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UNIDAD II
ACTUADORES Y VÁLVULAS
1.
ACTUADORES LINEALES
1.1.
CILINDRO DE SIMPLE EFECTO El cilindro de simple efecto debe producir una fuerza y un movimiento en sentido rectilíneo. El cilindro de simple efecto consta de los siguientes elementos: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Cuerpo del cilindro Tapa anterior y posterior Embolo con vástago Juntas de estanqueidad Muelle de recuperación Cojinete
Figura 2.1
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Funcionamiento El aire comprimido ingresa a la cámara posterior (8) por el conducto (7), la presión que se va formando produce una fuerza F sobre la superficie del embolo (3), originando así el movimiento de avance del embolo junto con el vástago. Una vez que el vástago ha salido totalmente, la presión sigue aumentando hasta alcanzar la presión de trabajo disponible en la alimentación. Después que se ha liberado la presión en el cilindro, el muelle (5) hace que el embolo vuelva a su posición de partida. Los cilindros de simple efecto son alimentados con aire comprimido por un solo lado, por lo que únicamente pueden trabajar en un solo sentido. Debido al muelle incorporado, la carrera debe ser relativamente corta, ya que al aumentar esta, disminuye la fuerza efectiva del embolo. El orificio de escape (10) no debe cerrarse, para que no se forme sobrepresión en la cámara (9) del vástago, durante su salida.
Aplicación Los cilindros de simple efecto se utilizan para sujetar, prensar, elevar, alimentar, etc.
1.2.
CILINDRO DE DOBLE EFECTO Estos cilindros se componen de: 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.
Cuerpo del cilindro Tapa anterior Tapa posterior Embolo con vástago Juntas de estanqueidad Cámara anterior. Cámara posterior Cojinete Reten exterior
Al recibir aire comprimido por la tapa posterior y purgándose el lado anterior, sale el vástago. Cuando el aire se introduce frontalmente el vástago retrocede. A igualdad de presión, la fuerza del embolo es mayor en le avance que en el retroceso, debido a la mayor sección posterior sobre la anterior (anular).
Se designan por:
Ø
Embolo
/Ø
Vástago
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/L
Carrera
, medidas en mm.
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Ejemplo: 25/10/150
Figura 2.2
Aplicación En los casos en que el trabajo sea en dos sentidos; además las carreras que pueden obtenerse son mayores a la de los cilindros de simple efecto.
1.3.
CILINDRO DE DOBLE EFECTO CON AMORTIGUACIÓN INTERNA REGULABLE Cuando se mueven grandes masas con cilindros de doble efecto es preciso utilizar estos tipos. El cilindro se compone adicionalmente, de tapas con válvulas de estrangulación regulable con antirretorno y embolo de amortiguación. Al salir el aire penetra libremente (antirretorno) y el embolo sale con toda fuerza y velocidad. Antes de alcanzar la posición final, el embolo de amortiguación interrumpe la salida directa del aire hacia el exterior. Se constituye una “almohada” de aire debido a la sobrepresión en el espacio remanente del cilindro y el aire solo puede salir a través de una pequeña sección (válvula de estrangulación). En la inversión sucede lo mismo, ya que el embolo tiene amortiguación al salir y al entrar.
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Figura 2.3
Figura 2.4
1.4.
CILINDRO CON UNIDAD DE BLOQUEO El cilindro esta provisto de una cabeza de bloqueo al final de la tapa anterior. Se podrá sujetar así el vástago en cualquier posición. La acción de bloqueo es mecánica. Eso asegura que el vástago del embolo este sujeto correctamente, aun cuando este bajo carga completa.
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Figura 2.5
1.5.
CILINDRO DE VÁSTAGOS PARALELOS Esta unidad esta formada por dos cilindros de igual dimensión, por lo que su fuerza total es la suma de los dos.
Figura 2.6
1.6.
CILINDRO PLANO CON VÁSTAGO ANTIGIRO El embolo tiene una forma ovalada, obteniéndose un actuador con cubierta exterior rectangular, mas plana y que además lleva ya incorporada la condición de antigiro.
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Figura 2.7
1.7.
CILINDRO DE DOBLE VÁSTAGO El guiado del vástago es mejor, puesto que tiene más guías de sujeción. La fuerza resultante es la misma para los dos sentidos, ya que las secciones de aplicación son iguales.
Figura 2.8
Una aplicación típica es el accionamiento de una mesa de carrera larga, en donde están fijos los extremo del vástago.
Figura 2.9
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1.8.
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CILINDRO TANDEM El cilindro esta formado por dos cilindros de doble efecto unidos por un vástago común, para formar una sola unidad. Presurizando simultáneamente las cámaras posteriores de ambos cilindros, la fuerza de salida es casi el doble que la de un cilindro estándar del mismo diámetro. Se utiliza cuando se necesitan fuerzas considerables y el espacio es reducido.
Figura 2.10
1.9.
CILINDRO MULTIPOSICIONAL Este elemento esta constituido por dos o más cilindros de doble efecto. Los diferentes elementos están acoplados como se indica en la figura. Cuando se unen dos cilindros de carreras distintas pueden obtenerse 4 posiciones finales diferentes. Combinando tres cilindros se obtienen 8 posiciones. Con cuatro cilindros 16 posiciones.
Figura 2.11
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1.10. UNIDADES DESLIZANTES La unidad deslizante es un actuador lineal de precisión, de dimensiones compactas, que se pueden utilizar en robots para fabricación y ensamblaje. La alta precisión de mecanizado de sus componentes, aseguran un movimiento lineal perfectamente recto cuando están integrados como partes constructivas de maquina de transferencia y de posicionamiento.
Figura 2.12
Si los extremos de los vástagos se apoyan sobre superficies de montaje, el cuerpo se puede mover (a).
Figura 2.13
Si el cuerpo se fija, son los vástagos los que se pueden mover (b). En ambos casos, la válvula puede estar conectada a la parte que permanece fija.
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1.11. CILINDRO DE TOPE El cilindro de tope es un elemento neumático diseñado para detener la marcha de productos y se realicen determinadas operaciones. Se trata de un actuador con vástago y sistema de guiado muy reforzados, capaces de resistir severas cargas deflectoras. En su extremo puede ser incorporado, un elemento de amortiguación hidráulica o elástica, para absorber el golpe originado por el contacto de la pieza frenada.
Figura 2.14
1.12. CILINDRO COMPACTO Es de carrera corta con amortiguación elástica fija y con la posibilidad de detectar a lo largo de su carrera mediante sensores magnéticos de posición. Las dimensiones externas del cilindro, en comparación con otras ejecuciones estándar, son entre 2,5 y 4 veces inferiores en longitud.
Figura 2.15
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1.13. AMORTIGUADORES HIDRÁULICOS Estos amortiguadores se caracterizan por un ajuste automático de la capacidad de absorción, es decir, es posible amortiguar masa pequeñas con velocidades altas o grandes masas a velocidades menores sin necesidad de ningún tipo de regulación.
Figura 2.16
1.14. MESA LINEAL DE TRASLACIÓN Este componente es una mesa adecuada para la traslación de masas, centradas o descentradas con respecto a su eje simétrico. A pesar de su tamaño reducido, esta construido por dos cilindros que incrementan el esfuerzo lineal. El guiado del carro, se realiza mediante una guía de rodillos cruzados con lo cual el desplazamiento es preciso y silencioso. También es destacable, la detección magnética de fin de carrera y la regulación mecánica con tope de amortiguación elástica de la misma.
Figura 2.17
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1.15. UNIDAD OLEONEUMÁTICA Este elemento se utiliza, cuando se necesita una velocidad constante y movimientos lentos. Es extremadamente compacto y esta constituido por un cilindro neumático, otro hidráulico de freno y un bloque neumático de mando. Cando se alimenta con aire comprimido comienza su movimiento de traslación, pero al tener que arrastrar el freno hidráulico, independientemente de la resistencia de oposición, el aceite mantiene rigurosamente constante la velocidad de avance.
Figura 2.18
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1.16. CILINDRO SIN VÁSTAGO Este cilindro presenta ventajas cuando se requiere carreras muy largas y que el espacio total ocupado por el cilindro salido sea reducido. Existen varias clases de cilindros sin vástago:
Figura 2.19 Cilindro sin vástago de transmisión magnética entre el embolo y el carro.
Figura 2.20 Cilindro sin vástago de transmisión mecánica.
2.
ACTUADORES DE GIRO 2.1.
ACTUADOR DE GIRO MEDIANTE PIÑÒN CREMALLERA El eje de salida tiene un piñón que engrana con una cremallera que esta unida a un embolo doble. Los ángulos de rotación varían entre 90° y 180°.
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Figura 2.21
2.2.
ACTUADOR DE GIRO POR PALETA La presión de aire actúa sobre una paleta que esta unida al eje de salida. La paleta hace un cierre hermético mediante una junta de goma o por un revestimiento elastomérico. Una juna especial tridimensional cierra el tope contra el eje y el asiento. El tamaño del tope, determina el giro: 90°, 180° o 270°.
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Figura 2.22
2.3.
ACTUADOR GIRATORIO CON DOBLE CREMALLERA Y PIÑÓN Es una mesa giratoria de piñón y doble cremallera. La mesa se apoya sobre rodamientos y es capaz de sustentar cargas elevadas con relación a su tamaño y girarlas con suavidad y precisión. También se dispone en este caso, de la posibilidad de regular el ángulo de giro y, además, absorber la energía cinética por mediación de amortiguadores hidráulicos.
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Figura 2.23
2.4.
ACTUADORES ROTOLINEALES Estos elementos se utilizan para la manipulación de piezas en maquinas automatizadas, mecanismos robotizados, posicionamientos o cargas y descargas de puestos de trabajo, donde sea necesarios movimientos simultáneos o independientes de traslación y giro.
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Figura 2.23
3.
VÀLVULAS DISTRIBUIDORAS
3.1.
VÁLVULA DISTRIBUIDORA 2/2, CERRADA EN REPOSO, CON JUNTA DE BOLA La bola es comprimida por un resorte contra su asiento, y cierra el paso del aire de P hacia A. Al descender la leva, la bola es separada de su asiento. Para ello debe vencerse la fuerza del muelle y la presión ejercida sobre la bola.
Figura 2.24
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3.2.
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VÁLVULA DISTRIBUIDORA 3/2, CERRADA EN REPOSO, CON ASIENTO PLANO La característica de esta válvula es el plato, empujado por un resorte contra el asiento. Las válvulas de asiento plano se distinguen por su gran sección transversal de paso con un corto recorrido de accionamiento. Son insensibles a la suciedad y de gran duración. En posición de reposo, la válvula 3/2 cierra el paso de P hacia A; el aire escapa de A hacia R. Al apretar el vástago se cierra el escape, antes de que el plato se levante de su asiento y abra el paso de P hacia A. Se emplea para mandar cilindros de simple efecto y como elemento de señalización para mandar válvulas de accionamiento neumático.
Figura 2.25
3.3.
VÁLVULA DISTRIBUIDORA 3/2, CERRADA EN REPOSO, DE CORREDERA
La válvula distribuidora 3/2 de corredera, puede convertirse de NC a NA o viceversa, intercambiando las conexiones P y R. Sin accionar:
P cerrado Escape de A hacia R
Accionada :
Comunica P con A R cerrado
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Figura 2.26
Aplicación: Para el control de cilindros de simple efecto cuando el vástago debe salir por breve tiempo, por ejemplo para la expulsión de piezas. También se utiliza para el control de otras válvulas.
Válvula distribuidora 3/2, abierta en reposo, con asiento plano La válvula distribuidora 3/2 abierta en reposo, si no es accionada, deja pasar el aire de P hacia A y cierra el escape R Al apretar el vástago, el plato cierra el paso de P hacia A; luego, el otro plato es levantado de su asiento por el escalón del vástago, quedando abierto el paso de A hacia R.
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Figura 2.27
Aplicación: Se emplea para controlar cilindros de simple efecto, cuando el vástago ha de permanecer en posición extendido durante un tiempo prolongado, por ejemplo para sujeción de piezas (función NO).
3.4.
VÁLVULA DISTRIBUIDORA 3/2, CERRADA EN REPOSO, SERVOPILOTADA La fuerza necesaria para accionar válvulas de asiento pilotadas directamente aumenta mucho con la presión del aire de trabajo. Es posible reducir esta fuerza intercalando válvulas distribuidoras 3/2 de un diámetro nominal pequeño. Al accionar, la válvula pequeña abre el paso de P hacia la membrana del embolo de accionamiento. Este cierra el paso de A hacia R y levanta el embolo de su asiento, quedando comunicado P con A.
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A
Símbolo en Detalle.
P
R
Figura 2.28
Aplicación: Para la conversión de señales mecánicas en neumáticas, cuando se dispone de pequeñas fuerzas de accionamiento. Cuando la presión desciende por debajo de 3 bar, ya no se garantiza el funcionamiento de la válvula. Esta válvula se pude convertir de cerrada en reposo a abierta en reposo, girando el cabezal 180° e intercambiando las conexiones de P con R.
3.5.
VÁLVULA DE ESTRANGULACIÓN REGULABLE El objeto de la válvula es el de limitar un caudal (litros/min.). Esta limitación se efectúa en ambos sentidos de circulación del aire.
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Figura 2.29
3.6.
VÁLVULA ANTIRRETORNO Las válvulas de cierre dejan pasar el aire preferentemente en un solo sentido. Cuando la presión vence la fuerza de pretensado del resorte, el cuerpo estanqueizador de la válvula antirretorno se levanta de su asiento, dejando pasar el aire en dicho sentido.
Figura 2.30
3.7.
VÁLVULA DE ESTRANGULACIÓN REGULABLE CON ANTIRRETORNO Estas válvulas dejan pasar el aire comprimido en una sola dirección y únicamente por la sección ajustada entre el cono del tornillo y su asiento. La sección transversal de paso puede variarse desde cero hasta el diámetro nominal de la válvula. En dirección contraria, la membrana se levanta de su asiento y el aire comprimido puede pasar libremente.
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Figura 2.31
Aplicación: Se utilizan cuando es necesario regular un caudal determinado en un solo sentido, debiendo mantener libre el paso en sentido contrario.
3.8.
REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD Regulación primaria: (Estrangulación del aire de alimentación) Al accionar la válvula distribuidora 5/2, el aire de alimentación al cilindro pasa estrangulado a través de la válvula 1.02 y llega el cilindro haciendo salir el vástago con velocidad controlada; el aire de escape del cilindro pasa libre por el antirretorno de la válvula 1.01. Después de la inversión de la válvula 1.1, el aire de alimentación al cilindro pasa estrangulado a través de la válvula 1.01 y llega el cilindro haciendo regresar el vástago con velocidad controlada; el aire de escape del cilindro pasa libre por el antirretorno de la válvula 1.02. Como en ambos casos se estrangula el aire de alimentación al cilindro, este tiene un control de velocidad por regulación primaria al salir y al retornar. La presión que genera una carga es aproximadamente la diferencia de lectura de los dos manómetros.
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1.0 (A)
M1
M2
1.02
1.01 B
1.1
A
S
R P Figura 2.32
Regulación secundaria: (Estrangulación del aire de escape) Al accionar la válvula distribuidora 5/2, el aire de alimentación al cilindro pasa libre a través del antirretorno la válvula 1.01 y actúa sobre la superficie del embolo, el cual empieza a salir, mientras que en la cámara anterior se forma un cojín de aire, incrementándose la presión M2, ya que el aire de escape pasa estrangulado a través de la válvula 1.02 y en el otro lado del embolo se ha formando mas o menos la misma presión M1. Después de la inversión de la válvula 1.1, el aire de alimentación al cilindro pasa libre a través del antirretorno la válvula 1.02 y actúa sobre la superficie anular del embolo, el cual empieza a retornar, mientras que en la cámara posterior se forma un cojín de aire, incrementándose la presión M1, ya que el aire de escape pasa estrangulado a través de la válvula 1.01 y en el otro lado del embolo se ha formando mas o menos la misma presión M2. Como en ambos casos se estrangula el aire de escape del cilindro, este tiene un control de velocidad por regulación secundaria al salir y al retornar.
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La presión que genera una carga es aproximadamente la diferencia de lectura de los dos manómetros.
1.0 (A)
M1
M2
1.01
1.02 B
1.1
A
S
R P Figura 2.33
Comparación Comparada con la estrangulación del aire de alimentación, la estrangulación del aire de escape tiene la ventaja de un avance sin sacudidas (también el retroceso), ya que el embolo esta sujeto entre dos cojines de aire. 3.9.
VÁLVULA DE ESCAPE RÁPIDO Estas válvulas sirven para purgar rápidamente el aire de los cilindros y conductos. Especialmente en cilindros de gran volumen, la velocidad del embolo puede ser aumentada de manera apreciable. Cuando el aire fluye de P hacia A, la junta obturadora cierra el orificio R. Al mismo tiempo, las faldas de obturación cambian de posición (se contraen). Al purgar el aire, este empuja la junta obturadora contra el orificio P, las faldas de obturación cambian de posición adhiriéndose a la pared del
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cuerpo y el aire escapa directamente por la sección mayor R hacia la atmósfera.
Figura 2.34
Aplicación: Para purgar rápidamente el aire de los cilindros neumáticos y los conductos flexibles de unión. La velocidad del embolo aumenta, ya que el aire escapa por un camino mas corto y no tiene que atravesar nuevamente la válvula distribuidora. Un cilindro de simple efecto debe salir lentamente y regresar lo mas rápido posible.
A
P
A Figura 2.35
P
R
3.10. VÁLVULA DISTRIBUIDORA 3/2, DE ACCIONAMIENTO NEUMÁTICO (MONOESTABLE) Esta válvula cerrada en posición de reposo, es accionada al aplicarle presión al pilotaje Z, comunicándose los conductos P y A, cerrándose el escape R.
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Al ponerse a escape el conducto Z, el embolo de pilotaje regresa a su posición inicial por medio del muelle. El disco cierra el conducto de P hacia A y el aire contenido en el conducto de trabajo A, escapa por R.
Figura 2.36
3.11. VÁLVULA DISTRIBUIDORA 5/2, DE ACCIONAMIENTO NEUMÁTICO (MONOESTABLE) Estas válvulas se emplean para el mando de cilindros de doble efecto. Las fuerzas necesarias para accionarlas son pequeñas, y el aire puede pasar en ambas direcciones. Sin accionar: El aire pasa de P hacia B El aire escapa de A hacia R S esta cerrado
z
z Accionada: El aire pasa de P hacia A El aire escapa de B hacia S R esta cerrado
z
Figura 2.37
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3.12. VÁLVULA DISTRIBUIDORA 5/2, DE CORREDERA LONGITUDINAL Y ACCIONAMIENTO NEUMÁTICO La característica de estas válvulas es el movimiento transversal que realiza el órgano de mando con respecto a la dirección del medio a mandar. Las fuerzas rozamiento, pilotaje Z o embargo, la asiento.
de accionamiento solo tienen que vencer la fuerza de por tal razón, con una presión de mando pequeña en el Y, pueden conmutarse presiones de trabajo mas altas. Sin carrera de accionamiento es mayor que en las válvulas de
Figura 2.38
Aplicación: Para el mando de cilindros de doble efecto en ciclos de mando automáticos.
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3.13. VÁLVULA SELECTORA DE CIRCUITO (FUNCIÓN “OR” O “O”) Esta válvula deja fluir el aire comprimido desde X o Y hacia A, cerrándose la salida opuesta por el desplazamiento de la bola; en caso de diferencias de presión la de mayor presión es la que fluirá hacia A.
Figura 2.39
Aplicación: Para el mando a distancia de elementos neumáticos desde dos puntos diferentes. 3.14. VÁLVULA DE SIMULTANEIDAD (FUNCIÓN “AND” O “Y”) Tiene dos entradas de presión X e Y, y una salida A. En A solo habrá salida cuando ambas entradas reciban aire comprimido. Una única señal bloquea el paso. En caso de diferencias cronológicas de las señales de entrada, la que llega en último lugar sale por A; en caso de diferencias de presión la de menor presión es la que fluirá hacia A.
Figura 2.40
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Aplicación: Se utiliza principalmente en mandos de bloqueo, funciones de control y combinaciones lógicas.
3.15. TEMPORIZADOR CERRADO EN LA POSICIÓN DE REPOSO El temporizador se compone de una válvula distribuidora 3/2 de accionamiento neumático, una válvula de estrangulación regulable y antirretorno, y un pequeño deposito de aire comprimido (acumulador). El aire de pilotaje entra por Z y llega al acumulador a traves de la válvula de estrangulación regulable. En dicho acumulador se forma gradualmente una presión, que cuando alcanza cierto valor, el embolo se desplaza hacia abajo, abriendo el paso de P hacia A y cerrando el de A hacia R. Aplicación: Cuando se desea que la señal de entrada Z actúe después de un tiempo determinado.
Figura 2.41
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3.16. TEMPORIZADOR ABIERTO EN LA POSICIÓN DE REPOSO El temporizador se compone de una válvula distribuidora 3/2 de accionamiento neumático, una válvula de estrangulación regulable y antirretorno, y un pequeño deposito de aire comprimido (acumulador). El aire de pilotaje entra por Z y llega al acumulador a través de la válvula de estrangulación regulable. En dicho acumulador se forma gradualmente una presión, que cuando alcanza cierto valor, el embolo se desplaza hacia abajo, abriendo el paso de A hacia R y cerrando el de P hacia A. Aplicación: Cuando se desea que la señal de entrada Z actúe después de un tiempo determinado.
Figura 2.42
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Diagramas de mando
Retardo a la conexión (ON DELAY) 1
A
Z 0 1
Z
A P
0
R
T1 Figura 2.43
Retardo a la desconexión (OFF DELAY)
1
A
Z 0 1
Z
A 0
R
P
T2
Figura 2.44
Retardo a la conexión y retardo a la desconexión 1
A
Z 0 1
Z
A P
0
R
T1Figura ………….
Figura 2.45
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T2
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3.17. VÁLVULA DE SECUENCIA Esta válvula sirve para transmitir una señal de P hacia A en función de la presión. Cuando no actúa presión sobre la membrana, la válvula de asiento de bola cierra el paso al aire comprimido proveniente de P; el aire de A escapa por R. Según la tensión previa ajustable del muelle de recuperación de la membrana, hay que aplicar en Z una presión correspondiente mayor, para que el embolo desplaza el cuerpo de la válvula y cierre R. Al seguir avanzando el embolo, el taque levanta la bola de su asiento, abriendo el paso de P hacia A. Aplicación: Se emplea para transmitir una señal solo en el momento en que una pieza a mecanizar este ya sujeta.
Figura 2.46
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3.18. VÁLVULA LIMITADORA DE PRESIÓN Esta válvula se compone de una junta de asiento cónico, un muelle de compresión y un tronillo de ajuste. Cuando la presión actuante en P alcanza un valor que corresponde a la tensión previa del muelle, el cono se levanta de su asiento y franquea el paso hacia el escape. Para evitar oscilaciones a causa de variaciones pequeñas de la presión, delante de del cono hay una cámara de mayor volumen, que solo puede evacuarse por un punto de estrangulación en dirección a R. se conoce también como válvula de sobrepresión o de seguridad.
Figura 2.47
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ANOTACIONES ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................
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