Systèmes de préhension pour la manutention des matériaux en génie mécanique

Il est impératif de gérer les techniques de manutention des matériaux et des pièces à usiner, en particulier dans les grandes usines de production et les chaînes de production. En raison du poids seul, il est souvent presque impossible de déplacer les matériaux manuellement. C’est là que commence la manutention : Les systèmes de préhension ou les courroies de transport, par exemple, facilitent le mouvement et le contrôle des matériaux et augmentent l’efficacité. Dans ce qui suit, nous examinons de plus près les différents systèmes de préhension et la manière dont ils sont utilisés.

Qu’est-ce que la manutention ?

La manutention, ou la technologie de manutention, permet de rendre les processus de fabrication plus faciles, plus sûrs et plus productifs. Parmi les tâches principales, on compte le mouvement, le stockage, le contrôle et la gestion des matériaux. Les systèmes de manutention peuvent économiser de l’espace de stockage ou servir eux-mêmes de stockage. Par conséquent, il est primordial que les systèmes de manutention résistent à des exigences élevées :

• ils doivent être résilients, mobiles et flexibles.
• ils ne devraient pas être associés à des coûts élevés.

Types de systèmes de manutention

Les systèmes de manutention peuvent être, par exemple, des convoyeurs à courroie, des chariots élévateurs, des systèmes robotisés, des grues ou des systèmes de préhension sur des lignes de production automatisées. Cependant, ils peuvent également être utilisés dans le travail manuel, par exemple pour assister les opérateurs dans les tâches quotidiennes telles que le déplacement de fûts ou de boîtes. En particulier, la préhension est l’une des tâches principales dans de nombreuses usines de production. En utilisant des systèmes de manutention de matériaux, il est possible d’accélérer les anciens processus manuels et de réduire l’absentéisme. Ici, les systèmes de préhension ou les systèmes d’outils de préhension contribuent particulièrement à l’ergonomie du poste de travail.

Systèmes d’outils de préhension

Les systèmes d’outils préhension permettent de manipuler et de contrôler précisément les matériaux et les pièces à usiner. Des systèmes d’outils préhension sont conçus pour soutenir les travaux de préhension manuels, tels que les pinces à fût, les pinces à rouleaux ou les pinces à boîte. Néanmoins, les systèmes de préhension sont également utilisés sur les lignes de production dans la fabrication. Les pinces de préhension sont souvent utilisées avec des robots : Elles servent de pièce de connexion entre le robot industriel et la pièce à usiner.

Pinces de préhension à vide

Dans la pince de préhension à vide, on crée un vide à l’aide d’une pompe située entre la pince de préhension et la pièce à usiner. La pince de préhension à vide est placée sur la pièce à usiner et la pression négative sur la pince de préhension à vide entraîne l’aspiration de la pièce à usiner dans la pince de préhension à vide.

• 1 = pièce à usiner
• 2 = vide
• 3 = pince de préhension à vide

La force de maintien dépend de la différence de pression entre l’environnement et la pression dans la pince de préhension à vide elle-même. Plus la différence est grande, plus la force de maintien est élevée et permet de soulever des charges plus lourdes. Les pièces à usiner à transporter peuvent aller de pièces dures à déformables avec des surfaces capables d’aspiration. La force d’aspiration diminue si la surface à aspirer est poreuse ou perméable à l’air. Il faut alors agrandir la surface de coupe transversale efficace de la ligne ou utiliser plusieurs ventouses plus petites. Les pièces à usiner souples telles que le papier, les matériaux fins, les films plastiques peuvent être froissées par la force d’aspiration.

En plus de ce type de pince de préhension à vide, il existe également le préhenseur Bernoulli. Il utilise un principe quelque peu différent : le théorème de Bernoulli. Le flux d’air passe à travers une buse étroite à grande vitesse. Ici aussi, une pression négative est créée, ce qui produit un effet d’aspiration et attire l’objet. De plus, une légère flottabilité est présente et soulève l’objet au minimum de la surface. Le contact entre la pince de préhension et la pièce à usiner est ainsi réduit au minimum.

Les systèmes de pinces de préhension à vide peuvent être utilisés de différentes manières : Ils conviennent aux charges souples et délicates telles que les sacs et les lunettes, ainsi qu’aux charges lourdes. En raison du contact minimal entre la pince de préhension et la pièce à usiner, la pince de préhension Bernoulli convient généralement aux matériaux particulièrement délicats, tels que les films en papier et en plastique et moins pour les charges lourdes.

Préhenseur pneumatique

Les préhenseurs pneumatiques sont des systèmes de préhension à air comprimé qui servent à maintenir et déplacer les composants, les pièces à usiner et les charges. En fonction de la forme, du poids et du mouvement nécessaires pour transporter l’objet, des pinces à mâchoire, des pinces rotatives ou des préhenseurs à pince peuvent être utilisées dans une grande variété de formes.

Les préhenseurs pneumatiques sont souvent utilisés dans de nombreux secteurs et industries en raison de leur fiabilité, de leur efficacité et de la simplicité de leur conception. En règle générale, les pinces de préhension sont conçues comme des pinces de préhension à deux ou trois doigts. En plus des pinces de préhension à simple effet avec fonction d’ouverture (préhension interne) ou fonction de fermeture (préhension externe), les pinces à double effet sont également courantes.

La figure suivante présente la structure schématique d’une pince de préhension parallèle active à double effet :

• A = raccordement pneumatique
• B = raccordement pneumatique
• 1 = trous oblongs
• 2 = mouvement latéral de la plaque de montage du doigt (disponible dans les deux sens)
• 3 = fermeture et ouverture des doigts

La pince de préhension à double effet présente deux connexions pneumatiques, chacune étant responsable de l’ouverture et de la fermeture de la pince de préhension. Si le raccord pneumatique A est sous pression, le piston est poussé vers le bas et la pince de préhension se ferme. Si le raccord pneumatique B est sous pression, le piston est poussé vers le haut et la pince de préhension s’ouvre. Le dispositif de montage des doigts peut être déplacé latéralement sur le corps de la pince de préhension (2) via les trous oblongs (1). Le roulement relié au piston passe dans le trou oblong diagonal du milieu. Le mouvement de la plaque de montage du doigt est initié en la guidant dans ce trou oblong. Si le piston se déplace dans la direction verticale, alors que le mouvement horizontal de la plaque de montage du doigt est forcé à s’ouvrir ou à se fermer (3).

Alors que les pinces à mâchoires sont principalement utilisées pour des objets particulièrement larges ou de grande taille, les pinces de préhension sont généralement utilisées pour certaines formes (par ex. des tuyaux) et les pinces à doigt sont utilisées pour des objets plus petits qui doivent être saisis. En raison des différents types de préhenseurs pneumatiques, ils conviennent à une variété d’applications, par exemple dans l’industrie électronique et dans l’automatisation des processus. Les préhenseurs pneumatiques fonctionnent de manière très efficace et fiable. Ils se caractérisent par de faibles coûts d’exploitation et peuvent être utilisés dans des espaces restreints. Ils sont également faciles à installer et à manipuler.

Pince de préhension hydraulique

Le fluide hydraulique, généralement une huile hydraulique, est utilisé pour les pinces de préhension hydrauliques. Le fluide hydraulique est pressurisé dans une pompe hydraulique et transporté vers le cylindre de travail où il transfère la force. Elle fonctionne selon un système similaire à celui des pinces de préhension pneumatiques.

Les pinces de préhension hydrauliques permettent d’utiliser des forces de préhension très élevées, c’est la raison pour laquelle elles peuvent être utilisées pour déplacer des charges lourdes. Elles sont également très résistantes et conviennent aux conditions ambiantes difficiles. Cependant, en raison du risque de fuite, elles ne peuvent pas être utilisées pour transporter des matériaux qui ne doivent pas être contaminés. Leur force de préhension élevée exclut également leur utilisation pour les matériaux délicats. La construction des préhenseurs hydrauliques est généralement plus complexe (par ex., en raison des pompes à huile, etc.) et donc un peu plus gourmande en maintenance et coûteuse que les autres pinces de préhension.

Pince de préhension électrique

Les pinces de préhension électriques sont équipées d’un système de commande avec microprocesseurs, par exemple un système de commande PLC. Cela permet de sélectionner la vitesse de fermeture et la force de préhension avec précision. Le système indique souvent si une pièce a été prélevée avec succès ou non. Un mouvement de rotation est généré par un moteur électrique ou des actionneurs électriques. Ce mouvement rotatif du moteur est ensuite transféré vers une boîte de vitesses lui permet de déplacer les mâchoires de préhension sous la forme d’un mouvement linéaire. Les mâchoires de préhension peuvent, par exemple, être construites parallèlement ou en angle. Le système de commande électronique surveille et contrôle les processus. Des capteurs supplémentaires sont souvent installés pour mesurer la force, la distance et d’autres paramètres. Les pinces de préhension électriques sont bien adaptées aux vitesses élevées et aux actions en plusieurs étapes, car elles peuvent être contrôlées avec précision. Contrairement aux pinces de préhension hydrauliques ou à vide, aucune conduite supplémentaire n’est nécessaire pour le fluide ou l’air. Cependant, leur surface de préhension est souvent assez dure. Elles ne conviennent donc pas aux objets délicats. En outre, la force de préhension est assez faible, de sorte que les objets lourds ne peuvent généralement être soulevés qu’à l’aide de la variante de sous-pince de préhension.

Inserts de préhension

Les inserts de préhension peuvent être utilisés sur les mâchoires de la pince de préhension pour optimiser la surface de contact entre la pince et la pièce à usiner. Les inserts de préhension améliorent ainsi l’adhérence ou s’adaptent à des formes spéciales. Un mandrin de serrage est une forme spéciale d’insert de préhension, qui se compose généralement d’acier et fournit une précision et une résistance élevées, tout en étant néanmoins assez raide. Les autres matériaux pour les inserts de préhension sont les suivants :

• Caoutchouc/élastomère tel que : silicone, caoutchouc, polyuréthane. Ils adhèrent bien, sont flexibles et protègent la surface, mais ne sont que partiellement durables dans des conditions difficiles
• Plastique, p. ex. polyamide, polyéthylène. Ils sont légers, abordables et doux sur la surface, mais peuvent tomber en panne sous des charges et des températures élevées.
• Les matériaux spéciaux tels que le bois et la céramique sont destinés à des applications spéciales. La céramique est, par exemple, très résistante à la chaleur, tandis que le bois est résistant à l’abrasion. Cependant, en raison de leur spécialisation, ils sont généralement plus chers que les autres inserts de préhension.

Système d’outillage de préhension Euro Gripper

Le système d’outillage de préhension Euro Gripper a été développé par le Groupe de travail automobile. Il s’agit d’un système standardisé pour la fixation et le remplacement des pinces de préhension. Il est largement utilisé en Europe, non seulement dans l’industrie automobile, mais également dans d’autres secteurs et dans la fabrication. Le système EGT repose une section octogonale en aluminium avec perçage de trous de grille pour un remplacement rapide des composants.

Les interfaces standardisées, les mécanismes de changement rapide et la modularité permettent de remplacer rapidement les composants cassés, ce qui réduit considérablement les temps d’arrêt. Le système EGT est compatible avec de nombreuses marques et modèles. MISUMI propose une gamme complète de composants reposant sur le système EGT.

Exemple de conception d’un système de pinces de préhension, y compris les composants

Selon le type de préhenseur, les systèmes de pinces de préhension sont composés des composants suivants :

• Unité d’entraînement : elle contrôle le mouvement des mâchoires de la pince de préhension ou des surfaces de la pince de préhension. Il peut s’agir d’un moteur électrique (pour les pinces de préhension électriques) ou d’un cylindre (pinces de préhension hydrauliques et pneumatiques)
• Système de commande : dans les pinces de préhensions électriques, le système de commande prend en charge le mouvement de la pince de préhension et d’autres tâches.
• Source d’énergie : en fonction de la pince de préhension, il peut s’agir de la source d’électricité, d’air comprimé ou d’une pompe hydraulique.
• Capteurs : ils sont installés dans des pinces électriques. Ils surveillent la pression et la force, entre autres paramètres pertinents.
• Adaptateur de montage : il est utilisé pour fixer les pinces de préhension au bras du robot ou similaire. Il peut être normalisé conformément au système EGT.

L’un des composants les plus importants est la pince de préhension du robot lui-même. Elle est en contact direct avec l’objet de préhension. Ici aussi, on utilise différents types en fonction de l’application. Dans les pinces parallèles, par exemple, les mâchoires de préhension sont fixées parallèlement afin de répartir la force uniformément sur les mâchoires de préhension. Il est ainsi particulièrement facile de prélever des formes standard. S’agissant des pinces angulaires, les pinces de préhension sont similaires à des pinces. C’est ainsi qu’elles s’adaptent à différentes formes. En outre, plusieurs mécanismes de préhension peuvent être installés, par exemple dans une pince de préhension multiple. Elle peut saisir plusieurs objets en même temps. De plus, il existe des pinces de préhension multifonctionnelles qui associent plusieurs méthodes et fonctions de préhension.

MISUMI propose certains composants qui soutiennent la construction d’un système de préhension : p. ex. plaques de montage ou goupilles de positionnement

Calcul de la force de préhension et du poids

La force de préhension peut servir à déterminer le poids théoriquement possible pouvant être soulevé. Ce qui suit s’applique aux pinces parallèles, par exemple : la force de préhension est la somme des forces individuelles agissant sur chaque doigt. La formule suivante permet de calculer le poids maximal de l’objet à saisir :

• m = poids de la pièce à usiner en kg
• F_G = somme arithmétique des forces de préhension
• μ = coefficient de frottement, dépendant du matériau
• g = gravité (9,81 m/s²)
• a = accélération (m/s²)
• S = facteur de sécurité*

* Un facteur de sécurité plus élevé doit être envisagé en cas d’accélération, de décélération ou de charges de choc élevées.