EL MSCULO NEUMTICON.I. lmani*

RESUMENEl articulo presenta un nuevo actuador que ha revolucionado la construccin de mquinas industriales, estructuras industriales y aplicaciones diversas incluida la ingeniera civil. El msculo neumtico es un actuador de traccin que funciona como un msculo humano y es capaz de generar una fuerza de traccin inicial mas grande que la de los cilindros neumticos convencional. Se destaca en el articulo, sus principios, sus utilidades, ventajas, aplicaciones y caractersticas tcnicas.

Palabras clave: Msculo Neumtico. Actuador. Diagramas fuerza / recorrido.

ABSTRACTHe articulates it presents a new actuador that has revolutionized the construction of industrial machines, you structure industrial and included diverse applications the civil engineering. The pneumatic muscle is a traction actuador that works as a human muscle and it is able to generate a force of initial but big traction that that of the conventional pneumatic cylinders. He/she stands out in the l articulate, their principles, their utilities, advantages, applications and technical characteristics.

Key words : Pneumatic muscle. Actuador. Diagrams force/journey.

INTRODUCCINAunque a fin de cuentas, el msculo se parece a un tubo hidrulico absolutamente normal, este nuevo actuador ha hecho una revolucin en la construccin de mquinas industriales as como de estructuras industriales y an la ingeniera civil.Un msculo neumtico no tiene, en efecto, el aspecto de un cilindro normal, dotndolo de un correspondiente regulador de presin, dispone de una absoluta servo cualidad incluyendo posibilidades de posicionamiento en cualquier punto deseado y esto con una sola conexin de aire comprimido, se trata prcticamente de una servo neumtica "light" y "low-cost". Compensa grandes errores de alineacin, e incluso, suponiendo situaciones de montaje extraordinariamente desfavorables, puede ser utilizado como actuador inverso. A veces uno puede imaginarse una combinacin de dos msculos de efecto opuesto como una especie de cilindro neumtico sin vstago. Tambin se podra desarrollar, debido a la increble generacin de fuerzas, un sencillo servo pilotaje neumtico para grandes vlvulas neumticas o hidrulicas. Contrariamente a estas ltimas, an trabajando muy baja velocidad, en el msculo no se producen problemas 'stick-slip'.Posiblemente podra servir tambin como actuador para motores oscilantes.

DESCRIPCIN DEL ELEMENTOEl Msculo Neumtico es un actuador de traccin que funciona como un msculo humano.En comparacin con un cilindro neumtico, es capaz de generar una fuerza de traccin inicial ms grande. Su fuerza disminuye en el transcurso del movimiento de contraccin. Por lo tanto, tiene un gran poder de aceleracin y, al mismo tiempo, es capaz de acercarse a la posicin nominal suavemente.

Un msculo neumtico no tiene partes mecnicas mviles, con lo que tampoco se produce friccin externa. El msculo neumtico, tambin conocido como 'msculo fluido', puede utilizarse como actuador para las ms diversas tareas.

PRINCIPIOS, UTILIDAD Y VENTAJAS

Dadas sus caractersticas, el msculo neumtico no est pensado para sustituir a un cilindro convencional sin ms ni ms, pues en la mayora de los casos no puede Ser considerado una alternativa econmica frente a un cilindro neumtico. Ms bien deber utilizarse en los casos en que sus caractersticas ofrecen una clara ventaja en determinadas aplicaciones, por ejemplo en aquellas en las que es necesario disponer de un actuador de gran fuerza y carrera corta, sin movimientos a tirones, de gran dinamismo, para uso en zonas polvorientas o sucias y si, adems, se necesita un actuador de poco peso.

Figura 2.El msculo neumtico tiene una estructura muy sencilla. Una membrana reforrzada con fibra sujeta en sus dos extremos.

Las ventajas que distinguen al msculo neumtico: Gran fuerza (En comparacin con un cilindro del mismo dimetro, la fuerza inicial el hasta 10 veces superior) Gran dinamismo Gran dinamismo Ausencia de movimientos a tirones (stick-slip) Regulacin sencilla de las posiciones intermedias mediante ajuste de la presin Estructura robusta Buena relacin entre el peso y el rendimiento Liviano HermticoVERSATILIDAD PARA MLTIPLES APLICACIONESEl msculo neumtico puede utilizarse para una gran cantidad de aplicaciones. Basta nombrar algunas ramas econmicas para intuir la utilidad de este actuador: industria automovilstica, de automatizacin de procesos industriales en general, tcnicas mdicas, tcnicas de simulacin, industria de la impresin, tcnicas de edificaciones y, por supuesto, automatizacin industrial.

El inters por esta innovacin en la ingeniera industrial y civil es enorme. Abajo listamos unas aplicaciones que seguramente dar otras ideas en reas que podran necesitar el msculo. En estos aplicaciones quedan demostradas las ventajas del msculo neumtico: gran fuerza en carreras cortas.1. Mesa de montaje2. Prensa porttil de montaje

3. Levantamiento4. Sujecin de ladrillos, azulejos, plancha de madera

Figura 4a.Mltiples aplicaciones en la industria

5. Manipulacin logstica6. Levantamiento y ampliacin de la carrera

7. Oscilacin8. Compensacin de pesos

9. Dupliacacin de la carrera10 Duplicacin de pesos

Figura 4b.Mltiples aplicaciones en la industria

CASOS DE APLICACIONES INDUSTRIALESEn las empresas Dywidag y Raster se han dado buenos ejemplos de aplicaciones apropiadas para el msculo neumtico.

En la empresa Dywidag se utiliza el msculo en una zona extremadamente polvorienta para que funcione como actuador tensor que acta sobre una correa dentada montada sobre una mezcladora de hormign. El msculo neumtico, siendo un sistema hermticamente cerrado, no sufre daos si est expuesto al polvo del cemento y, adems, tampoco es afectado por los golpes ocasionados por la mezcladora. Antes, esta empresa utilizaba con este fin un cilindro neumtico convencional que dej de funcionar despus de poco tiempo debido al depsito de polvo de hormign en el vstago con la correspondiente pronta ruptura de la junta. El msculo neumtico, por el contrario, ya est funcionando sin problemas por ms de 2000 horas.

La empresa Raster utiliza el msculo neumtico en una mquina punzonadora de alto rendimiento con el fin de aumentar los ciclos de la mquina elevando un rodillo entre las operaciones. Antes se utilizaba un cilindro neumtico de 125 con el que era posible alcanzar frecuencias de 3 hertzios. Dado que el msculo no tiene vstago y debido a que su masa es menor y porque, en consecuencia, la friccin tambin es menor, es posible alcanzar con l frecuencias de hasta 7 hertzios. El rodillo tiene que elevarse unos 3 mm, para lo que se utilizan dos msculos neumticos que son ideales para esta aplicacin, ya que ofrecen una fuerza muy elevada y tienen una carrera extremadamente corta (3500 N y 3 mm respectivamente).Cuadro 1.Fuerza y carga lmites

Cuadro 2.Estiramiento y recorrido mximos.

Fig 5. Traccin del msculo neumtico

Actuador de traccin de simple efecto para elevacin y descenso de cargas. En el caso ms sencillo el msculo trabaja como actuador de simple efecto que acta contra una carga constante.Si dicha carga est de modo permanente al msculo, ste se expande si no se aplica presin en l. Mediante ajuste de la presin de funcionamiento es posible regular cualquier posicin intermedia.

En cambio, la solicitud planteada por la empresa Kuka, es un ejemplo de una aplicacin poco apropiada para el msculo neumtico. Esta empresa buscaba un actuador liviano pero potente a modo de contrapeso (muelle) en un robot industrial de un brazo. Esta aplicacin exige fuerzas entre 22000 y 40000 N y una carrera de 200 mm. A raz de la gran fuerza y de la carrera larga necesarias, tendran que instalarse como mnimo 20 msculos con una longitud nominal de ms de dos metros.

CARACTERSTICAS DEL MSCULO

Fuerzas y cargasLa longitud nominal del msculo neumtico se define estando sin presin y sin carga, La longitud corresponde al largo de la membrana visible entre las sujeciones. El msculo se expande si se aplica una fuerza exterior. Al aplicar presin, el msculo se contrae (lo que significa que la longitud til se reduce).

Muelle NeumticoAl cambiar la fuerza aplicada exteriormente, el msculo neumtico se comporta como un muelle. Es posible modificar la pretensin y la rigidez de este "muelle neumtico". El efecto de muelle se consigue si el msculo funciona con presin constante o con volumen constante (en este caso, respetando la presin de funcionamiento mxima). Las lneas caractersticas de la amortiguacin varan, por lo que es posible adaptar de modo ptimo el efecto de amortiguacin a cada aplicacin concreta.Diagramas fuerza / recorrido y recorrido tilEn la siguiente tabla constan los lmites para el uso del Fluidic Muscle con limitacin de fuerza.Observacin: El lmite para cargas "libremente colgantes" est determinado por la estriccin. Ejemplo: en el MAS?10, una carga libre adicional de 30kg provoca una expansin previa de 3%. Aplicando cargas ms grandes, se obtendra una limitacin de la fuerza a raz de la estriccin del dimetro. Una carga que debe elevarse a partir de una base bien puede ser superior, siempre y cuando lo admita el limitador de la fuerza del msculo neumtico (en el caso del MAS-10-... seran 400 N o kg).Diagramas fuerza / recorrido para la definicin grfica de las dimensionesSegn los datos de los diagramas en las figuras 6, 7, y 8 el campo de aplicacin del msculo neumtico, se obtiene en funcin del dimetro y expresado en superficie dentro de los siguientes lmites:En la izquierda del diagrama, la limitacin determinada por la expansin mxima.Arriba, limitacin determinada por la fuerza mxima posible (limitacin de la fuerza).Derecha, arriba: limitacin por la presin de funcionamiento mxima admisible.Derecha, limitacin determinada por la contraccin mxima admisible.

Las curvas expresan el aumento de las fuerzas (hacia la derecha, arriba) a la vez que aumenta la presin de funcionamiento.

ELECCIN DEL MSCULO

Software de clculoPara configurar el msculo neumtico, es recomendable utilizar el software de clculo correspondiente (www.festo.com/download). Al configurar el msculo neumtico deber tenerse en cuenta le margen funcional (ver Figura 8 diagramas fuerza / recorrido).

Definicin de la longitudAdems de emplear el software, tambin es posible determinar la longitud del msculo neumtico mediante los diagramas fuerza / recorrido. A continuacin se comentarn dos ejemplos que explican el uso de las grficas.

Al utilizar las grficas es posible que a raz de la histresis del msculo neumtico se obtengan resultados que no coinciden plenamente con aquellos obtenidos mediante el software.

Ejemplo 1.

Elevacin de una carga constante a partir de una mesa.Elevacin de una carga constante de 80 kg a partir de una mesa y transporte de dicha carga en un trayecto de 100 mm. La presin de funcionamiento es de 6 bar

Fuerza necesaria en posicin de reposo 0 kg /0 N

Fuerza necesaria en estado de contraccin: 80 kg /800NCarrera necesaria: 100 mmPresin: 6 bar

Tarea: definir el dimetro y la longitud nominal del msculo neumtico.

Primer paso:Definir el dimetro del msculo. Determinacin del dimetro apropiado en funcin de la fuerza mxima (MAS-10: 400 N, MAS-20: 1200 N, MAS-40: 4000 N). En el ejemplo, la fuerza mxima es de 800 N, por lo que se elegir un MAS-20.

Tambin sera posible utilizar un MAS-40. Es ms fuerte y con 6 bar y 800 N alcanza una contraccin relativa superior y, en consecuencia, una longitud nominal menor. Adems, la menor contraccin permitira aumentar la duracin del msculo neumtico.

Segundo paso:Incluir el punto de carga 1. A continuacin, incluir el punto de carga 1 (fuerza 0 N / Presin 0 bar) en el diagrama fuerza / recorrido del MAS-20.

Tercer paso:Incluir el punto de carga 2. A continuacin, incluir el punto de carga 2 (fuerza 800 N / Presin 6 bar) en el diagrama de fuerza / recorrido del MAS-20.

Cuarto paso:Leer el cambio de longitud. Leer el valor correspondiente al cambio de la longitud del msculo neumtico entre los puntos de carga 1 y 2 (valor en el eje X). Resultado: 10%

Quinto paso:Calcular la longitud nominal. Necesitando un recorrido de 100 mm, la longitud nominal del msculo es de 100 mm /10% = 1000 mm.

Sexto paso:Resultado. Para acoplar 80 kg sin fuerzas y elevarlos 100 mm, es necesario utilizar un MAS-20-1000-AA-..

Ejemplo 2.

Muelle de traccin.En este caso, el msculo neumtico deber hacer las veces de muelle de traccin. Caractersticas:

Fuerza necesaria en estado de expansin: 2000 N

Fuerza necesaria en estado de contraccin: 0 N

Carrera necesaria (=recorrido del muelle): 50 mm

Presin: 2 bar

Tarea: buscar el dimetro y la longitud nominal del msculo neumtico.

Primer paso:Definir el dimetro del msculo. Determinar el dimetro apropiado del msculo en funcin de la fuerza mxima (MAS-1 0: 400 N, MAS-20:1200 N, MAS-40: 4000 N). En el ejemplo, la fuerza mxima es de 2000 N, por lo que se elegir un MAS-40.

Segundo peso:Incluir el punto de carga 1 (fuerza 2000 N 1 Presin 2 bar) en el diagrama M MAS-40.

Tercer paso:Incluir el punto de carga 2 (fuerza 0 N / presin 2 bar) en el diagrama fuerza / recorrido del MAS-40.

Cuarto paso:Leer el cambio de longitud. Leer en el eje X el cambio de la longitud M msculo entre los puntos de carga 1 y 2 (contraccin). Resultado: 25%.

Quinto paso:Calcular la longitud nominal. Siendo necesaria una carrera de 50 mm, la longitud nominal del msculo es de 50 mm /25 % = 200 mm.

Sexto paso:Resultado. Para usar un msculo neumtico como muelle de traccin con una fuerza de 2000 N y una carrera de 50 mm, deber elegirse un MAS-40-200-AA-..

AMPLIACIN DEL DIMETRO

Al aplicar presin, el dimetro exterior aumenta mximo aproximadamente un 80%. Las medidas concretas son las siguientes:

MAS-10 aprox. 25,2 mm a 8 bar

MAS-20 aprox. 43,2 mm a 6 bar

MAS-40 aprox. 79,2 mm a 6 bar

ObservacinA expansin del permetro no se puede aprovechar, ya que el movimiento de contraccin podra daar al msculo neumtico debido a la friccin,

Orientacin del movimiento del msculoEl msculo es un actuador de traccin, por lo que nicamente fue concebido para soportar fuerzas longitudinales. Si entre los puntos de su sujecin aparecen errores de alineacin o de ngulo, debern utilizarse los accesorios correspondientes (cabezas de rtula, etc.).

DATOS TCNICOS GENERALES

Errores de alineacin mximos admisibles:

Desviacin angular de +/?1 en funcin de los ejes de dos sujeciones fijasError de paralelismo de 2 mm por 100 mm de longitud nominal

DuracinLa duracin del msculo neumtico depende en gran medida de la carga al que se somete (carga trmica a raz de la deformacin y de la carga adicional). Las pruebas de larga duracin han tenido como resultado las siguientes lneas caractersticas:

ObservacinAplicando aire en ambos lados (enjuague) es posible disminuir significativamente la carga (trmica), con lo que aumenta la duracin del msculo neumtico. Si en la aplicacin el msculo tiene que ser especialmente durable, deber elegirse una configuracin en la que la con traccin no pase de 5 hasta 10 %, ya que de esta manera el material se somete a esfuerzos mnimos. Ello puede lograrse, por ejemplo, eligiendo una mayor longitud nominal con el fin de reducir la contraccin, eligiendo un msculo de dimetro mayor, utilizando varios msculos. Si se utiliza el msculo con frecuencias superiores a los 2 Hz, es recomendable elegir una configuracin abierta en ambos lados (MAS?...?MO..). Aplicando aire en ambos lados aumenta la durabilidad del msculo al reducirse su temperatura.

CONCLUSIONES

El msculo neumtico ofrece claras ventajas en donde sea necesario disponer de un gran actuador de carrera corta, sin movimientos a tirones de gran dinamismo y para uso en zonas polvorientas o sucias adems de ser liviano hermtico y robusto.

Las ventajas sealadas en el prrafo anterior hacen que el msculo neumtico sea muy verstil en cuanto a sus aplicaciones siendo til entre otras en la industria automovilstica, automotivacin de procesos industriales diversos, tcnicas mdicos, tcnicas de simulacin, tcnicas de construccin y edificacin, etc.

El msculo neumtico puede utilizarse para una gran cantidad de aplicaciones. Basta nombrar algunas ramas econmicas para intuir la utilidad de este actuador:industria automovilstica, de automatizacin de procesos industriales en general, tcnicas mdicas, tcnicas de simulacin, industria de la impresin, tcnicas de edificaciones y, por supuesto, automatizacin industrial.Bibliografa