Actuadores Neumáticos Un actuador es un dispositivo de salida en el cual se efectúa la transformación de la energía suministrada por el trabajo útil. Las salidas o señales de control son reguladas por el sistema de control y un actuador responde a dichas señales por medio del elemento de control. El trabajo útil realizado por un actuador neumático puede ser lineal o rotativo. El movimiento lineal se logra por medio de cilindros de émbolo, mientras que el movimiento rotativo se obtiene por medio de actuadores del tipo de paletas y de piñón cremallera hasta 270 0 mientras que una rotación continua se logra por medio de los motores neumáticos.
Actuadores Lineales. Existen dos tipos de cilindros neumáticos fundamentales: Cilindr os de Simple Efecto con una entrada de aire para producir una carrera de trabajo en Cilindros un sentido. Cilindr os de Doble Efecto con dos entradas de aire para producir carreras de trabajo de Cilindros salida y retroceso. Cilindros de Simple Efecto. Ef ecto. Como se dijo anteriormente, un cilindro de simple efecto desarrolla el trabajo en un solosentido, el émbolo retorna por medio de un resorte interno o por algún otro medio externo comopueden ser cargas, movimientos mecánicos, etc. Pueden ser del tipo de “vástago retraído” o“vástago extendido”, siendo el primero el más difundido. En la Figura se muestra un cilindro de simple efecto del tipo “vástago retraído”.
Cilindro de Simple Efecto del tipo vástago retraído. Los cilindros de simple efecto se utilizan generalmente para sujetar, marcar, expulsar, etc. El consumo de aire es más bajo que el cilindro de doble efecto, aunque a la presencia del resorte hay una resistencia al impulso y para lograr desarrollar fuerzas iguales, el cilindro de simple efecto deberá poseer un diámetro ligeramente mayor. mayor. La presencia del resorte, además implica una longitud l ongitud global del cilindro mayor y una longitud de carrera limitada. Cilindro de Doble Efecto. Con este tipo de actuador, el trabajo se puede realizar en ambos sentidos de movimientos. El impulso disponible en la carrera de retroceso es menor debido a que el área efectiva de trabajo no es la misma, aunque esta consideración consideración no es válida solamente si el cilindro debe mover la misma carga en ambos sentidos.
Cilindro de Doble Efecto.
Las características que definen un buen actuador neumático lineal son las siguientes: Que su rozamiento interno sea el más bajo posible. Que su montaje e instalación sea la más simple y rápida. Que su vida útil sea la más larga posible. Que existan gran variedad de diseños para adaptarlos a diversas necesidades. Que puedan utilizarse con o sin lubricación. Que puedan resistir los esfuerzos de tracción, compresión, así como la temperatura sin deformarse. Construcción del Cilindro.
Diseño de un cilindro neumático en posición de amortiguación posterior. En la Figura se muestran las partes que conforman un cilindro de doble efecto. 1. Camisa del Cilindro 2,3. Culata Posterior y Anterior respectivamente 4. Vástago del Cilindro 5. Junta de Sellaje 6. Cojinete Guía 7. Junta Rascadora del Pistón 8. Juntas del Embolo 9. Casquillo de Amortiguación. La Camisa del Cilindro (1) se construye generalmente de un tubo sin costura, que puede tener un revestimiento duro y muy buen acabado superficial de trabajo anterior. En aplicaciones especiales, por ejemplo, altas influencias corrosivas u operaciones poco comunes, la camisa se construye de aluminio, bronce o acero con superficies interiores cromadas. La Culata Posterior (2) y Anterior (3) se fabrican de materiales fundidos como aluminio o fundición maleable. Se encuentran sujetas por tirantes, roscadas o embutidas a la camisa del cilindro. El Vástago del Cilindro (4) se construye de acero tratado térmicamente con su superficie cromada. La Junta de Sellaje (5) se encuentra en la culata anterior sellando el eje del pistón. El Cojinete Guía (6) se fabrica de bronce sinterizado o metal cubierto de plástico. La Junta Rascadora del Pistón (7) prevé que la suciedad y las partículas de polvo que se encuentran en el entorno del cilindro no entren en su interior. Las Juntas del Embolo (8) son elementos fundamentales, pues de ellos depende la estanqueidad de las cámaras interiores de los cilindros. Existen de disímiles formas, tamaños y materiales. Estos últimos, por lo general son Vitón, el Perbunan o Teflón.
El Casquillo de Amortiguación (9) tiene la función de evitar la destrucción del cilindro por el choque del émbolo con las culatas. Cuentan con dos juntas que independizan el escape normal y sellan una pequeña cámara de aire la cual presenta una pequeña restricción en su escape y reduce en gran medida la velocidad del émbolo.
Principio de amortiguación por aire.
Selección de Actuadores Lineales. Para la selección de un actuador lineal se siguen los siguientes pasos fundamentales:
Cálculo de la Fuerza. Verificación del pandeo. Capacidad de Amortiguación. Fuerzas Radiales. Consumo de Aire Comprimido.
Cálculo de la Fuerza. La fuerza interna que desarrolla un cilindro es función del diámetro de su émbolo, de la presión del aire de alimentación y de la resistencia producida por el rozamiento. Es preciso tener en cuenta el rozamiento interno del cilindro en la realización de los cálculos. Verificación del Pandeo. El fenómeno del pandeo, flexión longitudinal o pérdida de la estabilidad, es de suma importancia tenerlo en cuenta, pues es el que encierra el cálculo de la carrera o longitud del cilindro. Verificación de las Cargas Radiales. Los actuadores lineales con vástago son elementos preparados para soportar esfuerzos de tracción o compresión con cargas centradas en sus vástagos, lo que siempre no es posible. Existen desalineaciones imprevistas, descentramiento de las cargas por razones de proyecto, etc. Estas desalineaciones producen momentos, sobre la junta del émbolo y sobre el cojinete guía, provocando la obstrucción del vástago, daños prematuros y acortamiento de la vida útil del cilindro. Consumo y Caudal de Aire. Existen dos maneras para calcular el consumo de aire de un cilindro o sistema neumático. Uno es el consumo medio por hora y el otro es el consumo máximo de un cilindro, utilizando este último para la selección del tamaño correcto de la válvula o en el caso del sistema neumático, para seleccionar correctamente la unidad filtro-regulador-lubricador.
Actuadores Especiales. Existe gran cantidad de actuadores lineales, los cuales presentan características individuales distintivas para una amplia gama de posibilidades y objetivos. Continuamente numerosas compañías del mundo, dedicadas a la construcción de accesorios neumáticos, diseñan y construyen cada año nuevos tipos de actuadores los cuales responden a un objetivo concreto. Seguidamente se mencionarán algunos de los actuadores más difundidos debido a la versatilidad de trabajos que ofrecen.
Cilindro con unidad de Bloqueo No es más que un cilindro provisto de un cabeza de bloqueo al final de la culata delantera estándar. Mediante una acción de bloqueo mecánica el vástago se puede sujetar en cualquier posición, aunque esté a carga completa.
Cilindro con unidad de bloqueo. Cilindro de Vástagos Paralelos Esta unidad al estar formada por dos cilindros de igual dimensión, la fuerza total será la suma de las dos.
Cilindro de vástagos paralelos. Cilindro con Vástago Antigiro. Se emplea en aplicaciones en que la herramienta no ejerce un elevado par de giro. La rotación se evita mediante dos caras planas en el vástago y en el cojinete guía o bien un vástago de sección hexagonal. Si el par es muy elevado se podrán diseñar tanto el vástago como el cojinete guía.
Cilindro de vástago antigiro. Cilindro Plano. Se construyen de forma ovalada, pero con un área efectiva del émbolo y con la misma fuerza teórica que un cilindro normal equivalente. Su cubierta exterior es rectangular, más plana y lleva incorporada la condición de antigiro.
Principio del actuador plano.
Cilindro de doble Vástago.
Principio del doble vástago.
Aplicación del cilindro de doble vástago. Cilindro Tándem. Está formado por dos cilindros de doble efecto, unidos por un vástago común, formando una sola unidad. Presurizando simultáneamente ambas caras se obtiene una fuerza de salida casi el doble de un cilindro estándar del mismo diámetro. Se emplea cuando el espacio de instalación es reducido.
Cilindro Multi-posicional.
Cilindro multiposicional de tres posiciones.
Cilindro multiposicional de cuatro posiciones.
Unidades Deslizantes. La unidad deslizante es un actuador lineal de posición, de dimensiones compactas, utilizadas en robots para fabricación y embalaje. El movimiento puede ser del cuerpo del cilindro (a) o de los vástagos (b). En ambos casos la válvula puede estar conectada a la parte fija.
Unidades deslizantes. Mesa Lineal de Traslación Las mesas de traslación son componentes neumáticos muy compacto, de gran precisión, con movimientos rápidos y uniformas, y de peso y tamaño reducidos. Presentan una construcción de doble cilindro, con lo que se logra un doble esfuerzo lineal. Presentan detección magnética de fin de carrera y regulación mecánica con tope de amortiguación elástica de la misma. En el caso de la mesa de carrera larga, presentan la posibilidad de amortiguar los finales de carrera con amortiguadores hidráulicos incorporados.
Mesa lineal de traslación.
Mesa lineal de traslación de carrera.
Cilindro de Tope. En las líneas de producción continua, es necesario en un elevado número de aplicaciones, detener la marcha de productos para dar lugar y tiempo de que se realicen determinadas operaciones. A menudo se recurren a estos dispositivos que son gobernados por actuadores. Se requiere además del lugar adecuado para su ubicación, el proyecto de los mismos y su construcción.
a. Con amortiguador, b. Sin amortiguador. Cilindros de tope. Cilindro Compacto. En la figura se muestra un cilindro compacto de carrera corta con amortiguación elástica fija y con posibilidad de detectar a lo largo de su carrera mediante detectores magnéticos de detección.
Cilindro compacto. Cilindros sin Vástago. Un cilindro convencional de carrera de 500mm, puede tener una dimensión aproximada total en posición de salida de 1100mm. Un cilindro sin vástago de la misma carrera presenta una dimensión más reducida, de solo 600mm. Presentan ventajas especiales cuando las carreras son muy largas, estando disponibles hasta 1m, aunque realizando las solicitudes correspondientes, pueden ser obtenidas carreras mayores.
Aplicaciones típicas de los cilindros sin vástago. a. Puertas corredizas, b. Cortes, c. Alimentación, d. Manipulación.
Cilindro sin vástago de transmisión magnética entre el émbolo y el carro. La fuerza que puede desarrollar un cilindro sin vástago con acoplamiento magnético, está limitada por la fuerza de retención magnética. Unidades Hidroneumáticas.
Unidad hidroneumática con cambios del medio de presión.
Actuadores de Giro. Los actuadores neumáticos de giro son dispositivos que logran producir cierto torque en su vástago. Se pueden lograr hasta 2700 de giro del vástago en estos dispositivos, aunque existe el caso particular en que el vástago se convierte en el eje de un motor neumático (giro continuo). Entre los distintos tipos de actuadores de giro se pueden mencionar: 1. Por piñón-Cremallera. 2. Por Paletas. 3. Actuadores Roto-lineales. 4. Motores Neumáticos. Actuadores de Giro mediante Piñón-Cremallera. El eje de salida tiene tallado un piñón que engrana con una cremallera que está unida a un émbolo doble. Los ángulos de rotación varían entre 900 y 1800.
Unidad de Giro Piñón Cremallera. Actuadores de Giro por Paletas Este dispositivo es una unidad compacta que en su forma más sencilla cuenta con una paleta unida al eje de salida, que cuenta con un cierre hermético para que al actuar la presión se produzca el giro de la paleta y a su vez del eje. Se pueden lograr ángulos cerrados de 90 0, 1800 y 2700, aunque se cuenta con topes regulares para ajustar cualquier ángulo de giro de la unidad.
Unidad de giro por paletas. Nuevos Actuadores de Giro. Los actuadores antes mencionados son los más difundidos en la industria, aunque existen nuevos tipos que aparecen como consecuencia de las necesidades del mercado. En las Figuras se muestran dos tipos de mesas giratorias, una con el principio de paletas y otra por cremallera.
Mesa giratoria con actuador de paletas.
Mesa giratoria con actuador de doble cremallera y pistón. Actuadores Roto-Lineales. Estos actuadores se emplean en la industria para la manipulación de piezas pequeñas en máquinas automatizadas, mecanismos robotizados, posicionamiento de carga o descarga de puestos de trabajo, donde sean necesarios movimientos lineales y rotativos combinados. El elemento se suministra de forma compacta, estando ambos movimientos integrados en un mismo cuerpo; pudiendo realizar simultánea e independientemente la traslación y el giro.
Actuador Roto-lineal.
Selección de los actuadores de giro. Primeramente, antes de seleccionar un actuador de giro, se debe tener en cuenta la amortiguación de la masa a la que se le imprimirá la rotación, producto a que si se deja libre esta amortiguación al actuador, provocará un alto riesgo de rotura de los dientes del piñón o de las paletas. En los actuadores lineales la capacidad de amortiguación vendrá dada por la energía cinética que la amortiguación podría absorber. En los actuadores de giro ocurre absolutamente lo mismo, solo que en vez de ser energía cinética de traslación de los actuadores lineales, es energía cinética de rotación para los actuadores de giro. La energía que es posible absorber por estos elementos está definida por el fabricante y deberá ser estrictamente respetada.
Motores Neumáticos. Los motores neumáticos transforman la energía de presión en trabajo mecánico por movimiento rotativo. Los motores neumáticos tienen generalmente las mismas propiedades de los demás componentes neumáticos y posibilitan en muchas ocasiones aplicaciones rápidas y económicas. Algunas de estas propiedades se reflejan a continuación. 1. Permiten sobrecargas hasta su detención. 2. Servicio continuo sin límite. 3. Protección total contra explosiones. 4. Sin calentamiento propio. 5. Insensibles a inclemencias ambientales como polvo humedad y lluvia. 6. Bajos mantenimientos. (Si el aire es bien tratado) 7. Regulación del torque y velocidad sencilla sin escalonamiento. 8. Inversión de marcha sencilla y posibilidad de cambio de sentido de giro directo. 9. Construcción compacta. Peso razonable. 10. Posibilidad de alimentar otros medios. Existen, por lo general, tres tipos de motores neumáticos: 1. Motores rotativos. Motor de paletas. Motor de ruedas dentadas. Motores de tornillo. 2. Motores de pistón. Motor de pistones radiales. Motor de pistones a colisas radiales. Motor de pistones axiales. 3. Turbinas. Los criterios de selección de los motores neumáticos son los siguientes: 1) Torque necesario bajo carga y par de arranque. 2) Número de revoluciones a la carga correspondiente. 3) Potencia necesaria. 4) Variación admisible del número de vueltas para variaciones de carga. 5) Consumos de aire, costos operativos, rendimientos. 6) Comportamientos ergonómicos: Contaminación permitidas por ruidos y escapes. 7) Influencias ambientales: Polvo, humedad, calor, chispas, explosivos. 8) Cantidad y calidad del aire. 9) Posibilidades de mantenimiento.
Pinzas Neumáticas. Una fase esencial en la mayor parte de los procesos industriales es la manipulación de productos, necesarios en cada una de las operaciones de manipulación y descarga de las máquinas que aparezcan en el proceso. Como ya se conoce, los movimientos lineales y rotativos cumplen con cualquier requerimiento de traslación o posicionamiento de piezas, también con la tecnología del vacío se pueden sujetar piezas mediante ventosas adecuadas. El objetivo final de toda manipulación es la sujeción de piezas con el objetivo final de ser trasladadas posteriormente a través de ejes matrices. Las pinzas neumáticas se consideran como las manos que cogen y sujetan las piezas. Entre la familia de pinzas más difundidas podemos destacar: 1. Pinzas con apertura lineal de los dedos. 2. Pinzas con apertura paralela de los dedos. 3. Pinzas autocentrantes. 4. Pinzas con tres dedos dispuestos a 120 0. 5. Pinzas con apertura de los dedos a 180 0. 6. Pinzas con apertura angular. En la Figura se representa este elemento, que cuenta con un émbolo unido al mecanismo de los dedos, los cuales cuentan con un sistema de rodadura que se desliza sobre una pista. Cuando la presión aparece en la cámara superior, se deslizan los rodillos sobre las pistas que se desplazan, cerrando así los dedos de las pinzas; completando así su recorrido. La apertura de los dedos es posible evacuando la presión de la cámara superior e introduciéndola a la cámara principal, la que desplaza el vástago central.
Pinza con apertura angular de los dedos. En la siguiente Figura, se esquematiza otra pinza angular pero con un elevado esfuerzo prensil. Su construcción parte de un cilindro compacto, permitiendo un mantenimiento rápido y sencillo.
Pinza angular de gran esfuerzo prensil.
Pinza con Apertura Paralela de los Dedos. En la Figura se observa una pinza cuyo funcionamiento básico es el mismo que el anterior, solo que el mecanismo para la apertura de los dedos es completamente diferente. Los dedos no se encuentran libres, están guiados por un sistema de patines por rodadura cuya misión es la corrección del arco creado por la unión de los dedos, el vástago y el giro de los dedos, transformándolo en el movimiento angular de los mismos. Estas pinzas, en dependencia de la forma que presentan los dedos, pueden realizar el agarre tanto por el exterior como por el interior, según convenga en la aplicación.
Pinzas con apertura paralela. Dedos para presión externa e interna. Pinzas Autocentrantes. Con ayuda de un mecanismo piñón-cremallera se proporcionan a los dedos un movimiento lineal, sincronizado y autocentrante. Presenta un doble émbolo, permitiendo lograr un gran esfuerzo prensil. En la Figura se observa una de estas pinzas.
Pinza autocentrante.
Selección de las Pinzas. El objetivo fundamental de las pinzas como elementos finales en la manipulación de piezas, es el de sujetarlas con garantía para su posterior traslado. Por tal motivo estos elementos deben reunir las siguientes características: 1. Gran fuerza prensil en relación con el tamaño. 2. Poco volumen ocupado. 3. Ligeras (Poco peso adicional al resto de los mecanismos). 4. Con detección de la posición de los dedos abiertos y cerrados. 5. Facilidad de acoplamiento. La fuerza prensil puede realizar una pinza se determina mediante gráficas que proporciona el
Fabricante. Cibergrafia: Fundamentos Básicos de Neumática y Electro-neumática Autores: Dr. Luis M. Castellanos Rodríguez, Ing. Aisman Quiñónez Cherta, Ing. Miguel Tocoronte Reyes Universidad Cienfuegos – Carlos Rafael Rodríguez Transcribió: Instructor Mauricio Suarez B. - SENA – Automatización Industrial