2.1. Actuadores Neumáticos e Hidráulicos. Los actuadores neumáticos Convierten Convierte n la energ energía ía del aire comp comprimi rimido do en traba trabajo jo mecá mecánico nico generando un movi movimient miento o line lineal al medi mediante ante servomotores de diafragma o cilindros, o bien un movimiento giratorio con motores neumáticos. Los cilindros neumáticos de movimiento lineal son son utilizados comúnmente en aplicaciones donde la fuerza de empuje del pistón y su desplazamiento son elevados . Entre los mismos se encuentran los cilindros de simple y doble efecto, el cilindro tándem, el de multiposición, el cilindro neumático guiado, el cilindro sin vástago y el cilindro neumático de impacto. Los actuadores neumáticos de movimiento giratorio pueden ser: Cilindro giratorio de pistóncremallera!pi"ón y de dos pistones con dos cremalleras en los #ue el movimiento lineal del pistón es transformado en un movimiento giratorio mediante un conjunto de pi"ón y cremallera y Cilindro de aletas giratorias de doble efecto para ángulos entre $% y &'$% los músculos neumáticos. El motor neumático típico es el de paletas donde un eje e(c)ntrico dotado de paletas gira a gran velocidad por el aire #ue llena y vacía las cámaras formadas entre las
Lineales Cilindros Compactos
*os canales internos del tubo permiten la comunicación entre los cabezales, transfiriendo aire para las dos e(tremidades del cilindro. *as posiciones de las roscas de alimentación pueden ser especificadas de diferentes maneras, atendiendo las diversas aplicaciones y+o necesidades de cada cliente. Como opciones tenemos: radial en la tapa delantera, radial o a(ial en la tapa trasera, alimentación solamente en la tapa trasera o en ambas. *a fle(ibilidad de opciones de las roscas de alimentación, juntamente con una selección del tipo de montaje , garantiza #ue esta serie puede ser usada en varias aplicaciones. Es especialmente indicado en las aplicaciones donde el espacio es limitado, como por ejemplo, en las industrias de embalajes, electrónicos y otros. demás, de la versión básica, se puede tener vástago en acero ino(idable, pistón magn)tico y amortiguamiento fijo trasero, la serie incluye otras opciones, tales como: guías e(ternas, vástago pasante, roscas mac-o y -embra en los vástagos.
Cilindros Mini ISO Reparables
Descripción Esta versión de cilindros erie /ini 01 es indicada para el uso en aplicaciones generales, siendo particularmente apropiada a las industrias de embalajes, alimenticias y te(tiles. 2ebido al material utilizado, esta serie de cilindros permite contacto directo con el agua. *os cilindros son suministrados prelubricados, normalmente, no es necesaria la lubrificación adicional. En caso #ue sea aplicada, deberá ser mantenida en r)gimen continuo a trav)s de un lubricador de línea. Esta serie posee un sistema de desmontaje de los cabezales, permitiendo el cambio de los sellos, proporcionando mayor vida útil al producto y una reducción del costo de mantenimiento. 3odos los montajes están de acuerdo con las normas 01 456& garantizando facilidad de instalación y total intercambio. *os nuevos cilindros /ini 01 están disponibles en los diámetros 7$, 7&, 74, &$ y &8 mm, pistón magn)tico estándar y amortiguamiento neumático fijo 9todos o ajustable 9; &8 mm.
asante.
Cilindro de Simple Efecto ?ecibe esta denominación por#ue utiliza aire comprimido para conducir el trabajo en un único sentido de movimiento, sea para el avance o retorno. Este tipo de cilindro posee solamente un orificio por donde el aire entra y sale de su interior, comandado por una válvula. En la e(tremidad opuesta a la entrada, es dotado de un pe#ue"o orificio #ue sirve de respiro, buscando impedir la formación de contrapresión internamente, causada por el aire residual de montaje. El retorno, en general, es efectuado por acción del resorte y la fuerza e(terna. Cuando el aire es e(traído, el pistón 9asta @ pistón vuelve a la posición inicial. >or el propio principio de funcionamiento, limita su construcción a modelos cuyos cursos no e(ceden a '8 mm, para diámetro de &8 mm, o cursos de 7&8
mm, para diámetro de 88 mm >ara cursos mayores, el retorno es propiciado por la gravedad o fuerza e(terna, sin embargo, el cilindro debe ser montado en posición vertical, conforme a la figura, donde el aire comprimido realiza el avance. *a carga A, bajo la fuerza de gravedad, efectúa el retorno. El retorno tambi)n puede ser efectuado por medio de un colc-ón de aire comprimido, formando un resorte neumático. Este recurso es utilizado cuando los cursos son largos y la colocación de un resorte e(tenso sería un inconveniente. En este caso, se utiliza un cilindro de doble acción, donde la cámara delantera es mantenida presurizada con una presión precalculada, formando un resorte #ue, sin embargo, está relacionado directamente con la fuerza #ue el cilindro debe producir, sin sufrir reducción. *os cilindros #ue poseen retorno por resorte o avance por resorte pueden ser montados en cual#uier posición, independientemente de otros agentes. e debe notar #ue el empleo de un resorte más rígido para garantizar un retorno o avance va a re#uerir una mayor presión por parte del movimiento opuesto, para #ue el trabajo pueda ser realizado sin reducción de la fuerza. En el dimensionamiento de la fuerza del cilindro, se debe tomar en cuenta #ue una parte de la energía cedida por el aire comprimido será absorbida por el resorte. En condiciones normales, un resorte posee la fuerza suficiente para cumplir su función, sin absorber demasiada energía. *os cilindros de .. con retorno por resorte son muy utilizados en operaciones de fijación, marcación, rotulación, e(pulsión de piezas y alimentación de dispositivosB los cilindros de .. con avance por resorte y retorno por aire
comprimido son empleados en algunos sistemas de freno, seguridad, posiciones de trabado y trabajos ligeros en general.
Músculo neumático El músculo neumático es un actuador provisto de una membrana de contracción. El tubo fle(ible de este actuador es -erm)tico y está rodeado de fibras altamente resistentes, dispuestas en forma de rombos. 2e esta manera se obtiene una estructura reticulada tridimensional. l introducir el aire, se deforma la estructura reticulada. sí se produce una fuerza de tracción en sentido a(ial, lo #ue provoca el acortamiento del tama"o del músculo en la medida en #ue aumenta la presión en su interior. El músculo neumático neumático convencional del consume tan sólo el 5$ de aplicar la misma fuerza, es longitud de ambos cilindros corta.
genera una fuerza -asta diez veces superior a un cilindro mismo diámetro. la vez, suponiendo una fuerza igual, la energía #ue consume un cilindro convencional. >ara suficiente disponer de un tercio del diámetro. i la es la misma, la carrera del músculo neumático es más
Cilindro de Doble Efecto
o Doble cción
Cuando un cilindro ambos sentidos de de 2oble
neumático utiliza aire comprimido para producir trabajo en movimiento 9avance y retorno, se dice #ue es un cilindro
cción, el tipo más definición, es el -ec-o de desarrollo del trabajo
común de utilización. u característica principal, por poder utilizar tanto el avance o el retorno para el
El cilindro de doble efecto tiene la ventaja de poder ejecutar trabajo en ambos sentidos. >or ello, es un cilindro apropiado para numerosas aplicaciones. *a fuerza #ue se aplica en el vástago es algo superior en avance #ue en retroceso, ya #ue la superficie es mayor en el lado del )mbolo #ue en el lado del vástago.
Cilindro neumático con amortiguación final i un cilindro se utiliza para mover grandes masas, es necesario #ue tenga un sistema de amortiguación en el final de carrera, para evitar #ue se produzca un impacto fuerte #ue podría provocar un da"o. ntes de llegar a la posición final, un )mbolo de amortiguación interrumpe la salida directa del aire de escape. ólo se mantiene abierta una sección de escape muy pe#ue"a #ue, además, suele ser regulable. En el último tramo de la carrera se reduce progresivamente la velocidad. 2eberá ponerse cuidado en #ue los tornillos de regulación no est)n completamente cerrados, ya #ue en ese caso el vástago no puede llegar -asta la correspondiente posición final.
Cilindro sin vástago egún su construcción, los cilindros sin vástago pueden tener tres principios de funcionamiento: D Cilindro con cinta actuadora o cable actuador D Cilindro con cinta -ermetizante y camisa ranurada D Cilindro con acoplamiento magn)tico del carro *os cilindros sin vástago tienen la ventaja de ser más cortos #ue los cilindros convencionales de doble efecto. demás, al no tener vástago, )ste no puede sufrir pandeo o fle(ión, por lo #ue el movimiento puede ejecutarse aprovec-ando toda la carrera. Este tipo de cilindro puede tener carreras e(tremadamente largas, de -asta 7$ metros. *as cargas de todo tipo pueden fijarse directamente a la superficie de atornillamiento correspondiente del carro o de la unidad lineal. *a fuerza #ue aplica este cilindro es igual en ambos sentidos.
Cilindro con mortiguación >royectado para controlar movimientos de grandes masas y desacelerar el pistón en los fines de curso 9carrera, tienen vida útil prolongada en relación a los modelos sin amortiguamiento. Este amortiguamiento tiene la finalidad de evitar las cargas de c-o#ue, transmitidas a los cabezales y al pistón, en el final de cada carrera, absorbi)ndolas. En cilindros de diámetro muy pe#ue"o, este recurso no es aplicable, pues utilizaría espacios no disponibles en los cabezales y tampoco -abría necesidad, pues el esfuerzo desarrollado es pe#ue"o y no llega a ad#uirir muc-a inercia. erán dotados de amortiguamiento 9cuando sea necesario los cilindros #ue tuvieran diámetros superiores a 6$ mm y cursos por encima de 8$ mm, caso contrario, no es viable su construcción. El amortiguamiento es creado por el aprisionamiento de cierta cantidad de aire en el final de curso. Eso es -ec-o cuando un collar #ue envuelve el vástago comienza a ser encajado en una cámara, impidiendo la salida principal de aire y forzándolo por una restricción fija o regulable, a trav)s de la cual se escurrirá con flujo menor. Eso causa una desaceleración gradual en la velocidad del pistón y absorbe el c-o#ue.
Guías Lineales
Descripción *as uías *ineales fueron proyectadas para ofrecer mayor precisión de movimiento para cilindros neumáticos, evitando la rotación del vástago. >ueden ser acopladas en Cilindros /ini 01 9; 7& a &8 mm e 01 9; 6& a 7$$ mm. En proyectos, asociados a la utilización de componentes mecánicos de alta precisión, las guías garantizan un alto desempe"o, tanto para las fuerzas de carga como para los momentos torsores involucrados en el proyecto. *os cuerpos de las guías son -ec-os en aluminio, con el objetivo de permitir un conjunto liviano y compacto. El dise"o de la placa delantera permite el montaje combinado con toda la línea de actuadores lineales, cilindros rotativos y garras de sujeción. *as guías pueden ser montadas en cual#uier posición, proporcionando mayor versatilidad al proyecto.
>uede ser utilizado para aplicaciones leves, pesadas y e(igentes. Esta serie, denominada >7<&4$ y >7<64$, con las siguientes potencias: 74$$, &4$$ y 64$$ Fatts Estos motores básicos pueden ser combinados con engranajes planetarios, dentados o sin fin para ganar en r)gimen de revolución y momento torsor deseado.
Oscilador Neumático Descripción *os osciladores incorporan características #ue proporcionan millones de ciclos de operación libres de defectos, operando a 78$ psi de presión. *a fabricación en aluminio anodizado y acero ino(idable permite la operación en ambientes agresivos, tales como los de la industria de alimentos y de la #uímica. *a precisión de los prensaestopas termoplásticos autolubricantes y los compuestos especiales de sellado permiten la misma operación continua sin lubricación. Esta compatibilidad con el aire seco -ace una e(celente selección para el trabajo en ambiente donde se producen productos electrónicos, alimentos, embalajes y en salas limpias. El revestimiento interno de 3eflón reduce las restricciones de flujo y proporciona baja presión de partida, garantizando movimientos suaves y precisos en el manejo de materiales y en aplicaciones robóticas. Esto permite tambi)n alto rendimiento y eficiencia generados por un e#uipamiento compacto y ligero
Actuadores hidráulicos Introducción El actuador es el componente de interfaz #ue convierte la potencia -idráulica en potencia mecánica. Gn actuador puede ser un cilindro #ue produce un movimiento lineal o un motor -idráulico #ue produce un movimiento rotativo. Gna vez #ue -aya completado esta sección, deberH tener un buen conocimiento de la manera en #ue funcionan los actuadores en un sistema -idráulico.
Cilindros *os cilindros son actuadores lineales. u fuerza de salida, o movimiento, se produce en línea recta. u función es convertir la potencia -idráulica en potencia lineal mecánica. Entre sus aplicaciones de trabajo se incluyen empujar, arrastrar, inclinar y ejercer presión. El tipo y el dise"o del cilindro dependen de las aplicaciones específicas.
!ipos El ariete -idráulico es #uizás el más simple de los actuadores. 3iene una sola cámara de fluido y ejerce fuerza en una sola dirección. e utiliza en aplicaciones en las #ue se necesita estabilidad sobre cargas pesadas.
Gn solo cilindro activo se presuriza en un e(tremo solamente. El e(tremo opuesto se ventila -acia el depósito o la atmósfera. Ian sido dise"ados de tal manera #ue la carga o un dispositivo, como por ejemplo, un resorte interno, -ace #ue se retracten. El cilindro de doble acción es el cilindro más común #ue se utiliza en la -idráulica industrial. e puede aplicar presión en cual#uiera de los puertos, suministrando potencia en ambas direcciones. Estos cilindros tambi)n se clasifican como cilindros diferenciales debido a las áreas de e(posición desigual durante las operaciones de e(tensión y retracción. *a diferencia en el área efectiva se debe al área del vástago #ue reduce el área del pistón durante la retracción. *a e(tensión es más lenta #ue la retracción debido a #ue se re#uiere una mayor cantidad de fluido para llenar el lado del pistón del cilindro. in embargo, se puede generar más fuerza en e(tensión debido a #ue el área efectiva es mayor. En retracción, la misma cantidad de flujo de bombeo retracta el cilindro más rápidamente debido al volumen reducido desplazado por el vástago. in embargo, se genera menos fuerza debido a un crea efectiva menor. Gn cilindro de doble vástago se considera como un cilindro de tipo no diferencial. *as Hreas en ambos lados del pistón son iguales, suministrando de este modo la misma fuerza en ambas direcciones. Este tipo de cilindro se utilizará, por ejemplo, para acoplar una carga a ambos e(tremos o cuando se necesita una misma velocidad en ambas direcciones.
Dise"o El conjunto del cilindro consta de un cabezal de acero de e(tremo de la tapa, un conjunto de barril de acero, un cabezal de acero del e(tremo del vástago, un cojinete de vástago, un pistón y un vástago de pistón. e utilizan vástagos de tensión y tuercas para mantener unidos los cabezales y el conjunto del barril. ellos estáticos mantienen la presión conjunta. e suministra un limpiador de vástago para impedir #ue cual#uier material e(tra"o se introduzca en el Hárea del cojinete y del sello. El sellado de las superficies móviles es suministrado por el sello del vástago, #ue impide #ue se produzca una fuga de fluido más alláH del vástago, y los sellos del pistón, #ue evitan #ue el fluido se desvie del pistón. El fluido es dirigido -acia y desde el cilindro mediante el puerto de e(tremo de vástago y el puerto del e(tremo de la tapa.
Motores *os motores -idráulicos se clasifican como actuadores giratorios. *os motores se asemejan a las bombas en lo #ue se refiere a su construcción. in embargo, en lugar de empujar el fluido como lo -ace la bomba, el fluido ejerce presión sobre el area interna de la superficie del motor, desarrollando fuerza torsional. *a resistencia desde la carga se produce cuando el flujo de la bomba genera un movimiento de rotación continuo. Como los puertos de entrada y salida pueden estar presurizados, la mayoría de los motores -idráulicos se drenan e(ternamente
3ípicamente, los motores -idráulicos se clasifican como motores de alta velocidad 98$$7$.$$$ ?>/ o de baja velocidad 9$7.$$$ ?>/.
!ipos *os cuatro tipos más comunes de motores -idráulicos son de engranaje, de paletas de pistón y de eje acodado.
plicación *os motores -idráulicos se clasifican principalmente según el desplazamiento y la fuerza torsional. *o primero #ue se debe tener en cuenta es la fuerza torsional. *os motores -idráulicos se clasifican en pieslibras o en pulgadaslibras de fuerza torsional por un valor dado en psi, generalmente pulgadaslibras por 7$$ psi. *a fuerza torsional es igual a la carga multiplicada por el radio. *os motores de desplazamiento grandes normalmente tienen un radio de mayor tama"o sobre el #ue el fluido -idráulico ejerce presiónB por lo tanto, generan mayor fuerza torsional a una presión determinada. Gn motor -idráulico #ue está. clasificado a 7 pulgadalibras de fuerza por 7 psi -ace girar un cabrestante con un radio de 5 pulgadas. *a carga es de 8$$ libras. *a fuerza torsional re#uerida es de &$$$ pulgadaslibras. En base a la clasificación de fuerza torsional del motor, la presión operativa es de &$$$ psi. El segundo punto #ue se debe tener en cuenta es el desplazamiento. Esto es necesario para determinar la cantidad de flujo re#uerido para -acer girar el motor -idráulico a las revoluciones por minuto re#ueridas.
2.2. Cálculo de actuadores hidráulicos y neumáticos Neumático Propiedades de los cilindros El rendimiento de los cilindros puede calcularse o consultarse recurriendo a los datos ofrecidos por el fabricante. un#ue ambos m)todos son posibles, los datos ofrecidos por el fabricante en relación con una determinada ejecución de sus productos, previstos para ciertas aplicaciones, suelen ser más informativos.
Fuerza del émolo
*a fuerza aplicada por el )mbolo depende de la presión de aire, del diámetro del cilindro y de la resistencia #ue ofrecen los elementos -ermetizantes debido a la fricción. *a fuerza teórica del )mbolo se calcula utilizando la siguiente fórmula: En la práctica, la fuerza importante es la fuerza efectiva del )mbolo. l efectuar el cálculo, debe tenerse en cuenta la resistencia ocasionada por la fricción. uponiendo condiciones de funcionamiento normales 9presión entre 5$$ y J$$ K>a Lentre 5 y J barM, se considera #ue la fuerza de fricción corresponde apro(imadamente al 7$ por ciento de la fuerza nominal del )mbolo.
Cilindro de simple efecto
Cilindros de doble efecto
Carrera *a carrera de cilindros neumáticos no debería ser superior a & m. 3ratándose de cilindros sin vástago, la carrera no debería superar los 7$ m. i la carrera es más larga, el vástago y el apoyo de la guía deben soportar esfuerzos mecánicos demasiado grandes. >ara evitar el pandeo del vástago si deben utilizarse carreras largas, es recomendable consultar el diagrama de pandeo.
!elocidad del émolo *a velocidad del )mbolo de un cilindro neumático depende de la fuerza #ue se aplica en sentido contrario, de la presión de aire, de la longitud y de la sección del tubo entre el elemento de control y elemento actuador, así como del caudal a trav)s del elemento de control. demás, la velocidad tambi)n depende de la amortiguación en el final de carrera. *a velocidad promedio del )mbolo de cilindros estándar es de apro(imadamente $,7 -asta 7,8 m+s. Con cilindros especiales 9cilindros de impacto, es posible alcanzar velocidades de -asta 7$ m+s. *a velocidad del )mbolo puede reducirse mediante válvulas de estrangulación y antirretorno. Con válvulas de escape rápido es posible aumentar la velocidad del )mbolo.
Consumo de aire >ara saber cuánto aire necesita una instalación y cuáles son los costos energ)ticos correspondientes, es importante conocer el consumo de aire en la red neumática. El consumo de aire se e(presa en litros de aire aspirado por minuto. Considerando la presión de trabajo, el diámetro del )mbolo, la carrera y los ciclos por minuto, el consumo de aire se calcula aplicando la siguiente fórmula: Consumo de aire N relación de compresión superficie del )mbolo carrera cantidad de carreras por minuto ⋅
⋅
⋅
>ara calcular el consumo de aire según el diagrama de consumo de aire, se aplican las siguientes fórmulas:
Con cilindros de simple efecto
Con cilindros de doble efecto
#O N & s n #I #O Consumo de aire 9l+min s Carrera 9cm n Carreras por minuto 97+min #I Consumo de aire por cm de carrera 9l+cm ⋅
⋅
⋅
Estas fórmulas no consideran la diferencia del consumo de aire de cilindros de doble efecto en movimientos de avance y en movimientos de retroceso. >ero considerando las tolerancias #ue se aplican en las tuberías y en las válvulas, puede ignorarse esta diferencia. l calcular el consumo total de aire de un cilindro, tambi)n debe considerarse el llenado de los espacios muertos. El aire necesario para llenar esos espacios puede alcanzar -asta el &$ por ciento del consumo de aire de trabajo. e consideran espacios muertos de un cilindro los conductos de alimentación e(istentes en el cilindro y, además, los espacios en las posiciones finales del vástago, #ue no pueden aprovec-arse para la carrera útil.
"idráulico #ama$o del cilindro *as fuerzas generadas en un cilindro en la e(tensión del pistón son:
iendo > N >resión de operación 9/>a o bar 2 N 2iámetro interior del cilindro 9mm d N 2ímetro del vástago del pistón 9mm $,P N Coeficiente de rozamiento de rodamientos, juntas y partes móviles del cilindro El factor de carga es la relación entre la carga real y la fuerza teórica de salida del cilindro. *a tabla 6.7 indica la relación entre el factor de carga y la velocidad del pistón. 3abla ?elación entre el factor de carga y la velocidad del pistón
%&emplo' ea un cilindro con los datos: Carga N 8.$$$ Q >resión de servicio N 7$ />a N 7$$ bar
e considera un diámetro interior comercial del cilindro de 8$ mm Como comprobación, la fuerza generada sería de:
*os fabricantes proporcionan tablas y gráficos con las fuerzas de e(tensión y retracción del pistón en el cilindro de acuerdo con la presión de servicio, el diámetro interior del cilindro y el diámetro del vástago.
