Tecnología Industrial II Tema 8: AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA

Transcripción

1 Tema 8. AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA 1. INTRODUCCIÓN PRODUCCIÓN Y TRATAMIENTO DE AIRE COMPRIMIDO...2 A) Producción de aire comprimido: compresores...2 B) Tratamiento de aire comprimido RED DE DISTRIBUCIÓN ELEMENTOS DE CONTROL Y DE MANDO: VÁLVULAS...5 A) Representación e identificación de las válvulas...5 B) Constitución de las válvulas distribuidoras...5 C) Tipos de accionamiento de las válvulas distribuidoras...5 D) Forma constructiva de algunas válvulas distribuidoras...6 E) Otras válvulas ELEMENTOS DE TRABAJO: CILINDROS...7 A) Cilindro de simple efecto...7 B) Cilindros de doble efecto...8 C) Cálculo de la fuerza de accionamiento...8 D) Consumo de aire DISEÑO DE CIRCUITOS NEUMÁTICOS CIRCUITOS CARACTERÍSTICOS...9 A) Mando directo...9 B) Mando indirecto...9 C) Control de velocidad...9

2 1. INTRODUCCIÓN La neumática es la técnica que utiliza las capacidades energéticas del aire a presión, fluido capaz de desarrollar trabajo y potencia (fuerza y velocidad). Los principales componentes de un circuito neumático son: Elementos de producción y tratamiento de aire comprimido Elementos de distribución de aire comprimido. Elementos de mando y control: válvulas. Elemento de salida o actuadores: cilindros. Principio físicos de aplicación en neumática Presión manométrica o relativa: p= F se utiliza para calcular la fuerza que puede ejercer un cilindro. Es la presión de trabajo del cilindro. S Presión absoluta: P abs = P + P atm P atm = 1atm Ley de Boyle-Mariotte: p 1 V 1 = p 2 V 2 donde las presiones son absolutas. Se utiliza esta ley para calcular el volumen de aire que consume un cilindro en condiciones normales, sabiendo el volumen de aire a la presión de trabajo. Caudal: Q= V t =S.v Unidades de presión: 1atm 1bar = 10 5 Pa 2. PRODUCCIÓN Y TRATAMIENTO DE AIRE COMPRIMIDO A) Producción de aire comprimido: compresores Se absorbe aire de la atmósfera y tras un filtrado previo, que tiene por objeto eliminar partículas de polvo, se introduce en el compresor. El compresor tiene por objeto elevar la presión del aire. Para realizar este cometido deben ser accionados por un motor, que puede ser eléctrico o térmico. Asociados al compresor, además del filtro, se tiene un refrigerador, para bajar la temperatura que se eleva como consecuencia de la compresión de aire, y un depósito, que acumula aire a presión en su interior y permite mantener un nivel de presión en el circuito. Los compresores se caracterizan por su caudal o por su relación de compresión. Siendo la relación de compresión un número adimensional que relaciona las presiones de entrada y salida del aire del compresor. Es decir, informa del aumento de presión que provoca el compresor. Los compresores se pueden clasificar en función de la forma de trabajo en compresores de émbolo y compresores rotativos. Compresores de émbolo: son los más utilizados debido a su precio y a su flexibilidad de funcionamiento que les permite trabajar con caudales de diferentes magnitudes y con un amplio rango de relación de compresión. Son bastantes ruidosos. Su funcionamiento es muy parecido al de un motor de un automóvil. Un eje, el que va soldado una manivela que es movida por el motor, acciona la biela que produce un movimiento alternativo en el pistón. Al bajar el pistón, entra aire por la válvula de aspiración. En ese momento la válvula de cierre está cerrada. Cuando el pistón ha descendido hasta el máximo posible, entonces las dos

3 Tecnología Industrial II válvulas (admisión y cierre) se cierran. En ese momento comienza la compresión del aire que ha entrado en la cámara de compresión. Cuando ese aire se ha comprimido hasta el máximo, entonces la válvula de cierre se abre y el aire comprimido se lleva al circuito a través de los conductos. Los compresores de émbolo más utilizados son los de dos etapas, en cada una de ellas se produce un aumento de la presión del aire, que suelen refrigerarse con agua o aceite (que circula alrededor de la camisa del compresor) o con aletas. Compresores rotativos: consiguen aumentar la presión del aire mediante el giro de un rotor. El aire se aspira cuando entra el rotor gira en un determinado sentido y después se comprime dentro de la cámara de compresión que se origina en el compresor. Este tipo de compresores son más actuales y menos ruidosos que los de émbolo. Compresor rotativo de paletas, la característica principal de estos compresores es que poseen una serie de paletas radiales sobre el rotor excéntrico que presionan las paredes de la cámara de compresión cuando giran (por la acción de la fuerza centrífuga). Entre cada dos paletas se crea una especie de pequeña cámara de compresión que va comprimiendo el aire. Son muy silenciosos y proporcionan nivel de caudal prácticamente constante. Compresor rotativo de tornillo, el funcionamiento de estos compresores se basan en el giro de dos tornillos helicoidales que comprimen el aire que ha entrado por el orificio de aspiración y lo expulsan hacia el orificio de salida. Son relativamente nuevos, bastante caros y silenciosos. B) Tratamiento de aire comprimido El aire comprimido que sale del compresor no se debe llevar a los elementos de trabajo sin someterlo previamente a un tratamiento que garantice las mejores condiciones posibles para su uso posterior. Los elementos que constituyen este tratamiento previo son: Filtro. Regulador de presión. Lubricador.

4 Filtro: tiene como misión depurar el aire comprimido que puede contener partículas en suspensión y vapor de agua u otros residuos que pueda arrastrar a través de las conducciones. El aire, al entrar en el filtro, adquiere un movimiento rotativo produciéndose el centrifugado de las partículas más gruesas contra las paredes de la unidad de filtrado. El recipiente de la unidad es de vidrio, generalmente, para favorecer la condensación del vapor de agua del aire comprimido. En la parte inferior dispone de un grifo de purga para vaciar este agua. Regulador de presión: es una válvula cuya misión es mantener constante la presión a su salida, donde se sitúa un manómetro, independientemente de la presión a su entrada. Si la presión a la salida es mayor que la previamente fijada a través de un tornillo, la válvula abre la conexión con la atmósfera hasta que se reduce el valor de la presión al valor nominal. Lubricador: aporta aceite a los elementos móviles a través del aire comprimido, para disminuir el rozamiento y aumentar la vida útil de los órganos en movimiento. Estos tres elementos se pueden encontrar agrupados en las denominadas unidades de mantenimiento. 2. RED DE DISTRIBUCIÓN La red de distribución es el conjunto de tuberías que conduce el aire comprimido a todos los elementos del circuito neumático. Esta red parte del depósito y debe garantizar la presión y la velocidad del aire en todos los puntos. El conjunto de tuberías horizontales debe presentar cierta inclinación en el sentido de circulación de aire, para que el agua condensada circule hacia los purgadores, situados en las terminaciones de las conducciones. Las derivaciones se harán por la parte superior de las tuberías horizontales y mediante curvas hacia arriba, para evitar el paso de agua condensada. Forman parte de la red de distribución otros elementos como depósitos y acumuladores, que acumulan aire a presión en su interior con objeto de garantizar el nivel de presión ante posibles pérdidas o fallos en el compresor. Así como los elementos de tratamiento de aire comprimido (filtros, reguladores de presión y lubricadores) estudiados en el apartado anterior.

5 3. ELEMENTOS DE CONTROL Y DE MANDO: VÁLVULAS A) Representación e identificación de las válvulas Las válvulas pueden considerarse como una caja negra con una serie de orificios, vías, que sirven para la entrada y salida de aire comprimido. La forma en que se conectan dichos orificios constituye un estado de la válvula, lo que habitualmente se denomina posición. Las válvulas se componen de dos o más posiciones, esto es, dos o más formas de conectar las vías. Para cambiar de una a otra se dispone de unos mandos. En general, existe una posición de reposo, que es aquella en la que no se actúa sobre los mandos. Las posiciones se representan por cuadrados yuxtapuestos, tantos como posiciones existan. Una válvula se identifica por el número de vías, seguido del número de posiciones. Posteriormente, se indica el tipo de funcionamiento en reposo, si procede (normalmente abierta o normalmente cerrada), y los dos tipos de mandos que permutan la válvula. En neumática, el caso más frecuente es el de las válvulas de 2 o 3 posiciones y de no más de 4 vías. B) Constitución de las válvulas distribuidoras Se componen de un cuerpo o estructura básica, un elemento móvil, y unos elementos de accionamiento para permutar el estado de la válvula. En el cuerpo están definidos los conductos internos y los orificios de entrada y salida de aire, y se alojan todos los demás componentes. El elemento móvil es aquel con cuyo desplazamiento se van a obtener las distintas posiciones de la válvula. El tipo de elemento móvil define la clasificación de este tipo de válvulas según la forma constructiva en: válvulas de asiento y válvulas correderas. C) Tipos de accionamiento de las válvulas distribuidoras Según la fuente de energía que activa los componentes de mando: Accionamiento manual: se activan por la acción de un operario, por ejemplo, pulsador, palanca y pedal. Accionamiento mecánico: se activan por un mecanismo en movimiento. Los más típicos: leva, rodillo, muelle, rodillo escamoteable o abatible. Accionamiento neumático: la fuerza necesaria para conmutar la válvula se obtiene del aire a presión. En ocasiones, las válvulas con mando neumático precisan de válvulas más pequeñas que las piloten, se conoce como mando indirecto por presión. Las válvulas con este tipo de pilotaje indirecto se conocen como servoválvulas. Accionamiento eléctrico (electroválvulas): la fuerza necesaria para desplazar la válvula se obtiene a partir de un electroimán. La colocación de estas válvulas en las instalaciones neumáticas implica la instalación paralela de un circuito eléctrico que las active. La señal de conmutación de las válvulas vendrá, por ejemplo, de un final de carrera eléctrico. Son muy importantes ya que el origen de la señal eléctrica puede estar gobernado por un programa de

6 ordenador. D) Forma constructiva de algunas válvulas distribuidoras. Válvula distribuidora 2/2 En la posición a) el paso de aire de P a A está cerrado (válvula cerrada). Cuando se acciona el pulsador, se pone en comunicación la entrada O con la vía de utilización A (válvula abierta). Al dejar de apretar el pulsador, el muelle obliga al distribuidor (parte móvil) a recuperar la posición de partida, con lo que la válvula se cierra. Válvula distribuidora 3/2 Estas válvulas permiten la circulación de aire en una dirección y, a la vez, cortan el paso en la otra dirección. En la posición a) la corredera impide el paso de aire de P a A, y deja abierto el paso de A a R (escape). Cuando se acciona la válvula, posición b) la corredera une la entrada de presión P con la vía de utilización A, mientras que el escape R queda bloqueado. Nota: Las válvulas que que aparecen en los dibujos corresponden a válvulas hidráulicas, donde la vía L es el denominado conducto de fuga para el aceite.

7 Válvula distribuidora 4/2 Las válvulas 4/2 permiten el paso de fluido en ambas direcciones. Cuando la válvula está en reposo (a), la vía de entrada P está conectada con la de utilización A, mientras que la otra vía B está puesta a escape R. Al accionar la válvula se vence la acción del muelle y la corredera cambia de posición, el fluido circula de P hacia B y de A hacia R (posición b). E) Otras válvulas. Antirretorno: cierra por completo el paso de aire en un sentido y lo deja libre en el contrario. Se sitúan dentro de los circuitos donde se agrupan elementos en los que no interesa la mutua influencia. Selectora: cumple la función lógica O (OR o suma lógica). Tiene dos entradas y una salida, el bloqueo siempre se realiza sobre la entrada con menor presión. Esto es, con que haya presión en una entrada, habrá presión a la salida. Se usa cuando un actuador o una válvula distribuidora debe gobernarse indistintamente desde dos puntos por separado, distante físicamente uno del otro. Simultaneidad: cumple la función lógica Y (AND o producto lógico). Tiene dos entradas y una salida y para que exista señal a la salida debe haber presión necesariamente en las dos entradas. Se usa en sistemas de seguridad. Por ejemplo, para el accionamiento de una prensa neumática por un operario, que sólo debe bajar si el operario mantiene activadas dos válvulas a la vez. Válvulas reguladoras de caudal o flujo Como su propio nombre indica dosifican la cantidad de fluido que pasa por ellas en la unidad de tiempo. Su principio de funcionamiento es al estrangulación de aire reduciendo la sección de paso del mismo. Según se regulen el caudal en uno o en los dos sentidos de circulación del fluido, estas válvulas pueden ser unidireccionales o bidireccionales.

8 Reguladoras de presión Estas válvulas actúan sobre la presión del aire en circulación. Según su colocación y función en el circuito se distinguen tres tipos de válvulas reguladoras de presión Limitadoras de presión o de seguridad: impiden que la presión sea mayor que la fijada manualmente mediante un tornillo. Al sobrepasarse esta presión máxima, la válvula abre la conexión con la atmósfera. De secuencia: el principio de funcionamiento es el mismo que la limitadora. La diferencia reside en que en vez de conectar a escape, se conecta a una vía de trabajo. Reductoras o reguladoras: tienen como objetivo regular la presión de trabajo (presión secundaria) deseada a un valor determinado y constante, independientemente de la presión anterior a la válvula (presión primaria). Son las presentes en los grupos de compresión. 4. ELEMENTOS DE TRABAJO: CILINDROS Los cilindros son los llamados actuadores de movimientos lineal que se encargan de convertir la energía del aire comprimido en un movimiento lineal, que puede ser de avance o de retroceso. Las partes fundamentales de un cilindro se muestran en la figura: A) Cilindro de simple efecto. Estos cilindros tienen sólo una conexión de aire comprimido. No pueden realizar trabajo más que en un sentido. El retroceso de estos cilindros se produce cuando deja de aplicarles aire y por efecto de un muelle interno.. Se utilizan principalmente para realizar operaciones de sujeción, expulsión, apretado, levantamiento, alimentación, etc.

9 B) Cilindros de doble efecto. Estos cilindros tienen dos tomas de aire, una a cada lado del émbolo, y pueden producir movimiento en los dos sentidos: avance y retroceso. Se dispone así de una fuerza útil tanto en el avance como en el retroceso. Se emplean en casos en que el émbolo tiene que realizar también una función en su retorno a la posición inicial. La carrera de estos cilindros puede ser muy larga, si bien hay que tener en cuenta el pandeo y doblado que puede sufrir el vástago en su posición más extrema. C) Cálculo de la fuerza de accionamiento. a) Cilindro de simple efecto: F n = S.P (F r +F m ) b) Cilindro de doble efecto: Avance: F n = S.P -F r Retroceso: F n = S.P F r donde: F n = Fuerza efectiva o real en el émbolo. S = π. R 2 ; superficie útil del émbolo con R: radio del émbolo. P = Presión de trabajo (manométrica o relativa) F r = Fuerza de rozamiento. F m = Fuerza del muelle de recuperación. S = π. (R 2 -r 2 ); superficie útil en el retroceso, con r: radio del vástago. D) Consumo de aire. Por consumo de aire se entiende la cantidad de aire comprimido que necesita un cilindro neumático para funcionar correctamente. Para calcular el consumo de aire seguiremos los siguientes pasos: 1º) Si se trata de un cilindro de doble efecto, calculamos el volumen de ambas cámaras. Volumen cámara posterior: Vp= π D2. l siendo l la carrera del pistón. 4 Volumen cámara anterior: Va= π 4 ( D2 d 2 ).l Sumando las dos expresiones anteriores, obtendremos el volumen del cilindro completo: Vcil= π 4 (2.D2 d 2 ). l que representa el consumo de aire a una determinada presión de trabajo. 2º) Para calcular el consumo de aire en condiciones normales habrá que aplicar la ley de Boyle Mariotte. Como sabemos, la presión absoluta es la indicada por el manómetro más la presión atmosférica, es decir, p abs = p man + p atm. Aplicando la mencionada ley: p abs..v cil = p atm. V aire despejando el volumen: Vaire= p ab.v cil p atm 3º) Suponemos que la presión atmosférica es 1atm, entonces: Vaire= ( p atm +1). V cil 1 4º) Por último, multiplicando el volumen anterior por el número de ciclos por minuto (f) que realice el cilindro, obtendremos el caudal de aire que es necesario suministrar al cilindro. Q aire = V aire. F

10 5. DISEÑO DE CIRCUITOS NEUMÁTICOS Para diseñar un circuito neumático se sigue un proceso que se inicia con el planteamiento del problema y el plano de situación (representación esquemática del mecanismo). Se continua con la secuencia de movimientos (ejemplo: A + / B + / A - / B - ) y el diagrama espacio-fase. Esquema neumático Las normas más destacadas para la representación del esquema neumática son: Los cilindros se dibujan en posición horizontal en la parte superior. Los finales de carrera no se representan en su posición normal. Suelen colocarse junto a los órganos de gobierno y, en el lugar que ocuparían en el circuito se dibujará una línea con un número indicador. Los circuitos se dibujan, generalmente, en la posición de partida (los elementos no están accionados). Se numeran los distintos elementos: cilindros 1.0, 2.0, ; órganos de gobierno (válvulas distribuidoras) 1.1, 2.1, la primera cifra indica el cilindro; válvulas que ordenan la salida o recogida de los cilindros 1.2, 1.4, 2.2, y 1.3, 1.5, la primera cifra indica el cilindro y la segunda, si es par, indica que influye en la salida del vástago y si es impar, en el retroceso. 6. CIRCUITOS CARACTERÍSTICOS A) Mando directo

11 B) Mando indirecto Si el cilindro es de gran tamaño será necesaria una gran fuerza de mando para conmutar las válvulas que lo comandan. La forma con que se obtiene la separación de la parte de información de la parte de trabajo es mediante pilotaje neumático. Así, la parte encargada del mando neumático puede funcionar a baja presión; mientras, la parte de potencia (cilindro y válvula distribuidora de gobierno) funciona a la presión de trabajo. C) Control de velocidad Aumento de velocidad. El método para el aumento de la velocidad en una carrera es la colocación de una válvula de escape rápido en la salida correspondiente del cilindro de doble efecto. Se evita, en la carrera de avance, el paso de aire por el distribuidor. Reducción de velocidad. Generalmente se utilizan válvulas reguladoras de caudal unidireccionales que deben actuar sobre el aire de escape con el fin de que la velocidad sea independiente de la carga del cilindro (regulación a la salida).

12 Cuestiones (Justifica la respuesta en un máximo de dos líneas) 1. Un manómetro indica una lectura de 7bar. A qué presión absoluta aproximada se encuentra el aire del interior del recinto? a) 7 bar menos 1, o sea, 6 bar. b) La indicada, es decir, 7 bar. c) 7 bar más 1, o sea, 8 bar. d) Ninguna, pues un manómetro no mide presiones. 2. El cilindro de simple efecto se caracteriza: a) El aire simplemente entra por los dos lados. b) Solamente puede ejercer esfuerzo en un sentido. c) Son más robustos que los de doble efecto. d) Pueden soportar más carga que los de doble efecto. 3. En qué parte del circuito neumático se produce aire comprimido? a) En el depósito. b) En el acumulador. 4. Qué significa una válvula 4/2? a) Válvula de 4 posiciones y dos vías. b) Válvula de 2 posiciones y 4 vías, incluidas las de pilotaje. c) Válvula de2 posiciones y 4 vías. d) Válvula de 4 posiciones y 2 mandos. 5. Qué función lógica cumplen las válvulas selectoras? c) En el filtro. d) En el compresor. a) Y. c) Sí. b) O. d) No. 6. Para qué se usan las válvulas estranguladoras unidireccionales? a) Para conectar otras partes de un circuito. b) Para controlar la presión del aire. c) Para comandar un cilindro desde dos puntos. d) Para regular la velocidad de un cilindro. 7. Aparte de los esfuerzos de tracción y compresión que soporta el vástago, qué otro tipo de esfuerzo soporta también? a) De rotura. b) De fricción. c) De pandeo. d) De estiramiento. Problemas 1. Calcula la fuerza realizada por un cilindro de doble efecto que tiene las siguientes características: diámetro del cilindro 80mm, diámetro del vástago 25mm y presión de trabajo 6 bar. 2. Supongamos que el cilindro del ejercicio anterior tiene una carrera de 700mm y efectúa 5 ciclos por minuto. Cuál es el consumo de aire de dicho cilindro? 3. Queremos diseñar un cilindro de simple efecto que utilice en su funcionamiento un volumen de aire de 800cm 3, cuya presión de trabajo sea 12,3kp/cm 2 y cuya longitud sea 29cm. a) Halla el diámetro de este cilindro. b) Calcula las fuerzas de este cilindro. 4. Se dispone de un cilindro de doble efecto con un émbolo de 60mm y un vástago de 20mm, su carrera es de 350mm. La presión de aire es d e6 bar y realiza una maniobra de 10 ciclos cada minuto. Calcular: a) La fuerza teórica que ejerce el cilindro en el avance y en el retroceso. b) El consumo de aire en condiciones normales.

13 5. En un cilindro neumático de simple efecto, la presión de trabajo es de 500kPa y la fuerza teórica de avance es de 1000N. Sabiendo que las pérdidas de fuerza por rozamiento son del 10% y la fuerza de recuperación del muelle del 6%. Calcular: a) La fuerza nominal de avance. b) El diámetro del émbolo. 6. Diseñe un circuito neumático empleando un cilindro de doble efecto para el accionamiento de la cuchara de colada de la figura, de manera que cumpla la siguiente secuencia: La cuchara de colada ha de hacerse bajar lentamente mediante un pulsador P1. La cuchara de colada ha de levantarse lentamente por inversión automática de la marche mediante un rodillo P2, que se acciona al final del recorrido del vástago. 7. Un montacargas neumático se eleva lentamente al accionar un pulsador P1y puede bajarse desde cualquiera de los dos pulsadores P2 y P3. Dibuja el cilindro empleando un cilindro de doble efecto. 8. Diseña un circuito neumático que permita fijar una pieza con un cilindro y taladrarla con otro. Para fijar la pieza, el operario accionará una palanca. Para taladrar la pieza el operador accionará dos pulsadores simultáneamente. El retroceso de todo el sistema será automático. Indica la secuencia de movimiento y el diagrama espacio-fase antes del diagrama de mando. 9. Identifíquese los elementos del esquema neumático de la figura y explica su funcionamiento. Cómo modificarías el circuito para automatizar el retorno del émbolo?

14 10. Identifica los componentes y explica el funcionamiento de los circuitos que se muestran: 10. a) Identifica los elementos. b) Dibuja su símbolo neumático correspondiente.

15 11. Identifica el funcionamiento del circuito de la figura. Tecnología Industrial II 12. Describe el funcionamiento de los circuitos de la figura. Qué ocurre si se mantiene activa la válvula 1.5 del segundo circuito en un momento dado?

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