NEUMÁTICA E HIDRÁULICA PRÁCTICA 1: INTRODUCCIÓN A LA SIMULACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE CIRCUITOS.

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1 UNIVERSIDAD DE LEÓN Área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación NEUMÁTICA E HIDRÁULICA PRÁCTICA 1: INTRODUCCIÓN A LA SIMULACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE CIRCUITOS.

2 PRACTICA 1. INTRODUCCIÓN A LA SIMULACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE CIRCUITOS. 1. PANTALLA GENERAL DEL PROGRAMA El objetivo de este capítulo es que te familiarices con las funciones más importantes para la simulación y construcción de circuitos con el programa FluidSIM-P, de la empresa FESTO. FluidSIM-P es una herramienta de simulación para la obtención de conocimientos básicos de neumática. Es recomendable que antes de seguir con la práctica repases los conceptos de posiciones, vías y mando de una válvula neumática. Una característica importante de FluidSIM es su relación con la función y simulación CAD (Computer Aided Design Diseño Asistido por Ordenador). Este programa permite, por una parte, realizar un esquema DIN de diagramas de circuitos; por otra parte, posibilita la ejecución de una simulación sobre la base de la descripción de los componentes físicos. De esta forma se establece una división entre la elaboración de un esquema de circuito y su simulación. Sigue los siguientes pasos para iniciar el programa: Enciende el ordenador y la pantalla. Ejecuta el programa FluidSIM haciendo doble clic con el botón izquierdo del ratón sobre el icono del programa que aparece en el escritorio de Windows. Tras unos segundos aparece en tu monitor la pantalla de trabajo de FluidSIM, que se puede observar en la figura 1.1. En la parte izquierda se encuentra la biblioteca de componentes. Ésta biblioteca contiene los componentes neumáticos y eléctricos que se emplearán durante el diseño de nuevos circuitos. Hay que hacer notar que en esta biblioteca sólo figuran un conjunto básico de componentes, ya que en la realidad existen más tipos de componentes. Sin embargo, esto no afecta casi al desarrollo del circuito ya que los elementos incluidos son los que se usan con más frecuencia. En la parte superior de la pantalla se encuentra la barra del menú, donde se encuentran todas las funciones necesarias para la simulación y construcción de los circuitos. Debajo de 2

3 esta barra de menús se encuentra la barra de iconos, que son atajos a las funciones más usuales de la barra de menús. En la parte inferior de la pantalla se encuentra la barra de estado, que informa de los cálculos y las acciones que está realizando el programa en cada momento. En el modo de edición de circuitos esta barra muestra la denominación de los componentes que se encuentren debajo del cursor del ratón. Barra de menús Barra de iconos Biblioteca de componentes Barra de estado Figura 1.1. Pantalla general de FluidSIM-P Para ello vamos a comenzar explicando los principales iconos y las opciones de menú de este programa. La lista de iconos consta de ocho grupos de funciones en total: Opciones de archivos de circuito. El icono abre una hoja en blanco para comenzar el diseño de un nuevo circuito. 3

4 El icono abre una serie de ventanas con la biblioteca de circuitos previamente diseñados y guardados. El icono abre un circuito previamente guardado. El icono guarda en disco el circuito actual. Imprimir el contenido de la ventana (circuitos, imágenes de componentes, etc.) Opciones de edición de circuitos. El icono deshace última acción. Se pueden deshacer hasta 128 acciones anteriores. En caso de que se quiera rehacer una acción que se ha deshecho, es necesario ir a las opciones de menú: EDICIÓN + REPETIR. El icono seleccionado. corta el componente o la parte del diagrama que previamente se ha El icono copia en el portapapeles de Windows el componente o la parte del diagrama que previamente se ha seleccionado selección. El icono pega en el diagrama actual el contenido del portapapeles de Windows, componente o parte del diagrama que previamente se ha seleccionado y copiado. Mediante un clic en el botón izquierdo del ratón se selecciona el componente sobre el que se encuentre el cursor (flecha) en ese momento. Si se quieren seleccionar varios componentes a la vez hay dos opciones: o bien se pulsa en los componentes mientras se mantiene presionada la tecla CTRL.; o bien se hace un rectángulo elástico que enmarque los componentes a seleccionar. Este recuadro elástico se hace pulsando el botón izquierdo del ratón y arrastrando el ratón sin soltar el botón izquierdo. La flecha del ratón no debe estar sobre ningún componente cuando se inicie el marcado del rectángulo. Para seleccionar todos los componentes que hay en pantalla se puede elegir la opción de menú: EDICIÓN + SELECCIONAR TODO 4

5 Insertar plantilla de cuadrícula. Para modificar la configuración de la plantilla se debe acceder a través de los menús con la secuencia: OPCIONES + CUADRÍCULA. Aparece una ventana de diálogo en la que se pueden escoger los siguientes valores de configuración de la plantilla: - ANCHO: define la magnitud de la anchura de la malla de la cuadrícula. - ESTILO: define el tipo de símbolo que se usa para representar la malla. - MOSTRAR CUADRÍCULA: activa o desactiva la visualización de la cuadrícula. Figura 1.2. Ventana de diálogo para la plantilla cuadriculada. Opciones de visualización zoom. La ventana del circuito, la del diagrama y la biblioteca de componentes pueden aumentarse por medio de, o bien disminuirse presionando. El icono permite hacer un rectángulo elástico de forma que todo lo que quede dentro de él se podrá aumentar. El icono permite cambiar entre el modo de visualización anterior y el actual. Para ver la totalidad del diagrama se debe pulsar el icono. El icono permite ver el circuito en tamaño natural, sin aumentar ni disminuir. Comprobación gráfica de circuitos. 5

6 Puede examinarse el circuito antes de iniciarse la simulación, por si éste tuviera errores gráficos. En concreto se comprueba lo siguiente: - Conductos que atraviesan componentes. - Conductos superpuestos. - Componentes superpuestos. - Conexiones superpuestas y que no encajan. - Conexiones neumáticas que están abiertas. - Cilindros con la misma designación. - Marcas que no encajan. Opciones de simulación de circuitos. Estos iconos se han de utilizar una vez se ha diseñado el circuito y se han comprobado sus conexiones. Veamos en primer lugar el significado de los iconos y después entraremos en detalles de la simulación propiamente dicha. El icono inicia la simulación del circuito. El icono para la simulación del circuito. El icono después pulsando de nuevo. detiene temporalmente la simulación, de forma que se puede continuar El icono vuelve atrás y reinicia la simulación. El icono inicia la simulación paso a paso. El icono inicia la simulación hasta el próximo cambio de estado. 2. OPCIONES DE CONTEXTO Veamos algunas de las opciones que tenemos para cambiar el contexto de definición de los circuitos y otras opciones gráficas que aparecen durante el diseño y simulación de éstos. 6

7 Unidades Área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación Universidad de León En primer lugar hay que hablar de las unidades. Ya sabemos que este es un aspecto fundamental en neumática. Por defecto, el programa trabaja con las siguientes unidades: Magnitud medida Presión Caudal Velocidad Grado de apertura Tensión Corriente Símbolo representado Unidad P Bar Q l/min V m/s % % U V I A El valor de estas magnitudes puede aparecer o no sobre los diversos elementos del circuito durante la simulación. Por defecto no aparece, pero para que aparezcan basta con ir al menú VER + MEDIDAS DE ESTADO y aparece la ventana que se muestra en la figura 2.1. Las opciones que existen para cada una de las magnitudes o medidas de estado son las siguientes: Figura 2.1. Ventana de diálogo para la presentación de las medidas de estado. 7

8 - NINGUNA: no aparece la medida de estado sobre el circuito. - PARTICULAR: presenta los valores de estado sólo en aquellos puntos de conexión que han sido seleccionado previamente por el usuario. - TODO: presenta los valores de estado en todas las conexiones. Para representar variables de estado sobre conexiones individuales, se debe elegir previamente la conexión. Para ello hay que hacer doble clic en modo edición sobre una conexión o bien en el menú EDICIÓN + PROPIEDADES. Se abre la ventana que se muestra en la figura 2.2. Figura 2.2. Ventana de diálogo de una conexión. El campo Mostrar unidades de medida permite marcar con una cruz las medidas de estado que se van a señalar en esta conexión, siempre y cuando en la ventana de medidas de estado se haya elegido la opción PARTICULAR. El campo Tapón ciego permite cerrar la conexión del componente, para aquellos casos donde no se conecta ningún tubo ni se conecta directamente a la atmósfera. Las modificaciones realizadas en el modo de presentación de las medidas de estado, sólo tienen efecto para el circuito actual. Si se cierra el circuito y se abre uno nuevo el programa retoma los valores puestos por defecto. Para definir las modificaciones realizadas como valores por defecto para otros circuitos posteriores se debe presionar en los menús: OPCIONES + GUARDAR CONFIGURACIÓN ACTUAL Las medidas de estado son magnitudes vectoriales que se representan por su cantidad y dirección. Por tanto, durante la simulación del circuito la dirección de estas magnitudes se representa con una flecha para el flujo o un signo para la velocidad, fuerza y corriente (+ si 8

9 es hacia un componente; - si es desde un componente). El indicador de dirección de flujo se puede desactivar o activar en la opción de menú VER + MOSTRAR LA DIRECCIÓN DEL CAUDAL Representación de los conductos Los colores de los conductos durante la simulación tienen el siguiente significado: Color Significado Azul oscuro Conducto con presión Azul claro Conducto sin presión Rojo claro Conducto eléctrico cargado Para el caso de los conductos con presión (color azul oscuro), el grosor indica lo siguiente: Grosor Significado Fino Presión inferior a la de trabajo Grueso Presión de trabajo 3. EJEMPLO INICIAL DE SIMULACIÓN. Para irnos familiarizando con el entorno, vamos a abrir y simular uno de los circuitos que ya están diseñados. Abre la biblioteca de circuitos presionando el icono. Pulsa el icono las veces que haga falta hasta que veas bien los circuitos. Haz doble clic sobre el circuito con el nombre bild5b14.ct. Aparece la siguiente ventana: 9

10 Figura 3.1. Circuito demostración simulación. Antes de simular comprobemos el modo de representación de las medidas de estado. Asegúrate de que la velocidad aparece en todas las conexiones, mientras el resto de variables (grado de abertura, presión, caudal, tensión y corriente) están en modo particular. Asegúrate también que está activado el indicador de dirección de flujo. Maximiza la ventana del circuito para verlo bien. Comprueba que el circuito no tiene errores gráficos pulsando. Haz clic sobre para iniciar la simulación. En este momento se pasa del modo edición al modo simulación, y la flecha que representa al ratón se convierte en una mano. Observa el color y grosor de los conductos y analiza lo que ocurre. Arrastra con el ratón el cursor (mano) sobre la válvula y haz clic sobre el mando. Analiza los cambios en el circuito y continúa haciendo pruebas. Analiza el valor de las variables de estado (presión, caudal, flujo y grado de abertura) durante la simulación. 10

11 4. DISEÑO DE UN CIRCUITO Una vez vistos los aspectos básicos del programa FluidSIM-P, vamos a diseñar un primer circuito muy elemental e iremos profundizando en otras opciones del programa. Como ya se ha explicado en teoría, todo sistema de automatización consta de una parte operativa y otra de control. En la parte operativa se encuentran los sensores y actuadores que interaccionan con el entorno, mientras que en la parte de control se encuentra la lógica de control del sistema. Esta parte de control recibe las señales de los sensores que indican el estado actual del sistema y en función de esto, dan las órdenes oportunas a los actuadores. Se puede decir que la parte de control enlaza los sensores con los actuadores. Teniendo en cuenta esto, veamos los casos de control directo de un cilindro de simple efecto y de un control indirecto de un cilindro, en este caso de doble efecto. CASO 1: Control directo de un cilindro: Abre un circuito nuevo. Pincha sobre la biblioteca de componentes y arrastra el símbolo del cilindro de simple efecto sobre la hoja en blanco. Colócalo en la parte superior de la hoja. Haz lo mismo con el símbolo de la válvula 3/2 normalmente abierta (tres vías y dos posiciones) con mando por pulsador y resorte. Colócalo en la parte inferior de la hoja. Ahora debes conectar ambas válvulas con conductos. Para ello pincha sobre la conexión superior de la válvula 3/2 y arrastra sin soltar el botón del ratón hasta la conexión inferior izquierda del cilindro. Puedes observar como se han unido mediante un conducto. 11

12 Figura 4.1. Caso 1: control directo de un cilindro de simple efecto. Ahora falta conectar el circuito a la toma presión. Coloca siguiendo el procedimiento anterior la toma de presión debajo de la válvula 2/3 y enlázala con la conexión inferior izquierda de la válvula. En este punto el circuito debe ser como el de la figura 4.1. Haz doble clic sobre la conexión del cilindro para que se muestre la ventana de las variables de estado, y marca la presión y el caudal. Ahora ya está todo preparado para iniciar la simulación. Comprueba que no hay errores gráficos pulsando. Inicia la simulación pulsando. Observa que los componentes no se mueven, pero se muestran las variables de estado y los colores y grosores de los conductos cambian para indicar donde hay presión (recuerda las tablas anteriores). El programa está esperando ahora que pulses el mando de la válvula. Hazlo como antes y observa los cambios que se producen en las variables, en las flechas de caudal y en los conductos. Podrás observar que casi no tienes tiempo para apreciar lo que ocurre. 12

13 Vamos a cambiar el modo de simulación a simulación paso a paso. Para ello, ya sabes que tienes que parar la simulación actual con y después pulsar. Ahora pulsa otra vez el mando de la válvula 3/2 y observa como la simulación se detiene al final de la salida del vástago del cilindro. Se ha parado después de un paso o acción. Para que continúe con el siguiente paso vuelve a presionar y así sucesivamente. Ahora ya puedes visualizar mejor lo que ocurre y los valores que toman la presión y el caudal. Estudio del circuito: el circuito que has diseñado y simulado se conoce como control directo de un cilindro, en este caso de simple efecto. La razón es que el nivel de sensores y el nivel de potencia o control del cilindro (válvula 3/2) están fusionados en uno sólo. Como en los circuitos de control eléctricos, hay una etapa de mando, que es el pulsador que inicia el proceso, y otra etapa de potencia, que actúa sobre los motores y suele estar alejada del operario por seguridad. Aquí ocurre lo mismo, pero en este caso la válvula de mando y la válvula de potencia están unidas en una sola válvula. Este caso sólo se da cuando los cilindros que se mandan son pequeños, de poca potencia, y no hay riesgo para el operario. Observa que el circuito representado utiliza un cilindro de simple efecto, y la válvula necesaria para controlarlo es una del tipo 3/2 (tres vías y dos posiciones). Caso 2: Control indirecto de un cilindro. Cuando los cilindros u otros actuadores finales son de elevada potencia, como los empleados por ejemplo en una prensa de doblado de chapa metálica, la parte de mando (donde está el operario) se debe alejar de la parte de control del cilindro para proteger al operario de posibles daños. Es necesario por tanto utilizar dos válvulas distintas, una para el mando y otra para el control del cilindro. Veámoslo. Cierra el circuito anterior sin guardar los cambios. Abre una nueva hoja en blanco. Coloca un cilindro de doble efecto en la parte superior-centro de la hoja. 13

14 Coloca una válvula 5/2 debajo del cilindro en el centro de la hoja pilotada neumáticamente (la señal de mando es aire a presión) por ambos lados. Coloca una válvula 3/2 con mando por pulsador y por resorte en la parte inferior izquierda de la hoja y otra en la parte inferior derecha (válvulas ya utilizadas antes). Coloca la toma de presión. Une las válvulas con conductos tal como se muestra en la figura 4.2. Si te equivocas con algún conducto puedes borrarlo si lo seleccionas y pulsas la tecla DEL en el teclado. Para lograr la unión en T con un conducto ya existente (punto negro gordo) debes arrastrar el ratón desde la conexión de la válvula hasta el conducto donde vas a hacer el empalme. Puedes también cambiar el tipo de trazo de los conductos si haces dos veces clic sobre ellos. Observa también como puedes reorganizar el trazado de los conductos seleccionándolos con el ratón y arrastrándolos. Lo mismo puedes hacer con los componentes. Incluso puedes rotarlos con la opción de menú EDICIÓN + GIRAR, seleccionando previamente el componente a rotar. Prueba diversas configuraciones. Figura 4.2. Caso 2: control indirecto de un cilindro de doble efecto. 14

15 Verifica que no hay errores de conexión. Inicia la simulación paso a paso. Recuerda que una vez que has presionado la válvula 3/2 de la izquierda debes ir pulsando sucesivamente el icono para ver los distintos estados por los que pasa el circuito. Cuando el cilindro ha salido completamente, debes pulsar el mando de la válvula 3/2 de la derecha, para que regrese el cilindro a su posición original. Puedes observar como las válvulas de mando son independientes de la válvula de control del cilindro, por lo que se pueden ubicar físicamente en la fábrica alejadas (control indirecto). Inicia de nuevo la simulación, pero está vez en modo normal. Haz doble clic sobre el cilindro. Observa como se abre una nueva ventana que muestra un diagrama de espacio-tiempo. Juega con los mandos de las válvulas 2/3 para hacer salir y entrar al cilindro y observa como el estado del cilindro se representa en esta nueva ventana, con los lapsos de tiempo que pasan entre una acción y otra. Sobre esta ventana también se puede usar los iconos de zoom. Más adelante utilizaremos estos diagramas. Figura 4.3. Diagrama espacio-tiempo. Caso 3: control de un cilindro con accionamiento de finales de carrera. Vamos a complicar un poco más el circuito. En este caso el regreso del cilindro no se va efectuar de forma manual, presionando un pulsador, sino que vamos a automatizarlo de forma que cuando llegue al final de su carrera vuelva inmediatamente. Para ello necesitamos 15

16 añadir un sensor que detecte que el cilindro ha salido del todo, y este sensor va a ser un final de carrera. Cierra el circuito anterior sin guardar los cambios. Abre una hoja nueva y coloca las válvulas tal y como se muestran en la figura 4.4. Figura 4.4. Caso 3: control con final de carrera. La válvula de rodillo debe ser activada por el vástago del cilindro cuando ha salido completamente. La posición de esta válvula en el diagrama del circuito no coincide con la posición física real cuando montemos el circuito. Para indicar en el diagrama que esta válvula de rodillo es accionada por el vástago del cilindro, hagamos los siguientes: Figura 4.5. Regla de distancias para el control del cilindro. Coloca una regla de distancia ligeramente por encima del cilindro, como se muestra en la figura 4.5. La regla de distancias se coloca automáticamente cerca del cilindro en la posición correcta. Haz doble clic sobre la regla de distancias. Aparece la siguiente ventana. 16

17 Figura 4.6. Ventana de diálogo de la regla de distancias. El campo MARCA sirve para introducir los nombres de las marcas de los interruptores límite (final de carrera) que deben ser accionados por el vástago del cilindro. El campo POSICIÓN define las posiciones exactas donde se coloca el interruptor límite con relación al cilindro. Introduce en la primera línea el texto Y1 como marca y el valor 35 como posición. Cierra la ventana y observa como aparece la marca en la posición adecuada de la regla de distancias. Ahí es donde está colocada la válvula de rodillo. Ahora solo queda decirle al programa que el interruptor Y1 es la válvula de rodillo que hemos dibujado en nuestro circuito. Haz doble clic justo sobre el rodillo de la válvula. Aparece la ventana que se muestra en la figura 4.7., donde debes introducir la denominación del componente, es decir, Y1. Verifica las conexiones e inicia la simulación. Analiza el funcionamiento del circuito utilizando la simulación paso a paso si es necesario. Figura 4.7. Cuadro de diálogo para designar a una válvula de rodillo. Características de los componentes. 17

18 Hasta ahora nos hemos fiado de los componentes que por defecto nos proporciona el programa a través de su biblioteca. Sin embargo, puede ocurrir que las características técnicas de estos componentes no sean las adecuadas a nuestro caso particular. Por ejemplo, haz lo siguiente: Haz doble clic sobre el cilindro del circuito anterior. Aparece la siguiente ventana, figura 4.8. Figura 4.8. Características de un cilindro por defecto. Puede ocurrir que nosotros queramos colocar un cilindro con carrera máxima 250, y que en reposo este el vástago 50 mm fuera del cilindro. En este caso podemos modificar los valores en la ventana. También se puede modificar la designación de este elemento en el circuito. Prueba a hacer estos cambios y observa ahora la posición del cilindro. De la misma manera que hemos cambiado las características del cilindro, se pueden cambiar las de otros componentes. En la tabla 4.1. se indican los componentes configurables. Sus parámetros se pueden modificar haciendo doble clic sobre el símbolo del componente cuando esté en el circuito, o bien con la opción de menú EDICIÓN + PROPIEDADES. Componente Cabeza conmutadora de vacío Cilindro Contador de preselección (eléctrico) Contador de preselección (neumático) Fuente de aire comprimido Interruptor de presión diferencial Relé de deceleración Sensor analógico de presión Unidad de mantenimiento Válvula antirretorno estranguladora Válvula de conmutación a presión Válvula de deceleración Válvula reguladora de presión Regla de distancia Parámetro configurable Presión nominal Denominación, fuerza, carrera máx., posición del pistón. Valor de cómputo Valor de cómputo Presión de servicio Presión diferencial Tiempo de deceleración Presión de conmutación Presión de servicio Grado de abertura Presión nominal Grado de abertura Presión de servicio Posiciones de los interruptores Tabla 4.1. Componentes configurables. 18

19 Por último, hasta ahora hemos trabajado con las representaciones simbólicas de los componentes. Sería interesante poder visualizar el componente real y leer sus características. Esto lo podemos hacer si pulsamos el botón derecho del ratón sobre un componente. Se despliega un menú de contexto donde aparecen, entre otras, dos opciones: Foto del componente y Descripción del componente. Prueba estas opciones sobre los diferentes componentes del circuito o sobre los componentes de la biblioteca. Cierra el circuito sin guardar los cambios y sal del programa. 5. MONTAJE Y PRUEBA DEL CIRCUITO Una vez que hemos simulado y comprobado que el diseño del circuito es correcto y funciona bien, vamos a proceder al montaje en el banco de prueba neumático. En concreto vamos a montar el último circuito que hemos visto. Pero antes ten en cuenta las siguientes normas de seguridad: Cuando usas un sistema neumático recuerda que estás tratando con aire comprimido y con componentes que son capaces de ejercer grandes fuerzas. 1. Nunca dirijas el aire comprimido a nadie. 2. No conectes la fuente principal de aire hasta que el circuito esté completamente conectado. Los tubos desconectados pueden dar latigazos y causar lesiones. 3. Si notas que el aire escapa por la juntas o componentes, cierra la fuente principal de aire inmediatamente. 4. Cierra siempre la fuente principal de aire antes de modificar el circuito. 5. Mantén las manos alejadas de las partes móviles tales como los vástagos de los cilindros. Antes de iniciar el primer montaje, vamos a familiarizarnos con el compresor y la placa de conexiones múltiple. El compresor posee dos elementos de interés ahora: el regulador de presión y la llave de apertura/cierre. Girando la llave de apertura/cierre puedes abrir o cerrar la fuente principal de aire. Es aquí donde debes actuar cuando quieras cerrar el aire antes de modificar el circuito. Respecto al regulado de presión, es el elemento que nos permite fijar la presión de aire que queremos alcanzar. Este elemento está compuesto por un manómetro y por un presostato en forma de capuchón. Para fijar la presión de salida levanta suavemente el capuchón y gíralo hasta que la marca se contraponga con la presión adecuada en la escala. Una vez hecho esto baja el capuchón, quedará así bloqueado el presostato. Observa la indicación del manómetro. Coloca el presostato del compresor a 2 bar. 19

20 Respecto a la placa de montajes del banco neumático, puedes observar como está compuesta por unas guías dispuestas horizontalmente (figura 4.9). Estas guías sirven de base para sujetar los componentes. Coge uno de los componentes y observa como están montados sobre una base que no forma parte de la válvula en si. Esta base es la que debes introducir entre dos guías en la placa. La forma de colocar el componente es introduciendo primero la parte superior de la base contra la guía superior, y después la parte inferior de la base contra la guía inferior. Tienes que hacer una ligera presión. Para quitar el componente debes hacer la misma operación pero a la inversa, extrae primero la parte inferior de la base del componente. Puedes observar también que el banco posee dos hileras de racores a los lados. Estos racores son las tomas de presión que debes utilizar a la hora de conectar los componentes. Para ello debes coger un adaptador e insertarlo haciendo una ligera presión. Une el tubo de plástico ahora al adaptador. Por último, observa como en la parte superior del banco se encuentra la unidad de acondicionamiento. Recuerda que esta unidad filtra el aire, elimina el vapor de agua que contiene y lo lubrica ligeramente. Esta unidad de acondicionamiento posee un regulador de presión con un manómetro. El funcionamiento es idéntico al que ya hemos visto para el compresor. Asegurate de que llega presión (2 bar) al banco. Ahora ya estamos preparados para hacer el montaje. Sigue los siguientes pasos: Identifica las válvulas y los cilindros para hacer el último circuito que has diseñado. Recuerda que las válvulas llevan una etiqueta con el símbolo correspondiente. Respecto a los cilindros, para distinguir si son de simple o doble efecto, mira a ver cuantos orificios de entrada tienen. Unidad de acondicionamiento Guías Tomas de aire Figura 4.9. Esquema de la placa de montajes Identifica en las válvulas de distribución los orificios de entrada, los de trabajo, los de escape y las tomas para los accionamientos. 20

21 Asegúrate de que la llave principal de presión en el compresor está cerrada. Coloca los componentes en la placa de montaje de forma ordenada, tal como hiciste en el programa FluidSIM con el diagrama. Ahora, sin embargo, la válvula de rodillo debe ubicarse en las proximidades del cilindro, pues debe ser accionado por el vástago de éste. Enlaza las válvulas entre si con los conductos de plástico. Para introducir el conducto en el racor correspondiente de la válvula haz una ligera presión. Para extraer el conducto de un racor debes pulsar el extremo del racor hacia dentro mientras tiras del conducto. Para saber dónde debes conectar cada conducto, analiza el símbolo que está en la etiqueta de la válvula e identifica la correspondencia con cada uno de los orificios de la válvula (identificados mediante letras A, B, P, R1...). Recuerda que las tomas siguen la siguiente nomenclatura: A, B, son las vías de trabajo. R1, R2,.. son las vías de escape. P es la toma de presión. Abre la llave de paso del compresor y prueba el circuito. 21

22 UNIVERSIDAD DE LEÓN Área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación NEUMÁTICA E HIDRÁULICA PRÁCTICA 2: DISEÑO Y SIMULACIÓN DE CIRCUITOS ELEMENTALES. 22

23 PRACTICA 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN DE CIRCUITOS NEUMÁTICOS ELEMENTALES 2.1. OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA. El objetivo de esta práctica es iniciar al estudiante en el diseño, simulación y prueba de circuitos neumáticos. En esta práctica se estudiarán circuitos con un solo actuador, con el objeto de que sea más sencillo analizar las distintas formas de gobernar a un cilindro. Se plantean diversos ejercicios a resolver que implican el uso de una gran diversidad de válvulas, tipos de accionamientos, sensores y válvulas lógicas, de forma que el alumno se familiarice con estos aspectos, antes de abordar en prácticas sucesivas circuitos más complejos. A diferencia de la práctica anterior, en esta segunda práctica se parte del hecho que el alumno ya conoce las funciones y características de los diversos componentes neumáticos, así como las principales opciones del programa de simulación FluidSIM y del banco neumático. Partiendo de esta consideración, la labor principal del alumno será ahora más de pensar. Así como en la práctica anterior se iban dando las acciones específicas a realizar durante el diseño, simulación y montaje de los circuitos, en esta práctica y las sucesivas será el alumno el que, conociendo el problema que quiere resolver, defina las acciones a llevar cabo para resolverlo. En los dos primeros casos se guiará al alumno en el diseño del circuito, mientras que en el caso tercero será él el que realice dicho diseño, completando así los objetivos de esta práctica. Conviene, no obstante, recordar algunos aspectos relativos a la estructuración de los esquemas neumáticos. Como se explicó en clase, un sistema neumático puede descomponerse en diferentes niveles que representan los componentes físicos y el flujo de señales desde la fuente de energía hasta los dispositivos actuadores. En la figura 2.1. se pueden ver estos niveles: alimentación, señales de entrada, procesamiento de señales, señales de control, fuente de energía. Se debe observar como el final de carrera 1.3. se halla físicamente situado en posición de ser accionado por el vástago del cilindro 1.0 al avanzar, pero el símbolo se dibuja en el esquema en el nivel de las señales de entrada. En este esquema, los niveles de señales de entrada y de fuente de energía constituyen lo que hemos llamado nivel operativo, mientras que los niveles de procesador de señales y señales de control constituyen el nivel de lógico y de control. A partir de este momento todos nuestros circuitos seguirán este esquema en sus representaciones. 23

24 Figura 2.1. Niveles para la representación de esquemas de circuitos neumáticos. Conviene recordar también que todos los elementos se dibujan en estado de reposo. Comencemos pues con el siguiente enunciado. 24

25 2.2. Problema número 1: ACCIONAMIENTO CONTÍNUO DE UN CILINDRO En este ejercicio se trata de producir el movimiento de vaivén del vástago de un cilindro de forma contínua. Este es un caso que se presenta con mucha frecuencia en la industria, donde los dispositivos trabajan de forma ininterrumpida durante un periodo largo de tiempo. Para que la introducción a la práctica se realice de forma gradual, vamos a partir en este caso del esquema neumático a realizar. En la figura 2.2. se observar el esquema siguiendo los criterios anteriormente expuestos. Como puede apreciarse, el distribuidor (1.1) del cilindro es una válvula 5/2, accionada neumáticamente por ambos lados. Este pilotaje se realiza mediante las microválvulas de palpador mecánico (1.2) y (1.3), colocadas al final del avance y del retroceso del vástago. La válvula (1.4) es la que inicia el ciclo de vaivén. El componente (0.2) es el grupo de tratamiento final del aire. El funcionamiento del esquema es el siguiente. En reposo, el vástago del cilindro se encuentra replegado, ya que la válvula (1.1) alimenta aire a presión a la cámara de retroceso del vástago. El ciclo comienza accionando manualmente el pulsador (1.4), dejando pasar aire a través de la (1.2) que está presionada por el vástago del cilindro. De esta forma llega señal al accionamiento izquierdo de la válvula de distribución que controla el cilindro, produciendo su conmutación, lo que invierte la entrada/salida del aire al cilindro. Ahora el aire entra en la cámara de avance y sale por la de retroceso, haciendo salir al vástago del cilindro. Al llegar a su final de carrera el vástago, acciona la válvula sensora (1.3), que pilota a la válvula de distribución del cilindro, haciendo que se inicie el regreso del vástago. Es interesante observar aquí que, para que sea posible este último pilotaje, es preciso que el lado opuesto de la válvula de distribución no tenga presión, lo que en este caso ocurre ya que en cuanto salió el vástago del cilindro la válvula (1.2) dejó de estar presionada, cortando la presión de aire al pilotaje izquierdo de la válvula (1.1). Cuando regresa completamente el vástago a su posición de reposo inicial, el sensor (1.2) vuelve a ser presionado, permitiendo de nuevo el paso de aire y la conmutación de la válvula de distribución del cilindro, obligando de nuevo y automáticamente a que salga el vástago. Esta situación se dará de forma continuada ya que la válvula (1.4) se encuentra 25

26 desplazada hacia la derecha desde que el operario la accionó. La forma de interrumpir el ciclo se consigue desbloqueando la válvula (1.4), que corta el flujo de aire hacia la válvula (1.2), por lo que cuando regrese el cilindro no volverá a salir. De acuerdo con este enunciado, la lista de elementos que debes utilizar es la siguiente (si no encuentras dispositivos utiliza otros equivalentes): Uno o varios enchufes rápidos. Una unidad de tratamiento final de aire. Una válvulas 3/2 con accionamiento por pulsador y enclavamiento. Dos válvulas 3/2 con accionamiento por rodillo. Una válvula 5/2 pilotada neumáticamente por ambos lados. Una cilindro de doble efecto. Diseña el circuito en FluidSIM, pero no lo guardes en el disco duro, ya que en caso contrario no podrás proceder a su simulación. Procede a su simulación. Guardalo en el disco duro e imprímelo en papel. Cuando estés seguro de que funciona bien, elige las válvulas necesarias y procede a su montaje en el banco neumático. Antes de probar el funcionamiento del montaje, recuerda las normas de seguridad que se indicaron en la primera práctica

27 Esquema propuesto: h Figura 2.1. Esquema correspondiente al ejercicio

28 2.3. Problema número 2: ACCIONAMIENTO DE UN ELEVADOR En este segundo caso vamos a introducir nuevas válvulas, en este caso válvulas lógicas. El enunciado es el siguiente. Se desea diseñar un circuito neumático para el control de una plataforma de elevación. La plataforma debe ascender cuando un operario presione un pedal (válvula 3/2), y debe permecer arriba aunque el operarion deje de presionarlo. La plataforma sólo descenderá cuando se presione un pulsador (válvula 3/2). Como mecanismo actuador para elevar la plataforma se usará un cilindro neumático de doble efecto controlado por una válvula 5/2 y dos válvulas 3/2, como indica la figura 2.3. Analiza el funcionamiento del circuito hasta que lo entiendas perfectamente. En caso de duda pregunta al profesor. Procede al diseño y simulación del circuito. Guardalo en el disco duro e imprímelo en papel. Haz un listado de las válvulas que necesitas y procede a realizar el montaje en el banco neumático. Prueba el circuito recordando las normas de seguridad. 28

29 Esquema propuesto: Figura 2.2. Esquema correspondiente al ejercicio

30 2.4. Problema número 3: APERTURA Y CIERRE DE UNA PUERTA (uso de válvulas temporizadoras) En este ejercicio no se proporcionará esquema alguno al alumno, y será éste el que haga una propuesta. El enunciado del problema es el siguiente: se trata de producir la apertura y el cierre de una puerta de forma automática mediante energía neumática. La apertura podrá realizarse alternativamente desde el exterior del edificio o desde el interior del mismo, mediante apertura manual accionada por llave. El cierre se producirá automáticamente una vez transcurrido un determinado tiempo. Se usará un cilindro de doble efecto controlado por un distribuidor de cinco vías y dos posiciones, y una válvula temporizadora normalmente cerrada Las velocidades de apertura y de cierre deben poder regularse a voluntad. Propón un esquema de circuito para dar solución a este problema. Diseña el circuito en FluidSIM y simúlalo. Juega con los parámetros de la valvula temporizadora para ajustar el tiempo de retardo al que te dice el enunciado. Haz lo mismo con las velocidades del cilindro. Si estás seguro de que funciona bien guárdalo en el disco duro e imprímelo. Haz un listado de las válvulas que necesitas y procede a realizar el montaje en el banco neumático. Prueba el circuito recordando las normas de seguridad. Si en lugar de una válvula temporizadora normalmente cerrada sólo dispones de una normalmente abierta, qué modificaciones deberías hacer al circuito para que funcionara?. 30

31 Diseña el circuito en la aplicación fluisim y simula su funcionamiento. En este caso no hace falta que realices el montaje en el banco neumático. Esquema propuesto: Figura 2.3. Solución al ejercicio

32 2.5. Problema número 4: AUTOMATIZACIÓN DE UNA PRENSA DE EMBUTIDO (uso de válvulas limitadoras de presión). Se desea automatizar una prensa para embutido de chapa. Cuando el operario pulse dos botones al mismo tiempo, uno con cada mano para evitar que introduzca alguno de los brazos debajo de la prensa cuando descienda el punzón, el punzón deberá descender a una velocidad que se pueda ajustar. Una vez que el punzón ha llegado al final de su recorrido y cuando la presión ejercida por éste sobre la chapa supere un valor determinado, también ajustable, el punzón debe ascender y regresar a su posición inicial de reposo, a la máxima velocidad posible. Haz una lista de todos los componentes que debes emplear. Diseña el circuito en FluidSIM y simúlalo. Juega con los parámetros de la válvula limitadora de presión para ajustar la presión de disparo. Haz lo mismo con las velocidades de descenso del punzón. Qué ocurre si la presión que fijas en la válvula limitadora de presión es excesiva?. Y si es muy baja?. Si estás seguro de que funciona bien guárdalo en el disco duro e imprímelo. 32

33 Esquema propuesto: Figura 2.4. Solución al ejercicio 2.5. Respuestas: 33

34 2.6. Problema número 5: AUTOMATIZACIÓN DE UNA PRENSA DE ENCOLADO (uso de válvulas limitadoras de presión). Antes de pasar a trabajar con circuitos que utilizan más de un actuador, vamos a terminar esta práctica con otro circuito elemental, de forma que queden bien fijados los conceptos y opciones que has utilizado a lo largo de la práctica. Veamos el siguiente caso. Para encolar dos componentes se utiliza un cilindro de doble efecto. Una vez accionado un pulsador o un pedal, el cilindro avanza. Una vez que el vástago del cilindro ha alcanzado la posición final, debe permanecer allí hasta que la presión ejercida supere un determinado valor ajustable previamente. Después debe regresar a su posición inicial. Para iniciarse un nuevo ciclo, el cilindro debe haber permanecido retraído un mínimo de 10 segundos, de forma que el operario pueda sacar las piezas encoladas y colocar otras dos. Las velocidades de avance y de retroceso deben poder ser ajustables. Haz una lista de todos los componentes que debes emplear. Diseña el circuito en FluidSIM y simúlalo. Asegúrate de que en la simulación se cumplen los tiempos establecidos en el enunciado. Si estás seguro de que funciona bien guárdalo en el disco duro e imprímelo. 34

35 Esquema propuesto: Figura 2.5. Solución al ejercicio

36 UNIVERSIDAD DE LEÓN Área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación NEUMÁTICA E HIDRÁULICA PRÁCTICA 3: DISEÑO Y SIMULACIÓN DE CIRCUITOS CON MÁS DE UN ACTUADOR. 36

37 El estudio de los circuitos desarrollados en la práctica anterior ha servido para sentar las bases sobre la que se desarrollarán circuitos con un mayor número de actuadores. A lo largo de esta práctica vamos a trabajar con circuitos neumáticos más complejos que implican el uso de dos o más actuadores (cilindros en nuestro caso). Sin embargo, comprobarás que estos circuitos no son otra cosa que la superposición de los circuitos simples estudiados en la práctica anterior. En los circuitos con mayor número de actuadores es necesario utilizar los denominados cuadros de secuencia, de los diagramas de movimiento y de los diagramas Grafcet. Antes de empezar a trabajar con los circuitos, repasaremos estos conceptos que ya se han visto en teoría. Supongamos que tenemos una máquina para embutido de chapa. Lo primero que hay que hacer es un esquema con los mecanismos y elementos que se van a utilizar, con el fin de mejorar la comprensión del problema a resolver. En la figura 3.1. se puede ver este esquema. El operario debe depositar la chapa sobre la matriz y a continuación accionar el pulsador de marcha. El resto del proceso se desarrollará de forma automática, constando de tres acciones: aproximación de la chapa a la matriz de conformado, conformado propiamente dicho y extracción de la pieza. Figura 3.1. Esquema del mecanismo. 37

38 Se emplearán para la automatización tres cilindros: - Cilindro A para la alimentación de la chapa. - Cilindro B para el conformado. - Cilindro C para la expulsión. Para representar las etapas de movimiento de los cilindros, se emplea un cuadro de secuencia como el de la figura 3.2., donde el movimiento de salida del vástago se representa con un signo (+) y el movimiento de retracción con (-). De acuerdo con este cuadro de secuencia para nuestro ejemplo, primero se producirá la salida del vástago del cilindro de alimentación de la chapa, después se procede al avance del vástago del cilindro que posee el punzón de embutido e inmediatamente después su retracción; después se produce la retracción del vástago del cilindro de alimentación; por último se produce el movimiento de salida del cilindro de expulsión para extraer la pieza de la matriz y a continuación su retracción. Etapa Cilindro A B C Figura 3.2. Cuadro de secuencia. Respecto a los diagramas de movimiento, se pueden distinguir tres tipos: a) Diagrama espacio fase. b) Diagrama espacio tiempo. c) Diagrama de señales de mando. Los dos primeros diagramas se conocen también como diagramas de movimiento, y reflejan cada una de las fases por las que pasa cada actuador (diagrama espacio fase) o el tiempo que está cada actuador en cada una de las fases (diagrama espacio tiempo). Las figuras 3.3. y 3.4 muestran ambos diagramas para el caso que nos ocupa. Estos diagramas permiten mostrar las posiciones de cada cilindro en un determinado momento y los tiempos empleados en cada recorrido, facilitando la labor de detección de señales neumáticas 38

39 superpuestas o permanentes. Normalmente, los diagramas espacio- fase se utilizan con los circuitos secuenciales y los diagramas espacio tiempo con los circuitos programados. Figura 3.3. Diagrama espacio fase. Figura 3.4. Diagrama espacio tiempo. Respecto al diagrama de señales de mando, estos son diagramas que suelen ir unidos a los anteriores. Su objetivo es detectar señales de presión permanentes en los pilotajes de los distribuidores de los actuadores. No suelen usarse con circuitos sencillos. La figura 3.5. muestra el diagrama de señales de mando para nuestro problema, junto con el diagrama espacio fase en la parte superior. Cada uno de los cilindros posee dos captadores de señal, cuyo estado se muestra en el diagrama. La figura 3.5. muestra el esquema de los cilindros con las válvulas final de carrera. 39

40 Figura 3.5. Diagrama de señales de mando. Figura 3.6. Esquema neumático. 40

41 Por último, el sistema de representación mediante Grafcet es un procedimiento que permite mostrar de una forma gráfica y sencilla el ciclo de funcionamiento de un proceso automatizado que funciona de forma secuencial. Las siglas Grafcet se corresponden con Grafo Funcional de Comandado por Etapas-Transiciones. Estos grafos muestran la evolución de cada una de las etapas, donde cada una de ellas va precedida de una o varias condiciones que deben de cumplirse para que se desarrolle la siguiente etapa. Este procedimiento gráfico es de gran ayuda en el desarrollo de automatismos de gran complejidad. En la figura 3.7. se muestran los principios de representación generales, indicando las distintas etapas y las condiciones de transición. En la parte izquierda de la figura se muestra el diagrama Grafcet del problema que nos ocupa. Este tipo de diagramas se realiza previo al diseño del circuito y sirve de ayuda en su desarrollo. Figura 3.7. Diagrama Grafcet. Una vez que hemos repasado los principales conceptos, vamos a practicar con algunos circuitos Caso 1: Máquina de embutir accionada con tres cilindros. Haz el diseño del circuito del ejemplo anterior en el programa FluisSIM usando exclusivamente válvulas de rodillo no abatibles, figura

42 Figura 3.8. Caso 3.1. con válvulas de rodillo. Simula su comportamiento y observa si el ciclo se desarrolla de forma automática hasta el final. Qué ocurre?. Parece que el circuito no funciona correctamente. Qué ocurre?. Respuesta: Observando Sustituye los finales de carrera a0, a1 y b0 por válvulas de rodillo abatible tal y como se indicaba en la figura 3.6. Por qué es preciso utilizar este tipo de mando?. Respuesta: Simula de nuevo el comportamiento. Sigue sin funcionar. Qué ocurre ahora?. Respuesta: 42

43 Haz doble clic sobre la articulación del rodillo abatible y comprueba en qué dirección debe de accionarse. Coloca los finales de carrera en la posición adecuada con respecto al vástago del cilindro y vuelve a simular. Cuando estés seguro de que funciona, avisa al profesor y enséñale los resultados. Graba el circuito en el disco duro e imprímelo. Caso 2: Conformado de una chapa de aluminio. Se desea diseñar un mecanismo de dos cilindros de doble efecto para lograr el conformado de una chapa fina de aluminio, que habrá de adoptar la forma que se indica en la figura (a) de la figura 3.9. Para ello se emplea un útil de conformado sobre el cual el cilindro (A) produce la primera forma y el (B) la siguiente doblez. Figura 3.9. Mecanismo para el doblado de una chapa. El ciclo de trabajo debe comenzar cuando el operario presione dos pulsadores, uno con cada mano con el objeto de mantener las manos ocupadas durante el proceso de conformado. Un final de carrera detecta la posición más avanzada del vástago del cilindro (A) y envía una señal para que salga el cilindro (B). Una válvula temporizadora indica el tiempo que debe permanecer presionando ambos cilindros antes de su regreso a la posición de reposo. Ajustarla para que esté presionando la chapa durante 5 segundos. Se debe aumentar al máximo las velocidades de salida de los dos vástagos de los cilindros, con objeto de aprovechar la energía cinética del movimiento durante la deformación. Las velocidades de regreso de los vástagos deben de poder regularse a 43

44 voluntad para que el movimiento de salida no estropeé la pieza recién conformada. Ajustar este movimiento para que dure 2 segundos. Haz el diseño del circuito del ejemplo anterior en el programa FluisSIM. Simula su comportamiento. Realiza el montaje en el banco de pruebas. Haz el cuadro de secuencia. Realiza el esquema GRAFCET correspondiente. Dibuja el diagrama espacio fase. Dibuja el diagrama espacio tiempo. Haz el diagrama de señales de mando. Dibuja el esquema de montaje en una hoja. 44

45 Circuito propuesto: 45

46 ETAPA CILINDRO Cuadro de secuencia Esquema GRAFCET: 46

47 Elemento Función Posic. Fase Diagrama espacio-fase Elemento Función Posic Tiempo en segundos Diagrama espacio-tiempo 47

48 Elemento Función Posic. Fase Diagrama de señales de mando 48

49 Esquema de montaje: 49

50 SOLUCIONES A LOS EJERCICIOS PROPUESTOS: Esquema propuesto: Figura 2.3. Solución al ejercicio

51 Esquema propuesto: Área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación Universidad de León Figura 2.4. Solución al ejercicio

52 Esquema propuesto: Figura 2.5. Solución al ejercicio

53 CASO 2 PRÁCTICA 3. Área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación Universidad de León Esquema propuesto: Solución al ejercicio

54 ETAPA A + - CILINDRO B + - Cuadro de secuencia Esquema GRAFCET: , A + B + B - A - Elemento Función Posic. Fase A 1ª doblez

55 Diagrama espacio-fase Elemento Función Posic. Tiempo en segundos A 1ª doblez + - B + 2ª doblez 5 seg. 2 seg Diagrama espacio-tiempo Elemento Función Posic. A 1ª doblez + - Fase Prácticas 3 de 4 Neumática 5 e 6 Hidráulica

56 Diagrama de señales de mando 56

57 57

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