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NEUMÁTICA: EL PODER DEL AIRE.
Video de introducción: ver video “(1) Introducción a la Neumática.rm”
1. INTRODUCCIÓN.
La neumática es la parte de la Tecnología que emplea el aire comprimido para producir un trabajo útil. El aire comprimido es una forma de almacenar energía mecánica, que puede ser utilizada posteriormente para producir trabajo. Si se ejerce fuerza sobre el aire contenido en un recipiente cerrado, dicho aire se comprime presionando las paredes del recipiente (ver video “(1a) Principios físicos de la Neumática.avi” ). Dicha presión puede aprovecharse para generar trabajo (grandes fuerzas, o desplazamientos de objetos). Para comprobar este fenómeno, basta con inflar un globo y soltarlo: saldrá despedido a gran velocidad, gracias al impulso que le proporciona el aire comprimido al expandirse y salir fuera del globo. Otro ejemplo sencillo sería conectar dos jeringuillas mediante un tubo de plástico, y presionar el émbolo de una de ellas. El aire comprimido empujará el émbolo de la otra jeringuilla, desplazándola. Ver video “(1b) Principios físicos de la Neumática.avi” y Ver video “(1b) Experimento jeringuillas.mp4”. 1 atm = 1,013 bar = 101300 Pa 1 bar = 1 Kg / cm^2 = 760 mm de Hg
Este efecto es el principio de funcionamiento de los cilindros neumáticos, dispositivos clave en Tecnología Neumática. Ver video “(1c) Funcionamiento de un cilindro neumático.avi” Actividades “Introducción”.
- Define con tus propias palabras qué entiendes por neumática.
- ¿Qué significa que el aire comprimido puede realizar un trabajo útil?
- Se tiene un cilindro neumático una superficie de émbolo de 7 cm^2. A dicho cilindro se le inyecta un flujo de aire comprimido a una presión de 2 atm. ¿Qué fuerza ejerce el aire comprimido sobre el émbolo?
- Un cilindro neumático tiene un radio de émbolo de 5 cm. El cilindro trabaja en una instalación neumática que le suministra aire comprimido a 3 bar. Debido a la fuerza desarrollada sobre el émbolo, el vástago del cilindro se desplaza 30 cm. ¿Qué trabajo útil ha desarrollado el aire comprimido?
Ecuaciones necesarias: S circulo = π • r
2
W = F • d
- ¿Conoces aplicaciones dónde se use la neumática? Enumera todas las que conozcas.
2. APLICACIONES INDUSTRIALES DE LA NEUMÁTICA. Debido a sus buenas características, actualmente la neumática es ampliamente utilizada en multitud de aplicaciones y entornos industriales. La tecnología neumática se usa en sistemas industriales tales como: plataformas elevadoras, apertura y cierre de puertas o válvulas, embalaje y envasado, máquinas de conformado, taladrado de piezas, robots industriales, etiquetado, sistemas de logística, prensas, pulidoras, máquinas - herramientas; etc. Montacargas / plataforma elevadora Selección y clasificación de productos. Estampado / remachado Prensa neumática Conformado de piezas Máquinas y herramientas
Todo circuito neumático está compuesto por una serie de elementos básicos: El compresor , es el dispositivo que comprime el aire de la atmósfera hasta que alcanza la presión de funcionamiento de la instalación. El acumulador , es un tanque o depósito donde se almacena el aire para su posterior utilización. Dispositivos de mantenimiento que se encargan de acondicionar al aire comprimido, protegiendo el circuito para que la instalación neumática pueda funcionar sin averías durante mucho tiempo. Las tuberías y los conductos , a través de los que se canaliza el aire para que llegue a los distintos elementos del circuito. Los elementos de mando y control , son válvulas que se encargan de controlar el funcionamiento del circuito neumático, permitiendo, interrumpiendo o desviando el paso del aire comprimido según las condiciones de funcionamiento del circuito. Los actuadores , como cilindros y motores neumáticos, que son los encargados de utilizar el aire comprimido, transformando la presión del aire en trabajo útil. Ver video “(3) Circuito neumático básico.avi” Por tanto, se pueden distinguir 3 etapas por las que pasa el aire en un circuito neumático: a) Producción, acondicionamiento y distribución del aire comprimido: compresor, depósito, unidad de mantenimiento, y tuberías de distribución. b) Utilización del aire comprimido: actuadores neumáticos (cilindros y motores neumáticos). c) Control del aire comprimido: válvulas. Actividades “El circuito neumático”.
- Un circuito neumático se puede ver como el equivalente para neumática del circuito eléctrico. Une mediante fechas los elementos que son “equivalentes”. Circuito eléctrico Circuito neumático Corriente eléctrica Compresor Conductores Presión Interruptores Válvulas Bombilla Aire comprimido Pila de 9V Tuberías Tensión eléctrica Cilindro neumático
- En la siguiente figura, indica mediante flechas los elementos que componen un circuito neumático:
- En las siguientes figuras se tienen una serie de aplicaciones sencillas que se podrían realizar con el circuito básico que se ha estudiado. a) ¿Para qué sirven estos dispositivos? b) ¿Se te ocurre alguna otra aplicación sencilla?
- Éstos son los símbolos de los diferentes elementos que componen el circuito neumático básico. Revisa lo estudiado hoy, ordénalos, y conéctalos entre sí para dar lugar al circuito neumático básico.
5. PRODUCCIÓN Y DISTRIBUCIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO. En la producción y distribución del aire comprimido intervienen el compresor, el depósito, la unidad de mantenimiento, y las canalizaciones. 1) Compresor neumático. Es el dispositivo encargado de generar el aire comprimido. Los compresores son motores eléctricos o de combustión que aspiran el aire de la atmósfera y lo comprimen hasta alcanzar la presión de funcionamiento requerida por la instalación. Según el tipo de movimiento del motor, los compresores neumáticos se dividen en dos categorías: alternativos o rotativos.
4) Red de distribución del aire. Es el conjunto de conductos que distribuyen el aire comprimido a toda la instalación. Las conducciones principales suelen ser tuberías metálicas, mientas que para las derivaciones finales hacia los actuadores se usan tubos plásticos de polietileno o mangueras de goma. Tuberías metálicas Símbolo completo de la Unidad de Mantenimiento. (Filtro con purga manual, regulador de presión y lubricador) Representación simplificada Tubo de polietileno
6. UTILIZACIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO: CILINDROS. Los actuadores neumáticos son los elementos del circuito neumático que utilizan la energía del aire comprimido para desarrollar algún trabajo útil (fuerzas o desplazamientos). Los actuadores neumáticos más comunes son los cilindros neumáticos. Cilindros neumáticos. Transforman la energía potencial del aire comprimido (presión) en energía mecánica lineal (movimientos de avance y retroceso). Son actuadores compuestos por un tubo cilíndrico hueco. La presión del aire comprimido introducido en el interior del cilindro desplaza un émbolo móvil, que está conectado a un eje (vástago). Hay dos tipos fundamentales: a) Cilindros de simple efecto. b) Cilindros de doble efecto. 6.1.- CILINDROS DE SIMPLE EFECTO. Son cilindros que presentan una única entrada de aire comprimido. Cuando el aire comprimido entra en la cámara del cilindro empuja al émbolo, haciendo que el vástago se desplace realizando una fuerza de empuje. Gracias a la acción de un muelle, el retorno del émbolo es inmediato cuando se deja de inyectar aire en el cilindro. NOTA: Se puede comprobar el funcionamiento del cilindro de simple efecto en el siguiente enlace: http://www.librosvivos.net/smtc/homeTC.asp?TemaClave=1166 (apartado “elementos de trabajo”) Ver video “(6) Cilindro de simple efecto.avi” Desventajas: sólo producen trabajo (fuerza de empuje) en el movimiento de avance, ya que el retorno viene dado por la elasticidad del muelle. Ventajas: menor consumo de aire comprimido (únicamente en el avance del émbolo) Foto de un cilindro de simple efecto con retorno por muelle.
7.1.- VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS. Las válvulas distribuidoras permiten activar o parar un circuito neumático. Su función es dirigir adecuadamente el aire comprimido para que tenga lugar el avance y el retroceso de los cilindros. Por tanto, las válvulas se pueden ver como los interruptores o conmutadores de los circuitos neumáticos. Controlando el flujo del aire mediante el accionamiento de una válvula se puede controlar la activación del cilindro. Ver video “(10) Control de un cilindro mediante una válvula.avi”. Válvulas en funcionamiento: http://iesodrapisuerga.centros.educa.jcyl.es/sitio/upload/neumatica_valvulas.swf Parámetros de una válvula. a) Vías y posiciones: Las válvulas se nombran por el número de vías (orificios de entrada y salida) y por el número de posiciones (estados que puede adoptar, o movimientos que puede realizar). Ejemplo: válvula 3/2 válvula con 3 vías y 2 posiciones. b) Accionamiento de la válvula: Un parámetro importante de las válvulas es cómo se accionan: la activación puede ser manual (por pulsador, por pedal, etc.), mecánica (por leva, por final de carrera, etc.), neumática (mediante aire comprimido), o eléctrica (mediante una señal eléctrica que activa un electroimán o un relé). c) Retorno de la válvula: Otra característica fundamental es la forma cómo una válvula vuelve a su posición inicial tras la activación. El retorno suele ser por muelle, pero también hay retornos neumático, eléctricos, etc. Válvula cierra o abre el flujo de aire hacia el cilindro. Ver video “(9) Válvulas distribuidoras (0) (válvula 2-2).avi” Válvula que dirige el aire en dos sentidos posibles. Ver video “(9) Válvulas distribuidoras (0) (válvula 3-2).avi” AVANCE RETORNO
Simbología de una válvula. Para representar de forma sencilla una válvula se utilizan símbolos. Los símbolos muestran el funcionamiento de la válvula, pero no sus detalles constructivos internos. Para entender el símbolo de una válvula, hay que seguir estas indicaciones: Cada posición de la válvula se representa con un cuadrado. Las vías de la válvula se representan por pequeñas líneas en la parte exterior de uno de los cuadrados. 2 posiciones 3 posiciones 2 vías 3 vías 4 vías Dentro de cada cuadrado se representan las conexiones internas entre las distintas vías o tuberías de la válvula, y el sentido de circulación del fluido se representa por flechas. En los extremos de los rectángulos se representa el accionamiento y el retorno de la válvula. o El accionamiento permite pasar de la posición de reposo a la posición de trabajo. o El retorno permite pasar de la posición de trabajo a la posición de reposo Ver video “(11) Simbología de válvulas. Funcionamiento de una válvula.avi” En resumen: Posición de reposo (sin accionar) Posición de trabajo (accionada) Paso de aire Paso de aire cruzado Paso de aire bloqueado Conexión a Ejemplos salida de aire Válvulas.ppt Conexión a entrada y salida de aire
- Para cada una de las siguientes válvulas distribuidoras, indica: a) Número de vías y posiciones. b) Tipos de accionamiento y de retorno.
- Dibuja en tu cuaderno el símbolo de las siguientes válvulas distribuidoras: a) Válvula 2/2, normalmente cerrada, accionamiento por pulsador, retorno por muelle. b) Válvula 3/2, normalmente cerrada, accionamiento por electroimán, retorno por muelle. c) Válvula 4/2, normalmente cerrada, accionamiento por rodillo, retorno neumático. d) Válvula 4/3, normalmente cerrada, accionamiento con enclavamiento, retorno por muelle.
8. ESQUEMAS NEUMÁTICOS BÁSICOS. A continuación se estudiarán una serie de montajes básicos de circuitos neumáticos. Con ellos veremos cómo controlar el funcionamiento de los actuadores (cilindros neumáticos) mediante válvulas distribuidoras. 8.1.- CONTROL DE UN CILINDRO DE SIMPLE EFECTO (CSE). 1) CONTROL DE UN C.S.E. CON VÁLVULA 3/2 (MANDO DIRECTO). a) Video de funcionamiento (con símbolos): Ver video “(12) Mando cilindro simple efecto con válvula 3-2.avi” b) Video de funcionamiento (con dispositivos neumáticos): Ver video “(12) Mando cilindro simple efecto con válvula 3-2 (2).avi” c) Video de funcionamiento (Montaje en taller con componentes FESTO): Ver video “MONTAJES (3). Cilindro simple efecto pilotado directamente (válvula 3-2) (1).rv”
Web: http://www.isftic.mepsyd.es/w3/eos/MaterialesEducativos/mem2006/proyect_eso/Cenice-2006/index.html d) Comprueba tú mismo el funcionamiento con un “montaje en el taller”. Accede a la web: http://www.logiclab.hu/lesson.php?fe=2&Direct-control-Single-acting-cylinder Clica en la pestaña “Tubbed” Abre el flujo de aire que viene del compresor (interruptor rojo de la Unidad de Mantenimiento). Activa la válvula 3/2 accionada por pulsador (pulsador verde), y observa el funcionamiento. Web: http://www.logiclab.hu/index.php Ver video “MONTAJES (3). Cilindro simple efecto pilotado directamente (válvula 3-2) (0).avi” e) Monta el circuito en el simulador FluidSIM, y comprueba su funcionamiento. NOTA: Presta atención a la explicación del profesor para aprender a utilizar el simulador FluidSIM. 2) CONTROL DE UN C.S.E. CON VÁLVULA 2/2 (MANDO DIRECTO). a) En FluidSIM, realiza el circuito neumático para controlar un CSE mediante una válvula 2/2. i) ¿Cómo funciona el circuito neumático? ii) ¿Crees que es conveniente este esquema de control de un cilindro de simple efecto?
Ver video “MONTAJES (4). Cilindro simple efecto pilotado indirectamente (válvula 3-2 manual y válvula 3- neumática).avi” b) Ayudándote del esquema visto en el video, del montaje mediante componentes de la página web, monta un circuito de control indirecto de un CSE usando los siguientes componentes: Te interesa saber que… Observa que los accionamientos de las válvulas pueden ser manuales, pero también pueden ser accionadas neumáticamente (con aire comprimido) por otras válvulas. También hay accionamientos mecánicos y eléctricos. 6) CONTROL DE UN C.S.E. (MANDO INDIRECTO (2)). a) Otra forma de pilotaje indirecto de un CSE consiste en utilizar dos válvulas 3/2 manuales y una válvula 5/2 neumática). Ver video “MONTAJES (4). Cilindro simple efecto pilotado indirectamente (2 válvulas 3-2 manuales y válvula 5-2 neumática).rv” Con los siguientes componentes, construye en FluidSIM el circuito neumático de control indirecto de un CSE: 8.2.- CONTROL DE UN CILINDRO DE DOBLE EFECTO (CDE). Hasta ahora se ha estudiado cómo controlar el funcionamiento de un Cilindro de Simple Efecto (CSE). A continuación se aprenderá a controlar la activación de un Cilindro de Doble Efecto (CDE). Cilindro Doble Efecto (CDE) Cilindro Simple Efecto (CSE) 1) CONTROL DIRECTO DE UN CDE CON UNA VÁLVULA 4/2. a) Un CDE se puede controlar mediante una válvula 4/2. Comprueba tú mismo el funcionamiento con un “montaje en el taller”. Accede a la web: http://www.logiclab.hu/lesson.php?fe=3&Direct-control-Double-acting-cylinder
Clica en la pestaña “Tubbed”. Abre el flujo de aire que viene del compresor (interruptor rojo de la Unidad de Mantenimiento). Activa la válvula 4/2 accionada por pulsador (pulsador verde), y observa el funcionamiento. Ver video “MONTAJES (6). Cilindro doble efecto pilotaje directo con válvula 4-2.avi” b) Utilizando los siguientes elementos, monta un circuito en FluidSIM para controlar directamente un CDE. 2) CONTROL DIRECTO DE UN CDE CON DOS VÁLVULAS 3/2. a) Un CDE se puede controlar de forma directa con 2 válvulas 3/2 (una válvula para el avance del cilindro, y otra válvula para el retroceso). Observa estos videos: Ver video “MONTAJES (5). Cilindro doble efecto pilotaje directo con dos válvulas 3-2 (1).rv” Ver video “MONTAJES (6). Cilindro doble efecto pilotaje directo con dos válvulas 3-2 (2).rv” b) Utilizando dos válvulas 3/2 con accionamiento manual (pulsador) y retorno por muelle, monta en FluidSIM el circuito de control de un CDE. 3) CONTROL DIRECTO DE UN CDE CON UNA VÁLVULA 5/2. a) Video de funcionamiento (con símbolos): Ver video “(14) Mando cilindro doble efecto con válvula 5-2 (1).avi” b) Video de funcionamiento (con dispositivos neumáticos): Ver video “(15) Mando cilindro doble efecto con válvula 5-2 (2).avi” c) Monta con FluidSIM un circuito neumático que controle el funcionamiento de un CDE mediante una válvula 5/2. 4) MANDO INDIRECTO DE UN CDE (2 VÁLVULAS 3/2 MANUALES + 1 VÁLVULA 5/2 NEUMÁTICA). a) Una forma de pilotar un CDE de forma indirecta es usar dos válvulas 3/2 de accionamiento manual, y una válvula 5/2 de accionamiento neumático. Observa estos videos con su funcionamiento: Ver video “MONTAJES (8). Cilindro doble efecto pilotaje indirecto (2 válvulas 3-2 manuales y válvula 5-2 neumática) (1).rv” Ver video “MONTAJES (8). Cilindro doble efecto pilotaje indirecto (2 válvulas 3-2 manuales y válvula 5-2 neumática) (2).rv” b) Comprueba tú mismo el funcionamiento con un “montaje en el taller”. Accede a la web: http://www.logiclab.hu/lesson.php?fe=19&Indirect-control-Double-acting-cylinder
b) Monta el circuito en FluidSIM: NOTA: ¿Cómo usar finales de carrera en FluidSIM?
- Poner componente “Regla de distancia” (en actuadores). Se coloca junto al cilindro que activa el final de carrera.
- Configurar “Regla de distancia” haciendo doble clic sobre ella: fijar el punto de contacto del cilindro con el final de carrera (70 mm), e identificarlo (R de Retorno).
- Hacer doble clic en el rodillo del final de carrera, y asociar su activación a la marca fijada en “Regla de distancia”. (2) (3)
7) MANDO INDIRECTO DE UN CDE, CON ACTIVACIÓN Y RETORNO AUTOMÁTICOS.
a) El objetivo de este punto es diseñar un circuito neumático que permita automatizar la salida y el retorno de un CDE. Para ello se necesitan 2 válvulas 3/2 con final de carrera, una válvula 3/2 de pulsador manual para la activación del circuito, y una válvula 5/2 neumática para el control indirecto. Observa el circuito en funcionamiento: Ver video “MONTAJES (13). Cilindro doble efecto con avance y retorno automático (1).wmv” Ver video “MONTAJES (14). Cilindro doble efecto con avance y retorno automático (2).rv” b) Monta el circuito en FluidSIM según se indica en la figura, y comprueba que funciona como un sistema completamente automático.
9. CONTROL DEL AIRE COMPRIMIDO: VÁLVULAS (2). Hasta ahora se han revisado las válvulas distribuidoras, cuya misión era controlar la dirección de flujo del aire comprimido, y poder así gobernar la activación de los cilindros neumáticos. Existen otras válvulas que permiten incluir otras funcionalidades adicionales en los circuitos neumáticos: Válvulas reguladoras de caudal. Válvulas selectoras (OR).
