ESCUELA UNIVERSITARIA POLITÉCNICA UNIBERTSITATE-ESKOLA POLITEKNIKOA SAN SEBASTIÁN-DONOSTIA SISTEMAS NEUMÁTICOS Y OLEOHIDRÁULICOS Neumática y Electroneumática Ingeniería Técnica Industrial en Electrónica y Mecánica Almandoz Berrondo, Javier Mongelos Oquiñena, Belen Pellejero Salaberria, Idoia Área de Mecánica de Fluidos Setiembre de 2007
I ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN... 1-1 1.1 Formas de energía para elementos de trabajo y de mando... 1-3 1.2 Características fundamentales del aire comprimido... 1-5 2. PRODUCCIÓN DE AIRE COMPRIMIDO... 2-1 2.1 Central compresora... 2-1 2.1.1 Servicio a consumo variable... 2-1 2.1.2 Acondicionamiento del aire... 2-3 2.2 Filtrado previo del aire... 2-5 2.3 Compresores... 2-5 2.3.1 Tipos de compresores... 2-6 2.3.2 Campos de aplicación de cada tipo de compresor... 2-9 2.4 Refrigerador posterior - separador... 2-10 2.4.1 Instalación de agua de refrigeración... 2-11 2.5 Depósito de regulación... 2-12 2.6 Secador... 2-13 2.6.1 Secado por adsorción... 2-13 2.6.2 Secado por absorción... 2-14 2.6.3 Secado por enfriamiento... 2-15 2.7 Compresores compactos... 2-15 2.8 Red de distribución... 2-16 2.8.1 Tipos de red de distribución... 2-16 2.8.2 Trazado de las líneas... 2-18 2.8.3 Detalles constructivos... 2-18 2.9 Acometidas de la red... 2-21 2.9.1 Equipo de mantenimiento... 2-21 2.9.2 La válvula de arranque progresivo... 2-22 2.9.3 Enchufes rápidos... 2-22 2.9.4 Mangueras... 2-23 2.10 Mantenimiento de un sistema de aire comprimido... 2-23 2.10.1 Verificaciones a realizar en el compresor... 2-23 2.10.2 Precauciones en el uso de aire comprimido... 2-24 2.11 Cómo se selecciona un compresor... 2-24 2.11.1 Caudal que ha de proporcionar el compresor... 2-24
II 2.11.2 Presión de trabajo... 2-28 2.11.3 Parámetros energéticos y mecánicos de un compresor... 2-29 2.12 Cálculo del volumen del depósito de regulación... 2-30 2.13 Cálculo de una red de distribución... 2-31 2.13.1 Hipótesis de funcionamiento... 2-31 2.13.2 Cálculo de caudales circulantes... 2-32 2.13.3 Predimensionamiento de diámetros... 2-32 2.13.4 Cálculo de pérdidas de carga... 2-34 2.13.5 Otro procedimiento para predimensionar las tuberías... 2-36 2.14 Compresores alternativos... 2-37 2.14.1 Ciclo de trabajo de un compresor alternativo... 2-37 2.14.2 Compresores de simple y de doble efecto... 2-38 2.14.3 Desplazamiento. Volumen efectivo. Rendimiento volumétrico... 2-39 2.14.4 Compresión por etapas... 2-39 2.14.5 Elementos fundamentales de un compresor alternativo... 2-40 3. ACTUADORES... 3-1 3.1 Actuadores lineales (cilindros neumáticos)... 3-1 3.1.1 Cilindros de simple efecto... 3-1 3.1.2 Cilindros de doble efecto... 3-4 3.1.3 Cilindros de doble efecto de ejecución especial... 3-5 3.2 Amortiguación en el final de carrera... 3-8 3.3 Fijaciones... 3-10 3.4 Detalles constructivos de los cilindros... 3-10 3.5 Variables a tener en cuenta en la selección de los actuadores... 3-12 3.5.1 Cálculo del diámetro del émbolo necesario... 3-12 3.5.2 Longitud de carrera... 3-13 3.5.3 Velocidad del émbolo... 3-15 3.5.4 Consumo de aire... 3-16 3.6 Funcionamiento real de un cilindro... 3-17 3.7 Actuadores de giro... 3-18 3.8 Motores neumáticos... 3-20 3.8.1 Motores de émbolo... 3-21 3.8.2 Motores de paletas... 3-22 3.8.3 Motor de engranajes... 3-22 3.8.4 Turbomotores... 3-23
III 3.9 Ejemplos de selección de un cilindro... 3-23 3.9.1 Cilindro con vástago trabajando a tracción y compresión... 3-23 3.9.2 Cilindro con vástago trabajando a flexión... 3-28 4. VÁLVULAS NEUMÁTICAS... 4-1 4.1 Generalidades... 4-1 4.2 Válvulas distribuidoras... 4-1 4.2.1 Representación esquemática de las válvulas... 4-1 4.2.2 Accionamiento de válvulas... 4-3 4.2.3 Características constructivas de las válvulas distribuidoras... 4-4 4.2.4 Válvulas de asiento... 4-5 4.2.5 Válvulas de corredera... 4-10 4.2.6 Válvula de disco plano giratorio... 4-12 4.2.7 Caudal circulante por las válvulas... 4-13 4.3 Válvulas de bloqueo... 4-14 4.3.1 Válvula antirretorno... 4-14 4.3.2 Válvula selectora de circuito (Válvula O ; Función lógica OR )... 4-14 4.3.3 Válvula de simultaneidad (Válvula Y ; Función lógica AND )... 4-16 4.4 Válvulas de presión... 4-17 4.4.1 Válvulas reguladoras de presión... 4-17 4.4.2 Válvulas limitadoras de presión... 4-18 4.4.3 Válvulas de secuencia... 4-19 4.5 Válvulas de caudal... 4-20 4.5.1 Válvula reguladora de caudal... 4-20 4.5.2 Válvula de escape rápido... 4-23 4.5.3 Válvula de arranque progresivo... 4-24 4.6 Válvulas combinadas... 4-25 4.6.1 Temporizador... 4-26 4.6.2 Tobera de aspiración por depresión o generador de vacío... 4-27 4.7 Sensores de proximidad neumáticos... 4-29 4.7.1 Sensores de obturación de fuga (toberas de contrapresión)... 4-29 4.7.2 Sensores de reflexión... 4-30 4.7.3 Barreras de aire... 4-31 4.7.4 Amplificador de presión... 4-32 5. CIRCUITOS NEUMÁTICOS... 5-1 5.1 Simbología... 5-1
IV 5.2 Métodos de representación... 5-1 5.2.1 Esquema funcional... 5-1 5.2.2 Diagrama espacio - fase... 5-5 5.2.3 Diagrama espacio - tiempo... 5-6 5.2.4 Secuencia de actividades... 5-6 5.3 Proceso del funcionamiento real de un cilindro... 5-6 5.4 Confección de un circuito... 5-11 5.4.1 Esquema del proceso... 5-12 5.4.2 Esquema del circuito funcional... 5-12 5.4.3 Diagrama espacio fase... 5-19 5.5 Ejemplos resueltos... 5-20 5.5.1 Manipulación de piezas... 5-20 5.5.2 Compactador doméstico de basura... 5-22 5.6 Circuitos con interferencias... 5-25 5.6.1 Proceso de fresado de una pieza... 5-26 5.7 Método sistemático para la resolución de interferencias... 5-28 5.7.1 Marcado de piezas... 5-32 6. ELECTRONEUMÁTICA... 6-1 6.1 Introducción... 6-1 6.2 Entradas de señal... 6-2 6.3 Finales de carrera... 6-5 6.3.1 Finales de carrera mecánicos... 6-6 6.3.2 Finales de carrera sin contacto... 6-6 6.4 Sensores de proximidad... 6-7 6.4.1 Sensores inductivos... 6-8 6.4.2 Sensores capacitivos... 6-10 6.4.3 Sensores ópticos... 6-12 6.5 Convertidor de señal neumático eléctrico... 6-13 6.6 Relés... 6-13 6.7 Relés de tiempo o temporizadores... 6-16 6.8 Electroválvulas... 6-18 6.8.1 Fiabilidad de las válvulas... 6-23 6.9 Simbología eléctrica... 6-24 7. CIRCUITOS ELECTRONEUMÁTICOS... 7-1
V 7.1 Circuitos básicos... 7-1 7.2 Circuito de autorretención... 7-8 7.3 Mandos con comportamiento temporizado... 7-10 7.3.1 Mando de un cilindro de doble efecto con temporización (retardo de excitación)... 7-10 7.3.2 Mando de un cilindro de doble efecto con temporización (retardo de desexcitación)... 7-11 7.4 Diseño de circuitos... 7-11 7.4.1 Ejemplo 1: Manipulación de paquetes... 7-12 7.5 Interferencias de señales... 7-22 7.5.1 Ejemplo 2: Fresadora.... 7-23 7.5.2 Ejemplo 3: Dispositivo de cortar.... 7-27 8. NEUMÁTICA PROPORCIONAL... 8-1 8.1 Clasificación... 8-1 8.2 Válvula proporcional de caudal 5/3... 8-1 8.2.1 Funcionamiento... 8-2 8.3 Válvula proporcional de presión... 8-4 8.3.1 Funcionamiento... 8-4 8.4 Simbología... 8-6 8.5 Prácticas a realizar... 8-6 9. AUTOMATIZACIÓN CON AUTÓMATAS PROGRAMABLES... 9-1 9.1 Conexión del autómata a la máquina neumática... 9-1 9.2 Componentes del autómata... 9-2 9.2.1 Unidad central de proceso (CPU):... 9-3 9.2.2 Sistemas de entradas/salidas:... 9-3 9.2.3 Fuente de alimentación... 9-4 9.3 Funcionamiento del autómata... 9-4 9.4 Programación del autómata... 9-5 9.4.1 Funciones básicas de la programación mediante diagrama de contactos de un PLC... 9-6 9.4.2 Cómo mandar un programa al PLC... 9-7 9.5 GRAFCET (gráfico de mando etapa transición)... 9-7 9.5.1 Principios básicos... 9-8 9.5.2 Etapas... 9-8 9.5.3 Condición de transición... 9-9
VI 9.5.4 Reglas de evolución del GRAFCET... 9-10 9.5.5 Elección condicional entre varias secuencias... 9-10 9.5.6 Salto condicional a otra etapa... 9-11 9.5.7 Elaboración del diagrama de contactos a partir del GRAFCET... 9-11 9.6 Programas de ejemplo... 9-13 9.6.1 Ejemplo 1: Fresadora... 9-13 9.6.2 Programación de forma análoga a electroneumática... 9-19 9.6.3 Ejemplo 2: Temporizadores y contadores... 9-23 9.6.4 Ejemplo 3: Ciclo continuo o paso a paso... 9-29 APENDICE SIMBOLOGIA....A1 BIBLIOGRAFÍA....A7