Tema 65 – Automatismos neumáticos. Fundamentos de la neumática. Propiedades del aire comprimido. Componentes neumáticos. Valores característicos de los circuitos. Electroneumática: técnica de mando. Desarrollos secuenciales.

Tema 65 – Automatismos neumáticos. Fundamentos de la neumática. Propiedades del aire comprimido. Componentes neumáticos. Valores característicos de los circuitos. Electroneumática: técnica de mando. Desarrollos secuenciales.

INDICE.

  1. INTRODUCCION
  1. FUNDAMENTO. PROPIEDADES CARÁCTERISTICAS DEL AIRE COMPRIMIDO
  1. COMPONENTES DEL SISTEMA DE PRODUCCIÓN Y DISTRIBUCIÓN DEL AIRE. VALORES CARÁCTERISTICOS

3.1 Compresor

3.2 Elementos complementarios al compresor

3.3 Red de distribución

  1. COMPONENTES DEL SISTEMA DE CONSUMO DE AIRE

4.1 Actuadores

4.1.1 Cilindros

4.1.2 Motores y elementos de giro

4.1.3 Pinzas

4.2 Elementos de mando

4.2.1 Válvulas distribuidoras

4.2.2 Válvulas reguladoras de caudal

4.2.3 Válvulas reguladoras de presión

  1. SISTEMAS DE VACÍO
  1. DESARROLLOS SECUENCIALES
  1. ELECTRONEUMÁTICA: Técnica de mando
  1. CONCLUSIÓN

1. INTRODUCCIÓN

La Neumática (del griego “Pneuma”=viento o alma) trata los movimientos y procesos del aire. Aunque los rasgos básicos de la neumática se cuentan entre los más antiguos conocimientos de la humanidad, no fue hasta el siglo pasado cuando empezaron a investigarse sistemáticamente su comportamiento y sus reglas. Sólo desde aprox. 1950 podemos hablar de una verdadera aplicación industrial de la neumática en los procesos de fabricación. En la actualidad, ya no se concibe una moderna explotación industrial sin el aire comprimido.

2. FUNDAMENTO. PROPIEDADES Y CARÁCTERÍSTICAS DEL AIRE COMPRIMIDO

2.1 Fundamento

Este amplio uso de la neumática en los procesos industriales se debe a las características esenciales del mismo, que se pueden resumir en:

1. Flexibilidad de operaciones. La neumática permite sustituir en muchísimos casos a procesos manuales y mecánicos, pues no sólo permite realizar operaciones de fuerza sino que con el mismo medio se puede regular y controlar los procesos. El mando neumático o electroneumático permite realizar programas y sistemas automáticos muy complejos.

2. El aire podrá ser utilizado en sobrepresión (hasta unos 12 bares) o en vacío, con presiones por debajo de la atmosférica, sobretodo operaciones de manipulación de cargas.

3. Rapidez. Los actuadores pueden trabajar a velocidades razonablemente altas y fácilmente regulables permitiéndose además los cambios instantáneos en su sentido de marcha.

4. Compresibilidad. A diferencia de la electricidad, gracias a su compresibilidad, la energía del aire puede ser almacenada en depósitos, que además evitarán el funcionamiento continuo de los compresores.

5. Fluidez. La fluidez del aire permite su facilidad de transporte, si bien no se recomiendan grandes distancias en su distribución debido a las pérdidas de carga en las tuberías y racores. Además su regulación de flujo es muy sencilla por simple reducción de la sección.

6. Elasticidad. Esto permite que al comprimirlo en un recinto ejerza sobre las paredes una determinada presión, aprovechándose este hecho para utilizar el propio aire como elemento amortiguador evitando grandes impactos de los elementos móviles.

7. Seguridad. Otra característica que ofrece el aire comprimido es que es antideflagrante, y por tanto insustituible en ambientes explosivos o con riesgo de incendio.

8. Limpieza. A diferencia de los sistemas oleohidráulicos, los escapes de aire no provocan la suciedad de los escapes de aceite.

Gracias a estas ventajas, el uso del aire aumenta cada día prácticamente en todos los tipos de industrias, destacando su uso en máquinas y mecanismos diversos, operaciones de elevación y transporte, industria alimentaría, manipulación y robotización, medida y control, automoción, obras públicas…etc.

Sin embargo el uso del aire comprimido presenta algunas limitaciones. La mayor de ellas es, por supuesto, la fuerza. Con la neumática no es conveniente sobrepasar los 3000 Kp de fuerza directa. Otra limitación importante es el ruido; existen actividades como por ejemplo centros hospitalarios, donde su uso está limitado por los inconvenientes de los escapes de aire de los componentes y el ruido del compresor.

3. COMPONENTES DEL SISTEMA DE PRODUCCIÓN Y DISTRIBUCIÓN DEL AIRE. VALORES CARÁCTERISTICOS

3.1 Compresor

El componente principal de una instalación de aire a presión es el compresor. Estos convierten la energía mecánica de un eje en energía potencial en forma de aire comprimido. Según realicen esa operación se distinguen:

Compresores por desplazamiento rectilíneo, donde el movimiento alternativo de un cuerpo móvil produce la presión. Destacan:

· Los de émbolo, en los es un pistón el que confina el aire y aumenta su presión. Se utilizan generalmente en sistemas que requieren presiones entre 3 y 7 bares. Para mayores rangos se puede aumentar el número de etapas o escalones de compresión.

· Los de diafragma, en el que la expansión y retracción de una membrana permite obtener aire seco hasta 5 bares y con ausencia total de aceite. Gracias a ello son muy utilizados en la industria farmacéutica y alimenticia.

Compresores rotativos, que presentan las ventajas de ser menos ruidosos que los anteriores y suministrar un caudal más uniforme. Por esto su uso es cada vez más común, si bien aún no han desbancado al compresor de émbolo. Entre ellos se distinguen:

· Los de paletas, donde un rotor montado excéntricamente hace girar una serie de paletas que deslizan dentro de ranuras radiales. La fuerza centrífuga permite arrastrar y confinar el aire en recintos donde se estrecha la sección, aumentando así su presión hasta unos 4 bares para una etapa y 8 para etapa doble.

· Los de tornillo, en el que dos rotores helicoidales engranan de tal manera que disminuyen el espacio libre entre ellos. Con ellos se pueden conseguir caudales muy elevados, de hasta 400 m3/h y presiones superiores a 10 bar.

3.2 Elementos complementarios al compresor

Entre ellos se entienden:

o El filtro de aspiración, pues el aire atmosférico contiene polvo y suciedad que debe ser eliminado para impedir el desgaste progresivo de los cilindros y anillos del émbolo provocado por la acción abrasiva de estas partículas.

o El depósito del aire, donde se acumula el aire una vez comprimido. De esta manera se amortiguan las oscilaciones en la demanda del caudal. Unido a él se colocará un manómetro para marcar la presión del mismo.

o Un presostato, que controla el funcionamiento del compresor regulándose así la presión entre un rango preestablecido.

o Post-enfriadores. Después de la compresión final, el aire aumenta su Tª y al enfriarse, el vapor de agua que éste contiene se depositará sobre las tuberías y demás elementos. Para mitigar este problema se enfría el aire comprimido mediante intercambiadores de agua o aire exterior.

o Secadores. Una alternativa y complemento al uso de enfriadores es utilizar secadores para eliminar directamente la humedad del aire. Esta reducción de agua puede realizarse por secadores por absorción (secado coalescente), por adsorción (desecante) o por refrigeración forzando la condensación previa del aire.

3.3 Red de distribución

Para hacer llegar el aire a los puntos de consumo se hace uso de tuberías de diferentes diámetros y materiales (acero, cobre y polímeros). Existen dos tipos de configuraciones básicas: aquellas con final de línea muerta o configuración en anillo. Este último presenta la ventaja de poder ser alimentado por dos entradas, siendo la presión prácticamente constante.

En cualquier caso los conductos habrán de tener una pendiente del 2% para recoger y drenar los condensados y la velocidad de circulación comprendida entre los 6 y 10 m/s.

Además de los tratamientos al aire comentados, cada máquina dispone de una unidad de mantenimiento donde el aire se filtra nuevamente, se decanta su humedad, se regula su presión y se lubrica el aire mediante aceite limpio finamente disperso en el gas.

4. COMPONENTES DEL SISTEMA DE CONSUMO DEL AIRE

4.1 Actuadores

Son estos los elementos que utilizan la presión del aire para desarrollar trabajos de fuerza o movimiento. Dependiendo de su modo de acción distinguiremos:

4.1.1 Cilindros

Son los actuadores más frecuentes, por encima de motores y pinzas. Generan un movimiento rectilíneo de avance y retroceso de un mecanismo por la fuerza ejercida por el aire. Esencialmente están formados por un tubo o camisa, un, pistón unido a un vástago y una tapa trasera y otra delantera. Para asegurar la estanqueidad es preciso que tanto las tapas como el pistón posean las correspondientes juntas de cierre, así como un anillo rascador para limpiar el vástago. Además deberán contar con un orificio de entrada o salida del aire a ambas cámaras. Según su forma de actuación distinguimos:

Cilindros de simple efecto, donde el aire comprimido sólo actúa en una de las caras del cilindro por lo que sólo puede producir trabajo en un sentido. El retroceso se produce de forma mecánica generalmente por la acción de un resorte o también por la acción de la gravedad y de masas solidarias al vástago. Dependiendo de la posición del muelle pueden ser del tipo vástago retraído o vástago extendido trabajando en unos casos a compresión y en otros a tracción. Se utilizan en operaciones simples como sujetar, marcar, expulsar…etc.

Cilindros de doble efecto. En ellos el trabajo se desarrolla tanto en la carrera de salida como en la de retroceso dado que la presión del aire se aplica alternativamente a los dos lados del émbolo. Serán los más comunes y utilizados en procesos de automatización.

Cilindros especiales. Se incluyen aquí aquellos con cualidades características como los cilindros sin vástago, los de doble vástago, los antigiratorios, las guías deslizantes…etc. Pero sobretodos ellos destacan los cilindros oleoneumáticos: En ellos se combinan la acción del aceite, no compresible, junto con un cilindro neumático, permitiéndose así avances muy lentos (de hasta 25 mm/min.), imposibles de conseguir con los puramente neumáticos.

4.1.2 Motores neumáticos

En estos actuadores, la energía del aire comprimido es transformada en un trabajo mecánico con movimiento rotativo. Su funcionamiento es el inverso a compresores, destacando entre ellos los de paletas y los de pistones radiales.

Presentan la ventaja con respecto a otros motores que son prácticamente insensibles al polvo, la humedad y las vibraciones. Además al ser autorefrigerados son muy limpios y pueden trabajar en ambientes calurosos perfectamente. Su mayor problema será su costo energético.

Similares a los motores son los actuadores de giro, en los que el movimiento circular de giro esta restringido a como mucho una revolución. Entre ellos cabe nombrar los de piñón-cremallera y los de paleta, donde esta no puede girar más de 270º.

4.1.3 Pinzas

Dichos dispositivos son relativamente recientes en la industria. La misión primordial será la sujeción y amarre de piezas, encontrando su mayor aplicación en la robótica y la manipulación. Según su forma de apertura éstas pueden ser angulares o de apertura paralela, tanto de doble efecto como de cierre por resorte.

4.2 Elementos de mando

El gobierno y control de los actuadores es llevado a cabo por medio de válvulas. Según la función que realizan se pueden subdividir en tres grupos: válvulas de control de dirección de flujo, de control de caudal o control de presión.

4.2.1 Válvulas direccionales o distribuidoras

Su misión es interrumpir o desviar el flujo de aire con caudal y presión definidos; para ello utilizará una bola que se separa de su asiento o una corredera que cambiará de posición. Las podemos clasificar según:

Número de vías. Corresponde al número de orificios practicados en la propia válvula con el fin de permitir el desvío del aire. Las más comunes son las de 2, 3 y 5 vías. Un ejemplo de válvula de sólo dos vías son las antirretorno o válvulas de retención cuya misión es permitir el paso en un solo sentido.

Número de posiciones, es decir, las diferentes alternativas del órgano móvil y por tanto los diferentes caminos que puede tomar el fluido.

Por ejemplo, una válvula 3/2 será aquella que cuentan con tres vías y dos posiciones. Válvulas 3/2 de gran uso son por ejemplo las válvulas selectoras (desarrollan la función lógica “or”) o las de simultaneidad (“and”).

Condiciones de reposo. En que se hace referencia al estado normal en que permanece la válvula sin excitación, es decir, normalmente abierta o normalmente cerrada.

Característica del dispositivo de mando. Por dispositivo de mando se entiende al órgano, generalmente externo, de la válvula que hace funciones de elemento piloto o accionador y que determina el desplazamiento del órgano móvil. El pilotaje puede ser:

Þ Por órgano de la máquina, es decir, el movimiento de un actuador acciona mecánicamente la válvula. Son los llamados finales de carrera neumáticos, que podrán ser de rodillo o empujador (bidireccionales) o de rodillo abatible (unidireccionales).

Þ Accionables por el operador, mediante palancas, pulsadores, pedales…etc.

Þ Por acción neumática. El propio aire puede gobernar las válvulas al provocar el desplazamiento de la corredera. Las presiones del circuito de control suelen rondar los 6 bares.

Þ Electroneumáticas, mediante solenoides, que al ser excitados por una señal eléctrica provocan el desplazamiento del núcleo interior y harán variar la posición de la válvula. El mando eléctromagnético se utiliza cuando la señal procede de un final de carrera eléctrico, de un presostato o de un dispositivo eléctrico.

4.2.2 Válvulas reguladoras de caudal

En muchas ocasiones se hace necesario disminuir el paso del fluido a través de un conducto, generalmente cuando se quiere controlar la velocidad del actuador. La regulación se realiza al disminuir la sección, produciendo la estrangulación del flujo con un tornillo regulable. La disminución podrá realizarse en ambos sentidos o unidireccionalmente, acoplando en paralelo una válvula antirretorno.

4.2.3 Válvulas reguladoras presión

En todos los circuitos donde circule un fluido a presión es aconsejable el uso de válvulas que limiten la presión máxima para evitar riesgos. En ellas, una vez que el aire supera la presión de tarado, vence la fuerza que realiza un resorte sobre una superficie y dejan escapar entonces libremente el fluido.

5. SISTEMAS DE VACÍO

Como comentábamos el aire es utilizado industrialmente tanto a sobrepresión como a presiones menores que la atmosférica. El uso del vacío está cada vez más extendido, sobretodo en operaciones de manipulación, robótica y transporte interno de materiales.

Los medios empleados para producir vacío son diferentes: extractores clásicos para pequeñas depresiones, bombas de vacío con motor eléctrico y los más modernos los generadores de vacío de aire comprimido basados en el efecto Venturi.

En cuanto a sus actuadores el principal es la ventosa, que aprovecha la depresión para fijarse a superficies planas. Los dispositivos de mando son similares, destacando aquí el vacuostato transforma una señal de vacío en una señal eléctrica o de presión neumática.

6. DESARROLLOS SECUENCIALES

La técnica neumática encuentra gran aplicación y desarrollo en sistemas de fabricación en los que se sigue un proceso automático. Los desarrollos secuenciales son aquellos en los que los actuadores realizan su trabajo en función del movimiento del resto de actuadores empleando para ellos finales de carrera o según la señal de temporizadores. En ellos una función origina la siguiente función. Si por cualquier causa una función no se efectúa, la siguiente tampoco se realizará y el mando permanece en la posición sin perturbación. Se precisarán por tanto más emisores de señal que cualquier otra modalidad de mando pero en él se cumple con seguridad el desarrollo previsto de las funciones.

La realización de procesos automáticos con mando neumático se hace generalmente de forma intuitiva; esto tiene sus limitaciones sobretodo en casos complicados, por la aparición de interferencias entre pilotajes contrapuestos que paraliza las secuencias de acción. Para evitar estos problemas se pueden seguir métodos secuenciales sistemáticos entre los que destacan el método paso a paso y el de cascada.

7. ELECTRONEUMÁTICA: TÉCNICA DE MANDO

Como hemos comentado la acción de gobierno de las válvulas puede ser realizada por medios eléctricos. Mediante el eso de solenoides la señal provoca la excitación de una bobina y el desplazamiento del núcleo móvil. La señal eléctrica puede ser de CA o de CC y en tensiones normales de 12 y 24 V.

La gran ventaja de los mandos electroneumáticos es la rapidez del paso de la señal y la posibilidad de enlazar elementos de mando pertenecientes a un mismo equipo incluso con grandes separaciones entre ellos; es decir permite realizar secuenciaciones mucho más complejas que los mandos puramente neumáticos; más todavía cuando el sistema queda unido a un PLC.

Sin embargo en los recintos con riesgo de incendio o explosión es preferible emplear el mando neumático pues, las chispas de los contactores pueden provocar la ignición.