CIRP Anales - Tecnología de Fabricación

Agarrando capas de cuero por pinzas de Bernoulli

Departamento de Ingeniería Mecánica, Nuclear y Producción Ingeniería de la Universidad de Pisa, Italia

El agarre automatizado de productos de cuero presenta muchos aspectos críticos debido principalmente a su muy baja rigidez y a la posibilidad de producir impresiones en sus superficies delicadas. Para superar estos problemas, este trabajo se propone el uso de pinzas sin contacto en lugar de más ventosas tradicionales o fi ngered pinzas. En particular, el objetivo principal de esta investigación es la medición del desempeño de las diferentes con fi guraciones pinza cuya fuerza de elevación es generada por un aire de alta velocidad de flujo que pasa entre la pinza y la capa de cuero.1. Introducción

Un manejo completamente automatizado de capas de cuero representa uno de los objetivos principales en la industria del cuero para la reducción de los costos de producción. Sin embargo, hasta ahora, el uso de las instalaciones y dispositivos automatizados se ha limitado principalmente a los transportadores o apiladores colocado en el extremo de las líneas de producción. Otras operaciones de manipulación importantes, como la carga de máquinas de procesamiento, todavía se realizan manualmente.Dicho retraso se debe tanto a la pesada carga de las tradiciones en la industria del cuero y de las di fi cultades reales en la automatización de manejo de cuero. El cuero es un material natural, afectado por algunos aspectos críticos que hacen difícil la captación por manipuladores industriales: forma irregular, de baja rigidez, muy delicado de la superficie, etc.Capas de piel se suelen almacenar en pilas, por lo tanto, la manera más intuitiva para comprender ellos es, probablemente, por imitación del comportamiento humano, agarrando el borde de la tela por una pinza de dos dedo mecánica. Esta forma de agarre presenta muchas di fi cultades tales como la detección de bordes de cuero o de la separación de los pliegues.Otra posible, y más fiable, el enfoque consiste en actuar directamente sobre la superficie de la piel. De esta manera, los problemas descritos anteriormente se superan: la acción de agarre se puede hacer en una porción central de toda la superficie, su fi cientemente lejos de las fronteras, lo que permite una separación capa correcta y un manejo seguro. Desafortunadamente otros problemas: las fronteras caen debido a la gravedad creando problemas en la liberación, la superficie puede ser dañado por el dispositivo de agarre, la porosidad de cuero puede reducir la fuerza de agarre, etc.

En la literatura, se han hecho algunos intentos para hacer frente a estos problemas. Un primer enfoque se basa en el uso de sistemas de vacío, como se demuestra por los autores en [1]. Otro dispositivo se ha propuesto en [2], donde los materiales inertes, como los textiles y las capas de cuero son captados por un nuevo principio agarre basado en el efecto Coanda. Otras posibilidades

para abordar los problemas anteriores se dan por el uso de otros principios tales como pinzas de agarre criogénicos o electrostáticas. El primero se basa en el efecto de enfriamiento Peltier: simplemente agua helada, previamente micro-pulverizada, se ge- tamente un bloque de micro-hielo que '' colas '' el objeto al cuerpo de la pinza, y puede ser rápidamente derretido cuando tiene que ser liberado. Este último se basa en el efecto de inducción electrostática bien conocida y el primer intento de usarla para agarrar piezas de cuero que se describe en [3].Los enfoques anteriores son muy eficaces y muestran buenos resultados en captación de cuero. Sin embargo, para captar materiales muy delicados, que lo producen huellas inaceptables en la superficie de la piel debido al contacto directo con el dispositivo de agarre. Teniendo en cuenta esta consideración, el presente artículo se propone un contacto agarrar usando el llamado '' pinza Bernoulli '' cuya acción agarrar se basa en el principio de Bernoulli conocido.

2. Bernoulli pinza

La voladura de un chorro de aire cerca de una producción de boquilla de aspiración en lugar de una fuerza de repulsión puede aparecer como una paradoja aerodinámico. Sin embargo, una pinza de Bernoulli explota la presión comprensión creado por un chorro de aire que fluye radialmente en el pequeño espacio entre la pinza y el objeto. El diseño básico es muy simple y los componentes principales son (Fig. 1):

una boquilla, necesario para crear el chorro de aire; un ector de fl (visible en la figura 2.), que puede estar presente o no, se utiliza para reflejar de chorro de aire fuera de la boquilla; una placa, que representa la superficie de la pinza enfrenta al objeto.

Si la placa está situada a una cierta distancia del objeto, la fuerza de repulsión, aproximadamente proporcional al cuadrado de la velocidad de flujo fl aire, es frecuente y el objeto es expulsado, pero si la distancia se reduce progresivamente, el efecto de succión aumenta hasta la obtención de la elevación del objeto sin ningún contacto con la placa de la pinza (es decir, sin contacto de agarre).Hasta ahora, pinzas de Bernoulli se han utilizado en los primeros experimentos para la prensión y la separación de materiales muy delicados, tales como obleas de semiconductores [4], en el manejo de materiales no rígidos y porosos tales como cajas de cartón o tejidos [5,6 ] y en la industria alimentaria para agarrar las frutas y verduras en rodajas [7].

2.1. principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento se basa en la distribución depresión generada en la separación entre la placa y el objeto por el aire radial flujo dirigido desde la boquilla al entorno externo a la presión atmosférica. El fenómeno es muy complejo debido a la presencia de un aire turbulento flujo, regiones supersónicos, la generación de ondas de choque, etc., pero, en general, se puede observar básicamente que se genera la subpresión por la creciente del flujo de aire acelerar aguas

abajo de la boquilla. Como la distancia de la boquilla aumenta, la velocidad disminuye gradualmente, debido al incremento de la sección ow fl largo de la dirección radial. El finalmente depresión alcanza la presión atmosférica en el borde de la placa.Teniendo en cuenta los símbolos en la Fig. 1, y simplificar el problema con las suposiciones de que (i) el aire es incompresible, (ii) la ow fl es laminar y (iii) la velocidad de flujo fl es subsónico, la subpresión P puede ser analíticamente evaluó mediante la aplicación de la ecuación de Bernoulli y la ley de conservación de la velocidad de flujo volumétrica entre las secciones 1 y 2. por lo tanto, la subpresión en función del radio r genérico está dada por:

ECUACION

donde Q es la velocidad de flujo volumétrico y r es la densidad del aire.La fuerza de agarre Fg total puede ser evaluada a través de la siguiente expresión:

F g ¼ Fl Fr

conECUACION

donde Fl es la fuerza de elevación obtenida mediante la integración de la expresión (1) todo el plato y Fr es la fuerza de repulsión generada por la colisión del chorro de aire a la superficie del objeto.Teniendo en cuenta la constante de velocidad de flujo, la fuerza de agarre depende del valor de la brecha h. Como se ha demostrado por la expresión (2), la fuerza de agarre aumenta mediante la reducción de la distancia entre la pinza y el objeto. En la realidad, si la brecha se reduce aún más, la fuerza de agarre no hiperbólicamente aumentar, pero, principalmente debido a la compresibilidad del aire y por lo tanto a la reducción de la velocidad de flujo, la fuerza alcanza un valor máximo y luego disminuye gradualmente.

2.2. Propuestas de pinzas de Bernoulli para agarrar capas de cuero

Se han propuesto y ensayado en esta investigación (Tabla 1) Diferentes variantes de pinzas de Bernoulli. La justificación del diseño era aumentar la fl ow radial frente al fl ow vertical, con el fin de disminuir el P. Por esta razón, un reflector de fl se ha introducido (con 2 diferentesángulos: a = 608, a = 308), incluso si su presencia obviamente reduce el área de trabajo del efecto Bernoulli y por lo tanto la fuerza de elevación(cada vez mayor de rint).La innovación de estas propuestas se refiere a la presencia de 16 ranuras radiales en la G3.1 y G3.2 pinzas. Como se ilustra en la Fig. 2, cada ranura se ha formado como un canal de Venturi con 3 sectores diferentes: un sector convergente, un sector constante y un sector divergente. El resultado esperado de esta propuesta debe ser una contribución adicional a la acción de elevación ejercida por la pinza, explotando el vacío creado en la parte central de cada canal Venturi.

3. experimentos

El objetivo de los experimentos es para comparar el rendimiento de cada pinza propuesto por la medición de la fuerza Fg agarre para diferentes capas de cuero, variando la brecha y manteniendo constante la velocidad de flujo volumétrico Q en el valor de 4,8 10 3 m3 / s.

3.1. Plan y las instalaciones Experimental

La Tabla 2 muestra las características principales de los cueros utilizados en estos experimentos. Dos lados de cada cuero han sido considerados para agarrar:

lado externo, que representa la piel externa del animal y se caracteriza por una superficie lisa y delicada, muy apreciada en artículos de cuero; lado interno, que representa la piel interna del animal (también llamado '' lado ESH fl '') y se caracteriza por una superficie áspera y muy irregular (ver fotos en la Tabla 2).Las mismas pruebas han sido también repetido para una muestra rígidos y no porosos hechos de polimetilmetacrilato (PMMA) con un espesor de 10 mm.Los principales componentes del aparato experimental son:

un robot SCARA de 4 ejes, que se utiliza para mover verticalmente el dispositivo de agarre; un dinamómetro, colocado en el banco de trabajo y utilizado para medir la fuerza de agarre a lo largo del movimiento de la pinza (resolución: 0,25 N; rango de trabajo: 330 N; velocidad de adquisición: 25 Hz).

Cada muestra se ha colocado en el dinamómetro a través de un soporte rígido de 200 mm 200 mm, pegado por pequeñas gotas distribuidas en una rejilla que tiene un paso de 20 mm. Esta solución permite mantener la piel en contacto con el substrato rígido, pero no signi fi cativamente alteran la porosidad y la elasticidad de la piel.Un movimiento paso a paso de la pinza, con un tiempo de retardo entre cada paso de 1 s, se ha adoptado con el fin de correlacionar la medición de la fuerza con la distancia entre la placa de sujeción y la superficie de la muestra. Dicho procedimiento ha sido diseñado para estudiar el rendimiento de agarre en condiciones cuasi-estático; en la etapa actual de la investigación, la variación de la fuerza en condiciones dinámicas no se ha investigado todavía3.2. resultados

Un ejemplo de los resultados se presenta en la Fig. 3. El experimento se ha realizado moviendo la pinza fi rstly hacia arriba (retroceso de la pinza) y luego hacia abajo (pinza de avance) desde el punto de contacto con el cuero. La fuerza de agarre medida por el dinamómetro no es constante dentro de cada paso. Además de las fluctuaciones esperadas, principalmente debido al aire turbulento flujo, otro comportamiento interesante se puede notar. La capa de cuero, bajo el efecto de una fuerza, muestra un comportamiento no lineal dentro de cada paso: la capa parece actuar como un par de resorte-amortiguador. Durante el movimiento de retroceso, al comienzo de

cada paso, la fuerza aumenta y la piel se estira hacia fuera; durante el tiempo de retardo de la piel se relaja, y la fuerza tiende a disminuir. A la inversa, cuando la pinza se acerca al cuero, la fuerza disminuye, el cuero reduce su tramo, los aumentos de BPA y, por tanto, la fuerza de agarre tiende a subir.Para mayor claridad, en todas las gráficas siguientes, el ruido de la señal ha sido filtrada, el comportamiento no lineal se ha eliminado y la fuerza Fg se ha correlacionado con la distancia de separación h. Una curva típica se ilustra en la Fig. 4. Esta curva es muy útil para determinar el rendimiento de agarre con respecto al peso del objeto a ser captado. Por ejemplo, si un peso mg = 17 N se considera, las siguientes zonas se pueden observar:

una zona de agarre factible, con la diferencia que oscila entre 0 h y2 mm; zona de agarre inviable, donde la fuerza no es su fi ciente para captar la capa de cuero (h> 2 mm).

La zona de agarre factible se puede dividir en tres sectores: (1) la parte negativa de la curva, donde el agarre es muy cerca de la piel y el P. supera el efecto de elevación; (2) el sector de las posiciones estables del objeto captado; (3) un sector inestable, donde el objeto, cuando agarró, se acelera hacia la placa de la pinza.En la Fig. 4, la línea del peso del objeto intersecta la curva en 2 puntos de equilibrio P1 y P2.P1 es un punto estable: cuando el cuero está en P1 y la brechaaumenta, los aumentos de la fuerza, así y el objeto es atraído hacia la placa. Lo contrario sucede cuando el cuero se encuentra todavía en P1, pero la brecha se reduce. En este caso, la fuerza de agarre se reduce y el objeto se mueve lejos de la placa de volver hacia el punto de equilibrio.P2 no es un punto estable: Si la diferencia es justo por debajo de 2 mm, el objeto se acelera hacia la placa y la brecha se reduce hasta que llega a P1, donde tiende a permanecer; Si el espacio es poco más de 2 mm, la fuerza es menor que el peso del objeto y el agarre no se lleva a cabo.Como referencia para las siguientes pruebas, la fuerza de agarre ejercida por cada pinza se ha medido usando un 200 mm 200 mm espécimen de PMMA. Es claramente evidente en la figura. 5 que, en este caso, la pinza sin el de reflector (G1) da el mejorrendimiento. Las pinzas con a = 608 (G2.1 y G3.1) muestran unamuy bajo valor de la fuerza de agarre. Por el contrario, las dos pinzas con a = 308 muestran una fuerza de elevación apreciable, mayor en G3.2 con los canales de Venturi.Fig. 6 sintetiza los resultados obtenidos en captar las diferentes muestras de cuero. Es posible observar que:

el rendimiento de G1 disminuye drásticamente cuando actúa sobre cueros, en lugar de PMMA, probablemente debido a su porosidad, y se convierte comparable con G2.2 y G3.2; G2.1 y G3.1 siguen presentando un bajo valor de la fuerza de agarre debido al efecto simultáneo de una zona de agarre reducida y a un componente vertical superior del chorro de aire (a = 608);

G3.2 muestra un comportamiento muy bueno en todas las situaciones demonstrat- ing, para captar este tipo de materiales, el efecto positivo de un pequeño ángulo de fl ector y la presencia de los canales Venturi. En particular, una carga útil de al menos 10 N se puede asegurar en cada situación.

No huella en las superficies de cuero se ha notado durante los ensayos realizados por las pinzas equipadas con la de fl ector. Por el contrario, G1, que genera un chorro perpendicular a la superficie de cuero, produce huellas apreciables en una pequeña zona abordado por la boquilla de agarre.

4. Conclusiones y propuesta de aplicación

Estos experimentos muestran que las capas de cuero probados pueden ser captadas por pinzas de Bernoulli. En particular, el uso de un reflector de que tienen un pequeño ángulo A y radiales canales Venturi en la placa dar efectos positivos a la fuerza de agarre y elimina por completohuellas en la superficie del cuero.Un conjunto de pinzas de Bernoulli se puede aplicar para el manejo de grandes capas de cuero, que tiene un peso que oscila generalmente entre 5 y 50 N, agarrando ellos en la zona central de la superficie de cuero. Como se ha dicho antes, en este tipo de aplicación de las fronteras caen y se vuelve difícil o imposible para liberarla en la cinta transportadora de una máquina de procesamiento. Por esta razón, un dispositivo giratorio capaz de difundir el cuero a través de dos direcciones perpendiculares se ha diseñado y está actualmente en pruebas.Trabajos futuros se orientarán para optimizar la geometría de agarre, por medio de simulaciones FEM, con el fin de aumentar la fuerza de agarre. Posteriores investigaciones serán también dedicaron a investigar la estabilidad transversal de agarre, un tema importante en el caso de agarrar piezas con pinzas sin contacto, y las condiciones dinámicas de manejo, fundamentales en la práctica industrial.