SISTEMAS NEUMATICOS
MANTENIMIENTO DE MAQUINARIA DE PLANTA CURSO SISTEMAS NEUMÁTICOS TRABAJO PROYECTO DE FABRICACIÓN DE UNA LINEA DE DOBLADO DE SILLAS PRESENTADO POR:
DOCENTE ING. MIGUEL LEÓN 2012 -1-
SISTEMAS NEUMATICOS
AUTOMATIZACIÓN DE UN PROCESO DE DOBLADO DE UNA SILLA
Introducción El presente proyecto propone una alternativa de solución para un maquinado de un proceso de doblado de una línea de fabricación de sillas de manera automatizada viendo que una silla normal tiene que ser operada con personal. La dobladora es una maquina utilizada para realizar mecanizados doblado y manipulación de ángulos para la fabricación de sillas además que ayuda a crear más variedad de sillas mediante el movimiento de una maquina en diferentes ángulos que nos ayude a mecanizar los diversos materiales como acero, fundición de hierro, metales no férricos y materiales sintéticos, superficies planas o curvas, de entalladura, de ranuras, y diferente tipos de materiales con los que se pueda hacer o utilizar en la fabricación de sillas . En las dobladoras tradicionales, la pieza se desplaza acercando las zonas a mecanizar a la herramienta, permitiendo obtener formas diversas, desde superficies planas a otras más complejas .
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JUSTIFICACIÓN Teniendo la oportunidad de poder hacer una mejora a la maquina dobladora se vio por idea hacerla funcionar de manera automática con el fin de facilitar muchas funciones comparando por ejemplo con de torno CNC o en la fresadora CNC se acoplaría todo un sistema neumático con programación de automatizada para la alimentación de pieza, recoger, transportar y realizar movimientos que normalmente lo haría un operario de la maquina pero con un sistema automático se ahorra tiempo y facilidad en su ejecución. Así como también se tendría mayor precisión en los trabajos .Es así que para nuestro trabajo seria idónea la automatización de la dobladora para que nos ayudara a tener una mayor cantidad de sillas ya que le proceso se realiza de manera de ayuda de tubos , que primero se calienta las patas de las sillas y luego las patas de las sillas se introducen en unos tubos y estos por proceso de torsión se gira y se dobla las patas que funcional pero es muy lento el proceso de fabricación de las sillas
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MARCO TEÓRICO CONCEPTOS BASICOS Y SIMBOLOGIA NEUMATICA La superficie del globo terrestre está rodeada de una envoltura aérea. Esta es una mezcla indispensable para la vida y tiene la siguiente composición: Nitrógeno aproximadamente 78% en volumen, Oxígeno aprox. 21% en volumen, además contiene trazas, de bióxido de carbono, argón, hidrógeno, neón, helio, criptón y xenón. Como sobre la tierra todo está sometido a la presión atmosférica no notamos ésta. Se toma la correspondiente presión atmosférica como presión de referencia y cualquier divergencia de ésta se designa de sobrepresión. Como todos los gases, el aire no tiene una forma definida. Toma la del recipiente que lo contiene o la de su ambiente. Permite ser comprimido (compresión) y tiene la tendencia a dilatarse (expansión). GENERALIDADES DE MANDOS Dentro de los mandos hay que diferenciar dos términos; Elementos de mando: son los procesadores de información, “válvulas de control” Elementos de trabajo: son los transformadores de la energía. “actuadores” PRODUCCION Y DISTRIBUCION DE AIRE COMPRIMIDO. El suministro de aire comprimido para instalaciones neumáticas comprende los aparatos siguientes: • Producción de aire comprimido mediante compresores. • Acondicionamiento del aire comprimido para las instalaciones neumáticas. • Conducción del aire comprimido hasta los puntos de utilización. PRODUCCIÓN DE AIRE COMPRIMIDO. Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor superior al deseado, posteriormente es controlado por una válvula reguladora de presión hasta el valor de trabajo requerido. Los mecanismos y mandos neumáticos se alimentan desde una estación central (depósitos).El aire comprimido viene de la estación compresora y llega a las instalaciones a través de tuberías. Los elementos utilizados para la producción de aire comprimido se llaman compresores, los cuales pueden ser: •COMPRESORES DE EMBOLO. ¾ Compresores de una etapa, ¾ Compresores de dos etapas,
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SISTEMAS NEUMATICOS ¾ Compresores de varias etapas, •COMPRESORES ROTATIVOS. •COMPRESORES CENTRÍFUGOS DEPÓSITOS La función que cumple un depósito en una instalación de aire comprimido es múltiple: • Amortiguar las pulsaciones del caudal de salida de los compresores alternativos. • Permitir que los motores de arrastre de los compresores no tengan que trabajar de manera continua, sino intermitente. • Hacer frente a las demandas picos del caudal sin que se provoquen caídas de presión en la red. Los factores que influyen más decisivamente en el dimensionado de los depósitos son: • El caudal del compresor. • Las variaciones de la demanda • La red de tuberías (Volumen suplementario). • El tipo de regulación. • Diferencia de presión admisible en el interior de la red. PREPARACIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO. El aire comprimido antes de alimentar los elementos neumáticos, deberá ser tratado de nuevo para mejorar sus condiciones. Es necesario sacar el agua que haya podido condensarse en el último tramo antes de llegar al punto de utilización, además de las pequeñas partículas que no han sido retenidas por el filtro de aspiración del compresor, contiene otras impurezas procedentes de la red de tuberías tales como residuos de la oxidación, polvo y cascarillas. Además se producen fluctuaciones de presión en la corriente de aire. Sin embargo, los consumidores deben poder trabajar siempre con la misma presión de aire; a esto hay que agregar que las partes móviles de los elementos neumáticos también necesitan una lubricación. El conjunto de estos tres elementos recibe el nombre de unidad de mantenimiento la cual consta de: • Filtro de aire comprimido • Regulador de presión. • Lubricador de aire comprimido. DISTRIBUCIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO El diámetro de las tuberías debe elegirse de manera que si el consumo aumenta, la -5-
SISTEMAS NEUMATICOS pérdida de presión entre el depósito y el consumidor no sobrepase 10 kPa (0,1 bar). Si la caída de presión excede de este valor, la rentabilidad del sistema estará amenazada y el rendimiento disminuirá considerablemente. En la planificación de instalaciones nuevas debe preverse una futura ampliación de la demanda de aire, por cuyo motivo deberán dimensionarse generosamente las tuberías. El montaje posterior de una red más importante supone costos dignos de mención.
RED DE AIRE COMPRIMIDO Se entiende por red de aire comprimido el conjunto de tuberías que parten del depósito, colocadas fijamente, unidas entre si y que conducen el aire comprimido a los puntos de toma para los equipos consumidores individuales.
DISPOSITIVOS NEUMATICOS. CILINDROS NEUMATICOS Los cilindros neumáticos, son los elementos que realizan trabajo, siendo su función trasformar la energía neumática en trabajo mecánico de movimiento rectilíneo. Existen diferentes tipos de cilindros neumáticos. Según la forma en que se realice el retroceso del vástago, los cilindros se dividen en dos grupos: Cilindros de simple efecto Cilindros de doble efecto
VALVULAS Las válvulas son elementos que mandan o regulan la puesta en marcha, el paro y la dirección, así como la presión o el caudal del fluido enviado por un compresor o almacenada en un depósito, esta es la definición de la norma DIN/ISO 1219 conforme a una recomendación del CETOP (Comité Europeo de Transmisiones Oleohidráulicas y Neumáticas). Las válvulas según su forma de accionamiento pueden ser: Accionamiento mecánico, Accionamiento Neumático, Accionamiento Eléctrico,
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SISTEMAS NEUMATICOS Según su función las válvulas se subdividen en 5 grupos: Válvulas de vías o distribuidoras Válvulas de bloqueo Válvulas de presión Válvulas de caudal Válvulas de cierre
Elementos que componen el circuito neumático. ¾ Compresor ¾ Unidad de mantenimiento (Filtro, regulador y Lubricador) ¾ Mangueras ¾ Acoples ¾ Válvula direccional 3/2 ¾ Válvula direccional 5/2 ¾ Válvula reguladora de velocidad ¾ Cilindro de simple efecto ¾ Cilindro de doble efecto Elementos que componen el circuito eléctrico. ¾ Fuente de alimentación ¾ Pulsadores ¾ Finales de carrera ¾ Solenoides ¾ PLC ¾ Alambres de conexión ¾ Dispositivos luminosos
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CALCULO DE PRESION DE DISEÑO. La fuerza ejercida por un elemento de trabajo depende de la presión del aire, del diámetro del cilindro y del rozamiento de las juntas. La fuerza teórica del émbolo en cilindros de simple efecto se calcula con la siguiente fórmula:
En la práctica es necesario conocer la fuerza real. Para determinarla hay que tener en cuenta los rozamientos. En condiciones normales de servicio (presiones de 4 a 8 bar) se puede suponer que las fuerzas de rozamiento representan de un 3 a un 20% de la fuerza calculada. Para los cilindros de doble efecto es necesario conocer la fuerza de salida y de retorno, esto se calcula de la siguiente manera:
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distribución de fuerzas que se muestran a continuación (el equilibrio de fuerzas se plantea sobre el émbolo):
Fig. 2. 1 - Distribución de fuerzas en actuadores lineales de simple efecto.
Donde:
- P: Presión en la cámara posterior - Pc: Presión en la cámara anterior - S: superficie del émbolo en la cámara posterior - S´: Superficie del émbolo en la cámara anterior - Sv: Superficie de la sección del vástago - Pe: Peso del émbolo - R1 y R2: Reacciones del émbolo con la camisa debidas a Pe. - Fr: Fuerza de rozamiento en el émbolo debida a R1 y R2. - Fn: Fuerza a vencer - Fm: Reacción del muelle
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Tenemos, planteando el equilibrio en el émbolo:
Siendo:
,
Para ello los cilindros requieren un esfuerzo de 4.025 MPa. ejercida sobre un área, (largo de 100 mm. y ancho de 12.7 mm.), durante 5 segundos con una presión de trabajo de 6 bar. y una carrera de 300 mm. para el conformado perfecto.
a. Selección de los cilindros: Diámetro del émbolo: Método analítico:
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Método grafico:
Con
y presión de trabajo
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Diámetro del vástago: Con la
N. y carrera de 300 mm.
=
d=20 mm.
300
7302.5 N
Diámetro normalizado del embolo: 125 mm. Diámetro normalizado del vástago: 20 mm. Carrera: 300 mm.
“CILINDRO NORMALIZADO DNC-125-320-PPV-163520”
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b. Selección de válvulas:
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Análisis de caudal: Teniendo en consideración: El modelo de cilindro “DNC-125-320-PPV-163520” (doble efecto). La Presión absoluta de trabajo “6 bar”. Numero de ciclos “1 ciclo cada 20 segundos”.
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320 mm 125 mm 20
=>0.59 litros por cm. de
x 32 cm. de recorrido.
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Presión de trabajo: La presión de trabajo escogida para que satisfaga las necesidades requeridas de dicha aplicación es de “6 bares” (presión absoluta), la cual es un valor en el cual la mayoría de industrias trabajan. Trabajo: De acuerdo a la aplicación a realizar, se tomo la decisión de adquirir una válvula de “5 vías”, ya q nos permite extender y retraer el vástago del cilindro a accionar sin ningún problema ni percance; de “2 posiciones” ya que en cada ciclo de trabajo es indispensable que el vástago se encuentre en alguna de las dos posiciones de final de carrera (totalmente extendido o totalmente retraído), con la finalidad de no causar accidente alguno.
Accionamientos: El accionamiento de dichas válvulas se realizara por “accionamiento eléctrico”. Considerando la seguridad del operado, el retorno se llevará a cabo por la reacción de un resorte “retorno por muelle” ya que esto permitirá que la válvula conmute inmediatamente a su posición de reposo al dejar de recibir la señal eléctrica de accionamiento.
Válvula distribuidora 5/2, con accionamiento eléctrico y retorno por muelle.
“Electroválvula CPE10-M1BH-5L-M5-196881”.
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SISTEMAS NEUMATICOS Tamaños normalizados de cilindros y longitudes de carreras
Según los datos de nuestro cilindro se escogió dichos valores de la tabla
CALCULO DE LA CARGA CRITICA DE PANDEO Valores de la longitud de pandeo según el tipo de fijación
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SISTEMAS NEUMATICOS 1. K=2 2. Le= K*L Le=(2*3.2) = 6.4m 3. Calculo del radio de giro
R=
4. Calculo de la constante de la columna del cilindro
5. Calculo de la razón de Esbeltez
6. Carga critica
7. Carga Admisible
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SISTEMAS NEUMATICOS CONSUMO DE AIRE PARA CILINDROS NEUMÁTICOS
Para nuestro diámetro de 21.4 este es el valor que mas se asemeja en la tabla Formulas para calcular el consumo del aire
Cilindro doble efecto:
Donde: - V= Cantidad de aire (l/min) - s = Longitud de carrera (cm)
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CALCULO DE PERDIDAS EN COMPONENTES Y ACCESORIOS. En todo componente de un circuito neumático se tiene perdidas, ya sea que estas se produzcan por rozamiento y los accesorios de conexión; tales como válvulas, acoples, reguladores de velocidad, codos, etc. Las pérdidas en los accesorios varían dependiendo del fabricante, quienes proporcionan en sus catálogos de productos las curvas características de cada uno de estos.
MANGUERAS Para la alimentación de los componentes neumáticos en los circuitos industriales se diseñan líneas de tuberías rígidas con diámetros considerables debido a que la cantidad de aire que los componentes de trabajo requieren es elevada. Para el caso de máquinas con control neumático y otros diseños en los que los componentes requieren pequeñas cantidades de aire para su funcionamiento se utilizan mangueras flexibles. Por lo tanto el hacer un diseño para mangueras, no es viable, debido a que cuando se trabaja con caudales pequeños los diámetros de estos elementos resultan ser de un diámetro tal que no existen en el mercado, es por esto que se procederá directamente a la selección de las mangueras del banco neumático. A continuación presentamos las tablas que utilizaremos para la selección de las mangueras. Con los valores de caudal y presión definidos para la selección de mangueras se ingresa a la grafica 6.1 produciendo un punto, el cual se ubica por debajo de la línea característica de la manguera tipo 1(7.5 mm o 0.30 In) lo que indica que se puede seleccionar la inmediata superior. Por tal razón se selecciona la manguera de ¼ “, que es usada comúnmente en el mercado nacional. Los valores de las pérdidas o caída de presión en las tuberías son de un 10% por cada 100 pies de tubería. Otro criterio para la selección de mangueras es la relación presión –longitud, la que no aplica el en caso particular del banco neumático, debido a que las longitudes son cortas. A continuación se muestra la tabla, para la selección de las mangueras bajo los parámetros de presión-longitud
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Se presenta además un cuadro resumen con los flujos de aire máximos recomendados para diferentes diámetros de tuberías.
Cálculo de pérdidas en conductos lineales Ya conociendo los datos sobre el caudal que llega a cada actuador y teniendo definidas del mismo. Así mismo se debe considerar las fugas de caudal, perdidas de carga, los posibles cambios de temperatura en todo el tramo de la instalación ya que interfiere en la modificación del aire requerido. Para el cálculo de pérdidas para perdidas lineales se puede usar la siguiente formula
Donde : - L: longitud de la tubería - V: Velocidad del fluido - D: Diámetro de la tubería - g: aceleración de la gravedad - f: coeficiente de fricción Para calcular el coeficiente de fricción se usa la siguiente formula
Para encontrar el número de Reynolds para el flujo en conductos circulares es:
Determinar la viscosidad dinámica, se suele utilizar la expresión (Temperatura en Kelvin ):
Para iniciar y mantener el flujo de gas en una tubería, es necesario la diferencia de presión , para poder vencer el rozamiento de las paredes de la tubería y acoplamientos . La fórmula es :
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Donde : o o o o o
∆ρ: es la caída de presión en bar f: es el factor de rozamiento V: es flujo de volumen en l/s (aire libre) d: es el diámetro interior de la tubería de mm ρm: es la presión media absoluta en bar
Para tuberías convencionales de acero como las utilizadas para el aire comprimido a presiones y temperaturas normales f 500 con las unidades elegidas.
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CÁLCULO DEL CONSUMO DE AIRE Otra característica importante es la cantidad de aire a presión necesaria (caudal) para el funcionamiento de un cilindro. La energía del aire comprimido que alimenta los cilindros se consume en forma de trabajo y, una vez usado, el aire se expulsa a la atmósfera por el escape. El consumo teórico de aire de un cilindro es el volumen consumido por ciclo de trabajo. Un ciclo de trabajo se refiere al desplazamiento del émbolo desde su posición inicial hasta el final de su carrera de trabajo, más el retorno a su posición inicial. Dimensionado el actuador o actuadores del circuito, se podrá definir la cantidad de aire requerida. Esta cantidad de aire es función del tiempo de duración de cada fase o de la frecuencia de realización de una determinada tarea (movimiento lineal de una carga) o la velocidad de giro requerida (movimiento rotativo). Se debe tener en cuenta que la cantidad de aire requerido se encuentra a una cierta presión. Por tanto, se habla de cantidad de aire en ―Condiciones Normalesǁ (subíndice 0, como se definió al principio del capítulo). Así se unifica el criterio, pasando el aire a presión atmosférica. Para este cálculo, se usa la ecuación de los gases perfectos de la fórmula 1.3. De hecho, esta fórmula tiene bastante más interés en neumática si se dividen ambos términos por la variable tiempo, quedando:
También se ha de considerar que la densidad del aire varía en función de la presión y de la temperatura de trabajo. En cualquier libro de termodinámica podemos encontrar tablas que recoge dicha evolución. CONVERSIÓN DE LITROS DE AIRE A PRESIÓN EN LITROS DE AIRE LIBRE Con la siguiente fórmula pasamos a las condiciones estándar una cantidad de aire a presión para calcular consumos, ya que este valor se usa para dimensionar componentes.
Donde: Q1= Litros de aire comprimido a presión P. Q = Litros de aire libre. P = Presión del aire comprimido en Kg/cm2. GASTO DE CILINDROS NEUMÁTICOS
Q= 184.98 l/mm
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Donde: Q= Litros de aire libre en l/mn. D = Diámetro del émbolo en mm. L = Carrera del cilindro en mm. P = Presión del aire en Kg/cm2. t = Tiempo en realizarse la carrera. Finalmente, cada fabricante acaba proponiendo la forma de calcular el caudal o cantidad de aire requerida en función de la geometría y características de sus productos. En la tabla vemos el consumo de aire en un cilindro en función de la presión de trabajo y el diámetro del émbolo.
CONSUMO DE AIRE PARA CILINDROS NEUMATICOS Para disponer de aire y conocer el gasto de energía, es importante conocer el consumo de la instalación. Para una presión de trabajo, un diámetro y una carrera de émbolos determinados, el consumo de aire se calcula como sigue: Relación de compresión – Superficie del émbolo – Carrera La relación de compresión ρe2/ρe1 se calcula de la forma siguiente:
(101.3+600)/101.3 = 6.92 ppm Donde: El resultado se da en KPa (referido al nivel del mar) Con ayuda de la tabla de la figura siguiente, se pueden establecer los datos del consumo de aire de una manera más sencilla y rápida. Los valores están expresados por cm de carrera para los diámetros más corrientes de cilindros y para presiones de 200 a 1.500 kPa (2 – 15 bar). El consumo se expresa en los cálculos en litros (de aire aspirado) por minuto.
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LONGITUD DE CILINDROS NEUMÁTICOS La longitud de carrera en cilindros neumáticos no debe exceder de 2000 mm. Con émbolos de gran tamaño y carrera larga, el sistema neumático no resulta económico por el elevado consumo del aire. Cuando la carrera es muy larga, el esfuerzo mecánico del vástago y de los cojinetes de guía es demasiado grande. Para evitar el riesgo de pandeo, sí las carreras son grandes deben adoptarse vástagos de diámetro superior a lo normal. Además, al prolongar la carrera la distancia entre cojinetes aumenta y, con ello, mejora la guía del vástago.
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