ACTUADORES NEUMATICOS
ACTUADORES NEUMATICOS Los actuadores neumticos convierten la
energa del aire comprimido en trabajo mecnico generando un
movimiento lineal mediante servomotores de diafragma o cilindros, o
bien un movimiento giratorio con motores neumticosLos cilindros
neumticos de movimiento lineal son utilizados comnmente en
aplicaciones donde la fuerza de empuje del pistn y su
desplazamiento son elevados.
Los actuadores neumticos de movimiento giratorio pueden ser:
Cilindro giratorio de pistn-cremallerapin y de dos pistones con dos
cremalleras en los que el movimiento lineal del pistn es
transformado en un movimiento giratorio mediante un conjunto de pin
y cremallera y Cilindro de aletas giratorias de doble efecto para
ngulos entre 0 y 270Los msculos neumticos son dispositivos que
emulan el musculo humano.Consisten en un una manguera de material
especial que al ser alimentado con aire ejerce una gran fuerza con
muy poco recorrido
SERVOMOTOR NEUMATICO
Consiste en un diafragma con resorte que trabaja (con algunas
excepciones) entre 0,2- 1 bar (3 y 15 psi), es decir, que las
posiciones extremas de la vlvula corresponden a 0,2- 1 bar (3 y 15
psi).El servomotor puede ser de accin directa o inversa:Es de accin
directa cuando la presin de gobierno acta en la cmara superior del
servomotor, es decir, cuando la fuerza sobre el diafragma es
ejercida hacia abajo.Es de accin inversa cuando la presin de
gobierno acta en la cmara inferior del servomotor, es decir, cuando
la fuerza sobre el diafragma es ejercida hacia arriba.
TIPOS DE ACCIONES EN LAS VALVULAS DE CONTROLCILINDRO NEUMTICO DE
MOVIMIENTO LINEAL
El cilindro neumtico consiste en un cilindro cerrado con un
pistn en su interior que desliza y que transmite su movimiento al
exterior mediante un vstago Se compone de las tapas trasera y
delantera, de la camisa donde se mueve el pistn, del propio pistn,
de las juntas estticas y dinmicas del pistn y del anillo rascador
que limpia el vstago de suciedad.
En el cilindro neumtico de doble efecto, el aire a presin entra
por el orificio de la cmara trasera y, al llenarla, hace avanzar el
vstago, que en su carrera comprime el aire de la cmara delantera
que se escapa al exterior a travs del correspondiente orificio.En
la carrera inversa del vstago se invierte el proceso, penetrando
ahora el aire por la cmara delantera y siendo evacuado al exterior
por el orificio de la cmara trasera.El cilindro neumtico de simple
efecto funciona de forma similar exceptuando que la carrera inversa
se efecta gracias a la accin del muelle.En el cilindro neumtico
guiado, dos o ms vstagos rgidos guiados proporcionan una anti
rotacin al mecanismo acoplado al cilindro, evitando las fuerzas
radiales y de torsin que la carga ejercera en un cilindro normal.El
cilindro neumtico de impacto mueve el vstago a gran velocidad (10
m/s) y se utiliza en las prensas para trabajos de embuticin,
remachado, etc.El cilindro neumtico de rotacin proporciona un
movimiento de rotacin gracias a una cremallera unida al vstago o a
un elemento rotativo de paletasCLCULO DE LOS CILINDROS
NEUMTICOS
Fuerza del cilindro: La fuerza que el aire ejerce sobre el pistn
es:F= P.aire* rea pistnPara los cilindros de simple efecto, la
fuerza es la diferencia entre la fuerza del aire y la del
muelle:
Los cilindros de doble efecto no cuentan con un resorte para
volver a su posicin de equilibrio, as su fuerza no disminuye en la
carrera de avance, pero s en su carrera de retroceso, debido a la
disminucin del rea del mbolo por la existencia del vstago. Las
expresiones matemticas correspondientes son:
SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO:
Para regular el arranque, parada y el sentido as como la presin
o el caudal del aire de los cilindros neumticos, existen varios
sistemas de accionamiento de las vlvulas: manual, mecnico,
elctrico, hidrulico o neumtico.Los sistemas ms utilizados son las
vlvulas distribuidoras, las vlvulas anti retorno o de bloqueo, las
vlvulas reguladoras de presin y las reguladoras de flujo o de
velocidad.
VLVULAS DISTRIBUIDORAS:
Las vlvulas distribuidoras dirigen el aire comprimido haca
varias vas en el arranque, la parada y el cambio del sentido del
movimiento del pistn dentro del cilindro.
Vlvula normal cerrada = No permite el paso del aire en posicin
de reposo. Si se excita (acciona), permite circular el aire
comprimido.Vlvula normal abierta = En reposo el paso del aire esta
libre y al excitarla (accionarla) se cierra.Posicin de partida =
Movimiento de las partes mviles de una vlvula al estar montada en
un equipo y alimentarla a la presin de la red neumtica.
Los cilindros accionados por las vlvulas distribuidoras se
representan con letras A, B, C, etc. Los sensores asociados de
posiciones inicial y final del vstago con un cdigo
alfa-numrico:
Cilindro A:a0 = final retraccin (posicin inicial vstago con el
pistn completamente retrado)a1 = final extensin (posicin final
vstago con el pistn completamente extendido)
Para representar las funciones de las vlvulas distribuidoras se
utilizan smbolos que indican el nmero de posiciones y de vas de la
vlvula y su funcionamiento.El nmero de posiciones viene
representado por el nmero de cuadrados yuxtapuestos (o casillas)Las
conexiones (entradas y salidas de la vlvula) se representan por
medio de trazos externos unidos al cuadrado o casilla.
Fig. 2.31 Vlvula distribuidora 4/2 (4 vas, 2 posiciones)
accionando un cilindro de doble efectoLas vlvulas neumticas
manuales suelen ser vlvulas 4/3 (4 vas y 3 posiciones) accionadas
manualmente mediante un pedal o una palanca perpendicular o
rotativa. El accionamiento manual de la vlvula se efecta mediante
un pulsador, una palanca, un pedal o un pedal con enclavamiento, y
el accionamiento mecnico con una leva o un rodillo.El accionamiento
elctrico se realiza por medio de bobinas de solenoide que en el
caso de mxima seguridad estn siempre alimentadas, para que ante un
fallo en la alimentacin elctrica, vayan a la posicin de
seguridad.La vlvula de solenoide se excita a travs de un
temporizador elctrico, un final de carrera, presos tatos,
termostatos o mandos electrnicos. En general, el accionamiento
elctrico es el adecuado cuando las distancias de transmisin son muy
largas y los tiempos de conexin son cortos.
La curva caracterstica (fuerza carrera) permite determinar la
fuerza generada por una bobina de solenoide en un cierto punto de
la carrera como funcin del nmero de espiras.
Las electrovlvulas de un solo solenoide al ser desexcitadas
tienen el retorno del mbolo por muelle y se llaman monoestables.Las
electrovlvulas de doble solenoide permiten que la vlvula vaya de
una posicin a la otra mediante una seal elctrica de impulso a la
bobina opuesta (sistema biestable de doble pilotaje).
Los sistemas electro neumticos permiten un alto grado de
sofisticacin y de flexibilidad. Controlan los cilindros mediante
vlvulas de solenoide y obtienen las seales de realimentacin a travs
de interruptores magnticos, sensores e interruptores elctricos de
final de carrera. Las funciones lgicas se obtienen por hardware o
bien se programan en un PLC (programmable logic controller).
AVERAS TPICAS DE LAS VLVULAS DE SOLENOIDE.
EL TOPE DE DETENCIN Es un separador que aumenta la distancia que
existe entre el pistn y el soporte del vstago cuando el pistn est
en un extremo de la carrera. De este modo, aade rigidez estructural
al cilindro, mejora la resistencia del vstago y reduce el efecto de
las cargas transmitidas a las reas de los cojinetes.Se recomienda
en cilindros desprovistos de amortiguacin del pistn y en cilindros
hidrulicos de longitud menor de 150 mm.
CONSUMO DE AIREEl consumo de aire del cilindro es una funcin de
la relacin de compresin, del rea del pistn y de la carrera, segn la
frmula: Consumo de aire = Relacin de compresin * rea pistn *
carrera * Ciclos/minutoLa relacin de compresin referida al nivel
del mar est dada por:
El volumen de aire requerido para una carrera del pistn
expresado en cm3 es:
El consumo de aire en condiciones normales de presin y
temperatura en un cilindro de simple efecto es pues:
VELOCIDAD DEL PISTN Y AMORTIGUAMIENTO
La velocidad del pistn se obtiene dividiendo el caudal por la
seccin del pistn.
La velocidad media del mbolo en los cilindros estndar se
establece entre 0.1 y 1.5 m/seg.El amortiguamiento del cilindro es
necesario para reducir la velocidad del pistn al final de su
carrera y evitar as el golpe del pistn contra el cilindro con la
vibracin resultante en la estructura y las tensiones mecnicas
originadas. El ideal es que la velocidad del pistn al final de su
carrera sea cero.Pueden utilizarse vlvulas de aguja de restriccin
incorporadas en los orificios de conexin en los extremos del
cilindro o bien vlvulas distribuidoras direccionales dotadas de
restrictores.
Es evidente que lo mejor es obtener el amortiguamiento ideal
desde el principio, seleccionando correctamente el cilindro y sus
accesorios de amortiguacin (vlvula de aguja o gomas).
Una regla prctica es seleccionar el cilindro que cumpla la
relacin:
En el caso de que el movimiento del vstago sea vertical se
recomienda que se cumpla:
CILINDRO DE DOBLE EFECTO TIPO TNDEM
Es un cilindro compuesto por dos cilindros de doble efecto
acoplados en serie.Aplicando simultneamente presin sobre los dos
mbolos se obtiene una fuerza que equivale aproximadamente al doble
a la de un cilindro del mismo dimetro.
Se utiliza cuando se necesitan fuerzas considerables, y existe
un espacio insuficiente para colocar cilindros de dimetro
superior.
CILINDROS DE DOBLE EFECTO MULTIPOSICIN
Consisten en dos o ms cilindros de doble efecto acoplados en
serie. Dos cilindros con carreras diferentes permiten obtener
cuatro posiciones diferentes del vstago.
CILINDRO NEUMTICO GUIADO
Uno de los problemas que presentan los cilindros convencionales
es el movimiento de giro que puede sufrir el vstago, ya que el
pistn, el vstago y la camisa del cilindro son de seccin circular,
por lo que ninguno de ellos evita la rotacin. En algunas
aplicaciones la rotacin libre no es tolerable por lo que es
necesario algn sistema antigiro.
CILINDRO NEUMTICO DE IMPACTO
El vstago de este cilindro se mueve a una velocidad elevada del
orden de los10 m/s y esta energa se emplea para realizar trabajos
de marcado de bancadas de motor, de perfiles de madera, de
componentes electromecnicos y trabajos en prensas de embuticin,
estampado, remachado, doblado, etc.
CILINDRO NEUMTICO DE FUELLE
El cilindro neumtico de fuelle (motor neumtico de fuelle)
incorpora un cilindro de doble efecto, un sistema de accionamiento
de vlvula de control direccional y dos tornillos de regulacin de
velocidad de avance y retroceso
Clculo del Cv y Kv de las vlvulas distribuidorasEl factor Cv se
define como:Caudal de agua en galones USA por minuto a la
temperatura de 60 F (15,5 C) que pasa a travs de la vlvula en
posicin completamente abierta y con una prdida de carga de una
libra por pulgada cuadrada (psi).
El factor de caudal K v (norma internacional IEC-534-1987) se
define del siguiente modo:Caudal de agua a 20 C en m 3 /h que pasa
a travs de la vlvula a una apertura dada y con una prdida de carga
de 1 bar (10 5 Pa) (1,02 kg/cm2.
La equivalencia entre los coeficientes Kv y Cv es:Kv = 0,853 Cv
(m3/h)Cv = 1,16 Kv (galones por minuto)Aplicando el teorema de
Bernouilli en los puntos 1 y 2 de una valvula distribuidora es:
Y suponiendo fluidos incompresibles (liquidos) luego:
Por otro lado, la forma de la valvula da lugar a una resistencia
que disminuye la velocidad o el caudal. Luego esta es:
siendo: = coeficiente de resistencia (sin dimensiones) y
