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Facultad de Ingeniería Mecánica

Fundamentos Básicos de Neumática y Electro-neumática

Autores: Dr. Luis M. Castellanos Rodríguez Ing. Aisman Quiñónez Cherta Ing. Miguel Tocoronte Reyes

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Índice ....................................................................... ................................................. ....................................... .............. Prologo............................................... Capitulo 1. Fundamentos Básicos de Neumática ......................................... 1 1.1.- Desarrollo Histórico del Aire Comprimido Comprimido............................................................ ............................................................ 1.2.- Características y Aplicaciones de la Neumática................................................... Neumática................................................... 1.2.1.- Campo de Empleo de la Neumática................................................................. Neumática................................................................. 1.2.2.- Propiedades del Aire Comprimido................................................................... Comprimido ................................................................... 1.2.3- Límites de Aplicación del Aire Comprimido.................................................... Comprimido .................................................... 1.2.4- Desarrollo del Sistema de Control Neumático. Estructura del Flujo de Señales en el Sistema de Control Neumático (SCN)...................................... (SCN) ...................................... 1.3- Teoría del Aire Comprimido........................ Comprimido................................................... ...................................................... ................................... ........ 1.3.1- Presión......................... Presión.................................................... ...................................................... ...................................................... ................................. ...... 1.3.2.-Termodinámica del Proceso de Compresión.................................................. Compresión.................................................. 1.3.2.1.- Ecuación de Bernoulli.............................................. Bernoulli........................................................................ ................................. ....... 1.3.2.2.- Volumen Estándar............................. Estándar....................................................... .................................................... ............................... ..... 1.3.2.3.- Caudal................................................... Caudal............................................................................. .................................................... .............................. 1.3.3.- Humedad del Aire........................ Aire................................................... ...................................................... ........................................... ................ 1.3.3.1.- Humedad Relativa.................................................... Relativa.............................................................................. .................................. ........ 1.3.3.2.- Punto de Rocío..................................................... Rocío............................................................................... ...................................... ............ 1.3.4 – Presión y Caudal ................................................... .............................................................................. ........................................... ................ 1.4.- El Sistema Neumático. Compresión, Distribución y Tratamiento del Aire......... Aire ......... 1.4.1.- El Sistema Neumático Básico......................... Básico.................................................... ................................................. ...................... 1.4.1.1.- Sistema de Producción de Aire................................................................ Aire................................................................ 1.4.1.2.- Sistema de Utilización............................ Utilización..................................................... .................................................. ........................... 1.4.1.3.- Características Generales........................... Generales..................................................... .............................................. .................... 1.4.2 – Compresores......................... Compresores.................................................... ...................................................... ....................................... ..................... ........... 1.4.2.1.- Compresores Alternativos............................ Alternativos..................................................... ............................................ ................... 1.4.2.2.- Compresores Rotativos............................... Rotativos......................................................... .............................................. .................... 1.4.2.3.- Rendimiento Global del Proceso de Compresión................................... 1.4.3.- Accesorios del Compresor ..................................................... ............................................................................... .......................... 1.4.3.1.- Deposito de Aire Comprimido............................................ Comprimido.................................................................. ...................... 1.4.3.2.- Filtro de Aspiración............................................... Aspiración........................................................................ .................................... ........... 1.4.4- Deshidratación del Aire. Pos–Enfriadores....................................................... Pos–Enfriadores ....................................................... 1.4.4.1.- Refrigeración por Aire................................................... Aire............................................................................. ..............................

1 2 3 6 7 8 9 9 11 13 13 14 14 14 14 14 15 15 16 16 17 17 18 18 19 20 20 21 21 21

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1.4.4.2.- Refrigeración por Agua...................................................... Agua............................................................................. ....................... 1.4.5.- Secadores de Aire........................... Aire...................................................... ...................................................... ....................................... ............ 1.4.5.1.- Secado por Absorción (Secado (Seca do Coalescente)........................................ Coalescente)........................................ 1.4.5.2.- Secado por Adsorción (Desecante).............................. (Des ecante)......................................................... ........................... 1.4.5.3.- Secado por Refrigeración...................... Re frigeración................................................ ................................................... ......................... 1.4.5.4.- Separador de Condensados.......................... Condensados.................................................... ........................................... ................. 1.4.6.- Distribución del Aire........................ Aire................................................... ...................................................... ...................................... ........... 1.4.6.1.- Líneas Secundarias......................... Secundarias................................................... .................................................... ................................ ...... 1.4.6.2.- Purgas Automáticas............................. Automáticas....................................................... .................................................... ............................ 1.4.7 – Selección del Tamaño de los Conductos Principales de Aire..................... Aire ..................... 1.4.7.1.- Materiales para Tubería....................... T ubería................................................. ................................................... ............................ ... 1.4.8.- Filtraje........................ Filtraje................................................... ...................................................... ........................................ ...................... .................. ............. .... 1.4.8.1.- Filtro de Línea Principal................................................ Principal......................................................................... ............................ ... 1.4.8.2.- Filtro Estándar............................. Estándar....................................................... .................................................... ..................................... ........... 1.4.8.3.- Filtro Micrónico......................... Micrónico................................................... ................................................... ....................................... .............. 1.4.8.4.- Filtro Sub-Micrónico......................... Sub-Micrónico.................................................. .................................................. ................................ ....... 1.4.8.5.- Selección del Filtro............................................... Filtro........................................................................ ..................................... ............ 1.4.8.6.- Calidad del Aire. Niveles de Filtraje................................................. Filtraje......................................................... ........ 1.4.9.- Regulación de Presión........................ Presión................................................... ...................................................... ................................... ........ 1.4.9.1.- Regulador Estándar............................ Estándar...................................................... ..................................................... ............................... 1.4.9.2.-Regulador Pilotado Internamente............................ Internamente..................................................... .................................. ......... 1.4.9.3.- Selección del Tamaño de un Regulador de Presión............................... 1.4.10.- Multiplicación de la Presión.......................... Presión..................................................... ................................................. ...................... 1.4.11.- Lubricación del Aire Comprimido.................................................................. Comprimido .................................................................. 1.4.11.1.- Lubricadores Proporcionales....................... Proporcionales................................................ .......................................... ................. 1.4.11.2.- Lubricador por Inyección............................................. Inyección....................................................................... ............................ 1.4.11.3.- Lubricador de Micro-Niebla....................... Micro-Niebla................................................ .............................................. ..................... 1.4.11.4.- Sistemas de Lubricación Centralizada........................... Centralizada.................................................. ....................... 1.4.11.5.- Unidades Filtro-Regulador-Lubricador.................. Filtro-Regulador-Lubricador......................................... ................................ ......... 1.5.- Actuadores Neumáticos........................... Neumáticos....................................................... ....................................................... ................................... .......... 1.5.1.- Actuadores Lineales........................ Lineales.................................................... ....................................................... ..................................... .......... 1.5.1.1.- Cilindros de Simple Efecto...................... Efecto ............................................... .................................................. ......................... 1.5.1.2.- Cilindro de Simple Efecto................................ Efecto......................................................... .......................................... ................. 1.5.1.3.- Construcción del Cilindro................................................. Cilindro......................................................................... ........................

21 21 22 22 22 23 23 24 24 24 25 26 26 26 26 26 26 27 27 27 28 28 29 30 30 30 31 31 31 31 32 32 32 33

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1.5.1.4.- Amortiguación........................ Amortiguación.................................................. .................................................... ....................................... ................ ... 1.5.2.- Selección de Actuadores Lineales.................................................................. Lineales.................................................................. 1.5.2.1.- Cálculo de la Fuerza..................................................... Fuerza.............................................................................. ............................. .... 1.5.2.2.- Verificación del de l Pandeo......................... Pan deo.................................................. .................................................. ............................. 1.5.2.3.- Verificación de las Cargas Radiales......................................................... Radiales......................................................... 1.5.2.4.- Consumo y Caudal de Aire................................................................. Aire....................................................................... ...... 1.5.3.- Actuadores Especiales............................ Especiales....................................................... ...................................................... .............................. ... 1.5.4.- Actuadores de Giro......................... Giro.................................................... ...................................................... ....................................... ............ 1.5.4.1.- Actuadores de d e Giro mediante Piñón-Cremallera.................... Piñón-Cremallera.................................... ................ 1.5.4.2.- Actuadores de Giro por Paletas............................................................... Paletas............................................................... 1.5.4.3.- Nuevos Actuadores de Giro............................................... Giro...................................................................... ....................... 1.5.4.4.- Actuadores Roto-Lineales................................ Roto-Lineales......................................................... ......................................... ................ 1.5.4.5.- Selección de los Actuadores de Giro............................................. Giro....................................................... .......... 1.5.4.6.- Motores Neumáticos........................... Neumáticos..................................................... .................................................... ............................. ... 1.5.5.- Pinzas Neumáticas.......................... Neumáticas..................................................... ...................................................... ....................................... ............ 1.5.5.1.- Pinza con Apertura Paralela de los Dedos.............................................. Dedos.............................................. 1.5.5.2.- Pinzas Autocentrantes.................................. Autocentrantes........................................................... ............................................ ................... 1.5.5.2.- Selección de las Pinzas.................................................... Pinzas............................................................................. ......................... 1.6.- Elementos de Mando Neumático. Válvulas............................................................ Válvulas............................................................ 1.6.1- Válvulas de Control Direccional........................................................................ Direccional........................................................................ 1.6.1.1.- Clasificación............................... Clasificación........................................................ .................................................. ....................................... .............. 1.6.1.2.- Válvula de Asiento..................................................... Asiento............................................................................... ................................ ...... 1.6.1.3.- Válvulas de Corredera.............................................. Corredera....................................................................... ................................. ........ 1.6.1.4.- Válvulas Rotativas................................ Rotativas.......................................................... .................................................... ............................ 1.6.1.5.- Accionamiento de las Válvulas. ............................................................... ............................................................... 1.6.1.6.- Montaje de Válvulas............................. Válvulas....................................................... .................................................... .............................. 1.6.1.7.- Cálculo del Tamaño de las Válvulas........................................................ Válvulas........................................................ 1.6.2.- Válvulas de Bloqueo........................ Bloqueo.................................................... ....................................................... ..................................... .......... 1.6.2.1.- Válvula Antiretorno......................... Antiretorno................................................... .................................................... ................................. ....... 1.6.2.2.- Válvula de Secuencia “O”.................................................... “O”......................................................................... ..................... 1.6.2.3.- Válvula de dos Presiones ‘Y”................................................................ ‘Y”.................................................................... .... 1.6.2.4.- Válvula de Escape Rápido..................................................... Rápido......................................................................... .................... 1.6.3- Válvulas de Flujo.......................... Flujo..................................................... ...................................................... ........................................... ................ 1.6.3.1.- Válvula Estranguladora de Caudal Unidireccional................................

34 34 35 37 41 43 40 40 44 45 45 45 46 47 48 49 50 50 51 51 51 53 54 54 54 55 56 57 57 58 58 59 60 60

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1.6.4.- Válvulas de Presión........................................................................................... 1.6.4.1.- Válvula de Secuencia................................................................................. 1.6.4.2.- Válvula de Sobrepresión........................................................................... 1.6.5.- Válvulas Especiales.......................................................................................... 1.6.5.1.- Temporizadores Neumáticos.................................................................... 1.6.5.2.- Transductores Neumo-Eléctricos. (Presostatos).................................... 1.7.- Circuitos Neumáticos Básicos y Circuitos Fundamentales................................. 1.7.1.- Funciones Elementales..................................................................................... 1.7.1.1.- Amplificación del Caudal.......................................................................... 1.7.1.2.- Inversión de la Señal................................................................................. 1.7.1.3.- Selección.................................................................................................... 1.7.1.4.- Función de Memoria.................................................................................. 1.7.2.- Funciones de Tiempo........................................................................................ 1.7.2.1.- Temporización a la Conexión y Desconexión de una Señal de Presión............................................................................................................ 1.7.2.2.- Impulso de Presión a la Conexión y Desconexión de una Válvula....... 1.7.3.- Control de Cilindro............................................................................................ 1.7.3.1.- Control de Cilindro de Simple Efecto....................................................... 1.7.3.2.- Control desde dos puntos: Función OR (O)............................................ 1.7.3.3.- Enclavamiento: Función AND (Y)............................................................. 1.7.3.4.- Control del Cilindro de Doble Efecto....................................................... 1.7.4.- Detección de la Posición de los Cilindros...................................................... 1.7.4.1.- Retorno Automático................................................................................... 1.7.4.2.- Carreras repetitivas. (Repetición indefinida de la carrera.)................... 1.7.5.- Control de Secuencias...................................................................................... 1.7.5.1.- Secuencia de los Cilindros....................................................................... 1.7.6.- Comandos Opuestos........................................................................................ 1.7.6.1.- Sistema de Cascada.................................................................................. 1.7.7.- Desarrollo de Automatismos Neumáticos...................................................... 1.7.7.1.- Localización de Señales Permanentes. Diagrama Espacio-Fase.......... 1.7.7.2.- Eliminación de Señales Permanentes...................................................... 1.7.7.3.- Elección del Método de Anulación de Señales Permanentes...............

60 60 61 62 62 63 64 64 64 65 65 65 65 66 66 67 67 67 67 68 68 68 69 70 70 72 72 73 74 76 76

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Capítulo 2. Fundamentos Básicos de Electro-Neumática ............................ 79 2.1.- Introducción.............................................................................................................. 79 2.1.1.- Desarrollo Histórico de la Automatización Electro-Neumática..................... 79 2.1.2.- Conocimientos Básicos para la Comprensión de la Electro-Neumática Practica............................................................................................................... 80 2.2.- Componentes para Sistemas Electro-Neumáticos................................................ 80 2.2.1.- El Interruptor de Contacto................................................................................ 80 2.2.2.- Contactos Electromagnéticos.......................................................................... 80 2.2.2.1.- Representación y Esquematización......................................................... 82 2.2.3.- Relés Electromagnéticos.................................................................................. 82 2.2.3.1.- Relés Temporizadores............................................................................... 83 2.2.4.- Esquemas y Símbolos de Conexión................................................................ 84 2.2.5.- Plano de Conexión Eléctrico............................................................................ 85 2.2.5.1.- Plano Eléctrico........................................................................................... 85 2.2.5.2.- Esquema de Conexiones........................................................................... 85 2.2.5.3.- Plano de Instalaciones.............................................................................. 86 2.2.5.4.- Plano de Construcción Eléctrico.............................................................. 86 2.3.- Componentes Eléctricos de Comando, Control y Detección .............................. 86 2.3.1.- Sensores............................................................................................................ 86 2.3.2.- Detectores Mecánicos....................................................................................... 87 2.3.2.1.- Fin de Carrera Mecánico........................................................................... 87 2.3.2.2.- Interruptores Magnéticos. (Principio Reed)............................................ 88 2.3.3.- Detectores Inductivos....................................................................................... 89 2.3.4.- Detectores Capacitivos..................................................................................... 91 2.3.5.- Detectores Ópticos............................................................................................ 92 2.4.- Componentes Electro-Neumáticos......................................................................... 90 2.4.1.- La Transformación Electro-Neumática............................................................ 90 2.4.2.- Válvulas Electro-Neumáticas........................................................................... 90 2.4.2.1.- Válvulas de Corredera............................................................................... 92 2.4.2.2.- La Válvula Piloto........................................................................................ 93 2.4.2.3.- Retorno de la Corredera............................................................................ 94 2.4.3.- El Transductor E/P. (Válvulas Reguladoras de Presión)............................... 94 2.4.4.- El Transductor P/E. (Presostato)..................................................................... 95 2.4.5.- Sistemas de Posicionamiento.......................................................................... 95

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2.4.5.1.- Sistema de Posicionamiento con Encoder Magnético........................... 2.4.5.2.- Sistema de Posicionamiento con Potenciómetro Lineal....................... 2.5.- Diseño de Circuitos.................................................................................................. 2.5.1.- Circuitos Básicos.............................................................................................. 2.5.1.1.- Manipulación de un Contacto................................................................... 2.5.1.2.- Circuito de Realimentación a través del propio Relé............................. 2.5.1.3.- Inversión de un Contacto.......................................................................... 2.5.1.4.- Circuitos de Temporización...................................................................... 2.5.1.5.- Conversión de una Señal Permanente en un Impulso........................... 2.5.2.- Secuencias......................................................................................................... 2.5.2.1.- Método de “Pregunta y Respuesta”......................................................... 2.5.2.2.- Sistema de Cascada.................................................................................. 2.5.2.3.- Principio de Control Paso a Paso............................................................. 2.6.- Introducción a los Programadores Lógicos Controlables (PLC)......................... 2.6.1.- Tarea de un PLC................................................................................................ 2.6.2.- Composición de un PLC................................................................................... 2.6.2.1.- Composición Lógica de un PLC............................................................... 2.6.2.2.- Construcción Mecánica de un PLC.......................................................... 2.6.2.3.- Alimentación de Corriente de un PLC...................................................... 2.6.2.4.- Zona de Diodos Luminosos de Control................................................... 2.6.2.5.- Salidas de un PLC...................................................................................... 2.6.3.- El Equipo Programador .................................................................................... 2.6.4.- Enlaces Lógicos................................................................................................ 2.6.5.- El Programa....................................................................................................... 2.6.5.1.- El Plano de Conexión................................................................................ 2.6.5.2.- Lista de Instrucciones............................................................................... 2.6.5.3.- Plano Funcional.........................................................................................

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Capítulo 3. Aplicaciones de la Automatización Neumática .......................... 118 3.1.- Ejemplos de Automatizaciones Neumáticas.......................................................... 3.1.1.- Prensa Neumática............................................................................................. 3.1.2.- Puerta de Ómnibus............................................................................................ 3.1.3.- Cizalla para el Corte de Barras Metálicas....................................................... 3.1.4.- Abrir/Cerrar Ventanas.......................................................................................

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3.2.- Ejemplos de Automatización Electro-Neumática.................................................. 3.2.1.- Prensa Neumática, Accionada Electro-Neumáticamente.............................. 3.2.2.- Puerta de Ómnibus, Accionada Electro-Neumáticamente............................ 3.2.3.- Cizalla para el Corte de Barras Metálicas Accionada ElectroNeumáticamente................................................................................................

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Anexo B.................................................................................................... Anexo C.................................................................................................... Anexo D.................................................................................................... Anexo E.................................................................................................... Referencias Bibliográficas..................................................................... Bibliografía...............................................................................................

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124 3.2.4.- Máquina para el Llenado de Envases con Líquido........................................ 125 3.2.5.- Taladradora Vertical.......................................................................................... 125 Anexo A.................................................................................................... 127 161 177 183 198 199

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Prólogo Siguiente Anterior Índice

Esta primera edición constituye un material de consulta para el personal de nivel medio y superior que participe en la diferentes formas de superación en el campo de l;a neumática y la electro neumática. El libro ha sido elaborado como un resultado de la recopilación y selección de información ofrecida por prestigiosas firmas e instituciones que trabajan en el campo de la automatización neumática, entre ellas se destacan la firma SMC España, FESTO y REXROTH. El documento esta estructurado en tres capítulos con una estructura metodología y didáctica que lo hace asequible a cualquier lector con conocimientos limitados en el tema. El primer capitulo se dedica a la neumática básica, el segundo a la electro neumática básica y el tercero se presenta un grupo de aplicaciones de automatización neumática y electro neumática. En el cuerpo del libro solo se presentan las figuras necesarias para asimilar el conocimiento básico; en los anexos se presenta un material complementario para la profundización en los temas que se abordan, que contiene el sistema de simulos elctroneumaticos , setenta figuras y diez tablas y nomogramas, asi como un conjunto de ejemplos de aplicaciones practicas. Los autores de este libro trabajan en función de ampliar el volumen del conocimiento para una nueva edición que incluya entre otros temas la Instrumentación de Campo. Agradecemos a los lectores se nos comunique cualquier sugerencia que permita enriquecer y mejorar el contenido de este documento. Se agradece en especial al señor Jesús Gonzáles, Representante de la firma SMC España, quien nos ha apoyado y ofrecido valiosa información para realizar esta modesta obra. Los autores

Capítulo 1. Fundamentos Básicos de Neumática.

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Capitulo 1. Fundamentos Básicos de Neumática. Siguiente Anterior Índice

1.1.- Desarrollo Histórico del Aire Comprimido. Siguiente

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En la antigüedad, los griegos, en su búsqueda de la verdad, fueron cautivados por cuatro elementos que se presentaban de manera continua y abundante, estos eran: el agua, el aire, el fuego y la tierra. De estos cuatro elementos, uno en específico, el aire, poseía por su naturaleza volátil y presencia transparente, la más fina expresión de la materia, que en otras proporciones constituía además los restantes elementos. Era casi el alma. En griego, el vocablo que significa alma es Pneuma y como resultado, la técnica que utiliza el aire como vehículo para transmitir energía se llama NEUMATICA. A partir de los griegos, el aire se usó de muy diversas formas. En alguno casos, tal como se presenta en la naturaleza, o sea en movimiento. La navegación a vela, fue quizás la mas antigua forma de aprovechamiento de la energía eólica. Más tarde, los molinos de viento la transformaron en energía mecánica, permitiendo en algunos casos mover moliendas y en otros bombear caudales importantes de agua unos cuantos metros por encima del nivel del mar en el que estaban operando. El aire presenta connotaciones muy importantes desde el punto de vista de su utilización. Desde su necesidad para la vida (el ser humano, sin saberlo, lleva en sus pulmones el compresor más antiguo de la historia, capaz de bombear 100 litros de aire por minuto con una presión entre 0,02 y 0,08 bar ) hasta contener olas en el mar o impedir el congelamiento del agua por burbujeo. El conocimiento y aplicación del aire comprimido tomó conciencia a partir de la segunda mitad del siglo XVII, cuando el estudio de los gases es objetivo de científicos como: Torriccelli, Pascal, Mariotte, Boyle, Guy Lussac, etc. Los sucesos más notables acaecidos en el avance del uso del aire comprimido puede resumirse en orden cronológico como sigue:  1500. A.C.- Fuelle de mano y de pieFundición no ferrosa  1688. Maquina de Emboli Papín  1762. Cilindro Soplante John Smeaton  1776. Prototipo Compresor John Wilkinson  1857. Perforación túnel Mont Cenis  1869. Freno de aire para FFCC Westinghouse  1888. Red de distribución de aire en París. Distribución neumática de correspondencia en París. Las investigaciones en el campo del aire comprimido no han terminado todavía. Los robots, la manipulación, los autómatas programables y otras diversas prestaciones no han hecho perder ni un ápice el atractivo de la NEUMATICA en la nueva generación tecnológica. Actualmente es posible realizar elevados ciclos de trabajo con una vida larguísima de estos componentes. Utilizando la electrónica como mando, se ofrecen soluciones inmejorables para muchos problemas de automatización industrial.


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Sectores industriales como: alimentación, ensamblaje, sistemas robotizados o industrias de procesos continuos, son automatizados, en gran parte neumáticamente por las ventajas que la tecnología ofrece, tales como:  Elasticidad, puesto que puede ser almacenada en recipientes una vez comprimido.  No posee características explosivas, aún habiendo sido comprimidos.  La velocidad de los actuadores es elevada.  Los cambios de temperatura no alteran sus prestaciones.  Es una técnica limpia (desde el punto de vista macroscópico).  Su costo no es elevado.  Simplifica enormemente la mecánica. Por lo tanto, la NEUMATICA, es una tecnología imprescindible como interfase de potencia entre la electrónica de mando y el trabajo a desarrollar. 1.2.- Características y Aplicaciones de la Neumática. Siguiente Anterior Índice

La Neumática no es más que un sistema de potencia fluida, el cual transmite y controla la energía por medio de la utilización del aire comprimido. El aire comprimido se utiliza para trabajar actuando sobre émbolos o paleta, y aunque esta energía se pueda utilizar en muchas facetas de la industria, el campo de la neumática industrial será el que desarrolle este trabajo. La utilización correcta del control neumático requiere un conocimiento adecuado de los componentes neumáticos y de su función para asegurar su integración en un sistema de trabajo eficiente. A pesar de que normalmente se especifique el control electrónico utilizando un secuenciador programable u otro controlador lógico, sigue siendo necesario conocer la función de los componentes neumáticos en este tipo de sistema. Por gran cantidad de tiempo, la neumática fue utilizada para dar solución a tareas simples de la mecánica, pero en tiempo más reciente ha jugado un papel más importante: el desarrollo de la tecnología neumática para la automatización. En la mayoría de las aplicaciones, el aire comprimido es utilizado para una o más de las siguientes funciones:  Determinación del estado de procesos (sensores).  Procesamiento de Información (procesadores lógicos).  El accionamiento de actuadores por medio de elementos de control de fin de posición.  Realización del trabajo mecánico (actuadores). Para ser capaz de controlar maquinaria e instalaciones se necesita de la constitución de una interconexión lógica, compleja y general de los estados y las condiciones de accionamiento. Esto ocurrirá como resultado de la interacción de sensores, procesadores lógicos, elementos de control, y actuadores; en la neumática o parte de los sistemas neumáticos. El proceso tecnológico relacionado con materiales, diseños y procesos productivos ha tenido un ulterior perfeccionamiento en la calidad y diversidad de los componentes neumáticos y de este modo contribuyó a su amplia difusión en la Automatización.


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1.2.1.- Campo de Empleo de la Neumática. Las aplicaciones del aire comprimido no tienen límites, desde su utilización por parte de la óptica, aire a baja presión para comprobar la presión del fluido en el ojo humano, a la multiplicidad de movimientos lineales y rotativos en maquina con procesos robóticos, hasta las grandes fuerzas necesarias para las prensas neumáticas y martillos neumáticos que rompen el hormigón. A continuación se ofrece una breve lista para indicar la versatilidad y variedad del control neumático en funcionamiento en una industria en constante expansión:  Accionamiento de válvulas para aire, agua o productos químicos.  Accionamiento de puertas pesadas o calientes.  Descarga de depósito en la construcción, fabricación de acero, minería e industrias químicas.  Apisonamiento en la colocación de hormigón.  Elevación y movimiento en máquina de moldeo.  Pulverización de cosechas y accionamiento de otro equipo tractor.  Pintura por pulverización.  Sujeción y movimiento en el trabajo de la madera y fabricación de muebles.  Montaje de plantillas y fijaciones en la maquinaria de ensamblado y máquinas de herramientas.  Sujeción para encolar, pegar en caliente, o soldar plásticos.  Sujeción para soldadura fuerte y normal.  Operaciones de conformado para curvado, trazado, alisado y corte.  Máquina de soldadura eléctrica por puntos.  Ribeteado  Accionamiento de cuchillas de guillotinas.  Máquinas de embotellado y envasado.  Accionamiento y alimentación de maquinaria para trabajar madera.  Plantilla de ensayo.  Máquinas Herramientas, mecanizado o alimentación de herramientas.  Transportadores de componentes y materiales.  Manipuladores neumáticos.  Calibrado automático o verificación.  Extracción de aire y elevación de vacío de placas finas.  Fresa de dentistas.  Y mucho más..... En el diagrama de la Figura 1.1. Se observan algunas de las aplicaciones industriales de la neumática.


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Dentro del marco de la provincia, se encuentran numerosas industrias, las cuales, cuentan con equipamiento neumático tanto para el desarrollo de aplicaciones como para la automatización de procesos. Entre estas industrias se destacan:  Plantas de Pre-Fabricado.  Plantas Hormigoneras.  Empresa de Fabricación de Bolsas Plásticas POLIALBA  Planta de Pienso.  Termoeléctrica “Carlos Manuel de Céspedes”. Aplicasiones Industriles de la Neumática

Manipulación de Materiales

    

Desviación Posicionamiento Orientación Sujeción Bifurcación de Fluidos

Aplicasiones Generales

Empaque Rellenado Conteo Enclavamiento Transferencia de Materiales Viraje o Inversión de Partes Control de Puertas o Compuertas Clasificasión de Piezas Almacenamiento de Piezas Estampado y Repujado de Piezas    

Maquinado de Piezas

    







Taladrado Fresado Torneado Rectificado Moldeado (Estampado) Control de Calidad









Figura 1.1. Aplicaciones Industriales de la Neumática.


5 ____________________________________________________________________________

a

b

             

a. Transferencia de Mercancías a dos puntos diferentes. b. Corte de papel, chapa, lámina, etc... Figura 1.2. Ejemplos de Aplicación. Carpintería de Aluminio (MICALUM). Empresa Oleohidráulica Cienfuegos. Fabrica de Cemento Karl Marx. Combinado Lácteo Escambray. Empresas Cárnicas. Fabrica de Espejos LUNASUR. Plantas de Asfalto. PLASTIMEC. Combinados Automotrices. Fábrica Embotelladora de Agua Mineral Cuba-Agua, Ciego Montero. MINAZ. Frigoríficos de Empresa Cítricos Caribe SA. Papeleras. EMBELI. Estas Industrias pueden ser extensivas a sus similares a lo largo y ancho del país.


6 ____________________________________________________________________________

1.2.2.- Propiedades del Aire Comprimido. Algunas ventajas, y características que distinguen la utilización del aire comprimido en la industria son: 1. Disponibilidad. El aire está en cualquier lugar y en cantidades ilimitadas en muchas fábricas e instalaciones industriales se encuentra un suministro de aire comprimido centralizado y además compresores portátiles que pueden servir en posiciones más alejadas. 2. Almacenamiento. En caso de necesitarlo, se puede almacenar en grandes cantidades fácilmente, en el interior depósitos o tanques (diseñados para la actividad) y extraerse a medida que se necesite. Además, estos depósitos pueden ser transportados. 3. Transporte. El aire puede ser llevado a través de tuberías por grandes distancias. 4. Temperatura. El aire comprimido es relativamente insensible a las fluctuaciones de la temperatura. Esto asegura una operación confiable, aun cuando existan condiciones extremas. 5. Simplicidad de Control y Diseño. Los componentes neumáticos son de configuración sencilla y se montan fácilmente para proporcionar sistemas automatizados extensos con un control relativamente sencillo. 6. Elección del Movimiento. El carácter del movimiento puede ser lineal o de rotación angular, con velocidades de funcionamiento preestablecidas como fijas y continuamente variables; pudiéndose estas, regular con facilidad. 7. Velocidad del Movimiento. El aire comprimido es un medio de trabajo muy rápido. Este permite que se alcancen altas velocidades de trabajo. 8. Economía. El costo de una instalación de aire comprimido es relativamente bajo, debido al modesto costo de sus componentes. Por otra parte, el mantenimiento es también poco costoso, debido a su larga duración sin apenas averías. 9. Fiabilidad. La larga duración de los componentes neumáticos, debido a la baja erosividad del medio de trabajo (el aire), trae como consecuencia la elevada fiabilidad del sistema neumático. 10. Resistencia al Entorno. Al sistema neumático no le afectan los ambientes erosivos, como lo pueden ser: las altas temperaturas, el polvo y las atmósferas corrosivas, que en los otros sistemas fallan. 11. Seguridad de Trabajo. No existe peligro de incendio en áreas de riesgo elevado y el sistema no se encuentra afectado por sobrecargas, puesto que los actuadores se detienen o simplemente se sueltan. Los


7 ____________________________________________________________________________

actuadores neumáticos no producen calor. En resumen, el aire comprimido no ofrece riesgo de explosión ni incendio. 12. Limpieza del Entorno. El aire no lubricado, en escape es limpio. Cualquier aire no lubricado que escape a través de las uniones de tubería y componentes, no causan contaminación. Con un adecuado tratamiento del aire de escape, un sistema puede ser instalado según las normas de “sala limpia” (Clean Room). 1.2.3- Límites de Aplicación del Aire Comprimido. Con el objetivo de definir exactamente las áreas de aplicación de la neumática, es necesario tener en cuenta cuales son las características negativas de esta forma de energía: 1. Preparación del Aire. El aire comprimido requiere de una buena preparación previa a su utilización. La suciedad y humedad deben ser eliminadas en un alto porciento en dependencia de la aplicación. 2. Compresión del Aire. No siempre es posible alcanzar, con el aire comprimido, velocidades de un pistón de manera constante y uniforme. 3. Fuerza Requerida. La utilización del aire es económica solo hasta cierto punto de requerimiento de fuerza. Con la presión de trabajo normal entre los 6 y 7 bar y en dependencia de la carrera y la velocidad de desplazamiento, el límite de la fuerza de salida de un pistón se encuentra entre los 40 a 50 kN . 4. Nivel de Ruido. El aire de escape es ruidoso. En estos momentos, este problema ha sido resuelto gracias al desarrollo de los materiales para la absorción de ruidos y silenciadores. Una comparación con otras formas de energía es una parte esencial para la selección de procesos cuando se considera a la neumática como un medio ya sea de control como de trabajo. Esta evaluación abarca todo el sistema, desde las señales de entrada (sensores), a través de las partes de control (procesadores lógicos) hasta el control de elementos y actuadores. Numerosos factores deben ser tomados en cuenta, encontrando entre los siguientes, los fundamentales:  Método de Control Preferido.  Recursos Disponibles.  Experiencias Disponibles.  Sistema ya instalado, al que se le añadiría el nuevo proyecto. A continuación se describirán los criterios de selección para el medio de trabajo y el medio de control. Criterios para la selección para el Medio de Trabajo.  Selección del Medio de Trabajo.  Corriente Eléctrica (Electricidad).  Fluidos (Hidráulico).  Aire Comprimido (Neumática). ∙


8 ____________________________________________________________________________

Combinación de los anteriores.  Criterios de Selección.  Fuerza.  Carrera.  Tipo de Movimiento (lineal, angular, rotación).  Velocidad.  Vida de Servicio.  Seguridad y Confiabilidad.  Costo de la Energía.  Controlabilidad.  Almacenaje. Criterios de Selección para el Medio de Control.  Selección del medio de Control  Conexiones Mecánicas (Mecánico).  Corriente Eléctrica (Eléctrico, Electrónico).  Fluidos (Hidráulico).  Aire Comprimido (Neumático, Neumático de bajo presión).  Criterios de Selección.  Confiabilidad de los Componentes.  Sensibilidad a la influencia del entorno.  Facilidad de Mantenimiento y reparación.  Tiempo de accionamiento de los componentes.  Velocidad de las señales.  Espacio requerido.  Vida de Servicio.  Modificación del sistema de control.  Entrenamiento requerido para operadores y personal de mantenimiento. 1.2.4- Desarrollo del Sistema de Control Neumático. Estructura del Flujo de Señales en el Sistema de Control Neumático (SCN). Entre las distintas áreas en que se ha desarrollado la producción neumática, se distinguen las siguientes:  Actuadores.  Sensores y dispositivos de entrada.  Procesadores Lógicos.  Accesorios. 

∙


9 ____________________________________________________________________________

Sistema de Control. Con vista a desarrollar un sistema de control neumático, se deben tomar en cuenta los siguientes factores que a continuación se describen:  Confiabilidad.  Facilidad de Mantenimiento.  Costo de los repuestos.  Ensamblabilidad y Conexión.  Costo de reparación y mantenimiento.  Intercambiabiliddad y Adaptabilidad.  Eficiencia Económica.  Documentación. El sistema de control neumático SCN, consiste en la interconexión de diferentes grupos de elementos. Este grupo de elementos forma el paso de control para el flujo de señales, comenzando por la señal de entrada (Input) hasta la operación de algún elemento (output). Los Elementos de Procesamiento. Los elementos primarios del sistema de control neumático (SCN) son los siguientes:  Suministro de Energía.  Elementos de Entrada (sensores).  Elementos de Procesamiento (procesadores lógicos).  Elementos de Control.  Componentes que desarrollan Potencia (Actuadores). Los elementos de este sistema están representados en la Figura 1.3 por su símbolos e indicando la función de cada elemento. Una válvula de control direccional puede ser utilizada como una Señal de Entrada, de Procesamiento o como Elementos de Control. Lo más notable para la colocación de los componentes individuales en sus respectivos grupos de elementos es la configuración dentro de un sistema neumático. En la Figura 1.4. se muestra un circuito neumático que describe lo anteriormente dicho y se muestran varios de sus componentes. 1.3- Teoría del Aire Comprimido. 

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1.3.1- Presión. En mecánica, como se conoce, la presión se define como la fuerza por unidad de área. En la Termodinámica la presión es la propiedad del gas de ejercer presión sobre las paredes del recipiente dentro del cual está contenido. Esta presión del gas como propuso Daniel Bernoulli en el siglo XVIII, es una consecuencia de los innumerables choques de las moléculas gaseosas sobre las paredes. Concluyendo, la termodinámica define la presión del gas como dos tercios de la energía cinética media de las moléculas de la unidad de volumen del gas [1]. En neumática este gas no es más que el aire.


10 ____________________________________________________________________________

Ejecución del Contacto

Componentes que Desarrollan Potencia Cilindros Neumáticos Motores Indicadores visuales   

Señal de Salida

Elementos de Control Válvulas de control direccional 

Elementos de Procesamiento Válvulas de Control Direccional Señal de Válvulas no retorno Prosesamiento Válvulas de control de presión Timers, secuenciadores    

Elementos de Entrada Válvulas de accionamiento manual Válvulas de accionamiento rodillos Barrera de aire Sensores de Proximidad 

Señal de Entrada

  

Elementos de Suministro Compresor Resividor Válvula de regulación de presión Unidad de Servicios 

Suministro de Energía

  

Flujo de Señales

Clasificación de C omponentes

Figura 1.3. Sistema de Control Neumático (SCN).

Figura 1.4. Circuito Neumático. Flujo de Señales. Componentes Neumáticos.


11 ____________________________________________________________________________

La unidad ISO de la presión es el Pascal ( Pa). 1Pa=1N/m2 Esta unidad es extremadamente pequeña, así que para evitar trabajar con números grandes, existe un acuerdo para utilizar el bar como unidad de 100 000 Pa, puesto que esta medida es más práctica para la utilización industrial. 100 000Pa=100kPa=1bar Esta unida se corresponde con suficiente precisión para fines prácticos al kgf/cm2 y kp/cm2 del sistema métrico. En el contexto de los accesorios neumáticos, la presión se considera como la manométrica(relativa a la atmosférica). En la tecnología del vacío, se utiliza la presión por debajo de la atmosférica y la unidad de medida es el milibar( mbar ). 1.3.2.-Termodinámica del Proceso de Compresión. En la teoría elemental del proceso de compresión, se utiliza con una precisión prácticamente aceptable la termodinámica del gas ideal, utilizando la expresión: p ⋅ V = η ⋅ R ⋅ T (1) Por el caso de trasformaciones termodinámicas lentas se pueden utilizar las leyes de BoyleMariotte, Guy- Lussac y Charles y la Ecuación General del gas ideal, presentadas a continuación respectivamente: p ⋅ V = const (Proceso isotérmico) (2) V T p T

= const (Proceso isobárico)

(3)

= const (Proceso isocórico)

(4)

p ⋅ V T

= const (En general)

(5)

Si la presión final del proceso de compresión del aire es mayor de 10 MPa (100bar ) es necesaria la utilización de la ecuación de estado del gas real [2]: p ⋅ V = Z ⋅ η ⋅ R ⋅ T (6) Como se aprecia, esta presión es bastante grande para las aplicaciones de la neumática, donde la presión mayor que se alcanza oscila entre 8-10 bar . La utilización conjunta de la primera ley de la termodinámica y la ecuación de estado del gas ideal, conduce a las siguientes ecuaciones de los procesos de compresión y expansión que transcurren en los compresores: Proceso Politrópico. p ⋅ V n

= const

(7)

Proceso Adiabático. p ⋅ V k

= const

(8)


12 ____________________________________________________________________________

El proceso politrópico es la forma general del proceso termodinámico y trascurre en los compresores en función de las condiciones exteriores e interiores con el exponente η = 1.15 − 1.80 . Se llama adiabático al proceso sin intercambio térmico con el medio ambiente, en tal proceso es posible la formación interna de calor a cuenta del trabajo de la fricción del gas y la formación de torbellinos. No se puede conseguir un proceso estrictamente adiabático en los compresores, a causa de la imposibilidad del aislamiento térmico completo del flujo gaseoso proveniente del medio ambiente. Además de estos dos procesos analizados encontramos el proceso isoentrópico, que se caracteriza por permanecer la entropía constante como resultado de la ausencia de intercambio térmico con el medio ambiente y el desprendimiento interior de calor, condicionado por la fricción del gas en el flujo. Como es evidente, en los compresores reales este proceso es imposible de lograr. Estos procesos se pueden representar de una manera asequible en un diagrama T,S. Figura 1.5 .

Figura 1.5. Diagramas TS de los procesos de comprensión: Politrópico (n < k , n > k ), Isentrópico e Isotérmico. Aquí se representa las variedades principales de los procesos de compresión.  Politrópico nk , típico de los compresores de paletas (centrífugos y axiales) (Figura 6,b) Los procesos c y d de la Figura 1.5, isentrópico e isotérmico, respectivamente, son irrealizables en compresores. El primero porque la formación de calor a cuenta de la presión del


13 ____________________________________________________________________________

gas interna se manifiesta considerablemente, a causa de la imposibilidad de fabricar la estructura del sistema de enfriamiento del compresor, de tal modo que asegure la comprensión del gas a temperatura constante. [2] 1.3.2.1.- Ecuación de Bernoulli. Bernoulli dijo: “Si un líquido de peso específico γ fluye a través de un tubo de diámetro variable, la energía total en los puntos 1 y 2 (separados a las alturas z 1 y z 2 de la referencia) es la misma.

Figura 1.6. Ecuación de Bernoulli Esto se expresa en la ecuación general: z 1

+

p1 γ

+

V 12 2 g

= z 2 +

p 2 γ

+

V 22 2 g

(9)

de donde se obtiene: 1

∆ p = p 2 − p1 = γ ⋅ ( z 1 − z 2 ) + ⋅ δ ⋅ (V 12 − V 22 ) 2

(10)

Esta ecuación es aplicable a los gases si la velocidad de flujo no supera los 330 m/s aproximadamente. Las aplicaciones más palpables de esta ecuación en la neumática son el vacío, aplicando el efecto Vénturi y la compensación del flujo en los reguladores de presión. 1.3.2.2.- Volumen Estándar. Debido a las interrelaciones entre volumen, presión y temperatura, es necesario referir todos los datos de volumen de aire a una unidad estandarizada, el metro cúbico estándar, que es la cantidad de 1,293 kg de masa de aire a una temperatura de 0 ºC y una presión absoluta de 760mm Hg (101,325kPa)


14 ____________________________________________________________________________

1.3.2.3.- Caudal. La unidad básica de caudal “ Q” es el metro cúbico normal por segundo ( m3 /s). En la neumática práctica, los volúmenes se expresan en términos de litros por minutos (L/min) o decímetros cúbicos normales por minuto. La unidad no métrica habitual para el gasto volumétrico es el “pie cúbico estándar por minuto” ( scf/min ) 1.3.3.- Humedad del Aire. El aire atmosférico contiene siempre un porciento de vapor de agua. La cantidad de humedad presente, depende de la humedad atmosférica y de la temperatura. La cantidad real de agua que puede ser retenida por el aire, depende por completo de la temperatura. Un m3 de aire comprimido es capaz de retener sólo la misma cantidad de vapor de agua que un m3 de aire a la presión atmosférica. Para la gama de temperaturas de las aplicaciones neumáticas, la Tabla 1 del Anexo E, proporciona los valores exactos. La primera mitad ofrece gama de temperatura bajo cero y la segunda mitad las temperaturas sobre cero. La columna del centro muestra en contenido de un metro cúbico estándar y la tercera el contenido para un volumen de un metro cúbico normal a la temperatura dada. 1.3.3.1.- Humedad Relativa A excepción de condiciones atmosféricas extremas, como una repentina caída de la temperatura, el aire atmosférico por lo general no se satura. El coeficiente entre el contenido real de agua y el punto de condensación se llama humedad relativa y se expresa como porcentaje: Contenido Real de Agua Humedad Relativa = ⋅ 100% Cantidad de Saturación Cuando el aire se comprime, su capacidad para contener humedad en forma de vapor es solo la de volumen reducido. Por lo tanto menos que la temperatura suba considerablemente, el agua será expulsada mediante condensación. A través del Ejemplo 1 del Anexo E se comprueban estas afirmaciones. 1.3.3.2.- Punto de Rocío. Unos de los principales conceptos para señalar el grado de humedad de un aire comprimido o de un aire ambiente es el punto de rocío. Este determina, la temperatura a la cual el aire llega al punto de saturación; esto es, el aire se convierte en aire saturado. No se producirán condensaciones si la temperatura del aire se mantiene por encima del punto de rocío, pero un enfriamiento del aire por debajo de la temperatura del punto de rocío, trae consigo que el vapor contenido en el aire comienza a condensar en forma de agua líquida. La principal utilización del concepto de punto de rocío, está en el campo del aire seco, donde es un parámetro para indicar la mayor o menor sequedad del mismo. Puntos de rocío muy bajos reflejan aire muy seco, por lo tanto, de gran calidad; puntos de rocío elevados suponen aires con altas humedades relativas. 1.3.4 – Presión y Caudal La relación más importante que existe para los componentes neumáticos es la que existe ente la presión y caudal. Si no existe circulación de aire, la presión en todos los puntos del sistema será la misma, pero si existe circulación desde un punto hasta otro, querrá decir que la presión en


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el primer punto será mayor que la del segundo, es decir existe una diferencia de presión. Esta diferencia de presión depende de tres factores:  De la presión inicial  Del caudal de aire que circula  De la resistencia al flujo existente entre ambas zonas. Producto a la comprensibilidad del aire la relación entre la presión y el caudal es bastante compleja. Una caída de presión a través de un objeto y con un máximo caudal, puede variar con la presión inicial y también con la temperatura. Existe un valor de velocidad para el cual el caudal no se puede incrementar independientemente de la diferencia de presión que pueda existir entre la entrada y la salida. A esta velocidad sónica, debido a que el caudal alcanza una velocidad próxima a la del sonido, se marca una frontera entre el flujo sónico y el subsónico, que viene establecido por las ecuaciones: Flujo Sónico

p 2

+ 1.013 ≤ 1.896 ⋅ ( p1 + 1.013)

(11)

Flujo Subsónico

p 2

+ 1.013 > 1.896 ⋅ ( p1 + 1.013)

(12)

Siendo p1 y p2 las presiones de alimentación y salida de válvulas , respectivamente. En el diagrama de la Figura 2E del Anexo E se representa las características anteriormente descritas. El caudal “Q” vendría dado por las expresiones:  Para flujo sónico: Q = 22.2 ⋅ s ⋅ p 2 

+ 1.013 ⋅ ( p1 − p 2 )

(13)

Para Flujo Subsónico. Q = 22.2 ⋅ s ⋅ p 2

+ 1.013 ⋅ ( p1 − p 2 )

(14)

Siendo: s.– la sección equivalente por donde atraviesa el flujo. Un sistema neumático nunca funcionará de forma satisfactoria en condiciones de flujo sónico porque, por ejemplo, una presión de alimentación de 6 bar no quedaría nada más que 2.7bar para trabajar. Véase Figura 2E del Anexo E. 1.4.- El Sistema Neumático. Compresión, Distribución y Tratamiento del Aire. Siguiente Anterior Índice

1.4.1.- El Sistema Neumático Básico. El suministro de aire comprimido en un sistema neumático debe ser adecuadamente calculado y hacerse disponible con la calidad adecuada. El aire es comprimido por un compresor de aire y enviado al sistema de distribución de aire. Para asegurar una adecuada calidad de aire se utilizará un equipamiento de servicios o tratamiento del aire el cual, prepara el aire antes de ser enviado al sistema de control. Los cilindros neumáticos, los actuadores de giros y los motores de aire, suministran la fuerza y el movimiento a la mayoría de los sistemas de control neumáticos para sujetar, mover, formar y procesar el material. Para accionar y controlar estos actuadores, se requieran otros


16 ____________________________________________________________________________

componentes neumáticos como lo son; las unidades de tratamiento del aire para preparar el aire comprimido y válvulas para controlar la presión, el caudal y el sentido de movimiento de los actuadores. Un sistema neumático básico, representado en la Figura 1.7, se compone de dos partes fundamentales:  El sistema de producción y distribución de aire.  El sistema de consumo de aire o utilización

Figura 1.7. El Sistema Neumático Básico 1.4.1.1.- Sistema de Producción de Aire. Las partes componentes son: 1. Compresor. 2. Motor Eléctrico. 3. Presostato. 4. Válvula Antirretorno. 5. Depósito de aire. 6. Manómetro. 7. Purga Automática. 8. Válvula de Seguridad. 9. Secador de Aire Refrigerado. 10. Filtro de Línea. 1.4.1.2.- Sistema de Utilización. Las partes componentes son: 1. Purga de aire: El aire es tomado de la parte superior de la tubería principal para permitir que la condensación ocasional permanezca en la tubería principal. 2. Purga Automática: Cada tubo descendente debe tener una purga en su extremo inferior. El método más eficaz es una purga automática que impide que el agua se quede en el tubo en caso que se descuide la purga manual.


17 ____________________________________________________________________________ 3. Unidad de Acondicionamiento del Aire: Acondiciona el aire comprimido para suministrar

aire limpio a una presión óptima y ocasionalmente añade lubricante para alargar la duración de los componentes del sistema neumático que necesitan lubricación. 4. Válvula Direccional: Proporciona presión y pone a escape alternamente las dos conexiones del cilindro par controlar la dirección del movimiento 5. Actuador: Transforma la energía potencial del aire comprimido en trabajo mecánico. En la Figura se muestra un cilindro lineal, pero pudiera ser un actuador de giro, una herramienta neumática, etc. 6. Controladores de velocidad: Permite una regulación fácil y continua de la velocidad del movimiento del actuador. 1.4.1.3.- Características Generales. El mal funcionamiento del sistema neumático puede ser reducido considerablemente, si el aire comprimido es correctamente preparado. Varios factores deben ser tomados en cuenta en la preparación de los servicios del aire:  Cantidad de aire requerido para satisfacer las demandas del sistema.  Tipo de compresor a ser utilizado para producir la cantidad requerida .  Requerimiento de presión.  Requerimiento de almacenaje.  Requisitos de limpieza del aire.  Niveles de humedad aceptables para reducir la corrosión  Requerimiento de lubricación si es necesario.  Temperatura del aire y efectos sobre el sistema.  Dimensiones de válvulas y tuberías para satisfacer las demandas.  Selección del material para satisfacer los requerimientos del entorno y del sistema.  Puntos del drenaje y salidas de aire de escape en el sistema.  Disposición del sistema de distribución para satisfacer las demandas. Por regla general los componentes neumáticos son diseñados para una presión máxima de operación de 8-10bar , pero en práctica se recomienda una presión de operación de 5-6 bar para un uso económico. Como existen pérdidas de presión en el sistema de distribución, el compresor debe suministrar entre 5.5-7 bar . 1.4.2 – Compresores. Un compresor convierte la energía mecánica que produce un motor eléctrico o de combustión interna, en energía potencial, cinética y en grado relativamente pequeño de energía calorífica del flujo. Los compresores de aire se dividen en dos categorías principales: alternativos y rotativos. En el esquema de la Figura 1.8 se muestran dos tipos principales de compresores incluidos en estas categorías:


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Compresores de Desplazamiento

Alternativos

Embolo

Diafragma

Rotativos

Paleta

Tornillo

Figura 1.8. Tipos principales de compresores utilizados en los Sistemas Neumáticos 1.4.2.1.- Compresores Alternativos. Compresor de Embolo de una Etapa. El principio de funcionamiento es el de biela–manivela–pistón, el aire es aspirado a presión atmosférica, comprimiéndolo a la presión deseada con una sola etapa de compresión. Este tipo de compresor, alternativo, se utiliza generalmente en sistemas que requieren aire en la goma de 3-7bar . Compresor de Embolo de dos Etapas. Cuando un compresor de una sola etapa, comprime el aire por encima de 6bar , el calor excesivo que se crea, reduce en gran medida la eficacia del proceso. Debido a esto, por lo general en las industrias se utilizan compresores de dos etapas. Si la presión final es de 7 bar , la primera etapa normalmente comprime el aire hasta aproximadamente 3 bar , tras lo cual se enfría. Se alimenta entonces el cilindro de la segunda etapa que comprime el aire hasta 7 bar . El aire comprimido entra en el cilindro de segunda etapa de compresión a una temperatura muy reducida, tras pasar por el refrigerador intermedio, mejorando el rendimiento en comparación con una unidad de una sola compresión. La temperatura final puede estar alrededor de los 120 ºC . Compresor de Diafragma. Los compresores de diafragma suministran aire comprimido y seco hasta 5 bar y totalmente libre de aceite, por lo que se utilizan ampliamente en las industrias alimenticias, farmacéuticas y similares. El principio de funcionamiento es el mismo que en los dos casos anteriores, solo que el diafragma es colocado en la cabeza del pistón. En el Anexo B se muestra las Figuras 1B, 2B y 3B donde se esquematiza los tres tipos de compresores anteriormente descritos. 1.4.2.2.- Compresores Rotativos. Compresor de Paletas. Deslizantes. Este, esta formado por un rotor excéntrico, con una series de paletas que se deslizan por el interior de ranuras radiales. ∙

∙

∙

∙


19 ____________________________________________________________________________

La lubricación y estanqueidad se mantienen inyectando aceite en la corriente de aire cerca de la entrada. El aceite actúa también como refrigerante para eliminar parte del calor generado por la compresión, para mantener la temperatura alrededor de los 30 ºC . Compresor de Tornillos. Cuenta con dos rotores helicoidales (tornillos) que engranan girando en sentidos contrarios, donde el espacio libre entre ellos disminuye en volumen axialmente, comprimiendo el aire que queda atrapado entre los rotores. Con la utilización de aceite se lubrica y cierra herméticamente ambos tornillos, los separadores de aceite, eliminan el mismo del aire de salida. Con estas máquinas se pueden obtener caudales continuos y elevados, de más de 400 3 m /min, a presiones superiores a los 10 bar , este tipo de compresor, a diferencia del compresor de paleta, ofrece un suministro continuo y libre de altibajos. El tipo de compresor industrial más común sigue siendo la máquina alternativa, aunque los tipos de tornillos y paletas, se están utilizando cada vez más. En las Figuras 4B y 5B del Anexo B se esquematizan ambos tipos de compresores. 1.4.2.3.- Rendimiento Global del Proceso de Compresión. ∙

∙

Rendimiento Volumétrico Rendimiento Volumétrico =

Aire Libre Descargado Desplazamiento

⋅ 100%

El rendimiento volumétrico varía según el tamaño, tipo y fabricación de la máquina, números de etapas y presión final. El rendimiento volumétrico de un compresor de dos etapas, es inferior a el del compresor de una sola etapa, pues tanto los cilindros de la primera como de la segunda etapa, presentan volúmenes muertos. Rendimiento Térmico. Aparte de las pérdidas descritas anteriormente, existen también efectos térmicos que bajan el rendimiento de la compresión del aire. Estas pérdidas reducen aun más el rendimiento global dependiente del coeficiente de compresión de la carga. Un compresor que trabaja a capacidad casi total, acumula una gran cantidad de calor y pierde rendimiento. En el compresor de dos etapas, el coeficiente de compresión por etapas es menor y el aire, comprimido parcialmente en el cilindro de primera etapa, se enfría en un refrigerador intermedio, antes de ser comprimido a la presión final en el cilindro de segunda etapa. En el diagrama de la Figura 1.9 se comparan los rendimientos globales típicos de compresores de una y dos etapas, para varias presiones finales. ∙

Figura 1.9. Diagrama de rendimiento global de compresores de 1 y 2 etapas


20 ____________________________________________________________________________

Para presiones finales bajas, es mejor un compresor de una etapa, puesto que su rendimiento volumétrico es más elevado. Sin embargo, con más presión final en aumento, las pérdidas térmicas son cada vez más importantes y son preferibles compresores de dos etapas con rendimientos térmicos elevados. El consumo especifico de energía es una media del rendimiento global, y se puede utilizar para estimar el costo de producción del aire comprimido. Se puede estimar como promedio, que se necesita 1 kW de energía eléctrica para producir 120–150 L/min para una presión de trabajo de 2bar . 1.4.3.- Accesorios del Compresor. 1.4.3.1.- Deposito de Aire Comprimido. Se encuentra colocado después del refrigerador final, amortiguando las oscilaciones en el caudal de aire, a medida que se consume. Sus funciones son las de almacenar una cantidad suficiente de aire para satisfacer las demandas que superen la capacidad del compresor y minimizar las cargas y descargas frecuentes del compresor. Sin embargo suministra un enfriamiento adicional para precipitar el aceite y la humedad que llega al refrigerador, antes de que el aire se distribuya posteriormente. La colocación de este depósito de aire en un lugar fresco representa una ventaja. El depósito debe estar previsto de una válvula de seguridad, manómetro, porga automática y tapas de inspección para la comprobación o limpieza del interior. Selección del tamaño del Depósito. El tamaño de los depósitos de aire comprimido, se selecciona según las salidas del compresor, el tamaño del sistema y el hecho de que las demandas sean relativamente constante o variables. Los compresores por lo general cuentan con un control automático que normalmente desconectan y conectan entre un limite de presión mínima y máxima respectivamente. Para esto es necesario tener volumen máximo del depósito, para evitar que la conexión y desconexión sean demasiado frecuentes. En el caso de que en vez de un motor eléctrico, se cuente con un motor de combustión interna; las partes móviles del compresor no se detendrán cuando se alcance la presión máxima del sistema, sino que se elevan las válvulas de aspiración de forma que el aire pueda fluir libremente dentro y fuera del cilindro, sin ser comprimido. Para estos casos el depósito que se necesita es pequeño pues la diferencia de presión entre la compresión y la correa de vacío es bastante pequeña. Para el cálculo de volumen mínimo del depósito se emplea la siguiente expresión: ∙

V 0

 0.25 ⋅ Qn  3 =  ⋅ 10 Z ⋅ p − p ( ) 1 2  

donde: p1- Presión máxima en el interior del tanque. p2 - Presión mínima en el interior del tanque. Qn- Caudal suministrado por el compresor (m3 /min) Z - Número de conexiones y desconexiones por hora del compresor.

(15)


21 ____________________________________________________________________________

1.4.3.2.- Filtro de Aspiración. La atmósfera de una ciudad típica puede contener 40 partes por millón /m3 de partículas sólidas. Este se comprime hasta 7 bar , la concentración aumentará hasta 320 partes por millón/m3. Para la fiabilidad y duración del compresor es importante instalar un filtro eficaz y adecuado para impedir el desgaste de los componentes. Este filtro no debe ser demasiado fino, puesto que se reduciría el rendimiento del compresor debido a la elevada resistencia al paso del aire, por lo que partículas (2-5 micras) no se pueden eliminar. La entrada de aire debe estar situada de forma que se aspire aire seco y limpio. El diámetro de los conductos de entrada debe ser lo suficientemente grandes para evitar una excesiva caída de presión. 1.4.4- Deshidratación del Aire. Post–Enfriadores. Luego de la compresión final del aire se encuentra caliente y al enfriarse, el agua se depositará en grandes proporciones en el sistema de tuberías, lo que debe evitarse. La manera más eficaz de eliminar la mayor parte de dicha condenación es someter el aire a una refrigeración posterior, inmediatamente después de la compresión. Los post-enfriadores son intercambiadores de calor que pueden ser unidades refrigeradas por aire o por agua. 1.4.4.1.- Refrigeración por Aire. No es más que un intercambiador de calor al cual se le suministra aire de enfriamiento exterior ya sea de forma natural o forzada. La temperatura de salida del aire comprimido debe ser aproximadamente 15ºC por encima de la temperatura del aire de refrigeración. 1.4.4.2.- Refrigeración por Agua. Como ya se dijo, es un intercambiador de calor, pero en este caso el agua irá por dentro de las tuberías mientras que el aire las circundará en el interior de una cámara, este tipo de postenfriador asegura que el aire que se descarga se encuentre aproximadamente 10 ºC por encima de la temperatura del agua de refrigeración. Para eliminar el condensado acumulado, se colocará una purga automática en la parte inferior de la cámara. Estos post-enfriadores pueden estar equipados con válvulas de seguridad, manómetros y se recomienda la instalación de termómetros tanto para el aire como para el agua. En las Figuras 6B y 7B del Anexo B se encuentran representados ambos tipos de postenfriadores. El cálculo de estos intercambiadores se ofrece en [3]. 1.4.5.- Secadores de Aire. Muchas veces la temperatura del aire a la salida del post-enfriador, puede ser más alta que la temperatura circundante con la cual pasa por las líneas de tuberías, por ejemplo en las noches. Esta situación enfriará al aire comprimido todavía más, por lo que habrá todavía vapor que se condensará. Como se dijo anteriormente, la medida de la seques del aire es el punto de rocío, cuanto más bajo es el punto de rocío, menos humedad queda en el aire. Existen tres tipos principales de secadores de aire que operan por proceso de absorción, adsorción o refrigeración.


22 ____________________________________________________________________________

1.4.5.1.- Secado por Absorción (Secado Coalescente). El secado por absorción es un proceso puramente químico, el cual el aire comprimido es obligado a pasar a través de un agente secante, el cual reacciona con humedad para formar una solución que es drenada desde el fondo del depósito. El agente secante debe ser regenerado a intervalos regulares ya que el punto de rocío se eleva en función del consumo de sales durante el funcionamiento. A presiones de 7 bar son posibles puntos de rocío de 5ºC .  Las principales ventajas de este método son:  Bajo costo inicial  Instalación simple del equipamiento  No presenta partes móviles en su interior  No requiere de energía externa.  Por el contrario presenta ciertas desventajas:  Costos de operación elevadas.  Baja eficiencia para gran número de aplicaciones.  La temperatura de entrada no debe ser exceder los 30 ºC .  Los productos químicos implicados son altamente corrosivos, necesitando un filtrado cuidadosamente comprobado con el objetivo de asegurar que ninguna fina partícula corrosiva viaje por el sistema neumático (Ver Figura 8B, Anexo B). 1.4.5.2.- Secado por Adsorción (Desecante). Con la adsorción, la humedad se deposita en la superficie de un sólido (agente secante). Este agente secante es un material granural como la silica-gel o la alúmina activada. Cuando el agente secante se satura, es regenerado por calentamiento o utilizando la pérdida de calor de una parte del aire previamente secado (Ver Figuras 9B y 10 B, Anexo B). Un indicador de calor puede ser incorporado al desecante para comprobar el grado de saturación. El microfiltrado es esencial a la salida del secador pasa prevenir el arrastre de partículas adsorbentes. El costo inicial y de funcionamiento es relativamente alto, pero los costos de mantenimiento tienden a ser bajos. 1.4.5.3.- Secado por Refrigeración. Un secado por refrigeración es una unidad mecánica que incorpora un circuito de refrigeración con dos intercambiadores de calor. El aire húmedo de entrada, a alta temperatura es pre-enfriado en el primer intercambiador de calor, donde transfiere parte de su calor al aire frío de salida. Luego este aire pasa al segundo intercambiador de calor donde transfiere gran parte del calor a expensas de la evaporación del refrigerante utilizado. En este momento la humedad y las partículas de aceite se condensan y son drenadas automáticamente. Con este método se logran puntos de rocío de 2 a 5 ºC . Por lo general el costo de secado del aire comprimido puede representar entre el 10 % y el 20% del costo de aire comprimido. En la Figura 11B del Anexo B se representa un esquema de este tipo de secador.


23 ____________________________________________________________________________

1.4.5.4.- Separador de Condensados. Cuando se desea mejorar la calidad de la red de aire comprimido, y no hace falta necesariamente un secador:  Porque no se necesita un grado de secado tan alto.  Porque no puede ser usado en lugares donde no se admiten fuentes de energía.  Porque es demasiado caro y no se justifica la inversión. Los separadores de condensados, son elementos imprescindibles, colocándose a la salida del compresor, su eficacia en la eliminación de condensados es de un 99%, es compacto y no necesita sustitución, es compacto, con lo cual su mantenimiento es nulo.

Figura1.10. Esquema de Instalación de un separador de condensados. 1.4.6.- Distribución del Aire. Con el objetivo de hacer llegar el aire comprimido a los lugares de consumo, se colocan tomas de aire de distribución de forma permanente. También se colocan válvulas de aislamiento para dividir la línea de distribución en secciones, con el fin de limitar el área, que deba ser vaciada durante periodos de mantenimiento o reparación. Existen dos configuraciones para el trazado de la línea de distribución: 1. Final de línea muerta. 2. Conducto principal de anillo. Con el objetivo de favorecer el drenaje, las tuberías de trabajo tienen una pendiente entre el 1% y el 2% en dirección al movimiento del fluido y deberán ser correctamente purgadas a intervalos regulares, la línea principal debe ser devuelta a su altura original mediante dos largos tubos curvados en ángulo recto y colocando una desviación de purgas en el punto más bajo, para el caso de final de línea muerta.


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El sistema de conducto general en anillo, es posible alimentar por ambos lados un punto de consumo elevado, lo que permite minimizar la caída de presión. El agua es llevada en cualquiera de las direcciones, debiéndose colocar tomas de salidas de agua con purgas automáticas. 1.4.6.1.- Líneas Secundarias. El conducto de distribución de aire actúa como una superficie refrigerante, en el cual el aceite y el agua se acumulan a lo largo de su longitud, a menos que previamente sea colocado un post–enfriador eficiente y un secador de aire. Las derivaciones de las líneas se toman de la parte superior del conducto principal, para impedir que el agua de dicho conducto entre en ella. Mientras que deberá purgarse de la parte inferior de la caída del conducto (Ver Figura 1.11 a, b). Los puntos de purgas deben ser colocados en puntos idóneos a lo largo del recorrido, en cada punto bajo. Deberá purgarse manualmente a intervalos regulares o estar previstos de purgas automáticas.

Figura 1.11 Salidas de aire (a) y agua (b). 1.4.6.2.- Purgas Automáticas. Las purgas automáticas son un poco más costosas de instalar, pero se compensan con las horas de trabajo que se ahorran con respecto al funcionamiento manual. Con la utilización de la purga manual, la negligencia trae problemas con la contaminación del conducto principal. Existen dos tipos de purgas automáticas: 1. Purga automática flotador 2. Purga automática motorizada. La purga automática motorizada ofrece las ventajas de poder trabajar en cualquier orientación y es altamente resistente a la vibración, resultado idóneo para compresores móviles en los sistemas neumáticos de automóviles. En la Figuras 12B y 13B, se ofrecen los esquemas de funcionamiento de dichos dispositivos. 1.4.7 – Selección del Tamaño de los Conductos Principales de Aire. La selección del diámetro de la tubería es un parámetro importante para correcto funcionamiento del sistema neumático. Una reducción en el diámetro de la tubería, aunque baja el coste inicial de la instalación, hace aumentar la caída de presión del sistema, incrementando así el costo de funcionamiento; superando el costo adicional de una tubería de diámetro mayor. La caída de presión desde el compresor al extremo de la derivación de la tubería no debe superar los 0.3bar . En ocasiones el tamaño del conducto del aire y las derivaciones se calculan limitando la velocidad del aire, que normalmente se recomienda que sea de 6 m/s, mientras que los sub–


25 ____________________________________________________________________________

circuitos pueden funcionar a velocidades de hasta 20m/s (a presión de 6bar y pocos metros de longitud. El nomograma de la Figura 1E del Anexo E permite determinar el diámetro de la tubería más idóneo. Los accesorios provocan un rozamiento adicional que se expresa como longitud adicional o equivalente de tubería. La Tabla 2 del Anexo E muestra las longitudes de tubería equivalente para distintos accesorios. La caída de presión se puede calcular mediante la expresión:

∆ p =

β

⋅

V 2

R ⋅ T D

⋅ L ⋅ p

(16)

donde: ∆ p-

Caída de presión, bar. p- Presión, bar R - Constante de los gases (29,27 para aire). T - Temperatura absoluta (t [ºC ]+ 273) [K ]. D- Diámetro de la tubería, mm. L- Longitud de la tubería. m. G- Cantidad de aire suministrado en kg/h.

(1kg/h = 60x1.3m3n/min). β -

Índice de resistencia o grado medio de rugosidad. Esta longitud varía con la cantidad de aire suministrado. Los valores se muestran en la Tabla 3, Anexo E. 1.4.7.1.- Materiales para Tubería. Tuberías de Gas Estándar. No son más que las tuberías de acero galvanizado o hierro maleable. La tubería galvanizada pude ser roscada para ser acoplada a la amplia gama de accesorios existentes, aunque para diámetros mayores de 80mm se recomienda uniones embridadas soldadas. Tubería de Acero Inoxidable. Se utiliza mayormente en tramos largos y rectos de grandes diámetros. Tubos de Cobre. Se instalan cuando se necesitan resistencia a la corrosión, al calor y una rigidez elevada. Se puede utilizar tubos de cobre con diámetro nominal de hasta 40 mm, aunque para diámetros mayores de 28mm, resultan relativamente caros. Los accesorios son fáciles de instalar. Tubos de Goma ( Manguera de Aire) Las mangueras de goma o plástico reforzado son las más adecuadas para herramientas neumáticas manuales, puesto que ofrece flexibilidad para la libertad de movimiento del operador. Se recomienda en aplicaciones en herramientas y aplicaciones donde el tubo está expuesto a desgastes mecánico. Tubos de PVC o de Nylon. Se emplean normalmente par la interconexión de componentes neumáticos. Presentan ventajas para la instalación, aunque están limitadas por la temperatura de trabajo en caso de ∙

∙

∙

∙

∙


26 ____________________________________________________________________________

requerir buena flexibilidad, se encuentran de nylon o poliuretano, sin embargo las presiones admisibles son menos. 1.4.8.- Filtraje. Luego de la compresión y el post–enfriamiento el aire comprimido puede arrastrar consigo, finas partículas de aceite carbonizado, cascarilla de tubería y otras materias extrañas como por ejemplo material de sellaje desgastado que forma sustancias gomosas y hasta incluso restos de humedad. Todo esto repercute negativamente sobre el equipamiento neumático, incrementando el desgastes de juntas y componentes, deformación de las juntas, corrosión y atasco de válvulas. Par eliminar estos contaminantes es necesario limpiar el aire lo más cerca posible del punto de utilización. 1.4.8.1.- Filtro de Línea Principal. Es un filtro de gran capacidad que se instala después del depósito de aire, con el objetivo de eliminar de este la contaminación, los vapores de aceite procedentes del compresor y el agua. El mismo debe tener una mínima caída de presión y buen capacidad para eliminar los vapores de aceite procedentes del compresor, evitando así la emulsión de la línea con el líquido condensado. Debe poseer una purga de drenaje automático, bien sea incluida o acoplada, para la descarga regular del agua acumulada. El filtro es generalmente del tipo cartucho de cambio rápido. Ver Figura 14B del Anexo B. 1.4.8.2.- Filtro Estándar. Este cuenta con un separador de agua y un filtro combinado. Aunque el aire no se haya deshidratado completamente, en él se recogerá gran cantidad de agua y serán retenidas impurezas sólidas de polvo y óxido. La separación del agua y las partículas más pesadas de suciedad, se logra con la rotación rápida del fluido provocada por un deflector a la entrada. El elemento filtrante elimina las partículas más finas de polvo, óxido y aceite carbonizado al fluir el aire hacia la salida; se eliminan todas las partículas contaminantes de hasta 5 micras. El elemento filtrante puede quitarse fácilmente, lavarse y reutilizarse un cierto número de veces antes de que sea necesario sustituirlo debido a la caída de presión excesiva que provocaría. Ver Figura 15B del Anexo B. Si el agua se acumula a gran velocidad es aconsejable la colocación de una purga automática. 1.4.8.3.- Filtro Micrónico. Se utiliza cuando la contaminación por vapor de aceite es desaconsejable. El polvo queda atrapado a través del elemento micro-filtrante. El vapor de aceite y la neblina de agua se convertirán en líquido por una acción coalescente dentro del material filtrante, que se recogen dentro del vaso. Ver Figura 16B del Anexo B. 1.4.8.4.- Filtro Sub-Micrónico. El principio de este es el mismo que el del filtro micrónico, pero el elemento filtrante cuenta con capas adicionales de mayor eficacia filtrante. Se eliminan virtualmente todo el aceite y el agua y las partículas más finas de hasta 0.01 micras, ofreciendo máxima protección a dispositivos neumáticos de medición, pintura pulverizada electrostática, limpieza y secado de accesorios electrónicos, etc. 1.4.8.5.- Selección del Filtro. El tamaño de un filtro requerido para una aplicación en específico depende de tres factores:


27 ____________________________________________________________________________

1. Caudal máximo de aire comprimido utilizado por el equipo neumático. 2. Caída de presión máxima aceptable para la aplicación. Los fabricantes, por lo general suministran diagramas de Caudal/Presión para permitir la correcta selección del filtro. La utilización de un filtro estándar puede no resultar eficaz para velocidades de flujo bajas. 1.4.8.6.- Calidad del Aire. Niveles de Filtraje. En la Figura 1.12 se ilustran los distintos niveles de pureza del aire para diferentes aplicaciones. El aire procedente del compresor, pasa por un post-enfriador provisto de purga automática para eliminar el agua de condensación y la suciedad. Se eliminará más agua de condensación en la purga automática del depósito de aire. Se podrán instalar purgas adicionales en los puntos bajos de los conductos.

Figura 1.12. Definición esquemática de los 7 grados de filtraje. Las derivaciones 1 y 2 proporcionan aire directamente del depósito, mientras que las derivaciones 3-6 utilizan el aire acondicionado por un secador del tipo refrigerado. Las aplicaciones típicas se muestran en la Tabla 4 del Anexo E, mientras que la simbología utilizada se muestra en el Anexo A. 1.4.9.- Regulación de Presión. Por encima del nivel óptimo de presión, se produce un desgaste rápido y excesivo de los componentes neumáticos con un incremento mínimo y nulo de efectividad y por el contrario, cuando la presión de aire es demasiado baja, el proceso se hace antieconómico pues el rendimiento disminuye. 1.4.9.1.- Regulador Estándar. Los reguladores de presión cuentan con un émbolo o diafragma para equilibrar la presión de salida contra la fuerza regulable del resorte (Figura 1.13). La presión de salida se predispone


28 ____________________________________________________________________________

regulando el tornillo que carga el resorte de regulación, para mantener abierta la válvula principal, permitiendo que el aire fluya desde el orificio de entrada a la presión p1 al orificio de presión de salida p2 . Cuando el circuito conectado con la salida se encuentra a la presión preestablecida, actúa sobre el diafragma, creando una fuerza elevadora contra la carga del resorte. Cuando la presión de salida sube por encima del valor regulado ya sea por una nueva regulación a una presión de salida más baja o bien por un impulso contrario externo desde el actuador, el diafragma se eleva para abrir el asiento de alivio, de manera que la presión en exceso pueda ser evacuada por el orificio de escape en la cápsula del cuerpo del regulador. En la Figura 17 B del Anexo B, se muestra la función de descarga.

Figura 1.13. Principio del Regulador de Presión. 1.4.9.2.-Regulador Pilotado Internamente. Un regulador de presión accionado por piloto ofrece una mayor precisión en la regulación de presión dentro de una amplia gama de caudales. Esta precisión es obtenida sustituyendo el resorte de regulación (de un regulador estándar) por una presión piloto a partir de un pequeño regulador de pilotaje situado en la unidad. Ver Figura 19 B, Anexo B. 1.4.9.3.- Selección del Tamaño de un Regulador de Presión. El tamaño de un regulador de presión, se selecciona para obtener el caudal deseado para la aplicación, con una variación mínima de presión en toda la gama de caudales de la unidad. Los fabricantes suministran información gráfica respecto a las características de caudal de sus equipos. El más importante es el diagrama de Caudal/Presión que representa la evolución de P 2 al aumentar el caudal. Ver Figura 1.14.

Figura 1.14. Diagrama Caudal/Presión.


29 ____________________________________________________________________________

La curva presenta tres partes distintas: I. Poco consumo, con un pequeño intersticio en la válvula que no permite aun una regulación real. II. Gama de caudales en la que es efectiva la regulación. III. Gama de saturación; la válvula está completamente abierta y una regulación sería imposible. Existen otros tipos de reguladores de presión con numerosas ventajas y aplicaciones específicas descritas ampliamente en [4], como lo son:  Regulador de presión con válvula antirretorno.  Regulador de presión para equilibrio de cargas.  Regulación proporcional de la presión. 1.4.10.- Multiplicación de la Presión. Cuando es necesario trabajar con una presión superior a la de la red, se coloca un dispositivo llamado Multiplicador de Presión cuyo principio es utilizando una relación entre superficies; de tal manera que una de ellas (la mayor conectada a la presión de la red) sea recibido por otra de menor superficie. Este principio de funcionamiento se representa en la Figura 1.15. Véase Figura 21B del Anexo B.

Figura 1.15. Principio de funcionamiento del multiplicador de presión. De la figura se tiene: p1- Presión de la red. p2 - Presión multiplicada. A1- Área de la red. A2 - Área de multiplicación. Suponiendo un movimiento a velocidad constante y cuasiestático, se podrá establecer un equilibrio de fuerza donde: p1 A1

= p 2 ⋅ A2

Donde la presión de salida se expresará como: p 2

= p1 ⋅

A1 A2


30 ____________________________________________________________________________

1.4.11.- Lubricación del Aire Comprimido. Para los componentes neumáticos modernos la lubricación no es una necesidad, puesto que desde que son fabricados quedan lubricados toda la vida. Su duración y rendimiento satisfacen los requisitos de la moderna maquinaria, con procesos en los que se requieren un gran número de ciclos. Las ventajas de estos sistemas no lubricados son varias, encontrando entre ellas:  Ahorro en el costo del equipo de lubricación, aceite de lubricación y de mantenimiento de los niveles de aceite.  Es más limpio. Los sistemas son más higiénicos y esto es especialmente importante en las industrias alimentarías y farmacéuticas.  La atmósfera queda más limpia de aceite, para un ambiente de trabajo más sano y seguro. No obstante, algunos equipos en que sus condiciones de trabajo son externas, requieren lubricación y de esta forma, se aumenta la vida útil de los mismos. Para asegurarse de que estén continuamente lubricados, se añade cierta cantidad de aceite al aire comprimido por medio de un lubricador. 1.4.11.1.- Lubricadores Proporcionales. En un lubricador proporcional se crea una caída de presión entre la entrada y la salida, directamente proporcional al caudal unitario, haciéndose subir el aceite del vaso al visualizador de goteo. Un lubricador presenta en su línea de entrada una sección transversal constante para producir una mezcla constante de aceite y aire. Esto se debe a que si hubiese una sección transversal constante, para un caudal excesivo, la caída de presión sería muy alta y el sistema se inundaría de aceite; mientras que si el caudal es bajo, la caída de presión también, obteniéndose una mezcla de aceite-aire bastante pobre. Por norma general se permiten una o dos gotas de aceite por ciclo de la máquina. Se recomienda que el aceite sea de origen mineral y puro; de 32 centistokes de viscosidad (ISO VG32). En la Figura 22B del Anexo B se representa un lubricador proporcional típico. 1.4.11.2.- Lubricador por Inyección. Se emplea fundamentalmente en herramientas neumáticas (Rotativas), inyectando una pequeña cantidad de aceite en el conducto que provee el aire comprimido a la herramienta. Estos requieren de una señal de presión para accionar el pistón de una pequeña bomba de vástago. En la Figura 1.16 se muestra la forma en que opera este lubricador.

Figura 1.16. Circuito de lubricador de inyección con herramienta manual.


31 ____________________________________________________________________________

El transformador de señal es un dispositivo que emite la señal de presión cada vez que se inicia un flujo de aire hacia la herramienta. La transportación del aceite se realiza a través de un tubo capilar ubicado en el interior de la tubería de aire y con su extremo a corta distancia antes de la entrada de la herramienta. En este punto se prevé que el aire atomice el aceite que emerge del tuvo capilar. En la Figura 23B del Anexo B se muestra el funcionamiento de un lubricador por inyección. 1.4.11.3.- Lubricador de Micro-Niebla. Este tipo de lubricador asegura una pulverización del aceite extrafina, necesaria en casos especiales de lubricación, como por ejemplo instalaciones que cuentan con circuitos intrincados con muchas curvas. Debido a la fineza de la lubricación obtenida con estos elementos y con el ánimo de mantener una calidad uniforme, es aconsejable, instalar antes del lubricador, un filtro que asegure la retención de partículas sólidas de tamaño muy fino así como también, en lo posible, partículas de aceite provenientes del compresor. En la Figura 24B del Anexo B se muestra uno de estos elementos. 1.4.11.4.- Sistemas de Lubricación Centralizada. El principio básico de este sistema consiste en hacer burbujear el aire en el lecho del aceite luego de provocar la diferencia de presión necesaria que garantice este burbujeo. De esta forma se genera una cantidad de micro-niebla proporcional a la presión diferencial que se logra mediante una restricción regulable. Estos elementos ocasionan cierta caída de presión. Cualquier caída de presión provoca un gasto, lo cual se puede mejorar utilizando un lubricador por burbujeo, con amplificador. En las Figuras 25B y 26B del Anexo B, se muestran las unidades típicas de lubricación centralizada y de lubricación por burbujeo con amplificación. Las principales ventajas de los sistemas de engrase centralizado son:  Mínimo caudal de arranque.  Escasa caída de presión (con amplificación)  Alto caudal máximo.  Inmediata respuesta.  Extraordinario alcance.  Fácil maniobrabilidad.  Reducción del costo de mantenimiento de la instalación.  Optimización del consumo de aceite.  Unidades Filtro-Regulador-Lubricador. 1.4.11.5.- Unidades Filtro-Regulador-Lubricador. Los elementos compuestos por filtro, regulador de presión y lubricador modulares, pueden estar combinados en una unidad se servicios, conectándolos con bloques de unión y anclaje. El tamaño de esta unidad modular, debe seleccionarse de acuerdo al caudal unitario máximo del sistema. Generalmente los fabricantes proporcionan esta información. En la Figura 27B se representa una típica unidad en configuración modular de estas características. 1.5.- Actuadores Neumáticos. Siguiente Anterior Índice


32 ____________________________________________________________________________

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. 1.5.1.- Actuadores Lineales. Existen dos tipos de cilindros neumáticos fundamentales:  Cilindros de Simple Efecto con una entrada de aire para producir una carrera de trabajo en un sentido.  Cilindros de Doble Efecto con dos entradas de aire para producir carreras de trabajo de salida y retroceso. 1.5.1.1.- Cilindros de Simple Efecto. Como se dijo anteriormente, un cilindro de simple efecto desarrolla el trabajo en un solo sentido, el émbolo retorna por medio de un resorte interno o por algún otro medio externo como pueden ser cargas, movimientos mecánicos, etc. Pueden ser del tipo de “vástago retraído” o “vástago extendido”, siendo el primero el más difundido. En la Figura 1.17 se muestra un 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. La presencia del resorte, además implica una longitud global del cilindro mayor y una longitud de carrera limitada.

Figura 1.17. Cilindro de Simple Efecto del tipo vástago retraído. 1.5.1.2.- Cilindro de Simple 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 no es válida solamente si el cilindro debe mover la misma carga en ambos sentidos. Ver Figura 1.18.

Figura 1.18. Cilindro de Doble Efecto.


33 ____________________________________________________________________________      

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. 1.5.1.3.- Construcción del Cilindro. En la Figura 1.19, 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. Figura 1.19. Diseño de un cilindro neumático en posición de amortiguación posterior. 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 Eje 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.


34 ____________________________________________________________________________

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. En la Figura 1C del Anexo C, se muestra la gran diversidad de juntas de sellaje. 1.5.1.4.- Amortiguación. Como se hizo referencia anteriormente, los cilindros neumáticos pueden desarrollar velocidades elevadas, obteniéndose fuerzas de choque considerables en los finales de carrera. En el caso de cilindros pequeños, cuentan con una amortiguación fija, como lo pueden ser amortiguadores elásticos de goma. En cilindros más grandes se emplea la amortiguación neumática, desacelerando el émbolo en la parte final de la carrera. Esta última se logra atrapando parte del aire de escape cerca del punto de final de carrera y lo evacua más lentamente a través de una restricción regulable. Ver Figura 2C del Anexo C, donde se muestra este sistema. Para desacelerar grandes cargas o altas velocidades del cilindro se necesita un amortiguador externo. Si la velocidad del émbolo supera los 500 m/s, será necesario un tope mecánico externo, al igual que en los casos en que exista amortiguación incorporada. Siempre es necesario verificar la velocidad máxima del actuador, que puede desarrollar en función de la masa a trasladar. Esta velocidad se puede desarrollar mediante la expresión: V max

=

2 ⋅ E Z m + k + S t

(18)

donde: E Z- Energía cinética máxima que puede desarrollar la masa en movimiento y las piezas que componen el cilindro, [ J ]. Ver Tabla 5 del Anexo E. m- Masa a trasladar, [kg ]. k- Masa del émbolo, [ kg ]. S t - masa del vástago por cada 100mm de carrera, [ kg ]. V máx - Velocidad máxima que podrá desarrollar el cilindro, [ m/s]. En la Tabla 5 del Anexo E, se brinda información sobre el peso de las piezas de diámetros comprendidos entre 32 y 160mm, según ISO 4393 e ISO 497R10. Una vez verificada la velocidad máxima, si no se cumplen los requisitos exigidos, el diámetro del cilindro habrá que variarlo. Existen variantes especiales de amortiguación para el caso de movimientos a altas velocidades (por debajo de V máx ) de grandes masas. Los dos casos más difundidos son los cilindros con súper-amortiguación y los amortiguadores hidráulicos. Ambos casos se muestran en las Figuras 3C y 4C del Anexo C. Estos sistemas de amortiguación son útiles en todo tipo de aplicación, donde exista el problema del frenado de masas en sus puntos finales de carrera y especialmente en sistemas donde la frecuencia, presión de posición y la suavidad de amortiguación, tengan una gran importancia, como por ejemplo la amortiguación de brazos de robots, manipuladores, paradas de grandes masas en líneas transportadoras, líneas de transferencia, amortiguación de masas en caída libre, etc. 1.5.2.- Selección de Actuadores Lineales. Para la selección de un actuador lineal se siguen los siguientes pasos fundamentales:


35 ____________________________________________________________________________

Cálculo de la Fuerza.  Verificación del pandeo.  Capacidad de Amortiguación.  Fuerzas Radiales.  Consumo de Aire Comprimido. 1.5.2.1.- 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. El cálculo de la fuerza para un cilindro de doble efecto se realiza mediante las siguientes cuatro expresiones: 

F 2

=

F 1

F T

=

F 2

A s Ar

= =

λ

; [ kgf ]

(19)

; [ kgf ]

(20)

µ

π ⋅ D 400

2

; [cm 2 ]

π ⋅ ( D 2

− d 2 )

400

; [cm]

donde: F 1- Fuerza necesaria para realizar trabajo. F 2- Fuerza real necesaria en el cilindro. F T- Fuerza teórica del cilindro. λ -

Factor de carga para reducir la aceleración.

Para velocidades normales: λ =0.7; según [7]. Para velocidades altas: λ =0.4-0.5; según [7]. µ - Eficacia o rendimiento interno.

D- Diámetro del cilindro (émbolo). d - Diámetro del cilindro por el lado del vástago. p- Presión relativa de trabajo.

(21) (22)


36 ____________________________________________________________________________

Figura 1.20. Rendimiento Interno. Para un actuador de simple efecto, a la fuerza teórica calculada hay que reducirle no sólo la fuerza de rozamiento sino también la fuerza del resorte interno. Como para estos cilindros sólo es de interés el cálculo de la fuerza necesaria, se obtiene:  π ⋅ D 2   − k ⋅ x F 2 = P ⋅  400  

(23)

donde: k - Constante elástica del muelle. x - Longitud que se deforma el muelle. Con el objetivo de realizar cálculos prácticos se utiliza el nomograma que se representa en la Figura 1.21 para presiones de 5.7 o 10 bar ; además del empleo de la documentación técnica facilitada por los fabricantes. La fuerza necesaria depende por lo general de la masa de la carga, el ángulo del movimiento de elevación, del rozamiento, de la presión de trabajo y del área efectiva del émbolo. Otro coeficiente importante para el cálculo de cilindros, es el llamado Coeficiente de Carga, que se expresa por la relación: C 0

=

Fuerza necesaria Fuerza Teórica

× 100%

Este coeficiente toma en consideración una disponibilidad adicional de energía, la que permite acelerar la carga hasta la velocidad preestablecida. Normalmente un cilindro no debe tener un coeficiente de carga mayor del 85% y en caso de que se quiera un control preciso de la velocidad o la carga, no se debería superar el 70%. La Tabla 6 del Anexo E, E, proporciona los coeficientes de carga resultantes en aplicaciones con cilindros de diámetros de 25 a 100 mm, para distintas masas y utilizando coeficientes de fricción de 0.01 para la rodadura y de 0.2 para metalmetal.


37 ____________________________________________________________________________

Figura 1.21. Fuerza teórica de los cilindros. 1.5.2.2.- 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. Su cálculo se realiza a partir de la ecuación de Euler, [5,6] [5,6]:: F P

=

2 π ⋅ E ⋅ I

(µ ⋅ l )2

(24)

donde: F P P- Fuerza de pandeo. E - Módulo de elasticidad del acero, [8] I- Momento de inercia, ( se tomará el mínimo según el eje de la sección a calcular). l - Longitud del pandeo. Coeficiente que toma en cuenta la forma del pandeo. Ver Figura 1.22. La fuerza de compresión que provoca el pandeo es:

µ -

 π ⋅ D 2   F c = P ⋅   400  donde: D- Diámetro del vástago del émbolo.

(25)


38 ____________________________________________________________________________

Se debe establecer un coeficiente de seguridad para el trabajo confiable del cilindro sometido a este tipo de carga: s

=

F P

(26)

F c

Para el cálculo de los vástagos de los actuadores neumáticos el valor del coeficiente de seguridad “s” no debe ser menor que 5, según [7] [7]..

a. µ=2; b. µ=1; c. µ=2/3; d. µ=0.5 Figura 1.22. Distintos casos de pandeo. La ecuación (24) de Euler presenta un límite de aplicación, esta solo es válida para miembros esbeltos en los cuales: λ ≥

π 2 ⋅ E σ p

(27)

donde: λ -

Esbeltez.

σ p-

Límite de proporcionalidad [8] [8].. Existe un método práctico para la verificación del pandeo o el cálculo final de la longitud de la carrera. Consiste en la utilización del diagrama de la Figura 1.23, el cual se construyó considerando el caso más desfavorable (empotramiento trasero y caída libre), de manera que, utilizando el diagrama (sin conocimiento previo de la instalación del cilindro) no se corre riesgo de equivocación. En las Figuras 5C, 6C, 7C del Anexo C, C, se muestra las distintas formas del montaje de los cilindros, así como el tipo de pandeo que tendrá lugar en cada forma. 1.5.2.3.- 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,


39 ____________________________________________________________________________

provocando la obstrucción del vástago, daños prematuros y acortamiento de la vida útil del cilindro. El valor de la carga máxima que se establecerá sobre el cojinete guía será: F B1

 L  = W S ⋅ 1 + 2   L1 

(28)

Figura 1.23. Verificación del esfuerzo de pandeo. Método gráfico. donde: L1- Longitud del sistema de empotramiento. F B1 - Carga máxima sobre el cojinete guía.

L2 - Longitud del voladizo, (carrera). W S S - Carga en el extremo del vástago.

En la Figura 1.24 se muestra el esquema de análisis de un cilindro teniendo en cuenta estas cargas.

Figura 1.24. Esquema de análisis del cilindro, ateniendo a las cargas radiales.


40 ____________________________________________________________________________

En la Tabla 7 del Anexo E se muestran las longitudes L1 y L2 según el diámetro del cilindro, estableciendo además la carga máxima admisible F B para la cual: F B1

≤ F B

(29)

1.5.2.4.- 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. El consumo medio por hora se calcula por medio de la expresión: Q

=

π ⋅ D 2 4

⋅ L ⋅ P abs ⋅ n

(30)

donde: Q- Consumo medio por hora. D- Diámetro del cilindro. L- Longitud de la carrera. P abs- Presión absoluta (P +1.013). n- Número de carreras del émbolo. Esta última expresión se utiliza para calcular el costo de la energía como parte del costo total del producto. No toma en cuenta los volúmenes muertos de las cámaras. El diámetro del vástago se desprecia en las carreras de retroceso. El caudal máximo o caudal pico se representa mediante la expresión:

 π ⋅ D 2 ⋅ V ⋅ (P + 1.013) ⋅ 60  Qn = 1.41 ⋅   4 × 106  

(31)

donde: Qn- Caudal máximo; [Nl/min] D- Diámetro del cilindro; [ mm] V - Velocidad; [mm/s] p- Presión de trabajo; [bar ] En la Tabla 8 del Anexo E, se muestra el consumo real de aire para cilindros de doble efecto, utilizada para cálculos prácticos. 1.5.3.- 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. Las figuras y una breve descripción de la construcción y el funcionamiento de estos se encuentran en el Anexo C.


41 ____________________________________________________________________________

Cilindro con unidad de Bloqueo. (Figura 8C)  Cilindro de Vástagos Paralelos.(Figura 9C)  Cilindro con Vástago Antigiro. (Figura 10C)  Cilindro Plano.(Figura 11C)  Cilindro de doble Vástago. (Figuras 12C y 13C)  Cilindro Tándem. (Figura 14C)  Cilindro Multi-posicional. (Figura 15C y 16C)  Unidades Deslizantes. (Figura 17C)  Mesa Lineal de Traslación. (Figuras 18C y 19C)  Cilindro de Tope. (Figura 20C)  Cilindro Compacto. (Figura 21C)  Cilindros sin Vástago. (Figuras 22C, 23C y 24C)  Unidades Hidroneumáticas. (Figura 25C) 1.5.4.- Actuadores de Giro. Los actuadores neumáticos de giro son dispositivos que logran producir cierto torque en su vástago. Se pueden lograr hasta 270 0 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. 1.5.4.1.- 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 90 0 y 1800. 

Figura 1.25. Unidad de Giro Piñón Cremallera.


42 ____________________________________________________________________________

1.5.4.2.- 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 °, 180° y 2700, aunque se cuenta con topes regulares para ajustar cualquier ángulo de giro de la unidad.

Figura 1.26. Unidad de giro por paletas. 1.5.4.3.- 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 26C y 27C del Anexo C se muestran dos tipos de mesas giratorias, una con el principio de paletas y otra por cremallera. 1.5.4.4.- 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.

Figura 1.27. Actuador Roto-lineal.


43 ____________________________________________________________________________

1.5.4.5.- 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. La energía cinética de rotación vendrá definida por la siguiente expresión: E C

1

= ⋅ J ⋅ ω 2 2

(32)

donde: J- Momento de inercia de la masa en rotación. En la Figura 28C del Anexo C se brinda una tabla con las formas geométricas más comunes de masas en rotación. [ kgcm2 ] Velocidad angulas que alcanza la masa en rotación; [ rad/s]. (Se asume un movimiento constante de rotación) En la Figura 1.28 se representan tres maneras diferentes para la amortiguación de las masas en rotación. El caso a es el más recomendado, debido a que en el caso b los topes producirían reacciones de flexión tanto en el brazo como en el eje del actuador, mientras que en el caso c , ocasionaría esfuerzos de torsión en el brazo y de flexión en el eje. En vez de topes es recomendada la utilización de amortiguadores, como los del tipo hidráulicos. ω -

Figura 1.28. Parada de los brazos y masas en giro. En resumen para la selección de un actuador de giro es preciso conocer: 1. Forma geométrica y mas de la pieza a rotar. (Cálculo de J ) 2. Tiempo y ángulo de giro de la pieza. (Cálculo de ω ) 3. Energía cinética que es capaz de comunicar el actuador a la pieza. Debe ser capaz de sobrepasar la energía cinética demandada por la masa en rotación.


44 ____________________________________________________________________________

Es de suma importancia tener en cuenta la parte de la energía que es capaz de absorber el actuador en la amortiguación de la masa en rotación. 1.5.4.6.- 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. En la Tabla 9 del Anexo E se muestran valores compartidos de distintos tipos de motores neumáticos. 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.


45 ____________________________________________________________________________

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. El motor adecuado a cada necesidad surge de evaluar estos criterios de selección y elegir según las características de construcción de los diferentes tipos. Debido a las características que posee el portador de energía, el aire comprimido, se consiguen en motores neumáticos comportamientos muy específicos, reflejados en la curva característica de la Figura 1.29.

Figura 1.29. Curva característica de un motor neumático. En esta curva se muestra la dependencia entre la potencia ( P ) y el torque ( M ) con las revoluciones de giro del motor (n). Las magnitudes empleadas en la figura son las siguientes: nN - Número de vueltas nominal. nO – Número de vueltas en vacío. M N – Torque nominal. M A – Par de arranque. M W - Torque de detención. P N - Potencia nominal. 1.5.5.- 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.


46 ____________________________________________________________________________

2. 3. 4. 5. 6.

Pinzas con apertura paralela de los dedos. Pinzas autocentrantes. Pinzas con tres dedos dispuestos a 1200. Pinzas con apertura de los dedos a 1800. Pinzas con apertura angular. En la Figura 1.30 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. En la Figura 29C del Anexo C correspondiente, se esquematiza otro de pinza angular pero con un elevado esfuerzo presil.

Figura 1.30. Pinza con apertura angular de los dedos. 1.5.5.1.- Pinza con Apertura Paralela de los Dedos. En la Figura 1.31 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.

Figura 1.31. Pinzas con apertura paralela. Dedos para presión externa e interna.


47 ____________________________________________________________________________

1.5.5.2.- 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 presil. En la Figura 1.32 se observa una de estas pinzas. El resto de las pinzas de las pinzas enumeradas anteriormente se esquematizan en las Figuras 30C y 31C del Anexo C.

Figura 1.32. Pinza autocentrante. 1.5.5.2.- 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 presil 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 presil puede realizar una pinza se determina mediante gráficas que proporciona el fabricante, similares a la de la Figura 1.33.

Figura 1.33. Gráfica del esfuerzo de pinzas.


48 ____________________________________________________________________________

También es importante tomar en cuenta que en el transporte de las piezas es posible que se produzcan aceleraciones y desaceleraciones fuertes. En este caso es necesario prever una reserva suplementaria de fuera presil como seguridad de la sujeción. Esta reserva se establece en función de la construcción de los dedos, de los valores de velocidad, aceleración, frenado, etc. Para cálculos aproximados se puede tomar valores de fuerza presil entre 10 y 20 veces superior al peso de las piezas. 1.6.- Elementos de Mando Neumático. Válvulas. Siguiente Anterior

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En general, las válvulas comandan e influyen sobre el flujo de aire comprimido, lo guían y en el momento correcto lo distribuyen hacia los componentes que realizan un trabajo. En dependencia de su función específica, se encuentran distintos tipos de válvulas y entre las más significativas encontramos: 1. Direccionales: Controlan el inicio, parada y dirección del aire comprimido. 2. De Bloqueo: Bloquean el flujo en un sentido y luego lo liberan en sentido contrario. 3. De Caudal: Influyen sobre el caudal del medio(aire comprimido) 4. De presión: Influyen sobre la presión del flujo de aire comprimido. 1.6.1- Válvulas de Control Direccional. Una válvula de control direccional, determina el paso de aire por entre sus vías abriendo, cerrando, cambiando sus conexiones internas. Se definen en términos de número de vías, número de posiciones, su posición normal (no activada) y método de activación. El número de vías y de posiciones se expresa mediante la fracción 5/2, 3/2,2/2, etc. La primera cifra indica el número de vías (excluyendo los oficios del piloto), mientras que la segunda se refiere al número de posiciones. Las funciones principales y los símbolos ISO empleados se encuentran representados en la Figura 1.34. 1.6.1.1.- Clasificación. Existen principalmente dos formas de clasificar las válvulas de control direccional, de acuerdo a su modo de posicionamiento y de acuerdo a su construcción. De acuerdo al modo de posicionamiento, estas válvulas se clasifican en monoestables y biestables.

Figura 1.35. Tipos de válvulas. Métodos de Cierre Hermético.


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Las válvulas de retorno por muelle son monoestables, tienen una posición preferencial definida, a la que vuelven automáticamente cuando desaparece la señal en sentido contrario. Una válvula biestable no tiene una posición preferencial, y permanece en cualquier posición hasta que se activa, una de la dos señales de impulso. De acuerdo a su construcción se clasifican en válvulas de asiento y válvulas de corredera, con juntas metálicas o elásticas. La figura 1.35 ilustra los distintos tipos de válvulas de acuerdo a su construcción y método de cierre hermético.


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Figura 1.34. Funciones y Símbolos ISO de las válvulas de control direccional. 1.6.1.2.- Válvula de Asiento. En las Válvulas de asiento, el flujo de aire comprimido es controlado por un disco u obturador, que se eleva perpendicularmente con relación a su asiento, con una junta elástica. Estas, por lo general, son válvulas de vástago vertical, las que pueden ser de dos o tres vías. Para Válvulas de cuatro o cinco vías, sería necesario integrar dos o más válvulas de asiento en una sola válvula. En la Figura 1.36 se observan los principales tipos de válvulas de asiento.

Figura 1.36. Principales tipos de válvulas de asiento. En la Figura 1D del Anexo D, se ilustra una válvula de asiento de 3/2 normalmente cerrada que corresponde al principio de funcionamiento de la válvula de la Figura 1.36b). La configuración de la Figura 1.36 c) es una válvula de asiento equilibrada, donde la presión de entrada actúa sobre superficies iguales y contrarias al émbolo. Esta característica permite que las válvulas se conecten normalmente cerradas (NC) ó normalmente abiertas (NO)


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1.6.1.3.- Válvulas de Corredera. En este tipo de válvula, existe una corredera cilíndrica que se desliza longitudinalmente por el cuerpo de la válvula, mientras que el aire fluye en ángulo recto al movimiento de la corredera. Esta cuenta con superficies iguales de cierre hermético y se encuentra equilibrado en presión. En la Figura 1.37 se muestra la disposición de las correderas y juntas. Por lo general las juntas tóricas están fijadas en la ranura de las correderas que se mueven por alojamientos metálicos.

Figura 1.37. Válvulas con juntas en la corredera. En las Figuras 3D, 4D y 5D del Anexo D se esquematizan otros tipos de válvulas de corredera. 1.6.1.4.- Válvulas Rotativas. Estas cuentan con un disco soporte metálico que se hace guiar manualmente para interconectar las vías del cuerpo de la válvula. El efecto de presión se emplea para forzar el disco contra su superficie de contacto para minimizar la fuga. El suministro de presión se realiza por encima del disco.

Figura 1.38. Válvula rotativa de disco para función de 4/3 con centro cerrado. 1.6.1.5.- Accionamiento de las Válvulas. En general existen cuatro tipos de accionamiento a válvulas de control direccional:


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1. Accionamiento Manual: Se obtiene acoplando una cabeza de accionamiento idónea sobre una válvula de accionamiento mecánico. Figuras 6D y 7D, Anexo D. 2. Accionamiento Mecánico: Las válvulas de accionamiento mecánico pueden detectar las partes móviles de las máquinas, con el objetivo de proporcionar señales de control automático del ciclo de trabajo. Figura 8D y Figura_9D Anexo D. 3. Accionamiento por Pilotaje Neumático: Con este tipo de accionamiento cuentan las válvulas principales para el control direccional de los actuadores neumáticos; se activan por control remoto por medio de otras válvulas o interruptores. Ver Figura 10D, Anexo D. 4. Accionamiento Eléctrico (por solenoide): El accionamiento Eléctrico es realizado por un solenoide y un núcleo interno. Las unidades son conocidas como electroválvulas. En el capítulo 2 se desarrollan estos aspectos. Ver Figura 11D, Anexo D. 1.6.1.6.- Montaje de Válvulas. Para la conexión de válvulas de control direccional, el método más común que se utiliza es el roscado de racores directamente en los orificios roscados de válvulas. Para la total conexión se requiere un racor por cada entrada de aire al cilindro, piloto, vía y entrada de presión, además de un silenciador por cada salida de escape. Otras formas de montajes de válvulas serán descritas a continuación. Bloques de Válvulas. En los bloques de válvulas las vías de entrada de presión y los escapes son comunes para un cierto número de válvulas. Para estos, se recomienda que sean solicitados atendiendo al número de válvulas a colocar, aunque posiciones posteriores sin ocupar pueden ser obstruidas utilizando un accesorio de cierre. Para cinco o más válvulas se recomienda suministrar la presión y colocar silenciadores por ambos extremos del bloque. En la Figura 1.39 se muestra en bloque de válvulas al cual están ajustadas una de 5/3, una 5/2 biestables y dos 5/2 del tipo monoestable. ∙

Figura 1.39. Bloque de Válvulas. Placas Bases Las placas base son los elementos solidarios a las válvulas que cuentan con todas sus vías en la misma cara, diseñadas para ser acopladas con juntas de estanqueidad a dichos elementos. ∙


53 ____________________________________________________________________________

Por lo general las válvulas diseñadas para este tipo de trabajo tienen una capacidad de caudal algo mayor que las diseñadas normalmente del mismo tipo. Estas placas bases pueden ser acopladas unas a otras de forma independiente con el objetivo de lograr una sola unidad o simplemente pueden ser placas bases múltiples. Ambas, de forma análoga a los bloques de válvula, proporcionan el suministro y escape de aire a ciertos números de válvulas, pero las salidas de utilización son obtenidas además por el mismo elemento. En la Figura 1.40 se muestra un ejemplo de Placa Base Múltiple.

Figura 1.40. Placa base múltiple. 1.6.1.7.- Cálculo del Tamaño de las Válvulas. El cálculo para el dimensionado de las válvulas de control direccional presenta dos vertientes, una forma rápida y práctica a través del diagrama presión v.s caudal (P/Q) de la Figura 2E del Anexo E y un método práctico en el cual, si el diagrama anterior no está disponible o es insuficiente se pondrán realizar los cálculos de caudal para distribuidores, racores, tubos, etc; donde los coeficientes que a continuación se describirán son de mucha utilidad: k v: Factor de referencia adimensional, obtenido en mediciones con flujo de agua. Esté coeficiente toma el valor de la unidad cuando 1 dm3 de agua pasa por cada minuto a través del elemento con una pérdida de presión de 1bar . K v : Es el coeficiente Kv utilizando unidades de SI, es decir dejando pasar 1 m3 de agua por segundo. C v : Se utiliza en países anglosajones, no es más que el coeficiente Kv en unidades de USGallones a 60° F por minutos, con una pérdida de presión de 1 psi . F: Es el coeficiente Cv solo que se utiliza el Imperial - Gallones. S: Se conoce como sección equivalente, se expresa en mm2 . Este factor permite representar una válvula o un conjunto de elementos montados en serie, asimilándolo a un orificio de pared delgada situado en una conducción y que provoca la misma restricción de fluido, que el conjunto de elementos considerados. Esta magnitud presenta una gran ventaja, pues sus valores son referidos al aire comprimido y no al agua, lo que permite calcular las pérdidas de carga y caudales resultantes con mayor precisión.


54 ____________________________________________________________________________

Para las aplicaciones neumática clásicas, en las cuales no se alcanza la velocidad crítica (flujo sónico), se emplean las siguientes ecuaciones para el cálculo del caudal: Q = 17.64 ⋅ K V

⋅ ( p 2 + 1.013) ⋅ ∆p ⋅

Q = 400 ⋅ C V

⋅ ( p 2 + 1.013) ⋅ ∆p ⋅

Q = 22.2 ⋅ S ⋅

( p 2 + 1.013) ⋅ ∆p ⋅

273 273 + θ 273 273 + θ 273

273 + θ

(33) (34) (35)

Q- Caudal unitario estándar (Nl/min) P 2- Presión de salida necesaria (bar ). ∆ p- Caída de presión permisible ( bar )

O- Temperatura del Aire ° C

La comprobación de la velocidad crítica de paso (flujo sónico) que se produce cuando la relación entre las presiones de entrada y salida en la válvula cumplen con la ecuación (12) Las relación entre las magnitudes Cv, f, Kv, kv, S y Qn (caudal en Nl/min por cada mm2 de sección equivalente) se representa gráficamente en la Figura 13D del Anexo D. 1.6.2.- Válvulas de Bloqueo. Las válvulas de bloqueo son aquellas que dejan pasar el flujo de aire en un solo sentido, cerrándolo en sentido contrario. Se consideran válvulas de bloqueo:  Válvulas de bloqueo o retención (antirretorno).  Válvula “O”.  Válvula “Y”  Válvula de escape rápido. 1.6.2.1.- Válvula Antirretorno. Las válvulas antirretorno permiten el paso del caudal de aire en un sentido y lo bloquean completamente en sentido contrario. Se construyen con o sin resortes, ya que son válvulas de asiento, libres de fugas. Como elementos de cierre se utilizan bolas, conos y sellos planos. Entre las aplicaciones principales se citan:  Se emplean en combinación con una estrangulación para la regulación de velocidad de sistemas neumáticos o para producir retardo de señales. Ver Figura 14D del Anexo D.  Para bloquear el caudal de retorno en diverso sistemas.

Figura 1.41. Válvula antirretorno.


55 ____________________________________________________________________________

Válvula Antirretorno Desbloqueable. En esta existe la posibilidad de levantar el bloqueo en el sentido de bloqueo por medio de un pilotaje. De esta forma la válvula permite el flujo en ambas direcciones si es deseado. Como son válvulas de asiento, no presentan fugas y pueden utilizarse perfectamente como válvulas de bloqueo. Se utilizan generalmente para la detención de cilindros neumáticos en posiciones intermediarias mediante el bloqueo de los conductos del cilindro. Este bloqueo puede lograrse o por una caída de presión o bien por una señal de mando definida. ∙

Figura 1.42. Válvula antirretorno desbloqueable. 1.6.2.2.- Válvula de Secuencia “O”. Una Válvula “O” entrega una señal cuando en alguna de sus entradas existe una presión, al mismo tiempo se bloquea la entrada opuesta. Se utilizan como cuerpo de cierre, boquillas, conos, sellos, planos. Esta válvula de secuencia se denomina “O” pues permite el flujo de las entradas 1 “o”2 hacia la salida. Se emplea comúnmente para la conexión de componentes en paralelo y como un comando alternado por procesos diferentes.

Figura 1.43. Válvula de Secuencia “O” 1.6.2.3.- Válvula de dos Presiones ‘Y”. En la válvula “Y” la señal de salida solo se entrega si ambas señales de entrada están activas. Esto se logra mediante un pistón con sello en cada lado ( Figura 1.44). El aire que llega de la última señal es el que pasa hacia la salida. Se le denomina válvula “Y” pues solo si hay presión en la entrada 1 ”Y” 2, podrá haber presión en la salida.


56 ____________________________________________________________________________

Se emplean ampliamente cuando se necesitan enlaces o bloqueos funcionales y en todas las aplicaciones en las que un proceso puede realizarse solo cuando se cumplan varias exigencias. 1.6.2.4.- Válvula de Escape Rápido. Por medio de la Válvula de Escape Rápido, las tuberías y recipientes pueden evacuar el aire rápido y directamente a través de una sección grande. Debido a la diferencia de presión que se establece entre la presión de salida y la entrada, se conmuta en el escape el sello (asiento) y queda libre la salida con el escape rápido. Se utiliza principalmente en:  Aumento de la velocidad en cilindros de doble efecto.  Usada como eyector en conjunto con un volumen adicional.  Como escape adicional en tuberías muy largas.

Figura 1.44. Válvulas de dos presiones “Y”

Figura 1.45. Válvula de escape rápido.


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1.6.3- Válvulas de Flujo. Estás válvulas sirven para reducir la sección de paso con el objetivo de modificar el caudal del aire comprimido y, por consecuencia, la velocidad de los actuadores. Se diferencian de dos tipos fundamentales:  Estranguladores: Fijos o regulables.  Diafragmas: fijos o regulables. 1.6.3.1.- Válvula Estranguladora de Caudal Unidireccional. Es una combinación de una válvula estranguladora (generalmente regulable) y una válvula antirretorno. Se utiliza en aplicaciones donde debe influenciarse sobre el caudal, pero en un solo sentido. Según el tipo de estrangulador que se utilice, estás válvulas serán más o menos precisas, la linealidad y la regulación. Su campo de aplicación es amplio y generalmente se emplea en la reducción de velocidad en sistemas neumáticos (cilindro y motores), en la regulación de temporizadores y cuando se desea ejercer influencia sobre el caudal desplazado.

Figura 1.46. Válvula estranguladora de caudal unidireccional (estranguladora – antirretorno). 1.6.4.- Válvulas de Presión. Las válvulas de presión ejercen influencia sobre la presión del aire comprimido o bien reaccionan frente a valores de presión determinados. Las principales válvulas de presión son:  Válvula reguladoras de presión (reductora de presión).  Válvula de secuencia (control de presión).  Válvula de sobrepresión (de seguridad). La válvula reguladora de presión fue descrita anteriormente en el sub-epígrafe 1.4.9, que trata la Regulación de la Presión. 1.6.4.1.- Válvula de Secuencia. Una válvula de secuencia tiene por misión, luego de alcanzar cierta presión entregar una señal de salida. Esta señal de salida puede estar dentro del campo de las presiones bajas o normales y también puede ser eléctrica. La presión de respuestas de una válvula de secuencia generalmente es regulable. El campo de aplicación de estas válvulas son:


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Toma de la presión en tubería de cilindros para controlar el esfuerzo realizado. Control de presiones en distintos rangos y ejecución de procesos a partir de su señal. Señal sustituto para monitoreo del estado de cilindro a través de la presión de alimentación. Accionamiento de sistemas de seguridad al sobrepasarse un valor definido de presión. 1.6.4.2.- Válvula de Sobrepresión.

Estas válvulas se utilizan generalmente en la neumática como válvula de seguridad. Al sobrepasarse la presión calibrada en la válvula se abre el flujo y el aire es evacuado a la atmósfera. Con bastante frecuencia estas válvulas poseen además del control para sobrecargas una descompresión por accionamiento manual.

Figura 1.47. Vista en corte de una válvula de secuencia neumática ajustable.

Figura 1.48. Válvula de Sobrepresión.


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1.6.5.- Válvulas Especiales. 1.6.5.1.- Temporizadores Neumáticos. Los temporizadores neumáticos pueden realizarse al crear un retardo en el envío o en la interrupción de una señal de mando. Según el modo de conexión se diferencian en: De apertura retardada con señal de salida positiva. Para este tipo, la señal de salida A es nula mientras no exista señal de control y al establecerse la misma comienza el retardo a la salida. Luego de transcurrido el retardo la salida A cuenta con presión de aire. Al caer la señal de mando X 1 también caerá la señal de salida A. De cierre retardado con señal de salida negativa. Para este tipo, en posición de reposo existe un flujo constante. Luego de transcurrido el tiempo de retardo cae la señal de salida y al quitar la señal de mando, la señal de salida se restablece. ∙

∙

Figura.1.49. Válvula 3/2, normalmente normalmente cerrada con retardo por progresivo aumento de presión a través de una estrangulación hacia el volumen.


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Figura 1.50. Válvula 3/2, normalmente abierta con retardo por aumento de presión y estrangulación hacia un volumen. 1.6.5.2.- Transductores Neumo-Eléctricos. (Presostatos). Estos son los llamados también transductores P/E y por presostatos eléctricos. Tiene por misión transformar una señal neumática de entrada en una señal de salida eléctrica. Se identifican dos tipos fundamentales: Transductor con punto de contacto fijo. Cuenta con una presión de contacto fija y determinada, que depende del rango de presiones empleado. En general dentro del rango de presiones normales están calibrados entre 1 a 3bar . Muchas veces los presostatos cuentan además con un accionamiento manual auxiliar, para realizar pruebas de test, o bien realizar, en caso que sea necesario, un accionamiento de emergencia que permita la entrega de una señal. ∙

Figura 1.51. Transductor con punto de contacto fijo.


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Transductores con punto de contacto variable. Estos elementos permiten una regulación sin escala de rango de presiones y según el tipo de construcción y los materiales empleados, también para usarlos con distintos medios. ∙

Figura 1.52. Transductor con punto de contacto variable. 1.7.- Circuitos Neumáticos Básicos y Circuitos Fundamentales. Siguiente Anterior

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Los circuitos básicos no son más que conexiones de válvulas que realizan ciertas funciones. Existe un número limitado de funciones elementales de las que se componen incluso los circuitos más sofisticados. Dichas funciones tienen la capacidad de:  Controlar un cilindro.  Accionar otra válvula.  Para control remoto desde un panel.  Para cambiar por otra la función de una válvula.  Para enclavamiento de seguridad, etc. 1.7.1.- Funciones Elementales. 1.7.1.1.- Amplificación del Caudal. Se emplea fundamentalmente cuando es necesario mover un cilindro con un consumo elevado de aire o cuando se quiere realizar un control remoto desde un lugar alejado con la finalidad de pilotear una válvula en las cercanías de un actuador. En la Figura 1.53 se muestra el circuito.

Figura 1.53. Amplificación del caudal o control indirecto de una válvula.


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1.7.1.2.- Inversión de la Señal. El método indicado en la anterior figura es utilizado además para cambiar la función de una válvula desde su posición normalmente abierta o normalmente cerrada o viceversa, es decir, se obtiene aire o no en la línea. 1.7.1.3.- Selección. La selección se alcanza al convertir la función de una válvula 3/2 a 5/2. En la Figura 1.54 se observa como al pulsar en 1 se presuriza el punto indicado como verde mientras que se despresuriza el punto rojo. En esta función se realiza además la amplificación del caudal.

Figura 1.54. Selección entre dos circuitos. 1.7.1.4.- Función de Memoria. En esta función la válvula se mantiene en posición alcanzada, hasta que otra señal momentánea la desconecte permanentemente.(comportamiento biestable de la válvula principal).

Figura 1.55. Accionamiento memorizado. 1.7.2.- Funciones de Tiempo. Estas se obtienen a partir de temporizadores neumáticos. Existen cuatro funciones distintas de tiempo; 1. Temporización a la conexión de una señal de presión. 2. Temporización a la desconexión de una señal de presión. 3. Impulso de presión a la conexión.


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4. Impulso de presión a la desconexión. 1.7.2.1.- Temporización a la Conexión y Desconexión de una Señal de Presión. Para obtener una temporización a la conexión, se interconectan una válvula de mando 3/2 con una válvula especial de apertura retardada con señal de salida positiva. La temporización a la desconexión se obtiene de la misma forma, solo que utilizando una válvula especial de cierre retardado con señal de salida positiva. En la Figura 1.56 se muestran ambos circuitos, a y b respectivamente.

a

b

Figura 1.56. Temporización a la conexión (a) y a la desconexión de (b). Nótese que en el caso de la Temporización a la desconexión se emplea una restricción a la salida (escape), al accionar la válvula 1 inmediatamente se observará una señal en el indicador, mientras que al desconectar 1 dicho indicador quedará encendido un tiempo regulable por la restricción del escape; diferencia del caso de la Figura 1.50 que se emplea una válvula normalmente abierta y la señal de salida es negativa. 1.7.2.2.- Impulso de Presión a la Conexión y Desconexión de una Válvula. Un impulso de presión a la conexión se logra utilizando una válvula accionada manualmente que suministra el aire comprimido tanto a la entrada de presión como al pilotaje de una válvula especial de cierre retardado, con señal de salida negativa como se muestra en la Figura 1.57 a). Un impulso a la desconexión se logra cuando la señal temporizada de presión debe aparecer después que la señal inicial se haya desconectado, la presión para lograrlo debe proceder de otra fuente (pulmón). En la Figura 1.57 b) se muestra este caso.

a

b Figura 1.57. Impulso de presión a la conexión (a) y desconexión (b). 1.7.3.- Control de Cilindro.


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1.7.3.1.- Control de Cilindro de Simple Efecto. Accionamiento Directo y Control de Velocidad. El accionamiento directo de un cilindro de simple efecto se logra con una válvula 3/2 de accionamiento manual o en casos de cilindros grandes con amplificación de caudal o control remoto. El control de velocidad se efectúa con un regulador de velocidad, por lo general limitando el movimiento de salida del vástago del cilindro, pues la carrera de retorno (en caso de cilindros con vástago normalmente dentro) se ve afectada por el muelle. En la Figura 1.58, se muestra este control. ∙

Figura 1.58. Control directo de un cilindro de simple efecto. 1.7.3.2.- Control desde dos puntos: Función OR (O) Este control se logra utilizando dos válvulas de 3/2 de accionamiento manual que conmutan a una válvula de secuencia O. 1.7.3.3.- Enclavamiento: Función AND (Y). En ocasiones para permitir una operación determinada, es necesario que se cumplan dos condiciones. Un ejemplo típico es el de una cizalla neumática que se puede accionar solo si está cerrada la compuerta de seguridad y si se acciona un válvula manual. En ambos accionamientos se utilizan una válvula 3/2 accionadas manualmente que conmutan con una válvula de dos presiones Y.

Figura 1.59. Accionamiento de un cilindro de simple efecto desde dos puntos.


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Figura 1.60. Enclavamiento de seguridad, función AND (Y). 1.7.3.4.- Control del Cilindro de Doble Efecto. La diferencia principal entre el accionamiento de un cilindro de simple efecto y uno de doble efecto es que en vez de utilizar una válvula de 3/2 se emplea una de 5/2. La posición normal de utilización generalmente está conectada a la línea de presión. Existen dos tipos de control, el control directo y el de mantenimiento de las posiciones finales. El control directo se logra mediante una válvula de 5/2 monoestable de accionamiento manual Figura 1.61 a) mientras que el mantenimiento de las posiciones finales, mediante una función memoria, Figura 1.61 b).

a

b

Figura 1.61. Controladores sobre cilindros de doble efecto. 1.7.4.- Detección de la Posición de los Cilindros. 1.7.4.1.- Retorno Automático. En la Figura 1.64 se observa una válvula (2) accionada por un rodillo de palanca situada en el punto final de la carrera de salida del cilindro. De esta forma el cilindro conmuta el mismo la válvula (3) y retrocede automáticamente.


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Figura 1.62. Retorno automático de un cilindro. Existe un inconveniente con esta configuración y es que, si la válvula (1) no está desactivada cuando el cilindro alcanza su fin de carrera, no retrocedería. La válvula (2) es incapaz de conmutar la (3) mientras permanezca la señal permanente desde (1). Este problema se soluciona colocando una válvula especial con retardo al cierre y señal de salida negativa (impulso de presión a la conexión), como se muestra en la Figura 1.63.

Figura 1.63. Retorno automático de un cilindro, incluso con señal permanente. 1.7.4.2.- Carreras repetitivas. (Repetición indefinida de la carrera.). La detección de ambos extremos de carrera mediante válvulas accionadas por rodillos de palanca (2,4), utilizados para conmutar la válvula principal (3), servirá para que el cilindro produzca su propio control del movimiento. La válvula de accionamiento manual (1) se conecta en serie con el final de carrera (4) y no existirán señales permanentes.


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Figura 1.64. Repetición cíclica de carreras. 1.7.5.- Control de Secuencias. Una secuencia no es más que el ciclo de movimientos que se genera por uno o más actuadores en una operación de trabajo completa. Se describe de forma simple: 1. A cada actuador se le asigna una letra mayúscula; A, B, C,... 2. Si la posición de inicio de ciclo es dentro o negativa, se dice que el cilindro está en “menos”. 3. Si su posición al inicio es la de fuerza o positiva, se dice que está en posición “más”. Las señales de presión para conmutar las válvulas de control direccional, son llamadas comandos con el fin de identificarlas respecto a otras señales. Por ejemplo, el comando para mover el cilindro A su posición de fuerza (salida) se escribe como “A+” y evidentemente “A-“ es el comando que haría retroceder al cilindro. 1.7.5.1.- Secuencia de los Cilindros. Con la codificación anteriormente descrita, se puede escribir una secuencia de dos cilindros, por ejemplo: A+, B+, A-, B-. En general estos comandos se obtienen de las válvulas de rodillos de palanca que detectan los puntos finales de carrera. Estos también necesitan un código. Cuando un cilindro se encuentra en su posición inicial “menos’ es llamada también ”cero”, es decir, el código “a 0” es detectado por la válvula en la posición inicial del cilindro A. La posición opuesta es la llamada “a 1”. En resumen las señales son siempre codificadas por letras minúsculas y las posiciones de detección se designan mediante un índice. La consecuencia mencionada anteriormente se puede escribir como sigue: A+a1; B+b1; A-a0; B-b0. Para arrancar y parar una secuencia es preciso añadir al circuito una válvula de accionamiento manual para el inicio de marcha; estará situada en la línea prioritaria con el primer comando A+. Si la secuencia debe repetirse un número de veces, entonces la válvula de puesta en marcha debe permanecer abierta, pero si el circuito es desactivado a la mitad del ciclo, este


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continuará hasta que todos los movimientos de la secuencia hayan sido completados. Significa que la señal b 0 aparece pero es incapaz de pasar a través de la válvula de puesta en marcha. Esta secuencia de señales y comandos se pueden expresar a través de la Figura 1.65.

Figura 1.65. Representación esquemática de señales y comandos. Esta misma secuencia del diagrama de bloques anterior se representa como circuito neumático en la Figura 1.66. La norma para el dibujo de circuitos neumáticos de esta complejidad es colocar los cilindros en la parte superior, directamente, debajo de ellos, sus correspondientes válvulas principales de mando y bajo estas las válvulas que proporcionan las señales de final de carrera. En circuitos más complejos, podrá existir un nivel intermedio entre las válvulas principales y de señal donde se colocarán otras válvulas.

Figura 1.66. Circuito para secuencia A+, B+, A-, B-. Las válvulas de marcha de una secuencia generalmente determina la diferencia entre dos ciclos. Si es una válvula monoestable y es accionada, se ejecutará un solo ciclo (ciclo único) por el circuito. En caso de ser una válvula biestable, el ciclo se repetirá continuamente (ciclo contínuo) hasta que la válvula sea desconectada. No importa cuando se desconecte, el circuito completará un ciclo y entonces se detendrá.


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1.7.6.- Comandos Opuestos. Muchas veces los cilindros de simple efecto y carreras cortas se utilizan para la sujeción de piezas. Una pregunta interesante sería saber si la pieza a maquinar está suficientemente sujeta para soportar las fuerzas de maquinado. Un detector de control eléctrico no garantizaría esto. La única señal fiable es la que indique que hay suficientemente presión detrás del émbolo del cilindro. Para esto se emplean las válvulas secuenciales que le garantizan al operador ajustar la presión mínima requerida para un arranque seguro. En la Figura 1.67 se muestra como se logra este control. La válvula secuencial es pilotada con la misma señal de presión que conmuta al cilindro A. El resorte de la válvula secuencial se gradúa hasta establecer la presión mínima a la cual la pieza debe estar sujeta. Luego, utilizando un impulso de presión a la conexión se elimina la señal permanente que produce dicha válvula para que el cilindro B retroceda al encontrar el final de la carrera b 1.

Figura 1.67. Circuito para amarrado y mecanizado. El circuito es arrancado manualmente, pero en la práctica, el operador insertará un componente para ser mecanizado y entonces mantendrá el pulsador apretado hasta que la operación sea completada. 1.7.6.1.- Sistema de Cascada. La forma de eliminación de las señales permanentes por medio de temporizaciones, no es el método más cómodo y factible para realizarlas. La verdadera solución es poner a escape todas las señales permanentes que se puedan solapar. El problema radica en conocer donde debe estar dispuesta cada válvula y como debe ser conmutada y conectada. El sistema de cascada, es un procedimiento simple para el diseño de circuitos secuenciales. En este, un ciclo se divide en grupos, donde cada uno presenta una línea de suministro procedente de la válvula de selección, que se encarga de distribuir el aire indistintamente a cada grupo. La división en grupos, por ejemplo del ciclo A+, B+, A-, B-, se realiza de la siguiente forma:


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Se observa cada comando de izquierda a derecha, pudiendo dividir los comandos en grupos, de manera que en cada grupo se pueda incluir un comando de cada actuador, bien sea + o -. De esta forma: A+,B+ A-, BGrupo I Grupo II Las restantes reglas se explicarán mediante el siguiente diagrama de bloques:

Figura 1.68. Esquema de funcionamiento de una conexión en cascada.  (1). Primera válvula principal que debe ser accionada por el Grupo I.  (2). Todas las válvulas de fin de carrera del Grupo I, excepto la que detecta que el último movimiento en el grupo ha finalizado.  (3). Todos los comandos de las válvulas principales del Grupo I son alimentadas desde la línea de Grupo I.  (4). Detector del final de la última carrera del Grupo I, que conmuta la válvula de selección; la línea del Grupo I se pone a escape y la del Grupo II se pone a escape.  (5). Válvula principal del cilindro que realiza la primera carrera del Grupo II.  (6). Todas las válvulas de fin de carrera que proporcionan los comandos del Grupo II, excepto la última.  (7). Todos los comandos del Grupo II, proporcionados por las válvulas de fin de carrera, están alimentadas desde la línea del Grupo II.  (8). El detector de la última carrera del Grupo II vuelve a conmutar la válvula de selección a su posición anterior. El interruptor de puesta en marcha estará siempre insertado en la línea con el primer comando del ciclo. En la Figura 1.69 se muestra un circuito con dos cilindros de doble efecto. 1.7.7.- Desarrollo de Automatismos Neumáticos. La localización y eliminación de las señales permanentes, es un problema a resolver en los circuitos neumáticos. Para la elección del método de automatización a emplear es importante conocer las señales permanentes y de esta forma se torna más sencilla la toma de decisiones finales. Esto puede conseguirse utilizando el diagrama Espacio-Fase.


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Figura 1.69. Sistema de Cascada para dos cilindros. 1.7.7.1.- Localización de Señales Permanentes. Diagrama Espacio-Fase. En un diagrama Espacio-Fase se puede expresar el funcionamiento y secuencia de varios cilindros de forma gráfica. Además en este diagrama se debe ser capaz de representar las señales que actúan sobre una misma memoria para poder compararlas entre sí y saber si molestan la señal opuesta, causando los problemas típicos de los automatismos neumáticos secuenciales. A continuación se analiza un problema real de automatización. Un cilindro A se utiliza para alimentar y sujetar una pieza que debe ser maquinada mediante una herramienta que mueve el cilindro B. Un cilindro C estará habilitado para expulsar la pieza una vez maquinada y permitir la alimentación de una nueva. Todo se expresa en la siguiente secuencia de funcionamiento: A+, B+, B-, A-, C+, C-. La representación gráfica en el diagrama espacio-fase se expresa en la Figura 1.70.

 

Figura 1.70. Diagrama Espacio-Fase para la secuencia A+, B+, B-, A-, C+, C-. Las señales que inciden sobre una misma memoria son: Memoria A: Señales c 0 y b0 Memoria B: Señales a 1 y b1


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Memoria C: Señales a 0 y c1 Estas señales deben ser representadas junto al diagrama espacio fase como se muestra en la Figura 1.71. 

Figura 1.71. Diagrama Espacio-Fase con señales de finales de carrera. Una vez que son representadas las señales en el diagrama, se deben observar con especial atención el momento en que cada una de ellas aparece en el mismo, si en ese momento la señal antagonista no está presente, no habrá problemas. Por el contrario, cuando una señal aparece, si está presente la señal que incide sobre la misma memoria habrá problemas y estos serán generados por lo que está presente y no deja actuar a la que acaba de aparecer. En esta secuencia se puede observar que las dos señales que incide sobre la memoria A, son permanentes entre sí, puesto que cuando aparece c 0 En esta secuencia se puede observar que las dos señales que inciden sobre la memoria A, son permanentes entre sí, puesto que cuando aparece c 0 está presente b0 y cuando aparece b0, está presente c0. En la memoria del cilindro B, no existe problemas con la señal a 1, que puede entrar libremente, sin embargo cuando trata de entrar la señal b 1, no puede conseguirlo puesto que está presente a1. Por tanto, en esta memoria solo hay presencia de una señal permanente. El


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mismo caso ocurre al analizar la memoria del cilindro C, a 0 puede entrar libremente, pero cuando quiere hacerlo c1 no puede hacerlo producto a que está presente a0. Para que esta secuencia funcione de forma correcta, se debe solucionar el problema que presentan las cuatro señales permanentes que se acaban de analizar. 1.7.7.2.- Eliminación de Señales Permanentes. Para eliminar las señales permanentes que aparecen en los circuitos neumáticos, se pueden aplicar dos métodos:  Métodos Intuitivos.  Métodos Sistemáticos. Métodos Intuitivos. La eliminación de señales permanentes por métodos intuitivos cuenta con dos elementos fundamentales: Rodillos Escamoteables o Basculables y Temporizadores Neumáticos. 1. Rodillos Escamoteables (Basculables) Los rodillos escamoteables basan su funcionamiento a partir de que para anular una señal permanente solo debe impedirse que el final de carrera que genera dicha señal, esté accionado. Generalmente esto se logra desplazando un rodillo de su posición normal, pero este será accionado doblemente, en el movimiento de salida y en el de retorno del vástago. Sin embargo un cilindro escamoteable emite una señal de final de carrera cuando el vástago del rodillo acciona dicho dispositivo en una sola dirección. De esta forma queda eliminada la señal permanente. No todos los casos de señales permanentes pueden ser solucionados por este método, pues se presentan problemas de precisión en la detección, al tener que colocar este elemento separado de su posición teórica de detección. También se presenta problemas cuando hay movimientos rápidos pues al ser accionados por breves espacios de tiempo no será suficiente para conmutar la válvula sobre la que se debe actuar. 2. Temporizadores Neumáticos. Empleando un temporizador neumático se consigue una señal de corta duración, teniendo que la señal que se quiere eliminar sea efectiva para conmutar la válvula en el momento apropiado y obteniendo además que dicha señal no esté presente cuando aparezca la señal antagónica. Métodos Sistemáticos. Este método de eliminación de señales permanentes se basa en el principio antes mencionado que plantea: Los finales de carrera se alimentarán de presión en el momento en que son necesarios para el funcionamiento de la secuencia. Cuando no sean necesarios no tendrán alimentación de presión. El método sistemático más utilizado es el de Introducción Sistemáticas de Memorias , más conocido como “conexión en cascada”. 1.7.7.3.- Elección del Método de Anulación de Señales Permanentes. Volviendo a la secuencia anterior, para resolverla por métodos intuitivos, se pueden utilizar rodillos escamoteables en tres de los cuatro casos. La cuarta señal en la que no se debe utilizar rodillo escamoteable, es la que controla cuando el cilindro A tiene sujeta la pieza, lista para maquinar, (a1); de no ser así se correrá el riesgo de rotura de la herramienta e incluso un accidente laboral, por lo que se debe emplear como anulador de señal un temporizador. El circuito resultante se muestra en la Figura 1.72. ∙

∙


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Si se considera que esta máquina ha de realizar altas producciones, solo será posible para movimientos rápidos de los cilindros. Los cilindros escamoteables, al trabajar con altas velocidades, pueden presentar problemas por la corta duración de la señal. Utilizando los métodos sistemáticos, se elimina este problema. La solución de esta secuencia se muestra en la Figura 1.73.

Figura 1.72. Solución del circuito secuencial por métodos intuitivos.


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Figura 1.73. Solución del circuito secuencial por métodos sistemáticos.

Capítulo 2. Fundamentos Básicos de Electro-Neumática.

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Capítulo 2. Fundamentos Básicos de Electro-Neumática. Siguiente Anterior

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2.1.- Introducción. Siguiente Anterior

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2.1.1- Desarrollo Histórico de la Automatización Electro-Neumática. La neumática se utilizaba en amplia escala en Estados Unidos antes de la segunda guerra mundial. El tipo más utilizado de válvula de control direccional en ese período era la válvula de carrete forrada de aislante con accionamiento electromagnético directo. Un desarrollo posterior consistió en una válvula de placa plana pilotada por una pequeña electroválvula de 2/2. En ambos casos el control era eléctrico con circuitos de relés. Puesto que había muchos electricistas disponibles, no había problemas para construir armarios de control y dado que su facilidad era decididamente elevada, nadie hubiera pensando en hacerlo de otra manera. En Europa, la entrada de la neumática se produjo después de la segunda guerra mundial, durante la reconstrucción, cuando la mano de obra cualificada y el dinero eran muy escasos. No estaba disponible la alta tecnología necesaria para producir las válvulas herméticas que se utilizaban en Estados Unidos desde antes de la guerra. Por esta razón las primeras producciones empezaron con medios bastantes sencillos y estaban principalmente basadas en válvulas de asiento. Puesto que estas válvulas se podían hacer funcionar exclusivamente por medio de un pistón neumático para superar la fuerza de accionamiento. El accionamiento y los controles neumáticos presentaron un obvio desarrollo posterior. Existía otra razón para ir en ese sentido: los pilotajes de electroválvulas de la época se consideraban merecidamente poco fiables. Para evitar una interfase débil entre el control eléctrico y la potencia neumática, los controles puramente neumáticos fueron desarrollados a un nivel muy elevado en Europa, en lugar del pilotaje por bobinas y el control eléctrico. En la década de los 60, una nueva tecnología procedente de Estados Unidos barrió en el mundo industrializado: la Fluídica, una tecnología de conexión neumática estática (sin partes en movimiento). Ambos principios fundamentales, basados en la conexión de pared (efecto Coanda) y en los amplificadores de turbulencia, desaparecieron silenciosamente de la escena así como había aparecido, sin encontrar aceptación en la industria. La primera de las razones por las cuales fracasó es que el coste de los controles electrónicos empezó a disminuir drásticamente en ese período. La segunda razón es la falta total de conocimiento y de los componentes periféricos para fabricar controles fluídicos eficientes. Actualmente, las modernas bobinas usadas para los pilotajes presentan una fiabilidad extremadamente elevada y duran más que la parte neumática de la válvula. Los controles electrónicos ya no se deben fabricar y personalizar por cada proyecto: son componentes standard, programables y ampliables para satisfacer cualquier necesidad. Tanto los controles de relé como los neumáticos se siguen utilizando a un nivel menor. Pueden ofrecer soluciones relativamente baratas cuando el circuito requiere un número pequeño de elementos. En países con clima tropical, las temperaturas elevadas y la humedad pueden afectar a los controles electrónicos por medio del rocío que se asienta en los circuitos impresos pudiendo producir cortocircuitos entre las conexiones. En estos casos, puede ser justificado el coste más elevado de un control neumático. También la falta de especialistas puede constituir una buena razón, puesto que los controles de relé y neumáticos, al tener partes móviles, pueden ser generalmente comprendidos mejor por gente especializada en mecánica y no en electrónica.


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El deseo de la industria de trabajar cada vez más rápido y con mayor precisión en todos los sectores de técnica de comando hace que el desarrollo innovador de la electrónica se produzca a pasos agigantados. Cuando la neumática convencional llega a sus límites físicos y se necesitan soluciones complejas y económicas, la electrónica proporciona otros caminos viables y mayores posibilidades. La fusión de la neumática con la electrónica nos lleva a la creación de una materia de características muy particulares. 2.1.2.- Conocimientos Básicos para la Comprensión de la Electro-Neumática Practica. Para la comprensión del principio de funcionamiento de la mayor parte de los equipos y accesorios electroneumáticos, es necesario poseer ciertos conocimientos básicos de varias temáticos como la Electricidad, la Electrónica y el Electromagnetismo; teniendo en cuenta que los sistemas electroneumáticos son híbridos, una mezcla de dos tecnologías distintas, lo suficientemente importantes para enfatizar en los conocimientos antes mencionados. En el tema de la Electricidad, es preciso conocer conceptos básicos como: Electricidad, Voltaje, Corriente, Resistencia y Potencia; Leyes fundamentales como lo son: Ley de Ohm y Leyes de Kirchhoff. Además, aspectos fundamentales como: Circuitos Elementales y Conexiones de Circuitos. En el tema de la Electrónica, es importante el conocimiento de los distintos tipos de componentes electrónicos básicos como lo son: el Diodo, el Diodo Zener, el Transistor y el Tiristor. También se deben conocer las señales analógicas, digitales y lógicas (binarias). Por otra parte, el Electromagnetismo, es uno de los temas fundamentales, pues la mayor parte de los componentes electroneumáticos basan su principio de funcionamiento en las leyes y fenómenos que encierra este tema. La ley de inducción electromagnética es la fundamental, pues de esta se infiere el principio de funcionamiento de elementos fundamentales como el Transformador, el Generador y el Solenoide. 2.2.- Componentes para Sistemas Electro-Neumáticos. Siguiente Anterior

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Para comandar un componente electro-neumático (por ejemplo, una válvula magnética), debe llevarse una señal eléctrica a la válvula. Para realizar este proceso se precisa de un interruptor que de paso a señal hacia bobina de la válvula magnética. 2.2.1.- El Interruptor de Contacto. El accionamiento mecánico de un interruptor consiste en unir dos contactos entre sí, que permiten cerrar el circuito eléctrico. Ver Figura 2.1. Los contactos se fabrican en: Oro, platino, plata, tungsteno o bien aleaciones especiales. La elección de estos materiales depende esencialmente de la corriente de contacto. Es importante que aún después de haber transcurrido muchos ciclos de conexión, la superficie de contacto no esté dañada y la resistencia de paso se mantenga igual. Se diferencian esencialmente tres tipos de contacto, a saber: 1. Contacto de cierre (Normal abierto). NO=Normally open 2. Contacto de apertura (Normal cerrado). NC= Normally closed 3. Contacto múltiple (NO – NC). 2.2.2.- Contactos Electromagnéticos.


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Los interruptores simples o múltiples no siempre son actuados manualmente. Dentro de los aparatos de conexión eléctrica se encuentran los contactores para tensiones elevadas y grandes corrientes, como también los relés para el campo de las tensiones pequeñas. Los contactos de un contactor son atraídos por el movimiento del núcleo de un electroimán donde permanecen mientras dura la conexión. Luego vuelven a su posición original cuando el solenoide queda desenergizado.

a. Pulsador (NO)

b. Diversos tipos de Contactos Figura 2.1. Contactos. Si es accionado el pulsador “a” del esquema de la Figura 2.2, se energiza un solenoide cuyo núcleo atrae a los contactos móviles que a su vez quedan presionados contra los contactos fijos, cerrando así el circuito de consumo. Se debe diferenciar entre contactores de corriente continua y alterna. Los contactores de corriente continua atraen más suavemente que los de corriente alterna, esto protege a los contactos.

a. Contactor con Solenoide.

b. Esquema de conexión de un contactor de corriente continua.


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Figura 2.2. Contactor Los contactores pueden accionarse mayor cantidad de veces que los accionamientos manuales. Los contactos para contactores tienen vida útil de varios millones de ciclos. Un millón de ciclos de contactos corresponden en una jornada de 8 horas a un promedio de 40 conexiones por hora, un promedio de vida de 10 años. 2.2.2.1.- Representación y Esquematización. Para la representación de un contactor pueden elegirse dos posibilidades: 1. Los contactos se representan unidos al solenoide mecánicamente (rep. de movimiento). 2. La bobina del contactor se dibuja en el lugar respectivo del esquema eléctrico. Los contactos se muestran sobre el esquema eléctrico en su posición (circuito eléctrico). Se deben accionar con el símbolo Kn del contactor que los mueve. (Ver Figura 2.3).

∙

Figura 2.3. Descripciones de conexiones con contactos. La simbología a usar en un contactor se señala como sigue: (Descripción 1) Descripción conjunta del contactor: K1, k2,....,kn Conexiones del solenoide: A1, A2 Contactor de trabajo: 1ra. cifra→ numeración correlativa de los contactos unitarios. 1,2,3,...n

2da. cifra→ estado del contacto. 3;4- Normalmente Abierto. (NO) 1;2- Normalmente Cerrado. (NC) 2.2.3.- Relés Electromagnéticos. Un relé electromagnético es un interruptor de accionamiento electromagnético que encuentra aplicación fundamentalmente en el campo de las tensiones o corrientes bajas. Los relés


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son muy usados en técnicas de transmisión por señales en circuitos. En su construcción y funcionamiento son muy parecidos a los contactores ya descriptos. Mediante la conexión de una corriente de excitación puede cerrarse o abrirse un circuito eléctrico. Luego del corte de la corriente de excitación todos los contactos vuelven a su situación de reposo. Un relé consta en su forma más simple de un solenoide con núcleo de hierro, resortes y un inducido de hierro dulce. El inducido es giratorio. Al influir una corriente por el solenoide del relé se atrae el inducido. Al ocurrir esto se accionan los contactos. En reposo, el inducido se retira con ayuda de un resorte del núcleo de la bobina. Los relés pueden equiparse con varios pares de contactos. En la Figura 2.4 se esquematiza el funcionamiento de un relé.

Figura 2.4. Esquema de funcionamiento de un relé. Todos los contactos están reunidos en un “grupo de contactos elásticos”. Según su construcción los relés se diferencian en relés de contactos planos y de contactos redondos. En esquemas, los contactos de relés se dibujan siempre en su posición de reposo. Los distintos grupos de contactos tienen simbología normalizada, como se muestra en el Anexo A.


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2.2.3.1.- Relés Temporizadores. El relé temporizador es una variante de relé muy especial. Con un relé temporizador puede retardarse la conexión o desconexión de la bobina del mismo. El retardo de tiempo, que puede ser calibrado fijo o variable a ajustar, se consigue con componentes electrónicos incorporados en el relé. Según su construcción, un relé temporizador puede tener una conexión adicional con la cual comanda el retardo. Relé Temporizador de Cierre Retardado. ∙

Luego de desconectar la corriente de excitación transcurre un tiempo ∆t hasta que se desactiva la bobina del relé y retarde por ejemplo, un contacto Normal abierto a abrirse. Ver Figura 2.5 b. Relé Temporizador de Apertura Retardada. ∙

Luego de conectar la corriente de excitación transcurre un tiempo ∆t hasta que se activa la bobina del relé y se cierran o abren los respectivos contactos. Ver Figura 2.5 a.

a. De cierre retardado. b. De apertura retardada. Figura 2.5. Relé Temporizador. 2.2.4.- Esquemas y Símbolos de Conexión. Con la gran cantidad de posibilidades de conexiones y componentes que son de uso frecuente en la industria, es claro que debe existir una normalización que permita hacer un trabajo racional. Un extracto de símbolos normalizados le servirá de ayuda para leer un plano de conexiones. Ejemplos 1. Conexión para conductor de protección. 2. Caja de derivación – Distribuidor.


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3. Grupo de contactos de relé – reposo.

4. Bobina con un arrollamiento.

5. Relé temporizador de apertura retardada.

6. Relé temporizador de cierre retardado. 7. Accionamiento por presión. 8. Generadores de corriente. 9. Motores. 10. Interruptores. En el Anexo A se muestra la simbología normalizada de las anteriores denominaciones. 2.2.5.- Plano de Conexión Eléctrico. Para poder montar una instalación eléctrica o electro-neumática se necesita de representaciones normalizadas o bien de planos eléctricos. En la industria son cuatro los planos habituales que le brindan la mayor información posible sobre cada proceso. Tipos de planos de conexión: 1. Plano eléctrico 2. Esquema de conexiones 3. Plano de instalaciones 4. Plano de construcción eléctrico 2.2.5.1.- Plano Eléctrico. En el plano eléctrico se resta importancia a la ubicación y espacio donde deben ir localizados los elementos. Cada elemento se dibuja como un conductor unifilar para poder reconocer su orden por función. Los conductores unifilares se dibujan entre los potenciales de tensión y cero, para poder definir así funciones lógicas de arriba hacia abajo. (Ver Figura 2.6 a.) 2.2.5.2.- Esquema de Conexiones. También, en este caso, se resta importancia a la ubicación y al espacio de localización de los elementos. Todos los elementos se dibujan con todas sus conexiones de llegada y partida. Es posible seguir los cables de conexión y determinar la complejidad eléctrica de la instalación.


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Elementos con funciones individuales como por ejemplo. Para un contactor, la bobina y sus contactos, ya no son representados en forma separada.

Figura 2.6. Planos de Conexión. 2.2.5.3.- Plano de Instalaciones. Todos los elementos se representan en su ubicación y localización específica para poder determinar la complejidad de la instalación. Los componentes ya con su forma real acabada son conectados con una sola conexión y cada línea lleva una identificación numerada para conocer la cantidad de líneas a instalar. 2.2.5.4.- Plano de Construcción Eléctrico. Este plano corresponde en su tipo al plano de instalaciones. En él se representa la disposición de lugar y espacio donde se ubicará la instalación. 2.3.- Componentes Eléctricos de Comando, Control y Detección. Siguiente Anterior

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2.3.1.- Sensores. Bajo este término se agrupan en la industria a todos aquellos elementos que en alguna forma brindan señales, o sea que describen el estado momentáneo de algún componente o elemento. Este aviso de situación puede usarse y adaptarse a todas las magnitudes físicas medibles conocidas, Ejemplo:  Corriente.  Tensión.  Temperatura.  Peso.  Niveles de llenado.  Velocidades.  etc.


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Figura 2.7. Esquema de una regulación de temperatura. Para los comandos y regulaciones usuales se necesita la señal en forma de una corriente o de una tensión el fin de poder trabajarla y transformarla. Por esta razón la mayoría de los sensores son al mismo tiempo transformadores, los cuales por ejemplo, transforman una temperatura en una señal eléctrica aprovechable. (Figura 2.7.) A continuación trataremos cuatro grupos principales de sensores:  Detectores mecánicos.  Detectores inductivos.  Detectores capacitivos.  Detectores ópticos. 2.3.2.- Detectores Mecánicos. Un elemento de detección mecánico envía con ayuda de un fin de carrera mecánico, una señal en el momento en que un cuerpo extraño se encuentra en una posición determinada. El aviso puede ser enviado en distintas magnitudes físicas, pero la más usual y que prevalece es la señal eléctrica. 2.3.2.1.- Fin de Carrera Mecánico. Cuando la leva de contacto pasa por el punto donde se encuentra el fin de carrera mecánico, éste se acciona y entrega una señal al comando o a la regulación. Un problema que aparece en estos componentes es el desgaste de los contactos en un accionamiento por efecto de chispa entre ambos. Dado que estos elementos son muy económicos y confiables, encuentran aplicación frecuente en la industria.


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Figura 2.8. Esquema de funcionamiento de un fin de carrera mecánico. 2.3.2.2.- Interruptores Magnéticos. (Principio Reed). El principio Reed permite dejar de lado los problemas evidenciados anteriormente, pues aquí la conexión se produce en una cápsula donde se ha hecho vacío y esto imposibilita la transformación de un arco. El proceso de contacto se produce por acción de un campo magnético. Un ejemplo claro de ello lo ve en la neumática: El cilindro de émbolo magnético. Si en lugar de equipar al cilindro con un tubo de acero lo hacemos con uno de aluminio, el campo magnético puede salir hacia el exterior sin impedimento alguno. El reedswitch (generalmente encapsulado) se monta sobre la pared del cilindro. El émbolo se mueve en el interior hasta el punto en que se encuentra debajo del reedswitch, luego el campo magnético lo hace accionar. La mayoría de los reedswitch muestran un punto de conexión a través de un LED adicional. Las principales aplicaciones del reedswitch son en lugares donde: 1. Un entorno muy sucio hace que la solicitación para un detector mecánico sea muy elevada, 2. El lugar físico para instalar otro tipo de detectores es muy reducido.

Figura 2.8. Interruptores Magnéticos.


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Precaución: Al emplear detectores tipo reedswitch debe prestarse atención de que ellos no se encuentren cerca de otro campo magnético, pues puede producirse alguna conexión indeseada. 2.3.3.- Detectores Inductivos. Los detectores inductivos de proximidad son elementos que tienen grandes ventajas:  No necesitan esfuerzo mecánico  Trabajan también con altas frecuencias de ciclado  Tienen una larga vida útil. Se componen básicamente de un oscilador con una etapa posterior de relajación y un amplificador de señales.

Figura 2.9. Detector de proximidad inductivo. Un oscilador no es otra cosa que un circuito que consta de una bobina y un condensador en oscilación, que se excita con su propia frecuencia. Figura 2.10 a. Una etapa de relajación es un elemento electrónico que a una tensión umbral S 1 cambia drásticamente la tensión de salida U a y, al quedar debajo de un valor umbral S 2, conmuta nuevamente (relajación invertida). La diferencia entre los valores umbrales S 1 y S 2 se denominan histéresis. Figura 2.10 b. Función Si se entrega una tensión a un elemento inductivo, el oscilador incorporado genera con ayuda de una bobina oscilante un campo magnético de alta frecuencia, que se encuentra en reposo. Ahora, si se introduce en dicho campo una pieza de metal que tiene por función hacer reaccionar al campo. ∙


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a. Circuito y símbolo de un oscilador. b. Diagrama y símbolo de una relajación. Figura 2.10. Oscilador. Etapa de relajación.

Figura 2.11. Esquema funcional de un detector de proximidad inductivo. Este metal induce por inducción una corriente parásita, que a su vez quita energía del oscilador. Este paso actúa amortiguando la amplitud de las oscilaciones libres y la posterior etapa de relajación emite una señal. Estos detectores se construyen para corrientes continuas y alternas. Detectores inductivos de proximidad sólo reaccionan frente a metales. Propiedades:  Conmutación rápida  Insensibles frente a influencias de metales  Imprescindible mantener la distancia de disparo correcta  Mantener la distancia mínima necesaria para instalar dos detectores de proximidad consecutivos  Gran histéresis ∙


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Caros respecto a interruptores mecánicos. 2.3.4.- Detectores Capacitivos. Sensores de proximidad capacitivos El uso de sensores de proximidad capacitivos es mucho más complicado que el de los inductivos. Por la base de su concepción técnica depende en mayor medida de las influencias de los medios que lo rodean. Tal es así que la humedad sobre su superficie de contacto puede conducir a un error de detección. 

∙

 

Figura 2.12. Detector Capacitivo. El sensor de proximidad capacitivo también tiene algunas ventajas: Alta resistencia a oscilaciones y al choque Reacciona frente a todos los metales

Reacciona también frente a materiales que tengan una corriente dialéctica >1. Función El sensor de proximidad capacitivo contiene, al igual que el inductivo, un oscilador que también sale de un circuito oscilante. Este oscilador no oscila constantemente. Si se acerca un objeto metálico o no metálico a la superficie de sensado, el oscilador comienza a oscilar. La sensibilidad con que esto sucede es regulable. 

∙

Figura 2.13. Esquema funcional de un detector de proximidad capacitivo. Las oscilaciones son evaluadas por un amplificador y derivadas a las subsiguientes etapas, similar a lo que acontece con el detector inductivo.


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El sensor capacitivo se adapta especialmente a la medición de niveles de carga, ya que aquí el medio a medir no necesita ser metálico. Por ejemplo:  Bencina  Agua  Granulado  Aceite  Harina  Azúcar Los sensores de proximidad (iniciadores) pueden conectarse en serie o en paralelo. 2.3.5.- Detectores Ópticos. Sensores de proximidad ópticos Un sensor óptico trabaja con el principio de reflexión en el recinto donde actúa el medio. Una ventaja es que gran parte de todos los materiales, sean eléctricos o no, conductores o no, reflejan la luz o no la dejan pasar. Se diferencian tres principios:  Barrera de luz con emisor y receptor individuales.  Barreras reflectivas con emisor y receptor en un cuerpo y, por separado, un reflector.  Palpador reflectivo con emisor y receptor en un cuerpo, pero donde el objetivo a identificar sirve de reflector (para distancias cortas y partes reflectivas). ∙

Figura 2.14. Principios básicos de los detectores ópticos.


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Emisor El emisor se compone de un diodo luminoso (de luz irradiante). Receptor El receptor consta de un fototransitor. (Este registra la luz que llega). Naturalmente emisor y receptor necesitan etapas de amplificación para obtener señales claras. Según las necesidades constructivas pueden usarse cualquiera de las tres versiones. Como se deduce, todos los sensores descritos, encuentran su campo de aplicación definido. 2.4.- Componentes Electro-Neumáticos. ∙

∙

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2.4.1.- La Transformación Electro-Neumática. En el Capítulo 1 se explica en forma detallada cómo podemos lograr que un cilindro ejecute un trabajo mecánico por medio de aire comprimido, con ayuda de válvulas neumáticas. Hay que diferenciar entre elementos de mando y el de energía Las señales de mando aquí solo se consiguen de forma neumática, mecánica o manual. Es fácil darse cuenta que con la tecnología de automatización que se posee hoy en día, estas señales de mando no cubren las necesidades. Es imprescindible poder usar también como señales de mando las magnitudes eléctricas como tensión y corriente. Esto significa que debe transformarse una señal eléctrica en una neumática. Esto se logra por medio de la: Transformación electro-neumática (transductor E/P) Se conoce que con la ayuda de una bobina se crea un campo magnético. Si en dicho campo se encuentra sumergido un núcleo, luego de creado el campo, el mismo será inducido hacia el interior de la bobina. 2.4.2.- Válvulas Electro-Neumáticas. En la Figura 2.15 se ha representado una válvula 3/2 vías. Función. En estado de reposo el núcleo magnético de la válvula (4) es apretado contra el asiento (6) con ayuda del resorte (5). De esta forma la conexión P (7) queda cerrada. Recordando las denominaciones de las entradas y salidas: P= entrada de aire A= salida de trabajo R= purgado En esta posición (P= cerrada) la salida de trabajo A (8) está conectada al purgado R (1). Si se hace actuar una tensión sobre el solenoide (2), la corriente que fluye dentro de éste generará un campo magnético que inducirá al núcleo (4) hacia el solenoide. El asiento inferior (6) queda libre y el superior (3) cerrado. De esta forma R queda cerrado y A se conecta con P. ∙


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La Válvula se encuentra ahora en posición de trabajo. Se podría alimentar de aire a un cilindro a través de la conexión P-A.

Figura 2.15. Corte de una electro-válvula. En la figura se ha representado cómo conmuta la válvula y como es accionada, en este caso, con una simple bobina. Nota: Las conexiones de aire comprimido de componentes neumáticos se caracterizan por permitir datos unívocos en todas las especificaciones técnicas. Las letras empleadas hasta la fecha, en el futuro se reemplazarán por cifras. Para ello desde el 1.6.1985 rige la recomendación provisoria CETOP RP 68 P. Una ISO está en estudio. Todas las roscas de conexión en pulgadas se ejecutan según ISO 228/1 Conexiones según RP 68 P

Designación antigua

Conexión

1

P

Aire Comprimido

2, 4, 6

A, B, C

Trabajo

3, 5, 7

R, S, T

Purgado

10, 12, 14

X, Y, Z

Comando

En este texto se colocarán las designaciones antiguas entre paréntesis detrás de las designaciones RP68P (ver Figura 2.15). Accionamiento Manual Auxiliar En una instalación electro-neumática pueden aparecer fallas imprevistas. Si una instalación sufre un corte de energía eléctrica, ya no se pueden conmutar todas las válvulas electroneumáticas. Para evitar accidentes y darle al empleado de mantenimiento una posibilidad de conmutar aún sin corriente, los fabricantes equiparon las válvulas con un accionamiento manual auxiliar. Con dicho accionamiento manual auxiliar se puede conmutar una válvula en forma mecánica. Función Un tornillo (6) girable desde el exterior está incorporado al cabezal de la válvula. En el extremo del tornillo se encuentra una leva (7). Si se gira el tornillo 180 °, la leva levanta el núcleo magnético (4) y deja libre el asiento inferior (10). Se establece la unión entre el canal P y canal A. ∙

∙


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El giro del tornillo cumple la misma función que el accionamiento de la bobina con tensión. El núcleo magnético sube y el asiento inferior se abre.

Figura 2.16. Válvula electro-neumática con accionamiento manual auxiliar. 2.4.2.1.- Válvulas de Corredera. A diferencia de las válvulas de asiento, las válvulas cuyo diámetro nominal supera 4 mm en la mayoría de los casos se construyen de corredera. Función: Se observa que el eje de la corredera (1) coincide con el eje del eje del núcleo (2). Ambos elementos pudieran ser solidarios, pero la corredera es una válvula que debe estar sellada y soportada, y al ser movida debe vencer estas fuerzas de resistencia y por tanto la bobina a colocar sería demasiado grande para la válvula. La solución a esta problemática fue encontrada y se describe a continuación. ∙

Figura 2.17. Electro-válvula de Corredera. 2.4.2.2.- La Válvula Piloto. Una válvula pilotada (de accionamiento indirecto) consta de dos válvulas. En la parte inferior se encuentra una válvula corredera 3/2 vías de accionamiento neumático y en la parte superior una electro-válvula 3/2 vías según el principio de asiento. A esta última le denominamos Válvula Piloto.


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Figura 2.17. Electro-válvula de 3/2 pilotada con accionamiento manual auxiliar. Función: A través de un canal (2) en la carcasa de la válvula de corredera (1) la conexión de aire P está unida con la unidad piloto (5). Si conectamos aire comprimido en P, éste pasará automáticamente al piloto (5). Al energizar la electro-válvula, el núcleo (6) se induce hacia el solenoide (7) y libera el asiento (4). El aire comprimido pasa directamente a la cámara del émbolo de la corredera. Si la presión es suficientemente alta, el émbolo (3 se mueve y con él, la corredera. La válvula de trabajo (1) conmuta P hacia A. La ventaja de este principio constructivo radica en que grandes correderas para válvulas con diámetros nominales grandes pueden manejarse con solenoides pequeños a través de una unidad piloto. 2.4.2.3.- Retorno de la Corredera. Para que la corredera retorne a su punto inicial debe existir una fuerza que actúe sobre ella. Para ello disponemos de varias posibilidades: Retorno por Resorte Mecánico La corredera vuelve a su posición inicial, luego de que se produzca una caída de presión en el émbolo de empuje, por acción de un resorte (1) insertado en el cuerpo de la válvula. Retorno por Muelle Neumático Interno En este caso, se alimenta a ambas superficies (1) y (2) a la corredera (3) con la presión proveniente de P. Cuando el solenoide del piloto deja de actuar, escapa el volumen de aire de (4) que se encuentra detrás de la superficie 1 (1). La presión que sigue actuando sobre la superficie 2 (2) genera una fuerza que hace retornar a la corredera (3). Para garantizar una conmutación rápida y efectiva la superficie 1 debe ser mayor que la superficie 2. Al ejecutarse el retorno no se producen problemas ya que la superficie 1 no tiene presión. Retorno neumático. Muy similar al retorno neumático interno, también a la superficie 2 se le carga con presión, pero con la diferencia de que la presión de retorno es suministrada del exterior (Y). La ventaja de esta variante radica en que con pequeñas presiones de servicio ya se puede conmutar. ∙

∙

∙

∙


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Figura 2.18. Electro-válvula 3/2 con retorno mecánico. 2.4.3.- El Transductor E/P. (Válvulas Reguladoras de Presión). Los transductores electroneumáticos tienen por función transformar una señal eléctrica en una señal neumática. Ya se han tratado componentes que son capaces de realizar esto: Las electroválvulas Una tensión aplicada produce el paso de una presión neumática hacia algún lado. Pero los transductores E/P cumplen exigencias aún mucho mayores, ya que deben transformar señales o tensiones eléctricas variables en presiones correspondientes.

Figura 2.19. Electro-válvula 3/2 con retorno neumático. Existen dos variantes: 1. Las válvulas E/P con comando “binario”.


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2. Las válvulas E/P con comando “analógico”. 2.4.4.- El Transductor P/E. (Presostato). Hasta ahora se han tratado sistemas que transforman una señal eléctrica en una señal neumática, como por ejemplo la electro-válvula. También puede darse la situación inversa: en un sistema neumático se establece en un tiempo determinado una presión que debe ser informada nuevamente al programador. A esta presión entonces hay que transformarla en una señal eléctrica. Para ello se utilizan los presostatos, que a una determinada presión cierra un contacto (como con un interruptor). Se entrega entonces una señal eléctrica al control. Los transductores P/E o presostatos son elementos importantes en la neumática, que permiten entregar señales de retorno a los controles.

Figura 2.20. Esquema funcional del presostato. Función: El perno (3) está sometido a presión por acción del resorte (1), que es regulable por medio del tornillo (2). Si la presión en el perno (4) sobrepasa a la presión ejercida por el resorte sobre el mismo, el perno de levanta venciendo al resorte y conecta el contacto (5). 2.4.5.- Sistemas de Posicionamiento. El desarrollo de la electrónica avanza a grandes pasos. Los sistemas son cada vez más rápidos y precisos. La mecánica tiene grandes problemas para seguir este paso. No obstante, los fabricantes con gran ingenio ofrecen en el mercado sistemas de trabajo cada vez más precisos. Si se observa el campo de los cilindros neumáticos, también aquí se encontrarán grandes adelantos. Los cilindros pueden posicionarse con ayuda de electrónica y sistemas de lectura lineal en forma cada vez más exacta. Con el fin de informar con qué medios se cuenta hoy en la industria para este tipo de trabajo se presentan dos de ellos: 1. Sistema de posicionamiento con encoder magnético ∙


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2. Sistema de posicionamiento con potenciómetro lineal. 2.4.5.1.- Sistema de Posicionamiento con Encoder Magnético. Muchos casos en el sector de automatización se exige una cantidad múltiple de posiciones con un cilindro neumático en función de una señal de entrada, sin necesidad de precisión especial en su posición. Esta es la función que cumple el sistema de posicionamiento con encoder magnético, por medio de un cilindro de doble efecto (1) con émbolo magnético, un encoder (3) y una válvula de 5/3 vías (2), conectados de forma tal que junto a una unidad de regulación electrónica forman una unidad de posicionamiento., como se muestra en la Figura 2.21.

Figura 2.21. Circuito esquemático de un sistema de posicionamiento con encoder magnético. El encoder magnético está compuesto de una serie de reedswitch’s que están ordenados sobre el lateral de un cilindro. El émbolo del cilindro está provisto de un anillo imantado que actúa con su campo magnético sobre los reedswitch’s. La precisión en la posición depende de la cantidad de reedswitch’s. El encoder magnético va entregando al regulador electrónico, en pequeños saltos, las distancias que el cilindro recorre en forma proporcional, como señales de corriente continua llamadas valor real, éste a su vez, compara el valor real con el valor nominal y controla, a través de la válvula 5/3 vías, su movimiento. Esta válvula dosifica el aire comprimido en la cámara del cilindro, según las desviaciones entre el valor nominal /real. Las funciones de seguridad como stop, entrada o salida del vástago por caída de tensión pueden ejecutarse por medio de la regulación electrónica. 2.4.5.2.- Sistema de Posicionamiento con Potenciómetro Lineal. Este sistema permite posicionamientos y velocidades de desplazamiento de mucha mayor exigencia y precisión.


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El cilindro neumático está equipado con un vástago (3) que tiene integrado un potenciómetro lineal para relevar los valores reales y también con válvulas de avance lento (1). Adicionalmente puede agregársele una válvula de avance rápido (2). El regulador electrónico compatible viene en dos versiones. Una de ellas es la versión para tablero y la otra como regulador individual. Al igual que en el sistema descrito anteriormente, la diferencia entre el valor nominal y real formada por el regulador, es compensada y, según la diferencia existente, se conecta el avance rápido o la unidad de avance lento. El sistema de posicionamiento puede equiparse adicionalmente con un freno electroneumático para asegurar al vástago contra los cambios de posición y mejorar la exactitud de posicionamiento en el caso de longitudes mayores de cilindro. 2.5.- Diseño de Circuitos. Siguiente Anterior

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Hasta cierto nivel de complejidad, un circuito de control se puede dibujar sin análisis lógico previo. Cuando se procede metódicamente, un diagrama de circuito para una secuencia se puede dibujar simplemente “por preguntas y respuestas”. Es mucho más fácil para un circuito eléctrico que para uno neumático.

Figura 2.22. Sistema de posicionamiento con potenciómetro lineal. Naturalmente, la base está en el conocimiento de cierto número de circuitos básicos. Se comenzará con estos para llegar más adelante a algunos conjuntos algo más grandes que pueden servir para construir circuitos 2.5.1.- Circuitos Básicos. 2.5.1.1.- Manipulación de un Contacto. Para realizar la multiplicación de un contacto simple abierto, de pulsador, mediante un relé, se asume que al pulsar pb1, se activan dos funciones, en este caso para encender un piloto y al mismo tiempo mover el cilindro A. Cuando estas dos funciones están combinadas, un único contacto puede hacer entrar ambos elementos en paralelo. Pero, cuando al menos una de estas


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funciones deba ser activada también mediante otro conmutador (como la electro-válvula A en la Figura 2.24, pb1 debe tener dos contactos normalmente abiertos. Si dicho conmutador no estuviera disponible (por ejemplo, porque es un contacto de láminas), un relé con dos o más contactos puede proporcionar los dos accionamientos separados.

Figura 2.24. Multiplicación de un contacto. En la Figura 2.24 el cilindro está normalmente fuera cuando se pulsa p b1 o pb2, el piloto se enciende sólo cuando esto se hace con p b1 y no con pb2. La Figura.2.24 muestra además la unidad de la fuente de alimentación. En los ejemplos de circuitos siguientes, ésta estará representada únicamente por dos líneas paralelas horizontales en los diagramas según normas europeas, y verticales según normas americanas (diagrama escalonado). 2.5.1.2.- Circuito de Realimentación a través del propio Relé. La Figura 2.25 muestra un circuito de realimentación con un relé y un pulsador en posición de reposo. Una batería suministra la tensión, pero no hay circulación de corriente, ya que el circuito no está cerrado. La conexión superior de la bobina está conectada al polo negativo de la batería, mientras que la otra conexión está abierta. Esto cambia en cuanto se acciona el pulsador (Figura 2.25 b). La bobina se carga dado que su conexión inferior está en contacto con el polo positivo de la batería, a través del pulsador cerrado. Debido a la carga de la bobina (señalada por un sombreado), el contacto del relé cambia su posición. Su contacto normalmente abierto se cierra realizando también la conexión desde el polo positivo de la batería a la conexión inferior de la bobina. Por lo tanto, la misma permanece cargada incluso después de soltar el pulsador (Figura 2.25. c). Su propio contacto mantiene cargada la bobina de su propio relé.

Figura 2.25. Ilustración del principio del circuito de realimentación


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En el circuito ilustrado en la Figura 2.25 no está completo, la bobina permanecerá cargada hasta que se descargue la batería o, en casos normales, se interrumpa la alimentación. Esta interrupción se puede controlar manualmente con un contacto normalmente cerrado, como se indica en la Figura 2.26.

Figura 2.26. Circuito de realimentación completo. La conexión del polo negativo a la bobina se realiza por medio del pulsador normalmente cerrado OFF. En el caso a), la situación es la misma que en la Figura 2.25 c., cuando se oprime el pulsador OFF, la bobina se descarga y, después de soltarlo, la bobina sigue desconectada porque sus contactos han caído. Las Figuras 2.25 y 2.26, son únicamente explicativas, en un diagrama de circuito la bobina y el contacto del relé ya no se dibujan como unidad, sino por separado. Estos dos elementos están insertados en distintas ramas del circuito y un circuito se dibuja rama por rama. En la Figura 2.27 se ilustra un paso intermedio.

Figura 2.27. Aproximación gradual al diagrama del circuito. La Figura 2.27 a) muestra el mismo circuito que la Figura 2.26, pero la ubicación de los diferentes elementos varía ligeramente. En un diagrama de circuito, la unión física de la bobina de relé y el contacto de relé se hacen sólo por referencia, R1 en el ejemplo. En b, este paso ya ha sido dado: el contacto y la bobina están separados. Dado que un relé puede tener varios contactos diseminados por todo el diagrama, estas ramas están numeradas y debajo de la bobina de cada relé se ponen los números de las ramas en las que se encuentran sus contactos. Por último, la batería naturalmente no resulta funcional a nivel industrial. El diagrama indica con dos líneas horizontales los dos polos de una fuente de alimentación. Esto se muestra en la Figura 2.27 c), en la que se añade también el pulsador OFF. Se trata de un contacto normalmente cerrado. Cuando se pulsa, queda cortada la línea superior de la bobina del relé y el relé se


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descarga. Su contacto se abre y cuando se suelta el pulsador OFF, no ocurre nada más. La Figura 2.28 muestra los circuitos eléctricos con símbolos normalizados.

Figura 2.28. Circuito con realimentación. 2.5.1.3.- Inversión de un Contacto. Un detector para cilindros tiene generalmente sólo un contacto normalmente abierto. Si se quiere un contacto normalmente cerrado, un relé puede realizar la inversión. En la Figura 2.24 el cilindro A vuelve cuando se suelta p b1, incluso antes de que esté completamente fuera. El circuito se complica ahora con dos circuitos básicos: de realimentación y de inversión. Con un pulso corto de Pb, el cilindro sale y vuelve automáticamente después de alcanzar el final de carrera.

Figura 2.29. Circuitos básicos de realimentación y de inversión combinados. En la Figura 2.29 a), el detector a 1 se dibuja como un contacto normalmente cerrado. Un detector de cilindros sólo tiene un contacto normalmente abierto. La Figura 2.29 b) muestra cómo se utiliza un relé para proporcionar el contacto normalmente cerrado deseado. El circuito neumático c es el mismo que en la Figura 2.24. 2.5.1.4.- Circuitos de Temporización. Con la ayuda de dos relés de temporización, un cilindro puede ser controlado en una secuencia repetitiva de carreras de entrada y salida haciendo que permanezcan en cada posición durante un tiempo preestablecido. Ambas electroválvulas se accionan por medio de un temporizador. La Figura 2.30 muestra los dos circuitos.


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Figura 2.30. Tiempo de parada regulable en cada una de las posiciones extremas. Lámpara intermitente Una función similar se puede realizar sin cilindro y sin finales de carrera, utilizando simplemente los temporizadores y un relé. La Figura 2.31 indica una posible solución: Cuando el conmutador biestable de arranque está cerrado, el temporizador T1 está cargado y la lámpara se enciende. ∙

Figura 2.31. Lámpara intermitente. Transcurrido el tiempo seleccionado, el contacto T 1 en la línea 3 se cierra y se activan el relé y el temporizador T 2, lo que abre el contacto normalmente cerrado del relé, en la línea 1, apagándose la lámpara. T1 se descarga y su contacto en la línea 3 vuelve a abrirse. El relé es alimentado por medio del contacto normalmente cerrado del temporizador T 2. Transcurrido el tiempo seleccionado en T 2, su contacto en la línea 4 se interrumpe y el relé y T 2 se descargan. La lámpara se vuelve a encender. 2.5.1.5.- Conversión de una Señal Permanente en un Impulso. En el circuito 2.24 el cilindro no puede volver si no se suelta pb1 antes de que enlace su posición 1. Esto se puede evitar por medio de una conexión en serie de a 0 con el arranque, como se indica en la Figura 2.32. Cuando el interruptor del arranque permanece pulsado, el cilindro mantendrá un funcionamiento en ciclo continuo.


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Para evitarlo, se puede utilizar un temporizador que proporciona un pulso parecido a lo que ocurre en neumática. Se ilustra en la Figura 2.32 b).

Para evitar el bloqueo del retorno. Sin repetición de ciclo. Figura 2.32. Conversión de una señal permanente en un impulso de corta duración. 2.5.2.- Secuencias. Para que sea más fácil describir una secuencia de movimiento del cilindro, se utilizará el diagrama de fases.

Figura 2.33. Diagrama de fases. Para dibujar estos diagramas es mejor utilizar papel cuadriculado. Dibujamos dos líneas horizontales por cada cilindro: la línea superior representa la posición 1, mientras que la inferior representa la posición en reposo. A intervalos regulares se dibujan líneas verticales paralelas, para diferenciar los pasos del ciclo (Figura 2.33 a). Cada paso es un movimiento de algún cilindro, a veces dos o más carreras simultáneas. La Figura 2.33 b) ilustra el ejemplo de un cilindro “H”. Permanece en posición de reposo en el paso 1, se mueve a su posición 1 en el paso 2, allí permanece durante los pasos 3 y 4. Vuelve a la posición inicial en el paso 5 y allí permanece el paso 6. La Figura 2.33 c) muestra los movimientos de dos cilindros A y B. 2.5.2.1.- Método de “Pregunta y Respuesta”. Si no se conoce la configuración de un circuito lógico, es necesario dibujarlo utilizando el método de “pregunta y respuesta”. El método consiste en hacer preguntas y respuestas, como en el siguiente ejemplo: Ejemplo: Dibujando un circuito eléctrico para la secuencia A+, B+, A-, B- (Fig. 4.11 c). Se parte de electro-válvulas biestables y un conmutador de comienzo/parada de ciclo también biestable.


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Pregunta ¿Qué se activa en primer lugar? ¿Cómo se arranca el ciclo? ¿Cuándo se repite el ciclo? ¿Cuando de desactiva A+? ¿Está desactivado A -? Pregunta ¿Cuál es el paso siguiente? ¿Cuando se activa? ¿Cuando se desactiva? ¿Está desactivado B-? ¿Hay otras condiciones? Pregunta ¿Cuál es la siguiente acción ¿Cuando se activa? ¿Cuándo se desconecta? ¿Está desactivada A+? ¿Hay otras condiciones?

Respuesta La electro-válvula A+ Cerrando el interruptor de inicio de ciclo Cuando “B” vuelve a 0 (b0) Cuando el cilindro B comienza a salir Sí Respuesta B+ Cuando A ha llegado al final de carrera a1 Cuando el cilindro A comienza a entrar Sí No Respuesta ACuando B está completamente fuera Cuando el cilindro B comienza a retroceder Sí No

Figura 2.34. Construcción del circuito eléctrico por medio del método de la pregunta/respuesta. Pregunta Respuesta ¿Cuál es la siguiente acción? B¿Cuándo se activa? Cuando A ha terminado de retroceder ¿Cuándo se desconecta? Cuando el cilindro A comienza a salir ¿Está desactivada B+ Sí ¿Hay otras condiciones? No En el ejemplo, no hay órdenes que se solapen. Se verá entonces la siguiente secuencia mostrada en el diagrama de fase 2.35, una típica secuencia de amarre y taladro. Las condiciones son:


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Figura 2.35. Diagrama de fases. De haber una parada de emergencia para cortar la energía de todos los pilotajes si surge cualquier situación peligrosa. Cuando se libere la emergencia, el ciclo no deberá continuar. La puesta en marcha y la parada se realizará en pulsadores monoestables. La energía sólo podrá ser desconectada en la posición de reposo. Para iniciar cada ciclo se deberá pulsar la puesta en marcha. Los circuitos electroneumáticos requieren siempre una cuidadosa elección de las válvulas por motivos de seguridad; también en el caso en que no haya parada de emergencia involucrada. La energía eléctrica puede faltar de repente, mientras que el aire comprimido almacenado en las tuberías sigue estando disponible. En caso de sujeción y mecanizado, el dispositivo de sujeción requiere una válvula biestable para evitar el desbloqueo en caso de parada de emergencia o de fallo de corriente. El taladrador debe entonces retirar inmediatamente la herramienta, razón por la cuál será imprescindible mandarla mediante una válvula monoestable. La desconexión de la alimentación por medio del pulsador OFF podrá ser realizada solamente en estado de reposo. Se puede colocar un conmutador biestable para la repetición de ciclo o bien para al final del ciclo, si el conmutador ha sido desconectado durante el transcurso del mismo. P.- ¿ Cómo se conecta – desconecta la alimentación?. R.- ¿Se necesita un relé (CR, relé de ciclo) con un circuito de retenión. P.- ¿ Cómo nos podemos asegurar de que el pulsador OFF funcione sólo en posición de descanso? R.- La posición de reposo está definida porque el detector para cilindro, denominado c 0 está accionado. Realizando un puente entre ”OFF” y un contacto normalmente cerrado de ese conmutador, OFF sólo será operativo cuando c 0 está accionado cada final de ciclo P.- ¿El detector magnético c 0, tiene un contacto NC? R.- No, se requiere un relé para proporcionarlo; lo denominaremos “Rc 0” (Circuito básico de multiplicación de contacto) P.- ¿Cuál es el primer movimiento? R.- C+ P.- ¿Qué señal confirma el final de este movimiento? R.- c1 P.-¿Está desactivado C-? R.- C- sigue a D-, por lo tanto la orden C- la da d 0. Este conmutador está en funcionamiento porque D se encuentra en posición inicial.


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P.- ¿Cómo podemos desactivar C-? R.- Poniendo un contacto cerrado de relé en la línea a C- y cargando el relé al comienzo de ciclo. Más adelante se verá como rearmarlo. Se denomina MR ( relé de memoria). El circuito, dibujado hasta ahora, se ilustra en la Fig. 4.15. Antes de seguir adelante, vamos a examinar algunas particularidades: Línea 1: Al cerrar “ON”, se carga el relé CR. “Es” (parada de emergencia) interrumpe incondicionalmente la conexión a CR. Línea 2: si no se acciona OFF, el contacto CR retiene el relé CR. Línea 3: el contacto normalmente cerrado Rc 0 está abierto cuando la tensión está conectada y C está en posición de reposo, porque c0 en la línea 4 carga el relé Rc 0. Durante el ciclo, este contacto está cerrado y OFF no puede desconectar la tensión. Puesto que Rc0 es un contacto de relé, no se puede dibujar “retenido abierto” como se haría con el contacto normalmente cerrado del mismo c 0; al dibujar un circuito restante se asume que la tensión está desconectada. El contacto CR en la línea 4 suministra tensión al resto del circuito; de esta manera, todo el circuito restante, a partir de la línea 4, se desconecta cuando se pulsa la parada de emergencia. Línea 5: cuando C está en posición de descanso (Rc 0 cerrado) y el interruptor de arranque está pulsado, el relé de memoria MR está cargado y mantiene su contacto en la línea 6. Al mismo tiempo, la bobina C+ está excitada, El cilindro C está fuera y la pieza estará sujeta.

Figura 2.36. Primera seis líneas del ejemplo. P.-¿ Cuál es el paso siguiente? R.- D (monoestable) P.- ¿Señal de inicio? R.- c1 P.-¿c1 tiene una duración adecuada?


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R.- No, él estará accionado hasta que vuelva C. Tenemos MR; podemos utilizar su contacto normalmente abierto y desconectar MR cuando D esté en su posición 1. De esta manera el contacto marcado con “?” en la línea 5 es de d 1. P.- ¿Se puede poner d1 en la línea 5? R.- No, se necesita un contacto normalmente cerrado, por lo que es necesario un relé Rd1 para utilizar su contacto normalmente cerrado. P.-¿Se puede mandar C- a través de d0? R.- Si, pero en conexión en serie con MR, para cortarlo antes de que C+ tenga que cargarse de nuevo. Esta bobina permanece cargada cuando se para el ciclo. Hay un relé disponible: un contacto normalmente cerrado de Rc 0 se abre y descarga C- al final de su carrera.

Figura 2.37. Circuito para el ciclo de la figura 2.35. 2.5.2.2.- Sistema de Cascada. El llamado “sistema cascada” se estudia durante el curso sobre neumática básica. Es asumido, por tanto que el sistema es conocido. ¿Se puede aplicar este sistema a la electro-neumática? La respuesta es SI, pero sustituyendo la válvula de cascada con un relé. El principio del sistema cascada para relés, se muestra en la Figura 2.38. Se puede ampliar tanto como desee. Los contactos de comunicación son NC/NA, con uno de sus polos común a ambos contactos. Cuando el relé se carga pasa a conectar el común con el contacto NA. Los contactos de los sucesivos relés, se conectan de tal forma que el común de uno esté en contacto con el NC del siguiente. Cuando los relés se van activando sucesivamente, se va cambiando el grupo y éstos se mantienen excitados hasta el último grupo.


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Figura 2.38. Principio del sistema de cascada por relés. Ejemplo: Dada la secuencia: A+, B+¦ A-, C+, D+, B-¦ C -, DExisten dos grupos y el ciclo empieza en el medio del primero. Como para un control manual, se necesita un pulsador de arranque y uno de parada. El primero arranca la secuencia que se repite hasta que se pulsa el otro pulsador para detener el ciclo. Para obtener una señal continua de repetición del ciclo, se requiere un relé con un circuito de retención que denominaremos CR (relé de ciclo). Uno de sus contactos activa el primer paso. Para la cascada se debe utilizar otro relé con circuito de retención, denominado R1. La última señal del grupo I lo carga y la última señal del grupo II interrumpe la conexión de retención. Puesto que el relé de ciclo puede influenciar únicamente el primer mando del ciclo, se necesitan dos contactos R1: uno para el primer comando, en conexión en serie con el contacto de CR y otro que se conecta directamente a la alimentación. La Figura 2.39 muestra el diagrama eléctrico en forma de diagrama escalonado.

Figura 2.39. Esquema eléctrico con circuito en cascada. Ejemplo: Dibujamos un circuito de para la secuencia: E+, F+, E-, G+, H+, H-, G-, FDivisión de los grupos: E+ F+ ¦E-, G+, H+ ¦ H-, G-, F- ¦ O bien: E+ ¦ F+, E-, G+, H+¦ H-, G-, FLa primera división forma sólo dos grupos y por lo tanto es preferible para la neumática, aunque el ciclo empiece medio de un grupo. La Figura 2.40 muestra el diagrama completo, dibujado con las dos divisiones en grupos.


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Figura 2.40. Diagrama según el Sistema de Cascada. En la línea 1 se encuentra un contacto normalmente cerrado del relé de grupo GR, luego el conmutador biestable de arranque/parada y el detector magnético f 0, por ser la última señal del ciclo. Así E+ es el primer comando del ciclo. Puesto que su señal el es la última del grupo I, inicia el grupo II. Significa entonces que hay que conectar el relé GR. Esto ocurre en la línea 2. Sería arriesgado tomar la tensión para el detector e 1 desde el grupo I es decir desde la parte posterior del contacto normalmente abierto de GR; puede funcionar si el relé GR cierra sus contactos normalmente abiertos antes de abrir sus contactos normalmente cerrados, en caso contrario el relé volvería a caer y quedaría oscilando. La bobina caería cuando su contacto normalmente cerrado se interrumpe pero no se tiene la seguridad de que su contacto normalmente abierto en la línea 3 esté ya cerrado y mantenga alimentada la bobina. Por todo esto, es mejor alimentar con tensión a GR a través del detector e 1, no a través del grupo I, sino directamente desde la línea de alimentación principal. El contacto GR en línea 3 suministra todos los mandos del grupo II y también mantiene GR. Este circuito de retención es necesario para relés sin enclavamiento (los que lo tienen son elementos biestables parecidos a la “válvula en cascada” utilizada en neumática). Se interrumpe con la última señal en el grupo II, en este caso h 1. Puesto que es necesario un contacto normalmente cerrado, hay que invertir h 1, un detector magnético con contacto normalmente abierto con un relé que se codifica como “Rh 1”para mantener la referencia a la posición 1 del cilindro H. Su contacto de interrupción está en línea 2. El comando H- es el primero del grupo I, cargado directamente desde la alimentación del grupo. En lugar del contacto separado GR de línea 8, se puede también utilizar el de la línea 1 con una conexión a la línea 8, como se indica con una línea fina de puntos. Esto indica las características “líneas de grupo” paralelas ya conocidas en los circuitos neumáticos. Este circuito funcionará perfectamente, pero presenta una limitación para la electricidad, es decir que las electro-válvulas H-, G- y F- permanecen cargadas al final del ciclo. Tampoco se ha dibujado ningún dispositivo para conectar/desconectar la alimentación. Para descargar estas tres electroválvulas cuando la máquina no está trabajando, no se necesita otro relé. Por lo tanto, se puede también utilizar la primera división y hacer una cascada con tres grupos. Añadimos un circuito subordinado parecido al utilizado para el ejemplo de “sujeción y taladrado” de la Figura 2.37. La Figura 2.41 muestra el resultado: cuando el ciclo termina ya nada se nos queda conectado.


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Figura 2.41. Circuito en cascada completo. 2.5.2.3.- Principio de Control Paso a Paso. En este contexto, es útil construir un circuito paso a paso como prolongación del sistema cascada. Debe ser un circuito estándar programable. En este caso, “programable” significa que se puede controlar un ciclo conectando las entradas y las salidas a la unidad en la misma secuencia en que estos elementos entran en funcionamiento cuando se pone en marcha el ciclo. Cada paso tiene su entrada y salida y esta salida puede ser activada sólo por su entrada, que indica que se ha cumplido el paso anterior. La Figura 2.42 muestra un circuito de relé para explicar este principio.

Figura 2.42. Principio básico de un controlador paso a paso por relés. Para obtener una unidad universal, las entradas y salidas deben ser terminales a los cuales se puede conectar el detector o la electro-válvula deseado. Para el paso a paso mediante relés de la Figura 2.42, dicha unidad universal sería parecida a la Figura 2.43.


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Figura 2.43. Secuenciador mediante relés preparado como unidad universal. 2.6.- Introducción a los Programadores Lógicos Controlables (PLC). Siguiente Anterior

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2.6.1.- Tarea de un PLC. Si se realiza el desarrollo secuencial de un circuito electro-neumático no sólo se encontrarán los componentes propios del mismo, como electroválvulas, cilindros, etc. sino también existe allí un procesador de señales. En una instalación encontramos señales y avisos de:  Fines de carrera.  Sensores.  Interruptores.  Pulsadores.  Sensores de proximidad.  etc. Estas señales deben enlazarse entre sí en este circuito para, por ejemplo, poder accionar la válvula correcta en el momento oportuno. En los epígrafes anteriores estos enlaces fueron logrados con la ayuda de los relés. A medida que aumenta el tamaño del circuito neumático aumenta también el número de relés y elementos de enlace necesarios. En este caso los costos y el lugar disponible en el tablero de conexiones juegan un papel importante. Un relé, comparado con su función, ocupa en lugar relativamente grande. Llegado este punto se debe tomar la decisión de emplear un “programador lógico controlable” en lugar de enlaces convencionales y relés. ¿Qué puede hacer un PLC?  Comando de secuencias.  Procesado de señales de entrada y salida binarias, digitales o analógicas para influir sobre cambios técnicos, procesos y secuencias.  Comando en el programa en la secuencia correcta de pasos y el tiempo justo.  Supervisión de sistemas ∙


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Medición de parámetros dentro del sistema, por ejemplo: temperatura, presión, estado de carga, etc.  Entrega de los avisos y disparos correspondientes que posibiliten una corrección al sistema que se ha salido de sus valores límites. Enlace de un PLC a una máquina de control numérico para manejar secuencias de orden inferior que no pertenecen al comando propio del sistema de control numérico. 2.6.2.- Composición de un PLC. Programadores lógicos controlables son componentes electrónicos en los cuales se ha introducido a la memoria a manera de instrucciones algún comando secuencial deseado. Los transmisores, elementos de control y consumidores se conectan directamente al PLC. El corazón de un programador lógico controlable consiste en un microprocesador, una memoria de programa y los módulos periféricos (o sea el módulo de entrada y de salida). El programa de comando se escribe en la memoria con la ayuda de un módulo de programación apropiado. Luego de introducido el mismo en la memoria, puede retirarse dicho módulo del aparato. El programa es leído línea por línea por la unidad de control y elaborado (en forma seriada). Dado que el procesado seriado se realiza con mucha más rapidez, apenas puede verse en la pantalla. Al procesamiento de toda la memoria en una vez se le denomina ciclo. Al tiempo que tarda en recorrerlo se le denomina tiempo de ciclo. 

Figura 2.44. Composición de un PLC. Composición lógica.


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El tiempo de ciclo de un PLC de velocidad de trabajo media comprende aprox. sólo 7ms. (a una capacidad de memoria de 1000 instrucciones). 2.6.2.1.- Composición Lógica de un PLC. En la Fase de Entrada ocurre la recolección física de todas las señales de entrada que provienen del proceso de la máquina y de los comandos manuales. La Fase de Proceso elabora las señales que provienen de la entrada, según las instrucciones internas de programa (tiempos, contadores, registradores de datos). Estas señales, según lo especifica el programa, sufren distintos enlaces y el resultado de ello se envía hacia la fase de salida. La Fase de Salida entrega al exterior las instrucciones del microprocesador. Con ellas se comandan los consumidores, indicadores, elementos de control, embragues o aceleradores de motor. 2.6.2.2.- Construcción Mecánica de un PLC. Para llevar una señal de “sí” hacia un PLC, se utiliza por ejemplo, un pulsador o interruptor, que se alimenta con tensión. Para esto puede usarse la propia fuente de alimentación del PLC, si es que el valor máximo de corriente admisible no se supera (varía según el modelo). Ver Figura 2.45 Si es accionado el pulsador, una señal positiva de tensión va hacia la entrada (E 404) del PLC y se le asignan como un “1” lógico al procesador. De la misma forma sucede con datos que le llegan desde transmisores o testigos a la entrada del PLC. La placa de entrada está provista de contactos ópticos para separar galvánicamente la tensión del sistema de procesamiento. Preste atención al consumo mayor que pueden tener los transmisores activos. Al asignarse “1” a una entrada, un LED acusa esta acción. De esta forma puede observarse también el estado del transmisor sobre el PLC. Si el consumo de corriente de los transmisores fuese muy grande debería utilizarse una fuente de alimentación que provea esta corriente.

Figura 2.45. Construcción Mecánica.


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2.6.2.3.- Alimentación de Corriente de un PLC. Para la alimentación de corriente de un PLC se puede elegir, según la necesidad, entre 220 V CA ó 24 V CC. Del lado de la entrada del PLC se encuentra un borne señalizado con “RUN”. Este borne se conecta, interruptor de por medio, a +24 V CC. Luego de accionar el interruptor el PLC se encuentra en él “modo RUN”, es decir, que ha comenzado el procesamiento y elaboración de los datos de entrada y salida y la iniciación del programa. Si es abierto nuevamente el interruptor, el PLC detiene inmediatamente el procesamiento. 2.6.2.4.- Zona de Diodos Luminosos de Control. Sobre el PLC se encuentra una zona de control compuesta por LEDs, en los cuales se observa lo siguiente: Power LED. Este diodo ilumina cuando el PLC tiene alimentación eléctrica. Si al aplicarle una tensión no se ilumina deberá revisarse el fusible del aparato. RUN – LED. Apenas se haya activado la entrada RUN, el diodo LED debe iluminar. Aquí debe dejarse en claro que se supone que todas las conexiones se realizaron en forma correcta. Batterie LED. Al iluminarse este LED significa que debe cambiarse la batería de memoria. Significa que la tensión de la batería ha caído por debajo de 2,8 V. Está batería cumple la misión de alimentar la memoria de datos y del programa de tensión ante una caída de tensión de línea imprevista. A través de esta alimentación de emergencia, se asegura que los datos y el programa que se encuentra en la memoria permanezcan inalterados. Prog./ CPU - E. El LED de error de programa o CPU señalizan un error de proceso en el microprocesador o bien en el programa. 2.6.2.5.- Salidas de un PLC. Las salidas de un PLC se dividen en 4 grupos. A cada grupo le corresponde un borne “COM” (común) que se alimenta con tensión positiva. Si el módulo de salida llama a uno de los bornes del grupo, la tensión positiva que está en COM pasa a través del borne hacia el consumidor. La ventaja de esta división por grupos, es que le permite ocupar cada borne COM con una tensión distinta, según sea la necesidad de la aplicación. Por ejemplo:  COM 3 220 V AC  COM 4 220 V AC  COM 5 24 V DC  COM 6 48 V DC ∙

∙

∙

∙


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Debe tenerse en cuenta que cada relé sólo puede soportar una corriente de aprox. 2 A. Al conectarse consumidores que requieran una corriente mayor, deberá usarse un relé auxiliar. Debe mencionarse que una electro-válvula 5/2 vías de uso común sólo requiere una corriente de aprox. 90mA. 2.6.3.- El Equipo Programador. Antes de comenzar con la programación debe aprenderse como se carga un programa en la memoria del PLC. Entre los muchos aparatos de programación, el de montaje directo resulta ser el más cómodo. Estos aparatos se montan sobre el PLC y el programa se carga directamente a través del teclado hacia la memoria. Un display LED posibilita al mismo tiempo la verificación visual de las direcciones de la memoria involucradas y su contenido. Monitoreos, cargas y borrado de órdenes y programación de líneas y cifras en el modo off-line son una cosa habitual para este tipo de programadores.  Monitoreos: El programa del curso se puede controlar a través del programador.  Modo off-line: Dado que las modificaciones de programas sólo pueden realizarse en el modo off-line debe detenerse el programa en curso. Si los programas no son grabados en el lugar de trabajo, la practicidad del aparato programador ya no juega un papel importante. Para estos casos pueden usarse equipos mucho más confortables(equipos estáticos). Estos equipos de programación ya no son conectados sobre el PLC sino que tienen un cable de adaptación que se conecta al PLC. Todos estos están provistos de un monitor, que permite observar el programa en su totalidad. Cuando el tamaño del programa excede una determinada magnitud con frecuencia se introducen errores de programación, que pueden ser detectados con mucha facilidad en los equipos estáticos. Estos equipos se denominan: Equipos Programadores Gráficos. Una tercera posibilidad de programar es el empleo de software, que puede ser leído y manejado a través de un PC de uso común. 2.6.4.- Enlaces Lógicos. En el epígrafe anterior (2.5) se han realizado muchos enlaces lógicos con ayuda de relés. Un PLC también puede realizar enlaces con la ayuda de un programa, lo que trae aparejadas las siguientes ventajas: 1. No se requiere cableado de relés 2. Gran disponibilidad de funciones temporizadas, contadores, etc. 3. Se puede realizar con rapidez un cambio en el programa. Dichas ventajas pueden demostrarse fácilmente a través de dos ejemplos de aplicación: Ejemplo 1 Una lámpara testigo debe indicar que dos puertas se encuentran abiertas simultáneamente en un recinto. Ejemplo 2 ∙

∙


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Una lámpara testigo debe indicar cuando una de las dos puertas está abierta. Solución de los ejemplos de aplicación El enlace correspondiente a los ejercicios y los planos eléctricos pueden verse en los esquemas adjuntos. Para realizar un cableado los enlaces lógicos de los fines de carrera S 0 y S1 deben ser distintos en ambos ejemplos. Ejemplo 1 Función “Y” Ejemplo 2 Función “O” Al solucionar ambos ejemplos con un PLC al conectar los fines de carrera no hay necesidad de preocuparse por los enlaces. Los enlaces serán realizados por el programa. Si se conectasen componentes de entrada o salida al PLC, éstos deberían identificarse con anterioridad. Entradas Fin de carrera S0 → X400 Fin de carrera S1 → X401 Salidas Lámpara testigo → Y430

Figura 2.47. Solución de los ejemplos analizados. 2.6.5.- El Programa. Para poder realizar un programa debemos conocer el lenguaje de las instrucciones con las que se maneja el PLC. En la Tabla 10 del Anexo E muestra algunas de las instrucciones más importantes que son más que suficientes para un entendimiento básico. Existen tres formas de representar un programa:


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1. El plano de conexión. 2. La lista de instrucciones. 3. El plano funcional.

Figura 2.48. Esquema de conexiones de un PLC. 2.6.5.1.- El Plano de Conexión. Teniendo ambos planos eléctricos de los ejemplos y los girándolos 90 ° hacia la izquierda; se reemplazan los interruptores y componentes por los contactos elegidos del PLC y sus instrucciones. De esta forma obtenemos el plano de conexión.

Figura 2.49. Transformación de planos eléctricos a planos de conexión.


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2.6.5.2.- Lista de Instrucciones. Observando los planos de conexión de los ejemplos y leyendo de izquierda hacia derecha la forma de las instrucciones aquí descriptas, se obtendrá la lista de instrucciones que puede ser introducida de este modo en el aparato programador. 2.6.5.3.- Plano Funcional. Al plano funcional ya es conocido. Es una representación lógica de los enlaces en relación a la descripción de todos los componentes involucrados.

a. Lista de Instrucciones. B. Plano Funcional. Figura 2.50. Lista de Instrucciones (a). Plano Funcional (b). Para una mejor comprensión véase Ejemplo 3, del Anexo E.

Capítulo 3. Aplicaciones de la Automatización Neumática.

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Capítulo 3. Aplicaciones de la Automatización Neumática. Siguiente Anterior

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3.1.- Ejemplos de Automatizaciones Neumáticas. Siguiente Anterior

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Como se explicó en el Capítulo 1, las Automatización Neumática encuentra su espectro ampliamente difundido en la industria en general. Cualquier acción manual repetida puede ser sustituida acciones neumáticas, logrando automatizar la mayor parte de las producciones manufacturadas. A continuación se recogerán algunas de las aplicaciones más comunes de la Automatización Neumática. Estos ejemplos fueron tomados de [9]. 3.1.1.- Prensa Neumática. Este es uno de los elementos más difundidos en la industria. Este elemento como se observa en la Figura 3.1, es operado por dos botones simultáneamente (PB1 y PB2), por medidas de seguridad. La prensa volverá a su posición de reposo con solo desactivar uno de los botones.

Figura 3.1. Prensa Neumática. La solución de este caso puede ser desarrollada por medio de un cilindro de simple efecto o por un cilindro de doble efecto. Para ambos casos se pueden obtener tres circuitos distintos, en dependencia de los elementos de control que se seleccionen. 1. Válvula AND (Y). 2. Válvula 3/2 monoestable con pilotaje neumático. 3. Dos válvulas de accionamiento manual conectadas en serie. Para el cilindro de simple efecto los circuitos resultantes se muestran en la Figura 3.2 a), b) y c) respectivamente.


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a

b

c

Figura 3.2. Distintos Circuitos Neumáticos para una Prensa Neumática utilizando un cilindro de simple efecto. Si es utilizado un cilindro de doble efecto, los circuitos se encuentran representados en la Figura 3.3 a), b) y c) respectivamente.

a

b

c

Figura 3.3. Distintos Circuitos Neumáticos para una Prensa Neumática utilizando un cilindro de doble efecto. 3.1.2.- Puerta de Ómnibus. Una puerta de ómnibus puede ser abierta o cerrada por un cilindro de simple efecto (Figura 3.4 a, b) y a su vez accionado por dos botones o cuatro botones según la aplicación deseada, como se muestra en el circuito neumático reflejado en la Figura 3.5.


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a) Cerrada. b) Abierta. Figura 3.4. Puerta de ómnibus accionada por un cilindro.

a) Con dos botones de mando. b) Con cuatro botones de mando. Figura 3.5. Circuitos neumáticos para abrir/cerrar puertas de ómnibus. 3.1.3.- Cizalla para el Corte de Barras Metálicas. En este caso se cortan barras metálicas en tramos pequeños. Cuando el pedal es presionado se efectúa el corte del metal y solo cuado el pedal es liberado, la máquina retorna a su posición inicial. En la Figura 3.6 se observa el esquema de esta máquina.

Figura 3.6. Cizalla para corte de barras metálicas.


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Existen tres formas de automatizar este proceso: a. Con un simple accionamiento manual y un final de carrera. b. Con un botón de seguridad para mantener las normas de protección. c. Con una temporización a la conexión para la recuperación de la máquina a su posición inicial. En la Figura 3.7 se muestran los tres circuitos neumáticos antes mencionados.

a

b

c

Figura 3.7. Circuitos neumáticos que responden a una cortadora de barras metálicas. 3.1.4.- Abrir/Cerrar Ventanas. En la industria en general, ocasionalmente se utilizan, con el objetivo de controlar la ventilación de grandes almacenes o plantas, ventanas en la parte superior del techo de los mismos. La acción de abrir/cerrar las ventanas debe ser controlada de forma tal que prevea que la ventana pueda quedar semiabierta o abierta completamente según la necesidad de ventilación existente. Puede ser colocado un indicador visual para indicar la posición de cerrado. En la Figura 3.8 se muestra el esquema correspondiente.

a) Cerrada b) Semiabierta. c) Abierta. Figura 3.8. Esquema de la automatización de abrir/cerrar ventanas. A continuación en la Figura 3.9 se muestra el circuito neumático que responde a esta problemática en las tres posiciones antes mencionadas.


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Figura 3.9. Circuito neumático en las tres posiciones, cerrado, semiabierto y abierto. 3.2.- Ejemplos de Automatización Electro-Neumática. Siguiente Anterior

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La electro-neumática encuentra un campo más amplio en la industria en general. Circuitos eléctricos y electrónicos sustituyen gran cantidad de operaciones que deben ser efectuadas por componentes neumáticos. Más aun, cuando el nivel de automatización es sumamente complejo casi es imposible lograr una automatización a base de válvulas neumáticas, la electro-neumática lo resuelve con un simple circuito de relés o menos complicado, mediante un PLC. A continuación se reflejan algunas de las aplicaciones antes tratadas y otras. Estos ejemplos fueron tomados de [10]. 3.2.1.- Prensa Neumática, Accionada Electro-Neumáticamente. El ejemplo es el mismo que el de la Figura 3.1, solo que los mandos ahora son eléctricos. En la Figura 3.10 a) y b) se muestran los planos neumático y eléctrico respectivamente.

a) Plano Neumático. b) Plano Eléctrico. Figura 3.10. Planos Neumático y Eléctrico para el accionamiento de la prensa.


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Fíjese que solo cuando el relé temporizado T abre su contacto respectivo, energiza el relé R2 para a su vez energizar el Solenoide de la electro-válvula. También puede darse el caso de otro esquema en el cual se coloque un fin de carrera para mantener presionado el molde con la prensa durante un tiempo preestablecido. Esto solo se logra con una temporización para la desconexión de la energía que llega al solenoide de la electro-válvula. En la Figura 3.11 se muestran los planos correspondientes para este caso.

Figura 3.11. Planos neumático y Eléctrico para el caso de una temporización. El relé T es el relé de temporización a la conexión del solenoide de la electro-válvula, mientras que T1 es el relé de temporización para la desconexión de la misma. 3.2.2.- Puerta de Ómnibus, Accionada Electro-Neumáticamente. Al igual que el caso anterior este ejemplo se corresponde al de la Figura 3.4, solo que la automatización se logra por medio de electro-válvulas. En la Figura 3.12 a) y b) se muestran los planos neumático y eléctrico respectivamente.

a

b

Figura 3.12. Planos neumático y eléctrico para el accionamiento de la puesta de un ómnibus.


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Para el caso de que sean utilizados dos botones de apertura y dos de cierre, el plano eléctrico se muestra en la Figura 3.13.

Figura 3.13. Plano eléctrico para accionar la puerta de un ómnibus mediante cuatro botones. 3.2.3.- Cizalla para el Corte de Barras Metálicas Accionada Electro-Neumáticamente. Este caso se corresponde al de la Figura 3.6. Para este caso se emplea un cilindro con anillo magnético y serán colocados dos contactos reed en los fines de carrera del émbolo, véase la Figura 3.14 a) y b) donde se muestran los planos neumático y eléctrico respectivamente para este caso.

a

b

Figura 3.14. Planos neumático y eléctrico para el caso de la cizalla neumática. Véase como los contactos reed energizan las bobinas R1 y R2 correspondientemente y el botón de seguridad es insertado en el circuito.


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3.2.4.- Máquina para el Llenado de Envases con Líquido. Esta es una de las aplicaciones de la neumática más difundida, pues la automatización en una planta para el envase de líquidos se realiza generalmente con la electro-neumática. Véase en la Figura 3.15 como primeramente el envase al colocarse en la parte inferior del depósito de jugo, es detectado por un sensor y luego de ser accionado al actuador de giro, un contador gobierne el tiempo que debe permanecer abierta la salida de jugo.

Figura 5.15. Máquina para llenar envases de líquido. En la Figura 3.16 a) y b) se muestran los planos neumático y eléctrico para la ejecución de este proceso.

a

b

Figura 3.16. Planos neumático y eléctrico para el proceso de llenado de envases de líquido. 3.2.5.- Taladradora Vertical.


126

______________________________________________________________________________

Un caso muy peculiar lo encontramos en la taladradora vertical, pues es necesario combinar el movimiento de dos cilindros, uno para la sujeción de la pieza a elaborar y el otro para la propia elaboración. Como se refleja en la Figura 3.17, cada cilindro cuenta con dos contacto reed en los fines de carrera, C0 y C1 para el cilindro C, y D0 y D1 para el cilindro D. La secuencia sería: C+, D+, D-, C-

Figura 3.17. Taladradora vertical, automatizada electro-neumáticamente. Los circuitos neumático y eléctrico correspondientes, se encuentran en la Figura 3.18 a) y b).

a

b

Figura 3.18. Planos neumático y eléctrico correspondientes a la taladradora vertical automatizada.

128 Anexo A. Simbología Neumática y Electroneumática. ______________________________________________________________________________

Simbología de Componentes Neumáticos Esta recopilación de símbolos cumple con lo establecido en la norma DIN/ISO 1219. Los componentes que están comprendidos en la norma se representan con su símbolo usual, la designación de las conexiones corresponden a los lineamientos internacionales. Designación de Conexiones Letras Cifras Conexiones de Trabajo A, B, C ... 2, 4, 6 ... Conexión de Presión, Alimentación de P 1 Energía Escapes, Retornos R, S, T ... 3, 5, 7 … Descarga L Conexiones de Mando X, Y, Z ... 10, 12, 14 ...

Compresor para Aire Comprimido.

Actuadores Cilindro de simple efecto con retorno por resorte.

Cilindro de simple efecto con retorno por esfuerzos exteriores.

Cilindro de doble efecto.

Cilindro de doble efecto con doble vástago.

Cilindro telescópico de doble efecto.

Cilindro diferencial de doble efecto.

Cilindro de posición múltiple.


Cilindro sin vástago de doble efecto.

Amortiguación final fija, de un lado.

Amortiguación final regulable, de ambos lados.

Motor neumático, 1 sentido de giro.

Motor neumático, 2 sentidos de giro.

Actuador de giro, 2 sentidos de giro.

Actuador de giro, 1 sentido de giro con retorno por resorte.

Multiplicador de presión.

Multiplicador de presión para distintos medios.

Transductor para distintos medios.

Válvulas de Control Direccional Válvula 2/2, normalmente cerrada.

Válvula 2/2, normalmente abierta.


Válvula 3/2, normalmente cerrada.

Válvula 3/2, normalmente abierta.

Válvula 4/2.

Válvula 5/2.

Válvula 4/3, centro cerrado.

Válvula 4/3, centro abierto.

Válvula 5/3, centro cerrado.

Válvula 5/3, centro abierto.

Válvula 4/3, centro neutral con circulación.

Válvula 4/2, normalmente cerrada.

Válvula 2/2, de asiento normalmente cerrada.

Posiciones de conmutación

Posiciones con posición de reposo 0.


Representación simplificada de dos válvulas distintas. Válvula de regulación contínua. Escape sin rosca

Escape con rosca.

Retorno a tanque

Accionamientos Neumáticos Manual, en general pulsador.

Botón pulsador, hongo.

Palanca.

Pedal.

Lave.

Mecánico en general, leva, tornillo.

Rodillo, rodillo palpador.


Rodillo con retorno en vacío, rodillo escamoteable o basculante.

Resorte.

Elástico.

Presurizado neumático.

Presurizado hidráulico.

Pilotaje neumático.

Pilotaje hidráulico. Pilotaje hidráulico.

Embolo diferencial.

Accionamiento electro-magnético

Pilotaje electro-magnético. Traba.

Traba.

Válvulas de Bloqueo, Flujo y Presión.


Válvula de bloqueo, (antirretorno). Válvula de retención pilotada p e>pa - Cierre

Válvula de retención pilotada p a>pe – Cierre

Válvula “O”.

Válvula de escape rápido.

Válvula “Y”.

Orificio calibrado fijo – regulable.

Estrangulación fija – regulable. Válvula estranguladora de caudal unidireccional. Válvula estranguladora de caudal unidireccional a diafragma.

Válvula estranguladora de caudal de 2 vías. Válvula estranguladora de caudal de 3 vías. Distribución de caudal. Válvula limitadora de presión.


Válvula limitadora de presión pilotada.

Válvula de secuencia por presión.

Válvula reguladora de presión de 2 vías (reductora de presión).

Válvula reguladora de presión de 3 vías (reductora de presión). Regulador de diferencia de presión.

Válvula de cierre.

Instrumentos de Medición y Mantenimiento. Unidad de mantenimiento general.

Filtro.

Purga de condensado manual.

Pura de condensado automática.

Filtro con purga automática. Filtro con indicador de acumulación de purezas.

Lubricador.


Secador.

Limitador de temperatura.

Unidad de mantenimiento filtro, regulador, libricador. Manómetro.

Manómetro diferencial.

Termómetro. Caudalímetro. Medidor volumétrico.

Indicador óptico.

Sensor. Sensor de temperatura.

Sensor de nivel de fluidos.

Sensor de caudal.


Planos de Conexión Unión de tuberías. Cruce de tuberías. Manguera. Acople rotante. Línea eléctrica.

Silenciador. Acumulador de energía. (pulmón). Acumulador neumático. Fuente de presión. Conexión de presión cerrada. Línea de presión con conexión. Acople rápido sin retención, acoplado. Acople rápido con retención. Desacoplado, línea abierta. Desacoplado, línea cerrada.


Unidad operacional. Unión mecánica. Motor eléctrico. Motor de combustión interna.


Simbología Electro-Neumática. Tipos de Protección según VDE 0710 y 0620. Sin protección. Protección contra Humedad elevada, vapores y gotas de agua que caen en forma vertical. Protección a la caída de gotas de agua que caen en un ángulo de hasta 300 respecto a la vertical.

Protección contra gotas de agua provenientes de cualquier dirección.

Protección contra chorro de agua proveniente de cualquier dirección.

Protección contra penetración de agua sin presión.

Protección contra penetración de agua bajo presión. Protección contra penetración de polvo sin presión.

Protección contra penetración de polvo bajo presión.

Componentes Electrónicos (semiconductores) según DIN 40700. Diodo rectificador.

Diodo Zener.


Diodo túnel.

Diodo capacitivo.

Fotodiodo.

Diodo Luminiscente.

Diodo termoreactivo.

Transistor PNP.

Transistor NPN.

Fototransistor PNP.

Tiristor, mando catódico.

Tiristor, mando anódico.

Varistor, diac.


Triac.

Amplificador operacional.

Líneas y Conexiones Eléctricas y sus Conectores según DIN 40711, 40712 y 40713. Línea general. Línea móvil. Prolongación, línea ocasional. Línea de protección a tierra. Cruce de líneas. Conexión de líneas. Conexión de línea desarmable. Conducción de líneas a través de una carcasa.

Línea blindada. Descarga a tierra en general.

Conector para descarga a tierra.

Masa.


Enchufe macho.

Enchufe hembra.

Conexión enchufable.

Conexión enchufable múltiple.

Bornera, regleta de bornes. Punto de conexión desarmable.

Caja distribuidora.

Interruptores Eléctricos y Accesorios según DIN 40703 y 40712. Conexión activa, acople mecánico. Accionamiento manual general. Accionamiento por pulsador. Accionamiento por arrastre. Accionamiento por giro. Pedal. Accionamiento manual desmontable.


Mecánico general. Encastre. Con bloqueo en un sentido. Interruptor de cierre, NO.

Interruptor de apertura, NC.

Interruptor de cambio, conmutador.

Interruptor de cierre de 2 vías. Sentido de movimiento.

Accionamientos y Máquinas Eléctricas según DIN 40713. Accionamiento electromagnético en general.

Accionamiento con un bobinado.

Accionamiento con dos bobinados paralelos.

Accionamiento con dos bobinados cruzados.


Elemento de fuerza, émbolo. Accionamiento de cierre retardado.

Relé de remanencia, relé magnético residual.

Termo-relé Relé polarizado.

Destellador.

Relé de corriente, relé de carga continua.

Contactos Elásticos para Relés.

Contacto de trabajo.

Contacto de reposo.


Contacto de conmutación.

Contacto de trabajo doble.

Contacto de reposo doble.

Contacto de conmutación en serie.

Contacto de trabajo de 2 vías.

Contacto de trabajo de dos vías en serie.

Aparatos Eléctricos y Transductores. Transductores en general.


Presostatos (Transductores de presión).

Filamento deformable de medición.

Transmisor receptivo.

Termómetro resistivo.

Termómetro.

Transmisor inductivo.

Transmisor capacitivo.

Transmisor piezoeléctrico.

Elementos e Indicadores Eléctricos. Resistencia.


Resistencia variable. Bobina inductiva. Condensador, capacidad.

Condensador polarizado.

Elemento galvánico. Indicador luminoso.

Testigo, indicador de agujas.

Sirena.

Bocina. Instrumento de medición en general.

Registrador.

147 Anexo B. Compresión, Distribución y Tratamiento del Aire. Figuras.. ____________________________________________________________________________

Anexo B. Compresión, Distribución y Tratamiento del Aire. Figuras. Siguiente Anterior

Índice


Figura 1B. Compresor de Embolo de una sola Etapa.

Figura 2B. Compresor de Embolo de dos Etapas

Figura 3B. Compresor de Diafragma. Atrás


Figura 4B. Compresor de Paletas. Atrás

Figura 5B. Compresor de Tornillos. Atrás

Figura 6B. Principio de un Post-Enfriador Refrigerado por Aire.

150 Anexo B. Compresión, Distribución y Tratamiento del Aire. Figuras.. ____________________________________________________________________________ Atrás

Figura 7B. Principio de un Post-Enfriador Refrigerado por Agua. Atrás

Figura 8B. Principio del Secador de Aire por Absorción. Atrás


Figura 9B. Principio del Secador de Aire por Adsorción, Regenerado por Calentamiento. Nota: En este caso se utiliza un calentador eléctrico por el cual se hace pasar aire con ayuda de un ventilador. Luego utilizando una válvula de control direccional, este aire pasa a través de una columna desecante saturada de humedad. Para este caso se logran puntos de rocío de hasta ° C. 90 ° C. Atrás

Figura 10B. Principio del Secador de Aire por Adsorción, Regenerado por pérdida de calor.


Nota: Se utiliza el aire previamente secado, dejando pasar, a través de la columna saturada por medio de una válvula de control direccional, entre un 10% y un 20% de este aire para reabsorber la humedad la humedad; luego este aire húmedo y refrigerado es enviado a escape. La válvula de control direccional es accionado mediante un temporizador, con el objetivo de proporcionar aire fresco continuamente. Por este método se alcanzan puntos de rocío de hasta -30 ° C. Atrás

Figura 11B. Principio del secado de aire por refrigeración. Atrás


Figura 12B. Purga automática de flotador. Nota: El agua de condensación se deposita en el fondo y cuando sube su nivel lo suficiente para que se eleve el flotador, se abre el asiento superior y el aire a presión pasa por dentro del tubo guía hasta el émbolo con resorte el que se mueve a la derecha y abre l asiento de la válvula de alivio, expulsando el agua. Atrás

Figura 13B. Purga automática motorizada. Nota: Esta purga es accionada eléctricamente para mover una leva, dispara la válvula de vástago vertical accionada por palanca, que periódicamente expulsa agua de condensación. Atrás


Figura 14B. Típico filtro de línea.

Figura 15B. Típico filtro separador y purga automática opcional.

Figura 16B. Filtro micrónico típico. Atrás


Figura 17B. Función de descarga.

Figura 18B. Regulador de presión completamente compensado.

Figura 19B. Regulador de presión por piloto. Atrás


Figura 20B. Filtro-Regulador.

Figura 21B. Multiplicador de presión. Funcionamiento: El aire a presión de red, se introduce en el multiplicador por el orificio denominado Entrada y se dirige hacia las Cámaras de Amplificación A y B, a través de los antirretornos 1 y 2 y también queda conectado a la Cámara de Conducción A por medio del Regulador de Control de Presión y de la Válvula de Control Direccional. Las presiones en las cámaras de amplificación B y de conducción A, obligan al émbolo a desplazarse presurizando así el aire de la cámara de amplificación A, el cual como consecuencia se dirige hacia la salida a través del Antirretorno 4. Cuando el émbolo llega a su final de carrera acciona la válvula de control direccional. Esto hace que la cámara de conducción A se ponga a escape y la cámara de

157 Anexo B. Compresión, Distribución y Tratamiento del Aire. Figuras.. ____________________________________________________________________________ conducción B se presurice. El proceso se repetirá nuevamente, asegurando un suministro continuo de aire a presión más elevada que la de entrada. La presión de salida es retroalimentada al regulador, asegurando un control preciso de dicha presión. Atrás

Figura 22B. Lubricador proporcional. Atrás

Figura 23B. Lubricador por inyección. Funcionamiento: El pistón mueve el vástago hacia la derecha y así expulsa el aceite, alimentado por la conexión de aceite a través de la válvula de retención hasta llegar a la salida A, cada vez que una salida de presión lega al punto Aire Piloto. Luego que la conexión desaparece, el pistón es reposicionado por un resorte. La presión de aire piloto con un valor mínimo de 3 bar, debe durar un mínimo de 0.5 segundos. Atrás


Figura 24B. Lubricador de microniebla. Atrás

Figura 25B. Lubricador por engrase centralizado. Atrás


Figura 26B. Lubricador por burbujeo con amplificador. Atrás

Figura 27B. Unidad de configuración modular de Filtro-Regulador.-Lubricador. Atrás

162 Anexo C. Actuadores Neumáticos. Figuras.. ____________________________________________________________________________

Figura 1C. Juntas de sellaje.

Figura 2C. Principio de amortiguación por aire. Atrás


Figura 3C. Principio de funcionamiento de cilindros con súper amortiguación. Nota: Este sistema de amortiguación puede desacelerar masas de hasta valores similares a 20 veces la aceleración de la gravedad, con velocidades máximas de 2.2m/s.

Figura 4C. Amortiguador Hidráulico. Nota: Con este sistema es posible amortiguar masas pequeñas con velocidades altas o grandes masas con velocidades menores sin necesidad de regulación alguna y no dependiendo de la temperatura. Atrás


Figura 5C. Varios métodos de fijación de cilindros.

Figura 6C. Casos de pandeo según método de fijación. Atrás


Figura 7C. Juntas flotantes. Rótula. Nota: Estos accesorios son utilizados para arreglar la desalineación inevitable entre el movimiento del vástago del cilindro y el objeto guiado. Se colocan en el extremo del vástago del émbolo. Atrás

Figura 8C. Cilindro con unidad de bloqueo. Funcionamiento: 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. Atrás

Figura 9C.Cilindro de vástagos paralelos. Nota: Esta unidad al estar formada por dos cilindros de igual dimensión, la fuerza total será la suma de las dos. Atrás


Figura 10C. Cilindro de vástago antigiro. Nota: 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. Atrás

Figura 11C. Principio del actuador plano. Nota: 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. Atrás

Figura 12C. Principio del doble vástago. Atrás


Figura 13C. Aplicación del cilindro de doble vástago. Atrás

Figura 14C. Cilindro tándem. Funcionamiento: 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 cilindre estándar del mismo diámetro. Se emplea cuando el espacio de instalación es reducido. Atrás

Figura 15C. Cilindro multiposicional de tres posiciones. Atrás

Figura 16C. Cilindro multiposicional de cuatro posiciones. Atrás


Figura 17C. Unidades deslizantes. Nota: 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. Atrás

Figura 18C. Mesa lineal de traslación. Atrás


Figura 19C. Mesa lineal de traslación de carrera. Nota: 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. Atrás

a

b a. Con amortiguador, b. Sin amortiguador. Figura 20C. Cilindros de tope.

Nota: 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. Atrás


Figura 21C. Cilindro compacto. Nota: 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. Atrás

a. Puertas corredizas, b. Cortes, c. Alimentación, d. Manipulación. Figura 22C. Aplicaciones típicas de los cilindros sin vástago.

Nota: 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

171 Anexo C. Actuadores Neumáticos. Figuras.. ____________________________________________________________________________ muy largas, estando disponibles hasta 1m, aunque realizando las solicitudes correspondientes, pueden ser obtenidas carreras mayores. Atrás

Figura 23C. Cilindro sin vástago de transmisión magnética entre el émbolo y el carro. Nota: La fuerza que puede desarrollar un cilindro sin vástago con acoplamiento magnético, está limitada por la fuerza de retención magnética. Atrás

Figura 24C. Cilindro sin vástago de transmisión mecánica. Nota: Para levantar o mover cargas pesadas, los cilindros de este tipo ofrecen una mayor capacidad, pero no están exentos de fugas como los del tipo de acoplamiento magnético. Atrás

Figura 25C. Unidad hidroneumática con cambios del medio de presión. Atrás


Figura 26C. Mesa giratoria con actuador de paletas. Atrás

Figura 27C. Mesa giratoria con actuador de doble cremallera y pistón. Atrás


Figura 28C. Ecuaciones de momento de inercia para las formas geométricas más comunes. Atrás


Figura 29C. Pinza angular de gran esfuerzo presil. Nota: Su construcción parte de un cilindro compacto, permitiendo un mantenimiento rápido y sencillo. Atrás

Figura 30C. Pinza de tres dedos. Nota: Se emplea para realizar cierres y aperturas concéntricas, con dedos dispuestos a 120 ° . Este movimiento se consigue por un mecanismo de cuña y leva accionado por un cilindro neumático. Estas pinzas son muy útiles para la manipulación y centrado de piezas en la manipulación, robótica, etc. Atrás


Figura 31C. Pinza con apertura a 180°. Nota: Presenta en su funcionamiento una característica completamente diferente a las restantes pinzas, ya que cuenta con una cremallera que mueve dos piñones, los que son solidarios a los dedos logrando con el recorrido del émbolo un ángulo de 90 ° en cada dedo. Atrás

178 Anexo D. Válvulas Neumáticas de Control Direccional. Figuras.. ____________________________________________________________________________

Figura 1D. Válvula de asiento accionada mecánicamente.

Figura 2D. Válvula de asiento equilibrada de 3/2.

Figura 3D. Válvula con juntas en el cuerpo.

Figura 4D. Válvula con corredera de anillo ovalado.


Figura 5D. Principio de válvula de tirador sin juntas. Nota: Las válvulas con correderas metálicas, cuentan con superficies de contacto ajustadas y lapeadas, presentan baja resistencia al rozamiento, un funcionamiento cíclico rápido y una duración extremadamente larga. Sin embargo un mínimo espacio de 0.003mm, se producen pequeñas fugas de aproximadamente1l/min.

Figura 6D. Principales accionamientos manuales monoestables (por resorte).

Figura 7D. Accionamientos manuales biestables ( por enclavamiento).

Figura 8D. Principales accionamientos mecánicos ( ejes, rodillos, levas).

Figura 9D. Recomendaciones para la utilización de rodillos de palanca y excéntricas.


a

b

c a. Válvula de 3/2 de pilotaje neumático con retorno por muelle y presión. Monoestable. b. Válvula de 3/2 miniatura. Monoestable. c. Válvula biestable, accionada por doble pilotaje neumático.

Figura 10D. Válvulas accionadas por pilotaje neumático.

Figura 11D. Electroválvula de accionamiento indirecto.

181 Anexo D. Válvulas Neumáticas de Control Direccional. Figuras.. ____________________________________________________________________________ Nota: Las electroválvulas de accionamiento directo emplean la fuerza electro-magnética de un solenoide para mover el vástago o el tirador. Para limitar el tamaño del solenoide , las electroválvulas de mayor tamaño están provistas de un accionamiento indirecto más pequeño servo asistidas por pilotaje neumático como se muestra en la figura..

Figura 12D. Placa base acoplada, con tres válvulas y una posición obturada.

Figura 13D. Relación entre factores de caudal.


Figura 14D. Regulador de velocidad.

184 Anexo E. Tablas y Ejemplos. ______________________________________________________________________________

Tablas Tabla 1. Saturación del Aire por Agua (Punto de Condensación). Atrás

Temperatura oC

g/m3n (estándar)

g/m 3 (estándar)

-40

0.15

0.18

-35

0.25

0.29

-30

0.4

0.45

-25

0.64

0.7

-20

1

1.08

-15

1.52

1.61

-10

2.28

2.37

-5

3.36

3.42

0

4.98

4.98

5

6.99

6.86

10

9.86

9.51

15

13.76

13.04

20

18.99

17.69

25

25.94

23.76

30

435.12

31.64

35

47.19

41.83

40

63.03

54.108

Tabla 2. Longitudes de Tubería Equivalentes para Accesorios del Conducto Principal. Atrás

Accesorio

15

20

25

30

40

50

65

80

100

125

Codo Elbow

0.3

0.4

0.5

0.7

0.8

1.1

1.4

1.8

2.4

3.2

Curva a 90 °

0.1

0.2

0.2

0.4

0.5

0.6

0.8

0.9

1.2

1.5

Codo de 90º

1

1.2

1.6

1.8

2.2

2.6

3

3.9

5.4

7.1

Curva de 180º 0.5

0.6

0.8

1.1

1.2

1.7

2

2.6

3.7

4.1

Válvula Esférica 0.8

1.1

1.4

2

2.4

3.4

4

5.2

7.3

9.4

Válvula Comp. 0.1

0.1

0.2

0.3

0.3

0.4

0.5

0.6

0.9

1.2

"T" Estándar

0.1

0.5

0.2

0.4

0.4

0.5

0.7

0.9

1.2

1.5

"T" Lateral

0.5

0.7

0.9

1.4

1.6

2.1

2.7

3.7

4.1

6.4


Tabla 3. Índice de Resistencia β. Atrás

G

β

G

β

G

β

G

β

10

2.03

100

1.45

1000

1.03

10000

0.73

15

1.92

150

1.36

1500

0.97

15000

0.69

25

1.78

250

1.26

2500

0.9

25000

0.64

40

1.66

400

1.18

4000

0.84

40000

0.595

65

1.54

650

1.1

6500

0.78

65000

0.555

Tabla 4.- Definición y Aplicaciones Típicas de las Siete Calidades de Aire. Atrás

N o Eliminación de...

Aplicación

1 Partículas de polvo

Cuando son aceptables Aire para sujetar,

mayores de 5µm Aceite Líquido >99%

Impurezas sólidas, humedad y aceite.

Ejemplos Típicos soplado y accionamientos neumáticos sencillos

Humedad Saturada <96% 2 Partículas de polvo mayores de 0.3µm

Cuando no es aceptable polvo fino

Neblina de aceite >99% aunque debe haber

Controles y accionamientos neumáticos para

Humedad Saturada

aceite y cierta cantidad equipos industriales

99%

de condensación

en general.

Cuando la eliminación

Análogo a (1), pero

punto de rocío de

de la humedad es

el aire es seco. Pintura

-17ºC

imperativa, pero son

adicional por

Lo demás como (1)

aceptables restos de

pulverización.

3 Humedad hasta un

polvo fino y aceite. 4 Partículas de polvo mayores de 0.3µm

Cuando no son

Control de proceso,

aceptables humedad,

equipos de medición,

Neblina de aceite >99% polvo fino ni vapor de

pintura por pulverización

Humedad hasta un

de gran calidad,

aceite.

punto de rocío de

enfriamiento por fundición

-17ºC

y troqueles de inyección.

5 Partículas de polvo

Cuando se requiere aire Dispositivos neumáticos

186 Anexo E. Tablas y Ejemplos. ______________________________________________________________________________ mayores de 0.3µm

sin, prácticamente

para medición de precisión,

Neblina de aceite

ninguna impureza.

pintura por pulverización

>99.999%

electrostática, limpieza

Humedad hasta un

y secado de conjuntos

punto de rocío de

electrónicos.

-17ºC 6 Como en (5) con

Como en (50 pero

Farmacia, industria alimen-

eliminación adicional de cuando se requiere aire ticia, transporte aéreo, olores

también sin olores.

fermentación, aire para respirar.

7 Todas las impurezas

Cuando es necesario

Secado de componentes

como en (6) pero con

evitar cualquier riesgo

electrónicos, almacena-

un punto de rocío de

de condensación

miento de productos

-30ºC

durante la expansión y farmacéuticos, equipos de a bajas temperaturas.

medición marina, transporte aéreo de pólvora.

Tabla 5. Peso de los Componentes del Cilindro. Atrás

Ø

E z (J)

K (kg)

S t (kg/0.1m)

32

1.56

0.110

0.176

40

2.45

0.244

0.166

50

4.40

0.465

0.260

63

7.85

0.534

0.260

80

11.80

0.938

0.400

100 20.60

1.498

0.560

125 32.30

3.540

0.800

140 44.60

4.040

0.800

160 58.80

5.070

1.000


Tabla 6. Coeficientes de Carga en Aplicaciones de Cilindros. Atrás

Diámetro Masa

Vertical 60°

Cilindro (kg) 25

32

40

50

63

80

100

45°

30°

Horizontal

µ0.01 µ0.2 µ0.01 µ0.2 µ0.01 µ0.2 µ0.01 µ0.2

100

-

-

-

-

-

-

-

4

80

50

-

-

-

-

-

-

-

2

40

25

-

(87.2) (96.7) 71.5

84.9 50.9

67.4 1

20

12.5

51.8

43.6 48.3 35.7

34.2 25.4

33.7 0.5

10

180

-

-

-

-

-

-

-

3.9

78.1

90

-

-

-

-

-

(99.3) -

2

39.1

45

(99.6) 85

22.5

(94.3) 69.7

82.8 49.7

65.7 1

19.5

48.8

42.5 47.2 34.9

41.4 24.4

32.9 0.5

9.8

250

-

-

-

-

-

-

-

3.9

78

125

-

-

-

-

-

(99.2) -

2

39

65

-

-

-

72.4

(86) 51.6

68.3 1

20.3

35

54.6

47.6 52.8 39

46.3 27.8

36.8 0.5

10.9

400

-

-

-

-

-

-

-

4

79.9

200

-

-

-

-

-

-

-

2

40

100

-

87

(96.5) 71.3

84.8 50.8

67.3 1

20

50

50

43.5 48.3 35.7

42.4 25.4

33.6 0.5

0

650

-

-

-

-

-

-

-

4.1

81.8

300

-

-

-

-

-

-

-

1.9

37.8

150

(94.4) 82.3 (91.2) 67.4

80.1 48

63.6 0.9

18.9

75

47.2

41.1 45.6 33.7

40.1 24

31.8 0.5

9.4

1000

-

-

-

-

-

-

-

3.9

78.1

500

-

-

-

-

-

-

-

2

39

250

(97.6) 85

125

(94.3) 69.7

82.8 49.6

65.7 1

19.5

48.8

42.5 47.1 34.8

41.4 24.8

32.8 0.5

9.8

1600

-

-

-

-

-

-

-

4

79.9

800

-

-

-

-

-

-

-

2

40

(87)

(96.5) 71.4

84.4 50.8

67.3 1

20

43.5 48.3 35.7

42.2 25.4

33.6 0.5

10

400 200

50


Tabla 7. Valores de Cargas Máximas Admisibles para Cilindros de 32 a 160 de Diámetro. Atrás

Diámetro

L1 [mm]

32

32

L2 [mm]

Carga Máxima F B

52+carrera

40

40

37

58+carrera

65

50

39

68+carrera

100

63

44

71+carrera

155

80

52

79+carrera

250

100

56

85+carrera

395

125

91

118+carrera 615

160

103

149+carrera 1005

Tabla 8. Consumo real de aire en cilindros de doble efecto. ( Nl /100mm, de carrera) Atrás

Presión de Trabajo (bar) Ø Cilindro 3

4

5

6

7

20

0.174

0.217

0.26

0.304

0.347

25

0.272

0.340

0.408

0.476

0.543

32

0.446

0.557

0.668

0.779

0.89

40

0.697

0.870

1.044

1.208

1.391

50

1.088

1.360

1.631

1.903

2.174

63

1.729

2.159

2.59

3.021

3.451

80

2.790

3.482

4.176

4.87

5.565

100

4.355

5.440

6.525

7.611

8.696

Tabla 9. Valores comparativos entre distintos tipos de motores neumáticos y otros tipos. Tipos de Motores

Potencia/Peso

Industriales

W/kg

Motor Neumático de Paletas 300

Potencia/Volumen

Factor de Com. W/dm 3 1

Factor de Com.

1000-1200 1

Motor Neumático de Pistones 70-150 2.7

70-300

6

Hidromotores

600-800 0.4

2000

0.6

Motores eléctricos

20-100 5

70-150

10

Motores Diesel

70-150 2.7

20-70

40


Tabla 10. Instrucciones de Programación.


Nomogramas

Figura 1E. Nomograma para el cálculo del diámetro de la tubería de los conductos principales. Atrás

Figura 2E. Diagrama de relaciones de Presión/Caudal para una sección de 1mm2 Atrás


Ejemplos Atrás

Ejemplo 1: Cálculo de la cantidad de agua que condensará luego de una compresión. Se desean comprimir 10m3 de aire atmosférico a 15º y a 65% de humedad relativa a 6 bar de presión manométrica, luego de comprimirlo, su temperatura se modifica hasta alcanzar los 25 º ¿Qué cantidad de agua se condensará? De la Tabla 1 se obtiene que para 15 ºC y 50m3 de aire comprimido, se podrá contener un máximo de humedad de: 13.04 g / m 3 ⋅ 10m 3

= 130.4 g

A 65% de humedad relativa el aire contendrá: 13.04 ⋅

65 100

= 84.9 g

El volumen reducido de aire comprimido a 6 bar de presión se podrá calcular la expresión (2). p1 ⋅ V 1

V 2

=

= p 2 ⋅ V 2 ; V 2 =

1.013 ⋅ 10 6 + 1.013

p1 ⋅ V 1 p 2

= 1.44m 3

De la tabla antes consultada, obtenemos que este volumen, a la nueva temperatura (25 ºC ), podrá retener un máximo de: 27.76 g / m 3 ⋅ 1.44m 3

= 34.2 g

La cantidad que se condense será igual a la diferencia entre lo que contiene el aire atmosférico y la cantidad que el comprimido pueda absolver. 84.9 g − 34.2 g = 50.6 g de agua condensada. El agua condensada debe ser eliminada antes de que se distribuya el aire comprimido, para evitar así, efectos nocivos sobre los componentes del sistema neumático.

Ejemplo 2. Cálculo del tamaño de la tubería. Determinar el tamaño de la tubería en la que pasarán 16 800 l/min de aire libre, con una caída de presión de no más de 0.3 bar en tubo de 125m. El compresor, de dos etapas, se conecta a 8bar y se detiene a 10 bar ; la media es 9bar . Esta longitud se encuentra en cierto número de accesorios en la línea, dos codos, dos tubos curvos de 90º, seis empalmes en T estándar y dos válvulas de compuertas. El flujo será: 16 800l/min = 0.28m3 /s. La caída de presión de 0.3 bar = 30kPa en un tubo de 125 m es equivalente a:

192 Anexo E. Tablas y Ejemplos. ______________________________________________________________________________ 30kPa 125m

= 0.24kPa / m

Se calcula el diámetro de la tubería preliminar ( d p) sin tener en cuenta los accesorios, a partir del nomograma de la Figura 1E, se traza una línea a partir de la línea de presión (9 bar ), pasando por la línea de presión en 0.24 kPa/m hasta cortar la línea de trazos intermedia. Luego se traza a partir de esta última pasando por el flujo de 0.28 m3/s y se prolonga hasta cortar la línea de diámetro; obteniéndose así: d p=61mm, normalizando según Tabla 2; d p=65mm La longitud equivalente de los accesorios para d p: Dos codos

2 x 1.4 m = 2.8 m

Dos curvas de 90º

2 x 0.8 m =1.6 m

Seis T estándar

6 x 0.7 m = 4.2 m

Dos válvulas de compuertas

2 x 0.5 m = 1 m

Total

9.6 m

Tomando la longitud equivalente de los accesorios como 10 m, la nueva caída de presión será: 30kPa 135m

= 0.22kPa / m

Realizando el procedimiento anterior para esta nueva caída de presión se obtiene aproximadamente. d =65mm Esta tubería tendrá un diámetro interno real de, d = 68mm, con la cual se puede trabajar sin dudas para la aplicación propuesta. A la hora de determinar el tamaño de los conductos principales, para una nueva instalación, hay que tener en cuenta la posibilidad de extensiones futuras. En un sistema de conducto principal en anillo de circuito cerrado, el suministro de cualquier punto se realiza por dos derivaciones de tubería, sin embargo a la hora de realizar el cálculo de la tubería deberá obviarse esta alimentación doble.

Ejemplo 3. En un recinto, desde dos lugares distintos se puede conectar un ventilador mediante interruptores. Una condición es que la ventana se encuentre cerrada. Ocupación de entradas y salidas Interruptor S1 → X400 → X401 Interruptor S2 Fin de carrera de la ventana S3 → X402 Ventilador → Y430


Luego de conectar el PLC podemos realizar: El plano de conexión La lista de instrucciones El plano funcional

Figura 2E. Esquema de conexiones de un PLC


Figura 3E. Plano de conexión, Lista de Instrucciones y Plano Funcional. Ejemplo 4. Automatismo con tres cilindros y temporización. Tres cilindros de doble efecto, (A, B y C): Cuando es cilindro A haya alcanzado su posición final (accionado por el pulsador S1) sale el cilindro B. Una vez alcanzada la posición final deben transcurrir 20 segundos hasta que salga el cilindro C. Cuando el cilindro C también haya alcanzado su posición final, todos los cilindros regresan simultáneamente a su posición inicial. A continuación se muestra en la Figura 4E la secuencia de trabajo de los cilindros:

Figura 4E. Secuencia de funcionamiento de los cilindros. En la Figura 5E se representan los cilindros con sus respectivas válvulas de control direccional (Plano Neumático)


Figura 5E. Plano Neumático. El circuito eléctrico que responde a esta automatización se expone a continuación. (Figura 6E).

Figura 6E. Plano eléctrico. Ejemplo 5. Estampado de piezas automatizado. Una estampa se monta de la siguiente forma: El cilindro A sujeta la pieza a maquinar, el cilindro B es la estampa y a continuación el cilindro C expulsa la pieza terminada.

Figura 7E. Secuencia del Proceso.


Figura 8E. Plano neumático.

Figura 9E. Plano eléctrico.

197 Referencias Bibliográficas ______________________________________________________________________________

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Índice

1. Kikoin, A. K. Física Molecular./ A.K. Kikoin, I.K. Kikoin.—2 Ed.—Moscú: Editorial MIR, 1979. (232-267). Atrás

2. Cherkasski, V.M. Bombas, Ventiladores, Compresores./ V.M. Cherkasski.—Moscú: Editorial MIR, 1986.—(271-354). Atrás

3. España. International Training. Neumática./ SMC.—Madrid: Editorial Paraninfo Thomson Learning, 2000.—(43-46). Atrás


5. Feodosiev, V.I. Resistencia de Materiales / V.I. Feodosiev.—Moscú: Editorial MIR, 1985.—(436484). Atrás

6. Miroliuvov, I. Problemas de Resistencia de Materiales./ I. Miroliuvov ...et al.—6Ed.— Moscú:Editorial MIR,1990.—(201-228). Atrás


8. Pisarenko, G. S. Manual de Resistencia de Materiales / G. S. Pisarenko, A.P. Yacoulev y V.V. Matvéev.—Moscú: Editorial MIR, 1979.—(542-579). Atrás

9. Hong Kong. SMC Pneumatics P1. Computer Aided Training.Software/ Indutrial Center and Hong Kong Technical College. MFG Department.—Versión 1.1 Beta.—Kowloon: SMC Pneumatics (Hong Kong) Ltd. Atrás

10. Hong Kong. SMC Electro Pneumatics EP1. Computer Aided Training Software./ Industrial Center and Hong Kong Polytechnic University.—Versión 1.0.—Kowloon: SMC Pneumatics (Hong Kong) Ltd. Atrás

198 Bibliografía ______________________________________________________________________________

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Índice

Balla, Rolf. Electroneumática: Curso introductorio en la electroneumática con problemas de aplicación y sus soluciones./ Rolf Balla.—1Ed.—Hannover: Editorial Mannesmann Rexroth, 1990.—176p. Bischoff, H. Process Control System. Control of Temperature, Flow and Filling Level./ H. Bischoff, D. Hofmann, E. von Terzi.—Denkendorf: Editorial FESTO Didactic GmbH & Co, 2000.—213p. Cevallos Reyes, Rolando. Elementos de Mando Hidráulicos y Neumáticos./ Oscar M. Cruz Fontisiella.—La Habana: Editorial Pueblo y Educación, 1988.—258p. Croser, Peter. Pneumatics. Basic Level./ Peter Croser, Frank Ebel.—Denkendorf: Editorial FESTO Didactic GmbH & Co, 1999.—267p. Cruz Fontisiella, Oscar M. Neumática./ Oscar M. Cruz Fontisiella, Rolando Cevallos Reyes.— La Habana: Editorial Pueblo y Educación, 1986.—172p. Cherkasski, V.M. Bombas, Ventiladores, Compresores./ V.M. Cherkasski.—Moscú: Editorial MIR, 1986.—372p. Ebel, Frank. Mechatronics. Training Mateial./ Frank. Ebel, E. von Terzi ... et al.—Denkendorf: Editorial FESTO Didactic GmbH & Co, 2000.—376p. España. International Training. Electro-Neumática./ SMC.—[s.l:s.n], 1992.—89p. España. International Training. Neumática./ SMC.—[s.l:s.n], 1992.—142p. España. International Training. Neumática./ SMC.—Madrid: Editorial Paraninfo Thomson Learning, 2000.—304p. España. International Training. Tecnología Neumática. Ejercicios./ SMC.—[s.l:s.n], 1992.—49p. Feodosiev, V.I. Resistencia de Materiales / V.I. Feodosiev.—Moscú: Editorial MIR, 1985.— 583p. Frish, S. Curso de Física General./ S. Frish y A. Timoreva.—Moscú: Editorial MIR, 1967.—3T. Hasebrink, Büro J. P. Neumática Básica./ Büro J. P. Hasebrink.— Hannover: Editorial Mannesmann Rexroth, 1991.—184p. Hesse, Stefan. 99 Examples of Pneumatic Application./ Stefan Hesse.—Esslingen: Editorial FESTO AG & Co, 2000.—120p. Hong Kong. SMC Electro Pneumatics EP1. Computer Aided Training Software./ Industrial Center and Hong Kong Polytechnic University.—Versión 1.0.—Kowloon: SMC Pneumatics (Hong Kong) Ltd. Hong Kong. SMC Pneumatics P1. Computer Aided Training.Software/ Indutrial Center and Hong Kong Technical College. MFG Department.—Versión 1.1 Beta.—Kowloon: SMC Pneumatics (Hong Kong) Ltd. Kikoin, A. K. Física Molecular./ A.K. Kikoin, I.K. Kikoin.—2 Ed.—Moscú: Editorial MIR, 1979. 528p.

mec-9

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