou navržena tak, aby nahradila nebo výrazně usnadnila lidskou práci, zejména při manipulaci s těžkými, rozměrnými, křehkými nebo obtížně uchopitelnými břemeny.

Princip fungování vakuových manipulátorů

Základní princip fungování vakuových manipulátorů spočívá ve využití podtlaku k uchopení předmětu. Tento podtlak, běžně nazývaný vakuum, je vytvořen vysáváním vzduchu z uzavřeného systému.

Fyzika vakua

Účelem vakuových systémů je generovat podtlak – tedy tlak nižší než atmosférický tlak (hodnota atmosférického tlaku je typicky kolem 1 000 milibarů). Kromě úrovně vakua je důležitým parametrem i rychlost čerpání, která udává objem vzduchu, jejž vývěva dokáže vysát za určitou časovou jednotku, a je běžně udávána v metrech krychlových za hodinu [m³/h]. S poklesem tlaku obvykle klesá i rychlost čerpání. Vakuové manipulátory v praxi pracují s různými úrovněmi podtlaku v závislosti na aplikaci.

Princip uchopení

Průmyslové vakuové manipulátory operují s využitím ramene nebo teleskopu vybaveného vakuovým rámem s přísavkami. Po přiložení přísavky k povrchu předmětu je z jejího vnitřního prostoru odsáván vzduch, čímž vzniká podtlak (vakuum). Vzniklé vakuum pod přísavkou tak v podstatě drží objekt. Tato síla přímo závisí na hodnotě vytvořeného vakua a na ploše, na kterou vakuum působí. Vakuový způsob uchopení je univerzální a je tak vhodný pro nejrůznější materiály a povrchy. Navíc např. oproti magnetickým chapadlům, nezpůsobuje sekundární magnetizaci kovových předmětů.

Generování vakua

Vakuum pro manipulátory bývá generováno různými způsoby:

• Pneumatické vakuové generátory (ejektory)
  Tyto generátory využívají stlačený vzduch k vytvoření vakua. Jejich hlavními výhodami jsou krátká doba pro dosažení vakua a možnost přímé integrace s uchopovacím prvkem díky jejich malým rozměrům a nízké hmotnosti. Ejektory mohou být zapojeny i do série pro vytvoření více zdrojů vakua.

• Elektrické vakuové generátory (čerpadla nebo dmychadla)
  
  - Vakuová čerpadla generují vysoké vakuum při nízkém průtoku. Příklady zahrnují olejové vývěvy.

  -  Dmychadla umožňují vysoký průtok s relativně nízkou hodnotou vytvořeného vakua.
  
  Elektrické generátory nabízejí snadnou integraci s uchopovacími hlavicemi nebo vakuovými rámy a mívají vestavěnou funkci nastavení hodnoty vakua. Některé modely mají také volitelnou funkci regulace otáček motoru a elektropneumatický systém zpětného tahu.

  Pro úsporu energie se vakuové generátory mohou automaticky vypínat, jakmile je dosaženo požadovaného podtlaku, a znovu se zapnou, když tlak překročí definovanou hodnotu.

• Samopřísavné manipulátory
  Některé vakuové manipulátory, nazývané samopřísavné, pracují bez externího přívodu energie. Potřebný podtlak je u nich vytvořen váhou samotného břemene, která zajistí těsnost mezi přísavkou a povrchem, takže atmosférický tlak vytvoří přísavný efekt. Tyto typy jsou vhodné pro horizontální přemisťování plochých břemen s neprodyšnými povrchy.

Při výběru generátoru vakua je nutné přesně porozumět požadavkům procesu a vyhnout se naddimenzování, které by vedlo ke zbytečně vysokým nákladům na energie a provoz. Vakuové nádoby nebo zásobníky mohou výrazně přispět k úspoře energie tím, že umožňují automatické vypínání nebo přechod vývěvy do režimu nečinnosti, jakmile je v nádobě dosaženo požadované úrovně vakua.

Komponenty vakuových manipulátorů

Vakuové manipulátory se skládají z několika hlavních komponent, které společně zajišťují efektivní a bezpečný provoz.

Přísavky

Přísavky jsou jednou z nejdůležitějších a zároveň nejcitlivějších a nejzranitelnějších částí vakuového chapadla. Jejich hlavním úkolem je zajistit dostatečně těsný kontakt s objektem a udržet je po celou dobu manipulace s břemenem. Poškození přísavek nastává při kontaktu s drsnými, horkými nebo znečištěnými povrchy.

Tvary a konstrukce přísavek

• Kulaté přísavky jsou vhodné pro manipulaci s předměty pravidelného tvaru nebo pro sestavy s mnoha přísavkami.
• Oválné přísavky se hodí pro dlouhé úzké předměty.

Mnoho přísavek je vybaveno měchem, který plní dvojí roli. Jednak kompenzuje výškové rozdíly při přikládání k objektům a funguje jako tlumič mezi ramenem manipulátoru a předmětem, což je důležité pro manipulaci s jemnými součástmi.

Materiály přísavek

Materiál přísavky musí být přizpůsoben materiálu uchopovaného předmětu.

• Pro jemné předměty se používají měkké elastomery.
• Pro dřevo nebo plech jsou vhodnější tvrdší materiály, často odolné vůči zvýšeným teplotám.
• Přísavky ze speciálních elastomerů, které splňují normy různých průmyslových odvětví, včetně potravinářského a farmaceutického průmyslu, a nezanechávají stopy na přenášených objektech.

Výměna a příslušenství

Přísavky bývají vybaveny konektory pro rychlou výměnu. Tak je možno urychlit servis nebo výměnu v případě potřeby manipulace s novými objekty. K dispozici je také řada doplňků, jako např. těsnicí profily pro drsné, hladké a strukturované povrchy, příruby, filtry, těsnicí vložky a nosné prvky.

Upevňovací prvky a nástavce

Tyto prvky slouží k integraci přísavek nebo speciálních chapadel s vakuovým systémem. Mezi ně patří:

• Kloubové, vícesměrné spojky, které zlepšují kontakt přísavek s nerovným povrchem předmětu.
• Pružinové kompenzátory pro překlenutí výškových rozdílů a zajištění šetrného zvedání a spouštění předmětů.

Ventily

Ventily jsou nezbytné pro ovládání vakua a stlačeného vzduchu a jejich správný výběr zvyšuje spolehlivost a efektivitu vakuových systémů. Mohli bychom je rozdělit na:

• Solenoidové ventily (ovládané přímo nebo pneumaticky).
• Zpětné ventily a omezovače průtoku pro uzavírání vakuových vedení k nepoužívaným přísavkám.
• Regulační ventily.
• Jednosměrné ventily s pružinovým vratným mechanismem pro ochranu systému v případě selhání generátoru vakua.
• Kromě automaticky ovládaných ventilů existují i ručně ovládané ventily pro použití v ručních zvedacích zařízeních nebo pro nouzové řízení průtoku vzduchu v automatizačních zařízeních.

Filtry a armatury

Vakuový systém je náchylný k nasávání nečistot, ať už jde o drobky materiálu, maziva, kapaliny nebo prach. Ty mívají za následek selhání generátoru vakua, potrubí a ventilů. Filtry slouží k ochraně vakuového systému před těmito nečistotami. Pravidelné čištění prachových filtrů je nezbytné pro bezproblémový provoz. K distribuci vakua v systému se používají rozdělovače, hadice, armatury a připojení, které propojují přísavky s vakuovými generátory.

Senzory a monitorovací zařízení

Pro bezporuchový provoz a bezpečnost vakuového systému jsou využívána monitorovací zařízení, která kontrolují stav systému a hodnoty vakua.

• Mechanické a elektronické vakuové spínače monitorují podtlak.
• Tlakové senzory (s analogovým nebo digitálním výstupem a displejem) měří tlak.
• Vakuové regulátory a redukční ventily pomáhají udržovat požadovanou úroveň vakua.
• Výstražná zařízení poskytují akustickou a optickou signalizaci v případě ztráty podtlaku, což je klíčové pro bezpečnost. V případě výpadku napájení musí být zvedané břemeno udrženo po dobu nejméně pěti minut.
• Moderní vývěvy mohou být vybaveny chytrými senzory, které v reálném čase informují obsluhu nebo servisního technika o nastávající údržbě, což je součástí trendu Průmyslu 4.0.

Tyto komponenty dohromady tvoří komplexní systém, který umožňuje vakuovým manipulátorům efektivně plnit své úkoly v široké škále aplikací.

Přednosti a rozmanité aplikace vakuových manipulátorů

Investice do vakuových manipulátorů se ukazuje jako velmi výhodná, a to díky jejich schopnosti výrazně zvýšit rychlost, přesnost a efektivitu práce. Společnosti, které se pro ně rozhodnou získávají významnou konkurenční výhodu. Nejčastěji zmiňovaný přínos je úspora lidské práce. Vždyť jeden vakuový manipulátor je schopen zastat práci velkého množství lidí, zejména při manipulaci s těžkými a rozměrnými břemeny. Tím se snižuje fyzická námaha zaměstnanců a minimalizuje riziko vzniku úrazů a zdravotních problémů spojených s těžkou manipulací. Celkově zlepšuje pracovní podmínky a zvyšuje výkon. Manipulace s vakuovými zařízeními je intuitivní, a dodavatelé často nabízejí komplexní školení personálu, což usnadňuje jejich rychlé a efektivní zapojení do provozu.

Univerzálnost a škálovatelnost jsou dalšími. Princip těchto manipulátorů je snadno pochopitelný a použitelný. Síla uchopení závisí na hodnotě vakua a ploše, na kterou působí, a lze ji snadno měnit. To umožňuje efektivní přenos jak miniaturních součástí, jako jsou ozubená kola hodinek nebo elektronické komponenty SMD, tak i velkých a masivních předmětů, například automobilových komponentů na výrobním pásu, plechů, desek nebo nábytkových prvků. Na rozdíl od magnetických chapadel, která mohou způsobit sekundární magnetizaci kovových předmětů, vakuová chapadla neovlivňují vlastnosti přenášených objektů.

Rozmanité využití vakuových manipulátorů se rozprostírá napříč mnoha průmyslovými odvětvími:

• Stavebnictví a logistika
  Slouží k bezpečnému a přesnému zvedání a polohování těžkých a křehkých materiálů, jako jsou okna, dlaždice, skleněné tabule, sendvičové panely a kameny. Lze je kombinovat s mini-jeřáby pro práci ve výškách a těžko přístupných místech.
• Výroba a montáž
  Uplatnění nacházejí v automatizovaných procesech, kde nahrazují namáhavou, monotónní a nebezpečnou lidskou práci. Přispívají tak ke snížení nehod, plynulejší a rychlejší výrobě a v neposlední řadě k lepší kvalitě výstupů. Běžné operace zahrnují vkládání a vyjímání objektů, mezioperační manipulaci, technologické a kontrolní operace.
• Potravinářství a farmacie
  Používají se pro manipulaci s obaly, sáčky, blistry a fóliemi, přičemž materiály přísavek splňují přísné mezinárodní normy a nezanechávají stopy na přenášených objektech.

Jde tedy jasně vidět, že vakuové manipulátory zastanou univerzální, efektivní a bezpečné řešení pro široké spektrum manipulačních úkolů v moderním průmyslu.

Bezpečnost a údržba vakuových manipulátorů

Bezpečnost provozu je u vakuových manipulátorů naprosto zásadní, zejména s ohledem na manipulaci s těžkými a často křehkými břemeny. Vakuové manipulátory jsou navrženy s komplexními bezpečnostními prvky. Jedním z hlavních je vybavení dvěma redundantními vakuovými okruhy, které zajišťují, že v případě selhání jednoho okruhu břemeno nespadne. Dále jsou součástí monitorovacího systému vakuové manometry, které ukazují aktuální podtlak pro každý okruh, a zvukové výstražné zařízení, které se aktivuje při poklesu podtlaku pod kritickou hodnotu (např. -0.6 baru) nebo při nedostatečném nabití baterie. Vakuový zásobník se zpětným ventilem navíc udrží vakuum i v případě výpadku napájení, což dává obsluze čas na bezpečné položení břemene.

Pro bezpečný provoz je nezbytná kvalifikace personálu. Obsluha musí být oprávněná k manipulaci s daným zařízením, řádně proškolená a musí pravidelně absolvovat bezpečnostní školení. Před každým použitím je nutné provést vizuální kontrolu zařízení a ujistit se, že povrch břemene je čistý, suchý a bez jakýchkoli látek (jako je prach, olej, vlhkost), které by snižovaly tření a tím i bezpečnost uchopení. Manipulace s břemeny nad lidmi je přísně zakázána, a je třeba dbát na to, aby se v nebezpečné zóně nenacházely žádné osoby. V případě nouzové situace, jako je výpadek vakua nebo únik, je nutné okamžitě informovat všechny osoby v blízkosti a pokusit se bezpečně odložit náklad.

Pravidelná údržba je dalším pilířem spolehlivosti a dlouhé životnosti vakuových manipulátorů. Důvěryhodní dodavatelé, mezi nichž patří i Triom, nabízejí komplexní servisní služby, včetně instalace, zaškolení obsluhy, dodávky náhradních dílů a pravidelných kontrol.

Plán údržby zahrnuje kontroly s různými intervaly

• Denní / Týdenní
  Kontrola manometru, výstražného zařízení a stavu nabití baterie. Týdenní čištění prachového filtru je také doporučeno, v závislosti na prašnosti prostředí.
• Měsíční
  Kontrola těsnosti celého vakuového systému. Pokles tlaku by neměl přesáhnout 0.1 baru za 5 minut.
• Půlroční / Roční
  Kontrola těsnosti všech šroubových spojů, stavu vakuových hadic a jejich přípojek, nosných částí a čitelnosti typového štítku a výstražných značek. Výměna filtrační vložky prachového filtru je nutná nejpozději po 2 letech nebo při poklesu tlaku o 0.2 baru. Sací desky by měly být pravidelně čištěny teplou mýdlovou vodou a mechanicky (měkkým kartáčem), a poškozené nebo opotřebované části by měly být okamžitě vyměněny.

Vakuové manipulátory by se neměly skladovat na sacích deskách, aby nedošlo k jejich poškození, Dodržování těchto pravidel zajišťuje bezpečný, bezporuchový a efektivní provoz vakuových technologií.