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150 ejemplos prácticos con el músculo neumático

Hesse El músculo neumático y sus aplicaciones

Handling Pneumatics

Stefan Hesse

El músculo neumático y sus aplicaciones 150 ejemplos prácticos con el músculo neumático

Blue Digest on Automation

Blue Digest on Automation © 2003 by Festo AG & Co. KG Ruiter Straße 82 D-73734 Esslingen Tel. (0711) 347-0 Fax (0711) 347-2144 Todos los textos, gráficos, imágenes y dibujos contenidos en este publicación son propiedad de Festo AG & Co. KG y, en consecuencia, están sujetos a derechos de autor. Queda prohibida su reproducción, tratamiento, traducción, microfilmación, memorización y procesamiento mediante sistemas electrónicos sin previa autorización explícita de Festo AG & Co. KG.

Prólogo

¿Cómo funciona un músculo? ¿Es posible copiarlo recurriendo a medios técnicos? Los cerebros de innumerables inventores y directores de proyectos han echado humo en el intento. ¿Qué es factible en términos de mecánica? ¿Qué posibilidades químicas y físicas hay? El catedrático alemán Franz Reuleaux (1829 – 1905) ya describió en el año 1872 el funcionamiento de un actuador neumático. Desde entonces se ha intentado encontrar soluciones de muchas maneras: músculos neumáticos con metales que recuperan su posición inicial, actuadores electroquímicos, geles polímeros y motores eléctricos combinados con engranajes minúsculos de altas revoluciones. Sólo pocas soluciones consiguieron imponerse en la industria. Muchos proyectos aún se encuentran en la fase de pruebas en los laboratorios. Entre las pocas soluciones efectivamente útiles está el músculo neumático de Festo. Él es el protagonista de esta publicación. Este músculo está compuesto de un material moderno y sumamente resistente y es capaz de ejecutar movimientos muy rápidos y con gran fuerza. Este innovador producto es el resultado de una idea muy antigua pero que utiliza soluciones dignas de la era de la alta tecnología. Dado que el músculo neumático también funciona con agua, en realidad sería más apropiado hablar de un músculo fluídico y no de un músculo neumático, aunque cierto es que preferentemente se utiliza con aire comprimido. En las gráficas que se incluyen en el presente manual, el músculo neumático suele presentarse de mayor tamaño con el fin de destacar sus funciones. Sin embargo, un músculo neumático de, por ejemplo, 10 mm de diámetro interior, en la realidad ocupa muy poco espacio. Precisamente por eso se justifica su montaje posterior en máquinas y equipos ya existentes. Posiblemente sea demasiado pronto para saber cuáles podrían ser todas las aplicaciones que asumirá el músculo neumático en el futuro. Pero sí se puede constatar que, por muchas razones, este músculo artificial tiene un futuro brillante, tal como lo confirma el éxito que tienen sus numerosas aplicaciones en la actualidad. Y eso que su andadura por el mundo de la automatización industrial no ha hecho más que empezar. El presente manual ofrece ideas para la utilización del músculo neumático, explica su funcionamiento, demuestra sus ventajas y desventajas y ofrece al lector las informaciones necesarias para pensar en otras aplicaciones apropiadas. Agradezco el apoyo que durante la redacción del manual me ofrecieron el ingeniero Thomas Dehli y el Sr. Manfred Moritz, ambos de Festo. Stefan Hesse

Prólogo Índice 1 Membranas en la naturaleza y en la técnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 Modelo: el músculo biológico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3 Tecnología y características del músculo neumático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4 Características constructivas del músculo neumático . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 5 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.1 Elevar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.2 Sujetar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.3 Prensar, estampar, punzonar y cortar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5.4 Bombas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.5 Fijar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.6 Desplazar y posicionar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.7 Manipular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.8 Movimientos de brazos y piernas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.9 Controlar y probar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.10 Accionar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.11 Sistemas de avance por vibración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.12 Frenar y retener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.13 Transportar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.14 Distribuir y desviar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 5.15 Mecanizar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.16 Enrollar y desenrollar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.17 Dosificar y porcionar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Glosario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Índice de términos técnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

1 Membranas en la naturaleza y en la técnica

Una membrana es una lámina delgada de cierta elasticidad que puede extenderse y volver a recuperarse mediante la utilización de un gas (aire) o un líquido (agua). La envoltura, el medio exterior y el medio interior forman una unidad constructiva. En la biología, la membrana es una piel delgada, por lo general porosa, que permite el paso de substancias en ambas direcciones. Todas las células tienen una membrana. Lo mismo sucede con los vasos sanguíneos. Estas membranas son de un tejido celular de gran resistencia, expuestas a una presión interior, por lo que forman un “neumático” esférico. Los partes blandas de los caracoles, gusanos y orugas son construcciones tubulares que adquieren rigidez debido a la presión interior. La piel externa tiene una forma típica de la especie que se mantiene debido a la presión interior. Ello significa que las membranas juegan un papel muy importante en la mayoría de seres vivientes. En el mundo vegetal, por ejemplo, existen las burbujas epidérmicas llenas de agua de los tallos de algunas plantas. Estas células también están sometidas a una considerable presión interior, con lo que se estabiliza su forma característica. Los pabellones industriales de estructura neumática se construyen de acuerdo con este principio. En la técnica, el concepto “neumo”, que proviene del griego, se refiere a un sistema en el que una envoltura expuesta a un esfuerzo de tracción lleva un fluido en su interior. Ejemplos típicos de ello son globos, pompas de jabón, pabellones de estructura portante neumática, neumáticos de automóviles, mangueras flexibles utilizadas por bomberos y membranas en forma de cúpula que protegen las antenas de radar altamente sensibles. Estas estructuras neumáticas suelen estar compuestas de una membrana sometida a una tensión homogénea, lo que significa que las fuerzas aplicadas en ella son iguales en todos los sentidos. Los cojines elevadores son otro buen ejemplo de este tipo de estructuras. Estos cojines pueden ser redondos, anulares o rectangulares. Al aplicar presión, el aire comprimido los expande y este efecto de expansión se aprovecha, por ejemplo, para elevar, sujetar, hermetizar o prensar. Los cojines elevadores suelen ser de goma sintética reforzada con tejido, poliuretano, poliamida recubierta de neopreno, con refuerzo de tejidos de acero o de aramida, aunque también se utilizan otros materiales y fluidos. Sin embargo, estos cojines funcionan de modo diferente que el músculo neumático, ya que en éste el efecto de dilatación se transforma en una fuerza de tracción, como se explicará más adelante. En la fig. 1 se muestra una aplicación con cojín elevador. En este caso, se eleva una placa aplicando presiones de hasta 7 bar (dependiendo de la ejecución y del tamaño del cojín), obteniéndose fuerzas de elevación relativamente grandes. Si no se aplica presión, la altura de estos cojines es mínima. Estos cojines neumáticos también se pueden utilizar superpuestos. En ese caso aumenta la carrera total como resultado de las carreras individuales. De esta manera es posible elevar tanques o incluso aviones averiados. Los cojines como tales no tienen guía, por lo que es necesario utilizar otros elementos exteriores para guiar su movimiento de expansión. La mayoría de estos cojines se utilizan sólo ocasionalmente en casos de emergencia para reparar averías, elevar cargas pesadas o hermetizar, lo que significa que no están expuestos a un desgaste 1 Membranas en la naturaleza y en la técnica

9

1 2 3 4 5 6 7

Cojín neumático Placa elevadora Casquillo de guía Columna de guía Tope Placa de base Entrada de aire comprimido

4

1

3

2

Carrera

Fig. 1-1 Placa elevadora accionada por cojín elevador

5

7

6

continuo por abrasión. Siempre que es necesario sujetar algo recurriendo a fuerzas de fricción se produce un desgaste determinado, con lo que disminuye la duración del sistema. En la industria también se utilizan con mucha frecuencia tubos flexibles de goma. Hasta hace poco, las mangueras de los bomberos se utilizaban en carpinterías y ebanisterías para aplicar fuerza en las prensas de encolado. En la fig. 1-2a se aprecia un tubo flexible colocado en forma de espiral con el fin sujetar piezas cilíndricas o esféricas. Para sujetar la pieza es suficiente que el diámetro del tubo flexible aumente sólo ligeramente al aplicar presión. Fig. 1-2 Membranas utilizadas industrialmente a) Sistema de sujeción de piezas redondas mediante expansión de tubos flexibles b) Bomba peristáltica c) Cilindro de fuelle enrollable d) Cilindro de fuelle e) Perfil de fuelle f ) Perfil de sujeción por aire comprimido

a)

b)

e)

c)

10

d)

1 Membranas en la naturaleza y en la técnica

f)

En el caso de la bomba que se muestra en la fig. 1-2b, los rodillos producen un efecto peristáltico aplicando presión en puntos cambiantes sobre un tubo flexible. Los cilindros de membrana suelen utilizarse para prensar y para obtener desplazamientos relativamente cortos. Al igual que los cilindros de fuelle (fig. 1-2d), los cilindros de membrana se fabrican en diversas formas y tamaños. Se utilizan con frecuencia en sistemas de amortiguación neumática o para aplicar grandes fuerzas de sujeción y se fijan por medio de elementos metálicos o de material sintético que a la vez permiten la alimentación del aire comprimido. Los cilindros de fuelle no utilizan juntas sometidas a desgaste por fricción, ni tampoco precisan mantenimiento. Los cojines neumáticos de forma alargada se utilizan para sujetar, fijar y prensar y suelen estar instalados en máquinas especiales. También se ha intentado construir membranas con varias cámaras, combinadas con dedos en forma de pinza. Modificando la presión en las cámaras paralelas se produce el movimiento de los dedos. En la fig. 1-3 se muestra el funcionamiento de este tipo de pinzas. Sin embargo, este sistema sólo puede utilizarse para manipular piezas relativamente pequeñas. Además, su duración depende fundamentalmente del desgaste por abrasión de las superficies utilizadas para sujetar las piezas. Fig. 1-3 Pinzas accionadas por una membrana de varias cámaras [1]

Una solución interesante fue propuesta hace más de 30 años por el ingeniero checoslovaco Julius Mackerle. Se trata del diseño de una rueda cuya superficie de rodamiento consta de cámaras hinchables de goma (fig. 1-4). El movimiento giratorio se produce mediante la aplicación individual de presión en cada una de las cámaras, obteniéndose así una secuencia de numerosos impulsos de lanzamiento. La distribución del aire comprimido está a cargo de una corredera en el cubo de la rueda. Si se aplica la máxima presión en el conducto de alimentación B, se expande la cámara 4, generando un momento de giro en sentido antihorario en el eje de la rueda. Al mismo tiempo, el segmento de control C está conectado con la presión atmosférica de las cámaras 1 y 2 para que éstas no ofrezcan una resistencia al giro de la rueda. La cámara 3 está cerrada y actúa como muelle neumático. 1 Membranas en la naturaleza y en la técnica

11

Fig. 1-4 Generación de un movimiento giratorio mediante cámaras hinchables de goma [2]

9

10

8

A, B, C Conductos de control fijos

11 1 a 12 Cámaras neumáticas

7 A 12 C

6 B 5

1

2

12

1 Membranas en la naturaleza y en la técnica

3

4

2 Modelo: el músculo biológico

Los equipos para la automatización industrial tienen la finalidad de sustituir la mente y la musculatura del ser humano. Para ello es necesario utilizar ordenadores, robots y máquinas de todo tipo, entre ellas, los músculos artificiales. Los músculos biológicos sirven de modelo, especialmente por su excelente relación masa/rendimiento, porque son capaces de ejecutar movimientos ágiles y suaves, porque la conexión de las palancas (huesos) y de los tendones ocupa muy poco espacio y porque en el cuerpo humano demuestran su eficiencia y duración día a día. El peso de los 656 músculos del cuerpo humano llega a alcanzar el 40 por ciento del peso físico total. Los músculos de los ojos se contraen más de 100 000 veces al día. Por todo lo dicho, hay muchos proyectos de investigación dedicados a la obtención de músculos artificiales y algunos de ellos han sido coronados por el éxito. Ya hace 50 años se hallaron geles polímeros con propiedades muy especiales, ya que estimulándolos exteriormente con difusión de iones se producen considerables cambios en la concentración, obteniéndose diferencias de presión osmótica. De esta manera es posible que penetren disolventes en el gel o salgan de él, fenómeno que va acompañado de modificaciones geométricas. La NASA y los Jet Propulsion Laboratories estadounidenses desarrollaron una especie de músculo de material plástico. También se utilizaron pinzas en forma de manos recurriendo a aleaciones que tienden a recuperar su posición original y que se deforman al cambiar la temperatura. Sin embargo, para que funcionen estas pinzas es necesario que el material se caliente y enfríe constantemente. V. Hayward (Montreal) tensó doce alambres extremadamente finos sobre discos paralelos, dándoles una forma helicoidal con el fin de aumentar la pequeña carrera obtenida con estos alambres de nitinol (aleación de níquel y titanio) (fig. 2-1). Si bien es cierto que así la fuerza de tracción es menor, el tejido metálico es capaz de contraerse o encorvarse en longitudes más grandes. Cada alambre puede cambiar su longitud nominal en aproximadamente un 3 por ciento.

Fig. 2-1 Red helicoidal canadiense de alambre retráctil – un actuador de tracción 1 2 3 4

1

2

3

Discos Muelle de compresión Alambre retráctil Brida de conexión

4

2 Modelo: el músculo biológico

13

También ya se ha pensado en los músculos artificiales para los nanorobots del futuro. Concretamente se está pensando en utilizar nanotubitos que unidos forman un tejido fibroso. Se tiene la intención de aprovechar la dilatación que se produce si se aplica una carga eléctrica a este tejido. Sin embargo, la duración de estos materiales aún deja que desear, por lo que cabe suponer que pasará bastante tiempo hasta que estos proyectos desemboquen en productos concretos. Pero la solución también puede ser químico-física. En la fig. 2-2 se muestra un músculo electromecánico. La energía eléctrica se transforma en la fuerza de elevación F mediante un proceso químico. El actuador se parece a un fuelle metálico encapsulado herméticamente y con su carrera de hasta 5 mm se obtiene una fuerza final de hasta 300 N. Si la carrera es de 16 mm, la fuerza es de 3 kN. Fig. 2-2 Actuador electroquímico (Friwo Silberkraft)

F

H2

H2O R

En los EE.UU. se están construyendo robots que ejecutan movimientos accionados por músculos biológicos (músculos de ratones). Estos músculos se pueden cultivar en un tubo de ensayo partiendo de una sola célula y empleando a continuación silicio y acero para unir las que forman el músculo. La energía proviene de una débil solución de azúcar en la que debe estar sumergido el músculo [3]. Sin embargo, muchas de estas soluciones aún no se pueden utilizar para fines industriales. Hace ya tiempo que los constructores de máquinas se dedican a buscar soluciones para poner en movimiento palancas en forma de brazos y antebrazos, aunque de momento sólo pueden recurrir a actuadores convencionales. En la fig. 2-3 constan algunas de las soluciones posibles. 14

2 Modelo: el músculo biológico

Fig. 2-3 Utilización técnica de músculos mecánicos que funcionan como brazos y antebrazos

1

4 3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Brazo Antebrazo Cilindro de accionamiento Motor eléctrico Accionamiento por husillo y tuerca Tornillo sinfín y rueda helicoidal Electroimán elevador Muelle de tracción Motor Motorreductor armónico Motor giratorio de aletas neumático

2

8

6

5

7

9

11

10

A pesar de todos los esfuerzos realizados por encontrar soluciones semejantes al músculo biológico, los actuadores técnicos necesitan más espacio, tienen más masa y sus movimientos son de menor calidad (arranque brusco, golpes en las posiciones finales). Además, los movimientos de estos actuadores no pueden transmitirse tan elegantemente a los elementos de apoyo como en el caso de las ligeras estructuras que crea la naturaleza. Únicamente el actuador electromagnético combinado con un muelle de tracción es capaz de dividir los movimientos como lo hacen los músculos biológicos, es decir, con un músculo abductor y otro aductor que hacen las veces de pareja antagonista. ¿Cómo funciona un músculo biológico? Casi la mitad del peso del cuerpo humano está constituido por musculatura. Los músculos son órganos excitables compuestos de tejidos contráctiles. Para ejecutar movimientos en uno y otro sentido, es necesaria la presencia de dos músculos, ya que únicamente pueden desarrollar y transmitir fuerzas de tracción. Tal como puede apreciarse en la fig. 2-4, el bíceps y el tríceps (que ejecutan movimientos opuestos), son los músculos que mueven el antebrazo y que se encuentran a ambos lados del húmero. Un músculo está constituido por una gran cantidad de conjuntos de fibras recubiertas por una envoltura de tejido conjuntivo como si fuera un calcetín. Entre los haces de tejidos se encuentran los vasos sanguíneos que hacen las veces de conductos de alimentación para el músculo y los nervios. Éstos transmiten las órdenes provenientes del sistema nervioso central para que los músculos se pongan en movimiento.

2 Modelo: el músculo biológico

15

Fig. 2-4 Disposición de los músculos en el brazo humano 1 2 3 4

Bíceps Tríceps Húmero Cúbito

3 1

K

L

2

4

k l

Para que un músculo se mueva es necesario que experimente contracciones breves y fuertes. Considerando la longitud del brazo, los movimientos del antebrazo son grandes, aunque no demasiado fuertes, ya que se aplica la ley de la palanca: Fuerza K • Brazo de la fuerza k = Carga L • Brazo de la carga l Ello significa que los músculos biológicos son máquinas de carrera corta. Son capaces de generar una gran fuerza en carreras cortas. Los músculos biológicos realizan la mayor parte del trabajo (producto de fuerza por distancia) en la fase del 10 por ciento de su capacidad de contracción total. La mayoría de los músculos pueden contraerse hasta en un 30 por ciento si la carga es modesta. Existen diversos tipos de músculos que cumplen diversas funciones (fig. 2-5). Fig. 2-5 Tipos de músculos a) Músculo convencional b) Músculo en forma de pluma

3

a)

2

1 Fibra muscular 2 Tendón 3 Tejido conjuntivo

b)

16

2 Modelo: el músculo biológico

1 2

2

En el caso del músculo de tipo convencional, las fibras musculares transcurren desde el tendón que se encuentra en un extremo hacia el tendón del extremo opuesto. Así se obtiene una gran fuerza en un recorrido corto. Estos músculos son muy frecuentes en insectos y crustáceos y los utilizan, por ejemplo, para accionar sus poderosas pinzas. Pero, ¿cómo conseguir una copia del músculo biológico para usos industriales (y médicos)? Desgraciadamente, cuando estallan conflictos bélicos siempre aumenta la demanda de prótesis para manos, brazos y piernas. Por ello desde hace ya mucho tiempo se está investigando sobre prótesis funcionales de las manos. Concretamente, en el centro ortopédico de Heidelberg se consiguió desarrollar un brazo protésico accionado por aire comprimido. Un ejemplo de este tipo de prótesis se muestra en la fig. 2-6. El actuador fluídico es un cuerpo expansible que al hincharse hace girar los dedos para que puedan sujetar con fuerza. La mano se abre mediante un muelle de tracción. Hasta el año 1965, 350 personas se beneficiaron de este invento. Fig. 2-6 Mano protésica desarrollada por el centro ortopédico de Heidelberg en 1948 1 2 3 4 5 6

1

Cuerpo de la pinza Actuador fluídico flexible Dedo de madera Muelle de recuperación Brida de conexión Conducto de aire comprimido

2

3

5

p Aire comprimido

p

6

4

El músculo McKibben es una construcción sumamente interesante. Este músculo artificial juega un papel muy importante en el sector de las prótesis de manos. El estadounidense J.L. McKibben desarrolló un músculo con segmentos de goma a mediados de la década de los años cincuenta para el accionamiento de la prótesis de una mano (fig. 2-7).

2 Modelo: el músculo biológico

17

Fig. 2-7 Prótesis de una mano con músculo McKibben 1 Músculo de goma 2 Cable de accionamiento 3 Mano antropomorfa de cinco dedos

1

3 2

El secreto de este músculo consiste en la utilización de una red de hilos no extensibles dentro de un tubo de goma a lo largo del brazo. Aplicando presión, el músculo se expande, con lo que se acorta aproximadamente un 20%, ya que el material de la red no cede. De esta manera se obtiene una fuerza de tracción considerable. En esta prótesis basta mover el brazo para que los dedos se doblen. Sin embargo, en aplicaciones móviles como esta, el problema fue y sigue siendo la alimentación del aire comprimido. Este músculo lleva el nombre de músculo McKibben o “rubbertuator” (actuador de goma). La universidad japonesa Waseda de Tokio (Humanoid Robotics Institute) desarrolló ya en 1969 un dispositivo para caminar a base de músculos de goma, para fines de investigación científica. Los músculos de goma tubular eran accionados de una determinada manera para conseguir que las piernas dieran un paso (fig. 2-8). Los japoneses estaban convencidos por aquellos años de que en el siglo XXI se dispondría de robots androides. Por ello realizaron experimentos con piernas artificiales capaces de caminar. El interés por los actuadores fluídicos con membranas sigue inquebrantable hasta hoy en día. Por ejemplo, se construyó una mano de cinco dedos con la estructura y las dimensiones de una mano humana. Los dedos se movían accionados por actuadores neumáticos, tal como puede apreciarse en la fig. 2-9. Los actuadores eran sumamente pequeños e iban completamente integrados en los dedos de la mano artificial. Se aplicaba aire comprimido desde 3 hasta 5 bar y los dedos eran capaces de desarrollar una fuerza de hasta 10 N. Las frecuencias de contracción y extensión eran de hasta 10 Hz. Los actuadores neumáticos estaban constituidos por pequeñas cámaras que cambiaban su volumen al introducir o retirar un fluido (gas o líquido) [4].

18

2 Modelo: el músculo biológico

Fig. 2-8 Máquina para caminar WAP-1 con músculos artificiales de goma (1969)

Fig. 2-9 Actuadores neumáticos flexibles (IAI, Centro de Investigación de Karlsruhe) a) Expansión b) Contracción

1

1 Placa giratoria 2 Cámara flexible 3 Eje

2 3

a)

b)

Sin embargo, para utilizar un músculo con actuadores con membranas para fines industriales es necesario disponer de un material elástico compuesto, muy eficiente y con fibras altamente resistentes. El músculo neumático de Festo está hecho de un material con estas características y puede utilizarse como actuador de tracción.

2 Modelo: el músculo biológico

19

3 Tecnología y características del músculo neumático

El músculo neumático está constituido por una membrana que se contrae. Concretamente, se trata de un tubo flexible que se somete a presión. El tubo flexible es una combinación de material homogéneo y flexible envuelto en una red de fibras resistentes dispuestas en forma de rombos. De esta manera se obtiene una estructura reticular de tres dimensiones. Este actuador puede funcionar tanto con fluidos compresibles como incompresibles (por ejemplo, agua limpia). Al igual que en otros componentes sometidos a esfuerzos de tracción, también en el músculo neumático sólo se producen tensiones normales que se reparten de modo homogéneo en la superficie transversal. El músculo permite obtener fuerzas considerables utilizando poco material. Las construcciones sometidas a esfuerzos de tracción suelen ser más sencillas que las que tienen que soportar fuerzas de compresión o pandeo, ya que no se producen inestabilidades en su estructura. Para diseñar un músculo neumático puede recurrirse a fibras de gran resistencia, normalmente no utilizadas en sistemas que funcionan con presión. El músculo neumático de Festo es un producto estándar con estas características. Se trata de una membrana flexible y resistente a la tracción accionada por aire, otros gases o líquidos. Su forma es cilíndrica y la relación entre la fuerza y la masa es de aproximadamente 400:1. La contracción a lo largo del eje longitudinal es directamente proporcional al volumen del aire aplicado. La tensión que se produce en las paredes de superficies delgadas de forma esférica o cilíndrica depende de su tamaño. Cuanto más grande es la esfera o el cilindro, tanto mayor es la tensión s si se aplica una presión interior p2. La ley de Laplace (asumiendo que fuera efectivamente su descubridor) determina lo siguiente en relación con las esferas (fig. 3-1): σ = (p2 – p1) · r ·

Fig. 3-1: Rotura de un cuerpo hueco de pared delgada

1 2 r

p1

p2

p2

p1

Tensión

20

3 Tecnología y características del músculo neumático

En los cilindros es válida la misma ecuación, aunque sin el factor 1/2. Los cilindros son curvos en un sentido, mientras que las esferas lo son en dos. Dado que la presión se mantiene sólo por la tensión que actúa en un solo sentido, ésta se duplica. Un cilindro con extremos semiesféricos suele romperse en la parte cilíndrica central si se hincha hasta que revienta [5]. El principio de un sistema cilíndrico de membrana de contracción se muestra en la fig. 3-2. Un tubo hermético y flexible está rodeado por una red de fibras resistentes dispuestas en forma de rombos. Estas fibras forman una estructura reticular tridimensional a modo de refuerzo del tubo flexible. Si se aplica aire comprimido, el tubo se deforma aumentando su diámetro, produciéndose una fuerza de tracción axial. Cuanto mayor es la presión interior, tanto más se contrae el músculo. Fig. 3-2 Equilibrio de fuerzas en un sistema de membrana de contracción (sin considerar las tensiones elastómeras y la dilatación de las fibras)

∆FU p

p d

p

FZ

FZ ∆FU

∆FU

∆FL

∆FL

2α

L

∆U

2α

∆FU

Carrera

Ecuaciones aplicables: tan α =

∆FU ∆U = ∆FL ∆L

2 · ∆FU = p · d · ∆L π ·d · ∆FL = p · π d2 + FZ ∆U 4 π 2  3 · cos2α – 1 ·d  4 1 – cos2α

 1 √3

 

FZ = 0 → α0 = arccos

 

FZ = p ·

→ = α0 = 54,7° 3 Tecnología y características del músculo neumático

21

Significado: d FZ ∆FL ∆FU ∆L p ∆U α αo

Diámetro del músculo Fuerza de tracción Modificación de la fuerza de tracción Fuerza tangencial Modificación de la longitud Presión interna en el músculo Modificación del perímetro Semiángulo de los rombos Ángulo neutral de los rombos

En la fig. 3-3 se explican estas fórmulas y el funcionamiento del músculo [5]. Primero se analizan los casos extremos.

A Zona de explosión B Zona floja C Línea de contracción

1,0 A Volumen relativo

Fig. 3-3 Relación entre el volumen y la longitud de un cilindro envuelto en una red romboidal de fibras al cambiar el ángulo de las fibras

0,8

60°

50° 40°

70°

0,6 B

C

30°

80°

0,4

20° 0,2

0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Longitud relativa

Si la longitud es igual a cero, no hay volumen. En ese caso, el cilindro se reduce a un disco. Las fibras formarían círculos sin ascendencia. Si el cilindro se expande hasta la longitud máxima, se transforma en una línea, por lo que tampoco tendría volumen. Las fibras estarían dispuestas longitudinalmente. El cilindro alcanza su volumen máximo aproximadamente en la mitad de estos dos casos extremos, siendo el ángulo de los rombos de 54,7°. Ese es el ángulo neutro, en el que un aumento de la presión interna provocaría con igual probabilidad un alargamiento o ensanchamiento del cilindro. En otras palabras: con ese ángulo de las fibras, la fuerza de tracción es igual a cero. En la fig. 3-4 se muestra la evolución típica de la fuerza durante la contracción del músculo neumático. Con él es posible obtener carreras útiles de hasta un 25% de su longitud nominal. La aceleración es grande al principio y lenta al aproximarse a la posición prevista. La fuerza de tracción es máxima al principio del proceso de contracción y disminuye casi linealmente hasta llegar a cero al

22

3 Tecnología y características del músculo neumático

aumentar la carrera. Un cilindro neumático convencional aplica la misma fuerza en toda la carrera, por lo que es necesario amortiguarlo en las posiciones finales para evitar que se produzca un golpe seco en ellas. Fig. 3-4 Diagrama de fuerza y contracción del músculo neumático

5000 3 Fuerza en N

1 Músculo con diámetro de 10 mm 2 con diámetro de 20 mm 3 con diámetro de 40 mm

6000

4000 3000 2 2000 1000 1 0 –5

0

5

10

Expansión en %

15

20

25

Contracción en %

Si se compara el músculo neumático con un cilindro convencional del mismo diámetro, puede apreciarse que el músculo tiene una fuerza inicial muy superior. Esta ventaja del músculo neumático resulta evidente en la fig. 3-5. Fig. 3-5 La fuerza de tracción superior del músculo neumático resulta evidente.

1

1 Cilindro neumático 2 Músculo neumático 3 Masa

2

3 10 x G

Fuerza de elevación

Fuerza de elevación

G

Carrera

3 Tecnología y características del músculo neumático

Carrera

23

Esta circunstancia es, a la vez, un criterio importante para elegir las aplicaciones del músculo neumático. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que las condiciones varían según las cargas. En la siguiente tabla (tabla 1) se explican las características. Tabla 1 Diversas características de la carga al utilizar un músculo neumático

p

v = const.

p1 = const.

Elevar una carga que descansa sobre una superficie

Elevar/descender una carga que pende

Amortiguar movimientos mediante un volumen o una presión constantes

Para enganchar una pieza sin aplicar fuerza, es necesario que descanse sobre una base. En esta situación, el músculo no está ni estirado ni comprimido.

Enganchando una pieza que pende se produce un estiramiento del músculo si éste no está sometido a presión. En estas circunstancias, el músculo desarrolla fuerzas máximas en condiciones dinámicas óptimas y consume poco aire.

El músculo reacciona como un muelle si se modifica la fuerza aplicada externamente. Es posible modificar la tensión previa y la rigidez de este “muelle neumático”, obteniéndose líneas características diferentes del efecto amortiguador.

En cualquier aplicación deberá tenerse en cuenta también la temperatura ambiente. Si el músculo es de material estándar y si la temperatura ambiente es superior a 60 °C, no es recomendable su utilización ininterrumpida, ya que en ese caso se produciría un envejecimiento prematuro del elastómero de caucho. Si la utilización es breve (algunos segundos), el músculo puede funcionar perfectamente estando expuesto a una temperatura superior a 60 °C.

24

3 Tecnología y características del músculo neumático

En aplicaciones dinámicas, el músculo también funciona a temperaturas inferiores a +5 °C, ya que después de unos pocos ciclos de cambio de carga aumenta su temperatura debido al aire comprimido. Si, por lo contrario, el esfuerzo es estático y las temperaturas son bajas, las fuerzas obtenidas son menores que aquellas que se obtienen si el músculo se utiliza bajo las condiciones de temperatura recomendadas. Ello se debe a que la membrana es más rígida si las temperaturas son bajas, por lo que es necesario aplicar una energía mayor para que se dilate. Si las condiciones de la aplicación lo exigen, la composición del elastómero de caucho puede modificarse de tal modo que el músculo funcione sin problemas a temperaturas inferiores a los 5 °C o superiores a los 60 °C. Sin embargo, esta modificación puede afectar a otras características del músculo neumático (por ejemplo, a su duración). ¿Cómo calcular los parámetros principales en función de cada aplicación? El margen de funcionamiento del músculo neumático queda reflejado en el diagrama de fuerza y contracción (fig. 3-6). El margen de aplicación depende del diámetro y está determinado por los siguientes límites: • Límite de la tensión previa máxima admisible (línea izquierda vertical) • Límite de la fuerza máxima posible (línea superior horizontal) • Límite de la presión de funcionamiento máxima (línea derecha descendente) • Límite de la deformación máxima (línea derecha vertical) Fig. 3-6 Margen de funcionamiento admisible del músculo neumático con diámetro interior de 20 mm

Presión máx. de funcionamiento Tensión previa máx.

Fuerza (N)

Limitación de fuerza

Margen de funcionamiento admisible

Deformación máx.

Contracción [%]

Al seleccionar un músculo neumático debe tenerse en cuenta que los puntos de aplicación de la carga se encuentren dentro del margen de funcionamiento admisible. Ejemplo Tarea: una carga constante de 80 kg hay que elevarla a 300 mm. Para ello se dispone de aire comprimido a 6 bar. ¿Qué músculo neumático (diámetro, longitud) deberá seleccionarse?

3 Tecnología y características del músculo neumático

25

Paso 1 Determinar el tamaño en función de la carga máxima que deberá elevarse. Considerando una fuerza de F = 800 N, puede utilizarse el músculo neumático MAS-20-... Paso 2 Incluir los dos puntos de carga en el diagrama. Se trata de los puntos F = 0 N con presión p1 = 0 bar y F = 800 N con presión p2 = 6 bar. Paso 3 Leer la contracción del músculo expresada en tanto por ciento en el diagrama. El cambio de la longitud corresponde a una contracción de un 10%. Paso 4 Calcular la longitud nominal del músculo. La longitud nominal NL es el resultado de la carrera dividida por la contracción (en calidad de factor). Ello significa que NL = 300 : 0,1 = 3000 mm. Considerando este resultado, tendría que verificarse si se dispone de suficiente altura para esta aplicación. Si se opta por elevar la masa utilizando una polea, entonces la carrera del músculo podrá ser del 50%, pero la fuerza desarrollada será también la mitad. Ello significa que sería suficiente utilizar un músculo de 1,5 metros, pero que desarrollara el doble de fuerza. Esta solución se muestra en la fig. 3-7. Cabe anotar que esta solución implica la utilización de una estructura mecánica más complicada. Fig. 3-7 Solución alternativa para disminuir la longitud nominal del músculo neumático

Carrera

Carrera

26

3 Tecnología y características del músculo neumático

Para calcular el músculo es recomendable utilizar el software “MuscleSIM”. Debido a la histéresis del músculo, es posible que los resultados obtenidos mediante el diagrama de fuerza/contracción difieran de los que ofrece el software. El software de simulación es muy sencillo: • Definir la carga • Incluir los datos del proyecto (carrera, fuerzas, presión) • Obtención de la recomendación relacionada con los datos del músculo neumático (longitud nominal, grado de contracción, masa total, espacio necesario para el montaje) • Obtención de la lista de piezas Al tomar una decisión en favor del músculo neumático, siempre se realiza consciente o inconscientemente una comparación con un cilindro neumático convencional. Por ello se ofrece en la tabla siguiente (tabla 2) una comparación de las ventajas y desventajas de ambas soluciones. Tabla 2 Comparación entre el músculo neumático y el cilindro neumático convencional con émbolo

Ventajas frente a un cilindro convencional con émbolo

Desventajas frente a un cilindro convencional con émbolo

• Siendo igual el diámetro, la fuerza (inicial) máxima es muy superior • Mejor resistencia a los medios • Masa mucho menor por unidad de fuerza • Precio inferior (dependiendo del producto con el que se compara) • Posicionamiento sencillo mediante regulación de la presión; también en lo que se refiere a las posiciones intermedias • Sin fugas (cuerpo hermético) • En muchas aplicaciones, menor consumo de aire comprimido • Fabricación sencilla de actuadores de cualquier longitud • Funcionamiento altamente dinámico, gran capacidad de aceleración • Ausencia de movimientos a tirones • Apropiado para salas limpias y para entornos industriales con suciedad • Posicionamiento sin ruidos • Funcionamiento con aire o con agua • Posibilidad de prescindir de lubricantes

• Mayor tamaño para igual carrera • La fuerza máxima se reduce a cero en el límite del recorrido (lo que también puede ser una ventaja en función de cada aplicación) • Imposibilidad de generar directamente una fuerza de presión • Imposibilidad de disponer de función de doble efecto • Imposibilidad de guiar la carga; en caso necesario deben preverse estructuras mecánicas adicionales • Envejecimiento del caucho; la duración depende del grado de contracción y de la temperatura • Sensible a cortes ocasionados por objetos con cantos cortantes y a salpicaduras de soldadura; en caso necesario deben montarse sistemas de protección • Peligro de aneurisma o formación de fisuras. El músculo no es resistente a sobrecargas

3 Tecnología y características del músculo neumático

27

Además debe tenerse en cuenta la resistencia del material elastómero (cloropreno). A este respecto pueden considerarse las siguientes características: Resistencia a los fluidos Buena: Envejecimiento, intemperie, resistencia a llamas Aceptable: Acetona, gasolina, soluciones alcalinas, ozono, aire caliente, frío, ácidos, agua (caliente) Mala: Benceno, cloro, vapor, ésteres, percloroetileno, piralenos Propiedades mecánicas Buenas: Fricción, doblado, dilatación, tenacidad, resistencia a la tracción Aceptables: Elasticidad, estabilidad dimensional Malas: Aislamiento eléctrico La frecuencia máxima de los ciclos de trabajo depende de numerosos parámetros: • La carrera necesaria • El grado de contracción del músculo • La carga, la presión, la temperatura, las válvulas y la forma de la alimentación del aire • Disposición de la aplicación (amortiguación de la carga, topes, muelles mecánicos para el retroceso, etcétera.) Si se configura correctamente, el músculo neumático puede funcionar a frecuencias de hasta 3 Hz sin que por ello disminuya la duración del material. Para obtener frecuencias elevadas, es recomendable configurar el músculo de tal modo que su contracción no sea superior a un 10%; además, debería estar conectado por ambos extremos, con el fin de poder llenarlo y vaciarlo de aire muy rápidamente. De lo contrario, el músculo adquiriría una temperatura muy alta debido a la compresión permanente del mismo volumen de aire. Dicho sea de paso que también en los seres vivientes cualquier movimiento de un músculo produce calor. La generación del calor empieza al inicio de la contracción y perdura una vez finalizado el movimiento. En los parámetros relacionados con la velocidad se aplican los mismos criterios que en relación con la frecuencia. Los ensayos se realizaron bajo condiciones nominales específicas (temperatura ambiente, Ln = 10 x diámetro interior, 6 bar, músculo suelto en un extremo, sin carga adicional). La velocidad mínima es casi de 0 m/s, la velocidad máxima es de 1,5 m/s en el caso del MAS–10 y de 2 m/s en el caso del MAS–20 y del MAS–40. La duración depende de la carga que, a su vez, es el resultado del esfuerzo térmico, de la deformación y de la carga adicional. Ventilando el sistema es posible reducir la carga (térmica) de las piezas, consiguiéndose así un aumento significativo de la duración.

28

3 Tecnología y características del músculo neumático

El músculo neumático puede montarse con la ayuda de diversos componentes periféricos. En la fig. 3-8 se muestran estos componentes que pueden sujetarse a los dos extremos del músculo neumático, dependiendo de los requisitos que plantee la aplicación en cada caso. Fig. 3-8 Componentes periféricos para la conexión del músculo neumático a las máquinas (Festo) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Adaptador ciego Adaptador radial Adaptador axial Válvula reguladora de caudal Racor rápido Racor enchufable Quick-Star Boquilla enchufable con rosca Barra roscada Escuadra Horquilla Horquilla articulada Acoplamiento Horquilla con barra roscada

El músculo puede tener una longitud de hasta 9000 mm, dependiendo de los requisitos planteados por la aplicación. El tubo flexible puede tener elementos de sujeción desmontables o fijos. Ambas versiones constan en la fig. 3-9. El músculo neumático está disponible actualmente con diámetros de 10, 20 y 40 mm. Fig. 3-9 Ejecuciones del músculo neumático

Carrera

3 1

a) Músculo neumático con conexiones desmontables b) Músculo neumático con conexiones fijas 1 Tuerca 2 Cono prensador 3 Membrana del músculo neumático 4 Estado relajado 5 Estado contraído

2

a) 4 6

5

3

Carrera

b)

3 Tecnología y características del músculo neumático

29

El accionamiento de los músculos neumáticos es sencillo y, a la vez, interesante. El músculo reacciona a las más mínimas modificaciones de la presión y funciona con presiones entre 0 bar y p máx. = 6 bar (tratándose de músculos neumáticos con diámetros de 10 mm es posible aplicar una presión de hasta 8 bar). La relación proporcional existente entre la variación de la longitud y el volumen permite efectuar operaciones de posicionamiento con posiciones intermedias prescindiendo de complicados sistemas electrónicos de regulación, únicamente modificando la presión interior. Sin embargo, el posicionamiento es más bien poco preciso debido a la histéresis del músculo. Ello significa que el músculo neumático utilizado para operaciones de posicionamiento puede considerarse una solución de tecnología sencilla y de bajo costo. El músculo neumático es muy apropiado para aplicaciones difíciles, ya que no tiene componentes eléctricos o electrónicos y porque el actuador es completamente estanco. Estas características son importantes cuando se utilizan actuadores en zonas con peligro de explosión. Además, el sistema de control también puede ser completamente neumático. Bajo circunstancias de utilización extremas, la duración del músculo disminuye significativamente. Los siguientes factores inciden negativamente en su duración: • Aumento de la contracción h, expresada en tanto por ciento • Aumento de la masa adicional m, expresada en kilogramos • Aumento de la temperatura ambiente y la temperatura de utilización, expresada en grados centígrados Estos factores se explican más detalladamente en la fig. 3-10.

Duración C en cantidad de ciclos

Fig. 3-10 Duración C (n = cantidad de ciclos) en función de la carga

Masa m = O

Masa m = máx.

0

5

10

15

20

25

Contracción h en %

30

3 Tecnología y características del músculo neumático

30

Del gráfico se desprenden las siguientes recomendaciones: • ¡Prever una longitud suficiente del músculo! • La duración depende de las contracciones. Menos contracciones redundan en una duración mayor. • La alimentación y descarga del aire comprimido por ambos lados reduce la temperatura de funcionamiento del músculo neumático (recomendada si la frecuencia es superior a 2 Hz; músculo MAS-...-MO...). En los cilindros neumáticos de simple efecto el consumo de aire comprimido es menor que en los cilindros de doble efecto porque sólo se consume aire durante el movimiento de trabajo. Lo mismo se aplica en el caso del músculo neumático. Además, en comparación con un cilindro neumático convencional, consume aproximadamente un 40% menos de energía siendo igual la fuerza. Dado que el músculo neumático no tiene émbolo, es posible reducir el volumen interior con un cuerpo interno adicional. De esta manera se disminuye adicionalmente el consumo de aire comprimido sin que por ello se interfiera en el funcionamiento o en la duración del músculo neumático, al menos en circunstancias normales. En la fig. 3-11 se muestra la utilización de un cuerpo adicional dentro del músculo. Sin embargo, tratándose de aplicaciones muy dinámicas, debe tenerse en cuenta que la utilización de una menor cantidad de aire puede provocar un calentamiento indebido del músculo neumático. Fig. 3-11 Músculo neumático con cuerpo adicional de relleno 1 Músculo neumático 2 Cuerpo adicional en el interior

1

2

También en el caso del músculo neumático deben aplicarse criterios de seguridad. Un músculo bajo presión contiene un gran potencial energético. La liberación repentina de esa energía (por ejemplo, si revienta el tubo flexible a raíz de una utilización indebida) puede tener como consecuencia el desprendimiento brusco de partes del músculo. Por ello, cualquier manipulación en el músculo deberá hacerse únicamente sin que esté sometido a presión [13].

3 Tecnología y características del músculo neumático

31

En la tabla 3 constan los datos técnicos más importantes de los músculos neumáticos actualmente disponibles. Tabla 3: Datos de los músculos neumáticos disponibles

Tipo

MAS-10-...

Presión máxima de funcionamiento 8 bar Frecuencia de trabajo máxima

MAS-20-...

MAS-40-…

6 bar

3 HZ

2 HZ

Rosca de conexión

M10 x 1,25

M16 x 1,5

M20 x 1,5

Diámetro interior del tubo flexible reforzado

10 mm

20 mm

40 mm

Asimetría máxima admisible de las conexiones

– Desfase del ángulo < 1° – Desfase transversal < 2 mm por cada 100 mm longitud nominal

Extensión previa máxima admisible 3% de la longitud nominal ***) Contracción máxima

20% de la longitud nominal ***)

Margen de temperatura admisible

+5 °C ... +60 °C

Fuerza de elevación máxima a 6 bar**)

400 N

1200 N

4000 N

Carga útil máxima admisible (pieza colgante)

30 kg

60 kg

120 kg

Histéresis máxima

inferior a 5%

Relajamiento máximo

inferior a 5% (a temperatura ambiente) inferior a 10% (a temperatura máxima)

Velocidad minima máxima

0,05 m/s 1,5 m/s

0,05 m/s 2 m/s

0,05 m/s 2 m/s

Consumo teórico de aire a 1 HZ*)

10 l/min

75 l/min

600 l/min

Fugas normales

inferiores a 1 l/h

Precisión de repetición

Variación máxima del 3%

Materiales

Brida de conexión: Tubo flexible: Pegamento:

Al ( anodizado); acero ( cincado); NBR Cloropreno, aramida Loctite 243

*)

Condiciones nominales: 6 bar, longitud nominal x diámetro, estiramiento previo máximo Limitada por sistema de seguridad de limitación de la fuerza Longitud nominal = Zona visible del tubo flexible sin carga

**) ***)

32

25% de la longitud nominal ***)

3 Tecnología y características del músculo neumático

Ejemplo de configuración Elevación de una carga constante. Utilización del músculo neumático para acoplar una carga constante de 80 kg a partir de una superficie básica y elevarla 100 mm. La presión de funcionamiento es de 6 bar. Se busca el tamaño apropiado del músculo neumático (diámetro y longitud nominal) (otras cargas: programa de cálculo “MuscleSIM”). Condiciones de la tarea

Valores

Fuerza necesaria en posición de reposo Carrera necesaria Fuerza necesaria en estado de contracción, aprox. Presión de funcionamiento

0N 100 mm 800 N 6 bar

Solución Paso 1 Determinar el tamaño del músculo neumático. Determinar el diámetro apropiado del músculo neumático en función de la fuerza necesaria. La fuerza necesaria es de 800 N, por lo que deberá elegirse un MAS-20-... . Paso 2 Incluir el punto de carga 1. El punto de carga 1 se incluye en el diagrama del MAS-20-... . Fuerza F = 0 N Presión p = 0 bar Paso 3 Incluir el punto de carga 2. El punto de carga 2 se incluye en el diagrama fuerza/recorrido. Fuerza F = 800 N Presión p = 6 bar Paso 4 Lectura del cambio de longitud. El cambio de longitud del músculo neumático se lee en el eje X entre los dos puntos de carga (contracción en %). Resultado: Contracción de 10,7% . Paso 5 Cálculo de la longitud nominal Siendo necesaria una carrera de elevación de 100 mm, la longitud nominal del músculo se obtiene dividiendo por la contracción porcentual. Resultado: 100 mm/10,7% ~ 935 mm. Paso 6 Resultado: La longitud nominal del músculo que deberá pedirse es de 935 mm. Para acoplar sin fuerzas una carga de 80 kg y para elevar esa carga 100 mm, se necesita un MAS-20-N935-AA-… . Véase la diagrama por lado 25.

3 Tecnología y características del músculo neumático

33

4 Características constructivas del músculo neumático

El primer criterio que debe tenerse en cuenta al diseñar la unión entre el músculo y la carga es utilizar sistemas que no puedan transmitir esfuerzos de compresión, de torsión o de flexión. Estos esfuerzos pueden contrarrestarse en diversos casos desviando la fuerza. El músculo neumático es, antes que nada, un actuador de tracción y como tal debe emplearse. En la fig. 4-1 se muestran las desviaciones admisibles con el músculo neumático en funcionamiento. Cualquier sujeción del músculo que no sea paralela tiene efectos negativos y puede evitarse recurriendo a elementos de unión tipo cabeza de biela o tipo rótula. Deberán evitarse cargas excéntricas y la aparición de fuerzas torsionales.

vL

NL

NL Longitud nominal vL Longitud con estiramiento previo G Peso kL Longitud contraída P Error de paralelismo admisible (inferior a 2 mm por cada 100 mm de la longitud nominal) W Conexión con movimiento angular α Error angular admisible (< ± 1°) M Momento de giro (M = 0 Nm) E Excentricidad de la carga (E = 0 mm)

kL

Fig. 4-1 Denominaciones y desviaciones admisibles al efectuar el montaje

E

G

G

α

G

P M G

G

W

Deberá tenerse en cuenta que el estiramiento previo máximo admisible no deberá superar el 3% de la longitud nominal. Este valor es válido para el músculo neumático de 10 mm de diámetro suponiendo la existencia de una carga colgante adicional de 30 kg.

34

4 Características constructivas del músculo neumático

Si el músculo neumático se somete a una carga estática durante un tiempo prolongado (más de 500 horas), se produce un efecto de relajación. Ello significa que el músculo se alarga, con lo que disminuye ligeramente la fuerza suponiendo que no cambian la presión interna y la posición. Expuesto a temperatura ambiente, el alargamiento por relajación es inferior a un 5% en los tres músculos neumáticos de diferentes diámetros. Si la temperatura es de 60 °C, dicho alargamiento es igual o inferior a un 10%. El músculo neumático es un actuador de tracción, con lo que únicamente puede transmitir fuerzas de tracción. Al igual que en el caso del uso de sogas, cadenas o correas, el músculo neumático no tiene guía al ejecutar su movimiento, por lo que es necesario montar elementos adicionales. En el caso de los cilindros neumáticos de tipo convencional no es necesario hacerlo, ya que el émbolo y el vástago son rígidos y guían el movimiento. Cualquier tipo de guía implica el montaje de elementos adicionales, lo que redunda en un aumento de los costos. En estos casos, la relación masa/rendimiento resulta algo menos favorable. En la fig. 4-2 se muestran algunas soluciones para guiar los movimientos. Fig. 4-2 Guías para los movimientos del músculo neumático a) Guía mediante barra interna b) Guía mediante barra externa c) Guía externa mediante placas

1

5

1

1

2

2

1 Músculo neumático 2 Barra de presión, movimiento de compresión 3 Muelle de compresión 4 Columna de guía 5 Placa

3

4 3

5 a)

b)

c)

Tal como se indica en la fig. 4-2, eligiendo la guía, el punto de conexión y el extremo móvil apropiados del músculo neumático, también es posible utilizarlo como actuador de compresión. Otra posibilidad consiste en utilizar un mecanismo tipo tijera, por ejemplo para guiar una carga al elevarla. Esta solución puede apreciarse en la fig. 4-3. Este tipo de instalaciones suele montarse sobre un carro que se desplaza colgado del techo. El mecanismo de tijera es doble y el músculo neumático se encuentra en el medio. Pero también puede optarse por otras soluciones mecánicas mediante palancas. En el caso que se muestra en la fig. 4-4, el movimiento elevador del músculo neumático se guía a lo largo de una línea recta mediante un brazo articulado.

4 Características constructivas del músculo neumático

35

Fig. 4-3 Mecanismo tipo tijera para guiar los movimientos del músculo neumático 1 Articulación 2 Músculo neumático 3 Conducto para aire comprimido 4 Brazo del mecanismo de tijera 5 Pinzas 6 Pieza p Aire comprimido

3 p

1

2

4

Carrera 5

6

Este brazo puede ser doble simétricamente, obteniéndose un sistema de cuatro articulaciones. En comparación con las guías longitudinales, estos mecanismos articulados tienen la ventaja de que la guía no tiene piezas que se desplazan en el mismo sentido del movimiento del músculo. Este es un criterio que puede resultar importante si no se dispone de suficiente espacio en la parte superior. Sin embargo, estos sistemas también ofrecen desventajas, tales como una carrera de elevación limitada y la necesidad de montar piezas adicionales para la guía. Fig. 4-4 Guía con brazos articulados en forma de paralelogramo 1 2 3 4 5 6 7

Carril en el techo Rodillo Músculo neumático Paralelogramo Soporte de la carga Gancho Empuñadura para dirigir la manipulación

1 2 3

4

5

6

36

4 Características constructivas del músculo neumático

7

En la fig. 4-5 se muestra otra solución. En este caso se utilizan cuatro cintas de rigidez transversal dispuestas en ángulo de 90° entre sí. Las cintas están enrolladas en rodillos provistos de muelles de torsión en su interior. Así, las cintas se enrollan automáticamente. Uno o varios músculos neumáticos están conectados al bastidor elevador y se ocupan de ofrecer la fuerza necesaria para la operación de elevación. Las cintas hacen además de protección para los músculos neumáticos. Fig. 4-5 Estabilización del movimiento de elevación mediante cuatro cintas de rigidez transversal.

1 1 2 3 4 5

Estructura Músculo neumático Rodillo Cinta Bastidor

2

3

4

5

En muchas máquinas no es necesario prever una guía especial para el músculo neumático ya que la máquina como tal ya está provista de los elementos necesarios, por lo que únicamente hay que utilizar los puntos de conexión apropiados para el músculo. Lo dicho también se aplica en el caso de utilizar el músculo neumático como muelle, tal como se puede apreciar en la fig. 4-6. En este ejemplo se muestra una «bota saltadora» («airhopper») según un proyecto de B. Osko y O. Deichmann y en la que el músculo neumático hace las veces de muelle. Con esta bota se puede saltar más alto o más lejos gracias a la fuerza del muelle, ya que una parte de la energía cinética que se produce en cada salto se acumula para volver a disponer de ella en el siguiente salto. Esta construcción tomó como ejemplo los tendones de las patas de los canguros. Sin embargo, es sumamente difícil acostumbrarse a dar saltos con las dos piernas juntas. Pero también existen skateboards provistos de músculos neumáticos en la suspensión con el fin de amortiguar los movimientos y aumentar así la maniobrabilidad del artefacto [6].

4 Características constructivas del músculo neumático

37

Fig. 4-6 Airhopper (Festo) 1 Bota 2 Músculo neumático 3 Base

1

2

3

Existen muchos modos de diseñar actuadores neumáticos que, combinados con un músculo neumático y un muelle de compresión, pueden asumir las funciones de un cilindro de simple efecto. En las figuras 4-7 y 4-8 se muestran diversos ejemplos. En estos casos puede utilizarse, por ejemplo, un músculo neumático de 20 mm de diámetro. La ventaja consiste en su gran fuerza (1200 N) y en su respuesta inmediata. Fig. 4-7 Cilindro con muelle de compresión y reposición por músculo neumático

6 7

1 Culata 2 Cuerpo cilíndrico con diámetro de 42 mm 3 Muelle de compresión 4 Músculo neumático 5 Anillo opresor 6 Casquillo 7 Leva 8 Conexión del aire comprimido

1

38

2

3

4

5

4 Características constructivas del músculo neumático

8

1

El cilindro de la fig. 4-7 tiene una leva guiada a la que pueden conectarse componentes de máquinas. El muelle de presión o los resortes de disco se encuentran en el interior del músculo (fuerza del muelle: aproximadamente 700 N). El cilindro con músculo neumático de la fig. 4-8 fue desarrollado para la sujeción de piezas y puede montarse de tal modo que asuma funciones de compresión o de tracción, dependiendo del lado en el que aplique la fuerza. El cuerpo básico está montado sobre la mesa de una máquina, pudiéndose utilizar para ello ranuras de guía. El cuerpo cilíndrico se mueve cuando se aplica aire comprimido. El muelle sirve para recuperar la posición normal del músculo neumático, con lo que es posible aprovechar casi la totalidad de la fuerza del músculo para la aplicación. Fig. 4-8 Cilindro con músculo neumático

3

4

5

6

1 Cuerpo con diámetro de 42 mm 2 Tapa roscada 3 Anillo opresor 4 Camisa 5 Muelle de compresión 6 Músculo neumático 7 Rosca de conexión 8 Conexión del aire comprimido

2

7

8 2

1

1

Utilizando una unidad de guía estándar (FEN-...) y un músculo neumático en vez de un cilindro neumático convencional, se obtiene un actuador más económico (fig. 4-9). Además puede escogerse entre una unidad con guía deslizante o con guía de rodamientos. Y si es necesario, también puede montarse un sistema de medición de recorrido. La calidad del guiado es buena y, además, tratándose de una guía doble, no se producen movimientos torsionales. Una unidad de esta índole es apropiada para muchas aplicaciones de automatización industrial, especialmente si se necesitan recorridos cortos.

4 Características constructivas del músculo neumático

39

Fig. 4-9 Unidad de guía estándar con músculo neumático

6

a) Guía deslizante b) Guía de rodamiento de bolas 1 2 3 4 5 6

1 5

Barra de guía Músculo neumático Guía deslizante Guía de rodamiento Muelle de compresión Yugo

4 2 5

3 2 a)

b)

En la fig. 4-10 se muestran algunas variantes para la conexión del músculo al sistema neumático. Se distinguen por la cantidad de movimientos por unidad de tiempo. En el caso de los circuitos de la fig. 4-10 b y d deberán montarse las válvulas lo más cerca posible del músculo neumático. Además, es recomendable que los diámetros de los elementos de conexión y de los tubos flexibles sean lo más grandes posible. Los circuitos deben respetar los principios básicos válidos en la neumática, tal como se indica, por ejemplo, en [14] y [15]. Fig. 4-10 Esquemas neumáticos para la conexión del músculo neumático

3 2

a) Alimentación de aire con adaptador radial o axial (frecuencia de hasta 0,5 Hz) b) hasta d) Entrada de aire mediante adaptadores axiales (frecuencia de hasta 0,5 Hz)

2

3

1

1

a)

1

3

P

b)

A R

4

1 Músculo neumático MAS-...MC 2 Músculo neumático MAS-...MO 3 Válvula de 3/2 vías 4 Válvula de antirretorno 5 Válvula de escape rápido 6 Válvula estranguladora 7 Válvula de 5/2 vías

4

2

1 1

3 5 1 3 12

6 c)

40

2

d)

4 Características constructivas del músculo neumático

A P 5

R

El músculo neumático también funciona con vacío, aunque sólo de modo indirecto, tal como puede apreciarse en la fig. 4-11. El lado fijo del músculo está abierto y conectado a la atmósfera; si es necesario, en este lado puede montarse un silenciador. El vacío actúa sobre el exterior del músculo. Al conectar el vacío, se retrae el vástago porque la presión en el interior del músculo es mayor. Para volver a la posición normal (avance del vástago) se utiliza la fuerza de un muelle. También es posible aplicar una fuerza externa, desacoplada del proceso. Fig. 4-11 Funcionamiento del músculo con vacío 1 2 3 4 5 6 7 8

Cuerpo Conexión con la atmósfera Músculo neumático Conexión de vacío Vástago Plato del muelle Muelle de recuperación Tuerca

5

6

7

1

3

8 2

4

También es interesante analizar cómo cambian las fuerzas y las carreras si se conectan varios músculos neumáticos en serie o en paralelo. En la fig. 4-12 se ofrece información al respecto. Es posible sumar las fuerzas (disposición en paralelo) o las carreras (disposición en serie). En este último caso habría que pensar en la posibilidad de utilizar más bien un músculo neumático correspondientemente más largo. Sin embargo, ello sólo es posible si el sentido de la aplicación de la fuerza es uniforme. En la fig. 5-1 se muestran diversas variantes de aplicaciones. Con frecuencia se pregunta si es posible aprovechar la expansión radial del músculo neumático para tareas de sujeción. La respuesta es muy clara: el músculo no puede aprovecharse para dicha función, no solamente porque en ese caso la superficie del músculo se desgastaría prematuramente por la fricción, sino especialmente porque al producirse la contracción, la red de las fibras se desplaza. Por lo tanto, cualquier fricción en la superficie del músculo provocaría un desgaste considerable. El músculo neumático fue concebido y optimizado únicamente como actuador de tracción.

4 Características constructivas del músculo neumático

41

Fig. 4-12 Conexión de varios músculos neumáticos

Recorridos s

Fuerzas F

s

3F

Conexión en paralelo

3F

Conexión en serie

F 3s

Si a pesar de esta advertencia se utiliza el músculo para sujetar piezas con la superficie lateral (en la fig. 4-13 se muestra un ejemplo), debe contarse con un desgaste prematuro. En la fig. 5-16 se muestra la configuración apropiada para la misma aplicación. Aún así, el mecanismo utilizado en esta solución es relativamente sencillo. Fig. 4-13 Sujeción de una pieza con la superficie lateral del músculo a) Utilización indebida b) Apto para el funcionamiento permanente

1 1 Músculo neumático 2 Pieza 3 Barra de guía

2 3

a)

42

4 Características constructivas del músculo neumático

b)

El músculo neumático tampoco es apropiado para las aplicaciones que constan en la fig. 4-14. En el primer caso se trata de la generación de una fuerza interior al doblar tubos. Para que el tubo mantenga su diámetro interior al doblarlo debe recurrirse preferentemente a los métodos convencionales, es decir, introducir arena en el tubo cerrando sus extremos o introducir un muelle con numerosas espiras; una vez doblado el tubo, se extrae la arena o, respectivamente, el muelle. También es poco recomendable utilizar el músculo neumático para quitar abolladuras en tubos, exceptuando a lo sumo algunos casos excepcionales en aplicaciones artesanales. Fig. 4-14 El músculo neumático como generador de fuerzas de apoyo

1

3

a) Doblar tubos b) Desabollar segmentos de tubos 1 Tubo a doblar 2 Tubo abollado 3 Músculo neumático

2

b)

a)

Si la membrana no está recubierta de una red de fibras en forma de rombos y si, además, tiene forma de almohadilla, la situación es diferente. Mientras que el músculo neumático no es la solución apropiada para estas aplicaciones, con estas “semialmohadillas” hichables sí es posible sujetar piezas. En la fig. 4-15 se muestran algunas aplicaciones con estas almohadillas neumáticas. Fig. 4-15 Sujeción de piezas con músculos neumáticos planos

5

7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Semialmohadilla Pieza Placa de base Conducto de aire comprimido Lector de código de barras Iluminación Articulación giratoria Ángulo de ajuste Placa de base Placa de sujeción Cuerpo interior Anillo para colgar

1

4

a) Pinzas b) Sistema de sujeción c) Sujeción en el interior de tubos d) Semialmohadilla neumática

6

2 11

c)

4

12

1 a)

2

10

1

4

8

11 2 9

3

2 10 9 b)

1

d)

4 Características constructivas del músculo neumático

43

En el caso de la pinza de la fig. 4-15a, la pieza no queda posicionada correctamente en el centro de la pinza. La fuerza de sujeción puede regularse mediante la presión. Deberán evitarse movimientos sin contrafuerza. La pieza no debe tener rebabas ni tampoco debe haber partículas de suciedad con cantos cortantes. Una solución con este tipo de almohadillas neumáticas tiene la ventaja de que no precisa mantenimiento, ya que es suficiente con efectuar un control visual de vez en cuando. Si se montan estos músculos neumáticos planos sobre un cuerpo de varias superficies, puede obtenerse un sistema de sujeción interior, tal como se muestra, por ejemplo, en la fig. 4-15d (sujeción de tubos). En la tabla 4 se incluyen algunas recomendaciones para la utilización del músculo neumático. Tabla 4 Recomendaciones para la utilización del músculo neumático

44

Propiedades

Campos de aplicación

Poca masa, diseño compacto

Aeronáutica, técnica móvil, fabricación de automóviles, sistemas con movimientos dinámicos como (por ejemplo, robótica) equipos altamente dinámicos como (por ejemplo, sistemas para cortar), simuladores

Gran fuerza inicial y gran capacidad de aceleración

Aplicaciones que exigen una gran capacidad de aceleración, sistemas de elevación, sistemas de sujeción, simuladores, pinzas, sistemas de seguridad y bloqueo, relación inicial fuerza/masa de 400:1

Conexiones herméticas, gran resistencia a los medios

Salas limpias, biomedicina, zonas con aguas sucias, depuración de aguas, zonas con peligro de explosión, procesamiento de madera

Movimientos sin tirones

Posicionamiento preciso a bajas velocidades, sistemas de animación en teatros y escenarios, equipos de rehabilitación médica, robots antropomórficos

Ciclos a frecuencias elevadas

Procesos de corte y clasificación altamente dinámicos

Curva de fuerza decreciente (curva fuerza/recorrido)

Suavidad del movimiento en la posición final o nominal

Relación presión/longitud

Avance hasta posiciones intermedias mediante regulación de la presión y sin sistema de medición

Estructura robusta

Utilización en entornos con polvo y suciedad

4 Características constructivas del músculo neumático

5 Aplicaciones

5.1 Elevar

El músculo neumático es un actuador que se presta muy bien para tareas de elevación de piezas debido a su considerable fuerza y a la ejecución de los movimientos sin tirones. Para aumentar la carrera es posible conectar varios músculos en serie y, además, utilizar sistemas de poleas. En la fig. 5-1 se proponen diversas configuraciones (en las gráficas los músculos aparecen a mayor escala). Estas soluciones se refieren a equipos manuales de manipulación de piezas. En algunas de ellas, el músculo neumático puede montarse en voladizos y columnas ocupando poco espacio y muchas veces de modo no visible desde el exterior. En estas aplicaciones suele haber suficiente espacio para conectar varios músculos en paralelo con el fin de aumentar la fuerza disponible. ¿Qué carreras de elevación se obtienen con las variantes de diferentes relaciones?

Fig. 5-1 Posibles variantes para el montaje del músculo neumático [7] a) Montaje sencillo b) Duplicación de la carrera mediante una polea c) Montaje doble con polea d) Disposición en paralelo para aumentar la carrera

L1 3

H2

L1

2

1

2

a)

Variante 1

Variante 2

b)

5

7 6 L1

L2

3 2 H3

F H4

H Carrera L Longitud de la membrana contráctil

8

L1

Ventosa Unidad de mando Músculo neumático Carro Rodillo de desviación Voladizo Placa de conexión Conducto de aire comprimido

4

H1

1 2 3 4 5 6 7 8

6

5

c)

Variante 3

d)

Variante 4

En las variantes 1 hasta 4 incluidas en la gráfica, se obtienen las carreras que se indican a continuación (suponiendo una contracción del 20%): 5 Aplicaciones

45

H1 = 0,2 ⋅ L1 H2 = 2 ⋅ 0,2 ⋅ L1 H3 = [(0,2 ⋅ L1) + (0,2 ⋅ L2)] ⋅ 2 H4 = (0,2 ⋅ L1) + (0,2 ⋅ L2) A continuación se ofrece una comparación de las carreras y fuerzas obtenidas con las variantes que figuran en 5-1. Los datos básicos son los siguientes: L1 = 2000 mm, L2 = 1400 mm Tamaño del músculo neumático MAS 40 (= 40 mm de diámetro interior) Presión de funcionamiento de 6 bar Contracción del 9% y del 20% de la longitud inicial Con estos supuestos, se obtienen los datos que constan a continuación (suponiendo que la carga no pende libremente): Contracción del 9% Variante

Contracción del 20%

Carrera enmm

Fuerza F en N Carrera en mm Fuerza F en N

1 (Fig. 5-1a)

H1 = 180

3900

400

1800

2 (Fig. 5-1b)

H2 = 360

1950

800

1800

3 (Fig. 5-1c)

H3 = 612

1950

1360

1800

4 (Fig. 5-1d)

H4 = 360

7800

800

3600

Estas fuerzas pueden aumentarse de modo muy sencillo conectando en paralelo varios músculos neumáticos. Además, de esta manera los movimientos pueden regularse de modo más fino. En la fig. 5-2 se muestra otro tipo de ejecución. La unidad de elevación completa puede montarse, por ejemplo, en un carril en el techo. Fig. 5-2 Sistema de accionamiento con correa plana para elevar cargas

4 3 5

1 Guía cilíndrica 2 Guía de fricción 3 Rodillo de desviación con eje fijo 4 Montaje en el techo 5 Rodillo de desviación con eje móvil 6 Músculo neumático 7 Base 8 Correa plana 9 Elementos para colgar cargas

1 2 FA 8

9 FG Peso FA Fuerza de accionamiento

46

FG

5 Aplicaciones

6

7

Regulando la presión puede equilibrarse la carga, de modo que se produce una situación de ingravidez aparente al manipular la pieza colgante. Cuanto menor es la masa de la pieza, tanto más dinámicos pueden ser los movimientos accionados por el músculo neumático. Delante y detrás del sistema de rodillos se encuentra montado respectivamente un músculo neumático y los dos están conectados entre sí de modo paralelo. Los músculos se encuentran dentro de un tubo de guía y están sujetos en el lado derecho a la placa de base. La carrera máxima de elevación de la carga cuadruplica en esta construcción la carrera de los músculos neumáticos. Sin embargo, en esta configuración debe tenerse en cuenta que la fuerza disminuye al aumentar la carrera. Por ello se utilizan en este ejemplo dos músculos. En la fig. 5-3 se muestra un sistema de manipulación manual en el que la carga de la pieza también se compensa con un músculo neumático, para lo cual es necesario poder regular la presión. Dependiendo de las cargas, se recurre a uno o varios músculos. Este sistema de accionamiento mediante un músculo neumático puede instalarse fácilmente en combinación con la columna que, de todos modos, tiene el sistema. La utilización de varios músculos tiene la ventaja de ofrecer más seguridad. Si falla un músculo, el segundo garantiza la presencia de una fuerza restante. A diferencia de las unidades de manipulación explicadas antes, en este caso se compensan las fuerzas ocasionadas por el movimiento del brazo en voladizo. El radio de acción de esta unidad de manipulación es relativamente grande, por lo que debe montarse en lugares espaciosos. Fig. 5-3 Sistema de manipulación manual con músculo neumático 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Articulación giratoria Brazo Eje giratorio Actuador final Barra Paralelogramo Músculo neumático Columna Rodamiento de bolas Eje giratorio básico

5 1 2 6

3

4 7

8 7

9 10

5 Aplicaciones

47

Aunque la carrera del músculo es relativamente pequeña, es posible obtener equipos sencillos para la elevación de cargas con este tipo de estructuras. En la fig. 5-4 se aprecia una instalación para la manipulación de losas. Fig. 5-4 Sistema elevador con brazo en voladizo

14

1

2

a) Sistema elevador b) Esquema de distribución

4 1 Brazo en voladizo 2 Carro con generador de aire comprimido 3 Cable eléctrico 4 Músculo neumático de 20 mm de diámetro nominal 5 Conducto de aire comprimido 6 Eyector 7 Empuñadura 8 Ventosa 9 Losa 10 Válvula de vías 11 Tobera de aspiración 12 Filtro de vacío 13 Válvula de palanca 14 Vacuostato

1

2 4

3

11

11

3

13

5 6

12 2

8

7 1

10 9

a)

b)

El aire comprimido se genera localmente y se utiliza para la operación de elevación de piezas, aunque también para la generación de vacío mediante una tobera Venturi. La carga puede manipularse con facilidad, ya que la pieza pende de modo favorable en términos dinámicos. El equilibrado de la carga, es decir, la compensación de todas las fuerzas ocasionadas por el peso, es posible sin que se produzcan movimientos a tirones porque el actuador elevador funciona ejecutando movimientos suaves. El músculo neumático puede utilizarse de modo muy efectivo en diversos equipos de construcción propia. En la fig. 5-5 se aprecia un sistema de esta índole para elevar equipos de engomar para efectuar las operaciones de limpieza necesarias. Esta unidad dispone de pivotes laterales con ganchos para colgar de ellos la pieza. Del mismo modo pueden transportarse otros tipos de pieza en forma de caja, tales como los moldes utilizados en plantas de fundición. Ello significa que la estructura básica del sistema puede tener muchas aplicaciones. Por ejemplo, puede utilizarse para montar pinzas para manipular piezas fundidas o para obtener equipos dotados de ventosas para sujetar placas de madera o de vidrio o para elevar muebles de superficies lisas.

48

5 Aplicaciones

Fig. 5-5 Sistema elevador para equipos de engomar

1

1 Rodillos para desplazamiento a lo largo de un carril montado en el techo 2 Músculo neumático 3 Empuñadura 4 Conducto de aire a presión 5 Ganchos 6 Pieza 7 Base de fijación 8 Válvula estranguladora 9 Corredera de mando 10 Válvula reguladora de presión

4 8

2

9

3 5

10 6 7

Las mesas elevadoras tipo pantógrafo son otra aplicación interesante del músculo neumático. En la fig. 5-6 se ofrecen dos ejemplos. El peso de la placa elevadora suele no ser suficiente por sí solo para el descenso. La fuerza de elevación necesaria proviene de un músculo neumático. También es posible utilizar dos músculos neumáticos con el fin de aumentar la fuerza. El músculo puede montarse de modo relativamente sencillo. Fig. 5-6 Mesa elevadora tipo pantógrafo con accionamiento por músculos neumáticos

1

a) Mesa elevadora con pantógrafo simple b) Mesa elevadora con pantógrafo doble 1 2 3 4

1

3

3 2

Placa elevadora Músculo neumático Pantógrafo Base

F Fuerza

F

5 Aplicaciones

2

2

4

a)

F

b)

49

En la fig. 5-7 se aprecia una posible solución para la elevación escalonada de paletas, de modo que las piezas de la parte superior de la paleta siempre se encuentran a una altura determinada. Un rodamiento de bolas se desplaza a lo largo de un tubo de guía y el giro indebido se evita mediante pernos que se mueven dentro de una ranura longitudinal. Al mismo tiempo, dichos pernos se aprovechan para el montaje del músculo neumático. El músculo está protegido por un tubo. En esta mesa elevadora hay cuatro actuadores de este tipo. Fig. 5-7 Plataforma para elevar paletas 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Placa con brida Músculo neumático Tubo de guía Ranura longitudinal de guía Rodamiento de bolas Masa de compensación Piezas apiladas Trinquete Paleta

7

A

1 p

h7

2

h6 h5

3

h4 h3

h1 hasta h7 Alturas definidas p Aire comprimido

4

h2 h1

8 9

B

5 6

La paleta se deposita en el lugar debido. A continuación, el sistema de trinquetes desciende desde la posición A por efecto del peso. Al pasar por el costado de la paleta, los trinquetes quedan sujetos en su parte inferior en la posición B. La carrera de elevación se define únicamente regulando la presión del músculo neumático.

50

5 Aplicaciones

La regulación del nivel de placas, hojas de papel o cartón apiladas es una función necesaria en muchas máquinas. Para efectuar las operaciones de manipulación correspondientes es indispensable que la altura de las piezas apiladas se mantenga constante aunque la cantidad de piezas varíe. En la fig. 5-8 se muestra una posible solución. La altura se regula mediante un músculo neumático. Para disponer de suficiente carrera, se utilizan tres músculos conectados en serie. De esta manera se suman las carreras de contracción hasta obtener la carrera total necesaria. Sin embargo, la desventaja de este sistema es que en dos de los músculos se mueve la conexión de aire comprimido. Duplicando el sistema en la parte posterior posiblemente pueda prescindirse de una guía adicional en la placa de soporte. Fig. 5-8 Regulación de la altura de piezas apiladas utilizando músculos neumáticos 1 2 3 4 5 6 7

Músculo neumático Papel apilado Estructura básica Rodillo de desviación Cable Placa de soporte Polea doble

7

2

5

1

3 4 6

En la fig. 5-9 se aprecia una aplicación poco usual del músculo neumático. Se trata de un sistema para elevar la parte superior de vidrio de seguridad de vitrinas colgantes. Para retirar las piezas expuestas en la vitrina, el músculo se ocupa de elevar su parte superior, incluyendo las instalaciones eléctricas para la iluminación. A continuación se tiene acceso a las piezas de exposición. En los cuatro extremos de la parte superior de las vitrinas hay cables para guiar el movimiento de elevación. Estos cables están sujetos al techo y a la placa de base de la vitrina, evitando así que la parte superior de la vitrina efectúe un giro al elevarse y, además, consiguen que la placa de base mantenga su posición. Dado que la vitrina está colgada, no tiene pies de apoyo de ningún tipo. Se sobreentiende que esta construcción también puede utilizarse en otras instalaciones en las que es necesario elevar una tapa o campana. Por ejemplo, es 5 Aplicaciones

51

apropiada para elevar campanas de seguridad en puestos de laboratorio, en bancos de prueba u en otros puestos de trabajo especiales que existen en el sector médico. Fig. 5-9 Sistema de elevación de vitrinas 1 2 3 4 5

Músculo neumático Cable eléctrico Cable de guía Sistema de iluminación Parte superior de la vitrina de vidrio 6 Placa de soporte 7 Pieza expuesta

1 2 3

7 6 5 4

La fig. 5-10 muestra un sistema giratorio para alimentar piezas a un equipo automático de limpieza. Un brazo eleva el soporte con la pieza para posicionarla delante de una ventanilla de limpieza mientras que el soporte descansa sobre la junta del marco de la ventanilla. Para mover el brazo es necesario disponer de un gran momento de giro, generado en este caso por dos músculos neumáticos de 40 mm de diámetro. El movimiento de los músculos se transmite al eje del brazo mediante una cadena. En el otro extremo de la máquina se ha instalado el mismo sistema de accionamiento. Los dos brazos giratorios están unidos fijamente entre sí mediante la plataforma de soporte, por lo que ejecutan un movimiento sincronizado. Fig. 5-10 Equipo para alimentar piezas a una máquina automática de limpieza de piezas 1 2 3 4 5 6 7 8 9

8

Músculo neumático Cadena Brazo giratorio Rodillo del eje Apoyo del eje Pieza a limpiar Plataforma de soporte Junta Toberas de limpieza

3

5

3

5 1

2

52

4

9

5 Aplicaciones

7

6

5.2 Sujetar

Las pinzas se utilizan para sujetar temporalmente piezas, paquetes u otros objetos y, por lo general, están montadas en brazos que ejecutan movimientos tridimensionales. Por razones dinámicas se procura que las pinzas sean lo más ligeras posible. Los actuadores forman una parte esencial de la masa del sistema de pinzas. El músculo neumático es un actuador de tracción de pequeñas dimensiones y de alto rendimiento, por lo que es ideal para sistemas con pinzas. Por ello se explican en este capítulo algunas posibles aplicaciones de este tipo. Las mordazas de la fig. 5-11 tienen protectores de goma que se hinchan en la zona de contacto para no dañar las piezas. La fuerza necesaria para ejecutar la operación de sujeción proviene de los músculos neumáticos. El cuerpo de goma se desgasta con el transcurso del tiempo, pero puede sustituirse fácilmente. La fijación de los “dedos” podría realizarse en las ranuras longitudinales dispuestas de modo diagonal en las dos placas de base con el fin de permitir una adaptación sencilla a objetos de diversos tamaños. La pinza se caracteriza por tener una excelente relación entre la masa y el rendimiento. Sin embargo, en esta aplicación el recorrido de los movimientos de la pinza es relativamente pequeño.

Fig. 5-11 Pinzas de sujeción [8]

2

1 Brida de la pinza 2 Conducto de aire comprimido 3 Placa de base 4 Músculo neumático 5 Perno distanciador 6 Barra de tracción 7 Casquillo de guía 8 Cuerpo de goma 9 Pieza

1

3

4 5

F Fuerza de sujeción

6 7 8 F

F

9

En la construcción que se explica a continuación, el recorrido de las pinzas es mayor. En el caso de la fig. 5-12, el músculo neumático se utiliza como actuador de efecto directo. Variando la posición de las articulaciones es posible modificar la relación entre la fuerza y el recorrido. Para abrir las mordazas es necesario utilizar un muelle de tracción. También puede montarse un muelle de tracción encima del músculo neumático. Con esta construcción se dispone de una pinza robusta, apropiada para numerosas aplicaciones. 5 Aplicaciones

53

Fig. 5-12 Pinza angular

1 1 2 3 4 5

Cuerpo de la pinza Músculo neumático Muelle de tracción Dedo de la pinza Mordaza

2

3

4

5

La pinza que se muestra en la fig. 5-13 es de largo recorrido. También en este caso, la fuerza aplicada por el músculo neumático se opone a la fuerza de un muelle de tracción. El movimiento se transmite a una correa dentada que, por su parte, se encarga del movimiento de los dedos de la pinza que se desplazan a lo largo de una guía cilíndrica. Esta pinza es relativamente ancha, de modo que el músculo puede montarse en posición transversal. Por lo demás, pueden montarse diversos tipos de mordazas y, además, se pueden posicionar en lugares diferentes utilizando el patrón de taladros de la respectiva base. De esta manera es posible ajustar el sistema en función de los tamaños de las piezas. También es posible sujetar piezas en su interior, aunque en ese caso la fuerza de sujeción proviene del muelle de tracción. Fig. 5-13 Pinza de largo recorrido 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Brida de conexión Músculo neumátio Muelle de tracción Correa dentada Rodillo de desviación laca básica Base para el montaje de la mordaza Mordaza de sujeción interior Mordaza intercambiable Pieza Pieza

1 2

3

p

4 5

6

11

A Mordaza para la pieza A B Mordaza para la pieza B p Aire comprimido

7

9 B

A 10

8

54

5 Aplicaciones

En la fig. 5-14 se muestra el funcionamiento de una pinza múltiple, capaz de sujetar cuatro piezas y que permite modificar la distancia de las pinzas entre sí. Estas piezas pueden ser, por ejemplo, ladrillos que avanzan espaciados sobre una cinta de transporte. Una vez que quedan sujetos por las pinzas, los bloques de desplazamiento se mueven hacia el interior, de modo que las piezas quedan juntas en la zona de entrega (por ejemplo, una paleta). También es posible invertir el proceso. Los ajustes necesarios pueden estar a cargo de un servomotor montado en la placa giratoria central. En el ejemplo que aquí se muestra se utiliza un músculo neumático ligero. La distancia entre los bloques (y, por lo tanto, entre las piezas) se define regulando la presión. En vez del muelle de tracción también puede utilizarse un segundo músculo neumático. Fig. 5-14 Pinzas regulables, accionadas con un músculo neumático (esquema simplificado) 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Bloque de desplazamiento Músculo neumático Guía cilíndrica doble Palanca Muelle de tracción Pinza Cuerpo de la pinza Placa giratoria Mordaza

4 3

1 6 5 8

4 1 9

2 3

7

Para sujetar paletas vacías por lo general no es posible utilizar toberas de aspiración porque la norma, aunque especifica el tamaño de las paletas, no define la posición de las tablas. El sistema que se muestra en la fig. 5-15 sujeta las paletas en su estructura exterior. Las placas de sujeción se guían en cuatro puntos mediante guías cilíndricas y se abren por acción de cuatro muelles de compresión, dos a cada lado del sistema de sujeción. En el centro se encuentra un músculo neumático que genera la fuerza necesaria para sujetar las paletas. El músculo neumático es apropiado para esta aplicación porque pesa poco, es insensible a la suciedad y es capaz de aplicar una gran fuerza (700 N con un músculo de 20 mm de diámetro, carrera de 120 mm y longitud nominal de 1100 mm).

5 Aplicaciones

55

Fig. 5-15 Sistema para la sujeción de paletas vacías (Schmalz)

1

2

F 1 Brida de conexión 2 Conducto de aire comprimido 3 Músculo neumático 4 Paleta 5 Placa de sujeción 6 Guía recta 7 Muelle de compresión 8 Tabla transversal

F 6

7

F Fuerza de sujeción

8

3

4

5

En el siguiente ejemplo se explica cómo sujetar piezas recurriendo a sus taladros, suponiendo que dichos taladros tengan tolerancias mínimas. En la fig. 5-16 puede apreciarse una pinza de sujeción interior. Un cono extensible aplica la fuerza de sujeción FG al activarse el músculo neumático, sujetando firmemente la pieza. Hay que evitar que el ángulo del cono produzca un efecto de autoinhibición, ya que la reposición está a cargo de un muelle. En esta aplicación, la carrera del músculo puede ser muy pequeña, ya que lo que importa es disponer de una fuerza inicial muy grande. En este tipo de aplicación, la carrera de los elementos de sujeción suele ser de apenas 0,2 hasta 0,3 mm. Fig. 5-16 Pinza ranurada

5

1 2 3 4 5

Cuerpo Músculo neumático Pieza Cono extensible Alimentación del aire comprimido 6 Rosca

6 1

FG Fuerza de sujeción

2

3 FG

FG

4

56

5 Aplicaciones

Existen muchas otras aplicaciones con sistemas de sujeción dotados de músculos neumáticos. En la fig. 5-17 se muestra otra variante posible. El mecanismo de esta pinza es sencillo y más ligero que el de otras pinzas comparables. Aún así, esta pinza aplica una fuerza mayor y sujeta la pieza con seguridad. Para sincronizar los movimientos de los dedos, éstos están unidos mecánicamente entre sí. Si el músculo neumático se monta lo suficientemente cerca del punto de giro de los dedos, es suficiente utilizar una versión corta para ejecutar el movimiento de sujeción. El rendimiento de esta pinza es muy bueno porque únicamente tiene que superarse la fricción que se produce en las guías redondas de los dedos. Sin embargo, con esta construcción no es posible obtener un ángulo de apertura de 90° en cada dedo. Para ello tendría que optarse por una solución cinemática diferente. Fig. 5-17 Pinza angular sencilla

1 Brida de la pinza Cuerpo de la pinza Muelle de tracción Dedo Mordaza Pieza Músculo neumático Barra para sincronizar los movimientos 9 Tope del dedo

2

8

1 2 3 4 5 6 7 8

5

6 7

9 p

3

p Aire comprimido

4

Claro está que existen muchas otras aplicaciones de pinzas en las que es posible sustituir los pesados cilindros convencionales por músculos neumáticos. Otro ejemplo se muestra en la fig. 5-18. Se trata de una pinza que debe colocarse encima de la pieza. Los elementos de sujeción se mantienen abiertos por acción de un muelle de tracción. El músculo neumático se encarga de sujetar la pieza. La piezas pueden ser barras, botellas o ejes en posición vertical. Fig. 5-18 Pinza circular

1

1 2 3 4

Muelle de tracción Base Músculo neumático Conducto de aire comprimido 5 Dedo 6 Anillo giratorio

2 3

4

5

5 Aplicaciones

6

57

5.3 Prensar, estampar, punzonar y cortar

Una de las aplicaciones ideales del músculo neumático es como sistema de accionamiento de prensas (por ejemplo, prensa con sistema de palanca articulada), porque aplica una gran fuerza en un recorrido muy corto. En la fig. 5-19 puede apreciarse una construcción en la que un músculo de tan sólo 40 mm aplica una fuerza de 30 000 N, siendo la carrera de 10 mm. Con esta prensa se pueden estampar, punzonar y cortar piezas.

Fig. 5-19 Prensa neumática con sistema de doble de palanca articulada 1 2 3 4 5

Yugo Músculo neumático Columna Palanca articulada Herramienta de punzonado o corte 6 Cuña 7 Muelle de tracción

1

2

3

4

6

7

5

Mientras que la fuerza del músculo disminuye al aumentar la carrera, la palanca articulada aplica una fuerza en el punto muerto que tiende hacia infinito. De esta manera se produce una cierta compensación en el transcurso de la curva de la fuerza. Por ello, el movimiento es homogéneo, lo que permite obtener resultados de alta calidad al efectuar la operación de punzonado y corte.

58

5 Aplicaciones

Además, esta prensa es más silenciosa que una prensa convencional. El músculo solamente puede generar fuerzas de tracción, por lo que es necesario prever una fuerza de reposición para que las palancas articuladas vuelvan a su posición original. Para ello puede recurrirse, por ejemplo, a un muelle de tracción. Por lo demás, el músculo no tiene fugas y tampoco se produce en él un desgaste por fricción. En comparación con un cilindro neumático convencional, tan sólo consume un 40% de la energía aplicando la misma fuerza. Cuando se llevan a cabo trabajos de reparación, suelen utilizarse prensas móviles para montar rodamientos. Estas prensas están sujetas a un polipasto o brazo giratorio (fig. 5-20) y se acercan al lugar de trabajo a mano. Ello significa que es necesario que estas prensas sean lo más ligeras posible para posicionarlas con mayor facilidad. Por ello es ventajoso que estén dotadas de un músculo neumático. En el ejemplo que aquí se explica, la prensa tiene dos músculos neumáticos que se encuentran a ambos lados de la estructura de la prensa. La reposición puede estar a cargo de un muelle de compresión. De este mismo modo también pueden configurarse sistemas móviles para efectuar operaciones de desmontaje. Fig. 5-20 Prensa de montaje 1 Cable o cadena 2 Conducto de aire comprimido 3 Músculo neumático 4 Brazo de la prensa 5 Horquilla 6 Placa para prensar 7 Grupo de montaje 8 Mesa de montaje 9 Pieza a montar bajo presión 10 Contrafuerza 11 Empuñadura para dirigir la prensa 12 Estructura de la prensa 13 Muelle de compresión

1 3

2 13

4 11

5

12 9

6

10

7

8

5 Aplicaciones

59

En la fig. 5-21 se muestra una pequeña prensa de mesa accionada por músculo neumático. La fuerza del músculo se transmite a la parte superior de la herramienta a través de una palanca articulada. Tal como ya se comentó al explicar la aplicación de la figura 5-19, se superponen las fuerzas del músculo y de la palanca articulada al efectuarse el movimiento de prensado. Dado que el músculo no puede generar fuerzas de compresión, esta prensa dispone de dos pequeños cilindros neumáticos que se encargan del movimiento de recuperación. El movimiento de prensado se lleva a cabo sin tirones porque en el músculo no hay émbolo sometido a fricción. La prensa es capaz de aplicar fuerzas relativamente grandes en un espacio muy reducido. Esta solución tiene usos múltiples en cualquier taller de mecánica. Fig. 5-21 Prensa de montaje y para operaciones de deformación de materiales

7

9

8

2

4

6 6

8

Sentido de la fuerza

1 Yugo 2 Palanca articulada 3 Parte superior de la herramienta 4 Columna de guía 5 Parte inferior de la herramienta 6 Músculo neumático 7 Cilindro de recuperación 8 Elemento de fijación de la herramienta 9 Placa básica 10 Curva de la fuerza de la palanca 11 Curva de la fuerza del músculo neumático

4 1

3

5

9

10 11

Recorrido Punto muerto

Los equipos de manipulación provistos de un brazo articulado (robots industriales) por lo general no pueden utilizarse para montar piezas a presión con mínimas tolerancias, ya que la resistencia de las articulaciones no lo permite. Por ello se recurre a aparatos de percusión que, en principio, funcionan como un martillo neumático. Con estos equipos es posible, por ejemplo, montar un pasador aplicando golpes repetidos en él. En ese caso, el sentido de la fuerza no afecta al brazo articulado del robot. En la fig. 5-22 se muestra el esquema de un aparato percutor sencillo, capaz de funcionar a altas frecuencias. La energía de los golpes proviene del muelle y de la aceleración que adquiere la masa de la herramienta percusora. Ésta está desacoplada de la brida mediante varios amortiguadores elastómeros para evitar que las vibraciones lleguen a la máquina.

60

5 Aplicaciones

Fig. 5-22 Máquina percusora neumática 1 Conducto de aire comprimido 2 Válvula 3 Brida de conexión 4 Placa de base 5 Émbolo percusor 6 Amortiguador elastómero 7 Muelle de compresión 8 Músculo neumático

8

p Aire comprimido

1 2 7 p

3

4

5

6

En imprentas y talleres de encuadernado es frecuente presionar el material contra rodillos para imprimir sobre él o aplicar pegamento. Al realizar esta operación, es conveniente regular la presión. Además, el movimiento ejecutado para presionar el material contra el rodillo debe realizarse suavemente y sin movimientos descontrolados. Por ello, el músculo neumático es la solución apropiada. La construcción que puede apreciarse en la fig. 5-23 es un buen ejemplo para entender el funcionamiento de estos sistemas o similares. Fig. 5-23 Presionar una chapa sobre un rodillo 1 2 3 4 5 6

Músculo neumático Material a imprimir Muelle de recuperación Guía Chapa Cinta de transporte de salida

4

5

1

3

2 6

5 Aplicaciones

61

Las prensas que se muestran en la fig. 5-24 pueden utilizarse para diversas aplicaciones. Mientras que las dos variantes 5-24 a y b tienen un músculo neumático para retirar la presión, las variantes 5-24 c y d tienen un perno de compresión que avanza cuando se contraen los músculos. Este tipo de actuadores con músculos neumáticos aplican fuerzas considerables aunque son relativamente pequeños. Utilizando siete músculos neumáticos de 40 mm de diámetro, aplicando una presión de funcionamiento de 6 bar y siendo la contracción del 8%, se obtiene una fuerza total de aproximadamente 28 000 N. Fig. 5-24 Prensas con músculo neumático como elemento generador de fuerza

1 a) Elemento simple con reborde cónico b) Prensa con cabezal articulado c) Unidad con cuatro músculos d) Prensa de gran fuerza con siete músculos neumáticos

6

4 5

c)

7

2 1 2 3 4 5 6

Placa compresora Muelle de compresión Músculo neumático Cabezal articulado Cabezal compresor Perno de presión de sección rectangular 7 Placa de montaje 8 Perno de presión

3

a)

b)

d)

8

En la fig. 5-25 se muestra una máquina utilizada en la industria textil. También se trata de una prensa, aunque esta versión se emplea para planchar la ropa. El brazo y la mesa también pueden equiparse con moldes. Para que brazo abra la placa superior rápidamente, el sistema está dotado de diversos elementos de acoplamiento. El accionamiento está a cargo de un músculo neumático (o de dos, dispuestos en paralelo) y su fuerza se aplica contra la fuerza de un muelle de tracción.

62

5 Aplicaciones

Fig. 5-25 Prensa para planchar productos textiles 1 2 3 4 5 6 7

Placa de base, molde Mesa Músculo neumático Brazo giratorio Muelle de tracción Brazo con placa superior Elemento de acoplamiento

6

70°

7

1 p Aire comprimido

2 3 4

5

p

5.4 Bombas

Las bombas son máquinas muy difundidas en la industria y se utilizan para el transporte de líquidos limpios, sucios, agresivos o que desprenden gases. Con frecuencia se utilizan bombas de émbolo. Estas bombas se caracterizan por tener un elemento de expulsión que puede ser un émbolo o una membrana. Mientras que en los tipos de simple efecto se obtiene sólo una expulsión por carrera doble, los tipos de doble efecto expulsan el contenido dos veces por carrera doble. En la fig. 5-26 se muestra una bomba de émbolo de este tipo. Esta bomba tiene la peculiaridad de tener un músculo neumático como elemento de accionamiento. En este caso, el músculo no solamente funciona como actuador de tracción, sino que, a la vez, es el elemento de expulsión, ya que su diámetro aumenta al contraerse. Esta solución también es posible porque el material del músculo es resistente al agua limpia o sucia y a otros líquidos. Exceptuando el disco y las juntas no hay otras piezas sujetas a desgaste por fricción (sin incluir las válvulas). Una bomba de esta índole puede utilizarse con diversos fines, por ejemplo en la minería, como bomba de agua refrigerante o bomba de circulación. Estas bombas con músculos neumáticos son más ligeras, por lo que es fácil cambiarlas de lugar (lo que es necesario, por ejemplo, en obras de construcción). Además, no tienen fugas.

5 Aplicaciones

63

Fig. 5-26 Bomba de émbolo con músculos neumáticos (Gründer & Hötten)

1

2

3

5

p2

4

p1

1 Válvula de bola 2 Alimentación de aire comprimido 3 Cilindro 4 Músculo neumático 5 Bola de la válvula 6 Conducto de aspiración

6

Pero las bombas no solamente pueden bombear agua, sino también aire. De esta manera puede producirse el vacío. En la fig. 5-27 se incluye el esquema funcional de una bomba de vacío capaz de generar un vacío de aproximadamente – 0,6 bar. Dos músculos neumáticos se ocupan del movimiento del émbolo. Los detectores de final de carrera emiten las señales necesarias para la inversión del sentido del movimiento. El aire se aspira en dos fases y sale a la atmósfera. Una válvula de 3/2 vías se activa mediante una señal para aplicar el vacío a la ventosa. En la otra fase, la ventosa y el conducto correspondiente se encuentran en posición de circulación de aire. Fig. 5-27 Bomba de vacío accionada por músculos neumáticos (representación esquemática del funcionamiento) 1 2 3 4 5 6 7

Cilindro Anillo magnético Émbolo Acumulador de vacío Ventosa Pieza Detector de proximidad

5 4

6

2

3

1

7

24V

64

5 Aplicaciones

0V

0V

24V

5.5 Fijar

Los equipos para fijar piezas se distinguen por aplicar una gran fuerza y por disponer de actuadores de recorridos cortos. Estas características coinciden a la perfección con las del músculo neumático, ya que este actuador aplica una gran fuerza precisamente al inicio del movimiento. Esta fuerza puede aplicarse directamente en la pieza o, si es necesario, puede recurrirse a sistemas de engranajes para modificar el sentido de la fuerza y para aumentarla. A continuación se ofrecen algunos ejemplos al respecto. El actuador de tracción de la fig. 5-28 fue desarrollado especialmente para operaciones de fijación y puede funcionar como actuador de tracción o de compresión. En el ejemplo que aquí se muestra, un resorte de discos genera la fuerza de fijación F. El músculo neumático se utiliza para retirar dicha fuerza. Además, la fuerza aplicada por el émbolo (superficie x presión) se suma a las fuerzas, para lo cual se ha previsto una alimentación de aire adicional. La fuerza de fijación varía en función de las fuerzas individuales (FM Fuerza de la membrana, FF Fuerza del muelle, FK Fuerza del émbolo, FKi Fuerza del émbolo en el lado del resorte). La ventaja de este actuador consiste en su reducido tamaño en comparación con los cilindros neumáticos convencionales. Esta solución puede sustituir en muchos casos la utilización de cilindros hidráulicos. El montaje ligeramente inclinado del actuador de fijación tiene como consecuencia que se sujete la pieza presionándola hacia abajo, de modo que la pieza no solamente queda firmemente sujeta, sino que también queda presionada contra la superficie de apoyo.

Fig. 5-28 Actuador de tracción con músculo neumático [9] 1 2 3 4 5 6

7 8 9 10

11

Pieza Fuerza opuesta Émbolo hueco Culata Base de apoyo Conexión de aire comprimido para el émbolo Resorte de discos o muelle helicoidal Músculo neumático Cuerpo Conexión de aire comprimido para el músculo neumático Anillo opresor

6 7

8

9

10

1 3 2

4 11 5 p2

p1

p3

F

F = FM - FF - FKi

5 Aplicaciones

F

F = FM + FK - FF - FKi

F

F = FF

65

Utilizando los mecanismos correspondientes, este actuador de tracción también puede transformarse en una pinza de sujeción exterior o interior. Así lo demuestra la fig. 5-29. La operación de fijación está a cargo del muelle. El cabezal con la pinza como tal podría sustituirse fácilmente, de manera que sería posible utilizar diversos tipos de pinzas, según fuera necesario. Fig. 5-29 Pinza de fijación en el interior de la pieza 1 2 3 4 5 6 7 8

Cuerpo Músculo neumático Resorte de discos Émbolo Vástago Brida de apoyo Palanca de fijación Pieza

1 2 3 4

5

6

7 8

Otra aplicación consiste en tensar correas de accionamiento. El problema de la dilatación de este tipo de correas sometidas a una fuerza de tracción se conoce desde hace mucho tiempo, por lo que hay innumerables soluciones. En la fig. 5-30 se muestra una solución con el músculo neumático. En este caso, el músculo se utiliza como muelle neumático para tensar la correa dentada. La correa pone en funcionamiento una máquina vibradora de hormigón, por lo que en su entorno hay mucho polvo. En el cilindro neumático utilizado antes

66

5 Aplicaciones

en esta aplicación se estropeaba a menudo la junta del rascador debido al depósito de polvo en el vástago. El músculo es mucho más resistente a la suciedad ya que no hay componentes que tengan que superar las fuerzas ocasionadas por la fricción. Fig. 5-30 Tensor de correas

Para sujetar y fijar piezas como rodillos o bobinas suelen utilizarse instalaciones provistas de cilindros o ejes tensores. En la fig. 5-31 se muestra uno de esos ejes tensores. El actuador de apriete es, en este caso, un músculo neumático. Este mismo principio también puede aprovecharse para ejecutar otras operaciones de fijación en el interior de las piezas. La camisa y el cono están divididos en tres partes para permitir la expansión. El diámetro D aumenta, aplicándose presión en el interior de la pieza cilíndrica. Los anillos compresores se encargan de mantener la tensión sobre los segmentos y, además, se ocupan del movimiento de retroceso de los mismos. Fig. 5-31 Estructura de un eje tensor

2

Anillo compresor Camisa Músculo neumático Cono de fijación Conexión de aire comprimido

1

5 3 Sección A

4

D

1 2 3 4 5

4

1

5 Aplicaciones

67

En la fig. 5-32 se muestra un equipo para fijar piezas en el que el espacio disponible para el montaje del músculo es bastante pequeño, por lo que los puntos de conexión se encuentran muy cerca del punto de giro de las mordazas con el fin de aumentar algo la carrera del músculo. Las mordazas están unidas entre sí para sincronizar sus movimientos y conseguir que coincidan en el centro. Fig. 5-32 Sistema de fijación de bridas anulares 1 2 3 4 5 6 7

1

Mordaza Pieza Músculo neumático Brazo tensor Muelle de recuperación Estructura de la mesa Conducto de aire comprimido

2

5 3 6

4

7

En la fig. 5-33 se muestran otras alternativas de equipos para fijar piezas utilizando el músculo neumático. En uno de los ejemplos, los tubos o barras avanzan sobre rodillos cónicos. Si el músculo no está sometido a presión, el operario puede hacer avanzar el tubo a mano ya que no se aplica fuerza sobre él. Durante la operación de corte, el brazo tensor aplica una gran fuerza sobre el tubo. Fig. 5-33 Sistemas de fijación de piezas a) Fijación de tubos en una máquina de corte b) Fijación de una pieza fundida

4 8 1

3 1

1 2 3 4 5 6 7 8

Pieza (tubo) Rodillo Rodillos de fijación Brazo tensor Músculo neumático Estructura Muelle de tracción Plato compresor

2 5 6

a)

68

7

5 Aplicaciones

b)

Mediante construcciones similares pueden obtenerse muchas otras soluciones que funcionan según el mismo principio, por ejemplo para fijar objetos de sección rectangular. Muchas veces sólo se necesita una carrera pequeña para fijar la pieza, por lo que en esos casos puede recurrirse a un músculo más corto, con la ventaja de necesitar menos espacio para su montaje. El sistema de la fig. 5-34 puede utilizarse para soldar los extremos de una cinta de transporte. Se trata de una prensa con placas calientes que los músculos neumáticos presionan una contra la otra. En la primera fase, Los músculos están sueltos y se posicionan sólo después de colocar los extremos de la cinta de transporte en los soportes en forma de U de las placas y fijarlos con la tuerca cónica. A continuación se conectan los conductos de aire comprimido a los músculos neumáticos y se aplica presión. El sistema es muy sencillo, es ligero y, por lo tanto, puede transportarse fácilmente. Fig. 5-34 Prensa para soldar cintas de transporte (dibujo simplificado) 1 2 3 4 5 6 7 8

8 7

1

Músculo neumático Placa superior Base Placa inferior Cable eléctrico Cinta de transporte Sujeción de la cinta Empuñadura

2 3

4

5

6

El músculo neumático puede montarse de modo muy sencillo en equipos utilizados para fijar piezas, tal como se demuestra en la fig. 5-35. Los músculos utilizados en este caso se atornillan a una base como si fuesen cilindros neumáticos de tipo convencional. Sin embargo, a diferencia de éstos, los músculos neumáticos pueden ser mucho más pequeños ya que son capaces de aplicar una fuerza mayor. De este modo se dispone de más espacio en el lado de la fijación de las piezas y, además, la disposición del sistema es más clara. Con este sistema de sujeción de las piezas de madera, las virutas no ocasionan daños en los músculos neumáticos.

5 Aplicaciones

69

Fig. 5-35 Fijar una viga de madera de sección rectangular en una máquina taladradora con brazo articulado 1 2 3 4 5

Taladro o fresa Pieza Escuadra de apoyo Placa de fijación Músculo neumático

4 1 2

5

6

3

En una máquina para mecanizar barras perfiladas se aplica una fuerza F mediante un rodillo de goma sobre las barras que avanzan transportadas por una cinta segmentada (fig. 5-36). Sin embargo, las dimensiones de las barras varían. En estas circunstancias no es posible utilizar un muelle de tracción ya que su fuerza cambia en función del grado de contracción, dependiendo de la altura de las barras. Utilizando un músculo neumático es posible modificar la fuerza F regulando la presión. Bien es cierto que también podría utilizarse un cilindro neumático, pero éste tiene el problema de ejecutar los movimientos a tirones y, además, no tiene el efecto amortiguador del músculo neumático. Fig. 5-36 Rodillo para presionar sobre barras de plástico u otros materiales

1

1 Músculo neumático 2 Válvula de regulación de precisión (LRP...) 3 Rodillo 4 Barra perfilada 5 Estructura de la máquina 6 Cinta de transporte segmentada

5 F 3 4

6

70

5 Aplicaciones

2

Las máquinas automáticas de estampado, punzonado y corte de alto rendimiento exigen que las operaciones de fijación se realicen rápidamente. Después de cada ciclo de trabajo se eleva brevemente el rodillo de apriete. De esta manera queda libre la cinta para que la herramienta pueda posicionarla correctamente. Estas máquinas con sistema de avance por rodillos funcionan, por ejemplo, con tiempos de aplicación de presión de 10 milésimas de segundo y los elementos de apriete abren el paso retirándose entre 0,3 hasta 3 mm. Si la aplicación de la presión está a cargo únicamente de un cilindro neumático, las frecuencias pueden ser de máximo 3 Hz, lo que corresponde a 180 ciclos por minuto. Utilizando un músculo neumático mejoran las características dinámicas del sistema, ya que con él es posible obtener ciclos de hasta un máximo de 7 Hz, lo que corresponde a 420 ciclos por minuto. Este resultado puede obtenerse únicamente con un músculo neumático. La mayor frecuencia es posible gracias a que el músculo es más ligero y porque la fricción es menor. La carrera del movimiento que se ejecuta al aplicar presión es de 3 mm y requiere una fuerza considerable, ya que el músculo actúa en contra el cilindro de apriete del rodillo (fig. 5-37). En este caso se utilizan dos músculos neumáticos con diámetros de 40 mm (longitud nominal de 120 mm, fuerza de 3 500 N con carrera de 3 mm). En términos técnicos, este sistema con músculo neumático para aplicar presión es muy sencillo y está compuesto de pocas piezas. Fig. 5-37 Ciclos de un rodillo para el avance de una cinta

1

1 Máquina automática de estampar, punzonar o cortar 2 Músculo neumático 3 Cilindro neumático 4 Rodillo de apriete 5 Parte superior de la herramienta 6 Perno de detección 7 Cinta 8 Parte inferior de la herramienta 9 Rodillo de avance

2 3 4 5 6

7 8 9

Para inmovilizar la carga en un camión utilizando cuerdas suelen utilizarse torniquetes, muelles o gomas para tensar las cuerdas. Esta función bien la puede asumir el músculo neumático haciendo las veces de muelle neumático. En la fig. 5-38 puede apreciarse un ejemplo al respecto. El músculo está dotado de una conexión enchufable para el aire comprimido. Éste proviene de un compresor (por ejemplo, montado en un camión) o de una bomba con pedal.

5 Aplicaciones

71

Fig. 5-38 Tensar con el músculo neumático 1 2 3 4 5 6

Cuerda Músculo neumático Bomba con pedal Tubo flexible Conexión enchufable Superficie de carga del camión 7 Carga 8 Paleta

1

2

3

7

8 4 5 6

En el caso de la estabilización de la estructura de una nave industrial neumática, las dimensiones son mucho mayores. La estructura de estas naves está compuesta de segmentos hinchados que se estabilizan mediante soportes en forma de Y. El esquema simplificado de la fig. 5-39 muestra un apoyo de ese tipo. El equilibrio de las fuerzas se obtiene mediante cables y músculos neumáticos. Fig. 5-39 Estabilización de una nave neumática segmentada (Festo)

1

1 Cable tensor 2 Nave o pabellón neumático hinchable 3 Soporte en forma de Y 4 Músculo neumático 5 Actuador de tracción

5 4 3

72

5 Aplicaciones

2

La presión en los músculos varía entre 0,3 y 1 bar y regula de modo continuo la fuerza de tracción. La estructura está dotada de sensores y un ordenador procesa los datos correspondientes para detectar cualquier modificación de la carga que actúa sobre la estructura (viento, nieve, irradiación solar) y modificar la presión según lo exijan las circunstancias. Si, por ejemplo, un lado de la estructura está expuesta a un fuerte viento, los músculos de ese lado reaccionan aumentando su fuerza de tracción. En esta aplicación, el músculo neumático se utiliza como sistema tensor de adaptación automática. En instalaciones en las que avanzan cintas de diversos materiales suele ser necesario que estas cintas estén sometidas a una tensión constante. En el caso de la fig. 5-40, la cinta avanza entre rodillos de desviación y un rodillo se encarga de mantener constante la tensión. Fig. 5-40 Regulación de la tensión de una cinta

1

1 2 3 4 5 6 7

Cinta de material indistinto Rodillo de desviación Rodillo tensor Caballete Músculo neumático Fijación del músculo Detector de proximidad inductivo 8 Válvula proporcional 9 Brazo oscilante

4

2

9

3 7

5 5

8

6

Este rodillo aplica presión contra la cinta. El movimiento de los brazos oscilantes se controla mediante un detector de proximidad. La presión en el músculo se regula mediante una válvula reguladora.

5 Aplicaciones

73

Pero no siempre hay que sujetar materiales rígidos. En la industria del embalaje, por ejemplo, es común tener que fijar el extremo de una lámina de material delgado y flexible (por ejemplo, plástico extensible). Para efectuar esta operación existen numerosos mecanismos relativamente complicados. En la fig. 5-41 se muestra una solución que se distingue de los mecanismos convencionales. Fig. 5-41 Fijación de una lámina de material plástico extensible

p

a) Esquema simplificado b) Tensar el material

1

1 Lámina de plástico extensible 2 Muelle compresor 3 Músculo neumático

1

F Fuerza de tracción del músculo p Aire comprimido

2 3

a)

3

b)

F

La lámina se presiona contra las espiras de un muelle de compresión relajado. En esa fase, la lámina se amolda a las espiras del muelle. A continuación, el músculo neumático aplica la fuerza F y el muelle se comprime casi completamente. De esta manera, la lámina queda prensada fijamente entre las espiras. Esta solución tiene la ventaja de ser sencilla en su parte mecánica y, además, permite regular la fuerza F de modo continuo mediante la presión p. En el ejemplo que aquí se explica, es suficiente utilizar un solo músculo neumático con diámetro interior de 10 mm. Existen sistemas de fijación especiales que tienen que funcionar automáticamente en caso de un corte de energía (por ejemplo, para retener un carro elevador). Estos sistemas de seguridad suelen estar provistos de muelles

74

5 Aplicaciones

que se relajan en caso de producirse el corte de energía. En la fig. 5-42 se muestra el ejemplo de un mecanismo de esta índole. Si se bloquea la alimentación de aire comprimido en un caso de emergencia, el músculo neumático interrumpe la aplicación de la fuerza de tracción y el muelle desplaza la leva de bloqueo. El carro queda prensado y ya no puede caerse. Fig. 5-42 Sistema de fijación de seguridad 1 2 3 4 5

Carro vertical Carril de guía Músculo neumático Leva de bloqueo Muelle de tracción

p

1 2

3

4 5

El músculo neumático también puede utilizarse como tensor de cinturones de seguridad en automóviles (fig. 5-43). Los sistemas utilizados en la actualidad funcionan con soluciones pirotécnicas. La onda de choque originada por la explosión desplaza un émbolo que se encuentra en un tubo, tensándose así el cinturón. Sin embargo, este sistema únicamente funciona si al producirse el accidente no se deforma el sistema con el émbolo. La solución con el músculo neumático supone el montaje del músculo como tal, de un acumulador y de una válvula muy rápida. Si el sensor detecta un choque frontal, la unidad de control del sistema de cinturones de seguridad abre la válvula. A continuación, el gas entra en el músculo neumático provocando su inmediata contracción. El sistema es a prueba de explosiones y la relación fuerza/carrera es muy favorable. Cabe destacar, sin embargo, que el músculo tendría que ser de un material que permita su funcionamiento incluso si las temperaturas son de –30 °C.

5 Aplicaciones

75

Fig. 5-43 Posible aplicación del músculo neumático como tensor de cinturones de seguridad [10] 1 2 3 4 5 6

Cinturón de seguridad Cerrojo del cinturón Rodillo de desviación Músculo neumático Válvula Cartucho de gas

1

2

3

5.6 Desplazar y posicionar

76

4

5

6

En los equipos de automatización industrial es muy frecuente tener que desplazar componentes entre las posiciones finales. Antes de explicar los diversos ejemplos, primero se analizarán las posibilidades que, en principio, ofrecen los músculos neumáticos montados en las máquinas. También es posible doblar el músculo, tal como se muestra en la fig. 5-44h. En ese caso, el diámetro del rodillo tiene que ser 10 veces más grande que el diámetro interior del músculo. Además, el rodillo debería tener una superficie suave para adaptarse a la expansión del músculo. La desventaja de esta construcción consiste en que la duración del músculo es menor debido a la fricción. Los ensayos llevados a cabo con esta solución demostraron que el músculo ejecuta 50 000 movimientos hasta que se rompe.

5 Aplicaciones

Fig. 5-44 Accionamiento de componentes con el músculo neumático a) Movimiento posicionador con aumento de la carrera b) Accionamiento con aumento de la fuerza c) Modificación del ángulo de giro d) Accionamiento de un eje giratorio con dos músculos neumáticos e) Barra de compresión f ) Montaje en paralelo para aumentar la fuerza g) Carro h) Mecanismo con rodillo i) Actuador con reposición por muelle k) Aumento del par de giro l) Movimiento lineal

a)

c)

g)

k)

b)

d)

e)

f)

i)

h)

l)

A continuación se explican algunas aplicaciones y propuestas. En el caso de la solución 5-45a, por ejemplo, se ajusta el ancho de un canal de transporte en función de las dimensiones de las piezas simplemente regulando la presión para modificar la posición de las guías laterales del canal. Si es necesario desviar las piezas, puede instalarse un desvío como el que se muestra en la fig. 5-45b. En este caso se utilizan dos músculos neumáticos que aplican fuerzas en sentidos contrarios. Con este sistema es posible avanzar hasta diez posiciones intermedias o más, incluso si los movimientos son rápidos. Estos movimientos están a cargo de una válvula de respuesta rápida (MHE 2) que conmuta en tan sólo 2 milésimas de segundo a caudales de 100, 200 ó 400 l/m. Los tiempos de conexión y desconexión son iguales.

5 Aplicaciones

77

Fig. 5-45 Ajuste del ancho de un sistema de transporte

p1 p2 p3 p4

a) Ajuste de la guía en un lado b) Ajuste bilateral de las guías 1 2 3 4 5 6

p∩ 1

3

2

Pieza (p. ej. una lata) Guía Músculo neumático Cinta de transporte Muelle de reposición Guía transversal

5

p Aire comprimido

6

4

p1 ... p∩ a) 1

2

4

3

p1 p2 b)

78

5 Aplicaciones

5 6

El músculo neumático de la fig. 5-46 tiene un diámetro de 10 mm, su longitud es de 150 mm y se utiliza como unidad de accionamiento de un sistema hidráulico de control remoto, por ejemplo de una grúa, un carro de grúa o un vehículo empleado en obras de construcción. La combinación de un sistema de control remoto mediante ondas de radio con componentes neumáticos permite controlar a distancia operaciones como la carga o descarga de un camión estando cerca. El músculo neumático es muy apropiado para funcionar como unidad de accionamiento porque sus movimientos se efectúan sin tirones y porque no tiene piezas en su exterior que podrían ensuciarse, pudiéndose por lo tanto prescindir de trabajos de limpieza. Los cilindros neumáticos convencionales tienden a ejecutar los movimientos generando vibraciones debido a la fricción provocada por las juntas, una circunstancia que dificulta una regulación fina. Por otro lado, el músculo normalmente funciona a temperaturas entre +5 °C hasta +60 °C. Ello significa que en países fríos, esta solución sólo sería viable en espacios interiores. Si se pretende utilizar este sistema en el exterior, tendría que seleccionarse un material para el músculo capaz de soportar cargas a –30 °C. Fig. 5-46 Accionamiento de una palanca de mando

1 1 2 3 4 5

Músculo neumático Válvula hidráulica Muelle de reposición Palanca de mando Válvula reguladora de presión

3

4

2

5

En la fig. 5-47 se muestra el acoplamiento de un carro a un músculo neumático. Los ciclos tienen una duración de 0,75 segundos, siendo la carrera del carro de 125 mm. El muelle de reposición podría sustituirse por otro músculo neumático. Esta construcción permite avanzar hasta diversas posiciones intermedias regulando la presión. Dado que se trata de un sistema con posible ampliación de la carrera, cabe anotar que también los errores de posicionamiento se multiplican.

5 Aplicaciones

79

Fig. 5-47 Accionamiento de un carro con un músculo neumático 1 2 3 4 5

3

Músculo neumático Palanca basculante Muelle de reposición Guía lineal Carro

p

1

2

p Aire comprimido

5

4

En centrales depuradoras de agua y en instalaciones similares utilizadas en el sector agrario suelen utilizarse rejillas para retener objetos de mayor tamaño contenidos en el agua. Estos objetos hay que retirarlos con una determinada frecuencia. Para ello es necesario que dicha rejilla sea móvil. En el ejemplo de la fig. 5-48 se utilizan brazos giratorios montados en paralelo y accionados cada uno por un músculo neumático. Las rejillas vuelven a su posición inicial por su propio peso, ya que tienen varios metros de ancho. En esta aplicación se optó por el músculo neumático porque funciona mejor en estas condiciones húmedas que otros actuadores. Además, la altura de paso entre el canal y la rejilla puede regularse con la precisión necesaria y de modo continuo simplemente modificando la presión. Fig. 5-48 Movimiento de una rejilla en una planta depuradora de agua a) Rejilla cerrada b Rejilla abierta

1 1 2 3 4 5 6

Músculo neumático Brazo giratorio Canal de desagüe Rejilla de retención Objetos retenidos Rodillo

4 2

4

5 6 3

a)

80

5 Aplicaciones

b)

En la fig. 5-49 se propone un sistema para el posicionamiento fino de grandes cargas. La placa de soporte descansa sobre un colchón neumático con el fin de conseguir que la fricción sea menor al efectuarse los movimientos. Regulando la presión de los músculos se consigue desplazar la carga para orientarla correctamente (con limitación del ángulo). Dado que los movimientos se ejecutan sin tirones, es posible efectuar correcciones muy finas y a baja velocidad. Fig. 5-49 Sistema de posicionamiento de varios ejes para orientar una placa de soporte o fijación

5 1 2 3 4

Músculo neumático Placa con toberas de aire Bastidor Placa de soporte o fijación de la carga

1 4

2

3

2

4

La barrera que figura en 5-50 está equipada con cuatro músculos neumáticos, dos en cada lado. La decisión en favor de este tipo de actuadores se tomó por la reducción automática de la velocidad al final del movimiento giratorio. Las características de la aplicación de las fuerzas de los músculos neumáticos son ideales para esta aplicación, ya que ofrecen una gran fuerza inicial (cuando la barrera aún se encuentra en posición horizontal) y una fuerza final pequeña (cuando la barrera ya se encuentra en posición vertical). Se sobreentiende que esta solución únicamente tiene sentido si es posible tender sin problemas un conducto de aire comprimido hasta el lugar en el que se encuentra la barrera.

5 Aplicaciones

81

Fig. 5-50 Sistema de accionamiento de una barrera 1 2 3 4 5

Barrera Correa dentada Músculo neumático Rodillo dentado Cuerpo

4 1

p Aire comprimido

2

3 5 p1

p2

Montando un músculo neumático en un conducto de fluidos, el músculo puede hacer las veces de regulador de caudal modificando su diámetro. El principio de funcionamiento se muestra en la fig. 5-51. El paso libre a través del tubo que tiene el diámetro D se limita por el diámetro d del músculo neumático. El diámetro del músculo depende de la presión p1. Concretamente, es válida la relación siguiente: Fig. 5-51 Regulación de la velocidad del caudal utilizando un músculo neumático

A2 d2

1

1 Músculo neumático 2 Elemento de fijación del músculo 3 Tubo

2

d1 d2

p Aire comprimido

3 p1 A3

p1 v2 d1

v1

82

5 Aplicaciones

Q

v3 d3

d2

A1

A2

La velocidad del flujo es inversamente proporcional al paso libre en el conducto, suponiendo que el caudal no varía. La ecuación del caudal es la siguiente: Q = A1 · v1 = A2 · v2 = A3 · v3 siendo A2 = f(p1). En la fig. 5-52 se muestra otro ejemplo. Antes de que el material a granel entre en un filtro de presión, es necesario que el nivel superior tenga una altura homogénea. Sin embargo, la altura h no necesariamente tiene que ser constante, ya que, dependiendo del material, debe poderse regular. En el ejemplo que aquí se explica, el excedente de material se retira utilizando una barrera rascadora. Su accionamiento está a cargo de un músculo neumático que funciona junto con un muelle de tracción. La altura de la barrera puede regularse fácilmente según las exigencias en cada caso. El actuador es robusto y resistente a la contaminación del medio. Fig. 5-52 Regulación de la altura de paso en una cinta de transporte

1 2

a) Corte transversal del sistema de transporte b) Vista lateral del sistema

3

1 2 3 4 5 6

Estructura Músculo neumático Muelle de tracción Barrera rascadora Material a granel Soporte y guía de la barrera 7 Cinta de transporte

4

h

6

h Altura apropiada del material

7 a)

h

6

4 5

7

b)

5 Aplicaciones

83

El mecanismo de la fig. 5-53 es completamente diferente. Con él es posible, por ejemplo, regular un espejo para efectuar mediciones de la irradiación solar. En el dibujo no consta el eje giratorio que sirve de base para el mecanismo que aquí se explica. El músculo neumático, que actúa contra la fuerza de un muelle de tracción, permite una regulación fina y continua de la inclinación del espejo. La regulación de la presión del músculo neumático está a cargo de un programa de control. También podrían utilizarse dos músculos opuestos y prescindir del muelle de tracción. El músculo es una buena solución para esta aplicación, ya que sus carreras cortas son suficientes y porque es resistente a las inclemencias meteorológicas. Fig. 5-53 Sistema articulado para regular la inclinación de un espejo 1 Espejo 2 Segmento del mecanismo articulado 3 Músculo neumático 4 Muelle de tracción

1

2

3

4

La conexión y desconexión de movimientos giratorios supone el uso de acoplamientos que establecen una unión mecánica con los demás componentes, ya sea mediante garras o elementos similares o, también, con discos de fricción.

84

5 Aplicaciones

En la fig. 5-54 se propone una solución para la regulación de los movimientos mediante un músculo neumático dispuesto coaxialmente. El disco de acoplamiento móvil está unido al eje mediante un pasador introducido en una ranura longitudinal. Claro está que también sería posible utilizar un perfil estriado múltiple, ya que ofrece la ventaja de permitir un rendimiento mayor. El acoplamiento gira junto con el eje de accionamiento. La operación de acoplar está a cargo de un muelle, mientras que el músculo neumático se ocupa de desacoplar. El aire comprimido necesario para el músculo se conduce a través del eje de accionamiento. Fig. 5-54 Acoplamiento de fricción conmutable

10

1 2 3 4 5 6 7 8

Superficie de fricción Disco de acoplamiento Cono de fijación Muelle de tracción Músculo neumático Estructura básica Eje de accionamiento Conducto de aire comprimido 9 Perfil estriado múltiple 10 Acoplar 11 Desacoplar

8 9

7

1

5.7 Manipular

11

2

3

4

5

6

Considerando la velocidad de reacción de los músculos neumáticos, su utilización en sistemas de manipulación resulta especialmente apropiada. En la fig. 5-55 se muestra un sistema de manipulación para extraer piezas de una máquina y depositarlas en otro lugar. En la parte superior se encuentran los cuatro músculos neumáticos montados en los extremos. De esa manera, la placa puede rotar en torno al punto de giro junto con la unidad elevadora provista de ventosas. Es suficiente modificar ligeramente la presión en los músculos neumáticos para regular con precisión el ángulo de la placa en cualquier sentido. Un músculo adicional se utiliza para ejecutar los movimientos de elevación y descenso. Se trata, pues, de otra solución en la que el posicionamiento se consigue regulando la presión. Al igual que en las estructuras biológicas se emparejan un músculo abductor y uno aductor.

5 Aplicaciones

85

Fig. 5-55 Equipo de manipulación para retirar piezas pequeñas 1 Músculo neumático con diámetro de 10 mm 2 Eje con articulación esférica 3 Placa giratoria 4 Muelle de compresión 5 Unidad elevadora 6 Ventosa 7 Pieza 8 Músculo con función elevadora 9 Punto de giro 10 Conexión de aire comprimido

10 p1

1 9

p2

3

2 A

A p4

p3

3 Plano A-A 4

8

B

B

5 p5

5 4

z 6

Plano B-B

7 X

El ejemplo de la fig. 5-56 es similar. En este caso, los movimientos en el eje Z están a cargo de un cilindro neumático de doble vástago. De esta manera es posible conducir el vacío necesario (o, también, el aire comprimido si se utiliza un eyector cerca de actuador) a través del vástago . El movimiento de elevación se controla mediante detectores. La ventaja de esta solución estriba en que la magnitud del movimiento en el eje Z no depende de la contracción del músculo, con lo que puede elegirse una carrera determinada en función de cada aplicación. Además, la altura del equipo de manipulación es menor que en la solución de la fig. 5-55.

86

5 Aplicaciones

Fig. 5-56 Equipo de manipulación con tres grados de libertad de movimiento Trípode 1 2 3 4 5 6 7 8

Placa básica Músculo neumático Articulación esférica Cilindro neumático Sensor o detector Placa giratoria Ventosa Vástago hueco doble

p1

p2 p3

p4

1

2

3

p Aire comprimido

8

p5 p6 4 5

6

7 Z

Una función importante en automatización industrial consiste en orientar correctamente o clasificar piezas de diversa índole. En este contexto, “orientar piezas” significa conseguir que estén correctamente situadas, ya sea en una determinada posición o sobre un sistema de transporte. La operación de “clasificar” significa separar piezas por cantidades o tipos. Las piezas que se clasifican pueden diferenciarse por su color, sus dimensiones o por otros parámetros. Tanto al orientar como al clasificar, siempre se pretende que estas operaciones se lleven a cabo a gran velocidad. En la fig. 5-57 se aprecia cómo las piezas que tienen forma de bloques rectangulares llegan a una estación que se encarga de clasificarlas según su orientación. Después de pasar por esa estación, las piezas siguen avanzando por separado, unas orientadas según A y otras según B.

5 Aplicaciones

87

Fig. 5-57 Clasificación de piezas según su orientación 1 Cinta de transporte de entrada 2 Acumulación de piezas 3 Detector 4 Músculo neumático 5 Brazo basculante 6 Cinta de transporte paralela 7 Bastidor

A 4

5

3

AyB Orientación de las piezas en uno y otro sentido

B

1 2

6

7

Un sensor óptico detecta la llegada de las piezas y emite una señal a una válvula de respuesta rápida MHE 2 a través de un PLC. La válvula controla los dos músculos neumáticos que, por su parte, desplazan un empujador. Las piezas mal orientadas pasan así a la cinta otra. Dado que el músculo neumático se contrae y distiende muy rápidamente, es posible alcanzar ciclos muy elevados. En instalaciones similares se ha podido alcanzar una frecuencia máxima de 47 Hz, lo que significa que se llevan a cabo 47 operaciones de clasificación por segundo. Utilizando un actuador de émbolo convencional no es posible obtener procesos tan dinámicos. Para introducir de modo automático un perno en un taladro, por regla general tienen que compensarse pequeños errores de ángulo y posición. Para ello se utilizan mecanismos para encajar provistos de elementos elastómeros y que efectúan una compensación pasiva. Estos elementos pueden sustituirse por músculos neumáticos para sacar provecho de sus ventajas.

88

5 Aplicaciones

En la fig. 5-58 se hace una propuesta al respecto. El mecanismo de compensación está constituido por dos unidades funcionales: la fila de bolas superior permite compensar errores de posicionamiento, mientras que la inferior compensa el ángulo de error b. Fig. 5-58 Mecanismo para unir piezas

p 1 Cuerpo básico 2 Músculo neumático 3 Compensación de posiciones x 4 Compensación de ángulos β 5 Pinza 6 Pieza a introducir 7 Pieza receptora

1

2

3

p Conexión de aire comprimido

4

3 5

6 x 4

7 β

Si el sistema funciona de modo pasivo, los músculos neumáticos hacen las veces de muelles de característica variable. Ello significa que incluso pueden cambiar sus características durante el proceso de unión de las piezas, lo que no es posible si se recurre a mecanismos convencionales. El funcionamiento de estos sistemas siempre supone que la piezas de base o las piezas insertables dispongan de cantos achaflanados.

5 Aplicaciones

89

También sería concebible utilizar un sistema de funcionamiento activo. En ese caso, las señales emitidas por el detector provocan un ajuste fino de la pinza. Ello supone que cada uno de los cuatro músculos neumáticos dispuestos en los extremos pueda activarse individualmente. En estas circunstancias resulta muy ventajoso que los movimientos de los músculos se produzcan sin tirones y que, además, tengan un efecto amortiguador que anule las vibraciones. La carrera necesaria del músculo es pequeña, por lo que el sistema tiene una altura aceptable. Si se aplica una presión pulsante en el músculo neumático, se produce un movimiento vibratorio en la pinza que facilita la operación de unión entre las dos piezas. Los músculos neumáticos también pueden ofrecer ventajas en equipos de manipulación para la entrega de piezas. En sistemas de transporte de piezas, una tarea puede consistir, por ejemplo, en colocar las piezas (piezas macizas, tubos, perfiles sin acabar) una vez en el lado derecho y otra en el izquierdo, dependiendo de la señales que emita una unidad de control. Una posible solución consiste en el montaje de palancas interpuestas en el sistema de transporte (fig. 5-59). En este caso, el sistema dispone de varias parejas de palancas dispuestas a lo largo de un tramo determinado. Los músculos neumáticos constituyen un sistema de accionamiento muy apropiado para esta aplicación, ya que aplican una gran fuerza al inicio del movimiento. Si el sistema no recibe señal alguna, las piezas pueden continuar avanzando, pasando por encima de las palancas. Fig. 5-59 Desviación de piezas 1 Sistema de transporte de piezas 2 Pieza 3 Palanca de desviación 4 Músculo neumático

2

3 1

4

90

5 Aplicaciones

En la fig. 5-60 se propone otra solución. En este ejemplo, una tramo del sistema de transporte puede inclinarse hacia uno u otro lado, de modo que las piezas rueden por sí solas al lado correcto. Dado que se trata de piezas grandes y pesadas, es necesario prever un sistema de amortiguación al final de la caída de las piezas. Con ese fin se utilizan músculos neumáticos que hacen las veces de muelle. Regulando la presión puede modificarse la característica del efecto de amortiguación en función del peso de las piezas. Dado que los músculos neumáticos generan una fuerza considerable, en esta aplicación puede recurrirse a músculos neumáticos sencillos. Fig. 5-60 Distribuidor basculante equipado con músculos neumáticos

1

1 Pieza 2 Tramo inclinable del sistema de transporte 3 Plano inclinado 4 Tope 5 Músculo neumático amortiguador 6 Músculo neumático

2

4

3

6 5

Considerando que los equipos de fabricación ejecutan movimientos cada vez más rápidos, muchas veces es necesario utilizar un sistema de alimentación de piezas rápido también. El distribuidor que se muestra en la fig. 5-61 separa las piezas y las “dispara” hacia el plano inclinado. El rendimiento de este sistema está limitado por el avance de las piezas provenientes del cargador, lo que significa que depende de la gravedad. Para que el proceso sea más rápido es posible acelerar el movimiento de las piezas aplicando un chorro de aire comprimido. El músculo neumático también puede ser una solución útil en sistemas de manipulación de material a granel. Por ejemplo, es posible que la salida del material a granel quede obstruida porque el propio material se acumula formando una especie de arco de puente. En estas condiciones, el material se atasca y ya no avanza. Para solucionar este problema suelen utilizarse elementos mecánicos convencionales, tales como brazos oscilantes o cuerpos redondos o rectangulares que avanzan y retroceden, montados exactamente en las zonas en las que se forman estos puentes. Este problema puede solucionarse de modo muy sencillo recurriendo a un músculo neumático, tal como se indica en la fig. 5-62. Las constantes contracciones del músculo remueven el material a

5 Aplicaciones

91

Fig. 5-61 Alimentación rápida de piezas 1 2 3 4 5 6 7

Cargador Pieza Plano inclinado Martillo Tope Bastidor Músculo neumático

1

2

3 4

5

7

6

granel, por lo que se evita que éste forme puentes de bloqueo. Cabe anotar, sin embargo, que el material no debe tender a aglomerarse si está expuesto a los golpes originados por las contracciones del músculo, ya que en ese caso se provocaría precisamente el bloqueo que se deseaba evitar. Por lo tanto, es recomendable efectuar ensayos antes de instalar el sistema definitivamente. Además, el material tampoco debe tener propiedades abrasivas. Fig. 5-62 Depósito de material a granel con vibrador en forma de embudo

p

1 Depósito 2 Músculo neumático 3 Zona con peligro de bloqueo del material 4 Material a granel

1

2 3

4

92

5 Aplicaciones

Si no es posible montar un componente en el interior del depósito, el músculo neumático puede encontrarse en el exterior. De esta manera puede provocarse la vibración de las paredes del depósito, tal como se aprecia en la fig. 5-63. Estas vibraciones mantienen el material a granel en movimiento, con lo que fluye mejor. En esta aplicación es suficiente utilizar músculos neumáticos muy cortos, ya que no es necesario disponer de grandes carreras. Las vibraciones deberían tener una frecuencia inferior a 1 Hz. Con esta solución y con la anterior se resuelve el problema de la formación de cavidades en forma de arcos de puentes por las partículas del material a granel. Este fenómeno que causa el bloqueo del flujo del material es consecuencia del estrechamiento de la sección cónica del depósito. Fig. 5-63 Depósito de material a granel con paredes vibratorias para evitar el bloqueo del flujo del material

1

1 Depósito 2 Material a granel 3 Zona con tendencia a formación de puentes por las partículas de material 4 Músculo neumático 5 Bastidor 6 Cinta de transporte

2

3

4

5 6

5.8 Movimientos de brazos y piernas

Seres imaginarios y réplicas de seres humanos y de animales están de moda en los parques de atracciones, en el cine, en el teatro y en establecimientos de ocio en general, aunque también en la investigación científica. Ya en la antigüedad existían estatuas que ejecutaban movimientos. Las imitaciones de hoy pretenden ser lo más realistas posible, por lo que los movimientos de los androides y de los animales prehistóricos en museos y exposiciones, tienen que parecer naturales. Para mover las extremidades y doblar las columnas vertebrales solían utilizarse hasta el presente muchos cilindros neumáticos pequeños. La generación de movimientos suaves y ágiles es sumamente difícil y, en la mayoría de los casos, las soluciones no llegaban a ser satisfactorias del todo. El músculo neumático es un actuador apropiado para poner en movimiento brazos, piernas y dedos artificiales. Con ellos, los movimientos son más realistas y, 5 Aplicaciones

93

además son más ligeros y ocupan menos espacio. Los movimientos son continuos y se parecen mucho a los de los seres vivientes. En la fig. 5-64 se muestran algunos brazos articulados que pueden ejecutar movimientos en dos o tres planos, según el tipo de construcción. Mediante la simple regulación de la presión es posible programar posiciones intermedias con suficiente precisión. Los brazos dotados de actuadores neumáticos posiblemente se utilicen en el futuro en el campo de los robots de servicios. En la exposición universal del año 2000, gigantescas briznas de hierba ondeaban expuestas a una brisa inexistente. Los movimientos ondulantes estuvieron a cargo de músculos neumáticos. Fig. 5-64 Mecanismos que ejecutan movimientos similares a las extremidades humanas a) Estructura con movimiento en un sólo plano b) Estructura con movimiento en dos planos Músculo neumático Correa dentada Válvula Codo Tubo de apoyo Brida de conexión del actuador 7 Articulación esférica 8 Placa con articulaciones

1

2

3

4

5

6

1 2 3 4 5 6

1

a)

7

8

1

5 b)

3

En la fig. 5-65 se muestra un brazo menos complicado. En este caso, los movimientos están a cargo de sólo dos músculos neumáticos. El movimiento de reposición se consigue mediante cintas elásticas. Fig. 5-65 Ejemplo de un brazo androide sencillo 1 2 3 4 5

1

Brazo Articulación del hombro Cinta elástica Antebrazo Músculo neumático

2

3 4 5

94

5 Aplicaciones

Los músculos neumáticos también pueden servir para el accionamiento de manos antropomórficas [12]. Los dedos de la mano de la fig. 5-66 se mueven neumáticamente. Una cinta de material plástico rígido se ocupa de transmitir los movimientos. La fuerza del muelle de tracción se opone a la del músculo neumático. Los dedos se cierran debido a la fuerza aplicada por el muelle de tracción. Fig. 5-66 Mano antropomórfica

4

5

3

1 Cinta plana y rígida de material plástico 2 Segmento del dedo 3 Articulación 4 Guía recta 5 Músculo neumático

p

2

p Aire comprimido

1

También se han construido manos artificiales de 5 dedos articulados para utilización en ensayos de laboratorios. La activación la realizan varios músculos neumáticos, cuyos movimientos se transmiten a los dedos mediante cables. Los movimientos son muy ágiles y silenciosos gracias a la utilización de reguladores proporcionales. Conectada con un servidor de red, la mano artificial incluso se puede controlar a distancia a través de Internet, tal como se indica en el diagrama de bloques de la fig. 5-67. La fuente de presión puede ser un compresor o, también, una botella de aire comprimido portátil. Fig. 5-67 Esquema de bloques de un modelo de mano artificial (según Gunz) TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Suit of Protocols

TCP/IP Protocolo de red Estándar para el intercambio de datos en redes heterogéneas

Parte neumática

Parte eléctrica Embedded Web-Server

Client Browser

Regulador proporcional

Aire comprimido

Fuente de aire comprimido

Mano de dedos articulados

Parte mecánica

Dedo

El movimiento con patas artificiales es objeto de diversos estudios. Numerosos institutos de investigación y universidades se dedican al tema. El problema consiste en coordinar los movimientos de varias patas tanto en situaciones

5 Aplicaciones

95

0normales como en situaciones extremas. En la fig. 5-68 se muestra una posible solución, aunque existen muchas otras. En el ejemplo se utilizan músculos neumáticos y un motor eléctrico. Este motor también podría sustituirse por una pareja de músculos neumáticos. El músculo neumático ofrece la ventaja de tener menos masa y de ejecutar los movimientos de modo más ágil. En el Centro de Investigación de Informática de Karlsruhe ya se ha construido un insecto artificial de seis patas que funciona con 42 músculos neumáticos. Esta máquina, que es perfectamente capaz de andar, tiene en cada articulación una pareja de músculos antagonistas, con lo que es posible controlar la posición, el momento de giro y la rigidez. Dado que la rigidez es el resultado de las características del músculo, no se necesita un sistema de control adicional y tampoco más tiempo para efectuar los cálculos para procesar los datos. Fig. 5-68 Pata de un insecto artificial 1 2 3 4 5

Motor eléctrico Engranaje Eje basculante Músculo neumático Pata

1

2 3

4

5

96

5 Aplicaciones

En la fig. 5-69 puede apreciarse una columna móvil como parte de la columna vertebral de un robot animal o un androide. Los músculos neumáticos trabajan por parejas como músculos abductores y aductores. Esta construcción podría utilizarse para animar a seres artificiales en museos técnicos, exposiciones itinerantes, películas o sistemas de publicidad. Fig. 5-69 Imitación del movimiento de la columna vertebral 1 Músculo neumático 2 Segmento de la columna vertebral 3 Articulación

3

p Presión

1 2

p1

p2

Como antes los gladiadores en la antigua Roma, ahora se enfrentan robots luchando por sobrevivir. Estos vehículos móviles se distinguen por estar armados para inmovilizar lo más pronto posible a los contrincantes. Estas armas pueden ser de diversa índole; en la fig. 5-70 se muestra una posible variante de tenaza. Se trata de una tijera para cortar ramas, modificada para esta aplicación. El arma puede avanzar y retroceder mediante un motor eléctrico y un husillo. Los movimientos se controlan a distancia por radio. Fig. 5-70 Tenaza de un robot luchador 1 2 3 4 5 6 7 8

Tenaza para cortar ramas Guía tipo cajón Músculo neumático Receptor de ondas de radio Válvula de vías Regulador de presión Botella de aire comprimido Motor de accionamiento por husillo 9 Muelle compresor

9

2

5 Aplicaciones

6

4

1

7

5 3

8

97

5.9 Controlar y probar

La mayoría de los productos tienen que someterse a pruebas de funcionamiento de larga duración hasta que se rompen. Para ello es necesario disponer de los equipos de prueba correspondientes que antes solían ser bastante complicados. Pero utilizando el músculo neumático como actuador de tracción es posible configurar máquinas más sencillas para efectuar las pruebas. La fig. 5-71 muestra el esquema de un sistema para controlar sillas de oficina. Mediante una solución ingeniosa se aprovecha la gran fuerza del músculo neumático para elevar las masas mediante cables y rodillos. En uno de los ejemplos se controla el funcionamiento del respaldo, mientras que en el otro se prueba la resistencia de la butaca. Los respaldos se someten a una fuerza cercana a la fuerza de rotura.

Fig. 5-71 Control de la resistencia de sillas de oficina a) Sistema para controlar el funcionamiento del respaldo b) Sistema para someter la butaca a un esfuerzo de larga duración 1 2 3 4 5 6 7 8

Respaldo Sistema de fijación Cable de tracción Músculo neumático Contrapeso Carga Guía Bastidor

1

8 3 6 4

5

2 7

a)

b)

En vez de utilizar un complicado sistema de medición de la fuerza y circuitos de regulación, la fuerza de tracción se limita mediante contrapesos que pueden cambiarse con facilidad.Cuando el mecanismo de tracción supera la fuerza máxima, estos contrapesos simplemente se elevan. Del mismo modo podría controlarse la resistencia de la butaca colocando (acción de sentarse) y retirando (acción de levantarse) constantemente una masa equivalente a la masa del cuerpo humano.

98

5 Aplicaciones

También podría aprovecharse el cambio de longitud del músculo neumático para medir la presión aproximada en el conducto. Para ello podría recurrirse a una escala con aguja, tal como se muestra en la fig. 5-72a. Fig. 5-72 Manómetro a) Sistema con escala y aguja b) Indicador óptico 1 2 3 4 5

1

Tubo Músculo neumático Tubo protector Peso Escala

5 2

2

3 5

4

4

a)

3

b)

Si para efectuar el control sólo se necesita una información aproximada, puede optarse por una solución aún más sencilla. En una mirilla se ven los colores rojo, amarillo y verde, equivalentes a las presiones de 2, 4 y 6 bar. Un instrumento de esta índole sería robusto e insensible a las interferencias causadas por suciedad o vibraciones. En la fig. 5-73 se aprecia el ejemplo del control del material de una pieza muy pesada. La pieza se desplaza constantemente de un lado al otro y después de cada ciclo, el sistema de control avanza una línea. De esta forma puede controlarse toda la superficie de la pieza. El movimiento transversal del equipo de medición también podría estar a cargo de una pareja de músculos neumáticos. Los movimientos se ejecutan sin tirones ni golpes. La única desventaja consiste en que si los recorridos son largos, los músculos neumáticos tienen que ser relativamente grandes. En ese caso sería recomendable utilizar un sistema de conversión del sentido del movimiento mediante cables o correas dentadas combinadas con rodillos.

5 Aplicaciones

99

Fig. 5-73 Control de la superficie de piezas pesadas a) Croquis de la disposición b) Esquema neumático

1 1 2 3 4 5 6

Equipo de control Unidad lineal Pieza objeto del control Músculo neumático Carro Válvula antirretorno H-QS-... 7 Válvula de escape rápido SUE-... 8 Válvula de precisión reguladora de presión LRP-... 9 Electroválvula CPE 14-...

2 3 4 250 kg

5

a)

6

7 9

8

b)

5.10 Accionar

100

Los actuadores suelen tener un “motor”, que en este caso es un músculo neumático, y un sistema de engranajes para transformar el movimiento generado por el motor en otro que pueda ser aprovechado por la máquina o el equipo que es objeto del accionamiento. El movimiento puede ser giratorio

5 Aplicaciones

o lineal, continuo o discontinuo, en un sentido o en sentidos cambiantes. En la fig. 5-74 pueden apreciarse algunos convertidores: mecanismos de trinquete y rueda dentada, husillos de paso muy largo y accionados mediante tuerca y sistemas con cigüeñal de movimiento giratorio continuo. Fig. 5-74 Actuadores giratorios con músculo neumático y convertidor de movimientos a) Avance de paso a paso b) Movimiento giratorio en sentidos opuestos alternantes c) Giro con cigüeñal (ver también fig. 5-75) d) Disco basculante

a)

c)

b)

d)

En la fig. 5-75 se muestra un sistema de accionamiento con cigüeñal y músculo neumático. La vista lateral corresponde, en principio, al sistema mostrado en la fig. 5-74c. Se trata de una máquina tricilíndrica que funciona desde 20 hasta 200 r.p.m.. Su movimientos pueden cambiar de sentido, dependiendo de cómo se accionan los músculos. La distribución del aire está a cargo de una válvula especial.

5 Aplicaciones

101

Fig. 5-75 Unidad de accionamiento con cigüeñal y músculo neumático (Festo) 1 2 3 4 5

p1 p2

Músculo neumático Cigüeñal Árbol de salida Unidad de control Sistema de medición de ángulos

p3

5

1

4

p Aire comprimido

3

2

Un actuador de este tipo es apropiado para zonas con peligro de explosión o cuando sólo se dispone de aire comprimido como fuente de energía, tal como sucede, por ejemplo, en la industria de la madera, en partes de la técnica de purificación de aguas, en la industria azucarera, en fábricas de pinturas o en refinerías. En un proyecto de estudio de viabilidad se utilizó un vehículo urbano para dos pasajeros de pie, equipado con el sistema de accionamiento compuesto por los músculos neumáticos y el cigüeñal. Pero también el sistema de la suspensión estuvo equipado con músculos neumáticos. Sin embargo, la autonomía de este vehículo no resultó convincente, ya que es muy limitada la cantidad de aire comprimido que puede transportar (fig. 5-76). Fig. 5-76 Vehículo urbano accionado por músculos neumáticos (Viererbl, F., Scholl, P.) con sistema de suspensión con músculo neumático y sistema de inclinación en función de la velocidad

102

5 Aplicaciones

102

En la fig. 5-77 puede apreciarse el funcionamiento de un actuador giratorio sin cigüeñal. Se trata de una estructura modular compuesta por varios músculos cuya potencia se suma. La transformación del movimiento lineal en un movimiento giratorio está a cargo de un sistema de husillo y tuerca, como el que ya se explicó en la fig. 5-74b. Fig. 5-77 Vehículo con actuador giratorio sin cigüeñal, con músculos neumáticos

En la fig. 5-78 queda reflejada la idea de poner en funcionamiento un atornillador manual mediante aire comprimido. Este atornillador es ligero porque no tiene un motor rotativo con partes mecánicas. Los actuadores pueden montarse en el interior de las dos empuñaduras. Los músculos neumáticos actúan mediante un conjunto de gatillo y rueda dentada sobre el árbol central. El gatillo puede invertirse, con lo que los movimientos pueden ejecutarse en ambos sentidos. A pesar del reducido diámetro del actuador, el momento de giro es considerable y, además, puede regularse de modo muy sencillo modificando la presión. Este atornillador funciona más silenciosamente que otros aparatos utilizados con el mismo fin. Si se utiliza un músculo neumático de 20 mm de diámetro, si el punto de aplicación de la fuerza se encuentra 30 mm fuera del árbol y si la presión es de 6 bar, se obtiene un momento de giro de M = 1000 N x 0,03 m = 30 Nm. El par de apriete necesario para ajustar, por ejemplo, un tornillo M8, es de 22 Nm. En vez de utilizar el sistema que aquí se muestra con gatillo y rueda dentada, bien puede utilizarse también un sistema de piñón libre. El motor con cilindros dispuestos en forma de estrella se utilizaba antes en aviones. Un cigüeñal central pone en movimiento los pistones mediante bielas. El movimiento de las bielas y pistones constituye un sistema dinámico muy complicado. Pero si se utilizan músculos neumáticos (que tienen muy poca

5 Aplicaciones

103

Fig. 5-78 Atornillador neumático manual Músculo neumático Empuñadura Gatillo Rueda dentada Árbol Acoplamiento de la llave Conducto de aire comprimido 8 Pulsador de mando

8 2

1 2 3 4 5 6 7

1 3 7 4 M

1 5

6

masa) dispuestos en forma de estrella, la situación es mucho menos complicada (fig. 5-79). El motor puede ser de estrella simple (tal como se aprecia en la gráfica) o de estrella doble o múltiple para obtener un momento de giro mayor. En la solución de estrella múltiple, hay varios sistemas de estrella simple que actúan sobre el mismo cigüeñal. Fig. 5-79 Motor en forma de estrella, accionado por músculos neumáticos

1 1 Control de la distribución del aire comprimido 2 Muñón 3 Músculo neumático 4 Volante 5 Conducto de aire comprimido

2

4 5

104

5 Aplicaciones

3

¿Abrir puertas con el músculo neumático? ¡Porqué no! El músculo neumático tiene fuerza más que suficiente para abrir puertas corredizas. En la fig. 5-80 se muestra un ejemplo para el equipamiento posterior de un sistema con músculo neumático. El brazo basculante se desplaza entre los rodillos y transmite el movimiento. La puerta se cierra por efecto del peso. Si el carril está ligeramente inclinado, la puerta puede cerrarse también recurriendo únicamente a la fuerza de la gravedad. La ventaja consiste en que no hay que modificar la puerta y sólo tiene que montarse una pareja de rodillos. La puerta puede abrirse automáticamente si un detector constata que se acerca un vehículo, que puede ser, por ejemplo, una carretilla elevadora. La señal emitida por el detector pone en funcionamiento una válvula de vías para aplicar el aire comprimido necesario. Fig. 5-80 Abrir neumáticamente una puerta corrediza 1 2 3 4 5 6 7

6

Cable Contrapeso Rodillo Brazo basculante Músculo neumático Carril Tope final

1 3

7

8

4

5

2

Muchos otros movimientos lineales pueden ejecutarse con músculos neumáticos. Sin embargo, hay que acostumbrarse a la idea de que la máquina es accionada con un “tubo de goma” y eso toma su tiempo. Pero una vez demostrada la eficiencia, todo son ventajas. Como en el caso de la utilización de dos músculos neumáticos que aplican fuerzas en sentidos contrarios para obtener un movimiento de vaivén. La sierra que se muestra en la fig. 5-81 tiene una carrera de 50 mm y permite alcanzar una frecuencia de 160 movimientos por minuto. Los músculos pueden montarse en paralelo con respecto a la guía, aunque también pueden montarse axialmente, quedando protegidos dentro de la guía que de todos modos es necesaria. El movimiento de avance, necesario para la acción de aserrar, está a cargo de un sistema de transporte que, como en el ejemplo, puede estar constituido por rodillos moleteados y engomados, entre los que avanza la pieza que se cortará.

5 Aplicaciones

105

Fig. 5-81 Sistema de accionamiento de una sierra (plano superior)

1

p1 1 2 3 4 5 6 7 8

Músculo neumático Casquillo de guía Barra de guía Hoja de la sierra Rodillo de transporte Tronco Transportador de rodillos Barra hueca (variante)

2

8

5 6

p2

4 3

2

7

p Aire comprimido

También es posible simular movimientos de avance como los que realizan los gusanos. La oruga se apoya con sus cerdas en la parte interior de un orificio. El cuerpo del gusano está circundado por dos capas de músculos, en el exterior la musculatura anular y en el interior la musculatura longitudinal. Ambos tipos de músculos pueden simularse con los músculos neumáticos. En la fig. 5-82 se aprecia la estructura de un sistema de avance dentro de tubuladuras (por ejemplo, para la inspección de la superficie del interior de los tubos). El equipo avanza igual que los gusanos. En la fig. 5-83 se muestra un ciclo completo ∆s del movimiento. El actuador actúa en ambos sentidos, puede moverse ilimitadamente, puede tener un diámetro muy pequeño y ejecutar ciclos rápidos. Los dos cabezales de fijación están unidos al músculo neumático de forma flexible. Fig. 5-82 Sistema con músculo neumático para la ejecución de movimientos similares a los gusanos 1 2 3 4 5 6

1

2 3

4

5

6

Mordaza de fijación Tubería Émbolo de bloqueo Músculo neumático Muelle de compresión Articulación

a b c

a, b, c Conductos controlados de aire comprimido

106

5 Aplicaciones

Fig. 5-83 Secuencia de movimientos de un sistema de inspección de tubos accionado por un músculo neumático ∆s Paso

∆s

Los cabezales están bloqueados durante algunos instantes para mantener la posición. El siguiente paso está a cargo del muelle de compresión o del músculo neumático. Para efectuar trabajos de inspección tendría que montarse una cámara miniaturizada con iluminación en el cabezal. Los componentes electrónicos incluso pueden montarse en el interior del músculo neumático.

5.11 Sistemas de avance por vibración

El músculo neumático puede funcionar con una frecuencia de hasta 90 Hz. Esta característica, sumada a su gran fuerza inicial, hacen de él un actuador ideal para sistemas de avance por vibración. En la fig. 5-84 se muestran algunos sistemas vibratorios accionados por músculos neumáticos. La solución convencional consiste en utilizar actuadores excéntricos electromecánicos o magnéticos. El canal oscilante que aparece en la fig. 5-84c funciona con una frecuencia de 75 Hz. La frecuencia puede regularse de modo continuo desde 10 hasta 90 Hz. El movimiento de expulsión de las piezas que se encuentran sobre el canal está determinado por el ángulo de los resortes. Lo mismo sucede

5 Aplicaciones

107

en el caso del depósito helicoidal de la fig. 5-84b. La fuerza del músculo actúa en el centro a través de un rodamiento de bolas. Ello es necesario debido al movimiento de elevación y de giro de depósito. Pero también podrían montarse varios músculos neumáticos tangencialmente al recipiente vibratorio, tal como se aprecia parcialmente en la fig. 5-84a. Fig. 5-84 Sistemas vibratorios accionados por músculos neumáticos

2

a) Actuadores de distribución tangencial b) Depósito helicoidal vibratorio con músculo neumático como actuador central c) Accionamiento de canal vibratorio 1 Muelle laminado o barra de torsión 2 Músculo neumático 3 Canal de avance de piezas 4 Recipiente vibratorio 5 Placa vibratoria 6 Rodamiento 7 Placa base 8 Placa de alimentación 9 Anclaje

4 1

8

6

5

2 1

1

9

7

9

a)

b)

3

9 1

c)

108

5 Aplicaciones

2

1

La mesa vibratoria de la fig. 5-85 únicamente ejecuta movimientos verticales y puede utilizarse para realizar ensayos de materiales. La placa se guía mediante cuatro columnas. Los músculos neumáticos actúan en contra de la fuerza de los muelles de compresión o de los resortes de disco. Si se desea obtener un movimiento oscilante, debe montarse en el centro una apoyo esférico. Entonces hay que activar los músculos individualmente para obtener la oscilación deseada. En ese caso es recomendable generar oscilaciones de baja frecuencia y gran amplitud. Fig. 5-85 Mesa de vibración vertical para efectuar pruebas 1 2 3 4 5 6 7 8

Placa de base Muelle de compresión Músculo neumático Brida de sujeción Guía recta Manguito Columna de guía Pie de la columna

1

2 5

6

3

7

8

4

En aplicaciones del sector del ocio y entretenimiento es importante disponer de equipos de simulación capaces de ejecutar movimientos lo más realistas posibles. En el aspecto óptico y visual ya se obtienen resultados bastante satisfactorios y también los efectos acústicos son muy buenos. Sin embargo, lo que aún puede mejorarse es la transmisión de las vibraciones al cuerpo del usuario en función de la situación imperante en cada caso. Una solución económicamente viable y, además, muy efectiva, consiste en utilizar músculos neumáticos para realizar los movimientos del asiento del piloto. En esta aplicación, tiene que utilizarse un conjunto de músculos neumáticos con el fin de conseguir los movimientos en tres planos, tal como se indica en el esquema de la fig. 5-86. El asiento descansa sobre una columna central con cabezal de rótula y un muelle de compresión. Con los músculos neumáticos se obtiene una simulación muy realista, ya que sus movimientos se producen sin tirones y, además, porque alcanzan frecuencias muy elevadas. En el sector de la diversión y el entretenimiento podrían equiparse asientos con este sistema para utilizar videojuegos o ver películas, con lo que la vivencia sería mucho más realista.

5 Aplicaciones

109

Fig. 5-86 Asiento vibratorio para fines de simulación

1

1 Asiento (de piloto, de camionero, etcétera.) 2 Cinturón de seguridad 3 Joystick para controlar el simulador 4 Apoyapiés 5 Base 6 Columna central con muelle de compresión 7 Músculo neumático

2 3

4

6 7 5

El equipo de la fig. 5-87 se utiliza para mezclar el contenido de un barril. Los movimientos en el sentido de los ejes X e Y están a cargo de parejas antagonistas de músculos neumáticos. Los movimientos giratorios a lo largo de los dos ejes pueden ejecutarse individualmente o de modo superpuesto. En ese caso se obtiene un movimiento tambaleante. Las características del movimiento y sus secuencias pueden modificarse constantemente por medio de la correspondiente programación. Las fuerzas ocasionadas por el peso se compensan mediante apoyos suficientemente grandes en los ejes giratorios. Una mezcladora de este tipo, aunque de dimensiones más pequeñas, podría utilizarse en laboratorios. Fig. 5-87 Mezcladora de barriles con cuatro músculos neumáticos

1

1 Barril 2 Placa de soporte 3 Músculo neumático para los movimientos giratorios por el eje Y 4 Placa básica 5 Músculo neumático para los movimientos giratorios por el eje X 6 Eje giratorio

A B

2 6

3

Y A und B Vibraciones por balanceo

X

5 4

110

5 Aplicaciones

La silla vibratoria de la fig. 5-86 ha sido, en principio, el modelo que sirvió de ejemplo para la mesa vibratoria que se utiliza para la realización de ensayos y que se aprecia en la fig. 5-88. La placa vibratoria está únicamente apoyada en el muelle de compresión central. Dependiendo de las secuencias de la activación de los cuatro músculos neumáticos se obtienen vibraciones con frecuencias y amplitudes diversas. Todo el conjunto está desacoplado del suelo mediante amortiguadores. La solución mediante músculos neumáticos también ofrece ventajas energéticas en comparación con la utilización de otro tipo de actuadores. Además, la estructura mecánica es sumamente sencilla. Esta mesa de ensayos se utiliza, por ejemplo, para comprobar las vibraciones que se producen en asientos de automóviles. Fig. 5-88 Mesa de ensayos de vibración 1 Elemento para la sujeción de la pieza objeto del ensayo 2 Placa vibratoria 3 Muelle de compresión 4 Músculo neumático 5 Pie con amortiguador integrado 6 Bastidor

1

2

3

4

6

5

Los sistemas vibratorios siempre son sistemas compuestos de masas amortiguadas. Las máquinas vibratorias, como por ejemplo tamices vibratorios o compactadoras de hormigón, gravilla o arena, por lo general vibran por efecto de masas rotativas excéntricas. Las vibraciones disminuyen la tensión superficial y la fricción de los gránulos, con lo que estos se compactan a causa de la gravedad. En la fig. 5-89 se muestra un ejemplo de utilización del actuador neumático. El músculo actúa contra el peso de la placa vibratoria.

5 Aplicaciones

111

Fig. 5-89 Compactar material a granel 1 2 3 4

Caja de molde Partículas de arena Placa vibratoria Músculo neumático

1

2

3

4

5.12 Frenar y retener

La operación de frenado se caracteriza por sus recorridos cortos y grandes fuerzas. La operación de retención suele conseguirse mediante la aplicación de fuerza con un elemento sobre la pieza. Para que dicho elemento avance también suelen necesitarse carreras cortas. Ello significa que el músculo neumático es la solución apropiada en ambos casos, también porque es un actuador ligero y porque ocupa poco espacio. En los ejemplos que se comentan a continuación se ofrecen sugerencias para posibles aplicaciones. Primer ejemplo: Una estación elevadora de piezas en paletas se encuentra encima de un sistema de transporte por rodillos. En caso de un corte de energía o de avería, hay que retener la carga para evitar que se caiga. Esta función está a cargo de los músculos neumáticos montados en la plataforma principal y que se ocupan de desplazar un perno de bloqueo. En caso de emergencia, un muelle de compresión actúa sobre el perno para que éste quede encastrado, inmovilizando la carga. Para instalar el músculo neumático se necesita poco espacio. En esta aplicación se trabaja en un entorno con mucho polvo, lo que, sin embargo, no es impedimento alguno para el músculo.

112

5 Aplicaciones

En la fig. 5-90 puede apreciarse la disposición de la estación elevadora. Fig. 5-90 Sistema de bloqueo 1 2 3 4 5 6 7 8 9

1

Material transportado Paleta Avance sobre rodillos Plataforma elevadora Muelle de compresión Músculo neumático Unidad elevadora Perno de bloqueo Dientes de bloqueo

2

3 8 4 9 5

6

1 7

2

3

Otro ejemplo: Al desenrollar, por ejemplo, una cinta de chapa fina, es necesario que la velocidad sea constante para que la cinta pueda alimentarse de modo homogéneo a una estación de trabajo. Sin embargo, al desenrollar la cinta, la fuerza de tracción F que se aplica en la cinta cambia en función del diámetro. Por ello es necesario disponer de un freno para regular constantemente la velocidad de giro durante la operación de desenrollar la cinta. Si la velocidad es baja, es recomendable utilizar con ese fin un actuador que permita una regulación muy fina y que, además, ejecute movimientos sin tirones. Ello significa que esta aplicación es ideal para el músculo neumático. En esta aplicación, el músculo neumático ofrece ventajas evidentes en comparación con un cilindro neumático convencional, también porque la regulación es muy sencilla mediante una válvula proporcional. En la fig. 5-91 se incluye la representación esquemática de la aplicación que aquí se describe, utilizándose un músculo neumático de 40 mm de diámetro y de 250 mm de largo (fuerza aproximada de 500 N, carrera de 2 mm). Esta es apropiada en todos los casos en los que hay que desenrollar o enrollar material en forma de cinta o banda, operaciones frecuentes en la industria de fabricación y procesamiento de cintas de metal con o sin recubrimiento.

5 Aplicaciones

113

Fig. 5-91 Freno de un equipo para desenrollar

2

1 1 2 3 4 5 6 7 8

Rollo Músculo neumático Rodillo desviador Rodillo detector Medidor de fuerza Detector proporcional Eje del rollo Mordaza del freno

3

4

5

F

p1

F Fuerza de desenrollado p Aire comprimido

7

8

6 p

En la fabricación de embutidos, una de las operaciones consiste en la alimentación de la tripa artificial a la máquina embutidora. Las poleas que guían la tripa artificial tienen que frenarse rápidamente, para lo cual puede montarse un músculo neumático en el eje hueco del rodillo. El músculo no gira junto con la polea, de modo que es posible aplicar el aire comprimido en un punto fijo. La solución que se muestra en la fig. 5-92 puede considerarse una solución modelo que con variaciones puede utilizarse en otras aplicaciones similares. Fig. 5-92 Frenar una polea de inversión 1 2 3 4 5 6

Polea de inversión Rodamiento de bolas Bastidor Músculo neumático Disco del freno Antigiro con detección del momento de giro

1

2 5 3

p Aire comprimido

6 4

p

114

5 Aplicaciones

El freno de tambor de la fig. 5-93 aplica la fuerza de frenado mediante muelles de compresión o un conjunto de resortes de disco. Los músculos neumáticos utilizados en este freno aplican una gran fuerza en un recorrido muy corto. Este mecanismo puede utilizarse como freno de emergencia. En caso de un corte de energía, los actuadores neumáticos se quedan sin fuerza y los muelles hacen las veces de actuador para aplicar la fuerza de frenado. Fig. 5-93 Mecanismo de frenos de tambor

5

3

1

2

3

4

1 Forro/Pastillas del freno 2 Tambor/Disco 3 Muelle compresor, conjunto de resortes de disco 4 Músculo neumático 5 Bastidor

5.13 Transportar

Dentro de una fábrica se transportan piezas para retirarlas del almacén con el fin de volverlas a almacenar temporalmente o alimentarlas a una máquina. Para efectuar estas operaciones se utilizan con frecuencia cintas de transporte. Aunque estos sistemas son relativamente sencillos en términos técnicos, están provistos de actuadores de diversa índole. Entre ellos están los que se ocupan de mantener tensas las cintas de transporte. Si la tensión de las cintas no es la adecuada, las piezas que se encuentran sobre ellas no se transportan correctamente. En la fig. 5-94 se muestran algunas soluciones mediante la utilización de músculos neumáticos. La utilización del músculo neumático para tensar cintas de transporte es aconsejable porque se trata de un actuador muy robusto con características de amortiguación adaptables.

5 Aplicaciones

115

Fig. 5-94 Soluciones con músculos neumáticos para tensar cintas de transporte a) Desplazamiento de la polea de inversión b) Actuador tensor en el soporte de la cinta de transporte c) Tensor vertical de la cinta de transporte d) Rodillos tensores en una máquina de lavar 1 2 3 4 5 6

3

1

a)

6

b)

1

4

Músculo neumático Rodillo desviador Cinta de transporte Cinta de botones Rodillo tensor Rodillo tensor

2

5 2 5 1 c)

d)

En el caso del transportador de acumulación con rodillos también tiene que solucionarse un problema relacionado con fuerzas de fricción (fig. 5-95). Este tipo de sistemas de transporte de piezas tiene la ventaja de evitar que las piezas acumuladas estén expuestas a fuerzas por topar unas con otras. En el ejemplo que aquí se muestra, la cinta de transporte tiene únicamente la finalidad de accionar los rodillos cuando el músculo neumático se encuentra bajo presión. Una vez que la pieza transportada llega hasta el interruptor, se desconecta el aire comprimido, con lo que se retiran los rodillos de presión y la cinta de transporte ya no tiene contacto con los rodillos de transporte. La pieza se continúa transportando únicamente cuando una señal del proceso anula la señal del interruptor. Fig. 5-95 Transportador de acumulación con rodillos con sistema de desconexión neumático 1 2 3 4 5 6

1

Pieza transportada Sistema de rodillos Cinta de transporte Interruptor neumático Rodillo de presión Músculo neumático

4

3

p Aire comprimido

116

5 Aplicaciones

5

6

2

p

El ejemplo de la fig. 5-96 representa la solución a otra tarea de transporte. Un trinquete abatible, montado en un carro, se ocupa de desplazar vigas pesadas de doble T a lo largo de un carril deslizante. El trinquete se pone en posición vertical por efecto del peso. Al efectuar el movimiento en el sentido contrario, el trinquete se abate hasta que se encuentra en la posición de la siguiente viga que, entretanto, ha ocupado la posición de espera. Dado que las vigas son largas, el sistema dispone de varios carros que se mueven simultáneamente y de modo paralelo. Mediante el sistema de control es posible modificar las carreras, con lo que sería posible volver a aplicar el trinquete en la otra ala de la misma viga. Fig. 5-96 Sistema de desplazamiento de vigas

1 1 2 3 4 5 6 7 8

Viga de doble T Carril de deslizamiento Trinquete Tope ajustable Músculo neumático Peso Carril Carro

3

2

5

4

7

6

8

Las piezas que avanzan en el plano horizontal pueden distribuirse, según su tipo, en varios carriles paralelos. Pero la distribución también puede hacerse en el plano vertical, lo que permite ahorrar espacio, una ventaja importante puesto que en las fábricas suele escasear el espacio disponible. La distribución vertical de las piezas exige que el sistema pueda desplazarse hacia los diversos niveles para alimentarlas. En la fig. 5-97 se muestra un esquema de funcionamiento de una estación de distribución vertical de piezas. A ambos lados de la cinta se encuentra un músculo neumático que se ocupa de elevar o descender la cinta hacia las tres posiciones. Este proceso puede funcionar de modo completamente automático si, por ejemplo, se utiliza un lector de código de barras para generar las correspondientes señales de posicionamiento. El peso de la cinta basculante puede reducirse utilizando un contrapeso o la fuerza de un muelle. Las fuerzas equivalen a las del brazo que se explicó en la fig. 2-4.

5 Aplicaciones

117

Fig. 5-97 Distribución de piezas según tipo 1 Cinta de transporte principal 2 Cinta de transporte secundaria 3 Lector de código de barras 4 Músculo neumático 5 Pieza transportada

2

3

4 F 1

5

g Fuerza de gravedad m Masa S Centro de gravedad de la masa

S mg

Si en una cinta de transporte avanzan productos a granel que pueden desprender partículas de suciedad que queden adheridas a la cinta, es posible que se necesite un sistema de lavado para retirar las partículas de suciedad mediante rascadores provistos de pestañas de goma o de acero, tal como se indica en el ejemplo de la fig. 5-98. En esta aplicación, el músculo neumático asume la función de un muelle cuya fuerza puede modificarse según sea necesario, regulando la presión. Para conocer la presión óptima en cada caso, también es posible realizar ensayos hasta obtener el resultado más satisfactorio. Fig. 5-98 Rascador doble en una cinta de transporte 1 Tambor de expulsión de piezas 2 Cinta de transporte 3 Rascador 4 Músculo neumático 5 Bastidor

5

1

2 3 4

118

5 Aplicaciones

La cinta de transporte que aparece en la fig. 5-99 puede desplazarse en el plano horizontal mediante dos músculos neumáticos. Una vez que el camión se encuentra delante de la rampa de carga, la cinta avanza hasta la superficie de carga. Regulando la presión, el avance se realiza a la posición correcta dependiendo de la posición en la que se encuentra el camión. La cinta de transporte como tal descansa sobre barras de posicionamiento. Es recomendable que estas guías lineales y los músculos neumáticos estén posicionados unos juntos a otros, a diferencia de lo que se indica en el esquema, ya que de esa manera se ahorra espacio en altura. Si las distancias de desplazamiento son mayores, podría aplicarse el principio del rodillo libre que se explicó en la fig. 3-7. Fig. 5-99 Cinta de transporte desplazable 1 2 3 4 5 6 7

Paquete Cinta de transporte Superficie de carga Guía recta Músculo neumático Rampa de carga Estructura básica

3

1

2

4 7 5 6

Si las cintas de transporte son largas, es necesario guiarlas utilizando, por ejemplo, un rodillo tensor y de guía. Estos rodillos tienen que poder regularse horizontalmente. Un detector o una barrera de luz controla los movimientos de la cinta y, si es necesario, se modifica el ángulo β del rodillo de guía. De esta manera se consigue que la cinta esté centrada. El sistema funciona de modo continuo y el esquema de la fig. 5-100 muestra una solución simplificada.

5 Aplicaciones

119

Fig. 5-100 Centrado de una cinta de transporte

3

a) Disposición del sistema de rodillos para centrar b) Guiado de la cinta c) Detección del borde de la cinta 1 2 3 4 5 6

Rodillo regulable Rodillo inversor Cinta de transporte Barrera de luz Estructura basculante Músculo neumático

1

1

+β

6 –β

2 4

5

a)

b)

c)

En la fig. 5-101 se propone otra solución para la misma tarea. En este caso, el rodillo expulsor de la cinta es desplazable. El elemento que la mueve tiene suficiente holgura para permitir una ligera inclinación del eje del rodillo. A cada lado de la cinta se encuentra un músculo neumático. Estos músculos tensan el rodillo mediante palancas y, además, consiguen centrar la cinta variando la presión y, por lo tanto, efectuando movimientos ligeramente distintos en ambos lados. Fig. 5-101 Centrado de una cinta de transporte 1 Detector óptico del borde de la cinta 2 Cinta de transporte 3 Rodillo tensor 4 Corredera 5 Palanca 6 Músculo neumático

2

3

1 4

p Aire comprimido

7

p

120

5 Aplicaciones

6

5

Al transportar objetos de diversa índole (paquetes, bidones, cubos, latas, etcétera), muchas veces es necesario retenerlos temporalmente, interrumpiendo su movimiento de avance. Para esta tarea puede utilizarse el sistema que muestra la fig. 5-102. La disposición es sumamente sencilla y el croquis permite entender fácilmente su funcionamiento. Al contraerse el músculo neumático, se desplaza la cuña, con lo que disminuye el paso en la cinta de transporte. El objeto queda aprisionado entre la cuña y la guía lateral de la cinta de transporte. Una vez emitida la señal correspondiente, la pieza queda aprisionada de inmediato, ya que el músculo tiene una capacidad de respuesta muy rápida. Fig. 5-102 Aprisionamiento de objetos que avanzan por una cinta de transporte a) Paso libre (plano superior) b) Paso bloqueado (sistema de aprisionamiento activado) 1 Cinta de transporte segmentada 2 Guía lateral 3 Paquete 4 Cuña de aprisionamiento 5 Músculo neumático 6 Muelle de compresión 7 Cuerpo y guía

7

4

6 a) 1

2

3

5

b)

5.14 Distribuir y desviar

En la fabricación de productos en grandes series, suele ser necesario desviar el flujo de los productos, guiándolos hacia diversos canales. La distribución puede ser necesaria en función de las cantidades o de los tipos de productos. En este último caso tiene que utilizarse un detector para comprobar la existencia de un criterio de distinción de las piezas. El detector emite una señal que la unidad de control utiliza para activar la bifurcación. En la fig. 5-103 se muestra un ejemplo. La derivación accionada mediante músculos neumáticos reacciona muy rápidamente, por lo que el funcionamiento es fiable incluso si las piezas vienen muy seguidas. Los dos músculos neumáticos pueden ser relativamente pequeños si el punto de fijación se encuentra cerca del eje de giro de la aleta pivotante. 5 Aplicaciones

121

Fig. 5-103 Bifurcación clasificadora, de respuesta rápida (plano superior)

1

1 2 3 4

Detector, cámara Aleta pivotante Músculo neumático Canal después de la clasificación de piezas 5 Canal antes de la clasificación de piezas

3

2 7

4

6

5

La distribución de productos a granel puede conseguirse de modo muy similar. En la fig. 5-104 se ofrece un ejemplo. Una elemento de distribución basculante puede asumir dos posiciones inclinadas, con lo que el producto a granel puede desviarse hacia una u otra cinta de transporte. La inclinación del elemento de distribución se consigue mediante dos músculos neumáticos, uno a cada lado del eje. En este tipo de aplicaciones, el músculo neumático ofrece la ventaja de ser insensible al polvo ya que es un sistema completamente hermético. Fig. 5-104 Sistema de distribución de productos a granel 1 Cinta principal 2 Elemento acanalado basculante 3 Cinta secundaria 4 Músculo neumático 5 Soporte del eje del elemento basculante 6 Tope

2

1

6 4

3

5

2

6 4

122

5 Aplicaciones

3

5.15 Mecanizar

En máquinas y equipos para mecanizar piezas existen innumerables posibilidades para utilizar músculos neumáticos como unidades de accionamiento para ejecutar movimientos principales, aunque, sobre todo, movimientos auxiliares. Los ejemplos que se ofrecen a continuación pueden valer para muchas otras aplicaciones similares. El primer ejemplo se refiere a una operación de doblar chapas perfiladas. Las chapas perfiladas, utilizadas por ejemplo en la industria automovilística, tienen que doblarse con mucha frecuencia. Para lograrlo es necesario aplicar fuerzas considerables, lo que puede estar a cargo de varios músculos neumáticos que, además, ofrecen la ventaja de efectuar el movimiento sin tirones. La chapa se presiona contra un molde mediante barras de tracción (fig. 5-105). Este tipo de prensas se utiliza en la industria automovilística para moldear las chapas de las puertas. En ese caso concreto, se utilizan 12 músculos neumáticos de 40 mm de diámetro, capaces de aplicar juntos una fuerza de 1,2 toneladas, con lo que la operación de la deformación de la chapa apenas dura 20 segundos. Estas prensas de deformación de chapas están provistas de dos platos giratorios que giran en sentidos opuestos, aunque alrededor del mismo eje. La parte superior e inferior del molde están sujetas al plato inferior, mientras que los puntos de articulación de los músculos se encuentran en el plato superior. La chapa se presiona contra el molde tanto por el movimiento giratorio como por la fuerza de tracción de los músculos neumáticos. La utilización del músculo neumático permitió conseguir una solución mucho más económica.

Fig. 5-105 Prensa para doblar chapas perfiladas 1 2 3 4 5 6 7

Molde Músculo neumático Sujeción en el techo Chapa perfilada Barra de tracción Arandela esférica Tuerca

3

2 5 1 4 7 6

La calidad de las operaciones de pulido y lijado depende de la aplicación homogénea de la presión correcta. Por lo general no es posible recurrir al recorrido como criterio de regulación, ya que las muelas abrasivas o de pulir están sujetas a un constante desgaste. El músculo neumático es una solución muy satisfactoria para ajustar la presión de contacto ya que permite una regulación muy sencilla y, además, porque ejecuta los movimientos sin tirones. En la fig. 5-106 se muestra el funcionamiento esquematizado de una máquina de lijar 5 Aplicaciones

123

y pulir. En este ejemplo, la pieza se coloca a mano debajo de la herramienta. Claro está que la máquina también puede incluirse en una línea de fabricación automática. Cabe anotar que al pulir es necesario dosificar automáticamente una cantidad exacta de pasta y, además, hay que tener cuidado en que la temperatura de la superficie a pulir no sea demasiado alta. Fig. 5-106 Máquina de lijar y pulir

1

2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Brazo articulado Peso de compensación Muelle de tracción Unidad para lijar o pulir, accionada por husillo Muela abrasiva Pieza Mesa desplazable en cruz Empuñadura Soporte Músculo neumático Capa de pintura Perno de fijación

4

5

3 7

6

12

11

8

9

10

Los siguientes ejemplos se refieren a aplicaciones de corte de materiales. Para efectuar estos cortes suelen utilizarse diversos tipos de prensas. En el ejemplo de la fig. 5-107, se utilizan discos excéntricos con el fin de ampliar la fuerza del músculo neumático, de por sí muy grande. Los discos están provistos de ranuras en ambos lados para la fijación del músculo neumático y el correspondiente muelle de recuperación. La estructura básica es un producto comercial que está incluido en cualquier catálogo de accesorios para matricería. El sistema de accionamiento se coloca encima de las columnas de guía utilizando una especie de yugo. Fig. 5-107 Prensa de corte accionada por músculo neumático y discos excéntricos 1 2 3 4 5 6 7 8

Músculo neumático Disco excéntrico Yugo Columna de guía Herramienta Muelle de compresión Muelle de tracción Base

1 2 3 7

6 8

124

5 Aplicaciones

5 4

El sistema de la fig. 5-108 es ligeramente diferente. Esta máquina se utiliza para cortar cintas largas de poco grosor. En este caso, la fuerza de los músculos se aplica indirectamente a través de una palanca articulada. En cada movimiento se supera el punto muerto, por lo que en cada carrera se ejecuta la operación de corte. La máquina tiene un gran nivel de rendimiento gracias a la rapidez con la que reacciona el músculo neumático. Además, el muelle de tracción también podría sustituirse por un músculo neumático. Fig. 5-108 Máquina de corte con barra portacuchilla 1 Músculo neumático 2 Barra portacuchilla 3 Soporte o contracuchilla

1

2 3

También es posible cortar materiales utilizando hojas de sierra circulares, tal como se muestra en la fig. 5-109. En esta aplicación se cortan trozos de longitudes definidas de un pieza perfilada de material plástico. La sierra circular pende encima de la pieza y se mueve por acción de dos músculos neumáticos. La pieza de material plástico perfilado se introduce a mano en la guía y se sujeta también a mano durante la operación de corte. En el esquema no se han indicado los sistemas de seguridad necesarios para este tipo de máquinas. El músculo neumático consigue que el movimiento de avance sea homogéneo y sin tirones. El punto de inversión del movimiento pendular puede regularse modificando la presión.

5 Aplicaciones

125

Fig. 5-109 Máquina para cortar material plástico perfilado 1 2 3 4 5 6

5

Motor Sierra circular Barra perfilada Guía Músculo neumático Bastidor

1 6 3 4 2

La máquina para cortar que se muestra en la fig. 5-110 es mucho más pequeña y más bien puede considerarse una herramienta manual. La fuerza de un músculo neumático se amplía al final del movimiento de la cuchillas mediante una semipalanca articulada. La sincronización de los movimientos de los dos brazos está a cargo de la combinación de pernos y ranuras en la placa básica. Fig. 5-110 Herramienta de corte 1 2 3 4 5

1

Cuchilla Brazo Músculo neumático Muelle de tracción Bastidor fijo

2 3 4

5

126

5 Aplicaciones

En la fig. 5-111 se muestra una máquina de corte continuo de láminas para la obtención de tiras o flejes. En el esquema consta una sola unidad de corte, sobreentendiéndose que, dependiendo del ancho de la lámina, pueden montarse varias de estas unidades. El brazo con la cuchilla se mueve con dos músculos que aplican fuerzas en sentidos contrarios. El efecto amortiguador que tiene el músculo neumático es una característica que resulta ventajosa en esta aplicación. Otra ventaja de la máquina consiste en su disposición relativamente sencilla. Fig. 5-111 Máquina para cortar flejes 1 2 3 4 5 6 7

Músculo neumático Cuchilla Rodillo ranurado Lámina Rodillo Brazo portacuchillas Tope fijo

6 2

3

1

7 6 2

3

4

5

En la fig. 5-112 se incluye la representación esquemática de una máquina para cortar longitudinalmente masas relativamente suaves. Antes de la operación de corte como tal, el sistema primero aplica una muesca, para lo cual la cuchilla avanza hasta una posición intermedia (línea de posición a). Después del corte de una determinada cantidad de muescas se produce el corte definitivo (hasta la línea b). El retroceso está a cargo de un muelle. Esta máquina también es bastante sencilla y la detención en la posición intermedia se logra con una precisión de repetición de ± 0,3% en función de la longitud nominal si los movimientos son pulsantes y la posición se regula con la presión de los músculos neumáticos. En otros casos es válido un valor de 3% debido a la histéresis, también aplicado en función de la longitud nominal. Los ciclos dobles se ejecutan en 2 segundos, siendo la muesca de 15 mm y la carrera de corte de 25 mm.

5 Aplicaciones

127

Fig. 5-112 Máquina de corte con accionamiento mediante músculos neumáticos

7

8

1

7

1 a) Posición de corte superior (muesca) b) Posición de corte completo c) Posición de reposo 1 2 3 4 5 6 7 8

Placa elevadora Muelle compresor Músculo neumático Placa de base Masa suave Avance Cuchilla Columna de guía

2 c a b 6

3 5 4

La sierra de la fig. 5-113 también tiene un sistema de avance mediante músculo neumático. En esta aplicación, es especialmente ventajoso que el músculo ejecute los movimientos sin tirones. El retroceso de la mesa está a cargo de un cilindro neumático. Diseñando el sistema con algo de ingenio, es posible montar el músculo neumático debajo del tablero de la mesa. El músculo ocupa menos espacio que actuadores compactos de otro tipo que ofrecen la misma fuerza (por ejemplo, un actuador hidráulico). La pieza que se corta queda sujeta en la posición deseada mediante un sistema de sujeción que se mueve con el tablero. Fig. 5-113 Accionamiento del tablero de una sierra estacionaria

2

1 Sierra 2 Sistema de sujeción de la pieza 3 Pieza 4 Mesa 5 Músculo neumático 6 Cilindro de recuperación 7 Válvula de estrangulación y antirretorno 8 Electroválvula 9 Válvula de precisión, reguladora de la presión

1

F

3 4

F Fuerza de sujeción

5

6 7 8 2

12

82

11

2

12 82 10/12

33

9

128

5 Aplicaciones

1

3

5.16 Enrollar y desenrollar

Al enrollar o desenrollar cintas o cables, suele ser importante que el material esté sometido a una tensión constante. Sin embargo, esta tensión tiende a variar, ya que el rollo va cambiando de masa durante la operación y, además, porque el material como tal está expuesto a un tensión mecánica y a efectos de amortiguación propios. El sistema convencional de rodillo compensador o tensor está compuesto por un rodillo de control accionado eléctricamente. En este sistema se detecta el paso, por ejemplo, de un material textil y se mantiene constante la fuerza de tracción. Controlando el sistema de accionamiento se obtiene un desbobinado homogéneo del material. En la fig. 5-114 se muestra una solución posible entre muchas otras. La presión del músculo neumático se utiliza como criterio para determinar la tensión de la cinta. Para que ésta sea constante, se utiliza un motor eléctrico con el que se regula la velocidad de la cinta de fricción que hace girar la bobina de material.

Fig. 5-114 Regulación mediante rodillos basculantes y guiado múltiple 1 2 3 4 5 6 7

Bobina de material Rodillo tensor Músculo neumático Brazo del eje del rodillo Motor eléctrico Cinta de fricción Regulador

1 6

2

3 5

4

7

En la solución de la fig. 5-115, el motor eléctrico está directamente conectado al eje del rodillo, generando el momento de giro variable M. También en este caso se recurre a la presión del músculo neumático para emitir la señal correspondiente para el accionamiento del motor.

5 Aplicaciones

129

Fig. 5-115 Regulación mediante rodillos basculantes 1 Rodillo tensor 2 Músculo neumático M Momento de impulsión

2 M

1

F = const

5.17 Dosificar y porcionar

Estas dos operaciones se refieren a la obtención de porciones definidas de un material que tiene una forma indefinida, como por ejemplo una masa de harina, granulado, abonos, etcétera. En estos procesos es posible utilizar el músculo neumático como fuente generadora de fuerza, aunque también como unidad de dosificación fina abriendo o cerrando el paso del material de modo definido. En las modernas fábricas de pan, estos procesos se ejecutan de modo completamente automático. Una de las operaciones consiste en dividir y moldear la masa, especialmente para obtener productos de igual volumen y forma. Para conseguirlo se utiliza una máquina similar a una prensa. La masa avanza por un canal en cuyo extremo se encuentra una herramienta de corte. A continuación, la

130

5 Aplicaciones

masa se introduce a presión en un molde. Una vez moldeada la masa, continua avanzando por una cinta de transporte para su ulterior procesamiento. En la fig. 5.116 se muestra el esquema de este procedimiento. Fig. 5-116 Crear porciones de masa 1 2 3 4 5 6 7 8

Muelle de compresión Columna de guía Bastidor Músculo neumático Molde Matriz de extrusión Porción de la masa Cinta de transporte

1 4 2

3

5 6

7 8

En la agricultura, la industria de material de construcción y en la industria química es frecuente que el material a granel provenga de silos de grandes dimensiones. Sin embargo, es necesario regular la dosificación del material, para lo cual se utilizan muy a menudo cilindros neumáticos que sólo permiten abrir o cerrar el paso, con lo que la regulación es poco precisa. En las condiciones industriales modernas, esta regulación ya no es suficiente. El músculo neumático es una solución eficiente y sencilla, ya que permite una regulación continua de las compuertas. La reposición está a cargo de un contrapeso. El músculo es insensible a la suciedad que suele imperar en la industria agraria.

5 Aplicaciones

131

Fig. 5-117 Regulación de compuertas para el paso dosificado de forraje

p

a) Paso cerrado b) Paso regulado mediante presión 1 2 3 4

5

1

Músculo neumático Contrapeso Compuerta basculante Silo

4

p Aire comprimido

3 a)

2 b)

El sistema de alimentación de material a granel que aparece en la fig. 5-118 es algo diferente y, también, algo más complicado. La corredera se desplaza a lo largo de una guía recta. Al elegir el tipo de guía debe evitarse que quede obstruida por efecto del polvo o los granos del material. Más bien debe optarse por una solución que se mantenga limpia por su propio funcionamiento (guía vertical, placas giratorias). Fig. 5-118 Control de compuerta para el paso de material a granel 1 2 3 4 5

Silo Corredera Músculo neumático Guía recta Muelle de recuperación

1

2

4

132

5 Aplicaciones

3

5

El último ejemplo muestra la dosificación de material abrasivo a una máquina lijadora automática. La salida del silo puede regularse mediante una placa giratoria, tal como puede apreciarse en la fig. 5-119. El tamaño del paso abierto se regula mediante la presión del músculo neumático. El valor correspondiente a la presión se transmite como valor nominal a una válvula proporcional, reguladora de presión. Esta válvula se ocupa de ajustar la presión. La placa giratoria cierra el paso por acción de un muelle. Al igual que en todos los sistemas de este tipo, con material a granel proveniente de un silo, debe ponerse cuidado en que el granulado no se aglomere y que tampoco forme cavidades poco antes de la salida, impidiendo el flujo del material. Para evitarlo, pueden utilizarse sistemas de vibración (al respecto, ver las figs. 5-62 y 5-63). Fig. 5-119 Dosificación de material abrasivo en grano 1 Material abrasivo granulado 2 Silo 3 Placa giratoria 4 Muelle de tracción 5 Músculo neumático 6 Válvula proporcional reguladora de presión

1

4

2

3

6 5 Valor nominal MPPE Valor real

5 Aplicaciones

133

Glosario

Actuador Unidad de accionamiento que transforma señales (eléctricas) en movimientos mecánicos por medios neumáticos, hidráulicos o eléctricos. Por ejemplo: un cilindro neumático. Adaptador axial Elemento atornillable para el montaje de un músculo neumático a la estructura de una máquina con alimentación coaxial de aire comprimido. Adaptador ciego Elemento atornillable final, sin taladro para aire comprimido, pero con taladro roscado. Adaptador radial Elementos atornillables para el montaje de un músculo neumático a la estructura de una máquina; alimentación lateral del aire comprimido. Almohadilla o cojín En la neumática, un cuerpo hinchable compuesto de membranas de forma redonda, rectangular o anular. Aplicando presión, las partes superior e inferior se arquean formando un cuerpo convexo. Las fuerzas elevadoras pueden ser considerables y dependen del tamaño de la almohadilla. La membrana suele estar reforzada con fibra. Aneurisma Dilatación localizada en una arteria o vena. Aplicado al músculo neumático, peligro al que está expuesto al dilatarse. Un globo no reforzado tiende a formar aneurismas. Aramida Fibra de poliamidas aromáticas, utilizada como refuerzo en el músculo neumático. Su coeficiente de dilatación es muy bajo; se utiliza para reforzar materiales expuestos a esfuerzos térmicos con el fin de evitar su deformación. Las fibras son más ligeras y resistentes que las fibras de vidrio. Concretamente, su resistencia es entre 3000 y 4000 N/mm2 mientras que la dilatación de rotura es de aproximadamente un 2%. Carrera Modificación de la longitud del músculo neumático entre dos puntos de carga fijos. La carrera es más pequeña que el máximo tramo de contracción. Cloropreno Material plástico del grupo de los elastómeros, utilizado en el músculo neumático. A temperatura normal, es suave y elástico. Es el resultado de la reticulación (vulcanización) de cauchos sintéticos.

134

Glosario

Conexión En este caso, la conexión entre el músculo y el bastidor de la máquina mediante racores, adaptadores, etcétera. Contracción Reducción de la extensión del músculo neumático en caso de aplicar presión. Al contraerse, el músculo genera una fuerza de tracción. Contracción biológica del músculo Transformación de energía química en trabajo mecánico. Durante el proceso de contracción se produce una combinación de dos albúminas musculares (actina y miosina se transforman en actomiosina). Efecto de relajamiento Retardo entre la causa y el efecto. Por ejemplo, ligero alargamiento del músculo neumático después de estar sometido un tiempo prolongado a una carga estática. Expansión El músculo neumático se expande si está expuesto a una fuerza externa. Esta fuerza puede ser producida, por ejemplo, por una carga que cuelgue libremente. Frecuencia de funcionamiento Cantidad de cambios de carga por unidad de tiempo. En la información técnica, la frecuencia de un músculo neumático se expresa en hertzios (Hz), es decir, en acciones por segundo. Fuerza de pretensión Fuerza aplicada en un músculo neumático que no está sometido a presión. Produce un alargamiento de máximo 3% de la longitud nominal, con la consecuente estricción del músculo. Grado de contracción Relación entre la longitud nominal y la longitud de contracción. Cuanto menor es el grado de contracción, tanto mayor es la duración del músculo. Histéresis Comportamiento de un material que al someterse a procesos opuestos (por ejemplo, tracción y compresión) manifiesta tener diferencias en función del sentido (por ejemplo, modificación de la longitud). Limitación de la fuerza Combinación del músculo neumático con un resorte de disco para conseguir una fuerza máxima. Al superarse dicha fuerza máxima, se produce el escape del excedente de aire comprimido.

Glosario

135

Línea característica de la elasticidad Esta línea muestra la carrera del muelle s en función de la fuerza F del muelle. Su transcurso puede ser progresivo, lineal o regresivo. Los muelles con línea característica progresiva se vuelven más «duros» al aumentar la carga, mientras que los que tienen una línea características regresiva, se vuelven más “blandos” al aumentar la carga. Longitud de montaje Longitud del músculo mientras no está sometido a presión, incluyendo los elementos de conexión en ambos extremos (longitud nominal más 2 veces la longitud de los elementos de montaje). Si procede, indicación de la longitud del músculo contraído. Membrana Lámina delgada y flexible, estable mediante la presión de un gas, capaz de resistir cargas exteriores o de aplicar fuerza. La membrana, el medio exterior y el relleno forman un sistema constructivo. La membrana del músculo neumático está reforzada mediante una red de fibra. Motor Concepto general que se refiere a máquinas que generan movimientos convirtiendo un determinado tipo de energía en energía cinética. Según esta definición, cualquier cilindro neumático es también un motor. En el sentido estricto de la palabra, se entiende hoy por motor un sistema de accionamiento giratorio (por ejemplo, un motor eléctrico). También es posible obtener movimientos giratorios por medios neumáticos, entre otros con el músculo neumático si sus contracciones actúan sobre un cigüeñal. Movimientos a tirones Movimientos irregulares (a tirones) del carro o de platos divisores si los movimientos son muy lentos. Los tirones se producen debido a la fricción de adherencia y de deslizamiento, combinada con la deformación elástica de los materiales. Músculo neumático plano Nombre que recibe una almohadilla neumática. El músculo neumático plano tiene una placa básica plana con taladros para el montaje; la membrana como tal es ovalada o redonda y se hincha al aplicar aire comprimido. De esta manera, se obtiene una fuerza de compresión aprovechable. NeumoDel griego pneumon: pulmón. Por extensión, sistema constituido por una membrana únicamente sometida a fuerza de tracción. Ejemplos típicos: globos, pompas de jabón, ampollas en la piel, naves industriales neumáticas hinchables, neumáticos de automóviles, mangueras de bomberos y, por supuesto, el músculo neumático.

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Glosario

Peristáltica Concepto médico relacionado con el estómago y el intestino. Contracción que produce unos movimientos por los cuales se impulsan las materias contenidas en el tubo digestivo. Por extensión, movimiento de esta índole en conductos tubulares. Rigidez del muelle Indica la fuerza F del muelle que es necesaria para alcanzar una carrera f de 1 mm. Antes se llamaba coeficiente del muelle. Seguridad contra sobrecargas Ver: limitación de fuerza

Glosario

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138

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Bibliografía

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A

Abrir puerta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Accionamiento de canal vibratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Acoplamiento de fricción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Acoplamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Actuador con músculos neumáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Actuador de tracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Actuador neumático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Ajuste de la guía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Ajuste del ancho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Alimentación de material a granel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Aparato percutor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Aprisionamiento de objetos que avanzan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Asiento vibratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Atornillador manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

B

Barra portacuchilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Barrera rascadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Barrera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Bíceps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Bifurcación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Bomba de émbolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Bomba de vacío accionada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Brazo androide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Brazo en voladizo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

C

Cabezal con la pinza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Característica de la carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Centrado de una cinta de transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Centrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Chapa sobre un rodillo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Cilindro con muelle de compresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Cilindro con músculo neumático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Cilindro de fuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Cinta de transporte secundaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Cinta de transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83, 119 Clasificar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Cojín . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Compactadora de hormigón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Conexion desmontable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Consumo de aire comprimido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Cuerpo adicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

D

Dedos de la mano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Depósito de material a granel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Depósito helicoidal vibratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Desviación de piezas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Diagrama de fuerza y contracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Índice de términos técnicos

140

Índice de términos técnicos

Disposición en paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Disposición en serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Dispositivo para caminar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Distribuidor basculante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91 Duplicación de la carrera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Duración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 E

Efecto de relajación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Eje tensore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Equipado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Equipo de manipulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Equipo de manipulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Equipo de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Equipo para alimentar piezas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Equipo para desenrollar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Equipo para fijar piezas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Equipo para fijar piezas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Equipo para la elevación de cargas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Equipo de simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Estabilización del movimiento de elevación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Estructura de una nave industria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

F

Filtro de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Forma de paralelogramo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Freno de emergencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Freno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Funcionamiento de una pinza múltiple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55

G

Generador de fuerzas de apoyo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Guiar los movimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

H

Herramienta de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Hoja de sierra circular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

L

Lámina de material plástico extensible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Ley de la palanca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

M

Mano protésica desarrollada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Manómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Manual de manipulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Máquina de pulir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Máquina lijadora automática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Máquina para cortar flejes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Margen de funcionamiento admisible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Índice de términos técnicos

141

Martillo neumático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Mecanismo de compensación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Mecanismo para unir piezas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Mecanismo tipo tijera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Membrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Mesa de ensayos de vibración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Mesa de ensayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Mesa de vibración vertical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Mesa elevadora tipo pantógrafo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Mesa vibratoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Motor en forma de estrella . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Movimiento de una rejilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Movimiento para presionar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 MuscleSIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Músculo biológico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Músculo McKibben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Músculo neumático para tensar cintas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Músculo neumático plano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

142

N

Nave neumática segmentada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Neumo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

O

Orientar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

P

Pared vibratoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Pata de un insecto artificial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Pinza angular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54 Pinza circular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Pinza de fijación en el interior de la pieza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Pinza de largo recorrido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Pinza de sujeción interior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Pinza ranurada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Pinza de sujeción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Pinza regulable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Placa de soporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Placa elevadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 Plataforma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Polea de inversión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Porción de la masa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Posicionamiento fino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Prensa de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Prensa de montaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59, 60

Índice de términos técnicos

Prensa neumática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Prensa para doblar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Prensa para planchar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Prensa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Protector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Prueba de funcionamiento de larga duración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 R

Rascador doble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Regulación de compuertas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Regulación mediante rodillos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Resistencia a los fluidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Respuesta rápida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Robot luchador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Rodillo de avance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Rodillo para presionar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Rodillo tensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Rodillo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

S

Sistema cilíndrico de membrana de contracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Sistema con posible ampliación de la carrera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Sistema de accionamiento con cigüeñal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Sistema de accionamiento de una sierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Sistema de bloqueo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Sistema de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Sistema de desplazamiento de vigas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Sistema de fijación de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Sistema de husillo y tuerca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Sistema de inspección de tubos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Sistema de manipulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Sistema de palanca articulada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Sistema giratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Sistema para aplicar presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71 Sistema para la sujeción de paletas vacías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Sistema para operaciones de desmontaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

T

Tablero de una sierra estacionaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Tambor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Tensar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Tensor de cinturones de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Tensor de correas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Transportador de acumulación con rodillos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Tríceps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Trípode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Índice de términos técnicos

143

144

U

Unidad de guía estándar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

V

Válvula de respuesta rápida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Vehículo urbano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Velocidad del flujo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83