In genere gli organi di presa fanno affidamento ad un contatto diretto, questa tipologia di gripper crea una continuità tra la superficie attiva del gripper e quella dell’oggetto attraverso l’apporto di materiale specifico. A seconda del tipo di materiale congiuntivo impiegato si possono distinguere due principali tipologie di prese: adesione chimica e la termoadesione.
Adesione Chimica
I sistemi ad adesione sono utilizzati con lo scopo di ottenere un legame permanente o temporaneo tra superfici. Per l’applicazione di manipolazione industriale solo l’ultimo scenario è interessante.
L’adesione chimica utilizza strati di materiale adesivo creato appositamente per la specifica applicazione. Esistono numerosi materiali che possono essere utilizzabili come adesivi. Ai fini dell’applicazione nella presa robotizzata, essi devono soddisfare due importanti requisiti: fornire un adeguata forza di adesione ed essere facilmente e velocemente sostituibili quando le proprietà di adesione vengono meno. I recenti progressi nella chimica dei polimeri hanno portato allo sviluppo di un materiale riutilizzabile (Permatack) con elevata forza adesiva in grado di mantenere le sue proprietà per centinaia di operazioni prima di necessitare di una pulizia o della sostituzione.
Uno studio eseguito sulla presa di materiali tessili ha dimostrato che il deterioramento delle proprietà adesive e quindi della capacità di presa, comincia dalla prima operazione ed è stat quantificata da Hall in “Feeding and Handing Aspects of an Automated System for Garment Manufacture” con l’equazione:
𝐹 = 𝑎 · 𝑁
−𝑘[𝑁]
(23)dove 𝑎 è una costante dipendente dalla superficie di contatto e dalla contaminazione del materiale, 𝑁 è il numero di operazioni di rilascio e 𝑘 è una costante dipendente dal materiale.
tempo di ritenzione influenza il valore della pressione e quindi della forza di presa. Questo concetto può essere quantificato prendendo in considerazione che la pressione iniziale 𝜎𝑖 decresce in modo esponenziale in funzione del tempo di adesione 𝑡0. La pressione 𝜎0 quindi dipende dal tempo di adesione tramite la relazione del tipo:
𝜎
0= 𝜎
𝑖· 𝑒
−𝑁·𝑡0[𝑁/𝑚
2]
(24)dove:
- 𝑒 costante esponenziale (2,7182)
-𝜎0 pressione di contatto dipendente dal tempo di ritenzione [N/m2] -𝜎𝑖 pressione di contatto iniziale [N/m2]
-𝑡0 tempo di ritenzione [s]
La potenza sarà spesa solo durante la fase iniziale di contatto. La pressione applicata 𝜎𝑖 si ottiene dal rapporto tra la forza 𝐹e l’area 𝐴.
𝜎
𝑖=
𝐹𝐴
[𝑁/𝑚
2]
(25)La pressione iniziale causa una deformazione d dello strato iniziale. Il volume della massa adesiva è dato dal prodotto 𝐴 · 𝑑 ,la cui deformazione porta alla dissipazione di potenza data dalla relazione 26.
𝑃 =
𝐴·𝑑·𝜎𝑖𝑡𝑖
[𝑊𝑎𝑡𝑡]
(26)Dividendo la potenza per la pressione data nell’equazione 21 si ottiene, ancora una volta, un valore analogo alla portata volumetrica 𝑄.
𝑄 =
𝑃𝜎0
=
𝐴·𝑑·𝑒𝑁·𝑡0𝑡𝑖
[𝑚
3/𝑠]
(27)Per un’adesione perfetta 𝜎𝑖 è zero e di conseguenza anche 𝑄 sarà zero. Chiaramente, tanto maggiore è la durezza (elevato modulo di Young) del materiale adesivo e tanto minore sarà il valore di 𝑄. L’uso di nastri adesivi nella movimentazione della carta o nel settore tessile ha una lunga storia durante il quale sono stati depositati molti brevetti. I nastri adesivi hanno due svantaggi:
• è necessario un meccanismo grande e costoso per incrementare il nastro dopo ogni ciclo
• il nastro deve essere periodicamente sostituito e questo richiede l’interruzione completa del sistema di produzione con una conseguente perdita della produttività
Un’alternativa è quella di prevedere un nastro alloggiato all’interno di un’unità a cassette che consente una sostituzione automatica o almeno un rapido scambio. Tuttavia, questo sistema è più costoso e il problema legato alle dimensioni fisiche e al numero di parti mobili rimane ancora. In Figura 16 è mostrato un esempio di gripper a nastro adesivo.
Figura 16. Gripper a nastro adesivo
1. bobina di alimentazione con molla
2. attuatore 3. slitta
4. guida a nastro 5. oggetto piatto
6. avvolgimento robotizzato 7. nastro adesivo
Una volta posizionato sopra l’oggetto da afferrare, una piccola porzione di nastro viene pressata sulla superficie mediante una slitta in metallo azionata da un solenoide, cilindro pneumatico o un altro tipo di attuatore. Nella fase di rilascio, la slitta si retrae e la rotazione della bobina per l’avvolgimento del nastro provoca la separazione del nastro adesivo dalla superficie dell’oggetto.
Termoadesione
La termoadesione viene realizzata inserendo piccole gocce di acqua tra la superficie attiva del gripper e la superficie dell’oggetto e successivamente viene congelata tramite l’applicazione di azoto o biossido di carbonio liquido. Si ha la formazione di uno strato di ghiaccio che funge da strato adesivo (ice bridge); la superficie congelata è mantenuta in genere ad una temperatura di circa -10° C. Il rilascio dell’oggetto viene realizzato sciogliendo lo strato di ghiaccio tramite riscaldamento. Questa tecnologia è adatta perla presa di materiali tessili i quali non soffrono per variazioni di temperatura. Qualche problema si ha con materiali ceramici o materiali che hanno subito cotture. La forza di presa per unità di superficie varia da circa 1 N/mm2 fino anche a 100 N/mm2. La forza effettiva di presa per adesione termica può essere calcolata con l’equazione:
𝐹
𝑎𝑑=
𝑊𝑠𝑙𝑎𝑑·𝐴𝑟
𝛿
=
𝜎𝑙𝑔(1+cos 𝜃)·𝐴𝑟𝑅𝑧
[𝑁]
(28)cos 𝜃 =
𝜎𝑔𝑠−𝜎𝑠𝑙𝜎𝑙𝑔 (29)
dove:
-𝑊𝑠𝑙𝑎𝑑 lavoro di adesione [J/m2]
- 𝛿 spessore dello strato di materiale termico [m]
- 𝜃 angolo di contatto al punto triplo (dove coesistono la fase solida liquida e gassosa) - 𝐴𝑟 area effettiva di contatto [m2]
- 𝑅𝑧 profondità media delle asperità della superficie [m]
- 𝜎𝑔𝑠, 𝜎𝑠𝑙, 𝜎𝑙𝑔 stress meccanici delle interfacce [N/m2]
Anche per questa tipologia di gripper il tempo di ritenzione è legato al tempo di sosta attraverso diverse costanti che dipendono dall’adesivo impiegato e dal tipo di materiale da manipolare. Di conseguenza è possibile, attraverso le corrispondenti proprietà termodinamiche, trovare una relazione simile per le testine di presa termica. In Figura 17 sono raffigurati due esempi di un esempio di Congiuntive gripper termoadesivo per microcomponenti che utilizza celle di Peltier.
Figura 17. Esempio di gripper a cella di Peltier
1. modulo Peltier
2. media e connettore della linea di controllo
3. alloggiamento 4. pezzo
5. elemento di contatto freddo 6. costole di raffreddamento
Il congelamento di piccole quantità d’acqua è completato in meno di un secondo. La fase di rilascio avviene in tempi più brevi in quanto vengono utilizzati elementi riscaldanti che favoriscono lo scioglimento del ghiaccio e quindi il distacco del pezzo. Anche se sono dispositivi lenti hanno il vantaggio di avere un'unica unità di riscaldamento/raffreddamento.