Neumatica Industrial, Resúmenes de Neumática

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Neumática Industrial

Neumática IndustrialLibro de texto.Seminario P-111.

FESTO DIDACTIC, Colombia: 2000.

FESTO DIDACTIC^

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Conceptos básicos de la neumática

Conceptos básicos de la neumática Neumática Industrial P-^

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1. CONCEPTOS BÁSICOS DE LA NEUMÁTICA. 1.1 Neumática. La tecnología de la neumática juega un papel importante en la mecánica desdehace mucho tiempo. Entretanto es incluida cada vez mas en el desarrollo deaplicaciones automatizadas.Es ese sentido, la neumática es utilizada para la ejecución de las siguientesfunciones: •^ Detección de estados mediante sensores •^ Procesamiento de informaciones mediante procesadores •^ Accionamiento de actuadores mediante elementos de control •^ Ejecución de trabajos mediante actuadoresPara^ controlar^ máquinas

y^ equipos^ suele^ ser^

necesario^ efectuar^ una concatenación^ lógica^ y^

compleja^ de^ estados^ y^

conexiones.^ Ello^ se^ logra mediante^ la^ actuación^ conjunta

de^ sensores,^ procesadores,

elementos^ de accionamiento y actuadores incluidos en un sistema neumático.El progreso experimentado en relación con materiales, métodos de montaje yfabricación ha tenido como consecuencia una mejora de la calidad y diversidadde^ elementos^ neumáticos,

contribuyendo^ así^ a^ una

mayor^ difusión^ de^ la neumática en el sector de la automatización.Aplicaciones generales de la técnica de manipulación: •^ Sujeción de piezas •^ Desplazamiento de piezas •^ Posicionamiento de piezas •^ Orientación de piezas •^ Bifurcación del flujo de materiales

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Conceptos básicos de la neumática

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Aplicaciones generales en diversas técnicas especializadas: •^ Embalaje •^ Llenado •^ Dosificado •^ Bloqueo •^ Accionamiento de ejes •^ Abrir y cerrar puertas •^ Transporte de materiales •^ Giro de piezas •^ Separar piezas •^ Apilar piezas •^ Estampar y prensar piezas^ Figura 1 – Sistema neumático para alimentación de piezas. La neumática es aplicada en las siguientes técnicas de fabricación: •^ Perforar •^ Tornear •^ Fresar •^ Cortar •^ Acabar •^ Deformar •^ Controlar

1.2 Características y ventajas de la neumática. •^ Cantidad:^ En^ prácticamente

cualquier^ lugar^ se^ dispone

de^ cantidades ilimitadas de aire. • Transporte:^ Es^ fácil^ transportar

aire^ a^ grandes^ distancias

a^ través^ de tuberías. • Almacenamiento:^ Tiene la posibilidad de almacenarse aire comprimido enacumuladores. • Temperatura:^ El^ aire^

comprimido^ es^ prácticamente

indiferente^ a oscilaciones de la temperatura. • Seguridad:^ No alberga riesgos en relación con fuego o explosiones. • Limpieza:^ El aire comprimido no lubricado no contamina el ambiente. • Composición: Los elementos de trabajo son de composición sencilla y porlo tanto, su precio es relativamente bajo. • Velocidad:^ El aire comprimido es un medio de trabajo rápido, permiteobtener elevadas velocidades y tiempos de conmutación cortos. • Sobrecarga:^ Las^ herramientas

y^ los^ elementos^ neumáticos

pueden funcionar hasta que estén totalmente detenidos.Para evaluar correctamente los campos de aplicación de la neumática, tambiénes necesario conocer sus desventajas: • Acondicionamiento:^ El aire comprimido tiene que ser acondicionado, ya quede lo contrario puede producirse un desgaste precoz de los elementos porefecto de las partículas de suciedad y agua condensada. • Compresión:^ El^ aire^

comprimido^ no^ permite

obtener^ velocidades homogéneas y constantes de los émbolos. • Fuerza:^ El aire comprimido es económico solamente hasta determinadosniveles de presión (6 a 7 bar). • Aire de escape:^ El escape de aire produce mucho ruido. Sin embargo, esteproblema puede ser resuelto de modo satisfactorio utilizando materialesque atenúan el ruido y silenciadores.

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Conceptos básicos de la neumática

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La presión absoluta es el valor relacionado a la presión cero. La presiónabsoluta es la suma de la presión atmosférica más la sobrepresión. En lapráctica suelen utilizarse sistemas de medición de la presión que solo indican elvalor de la sobrepresión.En neumática es usual relacionar todos los datos sobre el aire al así llamadoestado^ normal.^ El^ estado

normal^ del^ aire^ según^

DIN^1343 es^ un^ estado determinado por la temperatura normal y la presión normal de un materialsólido, líquido o gaseiforme. Estos valores son los siguientes: •^ Temperatura normal:^

273,15 °K

-^ Presión normal:^

101325 Pa Propiedades del aire. En el aire, la falta de cohesión es característica, es decir, la ausencia de unafuerza entre las moléculas en circunstancias usuales en la neumática. El aire, aligual que todos los gases, no tiene una forma definida. Su forma cambia a lamás mínima fuerza y, además ocupa el volumen máximo disponible. Ley de Boyle-Mariotte. El^ aire^ puede^ ser^ comprimido

y^ tiene^ la^ tendencia^

a^ dilatarse.^ Esta característica es descrita por la ley de Boyle-Mariotte: A temperatura constantelos volúmenes de una misma masa gaseosa son inversamente proporcionalesa las presiones a que se halla sometida. El producto de volumen y presiónabsoluta es constante para una determinada masa de gas. De esta forma seobtiene:

constanteVpVpV p^ =⋅=⋅=⋅^332211 Ley de Gay-Lussac. El^ aire^ se^ dilata^ a^ presión

constante,^ una^ temperatura

de^ 273°K^ y^ un calentamiento de 1°K, en un 1/273 de su volumen. La ley de Gay-Lussac dice:El volumen de una masa gaseosa es proporcional a la temperatura absoluta,mientras que no se modifique la presión.

Por lo tanto:TV^11 constante==TV^22 La ecuación indicada únicamente es válida cuando las temperaturas se indicanen °K.Si durante el calentamiento se mantiene constante el volumen, resulta para elaumento de presión la siguiente fórmula:pp^21 constante==TT^21 La siguiente ecuación general de los gases ideales corresponde a todos lasleyes expuestas anteriormente:VpVp⋅⋅^2211 constante==TT^21 El producto de presión y volumen de una misma masa gaseosa dividido por latemperatura absoluta es constante.

FESTO DIDACTICGeneración y alimentación de aire comprimido Neumática Industrial P-

2. GENERACIÓN Y ALIMENTACIÓN DE AIRE COMPRIMIDO. Aire comprimido. Para garantizar la fiabilidad de un mando neumático es necesario que el airealimentado^ al^ sistema^ tenga

un^ nivel^ de^ calidad^ suficiente.

Ello^ implica considerar los siguientes factores: •^ Presión correcta •^ Aire seco •^ Aire limpioSi no se acatan estas condiciones, es posible que se originen tiempos masprolongados de inactivación de las máquinas y además, aumentarán los costosde servicio.La generación del aire a presión empieza por la compresión de aire. El airepasa a través de una serie de elementos antes de llegar hasta el punto de suconsumo. El tipo de compresor y su ubicación en el sistema inciden en mayor omenor medida en la cantidad de partículas, aceite y agua incluidos en elsistema^ neumático.^ Para

el^ acondicionamiento^

adecuado^ del^ aire^ es recomendable utilizar los siguientes elementos: •^ Filtro de aspiración •^ Compresor •^ Refrigerador posterior •^ Acumulador de aire a presión •^ Secador •^ Filtro de aire a presión con separador de agua •^ Regulador de presión •^ Lubricador (bajo demanda) •^ Puntos de evacuación del condensado

FESTO DIDACTICGeneración y alimentación de aire comprimido En los^ compresores helicoidales, dos árboles de perfil Neumática Industrial P-

helicoidal giran^ en sentido contrario. El perfil de ambos árboles engrana y así se transporta ycomprime el aire. Se conocen como compresores de tornillo.Los^ compresores^ de^ flujo

son^ especialmente^ apropiados

para^ grandes caudales. Se fabrican en dos tipos: axial y radial. Mediante uno o dos rodetesde turbina se pone en circulación el aire. La energía de movimiento se convierteen energía de presión. Con un compresor axial la aceleración del aire se realizamediante los rodetes en el sentido axial de la circulación.^ Figura 5 – turbocompresor axial. A fin de poder adaptar la cantidad suministrada del compresor a un consumovariable,^ se^ requiere^ una

regulación^ del^ compresor.

Entre^ los^ márgenes ajustables para la presión mínima y máxima se regula la cantidad suministrada.Existen diferentes tipos de regulación: •^ Regulación en vacío^ •^ Regulación por purgado^ •^ Regulación por cierre^ •^ Regulación por pinza

-^ Regulación de carga parcial^ •^ Regulación de velocidad^ •^ Regulación por aspiración estrangulada •^ Regulación de todo o nada.Se recomienda una duración de conexión a aproximadamente un 75% para elcompresor. Para ello se requiere determinar el consumo promedio y máximo deaire de una instalación neumática y adaptar la elección del compresor almismo.^ Si^ se^ prevé^ de

antemano^ que^ el^ consumo

aumentará^ por^ una ampliación^ de^ la^ instalación,

entonces^ la^ parte^ de^

alimentación^ de^ aire comprimido debería proyectarse más grande, ya que una ampliación posteriorrepresenta siempre unos costes muy elevados. Acumulador. Para estabilizar el aire comprimido se coloca adicionalmente al compresor unacumulador. El acumulador equilibra las oscilaciones de la presión al extraeraire comprimido para el sistema. Si en el acumulador cae la presión por debajode un determinado valor, entonces el compresor lo llenará hasta alcanzar elvalor superior de presión ajustado. Esto tiene la ventaja de que el compresor notiene que trabajar en funcionamiento continuo.La superficie relativamente grande del acumulador provoca un enfriamiento delaire contenido en él. Durante este proceso de enfriamiento se condensa aguaque debe ser purgada regularmente a través de un grifo (manual o automático).El tamaño del acumulador depende de los siguientes criterios: •^ Caudal del compresor •^ Cantidad de aire requerida en el sistema •^ Red de tuberías •^ Regulación del compresor •^ Oscilación permisible de la presión en el sistema

FESTO DIDACTICGeneración y alimentación de aire comprimido Secadores de aire. La humedad llega a través del aire aspirado por el compresor hacia la red. Elporcentaje de humedad depende en primer lugar de la humedad relativa delaire ambiente. La humedad relativa depende de la temperatura y de la situaciónmeteorológica.La humedad absoluta es la cantidad de vapor de agua contenida realmente en^3 1mde aire. La cantidad saturada es la cantidad de vapor de agua que puede^3 absorber en 1mde aire con la correspondiente temperatura máxima.Si la humedad relativa del aire es indicada en tanto por cien, es válida lasiguiente fórmula: Neumática Industrial P-

absolutahumedad%^100 saturadacantidad =relativahumedad ⋅ Como la cantidad saturada depende de la temperatura, la humedad relativacambia^ según^ la^ temperatura,

incluso^ si^ la^ humedad^

absoluta^ permanece constante.Se denomina punto de condensación a la temperatura a la cual la humedadrelativa alcanza el 100%. Si se continua reduciendo la temperatura, el vapor deagua que contiene comienza a condensarse.Cuanto menor sea la temperatura, tanto mas vapor de agua se condensará.El aire comprimido con un contenido demasiado elevado de humedad reduce lavida útil de los sistemas neumáticos. En consecuencia es necesario instalarsecadores de aire con el fin de reducir el contenido de humedad del aire.Para secar el aire puede recurrirse a alguno de los siguientes métodos: •^ Secador por enfriamiento •^ Secador por adsorción •^ Secador por absorción

El punto de condensación del aire secado deberá estar de 2 a 3 °C por debajode la temperatura ambiente más fría.Los costos adicionales ocasionados por la instalación de un secador de aireson^ rápidamente^ amortizados

debido^ a^ la^ disminución

de^ los^ costos^ de mantenimiento, por tiempos de inactividad menores y por la mayor fiabilidad delsistema. Distribución del aire. Las dimensiones correctas del sistema de tuberías son tan importantes como laelección correcta de los materiales, de la resistencia al caudal del aire, asícomo la configuración del sistema de tuberías y la ejecución de los trabajos demantenimiento.Tratándose de instalaciones nuevas, siempre debe tomarse en cuenta unaposible ampliación posterior del sistema de aire comprimido. Concretamente, latubería principal debería tener dimensiones mayores a las que se necesitanpara el sistema actual. Con miras a una posterior ampliación, también esrecomendable instalar cierres y válvulas de bloqueo adicionales.En todos los conductos se producen pérdidas de presión a raíz de resistenciasal flujo, especialmente en zonas de estrechamiento, en ángulos, bifurcaciones yconexiones^ de^ tubos.^ Estas pérdidas tienen que

ser^ compensadas por^

el

compresor. La disminución de presión en todo el sistema debería ser la mínimaposible.Para calcular las diferencias de presión es necesario conocer exactamente lalongitud de las tuberías. Las conexiones de tubos, las desviaciones y losángulos deberán ser sustituidos por las longitudes respectivas. Además, laselección del diámetro interior correcto depende también de la presión deservicio y de la cantidad de aire alimentado al sistema.Cualquier tipo de influencia que incida sobre el flujo de aire o cualquier cambiode dirección significan un factor de interferencia que provoca un aumento de laresistencia al flujo. Ello tiene como consecuencia una constante disminución dela presión dentro de las tuberías. Dado que es inevitable utilizar desviaciones,ángulos y conexiones de tubos en cualquier red neumática, es imposible evitaruna reducción de la presión.

FESTO DIDACTICGeneración y alimentación de aire comprimido Para efectuar trabajos de mantenimiento, reparación y de ampliación de la redsin interferir en la alimentación de aire a presión, es aconsejable segmentar lared por partes individuales. Neumática Industrial P-

Figura 8 – Red múltiple. Aunque el sistema de evacuación de aire del sistema generador de presión seaeficiente, siempre puede haber residuos de condensado en el sistema detuberías debido a caídas de presión o de la temperatura exterior. Para evacuarese condensado, todo el sistema debe tener una inclinación del 1 hasta el 2%en dirección del flujo de aire. Los puntos de evacuación también puedeninstalarse^ escalonadamente.

De^ esta^ forma,^ el^ condensado

puede^ ser evacuado en los puntos respectivamente más bajos a través de un separadorde agua. Unidad de mantenimiento. Las distintas funciones del acondicionamiento del aire a presión: filtrar, regulary lubricar, pueden llevarse a cabo con elementos individuales. A menudo estasfunciones se han unido en una unidad operativa: la unidad de mantenimiento.Dicha unidad es antepuesta a todas las instalaciones neumáticas.

Figura 9 – Unidad de mantenimiento. Por lo general la lubricación de aire a presión ya no es necesaria en lasinstalaciones modernas. Solo deberá aplicarse puntualmente, sobre todo en lasección de potencia de una instalación. El aire comprimido en la sección demando no deberá lubricarse.El abastecimiento de aire a presión de buena calidad en un sistema neumáticodepende en gran medida del filtro que se elija. El parámetro característico delos filtros es la amplitud de los poros. Dicho parámetro determina el tamañomínimo de las partículas que pueden ser retenidas en el filtro. El aire atraviesael filtro, en el que son separadas las partículas de suciedad restantes quetengan dimensiones superiores a los tamaños de los poros. Los filtros normalestienen poros con dimensiones que oscilan entre 5 y 40

μm. Los filtros tienen que ser sustituidos después de cierto tiempo, ya que laspartículas de suciedad pueden obturarlos. En consecuencia se produce unamayor caída de presión en el filtro.Para determinar el momento oportuno para cambiar el filtro, deberá efectuarseun control visual o una medición de la diferencia de presiones.

FESTO DIDACTICGeneración y alimentación de aire comprimido^ Figura 10 – Unidad de filtración para aire comprimido. Es^ importante^ que^ la^ presión Neumática Industrial P-

del^ aire^ sea^ constante

para^ que^ el^ equipo neumático no ocasione problemas. Para obtener un nivel constante de lapresión se instalan reguladores de presión en la red de aire. El regulador esinstalado después del filtro de aire.En la práctica se utiliza una presión de servicio de: •^ 600 kPa (6 bar) en la sección de operación. •^ 300 a 400 kPa (3 a 4 bar) en la sección de mando.Estos valores han demostrado ser la mejor solución para satisfacer los criteriosde^ generación^ de^ aire^

a^ presión^ y^ los^ del^ rendimiento

de^ los^ elementos neumáticos.

Figura 11 – Regulador de presión. Si las partes móviles de válvulas o actuadores requieren lubricación, deberáenriquecerse el aire a presión constantemente con una cantidad suficiente deaceite. Figura 12 – Lubricador de aire a presión.

FESTO DIDACTICActuadores neumáticos^ Figura 13 – Cilindro de simple efecto. Por su diseño, los cilindros de simple efecto pueden ejecutar diversas funcionesde movimientos, tales como: •^ Entregar •^ Bifurcar •^ Juntar •^ Accionar •^ Fijar •^ ExpulsarLos cilindros de simple efecto están equipados con una junta simple en elémbolo, en el lado sometido a presión. La estanqueidad de los cilindros demetal o plástico se logra utilizando material flexible (Perburán). Los bordes dela junta se deslizan a lo largo de la camisa del cilindro cuando este ejecuta losmovimientos.Los cilindros de simple efecto también pueden ser de membrana o membranaenrollable. La membrana puede ser de goma, de plástico o de metal. El vástagoestá fijado en el centro de la membrana. Estos cilindros son utilizados paraejecutar trabajos de fijación, prensado o elevación.Neumática Industrial P-

Cilindros de doble efecto.^ Figura 14 – Cilindro de doble efecto. Los^ cilindros^ de^ doble^

efecto^ poseen^ dos^ conexiones

que^ son^ utilizadas correspondientemente para la alimentación y la evacuación del aire a presión.Ofrecen la ventaja de poder ejecutar trabajos en ambos sentidos. Se trata, porlo tanto, de cilindros sumamente versátiles. La fuerza ejercida sobre el vástagoes algo mayor en el movimiento de avance que en el de retroceso porque lasuperficie en el lado del émbolo es más grande que en el lado del vástago.Si un cilindro tiene la función de mover grandes masas, o altas velocidades, losamortiguadores de final de carrera se encargan de evitar un golpe seco y, portanto, un daño de los cilindros.^ Figura 15 – Cilindro de doble efecto con amortiguación de final de carrera.

FESTO DIDACTICActuadores neumáticos Otras adaptaciones de cilindros de doble efecto son: •^ Cilindro tándem •^ Cilindro con vástago continuo •^ Cilindro multiposicional •^ Cilindro de impacto •^ Cilindro sin vástago^ •^ De cinta o de cable^ •^ De cinta selladora con camisa ranurada^ •^ Con acoplamiento magnético del carro Actuador oscilante. En el actuador oscilante la fuerza es transmitida a través de una aleta de girodirectamente sobre el eje motriz. El ángulo puede ajustarse sin escalonamientode 0° hasta 180°. El par de giro no debe sobrepasar los 10 Nm.^ Figura 16 – Actuador oscilante. Los actuadores oscilantes tienen las siguientes propiedades: •^ Pequeños y resistentes •^ Disponibles con sensores sin contacto •^ Ángulo de giro ajustable •^ Fácil instalaciónNeumática Industrial P-

Actuador giratorio. En esta ejecución de cilindros de doble efecto el vástago dispone de un perfildentado. El vástago acciona una rueda dentada, por lo tanto de un movimientolineal resulta un movimiento giratorio. Los márgenes de giro son distintos,desde 45°, 90°, 180°, 270° hasta 360°. El par de giro depende de la presión, lasuperficie del émbolo y la transmisión, pueden alcanzarse valores hasta 150Nm. Motores neumáticos. Los^ motores^ neumáticos

transforman^ energía^ neumática

en^ movimientos giratorios mecánicos. El motor sin limitación de ángulo de giro es uno de loselementos de trabajo mas utilizado.^ Figura 17 – Motor neumático de paletas. Los motores neumáticos son clasificados según su diseño: •^ Motores de émbolo •^ Motores de aletas •^ Motores de engranajes •^ Turbinas

FESTO DIDACTICActuadores neumáticos Neumática Industrial P-

Módulos de sujección Cilindros rectangulares

Pinzas neumáticas

FESTO DIDACTICVálvulas de vías Neumática industrial P-

4. VÁLVULAS DE VÍAS. Tipos. Las válvulas de vías son dispositivos que influyen en el paso, el bloqueo y ladirección del flujo del aire. El símbolo de las válvulas informa sobre la cantidadde conexiones, la posición de conmutación y sobre el tipo de accionamiento.Sin embargo, los símbolos nada indican sobre la composición de las válvulas,limitándose a mostrar su función.Diseños de válvulas: •^ Válvulas de asiento (bola o plato). •^ Válvulas de correderaEn el caso de las válvulas de asiento, los pasos son abiertos o cerradosmediante bolas, platos, discos o conos. Las válvulas de asiento suelen llevarjuntas de goma que hacen las veces de asiento. Estas válvulas apenas tienenpiezas que puedan desgastarse y, en consecuencia, tienen una vida útil larga.No son sensibles a la suciedad y son muy resistentes. No obstante, requierende una fuerza de accionamiento relativamente grande, ya que tienen quesuperar la fuerza del muelle de recuperación y de la presión del aire.En el caso de válvulas de corredera, las conexiones son unidas o cerradasmediante correderas cilíndricas, planas o circulares. Válvulas de 2/2 vías. Las válvulas de 2/2 vías tienen dos conexiones y dos posiciones. En la posicióncerrada, estas válvulas no evacuan el aire. El tipo mas frecuente entre lasválvulas de 2/2 vías es la válvula de asiento de bola.Estas válvulas pueden ser accionadas manual o neumáticamente. Válvulas de 3/2 vías. Las válvulas de 3/2 vías permiten activar o desactivar señales. Las válvulas de3/2 vías tienen tres conexiones y dos posiciones. La tercera conexión 3(R)permite la evacuación del aire del conducto transmisor de la señal. Un muelle