libro de neumatica.pdf

Neumática

Los propietarios del © tienen reservados todos los derechos. Cualquier reproducción, total o parcial de este texto, por cualquier medio, o soporte sonoro, visual o informático, así como su utilización fuera del ámbito estricto de la información del alumno comprador, sin la conformidad expresa por escrito de los propietarios de los derechos, será perseguida con todo el rigor que prevé la ley y se exigirán las responsabilidades civiles y penales, así como las reparaciones procedentes.

Neumática Autor: SEAS, Estudios Superiores Abiertos D.L.:

Z-725-2012

ISBN: 978-84-15545-30-9

Imprime: El depositario, con autorización expresa de SEAS

Neumática

ÍNDICE GENERAL 1.  Producción de aire comprimido............................................................................................................. 7 ÍNDICE........................................................................................................................9 OBJETIVOS.................................................................................................................................................................. 11 INTRODUCCIÓN......................................................................................................................................................... 12 1.1.  Introducción a la neumática................................................................................................................................. 13 1.2.  Física aplicada....................................................................................................................................................... 19 1.3.  Física de los gases................................................................................................................................................ 25 1.4. Compresores......................................................................................................................................................... 29

RESUMEN..................................................................................................................................................................... 41

2.  Producción de aire comprimido.......................................................................................................... 43 ÍNDICE......................................................................................................................45 OBJETIVOS.................................................................................................................................................................. 47 INTRODUCCIÓN......................................................................................................................................................... 48 2.1.  Acondicionamiento del aire comprimido............................................................................................................. 49 2.2.  Distribución del aire comprimido......................................................................................................................... 60 2.3.  Racordaje neumático............................................................................................................................................ 69 2.4.  Racores y tubo flexible.......................................................................................................................................... 73

RESUMEN..................................................................................................................................................................... 79

3.  Actuadores neumáticos.......................................................................................................................... 81 ÍNDICE......................................................................................................................83 OBJETIVOS.................................................................................................................................................................. 85 INTRODUCCIÓN......................................................................................................................................................... 86 3.1. Actuadores............................................................................................................................................................. 87 3.2.  Actuadores lineales............................................................................................................................................... 88 3.3.  Actuadores de giro.............................................................................................................................................. 108 3.4.  Mecánica de un cilindro...................................................................................................................................... 114 3.5.  Cálculos de cilindros........................................................................................................................................... 118

RESUMEN................................................................................................................................................................... 123

3

Índice General

4.  Válvulas 1....................................................................................................................................................... 125 ÍNDICE....................................................................................................................127 OBJETIVOS................................................................................................................................................................ 129 INTRODUCCIÓN....................................................................................................................................................... 130 4.1.  ¿Qué es una válvula direccional?....................................................................................................................... 131 4.2.  Cuerpos principales............................................................................................................................................ 146 4.3.  Transformación de válvulas................................................................................................................................ 155 4.4.  Montaje de las válvulas...................................................................................................................................... 164 4.5.  Cálculo de válvulas............................................................................................................................................. 168

RESUMEN................................................................................................................................................................... 171

5.  Producción de aire comprimido....................................................................................................... 173 ÍNDICE....................................................................................................................175 OBJETIVOS................................................................................................................................................................ 177 INTRODUCCIÓN....................................................................................................................................................... 178 5.1.  Válvulas de bloqueo............................................................................................................................................ 179 5.2.  Válvulas de flujo................................................................................................................................................... 193 5.3.  Ejemplos de aplicación....................................................................................................................................... 211

RESUMEN................................................................................................................................................................... 221

6.  Métodos de diseño.................................................................................................................................. 223 ÍNDICE....................................................................................................................225 OBJETIVOS................................................................................................................................................................ 227 INTRODUCCIÓN....................................................................................................................................................... 228 6.1.  Métodos de representación................................................................................................................................ 229 6.2.  Denominación de componentes......................................................................................................................... 237 6.3.  Métodos sistemáticos de diseño........................................................................................................................ 242

RESUMEN................................................................................................................................................................... 283

4

Neumática

7.  Lógica neumática...................................................................................................................................... 285 ÍNDICE....................................................................................................................287 OBJETIVOS................................................................................................................................................................ 289 INTRODUCCIÓN....................................................................................................................................................... 290 7.1.  Células lógicas..................................................................................................................................................... 291 7.2. Registros.............................................................................................................................................................. 313 7.3.  Ciclos de un registro........................................................................................................................................... 324

RESUMEN................................................................................................................................................................... 339

5

1 UNIDAD DIDÁCTICA

1

Neumática

1.  Producción de aire comprimido

1: Producción de aire comprimido

ÍNDICE OBJETIVOS.................................................................................................................................................................. 11 INTRODUCCIÓN......................................................................................................................................................... 12 1.1.  Introducción a la neumática................................................................................................................................. 13 1.1.1.  El aire como fuente de energía................................................................................................................................ 13 1.1.2.  Propiedades del aire comprimido............................................................................................................................. 14 1.2.  Física aplicada....................................................................................................................................................... 19 1.2.1. Presión................................................................................................................................................................ 19 1.2.2.  Unidades de presión.............................................................................................................................................. 21 1.2.3. Caudal................................................................................................................................................................. 22 1.2.4.  Unidades de caudal............................................................................................................................................... 23 1.2.5.  Temperatura absoluta............................................................................................................................................. 23 1.3.  Física de los gases................................................................................................................................................ 25 1.3.1.  Causas de la presión de un gas............................................................................................................................... 25 1.3.2.  Leyes de los gases................................................................................................................................................ 25 1.4. Compresores......................................................................................................................................................... 29 1.4.1. Características...................................................................................................................................................... 29 1.4.2.  Compresores alternativos....................................................................................................................................... 30 1.4.3.  Compresores rotativos........................................................................................................................................... 33 1.4.4.  Depósito de aire comprimido.................................................................................................................................. 36 1.4.5.  Ubicación de los compresores................................................................................................................................ 38

RESUMEN..................................................................................................................................................................... 41

9

1: Producción de aire comprimido

OBJETIVOS ■ ■

Conocer las propiedades de la técnica neumática, analizando para ello las principales ventajas e inconvenientes que presenta la utilización de aire como fluido de potencia. Conocer los principios físicos fundamentales para el trabajo con aire comprimido (presión, caudal y temperatura), a un nivel propio de mantenimiento (no de diseño de aplicaciones neumáticas).

■

Conocer los procesos para la obtención de aire comprimido (primeramente leyes de los gases) para pasar posteriormente a un análisis genérico de los principales tipos de compresores que podemos encontrar en el mercado.

■ ■

Conocer los elementos destinados al almacenamiento del aire comprimido a nivel industrial (depósitos). Conocer aspectos genéricos en cuanto a la sala de compresores de una industria (ubicación y aspectos generales relacionados con la aspiración).

11

Neumática

INTRODUCCIÓN

Comenzaremos el estudio de la asignatura de neumática mediante una breve descripción de los conceptos físicos que rigen el trabajo con aire comprimido. Dentro de estos cabe destacar el estudio de la presión, caudal, temperatura, leyes de los gases, etc. Todo ello se hace con una intención de adquirir unos conocimientos básicos para las tareas de mantenimiento de instalaciones (no diseño). Se estudiarán también las ventajas e inconvenientes que se presentan en la técnica neumática.

12

Posteriormente se realizara un estudio sobre los procesos de generación de aire, describiendo el funcionamiento y clasificación de los principales y más comunes compresores neumáticos. Además, se tratará también el almacenamiento de aire comprimido y aspectos básicos relacionados con la sala de compresión.

1: Producción de aire comprimido

1.1.  Introducción a la neumática La neumática se ocupa del trabajo y mando mediante aire comprimido, o lo que es lo mismo, es la técnica que emplea el aire comprimido (aire bajo presión) para la realización del trabajo mecánico en un sistema automático. Al mismo tiempo, el aire comprimido también es capaz de realizar funciones de análisis y tratamiento de señales (segunda etapa de un proceso automático), mediante la utilización de elementos específicos (válvulas neumáticas). Así pues, la neumática es la técnica que emplea exclusivamente aire comprimido en todas las etapas de la automatización (adquisición de datos, análisis y ejecución). Por contra, la técnica electroneumática emplea el aire principalmente en el proceso de ejecución de tareas, realizándose la adquisición de datos y análisis mediante elementos eléctricos o electrónicos.

Ambas técnicas serán desarrolladas ampliamente a lo largo de la asignatura, pero antes deberemos conocer algunos conceptos básicos referentes a la fuente de energía empleada, el aire.

1.1.1.  El aire como fuente de energía En las aplicaciones neumáticas, el aire es obtenido del manto gaseoso en el que está envuelta la Tierra. Este aire se introduce en elementos capaces de aumentar su valor de presión (compresores), dejándolo en condiciones de poder ser utilizado en procesos neumáticos. La composición del aire por unidad de volumen es del 78% de Nitrógeno, 20% de Oxígeno, 1,3% de Gases Nobles y cantidades menores de anhídrido carbónico, vapor de agua y partículas sólidas.

Figura 1.1.  Composición del aire por unidad de volumen.

Un dato importante referente al aire atmosférico es la densidad, ya que nos será necesario conocer su valor para operaciones como, por ejemplo, el cálculo del diámetro de tuberías para la distribución de aire comprimido.

13

Neumática

La densidad (relación entre la masa y el volumen de un cuerpo) del aire en la capa de donde es tomado para aplicaciones neumáticas es de 1,293 kg/m3. ρ=

Masa Volumen

Donde: r

Densidad, en kg/m3

M

Masa, en kg

V

Volumen, en m3

1.1.2.  Propiedades del aire comprimido En los últimos años, la técnica neumática / electroneumática se ha colocado como una de las tecnologías de mayor aplicación en los procesos automatizados. Esto se debe principalmente a que para muchos procesos, no existe una tecnología más simple y económica. Antes de realizar un detallado estudio sobre las ventajas e inconvenientes que presenta el mando neumático o electroneumático, deberemos conocer las propiedades del elemento común a ambas técnicas usado como fuente de energía: el aire.

1.1.2.1.  Ventajas del aire comprimido Las principales ventajas (que no las únicas) que presenta el trabajo con aire comprimido como fuente de energía son: □□ Abundancia: no existe fuente de energía que presente mayor disponibilidad, ya que el aire se encuentra en cantidades ilimitadas listo para su compresión. Se ha de tener en cuenta que será preciso disponer de compresores (elementos encargados de aumentar el valor de la presión del aire); estos elementos precisan de otra fuente de energía (actúan generalmente mediante motores eléctricos o de explosión). □□ Transporte: el aire comprimido presenta gran facilidad para su transporte. Generalmente se emplean tuberías, las cuales pueden ser de diversos materiales. No se precisa de tuberías de retorno como en otras técnicas (hidráulica), debido a que una vez utilizado el aire a presión para la realización de las acciones correspondientes, es expulsado de nuevo a la atmósfera. □□ Almacenabilidad: los compresores (elementos generadores del aire comprimido), no tienen por qué estar constantemente trabajando ya que el aire a presión puede ser almacenado en depósitos y luego tomarse de éstos. Algunos de estos depósitos son móviles (botellas de aire comprimido), por lo que se refuerza la ventaja de una fácil transportabilidad. □□ Resistencia a la temperatura: el aire comprimido es insensible a las variaciones de temperatura, garantizando un correcto funcionamiento de las instalaciones (cuidado, los rangos de temperatura han de ser razonables).

14

1: Producción de aire comprimido

□□ Limpieza: ésta es quizás una de las principales ventajas que presenta el aire comprimido. Si las tuberías o cualquier otro elemento de la instalación no aseguran la estanqueidad o se rompen, no se producen ensuciamientos (tal y como sucedería, por ejemplo, en una instalación hidráulica). Esto ha contribuido a su uso generalizado en industrias donde se trabaja con productos de responsabilidad, como las farmacéuticas, alimenticias, etc. □□ Constitución de los elementos: en general, los componentes neumáticos (bien sean de trabajo, análisis o adquisición de datos) son de una construcción extremadamente sencilla y por tanto económica. En este punto deberemos hacer una salvedad: si los elementos son de amplia difusión se cumplirá, pero si la aplicación es específica, el precio del componente puede llegar a ser muy elevado. □□ Velocidad: la velocidad en los actuadores neumáticos es extremadamente elevada, lo que permite optimizar los tiempos de ciclo consiguiendo así instalaciones más rentables. La velocidad de los actuadores puede ser considerada una propiedad más que una ventaja. Esta elevada velocidad algunas veces puede ocasionar problemas en la vida útil de los actuadores, debiendo disponerse de elementos amortiguadores. □□ Sobrecargas: otra de las ventajas de los componentes neumáticos es que son insensibles a los bloqueos producidos por sobrecargas.

Si el eje de un motor eléctrico es bloqueado mecánicamente y la alimentación eléctrica perdura, el bobinado se quemará debido a la sobreintensidad. Por el contrario, si esto sucede con un motor neumático, la presión se igualará al valor de red pero el componente no sufrirá deterioro alguno. Debemos diferenciar el no deterioro por bloqueo (recién explicado), con la aplicación de presiones superiores a las soportados por el componente, donde si es posible el deterioro.

1.1.2.2.  Desventajas del aire comprimido Hasta aquí, hemos expuesto las principales ventajas que presenta el trabajo con aire comprimido, pero como ya hemos comentado, también existe una serie de propiedades adversas o de limitaciones, que enumeramos a continuación: □□ Preparación: una de los principales inconvenientes que presenta el aire es que debe ser acondicionado antes de su utilización industrial, es decir, deberemos realizar una serie de procesos con objeto de reducir al mínimo las impurezas contenidas. El grado de preparación es variable en función de la aplicación a la cual se destine el aire comprimido, pero como idea general nos quedaremos con que cuanto más puro sea el aire obtenido, más dinero habrá costado su preparación.

15

Neumática

□□ Compresible: una de las características principales del aire es que es compresible (se puede comprimir). Esto representa una gran ventaja para el autor, ya que de no ser así no existiría esta publicación, pero de cara a la aplicación industrial supone un gran inconveniente, ya que no será posible obtener velocidades uniformes y constantes para los actuadores.

Un ascensor o elevador se acciona mediante un cilindro neumático en posición vertical. Si en un momento determinado es posicionado en un punto intermedio de su carrera y la carga permanece estable, la posición también lo será. Si la carga disminuye (bajan unas personas o se retira carga), el aire comprimido en el interior de la cámara tenderá a expansionar y el ascensor o elevador perderá su posicionamiento debido a esta expansión (concretamente la plataforma se elevará).

Trabajo de posicionado de una carga.

16

1: Producción de aire comprimido

Efectos de retirada de carga. Como se puede observar, si la válvula distribuidora se encuentra en posición neutra se entiende que la cámara de avance tiene X valor de presión para una carga dada. Si se procede a la retirada de carga, el aire comprimido presente en el interior de la cámara de avance tiende a recuperar volumen y presión inicial. En consecuencia, el cilindro avanza perdiendo posicionado (en este caso elevación) y la cámara inversa experimenta un aumento del valor en presión hasta alcanzar equilibrio.

Efectos del aumento de carga. En caso de incorporar más carga, se ejecutará una mayor compresión del aire en cámara de avance. La consecuencia; pérdida del posicionado en este caso hacia mínima posición hasta alcanzar equilibrio.

□□ Fuerza: el aire comprimido es económico sólo hasta cierto límite de fuerza. Para presiones habituales de servicio, como por ejemplo 7 bar, el límite oscila entre 20.000 y 30.000 N (2.000 a 3.000 kp). □□ Escape: el aire una vez utilizado en los componentes neumáticos, es expulsado a la atmósfera, produciendo un gran ruido. Este efecto ha sido resuelto en gran parte debido a la utilización de escapes, desarrollados con materiales insonorizantes. Además, en los puntos de escape se localizarán zonas aceitosas debido a la lubricación del aire comprimido, por lo que ha de disponerse de medios adecuados para su recogida.

17

Neumática

Figura 1.2.  Silenciadores plásticos. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A

□□ Costos: el aire comprimido es una fuente de energía relativamente cara (debido generalmente a los componentes instalados para el acondicionamiento). La mayoría de las veces se compensa con un elevado rendimiento y un coste asequible de los diferentes componentes.

18

1: Producción de aire comprimido

1.2.  Física aplicada Conocidas ya las ventajas e inconvenientes del aire comprimido como fuente de energía, analizaremos los conceptos físicos necesarios para el trabajo con técnicas neumáticas.

1.2.1.  Presión La presión es la fuerza que actúa por cada unidad de superficie. Para determinar el valor de la presión deberemos dividir el valor de la fuerza total aplicada entre la superficie sobre la cual actúa. Así pues tenemos que… P=

Fuerza Superficie

Donde: P

Presión, en kg / cm2

F

Fuerza, en kgf

S

Superficie, en cm2

En aplicaciones neumáticas será necesario conocer y distinguir entre la denominada presión atmosférica, relativa y absoluta. A continuación se explica detalladamente cada una de ellas.

Presión atmosférica La capa de aire que envuelve la Tierra y forma la atmósfera ejerce como cualquier otro gas, una determinada presión sobre los cuerpos que envuelve. Esta presión actúa en todas las direcciones y siempre perpendicularmente a la superficie de los cuerpos. Así pues, podríamos definir la presión atmosférica como la presión que ejerce el aire en un punto de la atmósfera. En todos los puntos de la Tierra existe presión atmosférica, pero el cuerpo humano no la suele notar porque está preparado para contrarrestarla. Solo en caso de diferencias muy elevadas de altura la apreciaremos.

Si nosotros colocásemos un tubo cuya sección fuera de 1cm2 desde el nivel del mar hasta la última capa de la atmósfera, el peso de esta columna de aire sería de 1,033kg, por lo que el valor de la presión atmosférica a nivel del mar es de 1,033kg / cm2.

19

Neumática

Presión relativa Se conoce como presión relativa a la diferencia que hay entre la presión reinante en un recipiente menos la presión atmosférica. Los aparatos utilizados para la medición de presiones relativas son llamados manómetros, por lo que esta presión también es conocida como presión manométrica, útil o de trabajo.

En las aplicaciones neumáticas o electroneumáticas, de no especificar lo contrario, nos referimos siempre a este tipo de presiones, las relativas.

Los elementos encargados para la medición de este tipo de presiones son, como ya se ha indicado, los manómetros. Los más habituales son los denominados de tubo Bourdon. Sus componentes principales son los siguientes: 1. Cuerpo. 2. Muelle tubular o tubo Bourdon. 3. Sistema de articulaciones (transmisión de la deformación). 4. Aguja lectora. 5. Escala graduada.

Figura 1.3.  Manómetro. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A

Cuando el aire bajo presión se introduce en el tubo Bourdon (2) a través de la boquilla, éste tiende a deformarse por efecto de la presión (efecto similar al de un “matasuegras”). Esta deformación varía en función del valor de la presión y es transmitida hasta la aguja

20

1: Producción de aire comprimido

(4) por medio de un juego de palancas, formado principalmente por articulaciones del tipo piñón - cremallera (3). Estas articulaciones hacen girar un determinado grado la aguja, la cual nos muestra el valor de presión por medio de la escala graduada (5).

Presión absoluta El concepto de presión absoluta se reserva para aquellas mediciones referidas al cero absoluto de presión. La diferencia existente entre el valor de la presión atmosférica y el cero absoluto se conoce como zona de depresión o vacío, siendo ampliamente utilizada en aplicaciones neumáticas y electroneumáticas. Para calcular el valor de la presión absoluta tan sólo hemos de sumar el valor de la presión atmosférica reinante y el valor de la presión relativa analizada. Así pues…

P. absoluta = P. atmosférica + P. relativa El siguiente gráfico nos permite comprender mejor los conceptos expuestos sobre presión atmosférica, relativa y absoluta.

Figura 1.4.  Zonas de presión.

1.2.2.  Unidades de presión Para analizar las unidades empleadas en la medición de presiones, partiremos de la fórmula base para el cálculo de la presión, ya conocida por todos nosotros. P=

Fuerza Superficie

En Sistema Internacional, la unidad de fuerza es el Newton (N) y la superficie o área se expresa en m2. De esto se deduce que la unidad empleada en SI. para la medición de presiones es el N / m2.

21

Neumática

P=

N m2

Esta unidad recibe el nombre de Pascal (Pa.), siendo 1 N / m2 igual a 1 Pa (Pascal). Por ser esta unidad extremadamente pequeña se recurre a agrupaciones de pascales, siendo una de las más empleadas la agrupación en bloques de 1000 Pa, que equivalen a 1 Kilopascal (1 kpa.). Otra identificación es la que nos indica que 105 Pa, o lo que es lo mismo, 100.000 Pa, equivalen a 1 bar, siendo ésta una de las unidades más empleadas en el trabajo de aplicaciones neumáticas y / o electroneumáticas. Otras unidades de presión son por ejemplo el kg / cm2, la atmósfera, etc. Entre todas estas unidades de presión existen pequeñas diferencias, pero para una aplicación de taller o un cálculo rápido podemos afirmar que…

1 bar ≈ 1 kg/cm2 ≈ 1 atmósfera Para la realización de conversiones exactas entre diferentes unidades de presión utilizaremos la tabla mostrada a continuación: Pa

bar

atm.

kg/cm2

p.s.i

1 Pa (N / m2) = 1

10 -5

9,87 · 10 -4

1,02 · 10 -5

1,45 · 10 -4

1 bar = 105

1

0,987

1,02

14,5

1,013

1

1,033

14,68

1 kg/cm = 0,981· 10

0,981

0,968

1

14,22

1 p.s.i = 6.900

0,069

0,0681

0,07

1

1 atm = 1,013 · 105 2

5

Figura 1.5.  Equivalencias entre unidades de presión.

1.2.3.  Caudal Se entiende como caudal, la cantidad de fluido que atraviesa una sección dada por unidad de tiempo. La sección dada puede ser considerada como la sección de una tubería, de un componente como un cilindro, etc. Lógicamente la unidad de tiempo suele ser el segundo, pero para determinadas aplicaciones se emplea el minuto o la hora. La “cantidad” de fluido identificada en la definición de caudal, puede ser expresada en Kilogramos o metros cúbicos (masa o volumen). Dependiendo de la unidad empleada estaremos hablando de un caudal másico o volumétrico. El caudal másico expresa la cantidad de Kilogramos de fluido (masa) que atraviesa una sección dada por unidad de tiempo. El caudal volumétrico expresa la cantidad de m3 de fluido que atraviesa una sección dada por unidad de tiempo (volumen). Evidentemente, caudal másico y volumétrico están relacionados mediante la densidad (si recordamos de páginas anteriores, la densidad es una relación masa / volumen). Se establece la siguiente relación…

22

1: Producción de aire comprimido

Q. másico = Q. Volumétrico · r

1.2.4.  Unidades de caudal El caudal másico se expresa en kg / s, mientras que la unidad empleada para los caudales volumétricos es el m3 / s. Es habitual emplear otras bases de tiempo como pueden ser el minuto o la hora. Si el volumen es expresado en condiciones normales, la indicación se realizará mediante N m3/s.

Las condiciones normales son definidas por la norma CETOP en su apartado RP44P y se expresa “normal litro / unidad tiempo”, habitualmente Nl/ min. Los valores son: Temperatura = 20 ºC. Presión = 1,013 mbar. Humedad relativa = 65%

1.2.5.  Temperatura absoluta La temperatura de los cuerpos depende de la velocidad de las moléculas. Existe una relación entre la temperatura y la presión ya que si aumenta la presión (por disminución del volumen), las moléculas han de moverse a mayor velocidad y consecuentemente los roces entre ellas provocarán un aumento de la temperatura. Debido a este motivo, si la presión disminuye, la velocidad con la que las moléculas de un gas se mueven será menor. Existe una temperatura tan baja en la que las moléculas dejan de moverse, por lo que el gas en cuestión dejará de ejercer presión (moléculas inmóviles). Esta temperatura es conocida como cero absoluto de temperatura y su valor es de aproximadamente – 273 ºC. La escala de temperaturas utilizada en el Sistema Internacional es la escala Kelvin, la cual corresponde a la escala que hace referencia precisamente al cero absoluto de presión. En esta escala el punto de hielo (0º C) corresponde al valor 273º K, mientras que el punto de vapor corresponde al 373º K. Como podemos observar, la diferencia entre el punto de hielo y el de vapor corresponde a 100º Kelvin, al igual que corresponderán a 100º C (queda así demostrado que la diferencia en valor absoluto entre grados C y K es nula.

23

Neumática

Figura 1.6.  Escala de temperaturas (Centígrada y Absoluta).

Relación entre escala Kelvin y Centígrada En numerosos cálculos neumáticos, nos será imprescindible operar con valores de temperatura, y éstos han de ser expresados en valores absolutos (es decir, empleando la escala Kelvin). De esto se desprende que será necesario conocer cómo pasar de escala centígrada a escala Kelvin, así como su proceso contrario. Se deduce pues que para realizar las conversiones entre distintas escalas deberemos realizar las siguientes operaciones: T = t + 273 t = T - 273 Donde:

24

T

Temperatura absoluta en K.

t

Temperatura en escala centígrada

1: Producción de aire comprimido

1.3.  Física de los gases Debido al tamaño de las moléculas que componen los gases, se puede afirmar que éstas se encuentran muy distanciadas y, por tanto, las fuerzas de atracción entre ellas son muy pequeñas (fuerzas de atracción prácticamente nulas). Además, estas moléculas se mueven con gran rapidez y de una forma desordenada. La separación de estas moléculas y la velocidad a la que se mueven, dan origen a las siguientes propiedades para los gases: ■■ Los gases carecen de forma propia y no tienen volumen fijo (siempre tiende a ocupar el mayor volumen posible). ■■ Debido a la gran separación entre las moléculas, los gases se pueden comprimir fácilmente. Dada su tendencia a expandirse, en cuanto desaparezcan las fuerzas de compresión, volverán a ocupar el volumen inicial. Podemos afirmar entonces que los gases son extremadamente compresibles y elásticos. ■■ En un volumen determinado y fijo, siempre existirá menor cantidad de moléculas en un cuerpo en estado gaseoso que en otro en estado líquido o sólido.

1.3.1.  Causas de la presión de un gas La presión en los gases se debe principalmente a dos causas: □□ Las moléculas de los gases se desplazan de un punto a otro con gran rapidez, golpeando contra las paredes del recipiente que los contiene y aumentando la presión a medida que aumenta el número de moléculas o se incrementa su velocidad. □□ Los gases, líquidos o sólidos, ejercen una determinada presión en función del peso de sus moléculas, aunque ésta es despreciable en comparación con la provocada por su velocidad.

Un gas cuando deja de ser sometido a un esfuerzo, tiende a recuperar volumen y presión inicial. Este efecto tiene como consecuencia no poder ejecutar posicionados del todo correctos si la carga del sistema varía.

1.3.2.  Leyes de los gases El estado de un gas queda definido por tres magnitudes fundamentales, como son la presión, el volumen y la temperatura. La relación entre éstas se encuentra definida en las leyes de Boyle - Mariotte, Gay - Lussac y Charles. A continuación se procede a enunciar cada una de estas leyes intentando apreciar su utilidad práctica.

25

Neumática

Ley de Boyle - Mariotte La ley de Boyle - Mariotte expresa la evolución de un gas a temperatura constante, o lo que es lo mismo, es el estudio de compresibilidad a temperatura constante. Se puede enunciar como: “a temperatura constante, el volumen ocupado por una masa de gas invariable, está en razón inversa de su presión”, es decir, que en tales circunstancias se verifica que: A temperatura constante...

P · V = Constante.

Asimismo puede decirse que… A temperatura constante...

P1 · V1 = P2 · V2

Esta ley, tal y como podemos observar en la formulación, nos indica que el volumen y la presión de un gas varían de manera inversa siempre y cuando la temperatura se mantenga constante. Para comprenderlo mejor tomaremos un ejemplo.

Imaginemos un conjunto pistón, en el cual a una temperatura ambiente quedan contenidos 4 m3 de aire. Si ejerciendo una fuerza sobre el accionador (reducción del volumen interno del pistón), éste queda reducido a la mitad (2 m3), el valor de la presión reinante en el interior será del doble. El resto de compresiones sucesivas seguirán la relación establecida. Los estados aquí descritos son entendidos como volúmenes y presiones en 1, 2, 3...

Figura 1.7.  Ley de Boyle – Mariotte.

Tal y como podemos observar en la figura, para un volumen de 4 m3, la presión reinante era de, por ejemplo, 1 bar. Si el volumen interno se reduce a la mitad, la presión aumentará al doble para mantener el equilibrio (P · V = Constante). Si el volumen se ve reducido de nuevo a la mitad (ó 1 / 4 del total), la presión aumentará de nuevo y conservará el equilibrio. Las operaciones son reflejadas a continuación: P · V = Constante, luego 1 · 4 = 4 P · V = Constante, luego 2 · 2 = 4 P · V = Constante, luego 4 · 1 = 4

26

1: Producción de aire comprimido

Ley de Charles La evolución a presión constante (ley de Charles), es el estudio de la dilatación a presión constante. Se enuncia como “a presión constante, el volumen ocupado por una masa de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta”. Por ello puede escribirse:

A presión Cons tan te...

V = cons tan te T

Ley de Gay - Lussac La ley de Gay Lussac es el estudio de la variación de presión a volumen constante. Queda enunciada como “a volumen constante, la presión absoluta de una masa de gas dada, es directamente proporcional a la temperatura absoluta.

A volumen cons tan te...

P = Cons tan te T

Gases perfectos La experiencia demuestra, que los gases obedecen a las leyes de Boyle - Mariotte y Gay - Lussac de una forma aproximada y no exacta, sobre todo a temperaturas bajas y presiones elevadas. No obstante, estas diferencias son tan mínimas que no representan problema alguno sobre las aplicaciones industriales. Se llega a la conclusión que el gas perfecto, que es aquél que obedece exactamente a las leyes de Boyle - Mariotte y Gay - Lussac. Se dice por tanto que ningún gas real es un gas perfecto.

Ecuación general de los gases perfectos Para hallar la relación entre las tres variables que definen un gas (presión, volumen y temperatura), bastará con hacerlo pasar de condiciones iniciales a finales a través de dos transformaciones consecutivas. La primera a presión constante y la segunda a temperatura constante. En otras palabras, utilizaremos la ecuación de estado de los gases. Ésta nos permite calcular cualquiera de los estados (P, V, T), iniciales o finales cuando el resto de variables son conocidas. P inicial· V inicial P final· V final = T inicial T final

27

Neumática

Una masa de gas ocupa en condiciones iniciales un volumen de 15m3, siendo la temperatura de 20ºC y la presión de 1 bar. ¿Cómo podemos calcular la presión final del gas cuando éste ocupe un volumen de 10 m3 y la temperatura sea de 320K? Definamos los datos conocidos… P. inicial = 1bar. V. inicial = 15m3 T. inicial = 20 ºC ó 293 K. P. final = ??? V. final = 10m3 T. final = 320K Conocido que...

P·V Pi· Vi Pf · Vf = Cons tan te = T Tf , es decir Ti Despejamos P. final…

P. final =

= P. final

28

Pi·Vi·Tf Ti·Vf y sustituimos... 1·15·320 = 1, 63 bar. 293·10

1: Producción de aire comprimido

1.4.  Compresores Los compresores son máquinas que aspiran el aire ambiente (a presión atmosférica) y la comprimen hasta alcanzar presiones superiores. Estas máquinas, a nivel industrial, suelen ser instaladas en recintos especialmente acondicionados, aunque también existen equipos generadores portátiles (bien sean de tamaño reducido, o grandes compresores para la maquinaria de obras públicas). Unos y otros suelen ser accionados mediante motores eléctricos, aunque para los pequeños compresores portátiles encontremos accionamientos mediante motores de explosión. En otras ocasiones, son los motores de explosión los encargados de la activación de los mismos (como por ejemplo sucede en máquina de obre pública).

Los compresores habitualmente se instalan en rincones de la planta o bien en pequeñas edificaciones exteriores, debido principalmente a la realización de aspiraciones más limpias y con el objeto también de no percibir el molesto ruido provocado por los compresores de pistón.

1.4.1.  Características Como es lógico pensar, la característica principal de un compresor es el caudal que puede suministrar. Este caudal viene expresado generalmente en litros / min., litros / seg. o m3 / min. Este caudal, además ha de reflejarse en condiciones normales, es decir, en unas condiciones estándar. Es por esto por lo que las unidades de caudal vienen precedidas de una N mayúscula, que indica un caudal expresado en condiciones normales. Así pues, las indicaciones del fabricante vendrán dadas como N litros / min.

Lo más normal corresponde a indicaciones de caudal en condiciones normales designadas como N..., pero se pueden dar otras indicaciones como “Aire Libre Suministrado”, a.f.d., etc.

29

Neumática

Por otra parte, el caudal suministrado por el compresor, debe adaptarse a los diferentes elementos que tengamos en la planta. Esto se consigue mediante el depósito de aire comprimido o calderín, colocado justo después del compresor. En cuanto a la presión alcanzada por los compresores, ésta suele ajustar por los presostatos (en caso de la regulación por arranque - parada). Este método, llamado también de funcionamiento intermitente, consiste en la conexión del motor por efecto de un presostato de alta / baja. Al funcionar el compresor, la presión va aumentando poco a poco, hasta alcanzar un valor máximo prefijado, momento en el cual el compresor será desconectado por efecto de un presostato de alta presión dispuesto a tal efecto. Este tipo de regulación tiene como inconveniente el alto numero de arranques que se suelen producir por hora, encontrando una limitación habitual de 20 arranques hora (como máximo).

Figura 1.8.  Esquema de arranque - parada de un compresor.

No obstante existen otros métodos para el control de la presión como puede ser la marcha en vacío del compresor. En este método el compresor esta funcionando constantemente pero sin realizar trabajo, es decir, en vacío. El consumo del motor eléctrico sin carga será de aproximadamente un 15 %. Las presiones obtenidas por los compresores son variables en función del tipo de estos y su potencia, siendo recomendable para aplicaciones industriales genéricas una presión garantizada de 7 bar.

1.4.2.  Compresores alternativos Los compresores alternativos de émbolo o de pistón son unos generadores ampliamente utilizados en la industria. Esto es debido principalmente a la amplia gama de caudales y presiones suministradas. Así pues, podemos encontrar compresores de pistón desde caudales mínimos hasta caudales de mas de 500 m3, y presiones de hasta 15 bar. Los compresores de pistón se clasifican principalmente en dos grandes grupos, de

30

1: Producción de aire comprimido

simple y doble efecto, dependiendo del número de caras empleadas del pistón. Por otro lado, también se clasifican como una y dos etapas dependiendo del número de emboladas realizadas para alcanzar la presión final.

1.4.2.1.  Compresores de una etapa Este tipo de compresores dispone de una simple etapa de compresión, es decir, alcanzan la presión final en una sola embolada del pistón. Son muy utilizados en aplicaciones donde el caudal es muy limitado y el servicio intermitente (en definitiva, pequeñas potencias). Tienen la gran desventaja de provocar elevadas temperaturas de salida del aire comprimido (situadas alrededor de 180° +/- 20°C), por lo que suelen disponer de delgadas aletas exteriores para evacuar calor por radiación.

Figura 1.9.  Trabajo de un compresor alternativo de 1 etapa.

Podríamos afirmar, que el funcionamiento es similar al de los motores de combustión, pero como es lógico sin ninguna explosión. En un eje conectado al motor, se fija una manivela excéntrica que provoca un movimiento alternativo sobre una biela. Este movimiento alternativo es retransmitido al pistón, el cual sube y baja realizando los procesos de compresión y aspiración respectivamente. El compresor dispone de un juego de válvulas encargadas de permitir el paso del aire al lugar correspondiente, dependiendo del proceso que se este realizando en cada instante. Las fases corresponden a... Cuando el émbolo del compresor desciende, se tiende a generar un vacío en el interior de la cámara y la válvula de aspiración abre venciendo la fuerza de un pequeño resorte; el compresor aspira. Mientras tanto, la válvula de impulsión se encuentra en cierre debido al resorte y la propia presión del sistema. Pasados 180º de giro, el embolo comienza a reducir el volumen de la cámara. En consecuencia, la válvula de aspiración cierra y abre la de impulsión; el fluido es lanzado al sistema receptor (por norma general el calderín).

31

Neumática

1.4.2.2.  Compresores de dos etapas Este tipo de compresores proporciona una presión final realizando dos emboladas de compresión. En la primera etapa se alcanza una presión de unos 2 o 3 bares y en la segunda el resto.

Figura 1.10.  Trabajo de un compresor alternativo de 2 etapas.

En el paso del aire comprimido de la primera a la segunda etapa, se realiza un proceso de refrigeración mediante intercambios aire - aire o aire – agua. Debido a esta refrigeración intermedia la temperatura de salida es de aproximadamente 130º a los +/- 15º. El funcionamiento de estos compresores es similar a los estudiados anteriormente pero con dos cámaras de compresión. Ambos pistones son accionados por el eje común aplicado al motor.

1.4.2.3.  Compresores de membrana Los compresores de membrana, también conocidos con el nombre de compresores de diafragma, pertenecen al grupo de los compresores alternativos de pistón.

32

1: Producción de aire comprimido

Figura 1.11.  Trabajo de un compresor alternativo de membrana.

El funcionamiento de los compresores de membrana es similar al de los compresores alternativos de una etapa, con la particularidad de que el pistón es solidario a una membrana elástica (elemento que entra en contacto con el aire comprimido) y que garantiza la estanqueidad del gas. El aire de entrada no tiene contacto con ningún mecanismo interno del compresor, por lo que su vida aumenta notablemente. Al mismo tiempo, el aire comprimido no contiene trazas de aceite quemado, lo que nos garantiza un aire más limpio en las aplicaciones.

Un compresor alternativo de membrana será empleado en las aplicaciones donde se requiera un aire exento de aceite (proveniente del arrastre en compresión).

1.4.3.  Compresores rotativos Los compresores rotativos son máquinas que realizan un proceso de compresión por medio de un movimiento rotatorio y continuo. Estos compresores presentan dos importantes ventajas con respecto a los alternativos. □□ En primer lugar ofrecen la ventaja de ser compresores mucho menos ruidosos. □□ Además provocan un caudal de salida constante, no como los alternativos, que producen caudales pulsatorios debido a los tiempos de aspiración – compresión.

33

Neumática

Figura 1.12.  Comparativa. Compresores alternativos y rotativos.

En este apartado realizaremos un estudio de los compresores rotativos más ampliamente utilizados como son: ■■ De paletas: el rotor es excéntrico en relación al estátor, en él se alojan una serie de paletas que son expulsadas hacia el exterior por acción de la fuerza centrífuga, formando las diferentes cámaras de compresión. ■■ De tornillo: compuestos esencialmente por un par de rotores de perfil especial, y realizar la compresión por reducción de volumen.

1.4.3.1.  Compresor de paletas Los compresores de paletas, o multicelulares, constan principalmente de un rotor y un estátor. El rotor está colocado excéntricamente en el interior del estátor. Este lleva un número determinado de paletas radiales introducidas en unos alojamientos dispuestos a tal efecto. Las paletas son expulsadas hacia el exterior por acción de la fuerza centrífuga, ajustándose a la pared interior del estátor y formando diversas cámaras de compresión por efecto de la reducción de volumen.

34

1: Producción de aire comprimido

Figura 1.13.  Compresor de paletas.

Este tipo de compresores tiene su principal campo de aplicación en presiones efectivas de 4 bar, aunque en determinados casos pueden fabricarse para presiones de 10 a 12 bar. En cuanto al caudal suministrado, es muy variable, situándose entre los 1000 y 2500 Nm3/ hora.

1.4.3.2.  Compresores de tornillo Los compresores de tornillo se van imponiendo poco a poco en el mercado, siendo su utilización cada vez más frecuente en instalaciones de gran envergadura. Los tornillos son accionados mediante un sistema mecánico de gran precisión, con lo que se consigue un alto grado de ajuste. Entre estos tornillos no existe contacto metal - metal, por lo que la estanqueidad es conseguida mediante la inyección de aceite.

Figura 1.14.  Perfil de los tornillos

35

Neumática

Estos compresores disponen de unos sofisticados sistemas de separación de aceite. No obstante, existe una variante de este tipo de compresor denominada compresor rotativo de uña, en el cual los rotores no tienen contacto físico, por lo que se prescinde de la lubricación obteniéndose así un aire totalmente exento de aceite. El campo de aplicación de estos compresores se sitúa en aplicaciones donde el caudal oscila entre los 2,5 y 100 Nm3/min. y unas presiones máximas de 8 a 10 bar.

1.4.4.  Depósito de aire comprimido Los depósitos de aire comprimido son conocidos con el nombre genérico de calderines. Dependiendo de su ubicación dentro de la red, también pueden ser llamados acumuladores intermedios. Independientemente del nombre, se puede definir como depósito al elemento principal de almacenaje del aire a presión, el cual está siempre posicionado en un punto cercano al compresor. Dentro de una instalación neumática, el depósito cumple importantes funciones que detallamos a continuación: □□ El depósito actúa como amortiguador de las pulsaciones de caudal producidas en la compresión, sobre todo en instalaciones que dispongan de compresores alternativos. □□ Actúan como distanciadores en los períodos de regulación, asegurando el abastecimiento de aire comprimido en los períodos de no compresión o falta de suministro eléctrico para el accionamiento de los motores. □□ Adaptan el caudal de salida del compresor a la demanda real de caudal de la instalación (pemitiendo tiempos de parada para los mismos). □□ Hacen frente a demandas puntuales de caudal, evitando que se produzcan caídas de presión importantes (colocándose en aquellos puntos de red donde se preveean consumos puntuales sumamente importantes, por ejemplo, pistolas de soplado). □□ Actúan como refrigeradores y condensadores, debido a la gran superficie de evacuación, y permiten un rápido enfriamiento del gas. Por este motivo son instalados en zonas protegidas del sol y perfectamente ventiladas.

36

1: Producción de aire comprimido

Figura 1.15.  Depósito de aire comprimido.

Los depósitos de aire comprimido se construyen en disposición vertical y horizontal. El material utilizado es chapa de acero y consta de fondos repujados en forma de bóveda esférica. Su capacidad depende del caudal suministrado por el compresor, así como del tipo y numero de activadores que tengamos en la red. De modo aproximado, podemos calcular la capacidad con la siguiente formula:

Volumen = K · Q Donde: V

Volumen en m3

K

Constante (oscilará entre 0,2 y 0,5).

Q

Caudal del compresor en m3 / min.

Tanto la capacidad del compresor como la del depósito deberán sobredimensionarse para conseguir un mejor rendimiento de la instalación, así como prever futuras ampliaciones de la instalación neumática (por efecto de nuevos puntos de consumo).

La fabricación de depósitos de aire comprimido ha de llevarse a cabo atendiendo al Reglamento Español de Recipientes a Presión, aprobado por el R.D. 1244/1979, modificado hasta el actual R.D. 2060/2008, que entra en vigor el 5/08/2009, y cumplir las normas de seguridad indicadas en las ordenanzas españolas de seguridad, estando sujetos a inspecciones periódicas.

37

Neumática

Otro cálculo un poco más estudiado corresponde a...  0, 25·Q  3 V = ·10  Z(P1 − P2)  Donde: V

Volumen del depósito

Q

Caudal del compresor en m3 / hora.

P1

Presión máxima en bar.

P2

Presión mínima en bar.

Z

Conexiones deseadas para el compresor.

1.4.5.  Ubicación de los compresores La elección del lugar apropiado para la construcción de la sala de compresores, dependerá en gran manera de la longitud y envergadura de la red de distribución del aire comprimido. En principio, siempre se elegirá la zona norte, es decir, la parte más fría de la fábrica al objeto de tomar el aire exterior de aspiración tan bajo de temperatura como sea posible. Se deberá situar el calderín en el exterior de fábrica en virtud de las normas vigentes sobre recipientes de presión. Si lo emplazamos en la zona norte, donde haya casi siempre sombra, la temperatura ambiente contribuirá al enfriamiento del aire comprimido contenido en el calderín, facilitando la decantación de impurezas y evitando que una parte por lo menos, se introduzca por la red de tuberías. La situación de los compresores requiere una decisión fundamental y una contestación a la siguiente pregunta: ¿La planta compresora debe de estar centralizada o descentralizada? En otras palabras, ¿es mejor montar una sola estación de compresión o varias estaciones satélites cercanas a los puntos de consumo? Para los expertos, la ubicación centralizada es la más adecuada, pero estando equidistante de los puntos de consumo de fábrica o descentralizada, teniendo en cuenta los mayores consumos que puedan originarse con el propósito de evitar grandes diámetros de tubería de conducción o pérdidas de presión por el transporte del aire a largas distancias. Presenta la ventaja de poder instalar unidades de compresión con potencias superiores beneficiándose de un destacado rendimiento y de un precio inferior por Kw establecido. Además permite unificar las características de los compresores (consiguiendo que la capacidad total sea menor y posiblemente el gasto inicial relativamente bajo), y por otra parte facilita la vigilancia y el mantenimiento con desembolsos de supervisión significativamente menos costosos. Se pueden permitir excepciones en ciertos casos particulares, como que la potencia y/o la presión se tengan que adaptar a los requerimientos locales de la planta. De esta manera, si una fábrica ocupa una gran superficie y pretende consumir aire en dos o

38

1: Producción de aire comprimido

tres naves alejadas relativamente entre sí, se podrá preferir que esas naves dispongan cada una de su propia estación de compresores. Al emplazar los compresores, debemos elegir un local cerrado, pero bien ventilado y lo más exento posible de polvo y suciedad. Cuanto más baja sea la temperatura ambiente en la sala de compresores, mejor será la disipación del calor cedido por el compresor durante la compresión. A ello puede ayudar la colocación de rendijas de ventilación combinadas con algún ventilador o tiro forzado en el techo, con el fin de establecer una corriente de aire de abajo hacia arriba que elimine el calor, barriéndolo por aire de ventilación.

1.4.5.1.  Aspiración La aspiración conviene situarla en un lugar totalmente desprovisto de polvo y de cualquier otro elemento contaminante. La entrada de aire polvoriento al compresor y su mezcla con el aceite de engrase de los cilindros crea un auténtico esméril, con lo que el desgaste de los cilindros, émbolo y segmentos es muy superior al previsible. También, para que el rendimiento del compresor sea máximo, el aire será lo más frío posible. Una disminución de la temperatura de 3ºC aumenta la masa de aire aspirado en un 1 por 100, manteniéndose todas las demás condiciones. Los compresores pequeños y los de tamaño mediano suelen tomar el aire directamente de la sala de compresores; los de tamaño grande lo hacen por medio de un tubo de aspiración que sale al exterior del edificio, teniendo la precaución de colocarlo de modo que se eleve por lo menos tres metros sobre el nivel del suelo y siempre por encima del tejado o recodos para evitar la reflexión del sonido por las paredes. Cada compresor debe tener su tubo de aspiración independiente, debiendo evitarse tuberías comunes para varios compresores.

Los compresores han de situarse en lugares totalmente exentos de polvo u otro tipo de impurezas. Si estas son aspiradas, la instalación puede sufrir un deterioro extremadamente importante.

Es importante verificar los filtros, o el filtro, de admisión del aire del compresor, ya que si el elemento filtrante está deteriorado o no cierra herméticamente entra aire sucio a las cámaras de compresión y, por otro lado, si está obstruido por suciedad se reduce el paso de aire exterior, bajando notablemente el rendimiento del compresor.

39

1: Producción de aire comprimido

RESUMEN ■

Los fluidos son sustancias que se deforman cuando son sometidos a tensiones de cortadura, por pequeñas que sean éstas. Las leyes por las que se rigen varían dependiendo de la velocidad del fluido.

■ ■

La presión que ejerce un fluido sobre una superficie o viceversa, se define como el cociente entre la fuerza y la superficie que recibe su acción. Se entiende como caudal, la cantidad de fluido que atraviesa una sección dada por unidad de tiempo. El caudal se puede expresar según los conceptos de caudal másico (hace referencia a la masa del fluido), y caudal volumétrico (hace referencia al volumen del fluido).

■ ■ ■

En tecnología neumática, para los cálculos en los que utilicemos la temperatura, ésta se utilizará en escala Kelvin. Se llaman compresores aquellas máquinas que aspiran el aire ambiente (a presión atmosférica) y lo comprimen hasta lograr una presión superior. Los compresores alternativos de pistón pueden clasificarse según el número de etapas y el modo de trabajar que tiene el pistón. Otra clasificación de los compresores alternativos puede hacerse según el número y la disposición de los cilindros.

■

La regulación de los compresores tiene por objeto ajustar el suministro de aire cedido por los compresores a la petición de aire real solicitado por los consumos de la instalación.

■

Los compresores rotativos son aquellos que producen aire comprimido por un procedimiento rotatorio y continuo, empujando el aire desde la aspiración hasta la salida comprimiéndolo.

■

Las funciones de los depósitos de aire son las de amortiguar las pulsaciones, distanciar los períodos de regulación, hacer frente a demandas puntuales y adaptar la salida de aire del compresor al consumo real.

41

2 UNIDAD DIDÁCTICA

2

Neumática

2.  Producción de aire comprimido

2: Tratamiento del aire comprimido

ÍNDICE OBJETIVOS.................................................................................................................................................................. 47 INTRODUCCIÓN......................................................................................................................................................... 48 2.1.  Acondicionamiento del aire comprimido............................................................................................................. 49 2.1.1.  Humedad en el aire comprimido.............................................................................................................................. 49 2.1.2.  Métodos y grados de depuración............................................................................................................................ 50 2.2.  Distribución del aire comprimido......................................................................................................................... 60 2.2.1. Consumo............................................................................................................................................................. 60 2.2.2.  Número de compresores........................................................................................................................................ 61 2.2.3.  Redes de distribución............................................................................................................................................ 61 2.2.4.  Disposición de las redes......................................................................................................................................... 63 2.2.5.  Calculo de tuberías................................................................................................................................................ 66 2.2.6.  Calidad de las tuberías........................................................................................................................................... 67 2.3.  Racordaje neumático............................................................................................................................................ 69 2.3.1.  Tipos de rosca...................................................................................................................................................... 69 2.4.  Racores y tubo flexible.......................................................................................................................................... 73 2.4.1.  Ejemplos de racores.............................................................................................................................................. 75 2.4.2.  Tubo flexible......................................................................................................................................................... 77

RESUMEN..................................................................................................................................................................... 79

45

2: Tratamiento del aire comprimido

OBJETIVOS ■ ■

Conocer los procesos y elementos relacionados con el tratamiento de aire comprimido, especialmente los ejecutados en los puntos de utilización. Conocer los diferentes elementos y las posibilidades de configuración que ofrecen las unidades de mantenimiento (en función de las condiciones particulares de trabajo de cada unidad neumática).

■

Conocer los sistemas tradicionales para la ejecución de distribuciones de aire (líneas de distribución neumáticas). Para ello se analizaran las diferentes tuberías de una instalación y sus propiedades particulares.

■ ■

Conocer los principios básicos de dimensionado de una red neumática.

Conocer los diferentes medios de unión tubo – componente. Para ello se realizará un breve resumen de los principales racores disponibles en el mercado y se profundizará sobre las diferentes roscas que podemos encontrar.

47

Neumática

INTRODUCCIÓN

Este apartado abordará tres áreas principales como son el tratamiento de aire comprimido antes del compresor, en los puntos de utilización y los diferentes sistemas de distribución y conexionado existentes. Se comenzará describiendo los problemas relacionados con el trabajo mediante aire comprimido (en su mayoría debidos a la humedad, la cual conlleva condensaciones en la red que serán fuente de innumerables problemas). Una vez conocidos dichos problemas, se abordará su solución. Otro de los aspectos fundamentales de la unidad, hará referencia al tratamiento del aire en los puntos de utilización. El elemento principal para su ejecución es la unidad de mantenimiento, la cual integrará diferentes elementos en función de las necesidades propias de cada aplicación (niveles de filtrado). Se estudiarán los filtros, reguladores de presión, lubricadores, válvulas de carga progresiva, presostatos, llaves de paso, etc.

48

Para terminar, analizaremos de forma global la distribución del aire. Para ello veremos como transportar el aire desde la propia salida del compresor hasta el último de nuestros componentes. Se verán los principales tipos de rosca empleados en aplicaciones neumáticas y un breve resumen del racordaje más común.

2: Tratamiento del aire comprimido

2.1.  Acondicionamiento del aire comprimido Uno de los puntos decisivos para el correcto funcionamiento de los equipos neumáticos es el grado de pureza del aire comprimido. La duración de los componentes neumáticos, viene enormemente influenciada por la calidad del aire. Esta calidad se consigue dotando al compresor y a la instalación de una serie de elementos capaces de filtrar las impurezas, enfriar el aire comprimido y, en último lugar, evacuar todas estas sustancias al exterior de la instalación (para ello se dispone de un gran número de componentes propios del apartado tratamiento y distribución). Desde el momento en que aspiramos el aire, este irá pasando por un número determinado de componentes, en función del grado de pureza deseado para nuestra instalación. El estudio detallado de todos estos componentes, así como los fenómenos y conceptos físicos relacionados, van a ser desarrollados en las siguientes páginas.

2.1.1.  Humedad en el aire comprimido Como ya es conocido por todos nosotros, el aire atmosférico contiene determinadas impurezas (como el polvo en suspensión) y cantidades variables de vapor de agua, que depende de la temperatura y de la situación geográfica. Esta humedad, una vez introducida en nuestra instalación podrá condensarse (debido principalmente a las bajas temperaturas), provocando numerosas e importantes averías además de defectos en la ejecución. Los efectos más aparentes provocados por las condensaciones de agua son: ■■ Oxidación. ■■ Disminución del paso efectivo en las conducciones, debido a la acumulación de elementos condensados. ■■ Malos acabados en operaciones sensibles a la pureza del aire, como son barnizados, pintados, etc. ■■ Cortocircuitos en el soplado de arcos y un largo etcétera. Ahora que ya conocemos los principales daños producidos por el agua, profundizaremos más sobre los conceptos de humedad en el aire comprimido.

2.1.1.1.  Humedad absoluta Es quizás el concepto de humedad absoluta uno de los mas fáciles de asimilar puesto que no es más que una relación entre el peso del vapor de agua contenido con cada unidad de peso de aire seco. gramos de vapor de agua kg. de aire seco Generalmente se expresa en

49

Neumática

2.1.1.2.  Humedad relativa La humedad relativa es el tanto por ciento que representa la cantidad de vapor de agua que contiene el aire, con respecto del máximo contenido posible (es decir, la humedad específica). Conocer el grado de humedad relativa nos permite determinar las posibilidades de que se produzcan condensaciones en nuestra instalación, debidas principalmente a las variaciones de presión y / o temperatura. Si en un momento dado el valor de la humedad relativa fuese del 100 %, se producirían condensaciones, ya que el aire no podría aceptar ni una molécula más de vapor de agua.

2.1.1.3.  Punto de rocío El punto de rocío es aquél en el que se producen las condensaciones, o, en otras palabras, cuando la humedad relativa tiene un valor del 100%. Conceptos importantes son: ■■ A la temperatura correspondiente al punto de rocío el aire está saturado de humedad, es decir, la humedad relativa es del 100%. ■■ Si la temperatura aumenta, se produce un efecto de secado del aire. Esto es debido a que la humedad absoluta no varía mientras que la relativa disminuye. Por el contrario, si la temperatura disminuye comenzarán a producirse condensaciones en forma de agua líquida.

El punto de rocío es la temperatura a la cual se producen condensaciones. Si se quiere realizar una reducción de la humedad, se deberá refrigerar por a una temperatura inferior al punto de rocío para provocar la condensación).

2.1.2.  Métodos y grados de depuración Ahora ya conocemos los problemas que representa la humedad en el aire comprimido. Como podemos deducir, se hace necesaria la depuración del aire (en distinto grado según su utilización), realizada en distintos componentes que conoceremos a continuación. El tratamiento básico del aire comprimido consiste en rebajar el grado de humedad y en eliminar la niebla de aceite arrastrada por el aire comprimido que procede del compresor. Los aparatos utilizados para conseguirlo esto son típicamente los refrigeradores de aire, separadores de condensados, equipos de secado y desoleadores. La correcta disposición de la red y la colocación de puntos de purga a lo largo del recorrido, facilitan la evacuación del agua. En definitiva, el tratamiento del aire comprimido se realiza en dos áreas principalmente.

50

2: Tratamiento del aire comprimido

2.1.2.1.  Tratamiento a la salida del compresor Refrigeración posterior Uno de los componentes más comunes en el tratamiento del aire comprimido son los refrigeradores posteriores de aire comprimido. Estos elementos son simples intercambios de calor, aire-aire o aire-agua, y están preparados para condensar entre el 50 y 30% de la humedad aspirada por el compresor. En su interior encontramos una serie de tubos por donde circula el aire comprimido que acaba de salir del compresor, y, alrededor de estos tubos, se establece una circulación de aire o agua a menor temperatura produciéndose así el intercambio de calor. Las condensaciones producidas en el intercambiador se expulsan al exterior mediante purgas automáticas.

Secador frigorífico Los secadores frigoríficos tienen por objeto reducir la humedad del aire comprimido mediante el enfriamiento del aire. El principio es lógico, si rebajamos la temperatura del aire comprimido hasta la mínima que se prevea en la red, posteriormente no se podrán producir condensaciones. El aire comprimido penetra en el evaporador donde se enfría hasta alcanzar el punto de rocío deseado. Se producen las condensaciones en el denominado separador, donde éstas son purgadas automáticamente.

Figura 2.1.  Principio de funcionamiento de un refrigerador.

En la figura se aprecia el principio de funcionamiento de los secadores frigoríficos. No se desarrolla el circuito refrigerador, tan sólo el efecto de secado.

51

Neumática

Figura 2.2.  Secador colocado después del depósito.

Los refrigeradores pueden estar colocados antes o después del depósito acumulador, presentando ventajas e inconvenientes que a continuación enumeramos: ■■ El secador frigorífico instalado después del acumulador, permite que éste condense la mayor parte de la humedad, evitando así su paso al refrigerador. ■■ Por otra parte, también se consigue un aire de entrada amortiguada (en caso de compresores de pistón), lo que permite un funcionamiento más suave. Este sistema presenta la desventaja de que el depósito está sometido al contacto con el aire húmedo. Si el montaje se realiza antes del calderín éste no estará sometido a contacto con aire húmedo, al mismo tiempo que podremos retomar muestras del fondo que determinarán la calidad del aire.

Figura 2.3.  Secador colocado antes del depósito.

52

2: Tratamiento del aire comprimido

La principal desventaja que presenta este tipo de montaje es que el aire recibido por el secador contiene mayor grado de impurezas, al no haberse realizado una separación previa en el deposito. Además, si el compresor es alternativo, el aire recibido es pulsante, al ser amortiguado exclusivamente por el refrigerador posterior y el prefiltro.

Secadores de adsorción Como hemos visto en el apartado anterior los secadores frigoríficos permiten un alto grado de deshumidificación (habitualmente se consiguen puntos de rocío de +2ºC ó +3ºC). En determinadas aplicaciones, sobre todo en trabajos exteriores realizados en zonas de clima frío, esto puede no ser suficiente si se desea no producir condensaciones por debajo de estas temperaturas, se hace necesaria la utilización de un proceso de secado por adsorción. Estos secadores constan de dos torres de secado, en cuyo interior se encuentra una carga de elemento absorbente. Estas torres entran en funcionamiento cíclicamente, lo que permite obtener un flujo continuo de aire seco. El tiempo en que una torre no está funcionando, se emplea para proceder a la regeneración del elemento absorbente, es decir, que mientras una trabaja, la otra anteriormente saturada, se regenera. Dicha regeneración puede llevarse a cabo mediante dos métodos de regeneración: por aire caliente o frío.

Figura 2.4.  Principio de funcionamiento de un sistema de secado por adsorción (torres gemelas de funcionamiento alternativo).

La regeneración por aire caliente consiste en impulsar una corriente de aire caliente a unos 180°C, a través de la masa de la sustancia desencante. El tiempo de regeneración ha de ser al menos de 1 / 3 del de servicio. La regeneración por aire frío es, en realidad, mediante aire seco obtenido de la torre en funcionamiento (aproximadamente un 15%). No se consume energía en el proceso de calentado, pero este 15% de aire seco es desperdiciado, considerándolo perdido.

53

Neumática

Secadores de absorción Este tipo de secador, realiza su proceso mediante la utilización de sustancias desecantes llamadas higroscópicas (con propiedad para absorber la humedad). Estas sustancias al absorber el agua se van licuando poco a poco, depositándose en el fondo del depósito, donde son purgadas automáticamente. Es por esta razón por lo que la sustancia ha de recargarse una vez consumidas sus 2/3 partes. Como valor aproximado se puede considerar que cada kilogramo de sustancia puede retener, unos 13 kilogramos de condensados.

2.1.2.2.  Tratamiento en los puntos de utilización Como hemos podido comprobar, el aire, desde su admisión en el compresor, ha sufrido una serie de procesos con el objeto de purificarlo, eliminando la mayor parte de las impurezas. Se han colocado filtros en la aspiración del compresor, también se han colocado separadores, secadores y un elevado número de componentes para obtener al final un aire de mayor o menor pureza en función de su aplicación. No obstante y debido a la delicadeza de los componentes neumáticos siempre es recomendable someter al aire a un último proceso de acondicionamiento en los puntos de utilización. Para ello se dispone de unas unidades que reciben el nombre de “unidades de mantenimiento”. Estos grupos tienen como principal función el filtrado del aire, la regulación de la presión de trabajo y la lubricación en caso de que esta sea necesaria.

En la actualidad no se suele incorporar lubricador a las unidades de mantenimiento ya que los componentes neumáticos vienen auto lubricados de por vida. En ocasiones muy especiales, puede ser necesaria una lubricación adicional (como por ejemplo velocidades extremas de los actuadores neumáticos).

Estas unidades generalmente están compuestas de: ■■ Filtro. ■■ Regulador de presión y manómetro. ■■ Lubricador. No obstante, se debe destacar que las unidades de mantenimiento son configuraciones modulares y variables en función de nuestras propias necesidades. De este modo y por ejemplo, pueden no disponer de lubricador e incorporar otra serie de elementos como válvulas de carga y descarga progresiva, llaves de corte 3/2 de carácter biestable montadas a la salida, presostatos para la captación de la presión existente en línea, etc.

54

2: Tratamiento del aire comprimido

Figura 2.5.  Unidad de mantenimiento clásica. Simbología desarrollada y simplificada de una unidad de mantenimiento o FRL. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

Veremos a continuación los elementos integrantes más comunes de una unidad de mantenimiento (denominadas también FRL – Filtro – Regulador – Lubricador).

Filtros Los filtros son elementos diseñados principalmente para la eliminación de partículas líquidas y sólidas como agua, aceite, etc. El filtrado se realiza en dos etapas. En la primera, el aire se acelera radicalmente al hacerlo pasar por unas placas deflectoras dispuestas con el fin de provocar este efecto. En este proceso, las partículas mayores golpean contra las paredes del vaso (contenedor de condensados), depositándose en el fondo por su propio peso. Un pequeño plato hace que las partículas ya depositadas en el fondo no puedan ser arrastradas de nuevo. El vaso se construye en materiales plásticos para las aplicaciones convencionales pero se dispone de filtros con vaso metálico para aplicaciones sometidas a calor extremo o en contacto con agentes químicos degradantes. En un segundo proceso, se realiza el filtrado fino, haciendo pasar al aire comprimido por un mallado muy fino. Este elemento (cartucho de filtración), he de ser lavado periódicamente. Los cartuchos estándar suelen ejecutar un filtrado de entre 5 y 40 micras. Los condensados depositados en el fondo del vaso son expulsados al exterior por medio de una purga, la cual puede ser manual, automática o semiautomática.

55

Neumática

Figura 2.6.  Filtro para unidad de mantenimiento. Simbología. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

Para aplicaciones especiales, pueden ser instalados filtros de mayor calidad como son los “filtros micrónicos” y “submicrónicos”. Un filtro micrónico está desprovisto de plato de separación y ejecuta un proceso de filtraje desde dentro del cartucho filtrante hacia el exterior. Se emplean en este elemento una combinación de tejidos, papeles y esponjas filtrantes que hacen que el polvo u otras sustancias sólidas queden retenidas y la niebla de agua o aceite caiga al fondo del vaso después de haber formado gotas por un efecto coalescente. Este tipo de filtros se mueve por grados en torno a las 3 micras. Un filtro submicrónico es un dispositivo similar al explicado anteriormente (micrónicos) pero que aporta una mayor calidad de aire al disponer de capas de filtrado adicionales. La calidad de aire proporcionado por este tipo de filtros (filtración de 0,01 micras ó 99,999 %), los hace adecuados para aplicaciones muy especiales como por ejemplo aire de pintura, de secado de componente electrónico, de aplicación química, alimentaría, etc.

Para aumentar la vida del componente es recomendable ejecutar un prefiltrado no superior a 5 micras.

Regulador de presión La función principal del regulador de presión es mantener una presión estable en el circuito neumático. Este efecto se puede conseguir si la presión de entrada es mayor que la de salida, puesto que un regulador de presión sólo puede disminuirla y nunca aumentarla. La presión que ajustemos, se indica mediante un manómetro, elemento incorporado en las unidades de mantenimiento (conexión en regulador de presión). Existen en versión de dos vías y de tres vías, siendo los más comunes los de tres. La diferencia radica en que una posible sobrepresión en el canal de salida sería expulsada a la atmósfera a través de la tercera vía. Evidentemente, un regulador de dos vías no podrá ejecutar dicha expulsión.

56

2: Tratamiento del aire comprimido

Figura 2.7.  Regulador de presión con manómetro. Simbología. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

Un regulador de presión bien instalado proporciona: ■■ Regularidad en la presión de trabajo, amortiguando las posibles pulsaciones. ■■ Mayor rentabilidad de la instalación al alimentar los componentes a la presión de cálculo. ■■ Mayor rentabilidad de la instalación al realizar regulaciones óptimas de presión (reducción de consumo).

Lubricadores Los componentes utilizados en las instalaciones neumáticas están constituidos por delicados elementos mecánicos que deberemos preservar. Las estrictas tolerancias y los altos grados de acabado superficial hacen necesaria la introducción de una niebla de aceite para la lubricación de todos los elementos móviles de las válvulas o actuadores. Ésta es la principal función de los lubricadores.

En la actualidad, es poco frecuente la colocación de lubricadores debido a la auto lubricación de los componentes. Esta lubricación adicional queda reservada para casos muy especiales (como por ejemplo velocidades extremas).

El principio de funcionamiento de los lubricadores es el efecto Venturi (caída de presión originada por una restricción al paso). El aire comprimido procedente del regulador de presión, entra al lubricador a través de una sección generosa (lo cual implica una baja velocidad de fluido). En el interior del lubricador, se fuerza una restricción al paso que aumenta la velocidad del aire y en consecuencia genera una pérdida de presión. Es justamente en este punto de presión debilitada, donde un tubo baja a buscar el aceite que esta en el fondo del vaso, es aspirado y se dirige a la corriente de aire donde será pulverizado (formando una niebla de aceite lubricante).

57

Neumática

Figura 2.8.  Lubricador para unidad de mantenimiento. Simbología. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

Otros componentes Como ya se ha comentado, hoy por hoy es bastante frecuente encontrar otros elementos integrando la unidad de mantenimiento. Algunos destacables son: ■■ Llave de paso. ■■ Presostatos. ■■ Válvula de carga progresiva. Las llaves de paso son sencillamente válvulas 3/2 de carácter biestable (estudiadas en el apartado Válvulas 1), que permiten establecer o cortar la alimentación de aire a la aplicación, con la característica de despresurizarla cuando esta es cortada. Se suelen emplear para ello válvulas de corredera, las cuales son roscadas directamente sobre la salida del conjunto de elementos integrantes de la unidad de mantenimiento.

Figura 2.9.  Llave 3/2. Corte de alimentación. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A

Los presostatos (los cuales se desarrollaran extensamente en Electroneumática), pueden estar incorporados en la unidad de mantenimiento y su función corresponde a la permisión de accionamientos tan sólo cuando nos encontramos en un rango de presiones deseado (por ejemplo entre una presión mínima de 4 bar y una máxima de 6,5 bar). Básicamente son contactos eléctricos conmutados por la presión del sistema.

58

2: Tratamiento del aire comprimido

Figura 2.10.  Presostato. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A

Al igual que los presostatos, las válvulas de arranque progresivo que podemos encontrar incorporadas sobre unidad de mantenimiento, se desarrollan en Electroneumática. Tan solo indicar que se trata de conjuntos para ejecutar un arranque suave de los actuadores e impedir de este modo movimientos extremadamente rápidos al establecimiento de la presión neumática.

Figura 2.11.  Unidad de mantenimiento con válvula de arranque progresivo. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A

59

Neumática

2.2.  Distribución del aire comprimido Conocidos los procesos de producción y tratamiento del aire comprimido, necesitaremos conocer los medios para la distribución del mismo dentro de la planta. Para poder realizar una óptima distribución, será necesario conocer algunos aspectos referentes a la instalación, los cuales son detalladamente estudiados en las siguientes páginas.

2.2.1.  Consumo A la hora de realizar el cálculo de una instalación neumática, el primer punto consistirá en estudiar detalladamente el consumo, o lo que es lo mismo, en determinar la cantidad de aire que necesitamos para cubrir la necesidad existente. Éste es un punto bastante delicado, puesto que cualquier fallo cometido en esta primera fase, originará un defecto de cálculo provocando efectos desastrosos. En la siguiente tabla (extracto orientativo de catálogos de fabricantes) se muestran los consumos para actuadores lineales de simple y doble efecto.

Figura 2.12.  Tabla de fabricante (cálculo del consumo de aire).

No obstante, las instalaciones neumáticas no sólo incorporan actuadores de simple efecto, sino que incorporan elementos de constitución muy variada. Es por este motivo por el que se recomienda acudir a las tablas de fabricantes, las cuales nos ofrecen los datos o fórmulas correspondientes para conocer cuanto consumen los actuadores, en especial para su gama de componentes. Una vez conocida la necesidad de caudal para cada actuador, se multiplicará por el número de accionamientos propios de cada uno (en la base de tiempos analizada) y se sumaran.

60

2: Tratamiento del aire comprimido

Aparte de los consumos propios de los actuadores, se deberá analizar el aire empleado en el mando (pilotajes neumáticos) y otras cantidades (propias por ejemplo del llenado de los tubos de potencia, etc.).

2.2.2.  Número de compresores Una vez determinadas las necesidades de caudal o consumo total de la instalación, deberemos determinar el número de compresores a colocar en la instalación. Siempre que sea posible, huiremos de un solo compresor que cubra la necesidad de caudal para evitar los posibles tiempos de paro que pueda tener un compresor, ya que aunque estas máquinas son robustas, no están exentas de períodos de mantenimiento que son períodos improductivos de la instalación. Una buena solución, consiste en colocar dos compresores en paralelo, que cubran las necesidades de la red. La mejor solución consiste en colocar 2 en paralelo más uno de reserva, para cubrir los períodos de parada. Cada uno de los compresores, debe ser capaz de suministrar la mitad del caudal demandado.

2.2.3.  Redes de distribución Una vez establecida la demanda de caudal e identificado el tipo y número de compresores, deberemos realizar un detallado estudio de todos aquellos factores y parámetros que influyan de modo determinante sobre la instalación. Estos parámetros, que son la presión de servicio, el caudal, la pérdida de presión y velocidad de circulación, se detallan a continuación.

2.2.3.1.  Presión Se definirán, previo paso a las aproximaciones de cálculo de la red, tanto la presión que proporcionará el compresor, como la presión a la que trabajarán los diversos componentes de la red, con objeto de aumentar la eficacia y rentabilidad de éstos. En este aspecto, se ha de destacar que de no especificar lo contrario, en neumática se hacer referencia a presiones relativas (tal y como ya se ha indicado en apartados anteriores).

La presión de red deberá ser siempre superior a la de utilización. Esta será ajustada en los reguladores de presión disponibles en la unidad de mantenimiento.

61

Neumática

2.2.3.2.  Caudal En segundo lugar, se debe determinar el caudal que circular por cada una de las zonas o ramales de trabajo. Dependiendo del tipo de proyecto estudiado (neumática - hidráulica), podrá ser expresado según convenga, es decir, como caudales másicos o volumétricos. No obstante, en aplicaciones neumáticas se suelen emplear caudales volumétricos expresados en m3 o en litros, partido por segundo, minuto u hora, y referidos siempre a aire libre.

Se entiende por aire libre o en condiciones normales, aire a presión atmosférica y a temperatura de referencia (habitualmente 20°C). Puede existir alguna desviación con respecto a los datos aportados por el fabricante, por lo que deberemos prestar especial atención a sus indicaciones.

2.2.3.3.  Pérdida de carga (caída de presión) La pérdida de carga, caída de presión , presión diferencial, Dp, y algún otro término de este estilo, hacen referencia a la pérdida de energía experimentada en el aire comprimido ante los diferentes obstáculos que se van encontrando (como pueden ser válvulas, codos, la propia red...).

Figura 2.13.  Gráfico representativo de la caída de presión.

La pérdida de presión ha de mantenerse siempre entre unos márgenes muy estrictos, ya que hemos de tener en cuenta que la pérdida de presión es sinónimo de perdida de energía. Una instalación con una elevada Dp, hace que la instalación no sea rentable económicamente.

2.2.3.4.  Velocidad de circulación Nosotros ya conocemos que cuanto mayor sea la velocidad de circulación de un fluido, menor será la presión, precisamente por la compensación de energías.

62

2: Tratamiento del aire comprimido

Lógico es que el diámetro de la tubería modifica la velocidad de circulación de un fluido y, por tanto, la presión en red. Las velocidades dentro de las tuberías quedan limitadas entre 3 y 10 m / s. Por supuesto, estas velocidades cambiarán en función del tipo de tuberías en las que nos encontremos, aspecto éste que será tratado con mayor profundidad en las siguientes páginas.

2.2.4.  Disposición de las redes En las redes de aire comprimido que disponen de equipos de secado, no es necesario disponer de configuraciones especiales, debido a que el aire que circula está prácticamente exento de humedad. En aquellas instalaciones que no dispongan de secadores, si que será conveniente realizar alguna disposición especial, como las denominadas de “diente de sierra”. Esta disposición consiste en colocar la red con cierta inclinación, con objeto de que toda el agua depositada por condensación en la parte inferior del tubo, corra hacia las zonas más bajas de la red, donde será expulsada al exterior por medio de purgas, las cuales pueden ser manuales o automáticas.

Figura 2.14.  Disposición de red en “diente de sierra”.

La inclinación para estas tuberías suele ser del 3/100 para cada uno de los tramos.

Una disposición en diente de sierra permite que las condensaciones circulen por gravedad hacia puntos de purga por donde serán descargadas.

2.2.4.1.  Tomas de la red Con objeto de eliminar mayor cantidad de agua condensada, también las tomas de la red se realizarán en disposición especial. Esto proporcionará mayor grado de rentabilidad en los equipos, debido a que los componentes y herramientas neumáticas adquieren un menor grado de humedad.

63

Neumática

Las tomas se realizarán siempre por la zona superior, con objeto de no arrastrar el agua condensada. Además se procurará dotar a la tubería de un ángulo de unos 60º en la disección de circulación del aire.

Una vez en el tramo de bajada, aplicamos de nuevo el concepto, realizando las tomas en los laterales y nunca en los puntos bajos, ya que éstos indirectamente pueden ser considerados como purgas. Figura 2.15.  Toma de red.

2.2.4.2.  Tuberías El conjunto de tubos utilizado para el transporte del aire comprimido desde la sala de compresión hasta cualquier punto de la red, recibe el nombre de instalación de aire comprimido. Dentro de la instalación, no todas las tuberías tienen por qué corresponder al mismo diámetro, ya que cada una de ellas ha de ser calculada en función de los parámetros expuestos anteriormente. Así, dentro de la instalación las tuberías se pueden clasificar en tres grandes grupos, como son: ■■ Tubería madre o principal. ■■ Tuberías secundarias. ■■ Tuberías de servicio.

64

2: Tratamiento del aire comprimido

Tubería principal La tubería principal, también llamada tubería madre, es la encargada de transportar la totalidad del aire comprimido que procede del compresor, hasta las distintas derivaciones. Esta tubería ha de ser generosamente dimensional, puesto que un error de cálculo haría que la instalación no fuese rentable (DP), o que incluso no pudiésemos realizar ninguna ampliación debido a la imposibilidad de transportar mayor cantidad de aire. En su cálculo se adoptarán amplios márgenes de seguridad que, en ningún caso, serán de diámetro inferior al de racor de salida del calderín. Interesa que la velocidad de circulación sea baja, procurando que no sobrepase los 10 m / s.

Siempre resulta más caro renovar la instalación por un mal dimensionado que invertir un poco más en el primer diseño, dotando a las tuberías de diámetros generosos.

Figura 2.16.  Disposición general de una red de aire comprimido. Cortesía NORGREN.

65

Neumática

Tuberías secundarias Las tuberías secundarias son aquéllas que parten de la tubería principal y de las cuales se ramifican las de servicio. Si sumásemos los caudales que circulan por las tuberías secundarias, hallaríamos el mismo valor de circulación que el de la tubería madre. Los conceptos y precauciones adoptados para el dimensionado de estas tuberías son los mismos que para la tubería madre, aunque en éstas, la limitación de velocidad para la circulación del aire es un tanto más generoso, a permitiéndose hasta los 15 m / s. No obstante, hemos de recordar que cuanto mayor sea la velocidad de circulación, tanto mayor será la caída de presión.

Tuberías de servicio Las tuberías de servicio son las denominadas bajantes, y alimentan a las diversas máquinas o herramientas neumáticas existentes en la instalación. En sus extremos se colocan los denominados acoplamientos rápidos, que nos permiten gran facilidad para realizar la conexión de equipos. Su dimensionado varía según el número de salidas o tomas que tiene, o, en otras palabras, según los caudales que han de proporcionar. La velocidad máxima en estas tuberías ha de oscilar entre 15 y 30 m / s.

2.2.5.  Calculo de tuberías Como hemos visto en apartados anteriores, siempre que transportemos un fluido a través de unas tuberías, se originará una pérdida de presión, traducida inmediatamente en un aumento de los costes. Dicha pérdida de presión es originada principalmente por el rozamiento interno de la tubería, y, en la medida de lo posible, ha de ser eliminada. Son muchos los métodos empleados para el cálculo de tuberías, pero nos centraremos en el estudio de dos métodos, uno de ellos aproximado (mediante monogramas) y otro más exacto, que requiere un conocimiento de formulación matemática de nivel medio. Antes de proceder a este estudio es de vital importancia saber que la pérdida de presión en una instalación no debe superar el 2% de la presión de red, ya que a ésta deberemos sumar las caídas de presión puntuales que se produzcan en los componentes, tales como filtros, válvulas, etc. Éstas son las llamadas pérdidas de carga localizadas, y su valor suele venir dado por la longitud de la tubería equivalente (obtenida por medio de tablas).

66

2: Tratamiento del aire comprimido

2.2.5.1.  Formulación La caída de presión que se produce en un tubo recto, se calcula mediante la fórmula: ∆P=

B V2 ⋅ ⋅ LP R⋅T D

Donde: DP

Caída de presión en bar.

P

Presión de red en bar.

R

Constante para el gas. Para el aire 29,27

T

Temperatura en K.

D

Diámetro de la tubería en mm.

L

Longitud de la tubería en m. (real + equivalente).

V

Velocidad del aire en m / s.

b

Índice de resistencia o grado medio de rugosidad variable con la cantidad suministrada G.

G

Cantidad de aire suministrada en kg / hora. 1,3 · Nm3 / min · 60

G

β

G

β

G

β

G

β

10

2,03

100

1,45

1000

1,03

10000

0,73

15

1,92

150

1,36

1500

0,97

15000

0,69

25

1,78

250

1,26

2500

0,90

25000

0,64

40

1,66

400

1,18

4000

0,84

40000

0,595

65

1,54

650

1,10

6500

0,78

65000

0,555

100

1,45

1000

1,03

10000

0,73

100000

0,520

Figura 2.17.  Tabla para identificación de valores b.

2.2.6.  Calidad de las tuberías La elección de las diferentes calidades de los materiales empleados para las tuberías viene determinada principalmente por las normas vigentes en cada país. Estas normas suelen ser desarrolladas en función del fluido y presión a transportar. Según la norma DIN 2448, para neumática se recomienda la utilización de tuberías de acero estirado sin soldadura ST-35. En estas normas, también se especifican los diámetros normalizados, así como los diversos espesores. La presión de prueba para estas tuberías suele ser de 50 kg / cm2, conseguida ésta mediante ensayo hidráulico.

67

Neumática

2.2.6.1.  Color de las tuberías En las instalaciones industriales, las tuberías han de quedar definidas externamente por el color en función del fluido que transportan. Todo ello queda reflejado en la norma UNE 1063. Para aplicación neumática según S 703 UNE 48 103, el color básico será el azul moderado. Colores de identificación para otros fluidos: Agua potable

Verde

Agua caliente

Verde con banda blanca

Vacío

Gris

Ácidos

Naranja

Aceite

Marrón moderado

Aire comprimido

Azul moderado

2.2.6.2.  Diámetro de las tuberías Las medidas comerciales que podemos encontrar corresponden a: empleo de sistema métrico (diámetros expresados en mm.) o bien sistema imperial (diámetros expresados en pulgadas). En la siguiente tabla se muestran los diámetros para tubo de acero o cobre. Tubo de cobre. Tubo de cobre. Tubo de acero. Dimensión Imperial. Dimensión Métrica. Dimensión Métrica. D. ext. · E. pared (en “). D. int. · D. ext. (en mm). D. int. · D. ext. (en mm). 1 / 8 x 0,028

----

----

3 / 16 x 0,028

----

----

1 / 4 x 0,036

4x6

4x6

5 / 16 x 0,036

6x8

6x8

3 / 8 x 0,036

8 x 10

8 x 10

1 / 2 x 0,064

10 x 12

10 x 12

5 / 8 x 0,064

12 x 14

12 x 14

----

14 x 16

14 x 16

3 / 4 x 0,064

15,6 x 18

16 x 18

----

17,6 x 20

17 x 20

----

18,8 x 22

19 x 22

1 x 0,080

21,8 x 25

22 x 25

1, 1 / 4 x 0,080

28 x 32

27 x 30

Figura 2.18.  Tabla de tubería neumática normalizada.

68

2: Tratamiento del aire comprimido

2.3.  Racordaje neumático En los próximos apartados, hablaremos constantemente del conexionado de componentes neumáticos (válvulas, actuadores, etc. con respecto a la tubería). Para poderlo ejecutar se precisará roscar sobre los componentes los denominados racores de conexión, que no dejan de ser más que la unión componente – tubo. El problema viene dado por que se dispone de una gran variedad de roscas sobre los dispositivos y una gama amplia de racores orientados a facilitar dicho conexionado. Hablaremos primero de las posibles roscas que se pueden encontrar para posteriormente analizar la gama básica de racores.

2.3.1.  Tipos de rosca Los dos tipos de rosca principales que podemos encontrar en componentes y racores corresponden a las métricas (para conexionado de bajo diámetro) y las GAS (para conexionado de mayor diámetro). Comenzaremos con sistemas imperiales.

2.3.1.1.  Roscas BSPP y BSPT Las roscas de tipo BSPP y BSPT tienen un ángulo de filete de 55º y corresponden a las más empleadas dentro del conexionado neumático (predominando la de tipo BSPP o rosca GAS). La diferencia entre ambas corresponde a que la tipo gas es una rosca cilíndrica mientras que la BSPT es una rosca cónica.

Rosca BSPP o rosca GAS Rosca de tipo cilíndrico según norma británica para tubos y racores neumáticos donde no se ejecuten cierres por presión en la rosca, es decir, para cuando se busque la estanqueidad en la arandela de cierre (preferentemente).

Rosca BSPT Rosca de tipo cónico según norma británica para tubos y racores neumáticos donde se ejecuten cierres por presión en la rosca, es decir, el propio apriete del elemento llega a forzar la estanqueidad. La letra G representa roscas BSPP mientras que la R representa roscas BSPT.

Designación... G 1 / 8” Rosca cilíndrica de 1 / 8 de pulgada. Designación... R 1 / 8” Rosca cónica de 1 / 8 de pulgada.

69

Neumática

Figura 2.19.  Gráfico comparativo de roscas BSPP y BSPT.

Las dimensiones normalizadas para cada una de las cotas, se identifica en la siguiente tabla.

Rosca BSPP conforme a... ■■ ISO 2281 ■■ BS 2779 ■■ DIN 38522 Tipo A, B, E

70

BSSP

BSPP

Hilos por ”

d1

A nominal d4 min. a max. L2 max. b2 min. b2 min.

G1/8

R1/8

28

9,73

3,97

15

1

8

8

5,5

G1/4

R1/4

19

13,16

6,05

19

1,5

12

12

8,5

G3/8

R3/8

19

16,66

6,35

23

2

12

12

8,5

G1/2

R1/2

14

20,95

8,16

27

2,5

14

14

10,5

G3/4

R3/4

14

26,44

9,2

33

2,5

16

16

13

G1

R1

11

33,25

10,39

40

2,5

18

18

---

G1, 1/4

R1, 1/4 11

41,91

12,7

50

2,5

20

20

---

G1, 1/2

R1, 1/2 11

47,80

12,7

56

2,5

22

22

---

2: Tratamiento del aire comprimido

Rosca BSPT conforme a... ■■ ISO 7-2 ■■ BS 21 ■■ DIN 38522 Tipo C

2.3.1.2.  Roscas métricas ISO Las roscas métricas ISO tienen un ángulo de filete de 60º y se emplean preferentemente para las aplicaciones neumática miniatura (como por ejemplo micro cilindros neumáticos) o como conexionado de pilotajes neumáticos. La estanqueidad se consigue por junta tórica o junta (generalmente metal – buna) o bien de cobre para tamaños pequeños (M3 y M5).

Figura 2.20.  Rosca métricas.

71

Neumática

d1

I1

f

g

d3

d5

A

b2

a2

Junta

* Las roscas M3, M5 y M20 no están incluidas en la especificación ISO M3 X 0,5*

3,25

----

----

6,5

6,5

----

4

1

----

M3 X 0,8*

8

1,5

3,8

14

6,35

12

8

1

3,6 X 1,5

M8 X 1

10

1,5

6,55

17

9,1

12

10

1

6,2 X 1,5

M10 X 1

10

1,5

8,55

20

11,1

12

10

1

8,2 X 1,5

M12 X1,5

11,5

2,3

9,85

22

13,8

15

11,5

1,5

9,4 X 2,1

M14 X1,5

11,5

2,3

11,85

25

15,8

15

11,5

1,5

11,4 X2,1

M16 X 1,5

13

2,3

13,85

27

17,8

15

13

1,5

13,4 X 2,1

M18 X 1,5

14,5

2,3

15,85

29

19,8

15

14,5

2

15,4 X 2,1

M20 X 1,5* 14

2,3

17,85

32

21,8

15

14

2

17,4 X 2,1

M22 X 1,5

2,3

19,85

34

23,8

15

15,5

2

19,4 X 2,1

15,5

2.3.1.3.  Otras roscas Es posible encontrar otro tipo de roscas en aplicaciones neumáticas, pero estas no son demasiado corrientes. Por ejemplo, las roscas UNF -Roscas Finas Unificadas-, presentan un ángulo de 60º y emplean cierre por arandela (rosca cilíndrica). En ocasiones son denominadas como roscas en pulgadas ISO. También podemos encontrar roscas NPT, las cuales presentan un ángulo de 60º y cuerpo cónico (conicidad 6,25º). Si el cierre se ejecuta con presión sobre la rosca para forzar estanqueidad y se denomina NPT. Si por el contrario no fuerza cierre sobre la rosca precisará de un material sellante. Se denomina entonces NPTF. Son expresadas en pulgadas.

Las roscas más comunes en las aplicaciones neumáticas corresponden a... ■■ Roscas GAS para conductos de potencia. ■■ Roscas métricas ISO para conductos de pilotaje (sobre válvulas), o bien para componentes de dimensiones reducidas.

72

2: Tratamiento del aire comprimido

2.4.  Racores y tubo flexible Abordar todas las referencias que un fabricante comercializa en cuanto a racordaje, seria una tarea casi imposible debido a la enorme variedad de soluciones que estos aportan. Por ello, tan sólo trataremos de dar una cuantas nociones y visualizar los más habituales (ver catálogos de fabricante para ampliar información). Se entiende que los racores serán el medio de unión entre los diferentes componentes neumáticos y el tubo de conducción. Hoy por hoy, lo más frecuente es trabajar con tubo flexible en vez de rígido y realizar los acoples mediante racores instantáneos.

Un racor instantáneo precisa tan solo de un ligero empuje para establecer la conexión neumática (mediante una pequeña grapa interior). Activando sobre la pestaña exterior, el tubo se soltará y la unión neumática queda rota.

EJEMPLO DE CONEXIONADO Imaginemos que se ha de establecer una unión entre un actuador neumático (por ejemplo cilindro de simple efecto) y su válvula de control. Se precisará un racor para cámara de cilindro y al menos dos para la válvula (P y A). Sobre R al ser un escape, no será estrictamente necesario colocar racor (pero por ejemplo puede insertarse un racor con función de regulación de caudal, consiguiéndose una velocidad controlada de retorno). En cuanto a los accionamientos, también se requerirán racores si se opta por piloto neumático. Dependiendo de la orientación de los componentes, podría interesar racores rectos, acodados, etc. Veamos el conexionado gráficamente...

73

Neumática

Figura 2.21.  Racores a colocar para la válvula de potencia.

Figura 2.22.  Incorporación de un control de velocidad.

74

2: Tratamiento del aire comprimido

Por ejemplo, sobre el actuador podemos optar por la colocación de un racor 1/8” recto.

Figura 2.23.  Racor a colocar sobre el cilindro.

Tan sólo restará establecer la conexión neumática mediante tubo (por ejemplo flexible de puliuretano de 6 mm. de diámetro) entre los diferentes componentes y la aplicación quedará lista para trabajar.

2.4.1.  Ejemplos de racores Veremos a continuación, algunos de los racores más típicos que podemos encontrar instalados en una instalación y sus posibles aplicaciones:

RACOR RECTO

Racor clásico para conexión de válvulas y cilindros. Disponible en varios métodos de apriete (como hexágono exterior, interior, etc.). Todas las medidas desde M3, M5, 1/8” ...1/2”.

Por supuesto, estos racores tan sólo representan una mínima parte de la oferta disponible pero pensamos que como idea genérica es suficiente. Veremos para terminar algún otro tipo que puede resultar interesante como por ejemplo son los rápidos y los multi conectores para cuadros de maniobra.

75

Neumática

RAPIDOS Los denominados acoplamientos rápidos son frecuentes en las alimentaciones generales a circuito, permitiéndose la conexión o desconexión de la alimentación a un sistema de un modo extremadamente rápido y sin herramienta. Se clasifican como machos y hembras.

MULTI CONECTORES Un multi conector permite la conexión instantánea a varios conductos al mismo tiempo. Realmente se trata de varios acoplamientos macho – hembra bajo un mismo colector.

Figura 2.24.  Multi conector hembra.

Multi conector macho.

Figura 2.25.  Conectores para macho (variables en función del número de conexiones a realizar).

76

2: Tratamiento del aire comprimido

2.4.2.  Tubo flexible El tubo flexible constituye hoy por hoy el medio más empleado para la ejecución de las conexiones entre los diferentes componentes neumáticos, ya que presenta una extrema facilidad de conexión y evita los costosos procesos de ejecutar una conexión a través de los tubos rígidos. Los materiales plásticos empleados para su fabricación son del todo variados (Poliamida, Poliuretano, Polietileno, etc.), presentando de este modo diferentes clases, calidades y usos. Por ejemplo, un tubo convencional no puede ser empleado para el transporte de producto alimenticio, cosmético, etc (se debe optar por referencias específicas que cumplan la normativa vigente). Se comercializan en diferentes diámetros (marcados siempre exteriormente) y colores (para una rápida identificación de los circuitos). Predominan los diámetros 4, 6, 8 y 10 mm.

Figura 2.26.  Tubo neumático. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

77

2: Tratamiento del aire comprimido

RESUMEN ■

El tratamiento de aire comprimido (algo fundamental para el correcto funcionamiento de una aplicación neumática), ha de ser ejecutado antes de la utilización y en los propios puntos de consumo.

■ ■

El tratamiento antes de los puntos de utilización constituye la principal depuración de aire (eliminado la humedad) en función de los elementos instalados. El tratamiento en los puntos de utilización constituye la adecuación del aire a las condiciones propias de trabajo de cada unidad o accionamiento neumático. Su grado dependerá de los elementos instalados en la unidad de mantenimiento.

■

La distribución de aire se ejecuta a través del tuberías, las cuales se clasifican como: tubería madre, secundarias o de servicio. Cada una de ellas presenta sus propias limitaciones en cuanto a caudal circulante y velocidades máximas para el mismo.

■

Si no se ha optado por un sistema eficaz para la eliminación de la humedad, las redes de distribución deberán de estar dotadas de cierta inclinación para drenar el condensado por gravedad. Se entiende por tanto que los puntos de utilización nunca deberán ser colocados en las zonas bajas de la instalación.

■

Una vez que el aire ha de ser empleado en la aplicación, este se direcciona a los componentes a través de tubo flexible conexionado mediante racores. Estos presentan grandes posibilidades debido a la enorme cantidad de modelos (funciones de distribución) diferentes.

79

3 UNIDAD DIDÁCTICA

3

Neumática

3.  Actuadores neumáticos

3: Actuadores neumáticos

ÍNDICE OBJETIVOS.................................................................................................................................................................. 85 INTRODUCCIÓN......................................................................................................................................................... 86 3.1. Actuadores............................................................................................................................................................. 87 3.2.  Actuadores lineales............................................................................................................................................... 88 3.2.1.  Cilindros de simple efecto....................................................................................................................................... 88 3.2.2.  Cilindros de doble efecto........................................................................................................................................ 90 3.2.3.  Cilindros de doble vástago...................................................................................................................................... 94 3.2.4. Amortiguación....................................................................................................................................................... 95 3.2.5.  Sistemas antigiro................................................................................................................................................... 98 3.2.6.  Cilindros tándem................................................................................................................................................. 101 3.2.7.  Cilindros multiposicionales.................................................................................................................................... 102 3.2.8.  Cilindros de vástago hueco................................................................................................................................... 103 3.2.9.  Unidades de bloqueo........................................................................................................................................... 104 3.2.10.  Cilindros de fuelle.............................................................................................................................................. 107 3.3.  Actuadores de giro.............................................................................................................................................. 108 3.3.1.  Actuador de paleta.............................................................................................................................................. 108 3.3.2.  Actuador piñón - cremallera.................................................................................................................................. 111 3.3.3.  Motores de paletas.............................................................................................................................................. 112 3.4.  Mecánica de un cilindro...................................................................................................................................... 114 3.5.  Cálculos de cilindros........................................................................................................................................... 118 3.5.1.  Fuerza del émbolo............................................................................................................................................... 118 3.5.2.  Longitud de carrera............................................................................................................................................. 118 3.5.3.  Velocidad del émbolo........................................................................................................................................... 118 3.5.4.  Consumo de aire................................................................................................................................................. 119 3.5.5. Fijaciones........................................................................................................................................................... 120

RESUMEN................................................................................................................................................................... 123

83

3: Actuadores neumáticos

OBJETIVOS ■

Conocer los diferentes tipos de actuadores existentes en el mercado (en su gama básica), con objeto de conocer las amplias posibilidades que ofrece la neumática de cara a la automatización de procesos industriales.

■

Conocer los principios constructivos de los diferentes tipos de actuadores (clasificación simple, doble efecto, etc.). Se pretende dar la noción de funcionamiento genérica con independencia de la mecánica que emplee el fabricante para su consecución.

■

Conocer cómo se dimensionan los actuadores en función de los esfuerzos que realizan (ciñéndonos a tablas de fabricante). La mecánica externa del sistema no se contempla ya que se estudiará en “Mecánica Aplicada”.

■

Conocer los elementos fundamentales de un actuador, desarrollando internamente un cilindro de doble efecto convencional. Se analizarán aspectos como la “denominación” de cada uno de los elementos integrantes, funciones del mismo, materiales de construcción, etc.

85

Neumática

INTRODUCCIÓN

En esta unidad se explican detalladamente los diferentes tipos de actuadores, tanto los lineales como los de movimiento giratorio, prestando especial atención a su construcción interna, funcionamiento y campo de aplicación más usual.

Es de suma importancia el conocimiento de dichos actuadores, ya que esto nos permitirá realizar la selección más adecuada a nuestras necesidades. No obstante, no podemos olvidar que la neumática es un campo en evolución constante por lo que este módulo También se describen todos los cálculos necesarios sólo pretende ser un compendio de los actuadores para la elección de un actuador para las condiciones clásicos más usuales. de trabajo que nosotros le marquemos. Para una mayor información acerca las novedades en actuadores recomendaremos la consulta de catálogos comerciales actualizados.

86

3: Actuadores neumáticos

3.1.  Actuadores El trabajo realizado por un actuador neumático puede ser lineal o rotativo. El movimiento lineal se obtiene por cilindros de émbolo (éstos también proporcionan movimiento rotativo con variedad de ángulos por medio de actuadores del tipo piñón-cremallera). También encontramos actuadores neumáticos de rotación continua (motores neumáticos), movimientos combinados e incluso alguna transformación mecánica de movimiento que lo hace parecer de un tipo especial.

Figura 3.1.  Clasificación genérica de actuadores.

A continuación, se detallan algunos de los actuadores más característicos...

87

Neumática

3.2.  Actuadores lineales Los cilindros neumáticos independientemente de su forma constructiva, representan los actuadores más comunes que se utilizan en los circuitos neumáticos. Existen dos tipos fundamentales de los cuales derivan construcciones especiales. ■■ Cilindros de simple efecto, con una entrada de aire para producir una carrera de trabajo en un sentido. ■■ Cilindros de doble efecto, con dos entradas de aire para producir carreras de trabajo de salida y retroceso. Más adelante se describen una gama variada de cilindros con sus correspondientes símbolos.

3.2.1.  Cilindros de simple efecto Un cilindro de simple efecto desarrolla un trabajo sólo en un sentido. El émbolo se hace retornar por medio de un resorte interno o por algún otro medio externo como cargas, movimientos mecánicos, etc. Puede ser de tipo “normalmente dentro” o “normalmente fuera”.

Figura 3.2.  Cilindro de simple efecto tipo “dentro”.

Los cilindros de simple efecto se utilizan para sujetar, marcar, expulsar, etc. Tienen un consumo de aire algo más bajo que un cilindro de doble efecto de igual tamaño. Sin embargo, hay una reducción de impulso debida a la fuerza contraria del resorte, así que puede ser necesario un diámetro interno algo más grande para conseguir una misma fuerza. También la adecuación del resorte tiene como consecuencia una longitud global más larga y una longitud de carrera limitada, debido a un espacio muerto.

88

3: Actuadores neumáticos

Figura 3.3.  Simbología normalizada. Cilindro de simple efecto.

La variedad constructiva de los cilindros de simple efecto es muy importante, pero todos ellos presentan la misma mecánica de trabajo. Se muestran a continuación algunos ejemplos de los mismos:

Figura 3.4.  Simple efecto “tradicional”, normalmente dentro.

Figura 3.5.  Simple efecto con guiado y camisa plana, normalmente fuera.

89

Neumática

Figura 3.6.  Compacto simple efecto(izq.). Micro cilindro simple efecto(der).

Figuras 3.4, 3.5, 3.6 y 3.7. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

Como se puede observar, los fabricantes ofertan soluciones para casi todas las necesidades que se puedan presentar en el diseño del automatismo neumático. Conviene repasar la gama genérica de actuadores de los principales fabricantes.

La simbología neumática no suele representar las características mecánicas de un componente sino tan sólo su principio de funcionamiento y por tanto su aplicación.

3.2.2.  Cilindros de doble efecto Los cilindros de doble efecto son aquellos que realizan tanto su carrera de avance como la de retroceso por acción del aire comprimido. Su denominación se debe a que emplean las dos caras del émbolo (aire en ambas cámaras), por lo que estos componentes sí que pueden realizar trabajo en ambos sentidos. Sus componentes internos son prácticamente iguales a los de simple efecto, con pequeñas variaciones en su construcción. Algunas de las más notables las encontramos en la culata anterior, que ahora ha de tener un orificio roscado para poder realizar la inyección de aire comprimido (en la disposición de simple efecto este orificio no suele prestarse a ser conexionado, siendo su función la comunicación con la atmósfera con el fin de que no se produzcan contrapresiones en el interior de la cámara). El perfil de las juntas dinámicas también variará debido a que se requiere la estanqueidad entre ambas cámaras, algo innecesario en la disposición de simple efecto.

90

3: Actuadores neumáticos

Figura 3.7.  Cilindro de doble efecto.

El campo de aplicación de los cilindros de doble efecto es mucho más extenso que el de los de simple, incluso cuando no es necesaria la realización de esfuerzo en ambos sentidos. Esto es debido a que, por norma general (en función del tipo de válvula empleada para el control), los cilindros de doble efecto siempre contienen aire en una de sus dos cámaras, por lo que se asegura el posicionamiento. El concepto queda más claro con un ejemplo:

Imaginemos que una carga se coloca en el extremo del vástago de un cilindro, el cual ha sido montado con una disposición vertical. Cuando el vástago del cilindro tenga que encontrarse en mínima posición podemos encontrarnos 2 casos:

■■ Cilindro de doble efecto: el vástago mantiene la mínima posición debido a que ésta se encuentra en ella debido a la presión introducida en la cámara. La carga se encuentra en posición correcta. La disposición escogida es satisfactoria. ■■ Cilindro de simple efecto: al no asegurar la posición mediante aire, el propio peso de la carga vencerá la fuerza del muelle de recuperación, por lo que el vástago será arrastrado a la máxima posición. La carga no se encuentra en posición correcta y se hace evidente la mala disposición escogida.

Selección de cilindros. Simple / Doble efecto.

91

Neumática

Para poder realizar un determinado movimiento (avance o retroceso) en un actuador de doble efecto, es preciso que entre las cámaras exista una diferencia de presión. Por norma general, cuando una de las cámaras recibe aire a presión, la otra está comunicada con la atmósfera, y viceversa. Este proceso de conmutación de aire entre cámaras nos ha de preocupar poco, puesto que es realizado automáticamente por la válvula de control asociada (disposiciones de 4 ó 5 vías con 2 ó 3 posiciones). En definitiva, podemos afirmar que los actuadores lineales de doble efecto son los componentes más habituales en el control neumático. Esto es debido a: ■■ Se tiene la posibilidad de realizar trabajo en ambos sentidos (carreras de avance y retroceso). ■■ No se pierde fuerza en el accionamiento debido a la inexistencia de muelle en oposición. ■■ Para una misma longitud de cilindro, la carrera en doble efecto es mayor que en disposición de simple, al no existir volumen de alojamiento. No debemos olvidar que estos actuadores consumen prácticamente el doble que los de simple efecto, al necesitar inyección de aire comprimido para producir tanto la carrera de avance como la de retroceso. También presentan un pequeño desfase entre fuerzas y velocidades en las carreras, aspecto que se detalla a continuación.

Desfase fuerza / velocidad En los actuadores lineales de doble efecto, se produce un desfase entre la fuerza provocada a la salida y a la entrada del vástago, y lo mismo ocurre con la velocidad. Este efecto se debe a la diferencia que hay entre los volúmenes de las cámaras formadas (en consecuencia, del volumen ocupado por el vástago del cilindro). Cuando aplicamos aire en la cámara que fuerza la salida del vástago, éste actúa sobre una superficie conocida, que denominamos A1. Es conocido que el valor de la fuerza provocada responde a la fórmula: F=P·A Así pues, para calcular el valor de la fuerza de salida, realizaríamos la siguiente operación:

F salida = P · A 1, resultando un valor F 1 Para el cálculo de la fuerza provocada en el retroceso, aplicaremos la misma fórmula y valor de presión, pero deberemos tener en cuenta que el área sobre la cual se aplica ya no es A1, sino A1 menos el área del vástago (ya que ésta no es efectiva). Nosotros la denominaremos A2.

92

3: Actuadores neumáticos

Figura 3.8.  Diferencia entre las secciones efectivas de un cilindro.

Con esto tenemos que:

F retorno = P · A 2, resultando un valor F 2 Como podemos deducir, a igualdad de valor de presión, y debido a la desigualdad de áreas, el valor de la fuerza de salida (F1) es mayor que el valor de la fuerza de retroceso (F2). Este mismo efecto es aplicable a la velocidad para el vástago, ya que si el volumen de la cámara de retorno es menor, para una igualdad de caudal le costará menos llenarse, y por ello la velocidad de retorno será mayor. En consecuencia podemos afirmar que en los actuadores de doble efecto, para igualdad de presión y caudal:  La velocidad de retorno es mayor que la de avance.  La fuerza provocada a la salida es mayor que la fuerza de retorno.

F salida > F retorno;

V retorno > V salida

Figura 3.9.  Cilindro de doble efecto convencional. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

93

Neumática

Un cilindro de doble efecto convencional presenta desfases de fuerza y velocidad. Este efecto puede ser corregido mecánicamente o bien por automatismo.

Los desfases comentados pueden corregirse fácilmente mediante la utilización de cilindros de doble vástago. Éstos disponen de vástago a ambos lados del émbolo, consiguiendo así igualdad entre las áreas de acción y volúmenes. Debido a ello se consigue igualdad de fuerzas y velocidades en las carreras (pérdida de fuerza y aumento de la velocidad para cilindros de igual tamaño).

3.2.3.  Cilindros de doble vástago Este tipo de cilindros tiene un vástago corrido hacia ambos lados. La guía del vástago es mejor, porque dispone de dos cojinetes y la distancia entre éstos permanece constante. Por eso, este cilindro puede absorber también cargas laterales pequeñas. Los emisores de señales, pueden disponerse en el lado libre del vástago.

Figura 3.10.  Cilindro compensado o de doble vástago.

La fuerza es igual en los dos sentidos (las superficies del émbolo son iguales), al igual que sucede con la velocidad de desplazamiento. Este tipo de cilindros recibe también la denominación de cilindro compensado y es importante recordar el equilibrio entre fuerzas y velocidad de lo que puede considerarse como “teóricos” avances y retornos de vástago.

Con el empleo de cilindros de doble vástago... Fuerza de avance = Fuerza de retorno Velocidad de avance = Velocidad de retorno

94

3: Actuadores neumáticos

Evidentemente, para cumplirse esta corrección de desfases los diámetros de los vástagos han de ser iguales.

Figura 3.11.  Cilindro de doble vástago o compensado. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A

Simbólicamente, los cilindros de doble efecto muestran su doble punto de conexión. En el caso de los doble vástago (efecto compensador), también se puede apreciar su mecánica doble efecto.

Figura 3.12.  Simbología normalizada.

3.2.4.  Amortiguación En los accionamientos neumáticos que son ejecutados a velocidades importantes y la masa trasladada es representativa, se producen impactos del émbolo contra la camisa que liberan gran cantidad de energía que tiende a dañar el cilindro. En estos casos, es evidente que la regulación de velocidad alargaría la vida del componente pero al mismo tiempo restaría eficacia al sistema. Como solución, se presentan los actuadores con amortiguación interna. Estos disponen e unos casquillos de amortiguación concebidos para ser alojados en las propias culatas del cilindro. Como particularidad, se observa que se dispone de forma integrada de unos pequeños reguladores de caudal de carácter unidireccional. Cuando el cilindro comienza a mover, el aire puede fluir por el interior del alojamiento de la culata y por el regulador. En estos momentos, la velocidad desarrollada es la nominal.

95

Neumática

Figura 3.13.  Cilindro con amortiguación en finales de carrera (detalle I).

Cuando el casquillo de recrecimiento entra en contacto con el alojamiento, se obtura el punto de fuga más importante y el poco aire que todavía queda en el interior del cilindro, se ve obligado a escapar a través del regulador de caudal. En consecuencia, se obtiene una regulación de velocidad en los últimos milímetros de carrera del cilindro.

Figura 3.14.  Cilindro con amortiguación en finales de carrera (detalle II).

La obturación, genera una contrapresión en la cámara opuesta, originándose de este modo la regulación de velocidad.

Cuando se invierte el movimiento, el aire puede circular a través del interior del alojamiento del casquillo y también por el antirretorno, lo cual hace que el sistema tenga función unidireccional.

96

3: Actuadores neumáticos

Figura 3.15.  Cilindro con amortiguación en finales de carrera (detalle III).

Los amortiguadores neumáticos no son propios de los cilindros clásicos sino de prácticamente la totalidad de actuadores. De este modo encontramos unidades convencionales, unidades de doble vástago, unidades sin vástago e incluso actuadores de giro limitado que incorporan el recurso en sus mecánicas. Como ejemplo para la representación simbólica, tenemos...

Figura 3.16.  Simbología normalizada (ejemplos).

Los límites para el empleo de las amortiguaciones neumáticas vienen establecidos por gráficas y fabricante, haciendo referencia a la velocidad máxima de desplazamiento y la carga trasladada. Una curva delimitará con total claridad los límites de funcionamiento para este tipo de amortiguaciones. En caso de no ser suficientes, se requerirá la colocación de amortiguadores hidráulicos exteriores (también en caso de limitar la carrera del cilindro mecánicamente).

97

Neumática

Figura 3.17.  Ejemplo de gráfico (amortiguación neumática).

Existen fórmulas para el cálculo de las velocidades máximas de los actuadores pero desde aquí siempre se recomienda el empleo de las tablas de fabricante, ya que las mismas hacen referencia a las series de actuadores específicas y no a las generalidades de la formulación.

3.2.5.  Sistemas antigiro Uno de los principales problemas que plantean los cilindros de émbolo convencionales es el movimiento de giro que puede sufrir el vástago sobre sí mismo, ya que tanto el émbolo como el vástago, habitualmente son de sección circular al igual que la camisa, y por ello ningún elemento evita la rotación del conjunto pistón. En determinadas aplicaciones, esto puede tener efectos negativos y se hace necesaria la incorporación de actuadores o elementos exteriores que realicen un efecto antigiro. Existen múltiples posibilidades, de las cuales detallamos las más extendidas. ■■ Sistemas de sección no circular (embolo – camisa o vástago – casquillo). ■■ Sistemas de guía (simple o doble). ■■ Sistemas de vástagos paralelos.

3.2.5.1.  Sección no circular Una de las primeras soluciones adoptadas, fue sustituir la clásica sección del vástago (circular) por otros perfiles que no permitan el giro sobre sí mismo. Algunos de estos perfiles fueron los cuadrados, ovales, etc., pero presentaban el problema de una difícil mecanización (y por ello precio un excesivo del componente), además de presentar un grado de estanqueidad bastante bajo, ya que el perfil de las juntas dinámicas y estáticas no es el más adecuado.

98

3: Actuadores neumáticos

Figura 3.18.  Secciones de vástago para funciones antigiro.

Otra solución corresponde al trabajo mediante secciones de vástago circulares (y en consecuencia del casquillo guía) pero marcando la función antigiro sobre el perfil interior de la camisa del cilindro (y en consecuencia del émbolo).

Figura 3.19.  Sistema antigiro de vástago oval. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

Sistemas de guía Las unidades de guiado son elementos mecánicos exteriores que aseguran la función de guiado del vástago al mismo tiempo que protegen al vástago de las fuerzas de giro y flexión exteriores. Se fabrican en acero y se acoplan sobre la culata anterior de los cilindros normalizados. En su interior se encuentran unos cojinetes de bronce sintetizado por los cuales se deslizan las varillas de guiado (en ocasiones pueden ser rodamientos lineales, los cuales aportan una mayor fiabilidad, reducen el rozamiento pero incrementan el coste de la unidad).

Figura 3.20.  Unidad de guiado para cilindros (doble guía). Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

99

Neumática

Figura 3.21.  Sistema de guiado integrado (simple guía). Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

Una de las ventajas adicionales que presentan los sistemas de guía es la posibilidad de limitar la carrera de un cilindro de forma rápida, sencilla y sin intervención sobre el mismo. Esta limitación suele ser muy frecuente ya que rara vez coincidirá la carrera deseada en el diseño con las ofertadas comercialmente. Esta limitación de carrera se ejecuta mediante un disco colocado directamente sobre la guía (golpeando antes de la ejecución completa de la carrera). Se pueden colocar amortiguadores hidráulicos sobre el bloque si el fabricante lo ha previsto.

Figura 3.22.  Ejemplo limitación de carrera.

100

3: Actuadores neumáticos

3.2.5.2.  Sistemas guiados y sistemas de vástago paralelo Como ya se ha indicado, algunos actuadores incorporan ya unas guías que le proporcionan función antigiro. En estos actuadores se dispone de un solo émbolo y vástago efectivos; los restantes vástagos tienen función exclusiva de antigiro, no siendo solidarios a ningún émbolo, y desplazándose exclusivamente por arrastre (no tienen contacto con la presión de alimentación). Estos actuadores no deben confundirse con los denominados de vástago paralelo. En éstos también se dispone de 2 vástagos pero la diferencia se encuentra en que cada uno de ellos dispone de su propio émbolo. Este tipo de actuadores tiene función antigiro, y presentan mayor prestación en cuanto a la absorción de cargas exteriores, si bien, la principal ventaja de estos actuadores es que al disponer de un doble émbolo, desarrollan el doble de fuerza que uno convencional de igual tamaño.

Figura 3.23.  Vástagos paralelos (función antigiro). Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A

Existen más sistemas que aportan a los actuadores funciones antigiro, pero quizá los tres expuestos anteriormente constituyen los más representativos. Seguiremos analizando otras unidades.

3.2.6.  Cilindros tándem Está constituido por dos cilindros de doble efecto que forma una unidad. Gracias a esta disposición, al aplicar simultáneamente presión sobre los dos émbolos se obtiene en el vástago una fuerza de casi el doble de la de un cilindro normal para el mismo diámetro.

Figura 3.24.  Cilindro tándem. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A

101

Neumática

Se utiliza cuando se necesitan fuerzas considerables y se dispone de un espacio relativamente pequeño, no siendo posible utilizar cilindros de diámetros mayores. Sin ser unidades excesivamente comunes, vale la pena conocerlas ya que en ocasiones pueden resultar de interés para la resolución de problemas muy concretos.

3.2.7.  Cilindros multiposicionales Los cilindros multiposicionales son una buena opción el aquellos casos en los que se requiera alcanzar 3 ó 4 posiciones diferentes y no se requiera una variabilidad frecuente de las mismas. Son no obstante, unidades sencillas ya que tan solo se componen de 2 unidades convencionales unidas por el extremo de los vástagos o bien por las culatas (mediante placa adaptadora comercial). Para 4 posiciones, se requiere que la carrera de las 2 unidades sean diferentes.

Figura 3.25.  Pieza de acople para la formación de un multiposicional. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A

Analizaremos un ejemplo de posibilidades de ejecución de carrera con un par de cilindros convencionales de carreras 100 y 200 mm. Las posiciones totales a conseguir son 4...

102

3: Actuadores neumáticos

Figura 3.26.  Montaje multiposicional.

3.2.8.  Cilindros de vástago hueco Algunos actuadores neumáticos presentan la ventaja de tener el vástago o eje hueco, lo que los hace ideales para el trabajo con aplicación de la técnica de vacío, o bien, para pasar cables eléctricos si fuera necesario.

Figura 3.27.  Cilindro de vástago hueco.

La aplicación de este tipo de actuadores permite y facilita el conexionado de elementos, ya que no será necesario el guiado de tubos para vacío o cableado eléctrico desde los puntos de generación de energía hasta los consumidores (ventosas, electroimanes, etc.), sino que pueden pasar a través del hueco que encontramos en el vástago, consiguiendo así una instalación más simple y por tanto más económica.

103

Neumática

En la siguiente figura comprobaremos una de las aplicaciones típicas para este tipo de cilindros, y las ventajas que representa frente a la aplicación de actuadores convencionales:

Figura 3.28.  Aplicación de vacío (mediante vástago hueco).

3.2.9.  Unidades de bloqueo Las unidades de bloqueo no pueden considerarse en sí actuadores, sino como elementos auxiliares de éstos. No obstante, son uno de los componentes de mayor aplicación en la actualidad, ya que aportan una solución eficaz y económica a uno de los principales problemas que plantea el trabajo con actuadores neumáticos: el posicionamiento intermedio de los mismos. En los circuitos neumáticos y electroneumáticos, uno de los principales problemas siempre ha sido el posicionamiento de los vástagos de los cilindros con cierta precisión en posiciones intermedias entre finales de carrera. Uno de los métodos tradicionales para conseguir estos accionamientos, ha sido el empleo de válvulas de tres posiciones (centro abierto o cerrado). Estos métodos presentaban el gran inconveniente de no asegurar el posicionamiento, sobre todo si existían cargas exteriores acopladas o sobre los vástagos. Todo es debido a la compresión de aire que se da en el interior de las cámaras, ya que trabajamos con fluidos compresibles. Por supuesto, los centros abiertos no son de utilidad cuando se requiere un control de la posición y existen este tipo de cargas.

En el apartado correspondiente a válvulas direccionales se estudiará con mayor detenimiento el control de cilindros tanto en un “todo o nada” como en el posicionado de los mismos.

104

3: Actuadores neumáticos

Otro de los grandes inconvenientes venía dado por las grandes aceleraciones sufridas por los vástagos cuando se producían las conmutaciones, ya que la diferencia de presión era notable. Este problema se soluciona aplicando controles mediante 2 válvulas de 3 vías y 2 posiciones, en vez de las 5 vías y las 2 ó 3 posiciones tradicionales. Por todos estos motivos se hace necesario el desarrollo de nuevos componentes ideados para este tipo de movimientos, y es cuando aparecen las unidades de retención. Éstas consiguen el posicionamiento mediante un frenado mecánico del vástago (bloqueo), asegurando el mismo por efecto de fricción en ambas direcciones.

Estructura interna Las unidades de bloqueo están compuestas principalmente por un cuerpo exterior de aluminio, el cual se acopla mecánicamente a la culata anterior de los cilindros normalizados. Generalmente, en el interior de este cuerpo se aloja una excéntrica con una palanca de actuación y un pistón. El pistón se desplaza axialmente por la fuerza de un muelle o de la presión aplicada, desplazando en su recorrido la palanca aplicada a la excéntrica. Cuando la palanca es desplazada por el pistón, hace rotar el cuerpo unos grados determinados, produciéndose así la sujeción del vástago del cilindro (zona de ferodo). El vástago atraviesa la unidad de retención. La liberación del vástago puede producirse por una nueva inyección de aire comprimido, o bien por la eliminación de éste sobre la línea piloto o de actuación (dependiendo de si la unidad de retención trabaja como elemento monoestable o biestable). Estas unidades siempre son capaces de desarrollar mayores fuerzas de sujeción que las desarrolladas por las cargas aplicadas sobre el cilindro. Si se utiliza una disposición de simple efecto, también aseguramos el bloqueo del vástago en caso de una caída repentina de la presión, por lo cual estos elementos pueden formar parte de los sistemas de seguridad. Estas unidades de retención no disponen de una simbología normalizada, pero los fabricantes se las van asignando, siendo bastante usual encontrarnos algunas como:

Figura 3.29.  Simbología para unidades de bloqueo.

A continuación se muestra un esquema clásico en aplicaciones neumáticas dotadas con actuadores que dispongan de sistema de bloqueo. El esquema puede sufrir ciertas variaciones en función del tipo de carga que se este controlando (cargas verticales en tracción o compresión).

105

Neumática

Figura 3.30.  Ejemplo de aplicación (I).

Figura 3.31.  Ejemplo de aplicación (II).

En la figura se observa un sistema que trabaja con presurizado en ambas cámaras (condición de reposo del sistema). En esta circunstancia deberá forzarse el bloqueo del sistema (ausencia de aire) para evitar movimientos no deseados debido a las diferentes secciones presentadas por el cilindro. En otras ocasiones, la inversión en las vías y el empleo de reductores de presión pueden solventar el problema.

En la utilización de sistemas con bloqueo siempre ha de ser notablemente mayor este que la carga a retener (tan solo entonces el sistema será estable).

106

3: Actuadores neumáticos

3.2.10.  Cilindros de fuelle Los cilindros de fuelle o de lóbulos, están constituidos por dos tapas de cierre que actúan a modo de culata unida entre sí por medio de una membrana elástica (fabricada de material elastómero, como el neopreno). Su disposición es siempre de simple efecto, deformándose la membrana axialmente ante la aplicación de aire comprimido y recuperándose por acción de la gravedad o de fuerzas externas (previa liberación del aire comprimido de la cámara de expansión). Presentan numerosas ventajas, como son: ■■ Son de larga duración y están exentos de mantenimiento, al no existir piezas internas (trabajo por expansión de lóbulos). ■■ No se producen rozamientos en la maniobra. ■■ Tienen una instalación simple y por tanto, económica. ■■ Buena relación de volumen ocupado entre compresión - expansión (son fabricados con 1, 2 ó 3 lóbulos). ■■ Buena absorción de cargas radiales en los extremos. Pueden ser utilizados como amortiguadores debido a la facilidad con la que pueden absorber las vibraciones.

Figura 3.32.  Cilindro de fuelle (3 lóbulos).

Hay que tener en cuenta que, al no disponer de vástago ni de guías, el cilindro es incapaz por sí solo de alinearse, por lo que hay que instalarlos en alojamientos guiados si se pretende que el movimiento sea perfectamente axial.

Figura 3.33.  Otros actuadores en base a elastómeros. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

107

Neumática

3.3.  Actuadores de giro Los actuadores rotativos son los encargados de transformar la energía neumática en energía mecánica de rotación. Dependiendo de si el móvil de giro tiene un ángulo limitado o no, se forman los dos grandes grupos a analizar: ■■ Actuadores de giro limitado, que son aquellos que proporcionan movimiento de giro pero no llegan a producir una revolución (exceptuando alguna mecánica particular como por ejemplo piñón – cremallera). Existen disposiciones de simple y doble efecto para ángulos de giro de 90º, 180º..., hasta un valor máximo de unos 300º (aproximadamente). ■■ Motores neumáticos, que son aquellos que proporcionan un movimiento rotatorio constante. Se caracterizan por proporcionar un elevado número de revoluciones por minuto. A continuación se explican detalladamente los 3 principales actuadores de giro que podemos encontrar en el mercado, los cuales representan a motores y actuadores de giro limitado.

3.3.1.  Actuador de paleta El actuador de giro de tipo paleta quizá sea el más representativo dentro del grupo que forman los actuadores de giro limitado. Estos actuadores realizan un movimiento de giro que rara vez supera los 270º, incorporando unos topes mecánicos que permiten la regulación de este giro. Están compuestos por una carcasa, en cuyo interior se encuentra una paleta que delimita las dos cámaras. Solidario a esta paleta, se encuentra el eje, que atraviesa la carcasa exterior. Es precisamente en este eje donde obtenemos el trabajo, en este caso en forma de movimiento angular limitado. Tal y como podemos apreciar en la figura, el funcionamiento es similar al de los actuadores lineales de doble efecto. Al aplicar aire comprimido a una de sus cámaras, la paleta tiende a girar sobre el eje, siempre y cuando exista diferencia de presión con respecto a la cámara contraria (generalmente comunicada con la atmósfera). Si la posición es inversa, se consigue un movimiento de giro en sentido contrario.

Para realizar este control utilizaremos válvulas de 4 ó 5 vías y 2 posiciones para todo o nada (accionamiento hasta el tope). Si se requiere de posiciones intermedias será necesario la utilización de válvulas de 3 posiciones.

108

3: Actuadores neumáticos

Figura 3.34.  Trabajo de un actuador de paleta (giro limitado).

Estos componentes presentan ventajas propias de los componentes de última generación, tal y como amortiguación en final de recorrido, posibilidad de detección magnética de la posición (mecánica o magnética), etc. La detección mecánica se ejecuta mediante elementos móviles exteriores ajustables en grado mediante nonio graduado.

109

Neumática

Figura 3.35.  Actuador de paleta. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

Este tipo de actuadores ha de recuperar siempre la posición (ejecución de retorno), por lo cual no son aptos para el marcado de pasos regulares a no ser que el fabricante incorpore una rueda libre (consiguiéndose un avance regular de pasos apto para un número importante de aplicaciones).

Figura 3.36.  Piñón libre para acoplamiento sobre giro limitado. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

110

3: Actuadores neumáticos

Este tipo de piñones o ruedas libres son comercializadas por los propios fabricantes para el acople directo con sus productos y se presentan en versiones de giro a izquierdas o a derechas (para cubrir las necesidades del automatismo).

3.3.2.  Actuador piñón - cremallera En esta ejecución de cilindro de doble efecto, el vástago es una cremallera que acciona un piñón y transforma el movimiento lineal en un movimiento giratorio, hacia la izquierda o hacia la derecha, según el sentido del émbolo. Los ángulos de giro corrientes pueden ser de 45º, 90º, 180º y 290º. Es posible determinar el margen de giro dentro del margen total por medio de un tornillo de ajuste que ajusta la carrera del vástago.

Figura 3.37.  Actuador piñón – cremallera.

El par de giro está en función de la presión, de la superficie del émbolo y de la desmultiplicación. Los accionamientos de giro se emplean para voltear piezas, doblar tubos metálicos, regular acondicionadores de aire, accionar válvulas de cierre, válvulas de tapa, etc. Existen actuadores piñón – cremallera de doble cremallera, los cuales proporcionan mayor par y mejor guiado de la unidad.

111

Neumática

Figura 3.38.  Aspecto físico de un piñón – cremallera. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A

3.3.3.  Motores de paletas Como ya hemos comentado anteriormente, los motores neumáticos son los encargados de la transformación de la energía neumática en energía mecánica (movimiento rotatorio constante). Dentro de la variada gama de motores neumáticos, los más representativos son los del tipo “de paletas”, también conocidos como “de aletas”. Debido a su construcción sencilla y peso reducido, su aplicación se ha extendido bastante en los últimos años. Su constitución interna es similar a la de los compresores de paletas, es decir, un rotor ranurado, en el cual se alojan una serie de paletas, que gira excéntricamente en el interior del estator. En estas ranuras se deslizan hacia el exterior las paletas o aletas por acción de la fuerza centrífuga cuando se aplica una corriente de aire a presión.

Figura 3.39.  Detalle de funcionamiento y rotor de un motor de paletas.

En estos actuadores no tiene sentido la clasificación de simple o doble efecto, si bien, dependiendo de la construcción de estas paletas el motor podrá girar en uno o dos sentidos. Los motores de paletas son fabricados para potencias entre 0,1 y 20 CV. El número de revoluciones en vacío oscila entre 1000 y 5000 r.p.m., siendo frecuentemente utilizados en herramientas portátiles neumáticas (como taladradoras, esmeriladoras, etc.).

112

3: Actuadores neumáticos

Figura 3.40.  Simbología normalizada.

113

Neumática

3.4.  Mecánica de un cilindro El cilindro de émbolo se compone de: tubo, tapa posterior (fondo) y tapa anterior con cojinete y aro rascador, además de piezas de unión y juntas. Cuando el cilindro ha de realizar trabajos pesados, el tubo (camisa del cilindro 1), se fabrica en la mayoría de los casos de tubo de acero embutido sin costura (St. 35). Para prolongar la duración de las juntas, la superficie interior del tubo debe someterse a un mecanizado de precisión (bruñido). Hoy en día, donde la mayoría de las aplicaciones requieren esfuerzos débiles, se suelen construir en aluminio. Estas ejecuciones especiales se emplean cuando los cilindros no se accionan con frecuencia o para protegerlos de influencias corrosivas. También para la captación de finales de carrera magnéticamente.

Figura 3.41.  Camisa.

La camisa marca dos parámetros fundamentales del cilindro. ■■ Por un lado, su diámetro interno marcará la sección que presenta el cilindro y por tanto, para una presión dada nos indicará la fuerza que este es capaz de realizar. Evidentemente, a mayor diámetro, mayor fuerza y consumo. ■■ Por otro lado, la longitud del tubo delimita lo que se conoce como carrera del cilindro, o longitud útil para el trabajo con el mismo. Tanto diámetros como carreras se encuentran normalizados. Para las tapas posterior fondo (2) y anterior (3) se emplea preferentemente material de fundición (aluminio o acero en función del resto de materiales del cilindro). La fijación de ambas tapas en el tubo puede realizarse mediante tirantes, roscas o bridas.

Figura 3.42.  Detalle de la culata posterior.

114

3: Actuadores neumáticos

Figura 3.43.  Detalle de la culata anterior.

El vástago se fabrica preferentemente de acero bonificado. Este acero contiene un determinado porcentaje de cromo que lo protege de la corrosión. A deseo, el émbolo se puede someter a un tratamiento de temple. Su superficie se comprime en un proceso de rodado entre discos planos. En algunas ocasiones, sobre la simbología de los actuadores los fabricantes indican mediante una serie de símbolos tratamientos específicos aplicados a los vástagos. La profundidad de asperezas del vástago es de 1 µm. En general, las roscas se laminan al objeto de prevenir el riesgo de roturas. En cilindros hidráulicos debe emplearse un vástago cromado (con cromo duro) o templado.

Figura 3.44.  Sección de un cilindro.

Figura 3.45.  Vástago de un cilindro.

El vástago acopla mecánicamente con el émbolo del cilindro, cerrando la unión mediante tuerca y juntas estáticas (para el sellado).

115

Neumática

Sobre el émbolo se montaran las juntas dinámicas y el imán (si es un cilindro preparado para captación magnética de la posición).

Figura 3.46.  Detalle del conjunto pistón.

Observe las diferentes secciones presentadas por el émbolo para la ejecución de las carreras de avance y retorno. Debido a las mismas, los cilindros de doble efecto presentan desfases de fuerza y velocidad.

Para hermetizar el vástago, se monta en la tapa anterior un collarín obturador (5). De la guía de vástago se hace cargo un casquillo del cojinete (6), que puede ser de bronce sinterizado o un casquillo metálico con revestimiento de plástico. Delante del casquillo del cojinete, se encuentra un aro rascador (7). Este impide que entren partículas de polvo y suciedad en el interior del cilindro. Generalmente, es una alternativa eficaz al uso de fuelles externos de tela. El aro rascador no pertenece a los elementos estanqueizantes ya que únicamente tiene la misión de rozar con el vástago. La estanqueidad es un cilindro neumático dependerá del material y diseño de las juntas, teniendo en cuenta que ningún componente neumático presenta una estanqueidad absoluta.

116

3: Actuadores neumáticos

Figura 3.47.  * Detalle de rascador, casquillo guía, obturador y tórica de cierre.

* La lectura respectivamente de izquierda a derecha. El junta dinámica (8), hermetiza las cámaras del cilindro para un óptimo rendimiento. Las juntas tóricas o anillos toroidales (9), se emplean para la obturación estática, porque deben pretensarse, y esto causa pérdidas elevadas por fricción en aplicaciones dinámicas.

Figura 3.48.  Detalle de cilindro (doble efecto I).

117

Neumática

Figura 3.49.  Detalle de cilindro (doble efecto II).

118

3: Actuadores neumáticos

3.5.  Cálculos de cilindros Analizaremos brevemente los principales aspectos a tener en cuenta a la hora de calcular un cilindro. No obstante, lo más recomendable es acudir siempre a los datos aportados por el fabricante donde se nos mostraran tablas para los esfuerzos desarrollados, máximas longitudes de flexión y pandeo, etc.

3.5.1.  Fuerza del émbolo La fuerza ejercida por un elemento de trabajo depende principalmente de la presión del aire, del diámetro del cilindro y del rozamiento de las juntas. La fuerza teórica del émbolo se calcula con la siguiente fórmula: F teórica = P · A Donde: Ft

Fuerza teórica del vástago en kgf

P

Presión relativa en kg / cm2

A

Superficie del émbolo en cm2

En la práctica, es necesario conocer la fuerza real que ejercen los actuadores. Para determinarla, también hay que tener en cuenta los rozamientos. En condiciones normales de servicio (presiones de 400 a 800 kPa. / 4 a 8 bar) se puede suponer que las fuerzas de rozamiento representan de un 3 a un 20% de la fuerza calculada.

3.5.2.  Longitud de carrera La longitud de carrera en cilindros neumáticos no debe exceder de 2000 mm. Con émbolos de gran tamaño y carrera larga, el sistema neumático no resulta económico por el elevado consumo de aire y precio de los actuadores. Cuando la carrera es muy larga, el esfuerzo mecánico del vástago y de los cojinetes de guía, es demasiado grande. Para evitar el riesgo de pandeo, si las carreras son grandes, deben adoptarse vástagos de diámetro superior a lo normal. Además, al prolongar la carrera, la distancia entre cojinetes aumenta y, con ello, mejora la guía del vástago. Otra solución la aportan los cilindros de vástago guiado, mucho más resistentes a los esfuerzos mecánicos.

3.5.3.  Velocidad del émbolo La velocidad del émbolo, en cilindros neumáticos depende de la fuerza antagonista, de la presión del aire, de la longitud de la tubería, de la sección entre los elementos de mando y trabajo y del caudal que circula por el elemento de mando. Además, influye en la velocidad la amortiguación de final de carrera. Cuando el émbolo abandona la zona de amortiguación, el aire entra por una válvula antirretorno y de estrangulación y produce un aumento de la velocidad.

119

Neumática

La velocidad media del émbolo, en cilindros estándar, está comprendida entre 0,1 y 1,5 m/s. Con cilindros especiales (cilindros de impacto) se alcanzan velocidades de hasta 10 m/s. La velocidad del émbolo puede regularse con válvulas especiales. Las válvulas de estrangulación, las antirretorno y de estrangulación, y las de escape rápido, proporcionan velocidades mayores o menores, dependiendo de su regulación.

3.5.4.  Consumo de aire Para disponer de aire y conocer el gasto de energía, es importante conocer el consumo de la instalación, cálculo que comenzará por los actuadores (potencia). Para una presión de trabajo, un diámetro y una carrera de émbolo determinados, el consumo de aire se calcula como sigue: La formula de cálculo por embolada, resulta:

Q = 2 (S × n × q) Con ayuda de tablas, se puede establecer los datos del consumo de aire de una manera más sencilla y rápida. Los valores están expresados por cm de carrera para los diámetros más corrientes de cilindros y para presiones de 100 a 1500 kPa. (1-15 bar). Donde:

120

Q

Caudal nominal ( Nl / min)

n

Carreras por minuto

S

Carrera en cm.

q

Consumo por carrera.

3: Actuadores neumáticos

Ø Cilindro 6

0,0016

0,0022

0,0027

0,0033

0,0038

0,0044

12

0,007

0,009

0,011

0,013

0,015

0,018

16

0,011

0,016

0,020

0,024

0,028

0,032

25

0,029

0,038

0,048

0,057

0,067

0,076

35

0,056

0,075

0,093

0,112

0,131

0,149

40

0,073

0,097

0,122

0,146

0,171

0,195

50

0,115

0,153

0,191

0,229

0,267

0,305

70

0,225

0,299

0,374

0,448

0,523

0,597

100

0,459

0,610

0,736

0,915

1,067

1,219

140

0,899

1,197

1,495

1,793

2,091

2,389

200

1,835

2,443

3,052

3,660

4,268

4,876

250

2,867

3,817

4,768

5,718

6,668

7,619

Figura 3.50.  Ejemplo de tabla para el calculo de caudales.

3.5.5.  Fijaciones El tipo de fijación es importante ya que el cilindro puede ir equipado de los accesorios de montaje necesarios. De lo contrario, como dichos accesorios se construyen según el sistema de piezas estandarizadas, también más tarde puede efectuarse la transformación de un tipo de fijación a otro. Este sistema de montaje facilita el almacenamiento en empresas que utilizan a menudo el aire comprimido, puesto que basta combinar el cilindro básico con las correspondientes piezas de fijación. La principal ventaja que ofrecen los sistemas de fijación no fijos, es que un mismo cilindro puede colocarse en una máquina de distintas formas según el tipo de fijación. Algunos ejemplos de fijaciones clásicas corresponden a...

121

Neumática

Fijación por pies. Simple o doble (1 ó 2 culatas).

Fijación por brida. Generalmente delantera.

Fijación oscilante. Aplicaciones con movimiento. A medio cilindro.

Fijación por caballete. Aplicaciones con movimiento. Fijación posterior.

122

3: Actuadores neumáticos

RESUMEN ■

El trabajo realizado por un actuador neumático puede ser lineal o rotativo. Algunos de ellos no encajan puramente con el movimiento descrito o bien ejecutan ambos, pasando al grupo de los actuadores especiales o combinados.

■

Los actuadores lineales, independientemente de su forma constructiva, pueden ser de simple o de doble efecto. Presentan símbolos normalizados con independencia de sus dimensiones y mecánica (tan sólo en algunas ocasiones se representan simbólicamente las mismas).

■

Los cilindros de simple efecto pueden realizar trabajo solamente en una de sus carreras. La recuperación será ejecutada por resorte (el cual es diseñado tan solo para la recuperación) o bien por carga externa (habitualmente la propia gravedad en casos de elevación) o bien otros órganos móviles de máquina.

■

Los cilindros de doble efecto pueden realizar trabajo en cualquiera de sus carreras. Se debe tener en cuenta que las unidades clásicas presentan desfases de fuerza y velocidad debido a sus diferentes secciones.

■

Existen actuadores para el cumplimiento de funciones especiales, como son los cilindros con amortiguación en finales de carrera, de doble vástago, tándem, etc. La gama es extremadamente amplia y por tanto aquí tan solo se ha tratado una mínima parte de los mismos.

■

Los actuadores de giro se clasifican en actuadores de giro limitado y motores neumáticos. Son menos empleados en aplicaciones neumáticas pero no por ello menos importantes.

123

4 UNIDAD DIDÁCTICA

4

Neumática

4.  Válvulas 1

4: Válvulas 1

ÍNDICE OBJETIVOS................................................................................................................................................................ 129 INTRODUCCIÓN....................................................................................................................................................... 130 4.1.  ¿Qué es una válvula direccional?....................................................................................................................... 131 4.1.1.  Nomenclatura. Vías y posiciones............................................................................................................................ 131 4.1.2.  Mecánica de las válvulas...................................................................................................................................... 137 4.1.3.  Métodos de accionamiento................................................................................................................................... 138 4.1.4.  Concepto de mono/biestable................................................................................................................................ 142 4.2.  Cuerpos principales............................................................................................................................................ 146 4.2.1.  Cuerpo 2/2........................................................................................................................................................ 146 4.2.2.  Mecánica de una 2/2.......................................................................................................................................... 148 4.2.3.  Cuerpo 3/2........................................................................................................................................................ 148 4.2.4.  Cuerpo 4/2 y 5/2............................................................................................................................................... 150 4.2.5.  3 posiciones....................................................................................................................................................... 153 4.3.  Transformación de válvulas................................................................................................................................ 155 4.3.1.  Transformación 3/2 – 2/2.................................................................................................................................... 155 4.3.2.  Caso especial. Inversión de 3/2............................................................................................................................ 156 4.3.3.  Transformaciones desde 5/2................................................................................................................................. 159 4.4.  Montaje de las válvulas...................................................................................................................................... 164 4.4.1.  Conexión directa................................................................................................................................................. 164 4.4.2.  Bloques de válvulas............................................................................................................................................. 165 4.4.3.  Placas base........................................................................................................................................................ 166 4.5.  Cálculo de válvulas............................................................................................................................................. 168

RESUMEN................................................................................................................................................................... 171

127

4: Válvulas 1

OBJETIVOS ■ ■

Conocer la clasificación de válvulas direccionales, prestando especial atención a su función y utilidad dentro de los circuitos neumáticos. Conocer los conceptos de vía y posición para una válvula direccional, elementos base para comprender la simbología neumática (tanto a nivel de generación como de interpretación de esquemas neumáticos).

■ ■

Conocer las diferentes mecánicas que pueden emplear las válvulas direccionales, indicando sus principales ventajas e inconvenientes así como alguna peculiaridad constructiva. Conocer los diferentes mandos aplicables a las válvulas direccionales, lo cual permitirá conocer la versatilidad que presenta la neumática de cara a la solución de diferentes problemas de automatismo.

■ ■ ■

Conocer las transformaciones aplicables a las válvulas direccionales con objeto de reducir los stocks en almacén (conceptos básicos para una gestión eficaz de los repuestos). Conocer las técnicas de montaje más usuales dentro de la neumática (en referencia a válvulas de potencia). Conocer los principios básicos de dimensionado de las válvulas neumáticas.

129

Neumática

INTRODUCCIÓN

En todos los circuitos neumáticos existen elementos que generan y acondicionan el aire a presión, la fuente de energía. También hay elementos que transforman esta energía neumática en movimiento a través de los órganos de trabajo, como son los diversos tipos de actuadores. Sin embargo, una instalación neumática no sirve de mucho si no cuenta con una serie de elementos que proporcionan el control sobre el funcionamiento de los órganos de trabajo, ya sean lineales, rotativos o pinzas neumáticas. Estos elementos, denominados “válvulas”, realizan las funciones de control y mando en un circuito neumático (puesta en marcha, paro, retroceso, avance rápido, etc.).

130

Para tener una visión amplia y completa de una de las válvulas es conveniente estudiarlas desde el punto de vista tecnológico y funcional. El presente capítulo va a dedicarse tan solo al estudio de las válvulas distribuidoras, prescindiendo de las de bloqueo, flujo y presión, las cuales serán analizadas en la siguiente unidad. En esta unidad se realiza un estudio general de las válvulas y se presentan algunas de las más utilizadas, junto con sus características de construcción, funcionamiento interno, accionamiento, colocación, y otros detalles que pueden ser importantes a la hora de montar una instalación neumática.

4: Válvulas 1

4.1.  ¿Qué es una válvula direccional? Dentro de la neumática, existen diferentes familias de válvulas como son las distribuidoras, de bloque, de presión, etc. En este capitulo, nos centraremos tan solo en las válvulas distribuidoras (casi se puede decir que la corresponde a la familia más importante). Las válvulas distribuidoras son de modo genérico, las encargadas de permitir o no permitir el paso de aire comprimido o bien distribuirlo (entre sus diferentes aplicaciones). Por tanto, se entiende que las válvulas distribuidoras son las encargadas del control de los actuadores neumáticos. Según sea la naturaleza de estos, se precisará de dos o tres posiciones y el número de vías será variable. Comenzaremos el estudio de este tipo de válvulas centrándonos en su función, con independencia del mando asociado a las mismas (el cual puede ser del todo variado como por ejemplo, manual, pilotado, eléctrico, combinado, etc.).

4.1.1.  Nomenclatura. Vías y posiciones Como es lógico pensar, a la hora de representar gráficamente una serie de componentes neumáticos, no lo haremos mediante la sección interna de éstos, debido a que sería extremadamente complejo y lento. Por ello, para representar estos componentes deberemos utilizar una serie de símbolos claros y sencillos que nos permitan interpretar o expresar el funcionamiento de una instalación neumática. Los símbolos identifican la función de los componentes, nunca su constitución interna. Para interpretar satisfactoriamente la simbología asociada a las válvulas neumáticas, será imprescindible que conozcamos dos conceptos: vías y posiciones.

Concepto de posición Como posición de una válvula, se entenderá cada uno de los posibles estados en los que se pueda encontrar. El concepto es bastante sencillo. Imagínese un pulsador eléctrico cualquiera. Conocemos que el pulsador se puede encontrar en posición de reposo (cuando no está pulsado), o bien en posición activa (cuando realizamos la pulsación). Pues bien, si el concepto de “posición” fuese aplicable a este componente eléctrico, determinaríamos que tiene 2 posiciones: posición activa y no activa.

Figura 4.1.  Concepto de posición.

131

Neumática

En neumática pueden presentarse válvulas de dos, tres e incluso más posiciones. Las más frecuentes corresponden a las de dos posiciones, reservándose las tres posiciones para el control de motores o aplicaciones específicas. Las válvulas de más de tres posiciones, son poco frecuentes dentro de las aplicaciones neumáticas.

Mediante simbología neumática, cada una de las posiciones se representa mediante un cuadrado. Como es lógico, las válvulas neumáticas tienen al menos 2 posiciones. Como ejemplo podemos pensar en un grifo que puede permitir o no el paso del agua, por lo tanto tiene dos posiciones. Si hemos de representar gráficamente las posiciones de este grifo, deberíamos representar 2 cuadrados (uno para cada posición) de forma yuxtapuesta.

Figura 4.2.  Representación esquemática de las posiciones de una válvula.

Las válvulas neumáticas tienen habitualmente 2 posiciones, si bien podemos encontrar un mayor número de estas (3, 4, etc.). Este tipo de válvulas son de aplicación limitada en la técnica neumática, siendo más frecuente en otras técnicas como la hidráulica (en aplicaciones hidráulicas, existen las válvulas de dos posiciones pero las predominantes son las de tres, ya que es frecuente buscar posiciones intermedias o efectos concretos sobre la presión del sistema). En el interior de estos cuadrados (posiciones) se ha de representar el funcionamiento interno o comportamiento. Para ello se utilizan una serie de indicadores gráficos como son flechas, cierres, etc. Ahora se hace imprescindible conocer el segundo enunciado, el concepto de “vías”.

Concepto de vías Las válvulas disponen en su exterior de una serie de orificios, cada uno de ellos de aplicación específica (alimentación, aplicación, escape, etc.). En estos orificios es donde se realiza la conexión del tubo neumático. La forma en que estos orificios se comunican entre sí, varía dependiendo de la posición en la que se encuentra la válvula. Para comprender mejor este aspecto, veremos un ejemplo sobre un grifo para el control de un fluido. Un grifo tenía dos posiciones (abierto y cerrado). Es conocido por todos nosotros que un grifo dispone de dos orificios exteriores (alimentación de la red y salida de usuario).

132

4: Válvulas 1

Cuando el grifo está cerrado (1ª posición) el agua de la red está retenida y no puede circular a través de él. Cuando lo abramos, el agua de la red pasará y llegará al orificio de usuario (salida o aplicación de la válvula). Se observan dos posiciones y dos vías.

Figura 4.3.  Concepto de vía y posición.

Cuando nos encontramos en una posición inicial (válvula cerrada), el orificio P (red) no está comunicado con A (usuario). Cuando activemos el grifo la posición cambiará y la relación entre las 2 vías también. Ahora P sí entra en comunicación directa con A, por lo que el agua fluye libremente y se obtiene una salida de ésta. Si deseáramos representar esquemáticamente el funcionamiento de este grifo, deberíamos tener en cuenta los siguientes indicadores: ■■ Mediante líneas se representan las conexiones entre vías. Estas líneas, tendrán una o incluso las dos puntas en forma de flecha, indicando el sentido de circulación.

Figura 4.4.  Válvula en posición de comunicación. Unidireccional o bidireccional.

■■ Si en un momento dado se ha de representar un cierre (no conexión entre vías), se realizara mediante una línea perpendicular a las mismas.

Figura 4.5.  Válvula en posición de cierre.

133

Neumática

■■ Si existiese una conexión interna entre vías se representaría mediante un punto (unión neumática). Este aspecto será importante cuando se traten válvulas más importantes jerárquicamente (como las 4/3 ó 5/3).

Figura 4.6.  Posición de cierre P. A y B despresurizados.

■■ Las citadas vías (conexiones exteriores), son sencillamente orificios roscados sobre los cuales posicionaremos los racores (elementos que permiten el conexionado del tubo neumático). Estos orificios se representan mediante líneas salientes del cuerpo de la válvula, y se han de representar exclusivamente sobre una de las posiciones de la válvula (reposo o inicio).

POSICIÓN DE REPOSO. Es aquélla que adopta la válvula por acción de mecanismos de reposición (como, por ejemplo, un muelle) cuando la válvula se encuentra no accionada.

POSICIÓN INICIAL. Es aquélla que adoptan las válvulas en el montaje de las mismas (bien sea por acciones mecánicas o porque han sido definidas por el instalador).

134

4: Válvulas 1

Figura 4.7.  Concepto. Posición de reposo o posición inicial.

Conocidos ya los indicadores gráficos para la representación de las vías, y volviendo al ejemplo del grifo, su representación debería ser…

Figura 4.8.  Representación de una válvula 2/2.

Podemos observar que en la posición inicial (cerrado, tal y como habíamos determinado) el orificio P (red de agua) no entra en comunicación con A, por lo que el agua no puede circular. Si la posición cambia, entonces P entra en comunicación con A, obteniéndose así una circulación de fluido. Tenemos que destacar que la flecha de conexión determina siempre circulación de P hacia A, o sea, de la red a la salida de usuario (no sería lógico lo contrario). Al mismo tiempo, las vías a conexionar han sido marcadas exclusivamente en una posición, concretamente la inicial.

Denominación de vías Para el marcado de las vías, existe normativa la cual corresponde a la expresada en la siguiente tabla. Denominación

DIN / ISO

CETOP

Alimentación

P

1

Aplicaciones

A, B

4, 2

Escapes

R, S

5, 3

Pilotajes

Z, Y

14, 12 Figura 4.9.  Denominación de vías.

135

Neumática

Los orificios o vías que encontramos en las válvulas neumáticas tienen una denominación que se específica dependiendo de las funciones que tienen. Éstas principalmente pueden ser de tipo: □□ Alimentación Es el orificio por el cual se ha de alimentar a la válvula. Esta alimentación suele proceder de la red neumática aunque en otras ocasiones puede corresponder a otras zonas del circuito, como si por ejemplo se alimenta en serie varios componentes. □□ Aplicaciones Son los conductos de trabajo que ofrecen las válvulas neumáticas, o en otras palabras, los orificios de los que obtendremos el aire comprimido que podremos utilizar para realizar la alimentación a otras válvulas, forzar conmutaciones en componentes o realizar el llenado de las cámaras de los actuadores, dependiendo de su posición en el ciclo. No disponen de símbolos gráficos, pero sí han de ser identificados mediante números o letras. □□ Escapes Son los orificios por donde expulsaremos el aire comprimido hacia la atmósfera, una vez que éste haya realizado su función. Se pueden representar gráficamente mediante un triángulo solapado a la base de la válvula (si ésta no dispone de la posibilidad de colocar racor), o bien conexionado a ésta (si dispone de él).

Figura 4.10.  Representación esquemática de los puntos de escape.

□□ Pilotajes neumáticos Son los orificios encargados de realizar la conmutación de posiciones en otras válvulas. Estos orificios serán tratados con mayor profundidad en las siguientes páginas porque son elementos clave en las técnicas de mando neumáticas. La representación gráfica se realiza mediante flechas, las cuales apuntan hacia el cuerpo de la válvula en caso de tratarse de pilotaje positivo (inyección de aire comprimido), o hacia el exterior si el piloto es negativo (creado por depresión, vacío). Con el fin de evitar costosos errores en el montaje de instalaciones neumáticas, cada uno de estos orificios se identifica mediante números o letras, según la norma.

136

4: Válvulas 1

Figura 4.11.  Pilotajes de una válvula neumática.

4.1.2.  Mecánica de las válvulas Las válvulas direccionales, pueden ser construidas bajo diferentes mecánicas las cuales les aportan unas propiedades particulares. Genéricamente encontramos válvulas de asiento, de corredera y bajo estas sus diferentes variantes. El siguiente gráfico muestra una visión general de las mecánicas empleadas.

Figura 4.12.  Mecánica de las válvulas distribuidoras.

De modo genérico, se determina que las válvulas de corredera son más económicas que las de asiento, pero menos estancas. Dentro de los asientos se presentan diferentes mecánicas para conseguir el cierre, pero todos ellos presentan buenas características de estanqueidad. De igual modo, las correderas pueden precisar juntas para esta función (en cuerpo o corredera) o bien realizar cierre metal / metal. La ajustada tolerancia de mecanización dispara el coste de estas últimas.

Por lo general, y salvo estrictos requisitos de estanqueidad, las aplicaciones neumáticas suelen trabajar con válvulas direccionales de corredera con juntas (indistintamente sobre cuerpo o corredera).

En la figura, puede observarse en alojamiento practicado sobre la corredera con objeto de la inserción de las juntas tóricas para estanqueizar el sistema.

137

Neumática

Figura 4.13.  Detalle de una corredera de válvula direccional.

4.1.3.  Métodos de accionamiento Como accionamiento de las válvulas neumáticas, entendemos toda fuerza aplicada sobre los mecanismos de control que tiene por objeto la conmutación de las posiciones de la válvula. Los accionamientos tradicionalmente se han clasificado en los siguientes grupos: ■■ Válvulas de accionamiento muscular. ■■ Válvulas de accionamiento mecánico. ■■ Válvulas de accionamiento neumático. ■■ Válvulas de accionamiento eléctrico. ■■ Válvulas de accionamiento combinado. En las siguientes páginas, se desarrolla con mayor profundidad cada grupo.

Accionamiento muscular Las válvulas de accionamiento muscular son aquéllas que conmutan su posición ante la acción de fuerzas exteriores de origen muscular. Ejemplos claros son los pulsadores, palancas neumáticas, etc. Cada uno de estos accionamientos queda identificado por su correspondiente símbolo gráfico, el cual habitualmente queda posicionado en el lateral izquierdo de la válvula.

Figura 4.14.  Diferentes mandos manuales. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

138

4: Válvulas 1

Figura 4.15.  Válvula 2/2 accionamiento manual con enclavamiento. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

Se debe destacar, que el mando es independiente de la función de la válvula. Esto supone que un pulsador puede corresponder a una válvula 2/2, 3/2, 5/2, etc. Muchos fabricantes ofertan cuerpos de válvula donde se podrán colocar una serie de accesorios de conmutación (mandos). Suelen coincidir con la serie estándar de accionamientos en diámetro 22 mm.

Figura 4.16.  Accionamientos variables para la serie 22 mm.

139

Neumática

Accionamiento mecánico Los accionamientos mecánicos están concebidos para que sean los vástagos de los cilindros o bien los órganos móviles de máquinas, quienes realicen la conmutación de posición de las válvulas neumáticas.

Figura 4.17.  Accionamientos mecánicos.

Dentro de los accionamientos mecánicos existe un gran número de mecanismos, como pueden ser las levas, sondas, etc., pero los más importantes son los de rodillo (conocidos como finales de carrera). Éstos son los encargados generalmente de captar la posición de los vástagos de los cilindros neumáticos, y es por ello por lo que se consideran elementos clave en los automatismos neumáticos secuenciales. Existen unos finales de carrera (tipo rodillo), llamados escamoteables, que se utilizan principalmente para la resolución de circuitos automáticos secuenciales, ya que, debido a su especial construcción, son capaces de eliminar señales permanentes (enviando al circuito pulsos de aire comprimido). Este tipo de final de carrera y su montaje, se analizará con mayor detenimiento a lo largo de la asignatura. Simbólicamente estos finales de carrera se representan de la siguiente manera.

Figura 4.18.  Accionamientos mecánicos. Final de carrera convencional y escamoteable.

140

4: Válvulas 1

Figura 4.19.  Final de carrera, convencional y escamoteble. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

Accionamiento neumático Otro de los métodos para conseguir la conmutación de posición de las válvulas neumáticas, es la utilización de aire con diverso valor de presión. Si la conmutación se realiza mediante la inyección de aire con presión superior a la atmosférica, el mando recibe el nombre de positivo. Si por el contrario, la conmutación se realiza por aire cuyo valor de presión es inferior a la atmosférica (vacío, depresión), el mando recibe el nombre de negativo. En ambos casos, estos orificios para conmutación reciben el nombre de pilotajes. De lo expuesto anteriormente se deduce que existen válvulas de piloto positivo y negativo. Otro tipo de válvulas, también de accionamiento neumático, son las conocidas como válvulas de piloto diferencial. En estas válvulas (siempre doble piloto), una de las posiciones es preferente, debido a que existe una mayor sección y por ello se crea una mayor fuerza de conmutación (aun cuando exista señal en el piloto contrario). Este tipo de válvula se emplea cuando se trabaja a presión de mando constante.

Figura 4.20.  Detalle. Corredera diferencial.

Simbólicamente, ha de representarse un recrecimiento sobre la superficie diferencial. Dependiendo del tipo de válvula se establecerá un prioridad al SET o RESET (cuerpos 2/2 y 3/2) o bien a la distribución A ó B (cuerpos 5/2).

141

Neumática

En la siguiente figura se muestran diferentes prioridades y su correspondiente simbología.

Figura 4.21.  Diferentes prioridades mediante piloto diferencial.

Accionamiento eléctrico En este caso, las posiciones de las válvulas son conmutadas por acción de un efecto de electromagnetismo, creado al atravesar la corriente eléctrica una bobina dispuesta a tal efecto. Estas válvulas, conocidas con el nombre genérico de electroválvulas, se estudiarán con mayor detenimiento en Electroneumática.

Figura 4.22.  Representación de simple y doble accionamiento por bobina.

Accionamiento combinado Éste es el nombre que reciben las válvulas que, al menos, agrupan 2 técnicas de mando. Un ejemplo claro lo encontramos en las electroválvulas, las cuales suelen trabajar por acción indirecta o servopiloto, es decir, válvulas compuestas de un cuerpo principal y otro auxiliar.

Figura 4.23.  Representación de simple y doble accionamiento por servopiloto (acción indirecta).

Este tipo de válvulas, también serán desarrolladas con mayor profundidad en Electroneumática.

4.1.4.  Concepto de mono/biestable Uno de los conceptos más importantes a la hora de realizar el análisis de las válvulas neumáticas es determinar si son de tipo monoestable o biestable.

142

4: Válvulas 1

Elemento monoestable Como válvulas monoestables (o elementos monoestables en general), entenderemos todas aquéllas que tienen definida una posición de reposo, marcada por diversos mecanismos (siendo los más comunes los muelles de recuperación). Cuando nos encontramos con un elemento de tipo monoestable, éste se encuentra en un determinado estado (posición de reposo). Al aplicar una fuerza de accionamiento, el elemento conmutará, siendo ahora efectiva su segunda posición (una vez vencida la fuerza de oposición). Si el accionamiento perdura, la conmutación es estable, pero si éste cesa, los mecanismos de reposición devolverán la válvula a su posición estable. Este concepto es aplicable a cualquier válvula, independientemente del tipo de fuerza utilizada para provocar la conmutación (musculares, neumáticas, eléctricas, etc.).

Accionamiento de carácter monoestable. La siguiente simbología nos muestra una válvula de 3 vías y 2 posiciones, accionada por pulsador y con retorno de muelle (monoestable). La válvula es normalmente cerrada y no permite el paso del aire comprimido en condición de reposo.

Válvula monoestable. 3/2 NC. El número de vías queda definido por el número de orificios que presente la válvula, en este caso 3, identificados con las letras P, A y R. Recuerde que los orificios se deben contar exclusivamente en una posición. El número de posiciones es 2, ya que se han representado dos cuadros yuxtapuestos. Se hace la denominación de normalmente cerrada, puesto que el aire que introducimos por el orificio de alimentación no podrá pasar, al encontrarse P en posición de cierre. En cuanto el accionamiento, la simbología representa un pulsador y un muelle, el cual ejerce una fuerza que marca la condición de reposo. FUNCIONAMIENTO: En condiciones de reposo el aire comprimido es introducido por el orificio de alimentación de la válvula (P), el cual se encuentra en posición de cierre. Mientras tanto, la aplicación (A) está comunicada directamente con el orificio de escape (R). Al realizar una acción muscular sobre el pulsador, se producirá la conmutación de posición de la válvula, puesto que se vence la fuerza del muelle. En estos momentos, el escape (R) acaba de quedar en bloqueo y los orificios P y A se comunican directamente, por lo que se obtiene una emisión de aire comprimido en la válvula.

143

Neumática

Esta emisión se mantendrá mientras no cese la acción sobre el pulsador. Si ésta desaparece, el muelle se recupera, forzando la posición de reposo de la válvula (se pierde emisión en aplicación). Este proceso lo podemos observar en el siguiente gráfico:

Accionamiento y recuperación de una válvula 3/2 NC. Se puede comprobar gráficamente que cuando se actúa sobre la válvula, se ejecuta una compresión de muelle el cual devolverá la válvula a su posición estable en cuanto el esfuerzo desaparezca.

Elemento biestable Los elementos biestables son aquellos que no tienen definida una posición de reposo, es decir, que se pueden encontrar en cualquiera de sus posiciones. Elementos clásicos biestables son, por ejemplo, las válvulas de doble piloto neumático, electroválvulas de doble bobina, etc. Este tipo de válvulas se caracteriza por mantener la posición adquirida aún cuando no se tiene la presencia de la señal que ha forzado la misma. Este estado (posición) sólo se perderá cuando se active la señal contraria (por norma general y salvo construcciones especiales, no puede existir coincidencia de señales de conmutación en el mismo instante, ya que la válvula entraría en condición de bloqueo). Veamos todo esto con un ejemplo:

La siguiente simbología nos muestra una válvula de 5 vías y 2 posiciones, accionada mediante doble piloto neumático (biestable). Este tipo de válvulas se conoce con el nombre de distribuidoras, no pudiéndose definir como normalmente cerrada o abierta, ya que siempre se obtiene una salida en aplicación (bien sea A o B).

Figura 4.24.  Válvula 5/2 biestable.

Al igual que en el ejemplo anterior, el número de posiciones y vías queda definido por el conteo de cuadros yuxtapuestos y el número de orificios, contándolos exclusivamente en una de las casillas (posiciones).

144

4: Válvulas 1

Los orificios corresponden a las denominaciones P (alimentación), A y B (aplicaciones) y R, S (escapes asociados a cada una de las aplicaciones). El accionamiento se realiza mediante una doble inyección de aire comprimido (doble piloto positivo). FUNCIONAMIENTO: Definimos una condición de inicio para la válvula, en la cual el orificio P comunica directamente con la aplicación B, donde se obtiene emisión de aire, mientras tanto, la aplicación A comunica con el escape R, y S se encuentra en cierre. Para que la válvula se encuentre en esta posición, es necesario que la última señal recibida en los pilotos de la válvula haya sido por el pilotaje denominado como Y. Para que la válvula mantenga esta posición no es necesario que la señal sobre el piloto Y permanezca, ya que tiene un carácter biestable. Cuando se desee conmutar la posición de la válvula, aplicaremos aire comprimido sobre el orificio de pilotaje contrario. Para que la comunicación sea efectiva, será necesario que haya desaparecido la señal sobre Y, porque de otra manera entraríamos en bloqueo. Si la conmutación es efectiva, en estos momentos P (alimentación), comunicará con la aplicación A. La otra aplicación comunica con su correspondiente escape. Esta posición permanecerá aunque desaparezca la señal sobre el pilotaje, manteniendo la posición debido a su carácter biestable. Lo podemos observar en el siguiente gráfico:

Figura 4.25.  Accionamiento de una 5/2 biestable.

145

Neumática

4.2.  Cuerpos principales Ahora que ya conocemos un poco más sobre las válvulas encargadas del control de actuadores, realizaremos un estudio para los cuerpos más representativos de las mismas (2/2, 3/2, 4/2 ,5/2 y 5/3). Se prestará atención al cuerpo y no al mando, analizando con mayor profundidad algunos aspectos como si el cuerpo trabaja mediante corredera o asiento (principalmente en 2 y 3 vías). Comenzamos con el cuerpo básico 2/2.

4.2.1.  Cuerpo 2/2 Las válvulas de vías de disposición 2/2 no pueden considerarse como distribuidoras, ya que tan sólo permiten o interrumpen el paso del aire comprimido desde el punto de alimentación al de aplicación o viceversa. Lógicamente, estas válvulas sólo disponen de 2 posiciones, una abierta y la otra cerrada. Hay que prestar especial atención a que las denominaciones son inversas a las utilizadas en automatismos eléctricos (en caso de que estas sean de carácter monoestable): ■■ Si una válvula no permite el paso de aire comprimido, se dice que está en posición normalmente cerrada (NC). ■■ Si, por el contrario, sí que permite su paso, se dice que la válvula se encuentra en posición normalmente abierta (NA).

Si una válvula 2/2 es carácter monoestable, deberá ser definida como normalmente abierta o cerrada, en función de que esta permita o no el paso de aire en condiciones de reposo.

La utilización de válvulas de 2 vías, y 2 posiciones es poco frecuente dentro de los circuitos neumáticos de mando, ya que al no disponer de orificio de escape, no permiten la liberación del aire dejando los circuitos presurizados. Es por este motivo por el cual se emplean preferentemente como llaves de paso en las tuberías de distribución (apertura /cierre) o aislamiento de tramos (presentando simbología clásica de fontanería).

146

4: Válvulas 1

Figura 4.26.  Llave de paso (izq.). Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A. Representación simbólica de llave de paso (der.).

No obstante, y debido precisamente a la inexistencia de este orificio de escape, pueden ser utilizadas como elementos de mando de los circuitos neumáticos en puntos específicos, en especial en aquellas aplicaciones donde se requiera la obtención de posiciones intermedias con aire presurizado en cámaras. Estos elementos no se presentan como válvulas individuales, sino que forman parte del mismo racor de conexión del actuador. Reciben el nombre de racores de bloqueo. Estos racores permiten cortar voluntariamente la circulación de aire si en un momento determinado cae la señal de pilotaje (también llamada señal de autorización). La señal de autorización puede proceder de los elementos auxiliares de mando o incluso del aire de las aplicaciones (si el deseo era mantener un bloqueo estanco).

Figura 4.27.  Ejemplo de aplicación de racores de bloqueo.

147

Neumática

4.2.2.  Mecánica de una 2/2 Una válvula 2/2 puede presentarse en mecánica de corredera o bien de asiento (está última corresponde a la opción preferente). Con independencia de la misma, la función consistirá en abrir o cerrar el paso de aire comprimido (recordar que una válvula 2/2 carece de escape).

Las válvulas pueden presentar una mecánica de corredera o asiento. Principalmente la mayor diferencia la constituye la estanqueidad que esta presenta.

Figura 4.28.  Válvula 2/2 NC, mecánica de asiento plano.

4.2.3.  Cuerpo 3/2 Las válvulas de 3 vías y 2 posiciones son unas de las más utilizadas dentro del mando neumático. La función principal de este tipo de válvulas es doble: ■■ Por un lado son las válvulas empleadas como órganos de potencia para el control de actuadores de simple efecto (independientemente del método de accionamiento, construcción interna o disposición NC o NA). ■■ Por otro lado, es la disposición más usual para los elementos de entrada de señales (emisores de información), como pueden ser los pulsadores neumáticos, palancas, finales de carrera, temporizadores, etc. Para comprender mejor el funcionamiento de estas válvulas se muestra a continuación la sección de una válvula monoestable de 3 vías y 2 posiciones, accionamiento manual en general y recuperación por resorte interno:

148

4: Válvulas 1

Figura 4.29.  Válvula 3/2 NC de accionamiento manual. Asiento plano.

La válvula mostrada en la figura es del tipo normalmente cerrada, por lo que cuando no se realiza ninguna acción sobre el accionamiento, el orificio de aplicación A está comunicado permanentemente con el orificio de escape R, mientras que el orificio de alimentación P permanece en cierre. Cuando se activa sobre el accionamiento, un émbolo interno se desplaza, se apoya sobre el asiento y vence la fuerza del muelle de recuperación. La posición de la válvula conmuta y en estos momentos el orificio P (alimentación) comunica directamente con la aplicación, mientras que el orificio de escape R permanece en cierre. Ahora la válvula permite el paso del aire comprimido.

Figura 4.30.  Secuencia de accionamiento de una 3/2.

Conocemos que la disposición 3/2 puede darse para diversas construcciones internas y métodos de accionamiento. Por ejemplo, se encuentran disponibles en el mercado válvulas de 3 vías y 2 posiciones con una distribución biestable de accionamiento manual, cuya construcción interna es de corredera longitudinal (se suelen colocar a la salida de las unidades de mantenimiento para el control de abastecimiento de aire).

149

Neumática

Figura 4.31.  Válvula 3/2 (montaje clásico sobre unidad de mantenimiento). Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

La incorporación de pilotos neumáticos a este tipo de válvulas, permite la realización de accionamientos indirectos de control neumático, tal y como nos muestra el siguiente esquema:

Figura 4.32.  Control indirecto de un cilindro de simple efecto.

Como podemos observar en el esquema, los elementos 1.2 y 1.3 corresponden a válvulas de 3 vías y 2 posiciones, las cuales actúan como emisores de señal. Sin embargo el elemento 1.1 (idéntica disposición) actúa como elemento de control para el cilindro de simple efecto.

4.2.4.  Cuerpo 4/2 y 5/2 Las válvulas de 4 ó 5 vías y 2 posiciones son los elementos utilizados por excelencia para el control de cilindros de doble efecto. Su función es la de direccionar el aire introducido por el orificio de alimentación hacia una de sus 2 aplicaciones, dependiendo de la posición en que se encuentre.

150

4: Válvulas 1

Mientras el aire se dirige desde la alimentación hacia una de las aplicaciones, la otra ha de comunicar directamente con la atmósfera. La diferencia entre la disposición de 4 vías y de 5 vías se encuentra en el modo de realizar la expulsión de aire hacia la atmósfera. ■■ La válvula 4/2 dispone de un orificio de escape común para ambas aplicaciones, es decir, tanto el aire que se fuga de A como el de B, lo hace a través del orificio de escape R. ■■ La válvula 5/2 dispone de escapes independientes para cada una de las aplicaciones. El aire de la aplicación A se fugará a través del escape asociado (R), mientras que el de la aplicación B lo hará por el contrario (S).

Figura 4.33.  Mecánica de una válvula 4/2.

Ambas válvulas presentan las mismas características en cuanto a accionamiento y función, si bien las disposiciones 4/2 son más complejas en cuanto al proceso de fabricación, y por ello menos económicas. Además se entiende que el doble escape permite otras funciones interesantes como son las regulaciones de velocidad independientes sobre los escapes.

Las válvulas 4/2 y 5/2, constituyen la mayoría de la potencia de los circuitos neumáticos donde se trabaje con actuadores de doble efecto. Son por tanto, válvulas imprescindibles dentro de los automatismos neumáticos o electroneumáticos.

151

Neumática

Figura 4.34.  Válvula 5/2 doble piloto neumático. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

Simbólicamente, las válvulas de 4 y 5 vías (preferentemente en dos posiciones), quedan representadas por...

Figura 4.35.  Representación simbólica de válvulas 4/2 y 5/2.

Figura 4.36.  Válvula 5/2 accionamiento manual.

152

4: Válvulas 1

Las válvulas 5/2 constituyen la base de la potencia neumática. Debe observarse que cuando una de las aplicaciones con la alimentación, la contraria se encuentra en descarga. Este se ejecuta a través de escapes diferenciados R y S.

Algunas aplicaciones típicas corresponden a...

Figura 4.37.  Control directo de cilindros de doble efecto.

4.2.5.  3 posiciones Las válvulas neumáticas suelen presentar dos posiciones debido a las características todo – nada del accionamiento, pero en ocasiones pueden precisarse más posiciones (como ejemplo: control de motores neumáticos de doble sentido de giro, posicionado de actuadores, etc.). En este tipo de válvulas, se puede trabajar con accionamientos manuales (donde se introduce el concepto de válvula triestable, si sus tres posiciones son estables), o bien monoestables (tan sólo la posición central es estable). También se dan actuaciones neumáticas y eléctricas. Lo más representativo de este tipo de válvulas corresponde a su posición central. En aplicaciones neumáticas los centros comunes corresponden al cierre de todas las aplicaciones y a la comunicación de las aplicaciones con la atmósfera o bien con la presión. Esquemáticamente, las válvulas presentar los siguientes símbolos...

153

Neumática

Figura 4.38.  Símbolos de válvulas 5/3. Diferencias entre centros.

Identifica posibles aplicaciones que se te ocurran para cada una de las válvulas de 3 posiciones mostradas en la figura anterior.

154

4: Válvulas 1

4.3.  Transformación de válvulas Uno de los conceptos importantes dentro de las aplicaciones neumáticas cuando se esa trabajando con válvulas, es conocer que un cuerpo de válvula se puede transformar en todos sus anteriores, consiguiéndose de este modo minimizar el número de repuestos necesarios en almacén. Evidentemente, el mando de la válvula ha de coincidir en todos los casos. Se entiende por tanto, que una válvula 3/2 puede ser transformada en una 2/2. Una válvula 4/2 en 3/2 y 2/2 (si es de carácter monoestable se puede realizar la transformación tanto de abiertas como cerradas), y lo propio sucede con las válvulas 5/2, con las que se puede conseguir funciones de 4, 3 y 2 vías (NC – NA). Comenzaremos con una transformación sencilla.

4.3.1.  Transformación 3/2 – 2/2 Se parte de la base de que las válvulas 3/2 y 2/2 son prácticamente similares, ya que su función es establecer o cortar el paso de aire comprimido. De echo, la única diferencia es que cuando se trabaja con válvulas 3/2 se permiten las despresurizaciones de la aplicación, cosa que no sucede con una 2/2. Se puede entender, que la transformación será algo tan sencillo como el taponado del escape (este ha de ser conexionable). Para ello emplearemos cualquier tipo de cierre.

Figura 4.39.  Transformación de una 3/2 en 2/2 (ejemplo 3/2 NC – 2/2 NC).

En este tipo de transformación, la válvula seguirá siendo alimentada por P y empleada por A. Esto hace que la transformación sea perfectamente válida y que no se den problemas de cara al accionamiento (aspecto que puede suceder si intentamos alimentar a la válvula por un punto no previsto para ello). Este efecto suele aparecer en el trabajo con válvulas de asiento.

155

Neumática

Veremos un ejemplo...

Se desea realizar una transformación de válvula 3/2 NC (única existente en stock) en una 2/2 NA. Aparentemente resulta tan sencillo como invertir la alimentación de la válvula (ahora por punto R) y taponar el escape (entendido ahora como P).

Es evidente, que la operación realizada daría un buen resultado a nivel simbólico, pero no se puede aventurar hasta que no se analice la mecánica. Se entiende que la válvula puede presentar fuga (este no será el caso de las válvulas 2/2 al ser el punto P bloqueado, pero ha de tenerse en cuenta para otras transformaciones). Si el fabricante ha considerado mecánicamente la posibilidad de invertir puntos, lo indicará por simbología y se entiende que la aplicación será correcta.

4.3.2.  Caso especial. Inversión de 3/2 Se ha comprobado que una válvula 3/2 puede ser transformada sin mayor problema en una 2/2 (normalmente abierta o cerrada) con la única acción del bloqueo e inversión de los puntos R y P (según necesidad). Cabe destacar también que una 3/2 (por ejemplo NC), puede transformarse en una 3/2 NA invirtiendo los puntos de alimentación y escape. De este modo, tenemos...

Figura 4.40.  Inversión. De 3/2 NC a 3/2 NA.

156

4: Válvulas 1

Al igual que en casos anteriores, aparentemente por simbología la transformación es válida pero deberemos atender a la mecánica de la válvula. Si por ejemplo, se emplea una construcción mediante asiento, el aire introducido por R se conducirá sin mayor problema hacia la aplicación A pero levantará el asiento que tan sólo es retenido por un pequeño resorte y la válvula fugará notablemente por P (ahora considerado escape).

Figura 4.41.  Inversión de una 3/2 incorrecta por mecánica.

Si la válvula presenta una mecánica de corredera equilibrada (mismas secciones en ambas caras de la misma), la válvula se podrá invertir sin mayor problema. En estos casos, el fabricante lo indica mediante simbología bidireccional e incluso marca las vías según la función que se quiera ejecutar.

Figura 4.42.  Inversión correcta de una 3/2 (NC ó NA).

Partiendo de una 3/2 NC de corredera equilibrada...

Figura 4.43.  Válvula 3/2 NC base.

157

Neumática

Se puede invertir la función sin mayor problema...

Figura 4.44.  Válvula 3/2 NC invertida (3/2 NA).

Las fuerzas en la válvula están equilibradas y tan sólo las fuerzas adicionales aplicadas tienden a la conmutación. Puede existir una nueva denominación de orificios (estos se muestran tanto a nivel simbólico como a nivel de sección)...

Figura 4.45.  Simbología de válvula 3/2 multifunción (designación de vías).

Figura 4.46.  Efecto de corredera equilibrada. Posibilidad de inversión.

158

4: Válvulas 1

4.3.3.  Transformaciones desde 5/2 Desde una válvula 5/2, se pueden conseguir todos los cuerpos anteriores, es decir, 4/2, 3/2 y 2/2. Si la válvula presenta un accionamiento de carácter monoestable, se podrá además conseguir las funciones normalmente abiertas o cerradas para los cuerpos de 3 y 2 vías. Estas transformaciones corresponderán a unas sencillas operaciones de unión (para válvulas de 4 vías) o anulación (para válvulas de 3 y 2 vías) de los orificios R y S. Comenzaremos con una transformación poco frecuente pero perfectamente ejecutable como es el paso a 4 vías.

Transformación de 5/2 a 4/2 Este tipo de transformaciones es poco frecuente pero a veces resulta necesario como por ejemplo si se requiere que un único regulador de caudal controle idénticas velocidades de avance y retorno para un actuador. Partiendo de la base de que la única diferencia entre las 4 y 5 vías es el escape diferenciado o común, la operación resultará tan sencilla como la unión de ambos puntos. Simbólicamente...

Figura 4.47.  Transformación 5/2 en 4/2 (simbólicamente).

Figura 4.48.  Transformación 5/2 en 4/2 (nivel físico).

159

Neumática

Transformación 5/2 en 3/2 NC La transformación desde 5/2 a 3/2 resulta sencilla ya que tan sólo será necesario el taponado de una de las aplicaciones (dependerá de la función que se pretenda implementar – NC ó NA -). En el caso de transformaciones a válvulas 3/2 cerradas, se deberá taponar aquella aplicación por donde fluya el aire en condiciones de reposo. En nuestro ejemplo, es la aplicación B la que deberá taponarse.

Figura 4.49.  Transformación 5/2 en 3/2 NC (simbólicamente).

Figura 4.50.  Transformación 5/2 en 3/2 NC (nivel físico).

Transformación 5/2 en 3/2 NA En este caso bastará con taponar la aplicación contraria, permitiendo de este modo el paso de aire en condiciones de reposo y cortándolo en posición de conmutación.

Figura 4.51.  Transformación 5/2 en 3/2 NA (simbólicamente).

160

4: Válvulas 1

Figura 4.52.  Transformación 5/2 en 3/2 NA (nivel físico).

Como se puede observar, en condiciones de reposo el fluido es obtenido en punto de aplicación B (emisión y por tanto comportamiento como válvula abierta). Es cuando se acciona cuando cesa la emisión al ser A un bloqueo.

Transformación 5/2 en 2/2 (NC ó NA). Para la ejecución de las transformaciones a funciones de 2 vías, bastará con taponar el escape correspondiente a la vía empleada. Si por ejemplo hemos empleado la vía A (función 3/2 NC) eliminando la aplicación B, se entiende que no deberemos permitir que la aplicación A pueda despresurizar y por tanto bloquearemos R (su escape asociado). Trabajamos en este caso la válvula como 2/2 NC. Si por el contrario, empleamos la aplicación B, taponaremos S para no permitir su despresurización. Trabajamos en este caso la válvula como 2/2 NA.

161

Neumática

Figura 4.53.  Transformación de 5/2 a 2/2 NC.

Figura 4.54.  Transformación de 5/2 a 2/2 NA.

Como se puede comprobar, todas las transformaciones analizadas hasta el momento partiendo de la base 5/2, corresponden a taponados de determinadas vías pero jamás la inversión de conductos. Por este motivo, se entiende que son transformaciones limpias es decir, que son perfectamente ejecutables independientemente de la mecánica que emplee la válvula. Es por ello, un tema extremadamente interesante a la hora de poder ejecutar ciertas operaciones de mantenimiento.

162

4: Válvulas 1

A modo de resumen de transformaciones tenemos...

Figura 4.55.  Resumen de transformaciones con base 5/2.

Las transformaciones de 5/2 a 3/2 y 2/2 en versiones abiertas o cerradas, corresponden a operaciones donde no se invierte la función de las vías y por tanto son independientes de la mecánica que emplee la válvula.

163

Neumática

4.4.  Montaje de las válvulas 4.4.1.  Conexión directa El montaje mas empleado para las válvulas neumáticas corresponde a la denominada conexión directa. Esta no es más que la colocación directa de los racores de conexión sobre la propia válvula, la cual presenta orificio roscados para la colocación de los mismos. En este montaje no se requieren componentes adicionales (como placas base u otros), pero debe tenerse en cuenta lo voluminoso de la aplicación y el elevado número de conexiones P, R Y S a ejecutar. Este tipo de montajes (directo), es más propio de los emisores de señal como pulsadores, finales de carrera, etc. que de los distribuidores de potencia (aunque podemos encontrarlos sin mayor problema).

Figura 4.56.  Válvula 5/2 piloto – retorno muelle. Montaje directo.

En algunas ocasiones, este tipo de válvulas pueden montarse agrupadas sobre reglas de distribución, consiguiéndose así montajes más compactos. Se precisa entonces de componentes adicionales como la propia regla de distribución y tornillos huecos para el punto de presión.

Figura 4.57.  Regla de distribución y tornillo hueco. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

164

4: Válvulas 1

4.4.2.  Bloques de válvulas Cuando se trabaja con un número importante de válvulas de potencia (con independencia del número de vías y posiciones, accionamiento, etc), suele optarse por un montaje mediante bloque. Un bloque es una pieza (generalmente aluminio) que aporta presión y escapes comunes para las válvulas que se montan sobre la misma. De este modo, el montaje resulta extremadamente compacto, se reduce el racordaje y se simplifican las conexiones. Las salidas de las válvulas (y pilotajes si se dispone de ellos), se conectan mediante racordaje convencional.

Figura 4.58.  Bloque para 2 válvulas.

Los bloques se fabrican para albergar a un número de válvulas determinado. De este modo, si se precisan 2 válvulas de potencia se puede optar por un bloque como el representado en la figura siguiente. En caso de no coincidir con la oferta de fabricante, seleccionaremos un bloque con mayor número de puestos y bloquearemos los no empleados mediante placas ofertadas por el mismo fabricante.

Figura 4.59.  Placa ciega para la anulación de puestos en un bloque. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

Entre el bloque y la válvula, deben colocarse juntas de estanqueidad para asegurar el total sellado del sistema. En algunas ocasiones son juntas tóricas mientras que en otras, se trabaja con juntas que ejecutan el sellado de la alimentación y escapes simultáneamente.

165

Neumática

Los fabricantes suelen hacer coincidir las dimensiones de sus bloques con varias de las series de válvulas ofertadas por el mismo. No suele existir intercambiabilidad con otros fabricantes exceptuando placas acogidas a normas específicas (como por ejemplo placas base ISO 1, 2 y 3...).

4.4.3.  Placas base A diferencia de un bloque de válvulas, una placa base realiza de forma automática todo el conexionado neumático (es decir, P – A – B – R y S). De modo similar a los bloques, se establece una alimentación y escapes comunes para todos los puestos pero las aplicaciones son sacadas al lateral de la placa base. Esta configuración, permite cambios extremadamente rápidos ya que no es necesario tocar el conexionado neumático y en caso de fallo, bastará con la sustitución de la válvula.

Figura 4.60.  Placa base y válvula para montaje (ISO). Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

Las placas base pueden ser simples (1 puesto o válvula), o bien múltiples. En este caso se parecen a los bloques de válvulas ya mencionados a excepción de que las aplicaciones de las válvulas están integradas y no requieren el conexionado sobre el elemento. Del mismo modo que en los bloques, los fabricantes ofrecen una serie de puestos para su empleo. En caso de sobrar, deberemos emplear tapas ciegas. Otra opción corresponde a las placas base configurables, donde vamos ejecutando el montaje de tantos puestos como sea necesario mediante acople mecánico. Se requieren Kits de inicio y fin de la placa.

Figura 4.61.  Elemento de placa base múltiple ISO. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

166

4: Válvulas 1

Figura 4.62.  Kit de inicio / fin de una placa base múltiple ISO. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

Existen en el mercado gran cantidad de accesorios para estas placas como son reguladores de caudal integrados, reductores de presión, reductores de tamaño, etc. El montaje de los mismos es apilado sobre la placa base con técnicas más propias de la hidráulica que de la neumática.

167

Neumática

4.5.  Cálculo de válvulas Para la selección correcta de los distribuidores neumáticos, pueden emplearse los gráficos aportados por el fabricante (lo cual suele resultar cómodo, rápido y sencillo), o bien acudir a una serie de coeficientes que permitirán un cálculo matemático de los mismos (siempre más complejo). Los coeficientes corresponden a... ■■ Factor kv. Es un factor de referencia para el cálculo de distribuidores. Trabaja sin unidades y se dice que el kv es igual a 1 cuando un litro de agua circula por un elemento con una pérdida de carga o presión de 1 bar. ■■ Factor Kv. Idéntica definición al factor kv pero empleando como unidades las propias del Sistema Internacional, es decir, con caudales expresados en m3/s. ■■ Factor Cv. Idéntica definición al factor kv pero con unidades anglosajonas es decir, con caudales expresados en Galones y presiones en PSI. ■■ Factor f. Idéntica definición al factor Cv pero expresando en Galones Imperiales. ■■ Sección equivalente S (mm2). La sección equivalente S representa un conjunto de elementos que provocarían la misma restricción de caudal y pérdida de carga. Viene a expresar la facilidad con la que un fluido circula por un componente. ■■ Viene expresada en mm2. En nuestras aplicaciones, lo más común será el empleo de la sección equivalente prescindiendo de los otros coeficientes indicados que si bien resultan perfectamente válidos para el cálculo, difieren en que todos ellos hacen referencia al agua mientras que la sección equivalente lo hace al aire comprimido (aspecto por lo que resulta mucho más adecuado). La fórmula de cálculo para la sección equivalente corresponde a... Q = 22,2 · S · (P2 + 1,013) · ∆P ·

168

273 273 + θ

4: Válvulas 1

Donde: Q

Caudal nominal [ Nl/min ]

P2

Presión de utilización [ bar ]

q

Temperatura de fluido [ ºC ]

S

Sección equivalente [ mm2 ]

AP

Pérdida de presión [ bar ]

Figura 4.63.  Tabla de conversión.

169

4: Válvulas 1

RESUMEN ■ ■

Las válvulas de vías tienen como función establecer o cortar el paso de aire comprimido o bien distribuirlo entre las diferentes aplicaciones. Las válvulas de vías quedan definidas por el número de vías y por el número de posiciones. Como función de corte predominan las válvulas de 2 ó 3 vías y como función de distribución las de 4 ó 5 vías.

■

En cuanto a número de posiciones, se entiende que las válvulas de 2 posiciones son válvulas “todo o nada”, ideales para controles de carácter de avance / retorno o marcha / paro. Utilizar una tercera posición, implica mayor flexibilidad de mando permitiendo por regla general, los posicionados.

■

Las válvulas pueden clasificarse mecánicamente en asiento o corredera. Las primeras son más estancas y propias de accionamientos 2 y 3 vías. Las segundas corresponden por norma general a funciones de distribución (4 y 5 vías).

■ ■

Los diferentes cuerpos de válvulas pueden presentar diferentes mandos, los cuales pueden ser manuales, mecánicos, neumáticos, eléctricos, combinados, etc. Una válvula de vías puede transformarse en sus anteriores jerárquicamente. De este modo, una válvula de 5 vías podrá transformarse de 4, 3 ó 2 vías. Este aspecto es extremadamente importante a la hora de minimizar repuestos.

■

Los montajes de las válvulas pueden ser de lo más diverso, si bien los emisores de señal suelen presentar un conexionado directo y los distribuidores suelen ser instalados en bloques o placas base.

■

El cálculo del tamaño de los distribuidores resulta extremadamente sencillo gracias a las gráficas o datos aportados por el fabricante. Toda la información suministrada por este ha de ser estudiada con detalle.

171

5 UNIDAD DIDÁCTICA

5

Neumática

5.  Producción de aire comprimido

5: Válvulas 2

ÍNDICE OBJETIVOS................................................................................................................................................................ 177 INTRODUCCIÓN....................................................................................................................................................... 178 5.1.  Válvulas de bloqueo............................................................................................................................................ 179 5.1.1.  Válvulas antirretorno............................................................................................................................................. 179 5.1.2.  Válvulas selectoras............................................................................................................................................... 181 5.1.3.  Válvulas de simultaneidad..................................................................................................................................... 186 5.2.  Válvulas de flujo................................................................................................................................................... 193 5.2.1.  Reguladores bidireccionales.................................................................................................................................. 193 5.2.2.  Reguladores unidireccionales................................................................................................................................ 195 5.2.3.  Circuitos de regulación......................................................................................................................................... 196 5.2.4.  Escapes rápidos.................................................................................................................................................. 202 5.2.5. Temporizadores................................................................................................................................................... 204 5.3.  Ejemplos de aplicación....................................................................................................................................... 211 5.3.1.  Ejemplo 1.......................................................................................................................................................... 211 5.3.2.  Ejemplo 2.......................................................................................................................................................... 212 5.3.3.  Ejemplo 3.......................................................................................................................................................... 213 5.3.4.  Ejemplo 4.......................................................................................................................................................... 214 5.3.5.  Ejemplo 5.......................................................................................................................................................... 215 5.3.6.  Ejemplo 6.......................................................................................................................................................... 216 5.3.7.  Ejemplo 7.......................................................................................................................................................... 217 5.3.8.  Ejemplo 8.......................................................................................................................................................... 218 5.3.9.  Ejemplo 9.......................................................................................................................................................... 219 5.3.10.  Ejemplo 10...................................................................................................................................................... 220

RESUMEN................................................................................................................................................................... 221

175

5: Válvulas 2

OBJETIVOS ■ ■ ■ ■

Conocer el funcionamiento, simbología y aplicaciones de las válvulas antirretorno.

Conocer el funcionamiento, simbología y aplicaciones de las válvulas selectoras de circuito (se ampliará en el apartado 7. Lógica Neumática). Conocer el funcionamiento, simbología y aplicaciones de las válvulas de simultaneidad (se ampliará en el apartado 7. Lógica Neumática). Conocer el funcionamiento, simbología, aplicaciones y constitución interna de los temporizadores neumáticos. Serán analizados los dos tipos base, es decir, temporizadores de retardo a la conexión y a la desconexión.

■

Conocer los elementos existentes para la regulación de velocidad en aplicaciones neumáticas. Se estudiarán para ello los reguladores de caudal de carácter unidireccional y bidireccional, prestando una especial atención a su posición sobre el circuito y los efectos que esto conlleva.

■

Conocer los elementos que complementan las funciones de control de velocidad (aumento de la misma). Se estudiarán los escapes rápidos o válvulas de purga.

177

Neumática

INTRODUCCIÓN

En el apartado anterior se desarrollaron extensamente las válvulas direccionales, es decir, aquellas encargadas del paso o no paso del fluido o bien su direccionamiento. Se puede decir por tanto, que ya conocemos los controles directos para los actuadores neumáticos.

Para una mayor información, puede consultarse la unidad 7. Lógica Neumática en sus apartados relacionados con funciones lógicas OR y AND.

Sin embargo, esto no será suficiente ya que en la mayoría de las aplicaciones neumáticas los mandos suelen ser más complejos y se requieren funciones adicionales como son los tratamientos lógicos de la información, los controles de velocidad, los mandos en función del tiempo, etc.

Unos cuantos ejemplos de mando neumático desarrollados paso a paso nos permitirán también hacernos una rápida idea de cómo se va desarrollando un mando en función de las condiciones adicionales que se soliciten.

En este apartado, se desarrollarán los componentes básicos relacionados con el tratamiento lógico de la información que son las válvulas selectoras de circuito y las válvulas de simultaneidad.

178

También se desarrollan extensamente los conceptos relacionados con la regulación de velocidad y se complementa con los temporizadores neumáticos.

5: Válvulas 2

5.1.  Válvulas de bloqueo Las válvulas de bloqueo son las encargadas de “tratar” el aire comprimido dentro de las aplicaciones neumáticas (preferentemente en mando). Generalmente su trabajo consiste en establecer o cortar el paso de aire comprimido ante determinadas circunstancias. Este tipo de válvulas garantizan perfectamente la estanqueidad por medio de un estudiado conjunto de juntas, reforzado por la propia presión del aire que circula. Son de vital importancia dentro de los circuitos, ya que dentro de este grupo quedan las denominadas funciones lógicas. A continuación desarrollaremos los siguientes componentes: ■■ Válvula antirretorno o de retención. ■■ Válvula selectiva o selectora de circuito. ■■ Válvula de simultaneidad.

5.1.1.  Válvulas antirretorno La válvula antirretorno es la más sencilla del conjunto de las válvulas de bloqueo. Esta válvula permite la circulación del aire en un sentido y lo impide en el contrario, realizando su función con una pérdida de carga mínima. En la figura podemos apreciar el funcionamiento de la válvula antirretorno.

Figura 5.1.  Válvula antirretorno.

179

Neumática

Figura 5.2.  Antirretornos (conexión rápida y roscada). Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

Cuando el aire proviene del lado del cono de cierre, éste se desplaza venciendo la fuerza de oposición del muelle de recuperación. La válvula permite el paso del aire comprimido. Si el aire proviene del conducto contrario, la válvula se cierra, efecto que se ve favorecido cuanto mayor es la presión. Como elementos de cierre se utilizan discos, bolas, conos, etc., pero la simbología asociada siempre es la misma. La colocación de antirretornos se sitúan en aquellos puntos donde no se desea la mutua influencia entre componentes (contrapresiones, cierres / aperturas bruscas, etc.,). Como ejemplo de utilización, un antirretorno puede venir colocado entre el compresor y el calderín, evitándose de este modo el retorno y vaciado del aire en los tiempos de inactividad del compresor.

Figura 5.3.  Ejemplo de utilización.

Otra de las funciones importantes que tiene la válvula antirretorno, consiste en conferir a los elementos condición unidireccional si se encuentra montado en paralelo al elemento en cuestión. Si por ejemplo se dispone de un regulador de caudal básico (bidireccional), este regulará en los dos sentidos; si dispone de un antirretorno en paralelo, el elemento tan solo regulara en un sentido por lo tanto se entenderá como regulador unidireccional.

180

5: Válvulas 2

Figura 5.4.  Función unidireccional de componente.

Este tipo de funciones es algo que no se suele montar a través de componente individual sino que los elementos ya presentan la posibilidad de compra con función bidireccional o unidireccional según nuestras necesidades.

Una válvula antirretorno permite el paso de caudal en un sentido y lo impide en el contrario. Mecánicamente se trata de una válvula de asiento y por tanto se encuentra exenta de fugas.

5.1.2.  Válvulas selectoras Las válvulas selectoras de circuito cumplen la función lógica OR, es decir, direccionan el aire desde cualquiera de sus 2 entradas a la salida, evitando fugas a través de los escapes de otros componentes. Si eléctricamente deseáramos accionar un elemento desde 2 puntos, el automatismo quedaría bastante sencillo ya que se implementaría mediante 2 contactos en paralelo. Neumáticamente el montaje resulta más complejo, ya que el paralelo que podemos realizar mediante el elemento de unión “T” resulta inadecuado al presentar coincidencia en el escape, provocando una excesiva pérdida de aire, o la no conmutación. Lo podemos observar en los siguientes esquemas:

181

Neumática

Figura 5.5.  Accionamiento selectivo incorrecto.

Figura 5.6.  Accionamiento selectivo correcto.

Las válvulas selectoras, por limitaciones mecánicas, disponen de 2 entradas y una salida. En su interior se aloja una corredera y el correspondiente sistema de juntas (el cual asegura la estanqueidad). Cuando aplicamos aire por una de las entradas (X), la corredera interna se desplaza a la posición contraria, cerrando el escape que se produciría por la otra entrada (Y). El aire es direccionado desde la entrada hacia la aplicación de la válvula (A).

182

5: Válvulas 2

Figura 5.7.  Válvula selectora de circuito.

Si el caso es el contrario (Y), el aire también es direccionado hacia la aplicación A, pero en este caso la entrada bloqueada es X. Si se recibe una doble entrada (X e Y), una de éstas llega antes y produce el desplazamiento de la corredera. Para nosotros no tiene importancia cuál de las 2 entradas es la dominante, ya que se sigue cumpliendo la función (salida en aplicación e inexistencia de fugas). A continuación se muestra la simbología asociada a la válvula y su tabla de verdad.

Figura 5.8.  Tabla de verdad. Válvula selectora de circuito.

183

Neumática

Figura 5.9.  Válvula selectora de circuito. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

En caso de que sea necesario agrupar más de 2 señales, cumpliendo la función lógica OR, será necesaria la utilización de más válvulas en montaje cascada. El número de válvulas a utilizar responde a la fórmula:

Número de válvulas necesarias = Número de señales - 1 Así pues, imaginando que sea necesario el agrupamiento de 3 ó 4 señales, los esquemas de control resultarían como sigue:

Figura 5.10.  Agrupamiento OR para 3 señales.

184

5: Válvulas 2

Para un mayor desarrollo del empleo de válvulas selectoras como implementación de funciones lógicas consulte el tema 7 LOGICA NEUMÁTICA.

Figura 5.11.  Agrupamiento OR para 3 señales.

Cuando sea necesario realizar una implementación mediante selectoras y no se disponga de las mismas, puede conseguirse el accionamiento empleando una válvula de 3 vías y 2 posiciones de tipo normalmente abierto. En este tipo de accionamientos se procederá a: ■■ Uno de los emisores de señal a tratar será conectado directamente sobre la alimentación de la válvula 3/2 NA que cumplirá la función de selectora. Al activar sobre el emisor el aire fluye hacia la salida. ■■ El segundo de los emisores de señal será conectado sobre el pilotaje de la válvula 3/2 NA y al mismo tiempo (por derivación), será conexionado sobre el escape. Al actuar sobre este emisor, la válvula tiende a cerrar comunicando el escape y la aplicación, entendiendose por tanto una salida del sistema.

185

Neumática

Realiza un esquema para asegurar efecto de selección entre 3 pulsadores. Emplea para ello válvulas de 5 vías y 2 posiciones de accionamiento neumático y retorno muelle.

Figura 5.12.  Función de selección mediante 3/2 NA.

5.1.3.  Válvulas de simultaneidad Las válvulas de simultaneidad presentan un aspecto exterior similar a las válvulas selectoras, pero éstas cumplen la función lógica AND (se precisa de señal sobre todas las entradas para que la válvula emita una señal de respuesta). Al igual que las selectoras, las válvulas de simultaneidad disponen de 2 entradas y una salida. En su interior se aloja una corredera y el correspondiente sistema de juntas. Cuando aplicamos una señal neumática sobre una de las entradas, X, la corredera se desplaza bloqueando el paso a la propia señal. En estos momentos, la entrada contraria comunica directamente con la aplicación. Si no existe señal simultánea sobre la entrada contraria, Y, la válvula no emite ninguna señal en la salida. En caso contrario (señal de entrada por Y), el efecto sería similar y la válvula continuaría sin emitir señal sobre su salida.

186

5: Válvulas 2

Figura 5.13.  Válvula de simultaneidad (posición de no emisión).

Figura 5.14.  Válvula de simultaneidad (emisión con X o Y en bloqueo).

Sólo en el caso de que coincidan las señales en entrada (para un mismo instante de tiempo), se producirá una señal de salida, ya que una de las entradas se habrá bloqueado y la otra será efectiva. Se muestra a continuación la simbología asociada para estas válvulas y su correspondiente tabla de la verdad:

187

Neumática

Figura 5.15.  Tabla de verdad. Válvula de simultaneidad.

Estas válvulas presentan la misma limitación que las selectoras en cuanto al número de entradas. Si se desea agrupar en simultaneidad más de 2 señales, será necesario realizar un montaje de válvulas en cascada, cuyo número se obtendrá en base a la fórmula vista anteriormente:

Número de válvulas necesarias = Número de señales - 1 De esta forma, para asegurar la señal simultánea de 3 elementos, utilizaremos 2 válvulas de simultaneidad; para cuatro señales, tres válvulas; y así sucesivamente.

Figura 5.16.  Agrupamiento AND para 3 señales.

188

5: Válvulas 2

Figura 5.17.  Agrupamiento AND para 4 señales.

Para un mayor desarrollo del empleo de válvulas de simultaneidad como implementación de funciones lógicas consulte el tema 7 LOGICA NEUMÁTICA.

Al igual que con el trabajo mediante válvulas selectoras, existen otros métodos de montaje para conseguir los mismos efectos. En el caso concreto de las válvulas de simultaneidad, estas podrán ser sustituidas por... □□ Montaje serie de componentes. □□ Montaje mediante válvula 3/2 NC aire – muelle. En el montaje serie, el sistema queda limitado a tener que trabajar con emisores de señal, mientras que en el montaje mediante 3/2 son válidas cualquier tipo de emisiones neumáticas (desde emisores de señal, desde líneas de aire comprimido, etc).

189

Neumática

Montaje serie En este método se realiza un montaje serie (similar al automatismo eléctrico) de los emisores a tratar. Cabe destacar que el sistema es extremadamente económico al no tener que introducir ningún componente adicional pero presenta el problema de no poder trabajar con un número elevado de señales debido a la pérdida de presión.

Si la pérdida de presión es elevada debido a un accionamiento con un elevado número importante de válvulas, puede emplearse un amplificador de señal (células SI) * ver lógica neumática.

Figura 5.18.  Montaje serie de componentes (función AND).

190

5: Válvulas 2

Montaje mediante 3/2 NC Un método menos económico (pero no por ello menos interesante), consiste en el empleo de una 3/2 NC aire – muelle. Uno de los emisores se conecta a la alimentación de la válvula mientras que el segundo se conecta al pilotaje. Evidentemente para tener una salida neumática serán necesarias las dos señales. Por un lado, uno de los emisores pilotará la válvula para que pase a disposición de abierta y el otro se encarga de alimentarla para poder obtener aire a la salida.

Figura 5.19.  Empleo de una 3/2 NC para efecto de simultaneidad (2 señales).

Si se requiere efecto de simultaneidad entre más de dos señales emplearemos más de una válvula 3/2 NC. De hecho, la relación es la misma que para válvulas de simultaneidad, es decir...

Número de válvulas necesarias = Número de señales – 1

Realiza un esquema para asegurar efecto de simultaneidad entre 4 pulsadores. Emplea para ello válvulas de 5 vías y 2 posiciones de accionamiento neumático y retorno muelle.

191

Neumática

Figura 5.20.  Empleo de una 3/2 NC para efecto de simultaneidad (3 señales).

192

5: Válvulas 2

5.2.  Válvulas de flujo Las válvulas estranguladoras o reguladoras de caudal son uno de los elementos más importantes dentro de los automatismos neumáticos y electroneumáticos, ya que se encargan del control de la velocidad de los actuadores.

Estos elementos siempre se colocan en la zona de potencia, y es por este motivo por lo que, independientemente de cuál sea la técnica de mando aplicada (aire, contactos eléctricos, electrónica, etc.), aparecerán con frecuencia en nuestros esquemas.

Se pueden clasificar en 2 grandes grupos: ■■ Reguladores de caudal bidireccionales: elementos encargados de la regulación del caudal en ambos sentidos de circulación. ■■ Reguladores de caudal unidireccionales: elementos encargados de la regulación del caudal en un solo sentido de circulación. En el sentido contrario la válvula entra en estado de “flujo libre”. Por su posición de montaje pueden ser clasificados... ■■ Reguladores para el montaje en línea: los cuales se presentan para el montaje por racores. Existen tanto en bidireccional como en unidireccional. ■■ Reguladores de caudal sobre racor (de función): hay algunos racores que aparte de permitir la conexión de tubo incluyen una función neumática, como por ejemplo la restricción al paso de caudal. Suelen encontrarse como unidireccionales y se montan directamente sobre el cilindro. ■■ Reguladores para montaje sobre el escape: generalmente de función unidireccional lo cual tampoco tiene la mayor importancia ya que no presentan conexión en uno de sus puntos (descarga a la atmósfera a través de un silenciador). Se montan roscados directamente sobre los escapes de los distribuidores.

5.2.1.  Reguladores bidireccionales Los reguladores de caudal bidireccionales son componentes neumáticos de una extremada sencillez, ya que son simples restricciones de la sección de paso, las cuales pueden ser o no ajustables (mediante tornillos). Tal y como podemos observar en la figura, independientemente de que la sección sea o no ajustable, la restricción afectará en ambos sentidos de circulación y es por ello por lo que se denominan bidireccionales.

193

Neumática

Figura 5.21.  Regulador de caudal bidireccional (no ajustable y ajustable).

Estos elementos provocan una fuerte caída de presión debido a la gran aceleración a la que se somete el fluido. Este efecto puede ser favorable o desfavorable, en función de donde se coloque. La aplicación de estos elementos queda bastante limitada dentro de los ciclos neumáticos (debido a esa doble regulación). Su aplicación es casi exclusiva para el control de la velocidad en actuadores, siempre y cuando su montaje se realice al escape, tal y como muestra la figura (regulación de avance, regulación de retorno y doble regulación):

Figura 5.22.  Ejemplo de regulación al escape.

La regulación al escape es una de las más empleadas ya que resulta extremadamente limpia y cómoda. Se emplean reguladores específicos para esta función.

194

5: Válvulas 2

En la figura se representa una de estas unidades...

Figura 5.23.  Regulador de caudal con silenciador y símbolo ISO 1219. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

5.2.2.  Reguladores unidireccionales Este es el tipo de regulador de mayor aplicación dentro de los ciclos neumáticos, ya que permite regulaciones independientes del sentido de circulación sea cual sea su posición de montaje. Básicamente están compuestos por un regulador de caudal bidireccional montado en paralelo con una válvula antirretorno, la cual le proporciona la propiedad de unidireccionalidad.

Figura 5.24.  Regulador de caudal unidireccional.

Suelen disponer de un tornillo con el que se ajusta la sección de paso y, con ello, se regula el caudal. Cuando el aire circula desde el orificio A hacia B, todo el caudal atraviesa libremente el regulador, ya que puede pasar a través del antirretorno y de la sección ajustada. En este sentido de circulación no existe regulación y se dice que el caudal circula en “flujo libre”. Si el sentido de circulación es el inverso, es decir, el aire va desde B hacia A, el antirretorno bloquea el paso y la totalidad del caudal ha de pasar por la sección ajustada, por lo que la regulación es efectiva.

195

Neumática

Figura 5.25.  Regulador de caudal unidireccional (montaje en línea). Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

Figura 5.26.  Regulador de caudal unidireccional (racor de función). Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

A continuación, se representaran los esquemas básicos de regulación e velocidad prestando una especial atención a la posición donde son colocados los reguladores y los efectos que estos tienen sobre el sistema.

5.2.3.  Circuitos de regulación En la práctica totalidad de los circuitos neumáticos, se suele precisar un control de velocidad de los actuadores el cual debe ser ejecutado de modo independiente para cada una de las cámaras ya que suele tener interés, el control de diferentes velocidades de avance y retorno. De este modo, es poco frecuente encontrar reguladores de caudal de carácter bidireccional (exceptuando la regulación al escape), predominando los reguladores de carácter unidireccional. Partiendo por tanto de estos elementos, se debe identificar que la regulación podría venir dada en la entrada o en la salida de aire. Veamos los efectos.

196

5: Válvulas 2

Regulación en la entrada La regulación en la entrada consiste en restringir el caudal de aire que entra en cámara de avance o retorno mediante el paso a través de un regulador. El problema viene dado por la elevada pérdida de presión que se produce en el paso y que hace que el vástago del cilindro tenga un movimiento extremadamente irregular. Este tipo de regulaciones no es común (exceptuando la regulación para actuadores simple efecto).

Figura 5.27.  Regulación de velocidad en avance (poco frecuente).

197

Neumática

Figura 5.28.  Regulación de velocidad en retorno (poco frecuente).

Figura 5.29.  Doble regulación de velocidad (poco frecuente).

198

5: Válvulas 2

Como ya se ha comentado, en la actuación sobre cilindros de simple efecto, si se desea el control de velocidad en el avance, al no disponer de cámara inversa neumática no queda mas remedio que el empleo de este tipo de regulaciones (asumiendo los problemas propios de la pérdida de presión).

Figura 5.30.  Regulación en la entrada para un simple efecto.

En el movimiento de retorno, el problema desaparece y se emplea la típica regulación en cámara inversa (por contrapresión), la cual se explica en el siguiente apartado.

199

Neumática

Figura 5.31.  Clásica regulación de un simple efecto.

Veamos ahora la típica regulación neumática, es decir, las regulaciones a la salida...

Deben evitarse en la medida de lo posible las regulaciones ejecutadas a la entrada del fluido, ya que tienen graves inconvenientes como la pérdida de fuerza y el movimiento irregular de los vástagos.

Regulación en la salida La regulación de la salida del aire de cámaras constituye la regulación neumática más habitual. Al no ejecutarse restricción en la entrada, no se experimenta pérdida de presión y el cilindro tiende a mover desarrollando toda la fuerza, pero en cámara contraria se produce una contrapresión (al no permitir flujo libre) lo cual produce la regulación de velocidad (y una pérdida de fuerza, aspecto este inevitable). Se entiende que la regulación de velocidad es correcta.

200

5: Válvulas 2

Figura 5.32.  Regulación de velocidad a la salida (control del avance).

Para otras regulaciones...

Figura 5.33.  Regulación de velocidad a la salida (control del retorno).

201

Neumática

Figura 5.34.  Regulación de velocidad a la salida (doble control).

5.2.4.  Escapes rápidos Las válvulas de purga o escape rápido son utilizadas para aumentar la velocidad de los accionamientos de actuadores neumáticos. Cuando se ha de provocar el escape de aire de una cámara, éste ha de pasar a través de la tubería (en ocasiones varios metros) y al final atravesar la válvula distribuidora de control. Esto ralentiza la velocidad, y puede suponer un grave perjuicio económico al no encontrarse el tiempo de ciclo optimizado. Por este motivo se hace necesaria la existencia de unos componentes que permitan evacuar el aire de la cámara de cilindro, al mismo tiempo que no afecte al movimiento contrario. Estos elementos son los denominados escapes rápidos. Los escapes rápidos constan de 3 orificios de conexión, que corresponden al de alimentación (P), aplicación (A) y escape (R).

202

5: Válvulas 2

Figura 5.35.  Escape rápido o válvula de purga.

■■ El orificio de alimentación (P) es conectado a una de las aplicaciones de la válvula, en función de en qué momento ha de actuar el escape. ■■ El orificio de aplicación, A, se conecta a una de las cámaras del cilindro. ■■ El escape se deja libre a la atmósfera (en ocasiones se pueden colocar silenciadores para reducir el nivel sonoro del escape). Cuando el aire es introducido por el orificio P, desplaza el elemento de cierre, el cual provoca el cierre del orificio de escape R. En estos momentos se establece una comunicación directa entre P y A. El escape rápido no ha actuado.

Figura 5.36.  Escapes rápidos. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

Cuando el aire es introducido por el orificio A (evacuación de una cámara de cilindro), el elemento móvil también es desplazado, provocando el cierre del conducto P y evitando así el escape que se produciría a través de la tubería y la distribuidora. En estos momentos se establece una comunicación directa entre A y el escape R, por lo que la evacuación se produce prácticamente en la misma cámara del cilindro, optimizando el tiempo de ciclo. A continuación se muestra el esquema del control de un cilindro de doble efecto para aumentar la velocidad de avance.

203

Neumática

Figura 5.37.  Empleo de un escape rápido (aumento velocidad de avance).

5.2.5.  Temporizadores Uno de los mandos que nos puede resultar de gran ayuda a la hora de diseñar circuitos neumáticos, son los realizados en función del tiempo o en función de circuitos de temporización. Los temporizadores neumáticos pueden ser de tipo “Retardo a la conexión – RC” o “Retardo a la desconexión – RD”. Ambos tipos están compuestos por una válvula 3/2 aire – muelle, un volumen de expansión y un regulador de caudal de carácter unidireccional. La 3/2 puede ser normalmente cerrada o abierta y este aspecto delimita la función del temporizados (RC o RD respectivamente).

Figura 5.38.  Clasificación genérica de temporizadores neumáticos.

El funcionamiento se entiende perfectamente a través de la figura, que presenta la

204

5: Válvulas 2

sección simplificada de un temporizador RC. Se pueden apreciar con todo detalle las diferentes partes que componen un temporizador. No se contempla la sección de un temporizador de retardo a la desconexión puesto que la única diferencia que encontramos es la válvula 3 / 2, que en ese caso sería normalmente abierta.

Funcionamiento En la posición de reposo (el pilotaje Z no tiene presión de trabajo), el muelle de la parte inferior presiona el disco contra su asiento impidiendo el paso de aire de P a A. En estos momentos, la vía de trabajo A está conectada a escape. Cuando en Z hay presión, ésta no actúa directamente sobre el pistón como vimos en el funcionamiento de la válvula 3/2 normalmente cerrada. En este caso, la conducción interna lleva el aire a presión al depósito o cámara, que se llena lentamente debido a que la entrada de aire está estrangulada por la válvula unidireccional.

Figura 5.39.  Sección de un temporizador RC.

205

Neumática

Esta reducción de la sección de paso del aire es regulada a voluntad por un tornillo. Cuando el aire de la cámara llega a la presión necesaria para poder empujar el pistón, éste, como ya sabemos, cierra la posible conexión a escape y abre la conexión P-A. Para volver a la posición de reposo es necesario disminuir la presión del aire de la cámara. Esto se consigue conectando a escape el depósito a través de la válvula unidireccional. Sin embargo, no interesa que esta salida sea estrangulada, lo que retardaría la señal de cierre de la válvula principal. Por este motivo, se ha dispuesto una válvula estranguladora unidireccional y no una que proporcione estrangulación en ambos sentidos de flujo.

Figura 5.40.  Temporizador neumático. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A

Cuando el conducto de pilotaje se conecta a escape, la presión del aire de la cámara levanta el cierre, venciendo la fuerza del resorte opuesto, y se obtiene una sección de paso mucho mayor que en la entrada. Al reducirse la presión de la cámara, inmediatamente actúa el resorte levantando el pistón y volviendo a cerrar la válvula principal. En los temporizadores comunes, el tiempo de retardo varía entre 0 y 60 sg, pudiéndose regular a través del tornillo de la válvula estranguladora. Si se desea un mayor tiempo, se puede recurrir a soluciones del mercado que incorporan depósitos externos de mayor capacidad. No obstante, para los requerimientos habituales de las instalaciones neumáticas, los temporizadores disponen de suficiente precisión y fiabilidad.

Figura 5.41.  Simbología temporizadores. RC y RD.

206

5: Válvulas 2

Temporizador RC Los temporizadores de retardo a la conexión pueden considerarse como los temporizadores neumáticos por excelencia, siendo los más utilizados en las instalaciones que requieren un control de tiempo neumático. En este tipo de temporizadores la señal de entrada es retenida en el interior hasta que transcurre el tiempo prefijado mediante el tornillo de regulación. Una vez transcurrido éste, una válvula interna conmuta su posición, permitiendo el paso del aire comprimido que se obtiene por el orificio de aplicación.

Una de las aplicaciones típicas es la de retener un cilindro en máxima posición durante un determinado tiempo, transcurrido el cual retornará a su posición inicial.

Proponemos un ciclo temporizado: un cilindro de doble efecto, gobernado por una válvula 5 / 2 de doble piloto neumático, ha de avanzar hacia máxima posición al activar un pulsador dispuesto a tal efecto. Para que este accionamiento se provoque, también será necesaria la presencia de señal en el final de carrera que indique que el vástago del cilindro se encuentra retraído. El retorno del vástago se realiza automáticamente cuando éste llega a la máxima posición, pero permanecerá en ella durante 5 segundos. Si se cumplen las condiciones de arranque, el distribuidor 5/2 conmuta para forzar el movimiento de avance. Cuando el vástago del cilindro alcance la máxima posición, activará el final de carrera a1, cuya señal será considerada como señal Z de temporización.

207

Neumática

Figura 5.42.  Circuito de temporización RC.

El aire introducido por este orificio se verá obligado a pasar por un regulador de caudal unidireccional, con lo que se provoca una caída de presión, incrementada por la expansión de volumen que sufrirá el aire en el depósito de expansión. La relación entre la presión y el área existente en el piloto neumático de la 3/2 no crea la fuerza suficiente para provocar el accionamiento. Se está ejecutando la temporización. Hay que tener en cuenta que el caudal de aire aportado por el final de carrera a1 es constante, por lo cual la presión sobre el piloto neumático irá en aumento hasta el punto en el que se produzca la conmutación. En estos momentos el aire que alimentaba a la válvula 3/2 NC podrá pasar y forzar el accionamiento de la distribuidora, provocándose así el retorno del vástago del cilindro. Todo esto sucede transcurrido el tiempo prefijado mediante el ajuste del regulador de caudal, o lo que es lo mismo, del ajuste de la caída de presión.

Los temporizadores más comunes corresponden a los “Retardo a la Conexión – RC -”. Estos emplean una 3/2 NC aire – muelle.

Mientras el vástago del cilindro retorna a posición inicial (liberación de la válvula a1), el aire presurizado del interior del temporizador se fuga a la atmósfera rápidamente a través del escape del temporizador. Este escape se ve favorecido por el carácter unidireccional del regulador de caudal (antirretorno en paralelo).

208

5: Válvulas 2

Temporizador RD Este tipo de temporizadores es bastante menos usual dentro de los ciclos neumáticos, siendo su función principal la anulación de señales (de ahí que sea conocido también como “anulador de señales”). Estos temporizadores permiten el paso del aire comprimido si reciben alimentación neumática. Una vez recibida una señal Z constante, y transcurrido el tiempo prefijado mediante el regulador de caudal, cortan el paso del aire, sin permitirlo de nuevo hasta que desaparezca la señal Z y vuelva a ejecutarse una nueva temporización. Veamos un ejemplo representativo de aplicación: Se desea que al activar un pulsador de 3 vías y 2 posiciones se ejecute un determinado ciclo neumático. Si el operario no libera el pulsador, transcurridos 3 segundos este se bloqueará, es decir, no obtendremos salida en el sistema de arranque y será necesario liberar el pulsador para poder ejecutar un nuevo ciclo.

Figura 5.43.  Circuito de temporización RD.

209

Neumática

Un temporizador de tipo RD es menos común que los de tipo RC pero no por ello menos importantes. Su empleo proporciona anulación de señales en función del tiempo ajustado para los mismos.

210

5: Válvulas 2

5.3.  Ejemplos de aplicación En este apartado se tratará un ejemplo base y sobre el mismo se realizaran una serie de modificaciones para comprobar el desarrollo de una estructura de mando neumático.

5.3.1.  Ejemplo 1 Enunciado Se desea realizar el control de un cilindro de doble efecto mediante una pareja de pulsadores (funciones de avance y retorno).

Solución El control indirecto se realiza a través de una válvula 5/2 de doble piloto. Cada uno de los mismos se controla desde una 3/2 NC (clásico emisor de señal).

Figura 5.44.  Solución al ejemplo 1.

211

Neumática

5.3.2.  Ejemplo 2 Enunciado Se desea realizar el control de un cilindro de doble efecto mediante un pulsador pero el retorno se deberá ejecutar de modo automático una vez alcanzada la máxima posición.

Solución El control indirecto se realiza a través de una válvula 5/2 de doble piloto. Cada uno de los mismos se controla desde una 3/2 NC, pulsador para avance y final de carera para retorno (clásicos emisores de señal).

Figura 5.45.  Solución al ejemplo 2.

Efecto Si el pulsador no es liberado, cuando el cilindro alcance la máxima posición se producirá una doble señal y la válvula distribuidora entrará en bloqueo. Liberando el pulsador, el cilindro podrá retornar.

212

5: Válvulas 2

5.3.3.  Ejemplo 3 Enunciado Se desea realizar el control de un cilindro de doble efecto mediante un pulsador pero el retorno se deberá ejecutar de modo automático una vez alcanzada la máxima posición (incluso si el pulsador continua activo).

Solución Se fuerza la serie (efecto de simultaneidad) entre el pulsador y a0 para conseguir el avance. Cuando se libere el final de carrera a0 dejará de existir señal de piloto y por tanto se elimina la posibilidad de doble señal. El final de carrera a1 tiene funciones de retorno.

Figura 5.46.  Solución al ejemplo 3.

213

Neumática

5.3.4.  Ejemplo 4 Enunciado Se desea realizar el control de un cilindro de doble efecto mediante un pulsador o bien una señal estable. El retorno se deberá ejecutar de modo automático una vez alcanzada la máxima posición (incluso si las señales de marcha continúan activas).

Solución Se debe incluir una función de selección para los elementos manuales. No olvidar el montaje serie con respecto al final de carrera a0.

Figura 5.47.  Solución al ejemplo 4.

214

5: Válvulas 2

5.3.5.  Ejemplo 5 Enunciado Se desea realizar el control de un cilindro de doble efecto mediante dos pulsadores simultáneos o bien una señal estable. El retorno se deberá ejecutar de modo automático una vez alcanzada la máxima posición (incluso si las señales de marcha continúan activas).

Solución Se debe incluir una función de simultaneidad y de selección para los elementos manuales. No olvidar el montaje serie con respecto al final de carrera a0.

Figura 5.48.  Solución al ejemplo 5.

215

Neumática

5.3.6.  Ejemplo 6 Enunciado Se desea realizar el control de un cilindro de doble efecto mediante dos pulsadores simultáneos o bien una señal estable. El retorno se deberá ejecutar de modo automático una vez alcanzada la máxima posición (incluso si las señales de marcha continúan activas). El retorno será ejecutado 5 segundos más tarde de alcanzada la posición máxima de cilindro.

Solución Se debe incluir una un temporizador de retardo a la conexión (retardo de la señal a1).

Figura 5.49.  Solución al ejemplo 6.

216

5: Válvulas 2

5.3.7.  Ejemplo 7 Enunciado Se desea realizar el control de un cilindro de doble efecto mediante un pulsador o bien una señal estable (si se ejecuta a través del pulsador no se podrá ejecutar ciclo continuo). El retorno se deberá ejecutar de modo automático una vez alcanzada la máxima posición (incluso si las señales de marcha continúan activas). El retorno será ejecutado 5 segundos más tarde de alcanzada la posición máxima de cilindro.

Solución Se debe incluir una un temporizador de retardo a la desconexión (anulación de la señal de pulsador). El ajuste se realizará para la ejecución de un único ciclo.

Figura 5.50.  Solución al ejemplo 7.

217

Neumática

5.3.8.  Ejemplo 8 Enunciado Al ciclo propuesto en el Ejemplo 6, deberá agregarse una velocidad controlada en el retorno del cilindro.

Solución Se debe incluir un regulador de caudal de carácter unidireccional. Se representa la solución mediante un montaje en línea o mediante racor de función pero se debe recordar que esta regulación podría venir dada en el escape del distribuidor.

Figura 5.51.  Solución al ejemplo 8.

218

5: Válvulas 2

5.3.9.  Ejemplo 9 Enunciado Al ciclo anterior deberá agregarse una velocidad máxima en el avance.

Solución Se deberá incluir un escape rápido o válvula de purga.

Figura 5.52.  Solución al ejemplo 9.

219

Neumática

5.3.10.  Ejemplo 10 Enunciado Al ciclo anterior se le incorporará una válvula de seguridad (5/2 de enclavamiento). Al pulsarla, el cilindro comenzará el retorno incondicional quedando en bloqueo hasta la retirada de la misma.

Solución Se colocará una válvula 5/2 encargada de la alimentación del circuito de mando o bien de la emergencia. Esta señal se direcciona a través de selectora a pilotaje menos. El circuito de potencia no pierde alimentación.

Figura 5.53.  Solución al ejemplo 10.

220

5: Válvulas 2

RESUMEN ■

Las válvulas antirretorno permiten el paso de aire comprimido en un sentido y lo impiden en el contrario. Una de las funciones principales es la anulación de una función neumática en un sentido (derivación).

■

Las funciones lógicas OR son implementables neumáticamente mediante válvulas selectoras de circuito. Su configuración especial hace que sean apropiadas para direccionar aire desde varios puntos hacia uno sin provocar fugas de aire comprimido.

■ ■

Las funciones de selección pueden ser sustituidas por montajes mediante válvulas 3/2 aire muelle normalmente abiertas. Las funciones lógicas AND son implementables neumáticamente mediante válvulas de simultaneidad. Este efecto también puede ser conseguido mediante el montaje serie de componentes y mediante válvulas 3/2 aire muelle normalmente cerradas.

■

Los temporizadores neumáticos puede ser principalmente de tipo “Retardo a la Conexión” o “Retardo a la Desconexión”, siendo los primeros más frecuentes dentro de los automatismos neumáticos.

■

Los temporizadores emplean una válvula 3/2 aire – muelle entre otros componentes. Si la válvula es normalmente cerrada se trata de un temporizador RC; si por el contrario la válvula es abierta, se trata de un RD.

■

La regulación de velocidad de los actuadores neumáticos se realiza mediante reguladores de caudal. Estos pueden ser unidireccionales o bidireccionales siendo los primeros más comunes (exceptuando la regulación al escape).

■

La regulación de velocidad más adecuada se consigue mediante la colocación de los reguladores de caudal sobre la cámara inversa, es decir, mediante la generación de una contrapresión neumática.

■

Para el aumento de la velocidad de un actuador se emplean las denominadas válvulas de escape rápido o de purga.

221

6 UNIDAD DIDÁCTICA

6

Neumática

6.  Métodos de diseño

6: Métodos de diseño

ÍNDICE OBJETIVOS................................................................................................................................................................ 227 INTRODUCCIÓN....................................................................................................................................................... 228 6.1.  Métodos de representación................................................................................................................................ 229 6.1.1.  Diagrama de fases.............................................................................................................................................. 229 6.1.2.  Construcción de un diagrama de fases................................................................................................................... 230 6.1.3.  Otros métodos de representación.......................................................................................................................... 235 6.1.4.  Diagramas de mando........................................................................................................................................... 235 6.2.  Denominación de componentes......................................................................................................................... 237 6.2.1.  Designación mediante números............................................................................................................................. 237 6.2.2.  Marcado de tubos neumáticos.............................................................................................................................. 240 6.3.  Métodos sistemáticos de diseño........................................................................................................................ 242 6.3.1.  Finales de carrera escamoteables.......................................................................................................................... 242 6.3.2.  El concepto de distribución................................................................................................................................... 249 6.3.3.  Número de grupos.............................................................................................................................................. 252 6.3.4.  Memorias en cascada.......................................................................................................................................... 255 6.3.5.  Memorias paso a paso......................................................................................................................................... 271

RESUMEN................................................................................................................................................................... 283

225

6: Métodos de diseño

OBJETIVOS ■

Conocer los principales sistemas que podemos encontrar para la indicación gráfica del funcionamiento de una aplicación neumática. Estas representaciones resultaran extremadamente cómodas para el personal de mantenimiento a la hora de conocer el funcionamiento de un automatismo.

■

Conocer como han de designarse cada uno de los componentes integrantes de un automatismo neumático. Su conocimiento implica poder interpretar el esquema de la aplicación sin mayor problema.

■

Conocer los problemas que pueden surgir en la automatización de un dispositivo debido a las dobles señales que se producirán (bloqueo del sistema). Debe destacarse que las dobles señales se producirán con independencia del mando asociado (neumático o eléctrico).

■

Conocer los principales métodos para la resolución de los bloqueos neumáticos. Para ello se desarrollarán extensamente los métodos clásicos de resolución neumática como son los rodillos escamoteables, los sistemas cascada y los sistemas paso a paso.

■

Integrar los mandos básicos analizados en otros apartados a un gran automatismo. Con esto se completa la cadena de mando – potencia neumática.

227

Neumática

INTRODUCCIÓN

Una vez conocidos los mandos básicos de aplicaciones neumáticas (analizados en unidades anteriores), pasaremos a trabajar con aplicaciones de mayor envergadura que suelen traer en consecuencia, problemas de bloqueo debido a dobles señales. Para la resolución de estos sistemas analizaremos en primer lugar la base del problema para posteriormente, analizar sus soluciones mediante diferentes métodos de resolución. Se debe indicar, que los 3 métodos que se desarrollaran en este aparado no son las únicas opciones existentes para la resolución de secuenciales, pero si las más clásicas y preferentes a lo largo de mucho tiempo. Además, se entiende que uno de los objetivos de la unidad es ampliar la cadena de mando y así poder comprobar las posibilidades que ofrece la neumática.

228

Con independencia del método que empleemos para la resolución, deberemos conocer las técnicas existentes para la identificación gráfica del comportamiento de una aplicación y además, conocer las técnicas de marcado de componentes. Por ello, y antes de entrar en soluciones, comenzaremos con la representación y marcado de componentes en las aplicaciones neumáticas...

6: Métodos de diseño

6.1.  Métodos de representación En las aplicaciones automatizadas, se hace necesario disponer de unos métodos de representación sencillos para las secuencias neumáticas o electroneumáticas. Los más empleados corresponden a diagramas espacio - fase y espacio - tiempo para las secuencia convencionales, y los métodos de representación Grafcet, de aplicación para los ciclos complejos o automatismos que presenten condiciones especiales como saltos de secuencia, bifurcaciones, etc. A continuación se detalla la ejecución de los diagramas de fases (representación que trabajaremos para la aplicación neumática convencional). El sistema de representación Grafcet será tratado en la asignatura “Electroneumática”.

6.1.1.  Diagrama de fases Los diagramas de fases son uno de los métodos de representación más comunes dentro del mundo del automatismo neumático y electroneumático, debido a su extrema sencillez en cuanto a construcción e interpretación. Estos diagramas están normalizados según VDI 3260, aunque es habitual que la representación no sea fiel a las normas, porque son relativamente laboriosos de realizar. Debemos tener en cuenta que cualquier profesional relacionado con el tema no tendrá mayor problema en interpretar uno de estos diagramas (incluso si se ha representado sin normalizar), debido a su extrema sencillez, ya comentada. A lo largo de la asignatura se mostrarán algunas de estas variantes.

Figura 6.1.  Representación de un diagrama de fases.

Un diagrama de movimientos (espacio - fase) representa los procesos y estados de los elementos de trabajo (cilindros, unidades de avance, etc.,). En una coordenada se representa el recorrido (carrera del elemento en avance o retroceso) en la otra, las fases. Si se indica el tiempo para cada una de las fases, el diagrama es conocido como diagrama espacio - tiempo.

229

Neumática

Tal y como podemos observar en la figura, en el eje vertical se representan los actuadores y finales de carrera. En el eje horizontal (fases de trabajo), se representa la evolución de cada actuador, o lo que es lo mismo, los movimientos que éste experimenta. Comenzando por la fase inicial 0 (elementos de trabajo en condiciones de reposo), los actuadores van moviéndose en función de la secuencia a desarrollar. Se ha de tener en cuenta que la última fase ha de tener idéntico estado a la primera, ya que trabajamos con un ciclo secuencial, de ahí la indicación 9=1 (última fase en idéntico estado a la primera). A continuación veremos un ejemplo de desarrollo de un diagrama de fases, tomando como referencia un ciclo automático neumático o electroneumático.

Un diagrama espacio – fase representa los movimientos a ejecutar en el ciclo neumático. Un diagrama espacio – tiempo representa los movimientos a ejecutar en el ciclo y el tiempo de ejecución de los mismos.

6.1.2.  Construcción de un diagrama de fases En el sistema automático representado en la siguiente figura (constituido por 4 actuadores lineales A, B, C y D), se desea realizar la construcción del diagrama de fases para conocer el desarrollo de la secuencia a desarrollar. Esta constituye un proceso de: ■■ Sujeción. ■■ Doblado 1. ■■ Doblado 2. ■■ Estampado.

230

6: Métodos de diseño

Figura 6.2.  Croquis funcional de un sistema automático neumático.

Nuestra máquina esta compuesta por 4 actuadores (cilindros lineales). Cada uno de ellos tiene una función específica dentro del ciclo y sólo ha de actuar en el momento preciso. Esto es precisamente lo que vamos a representar mediante el diagrama de fases. Conocemos que: Cilindro A

Se realiza la sujeción de la chapa.

Cilindro B

Se realiza el primer proceso de doblado.

Cilindro C

Se realiza el segundo proceso de doblado.

Cilindro C

Retorna el útil de curvar (2) a posición inicial.

Cilindro D

Estampado de agujero de diámetro 4 mm.

Cilindro D

Retorno del útil de estampar.

Cilindro B

Retorna el útil de curvar (1) a posición inicial.

Liberación de la chapa. Cilindro A Como podemos observar, se han identificado las funciones que realiza cada uno de los cilindros y, además, se ha hecho en orden secuencial, por lo que lo realizado hasta ahora nos podría servir como un primer método de representación secuencial.

231

Neumática

Desgraciadamente, es probable que un japonés, alemán u otra persona no pueda interpretarlo al no conocer nuestro idioma; será preciso disponer de un método de representación puramente gráfico que permita la interpretación de la secuencia por parte del técnico, independientemente de su idioma o cualquier otra circunstancia. Esta representación es precisamente el diagrama de fases. En primer lugar deberemos establecer el esquema base para un diagrama de fases. En éste representaremos todos los actuadores (A, B, C y D) para nuestro ejemplo, y todos los finales de carrera a utilizar en el ciclo (desde a0 hasta d1). Las fases de trabajo son 8, una por cada uno de los movimientos realizados en el ciclo.

Figura 6.3.  Esquema base de un diagrama espacio – fase.

Una vez realizado lo anterior, representaremos las condiciones iniciales de nuestro sistema. En el ejemplo, todos los cilindros se encuentran en posición mínima en condiciones iniciales, activando los finales de carrera de subíndice cero. Todo esto queda representado, así como la notación “S”, identificadora de señal de marcha.

Figura 6.4.  Representación de posiciones iniciales y marcha de ciclo.

232

6: Métodos de diseño

El resto es sencillo. Basta con representar los movimientos que se van desarrollando fase a fase en secuencia. ■■ Los movimientos hacía máxima posición, se representan con línea ascendente. ■■ Los movimientos a posición mínima, son representados mediante línea descendente. ■■ Si durante una o más fases un cilindro no realiza movimiento (conserva su posición), se representa con una línea horizontal, en posición máxima o mínima según el estado de la fase anterior. ■■ Cada confirmación de movimiento (y pase a la siguiente fase) se representa mediante un punto de mayor grosor. Siguiendo el ejemplo, vemos que ante la condición de marcha y condiciones iniciales, el ciclo comenzará lanzando el cilindro A hacía su máxima posición. Mientras que el resto de los cilindros permanece inmóvil, por lo que su representación será una línea horizontal en la zona inferior, identificando así que se encuentran en mínima posición.

Figura 6.5.  Representación de primera fase de trabajo.

El resto se realiza del mismo modo, es decir, representación fase a fase de cada uno de los movimientos por fase y permanencia del resto. Al final del desarrollo, habremos obtenido una total representación de la secuencia fácilmente comprensible por cualquier persona relacionada con los procesos neumáticos o electroneumáticos de tipo secuencial.

En los circuitos de carácter secuencial representados mediante diagramas de fase, el punto de inicio coincide con el punto final debido a su carácter cíclico.

233

Neumática

Figura 6.6.  Representación del diagrama de fases (secuencia ejemplo).

Existen ciclos en los que, por exigencias del proceso, dos o más actuadores han de realizar movimientos (+ ó -) en la misma fase de trabajo. Del mismo modo, un actuador neumático no ha de encontrarse en mínima posición bajo condiciones iniciales, pudiéndose encontrar en máxima y realizando su trabajo al retorno. También es posible que un mismo actuador trabaje varias veces en un ciclo, realizando varias carreras de avance y retorno. Todo esto es fácilmente representable mediante diagramas de fases. Para comprenderlo mejor analizaremos otro ejemplo donde se den algunas de estas condiciones particulares, partiendo de un diagrama de fases de una secuencia dada, se estudian los casos anteriormente descritos (movimientos simultáneos en fases, dobles movimientos y actuadores cuyo primer movimiento es el retorno del vástago).

Figura 6.7.  Representación del diagrama de fases (ejemplo).

Tal y como nos muestra el diagrama de fases, la secuencia corresponde a un ciclo de 3 actuadores neumáticos (A, B y C). El vástago del cilindro C se encuentra en máxima posición bajo condiciones iniciales, por lo que así ha sido representado en el diagrama (ver posición 0). El actuador B realiza dos carreras de avance y lógicamente dos de retorno, y, por último, los actuadores A y C realizan movimientos simultáneos en una fase, lo cual es representado en posición 6 – 7 = 0. Queda así cubierta una amplia gama de secuencias que pueden ser representadas mediante diagramas de fases sin mayor dificultad.

234

6: Métodos de diseño

6.1.3.  Otros métodos de representación En aplicaciones neumáticas también son frecuentes otros métodos de representación aún más sencillos, como puede ser la indicación vectorial mediante signos. Es un método ampliamente utilizado para la resolución de secuencias mediante métodos sistemáticos de diseño, como los sistemas cascada o paso a paso, debido a que permiten un establecimiento rápido y claro de los grupos neumáticos (este concepto será explicado en páginas posteriores). Representando la secuencia ejemplo vectorialmente, obtendríamos el resultado mostrado en la siguiente tabla de movimientos: Cilindro A

à

Cilindro A

+

Cilindro B

à

Cilindro B

+

Cilindro C

à

Cilindro C

+

Cilindro C

ß

Cilindro C

-

Cilindro D

à

Cilindro D

+

Cilindro D

ß

Cilindro D

-

Cilindro B

ß

Cilindro B

-

Cilindro A

ß

Cilindro A

-

Vástago extendido Vástago retraído

à ß

Vástago extendido Vástago retraído

+ -

6.1.4.  Diagramas de mando Otro de los diagramas que nos pueden resultar de gran ayuda, sobre todo a la hora de resolver circuitos mediante finales de carrera escamoteables, es la representación del estado binario de todos los finales de carrera (estados ON / OFF, Activo / No Activo). No se representan tiempos de conmutación ya que éstos son mínimos, determinándose así que la conmutación se produce instantáneamente. Se puede determinar que la representación resultará muy parecida a un tren de pulsos de los utilizados para la representación de señales digitales electrónicas. Se hace la representación más habitual:

Figura 6.8.  Representación del diagrama de mando.

Los diagramas de mando suelen encontrarse situados en la zona inferior de los diagramas de fases. Representando el diagrama de fases y de mando de la secuencia del ejemplo obtendríamos.

235

Neumática

Figura 6.9.  Representación del diagrama de fases y de mando.

236

6: Métodos de diseño

6.2.  Denominación de componentes Conocidos ya los principales métodos, de representación de secuencias, deberemos conocer cómo se denominan los componentes de un esquema (válvulas, actuadores, etc.), una vez colocados éstos en el esquema de mando y potencia. Principalmente las denominaciones de válvulas y actuadores pueden realizarse mediante números o letras. La representación mediante números es bastante más precisa que la basada en letras, si bien con esta última suele ser suficiente. Si se emplea el sistema de numeración, deberemos seguir el siguiente criterio:

6.2.1.  Designación mediante números La designación mediante números de los elementos neumáticos dentro del esquema de mando se realiza en base a la función del componente. Así pues, deberemos distinguir entre: 1.0, 2.0, 3.0, ...

Órganos de trabajo (actuadores).

1.1. 2.1, 3.1, ...

Órganos de control de los actuadores (generalmente distribuidores)

Así pues, en una instalación neumática, el primer actuador será denominado como 1.0, el segundo como 2.0 y así sucesivamente hasta el último de los actuadores existentes en la misma. La válvula de control que gobierna al actuador 1.0 será denominada como 1.1, la que gobierna al actuador 2.0, como 2.1, etc. Veamos un ejemplo de lo descrito hasta este punto.

Figura 6.10.  Denominación del conjunto de potencia.

237

Neumática

Los captadores de información, bien sean válvulas de accionamiento manual o mecánico, son identificados tal y como nos indica la siguiente tabla: 1.2, 1.4, 1.6, ...

Captadores de información cuya función suele estar asociada al avance del elemento de trabajo (obsérvese denominación par).

1.3, 1.5, 1.7, ...

Captadores de información cuya función suele estar asociada al retroceso del elemento de trabajo (obsérvese denominación impar).

Para poder observar gráficamente la denominación de estos elementos, se desarrolla un esquema básico para el control de un cilindro de doble efecto mediante 2 pulsadores.

Figura 6.11.  Denominación de elementos de un esquema neumático.

Otros elementos que podemos encontrar en una instalación neumática han de ser marcados tal y como se indica a continuación: 0.1, 0.2, 0.3, ...

Elementos auxiliares que actúan sobre todos los elementos que forman el circuito. Son denominados elementos auxiliares y entre ellos pueden incluirse las unidades de mantenimiento, válvulas de seguridad, etc.

1.01, 1.02, ...

Órganos de regulación tales como reguladores de caudal, escapes rápidos, etc.

Estas designaciones conservan las indicaciones realizadas para los anteriores elementos, es decir, identificación del actuador al que se hace referencia y numeración par o impar en función de tareas de avance o retroceso. El esquema mostrado a continuación, resume las distintas designaciones realizadas para la identificación de los diferentes elementos que nos podemos encontrar en una instalación neumática.

238

6: Métodos de diseño

Marcado de componentes de una aplicación neumática. Ver esquema.

Figura 6.12.  Denominación de elementos de un esquema neumático.

Tal y como observamos, el único actuador ha sido denominado como elemento 1.0 de la instalación, y en consecuencia, la válvula 5 / 2 de control como elemento 1.1. En la parte inferior observamos una unidad de mantenimiento y la válvula de alimentación general. Puesto que ambos son elementos auxiliares que afectan al funcionamiento de todos los componentes del esquema, son denominados 0.1 y 0.2. El pedal neumático y los pulsadores intervienen en funciones de mando con objeto de provocar el avance del cilindro, al igual que las funciones lógicas AND y OR, por lo que sus denominaciones serán 1.2, 1.4, 1.6, 1.8 y 1.10. El final de carrera que indica que el vástago del cilindro está retraído y puede comenzar un nuevo ciclo se denomina 1.12, y ha de indicarse su posición física sobre el vástago del cilindro (obsérvese el esquema).

239

Neumática

En cuanto a los elementos que intervienen en el retorno del vástago del cilindro, encontramos un final de carrera y un temporizador de retorno a la conexión. Son designados como 1.3 y 1.5 respectivamente (designación impar debido a que tienen funciones de retorno). Ya en el esquema de potencia, encontramos un regulador de caudal (designado como 1.02 porque afecta al avance de vástago) y un escape rápido (designando como 1.01 debido a que afecta al retorno del vástago).

6.2.2.  Marcado de tubos neumáticos Al igual que cuando se realiza un esquema eléctrico todos los conductores se designan con una numeración, en neumática también puede realizarse, si bien no es habitual porque se trata de un proceso bastante laborioso. La designación de conductores (tubo neumático), se realiza mediante rótulos, que contienen relaciones entre el número del elemento y el orificio de conexión. En lo posible las conexiones deberán dibujarse rectas y exentas de cruces. Las líneas de trabajo se dibujarán en trazo continuo mientras que las de piloto con trazo discontinuo (se acepta la representación con trazo continuo si el esquema es complejo). Un ejemplo de designación…  1.2.P: conexión a la alimentación del elemento 1.2.  1.2.A: conexión a la aplicación del elemento 1.2.

Figura 6.13.  Representación de una designación.

En la designación debe incluirse un principio y un final, determinando así todos los puntos de conexión de la tubería. En el ejemplo vemos que la tubería que parte de la aplicación de 1.2, se dirige hasta el orificio de piloto Z del elemento 1.1 (válvula distribuidora de control).

240

6: Métodos de diseño

Figura 6.14.  Denominación de conexionados neumáticos.

El marcado de los tubos neumáticos es un recurso válido aunque en muy pocas ocasiones se realizará debido a la simplicidad que suelen presentar los esquemas y lo laborioso de la tarea. No obstante, puede resultar útil para aquellas personas que no tengan experiencia en el montaje de dispositivos neumáticos.

241

Neumática

6.3.  Métodos sistemáticos de diseño En los sistemas neumáticos o electroneumáticos donde se trabaja con varios actuadores (generalmente procesos de tipo secuencial), es habitual la aparición de las denominadas “dobles señales”. Éstas consisten en la aparición de señales activas en un mismo instante de tiempo, provocándose así el consecuente bloqueo de las válvulas. Las dobles señales son creadas por señales permanentes provocadas por los captadores o elementos para la introducción de señales en los sistemas de mando. Generalmente, estos captadores han de provocar un pulso de señal para provocar una acción sobre las válvulas distribuidoras; el problema viene dado cuando estas señales no son pulsos, sino que quedan fijadas forzando señales permanentes. Los métodos sistemáticos de diseño tratan de eliminar estas señales permanentes, distribuyendo de forma periódica y secuencial las señales (envían la señal sólo cuando esta es precisa, eliminándola cuando no se hace necesaria su presencia). La eliminación de estas señales permite el buen funcionamiento de los ciclos neumáticos, dando la oportunidad de desarrollar ciclos complejos de automatización. Los métodos habitualmente empleados son: ■■ Utilización de finales de carrera de tipo escamoteable. ■■ Sistemas de memorias en cascada. ■■ Sistemas de memorias paso a paso. El primer método consiste en la utilización de un tipo especial de final de carrera que permite emitir señal neumática en un solo sentido de accionamiento, y que, por su posición en ciclo, evita la fijación de la señal. Por el contrario, los sistemas de memorias en cascada o paso a paso basan su funcionamiento en la alimentación selectiva de los emisores de señal (se produce la alimentación sólo en el preciso momento de realizar la función asociada). A continuación se desarrollaran estos tres métodos, tanto en sus principios de elaboración como enumerando sus ventajas e inconvenientes, limitaciones, etc.

6.3.1.  Finales de carrera escamoteables En primer lugar, y antes de comenzar con el desarrollo del método de resolución, deberemos conocer el funcionamiento de los finales de carrera escamoteables. Como ya es conocido, las válvulas neumáticas constan de un cuerpo base al cual se coloca un accionamiento (como por ejemplo cabezas de pulsador, palanca, piloto neumático, etc.). Independientemente del accionador asociado, los cuerpos suelen ser estándar (3 vías y 2 posiciones de tipo normalmente abierto o cerrado, 5 vías y 2 posiciones, etc.). Los cuerpos para finales de carrera escamoteables suelen ser del tipo 3 vías y 2 posiciones normalmente cerrados al tratarse de emisores de señal.

242

6: Métodos de diseño

El accionamiento de estas válvulas se realiza mediante rodillo, si bien éste no es convencional. El rodillo presenta una articulación mecánica de tal forma que sólo proporciona accionamiento en un sentido; en el contrario la articulación actúa y todo el rodillo se flexiona no provocando el accionamiento de la válvula.

Figura 6.15.  Accionamiento de un final de carrera escamoteable.

En la primera imagen mostrada podemos observar que cuando el vástago se encuentra en una carrera de avance hacia el final de carrera, éste no se encuentra activo; al sobrepasarlo, el rodillo activa sobre la leva de accionamiento provocándose así la conmutación de posiciones de la válvula. Una vez concluida la carrera de avance, se provoca el retorno del vástago no provocándose la conmutación de la válvula, ya que el mecanismo de articulación se flexiona no provocándose la acción sobre la leva. Queda así demostrado que los accionamientos escamoteables sólo provocan el accionamiento de conmutación en un sentido.

Figura 6.16.  Final de carera escamoteable 3/2 NC. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

243

Neumática

Lógicamente, dependiendo de la colocación física del rodillo, el accionamiento se provocará al avance o al retorno del vástago. Otra consideración a tener en cuenta con la colocación de este tipo de finales de carrera es que han de colocarse unos milímetros desplazados (antes o después) de la posición física de final de carrera, ya que si no volveríamos a encontrar el problema de señales fijadas (permanentes). La colocación de estos finales de carrera en un cilindro lineal (imaginando que se precisen sobre las dos posiciones “máxima / mínima”) sería la siguiente:

Figura 6.17.  Posicionado de finales de carrera escamoteables.

6.3.1.1.  Determinación de dobles señales Tal y como hemos comentado anteriormente, en los circuitos neumáticos o electroneumáticos de tipo secuencial es frecuente la aparición de señales permanentes que producen el bloqueo de las válvulas neumáticas. Para su localización, será preciso analizar tanto los diagramas de fases de los ciclos como los diagramas de estado de finales de carrera o detectores de posición en general. Éstos permitirán determinar de forma clara dónde se provocan las dobles señales y, en consecuencia, dónde aplicar los finales de carrera de tipo escamoteable con objeto de resolver los automatismos. En primer lugar partiremos y analizaremos una secuencia que presente doble señal, con objeto de determinar dónde se presentan y como eliminarla. Planteamos la siguiente secuencia:

244

6: Métodos de diseño

Figura 6.18.  Diagrama de fases para la secuencia A+ B+ B- A-.

Una vez planteada la secuencia según diagrama de fases será necesario elaborar el diagrama de estado de finales de carrera. En este tipo de diagrama se ha de representar la conmutación de los finales de carrera en forma binaria. Para su elaboración se parte del diagrama de fases, de tal forma que pueden analizarse simultáneamente los movimientos y los estados de los detectores asociados al ciclo.

De los 3 métodos indicados para la resolución de secuenciales neumáticos que presenten problemas de bloqueo (doble señal neumática), la resolución por finales de carrera es la menos empleada. Predominará la resolución por memorias en cascada o paso a paso.

Figura 6.19.  Diagrama de fases y estados para la secuencia A+ B+ B- A-

245

Neumática

A partir de este punto, deberemos analizar las señales que se direccionan hacia los pilotos neumáticos, con objeto de determinar si en alguna de las fases se provoca una doble señal. Sobre los gráficos se suele hacer referencia con una indicación marcando “interferencia”. Lógicamente, esta interferencia sólo se dará si entre los dos finales de carrera que gobiernan un mismo actuador localizamos un estado 1 coincidente sobre una de las fases. Pasamos a analizar las señales que llegan hasta nuestras válvulas. Sabemos que A+ se ejecutará mediante la activación de a0 y A - se ejecuta mediante la activación de b0. Para conocer pues si existe doble señal sobre el distribuidor que controla al cilindro A, deberemos comparar los estados de a0 y b0. Por el mismo motivo analizaremos a1 (B+) y b1 (B-), en este caso para determinar las posibles interferencias sobre la válvula encargada del control del actuador B.

Figura 6.20.  Localización de interferencias para el distribuidor A.

En la figura 6.20, se aprecia claramente como sobre el distribuidor que controla al actuador A, existe una doble señal. Cuando activemos el pulsador de marcha y tengamos presencia del detector a0, esta señal no podrá provocar el accionamiento A+ puesto que encontramos fijada la señal del piloto contrario (b0), activando sobre A-. Entraríamos en una doble señal neumática con el consecuente bloqueo de la válvula. Sólo con esta interferencia, es suficiente para que no podamos realizar un montaje convencional; no obstante, analicemos lo ocurrido en el distribuidor que controla al actuador B. Como adelanto se puede indicar que también existirá doble señal sobre este actuador (bloqueo de la válvula).

246

6: Métodos de diseño

Figura 6.21.  Localización de interferencias para el distribuidor B.

En el caso del distribuidor que controla al actuador B, observamos el bloqueo neumático cuando aparezca la señal del final de carrera b1, ya que se encontrará con una señal permanente sobre el piloto contrario (activado por a1).

6.3.1.2.  Eliminación de señales permanentes La resolución del circuito mediante finales de carrera escamoteables consistirá en eliminar las interferencias localizadas sobre el esquema de estados. Volviendo atrás, concretamente al estudio realizado sobre el distribuidor que controla al actuador A, observamos que el bloqueo viene dado por la presencia en condiciones iniciales de la señal b0. Esta señal deberá ser activada en la fase 3, pero no en condiciones iniciales. De esta forma, el final de carrera b0 deberá ser de tipo escamoteable y de accionamiento al retorno del vástago. Mediante la colocación de este final de carrera, la señal permanente provocada con anterioridad quedará convertida en un pulso que no bloqueará la válvula en condiciones iniciales. La misma operación deberá realizarse con el final de carrera a1, pero en este caso con objeto de eliminar la doble señal que encontrábamos sobre la válvula que controla al actuador B, y el final de carrera deberá provocar señal al avance. El diagrama de estados que encontramos una vez aplicado este tipo de finales de carrera.

247

Neumática

Figura 6.22.  Gráficos de estado mediante la utilización de f.c.e.

Queda así demostrada la resolución de circuitos mediante este método, al haberse eliminado los bloqueos neumáticos.

Figura 6.23.  Sentido de accionamiento de los f.c.e.

Una vez realizado este gráfico y llegando a las soluciones correctas, tendremos que realizar el esquema neumático de potencia y mando. Para ello deberemos prestar especial atención a las indicaciones de sentido de accionamiento de los finales de carrera escamoteables (si son activos al avance o al retroceso del vástago).

248

6: Métodos de diseño

Figura 6.24.  Esquema de secuencia A+ B+ B - A –

6.3.2.  El concepto de distribución Tal y como se ha desarrollado en páginas anteriores, uno de los métodos para el desarrollo de circuitos de tipo secuencial es la anulación de señales permanentes por medio de finales de carrera de tipo escamoteable, los cuales conseguían una señal de pulso en vez de señales permanentemente fijadas. Los otros dos métodos habitualmente empleados para la resolución de este tipo de ciclos (sistemas de memorias en cascada y paso a paso), se basan en el principio de alimentar a los finales de carrera sólo cuando sea estrictamente necesario; esta alimentación se realiza en base a la denominada distribución de aire “por grupos de señal”. Así pues, los finales de carrera serán alimentados en un orden secuencial en función del desarrollo de la secuencia. Como ejemplo analizaremos un ciclo que presenta doble señal y por ello bloqueo de válvulas distribuidoras:

Figura 6.25.  Diagrama de fases para la secuencia A+ B+ B- A-

En primer lugar analizaremos el ciclo según un desarrollo incorrecto que no utilice ninguno de los métodos indicados hasta ahora para la resolución de circuitos.

249

Neumática

Figura 6.26.  Esquema incorrecto de la secuencia A+ B+ B - A -

250

6: Métodos de diseño

Como podemos observar, cuando queramos forzar el arranque del ciclo se producirá una doble señal ya que el final de carrera que marca mínima posición para el actuador B (b0) se encuentra activo, y por este motivo fijando la señal para provocar el movimiento A-. Las señales de marcha no podrán activar el piloto A+. El problema real de este ciclo es que b0 se encuentra activo en condiciones iniciales y, por tanto, permite el paso del aire comprimido y por tanto provocando el bloqueo. Este efecto se puede apreciar también en los controles del distribuidor que gobierna al actuador B, ya que cuando el final de carrera b1 dé la señal correspondiente para provocar el accionamiento B-, nos encontraremos con una señal fijada sobre el piloto B+ (proveniente del final de carrera a1). Analicemos más detenidamente el primer caso (distribuidora de control del cilindro A).

Figura 6.27.  Esquema incorrecto de la secuencia A+ B+ B – A –

Detalle parcial del distribuidor de control para el actuador A. Como vemos, el final de carrera b0 sólo tiene funciones en un punto determinado del ciclo y consiste en provocar el accionamiento A-. En condiciones de arranque (estando activo y por ello permitiendo el paso del aire comprimido), podríamos decir que no hace más que “molestar”, ya que provoca el bloqueo. Así pues, el concepto de distribución consiste en establecer grupos de alimentación de tal forma que los finales de carrera de una misma distribuidora se alimenten de distintos grupos. Una de las características de estos grupos es que cuando tengamos aire en uno de ellos, el resto se encontrará a escape, es decir, a presión atmosférica (esta característica será común para todos los sistemas que utilicemos).

251

Neumática

De esta forma, si el bloque de marcha se alimentara de un grupo (red de distribución) 1, y el control opuesto, en este caso b0, lo hiciera del grupo 2, el problema quedaría resuelto, ya que cuando queramos ejecutar el arranque, el aire se encontrará en el grupo 1 y aunque el final de carrera contrario (b0) se encuentre activo y en disposición de dejar pasar el aire comprimido, no lo podrá hacer, ya que se alimentaba del grupo 2 en esos momentos comunicado con la atmósfera. El mismo efecto se dará con la distribuidora contraria (control sobre el actuador B).

Figura 6.28.  Concepto de grupos.

La figura nos muestra claramente cuál es el concepto de grupos; los finales de carrera que activan sobre los pilotos de una distribuidora se alimentan de grupos distintos. Dado el carácter incompatible de los grupos (cuando existe aire en uno de los grupos no existe sobre el resto). Debido a este carácter de incompatibilidad no es posible la existencia de dobles señales.

La base de resolución consiste en que cada pilotaje de un mismo distribuidor cuelgue de grupos diferentes. Debido a la incompatibilidad de estos quedará anulada la posibilidad de dobles señales.

Este concepto es válido para los dos sistemas que se desarrollarán a continuación (cascada y paso a paso), de hecho, la diferencia que existe entre ellos es el método de distribuir el aire a los diferentes grupos. El siguiente paso a realizar es conocer cuántos grupos será necesario establecer para la resolución de una secuencia, ya que cuanto más compleja sea la secuencia, mayor será el número de grupos a utilizar. No obstante, la determinación de este número de grupos es extremadamente sencilla y se expone a continuación.

6.3.3.  Número de grupos Para establecer el número de grupos necesarios para la resolución de secuencias neumáticas es conveniente expresar la secuencia en forma lineal, es decir, expresarla mediante indicaciones de movimientos según los símbolos + ó -. Para ello deberemos manejar con soltura los diagramas de fases, ya que de ellos extraeremos la secuencia en expresión lineal. Como ejemplo de esta transformación encontramos...

252

6: Métodos de diseño

Para un diagrama de fases como el mostrado…

Tendremos una secuencia lineal: A+ B+ B - A -

Una vez expresadas las secuencias según este formato, deberemos realizar el establecimiento de los grupos atendiendo a la siguiente norma.

Por cada uno de los grupos sólo se podrá realizar un movimiento de cada actuador, independientemente de que sea avance o retroceso. De esta forma, en un grupo 1 podremos realizar un único movimiento del actuador A, otro del B y así sucesivamente.

En el momento en que por orden de la propia secuencia aparezca un segundo movimiento del actuador, se ha de realizar un cambio de grupo. La mejor forma de comprender la creación de estos grupos es proponer algunos ejemplos:

Ejemplo 1 Para una secuencia A+ B+ B- A-, la indicación de grupos se realizará de la siguiente forma: En el primer grupo encontraremos un movimiento de A (A+), un movimiento de B (B+) y como el siguiente movimiento de secuencia corresponde a B-, éste no puede pertenecer al mismo grupo, luego se requiere un cambio de grupo. El primero de los grupos quedaría formado por los movimientos A+ y B+. En el segundo es como si comenzásemos de nuevo. Encontramos un primer movimiento para el cilindro B (B-) y un movimiento para el cilindro A (A-). Éstos son de actuadores distintos y al terminar la secuencia diremos que pueden pertenecer al mismo grupo. El segundo grupo, y último para esta secuencia, quedaría definido por los movimientos B- y A-. Para la resolución de esta secuencia se necesitarán dos grupos de distribución.

253

Neumática

Ejemplo 2 Para una secuencia A+ B+ C+ B- A- C-, la indicación de grupos se realizará de la siguiente forma: En el primer grupo comenzaremos con un movimiento para el actuador A (A+), y un segundo movimiento que corresponde a B (B+); en este primer grupo se puede incluir el movimiento de C (C+), ya que es el primero que realiza. El siguiente movimiento en secuencia corresponde al segundo movimiento para B, por lo cual no puede pertenecer al mismo grupo, siendo necesario un cambio del mismo. El primer grupo quedaría definido por los movimientos A+ B+ C+. En el segundo grupo concentraremos el resto de movimientos de secuencia, ya que sólo se ejecutan una vez dentro del grupo. Quedaría definido por los movimientos BA- y C-. Esta secuencia, al igual que el ejemplo anterior, se resolvería mediante dos grupos, por lo que puede indicarse que la complejidad para su resolución será similar (aún cuando el número de actuadores sea mayor). Esto recuerda que hay un concepto muy importante dentro de los automatismos secuenciales neumáticos: la complejidad de resolución de una secuencia neumática no la delimita el número de actuadores a utilizar, sino la propia secuencia que éstos realizan.

Ejemplo 3 Para una secuencia A+ A- B+ C+ C- B-, la indicación de grupos se realizará de la siguiente forma: El primer movimiento de secuencia, que formará parte del grupo 1, es A+. Acto seguido en secuencia aparece un movimiento A-, el cual no podrá pertenecer al grupo 1 ya que sería el segundo movimiento de un actuador dentro de un mismo grupo. Se precisa un cambio de grupo. El primer grupo del sistema quedaría formado por un único movimiento del actuador A (A+). El segundo grupo quedará formado por un primer movimiento del actuador A (A-), y un primer movimiento de B y C (B+ y C+); el siguiente movimiento en secuencia corresponde a C- (no podrá pertenecer al mismo grupo ya que sería el segundo movimiento de este actuador en el mismo grupo).De esta forma el grupo 2 queda formado por los movimientos A- B+ y C+. El tercer y último grupo formado para la resolución de esta secuencia está formado por los movimientos C- y B-. Al no repetirse movimientos en este grupo el establecimiento de los grupos queda completado. Para la resolución de esta secuencia será necesario el establecer tres líneas de distribución (3 grupos). En esta secuencia queda demostrado también que los grupos no tienen por qué encontrarse equilibrados, es decir, existen grupos formados por un único movimiento mientras que otros pueden estar formados por dos, tres, cuatro o más movimientos. Esto lo determina la propia secuencia tratada.

254

6: Métodos de diseño

6.3.4.  Memorias en cascada Conocido ya el método que deberemos utilizar para la creación o designación de grupos neumáticos, deberemos pasar a un sistema que nos permita establecer las alimentaciones secuenciales para estos grupos. Uno de estos métodos se conoce como sistema de distribución mediante memorias en cascada, y debe su nombre a la colocación de las memorias (válvulas neumáticas colocadas de forma que la aplicación de una ejecutará la alimentación de la siguiente, etc.). Este sistema es especialmente adecuado para el trabajo con un número de grupos reducido (2 ó 3 a lo sumo), ya que para más grupos encontraremos que el montaje provoca una pérdida de presión muy importante, además de presentar un montaje complejo. Sin más, comenzamos a describir cómo solucionar problemas secuenciales mediante este método.

Colocación de las memorias Para la explicación del método, partiremos de una secuencia que presenta problemas de doble señal como A+ B+ B- A-. En primer lugar deberemos conocer el número de grupos (líneas de distribución) a utilizar. Esto se realiza atendiendo a las normas descritas en el apartado “Número de grupos”. Para la secuencia dada tenemos que… A+ B+ / B - A - ……….luego 2 grupos. Los sistemas en cascada consisten en distribuir el aire secuencialmente a los grupos. Esta función esta asignada a las memorias, que no son mas que válvulas distribuidoras de 4 ó 5 vías y 2 posiciones, y doble piloto neumático. Es siguiente paso será pues determinar cuántas memorias (válvulas 5/2) son necesarias para distribuir aire a un número X de grupos. Siempre se sigue el siguiente criterio:

Numero de válvulas a utilizar = Numero de grupos - 1 Esta indicación es solamente válida para la resolución de sistemas mediante memorias en cascada. Para el ejemplo dado, tenemos que 2 grupos necesitan de 1 válvula distribuidora; un sistema de 4 grupos, se resolvería mediante un bloque de 3 válvulas distribuidoras, etc. (el conexionado de 2 o más memorias se analizará en las siguiente páginas). Retomando el ejemplo propuesto, sabemos ya que necesitaremos una válvula de distribución de tipo biestable (doble piloto neumático), cuya disposición ha de ser de 4 ó 5 vías y 2 posiciones.

255

Neumática

El punto de alimentación de la válvula se conexionará directamente con el aire de red (alimentación general del circuito de mando). Las aplicaciones son las alimentaciones a los grupos, y los pilotos neumáticos se consideran como las señales que forzarán la conmutación (cambio) entre éstos.

Figura 6.29.  Principio de distribución de un sistema en cascada

Este es un concepto muy importante: el aire que alimenta a los grupos (y que luego se direccionará hasta los elementos de control del circuito) proviene de la válvula distribuidora, es decir, que todos los elementos colocados en el circuito de mando son alimentados con aire de los grupos (dependiendo de la posición que ocupen en la secuencia). Por norma general, ninguno de ellos se alimenta con aire directo de la red general de distribución. Los grupos son elementos cerrados en extremos que reciben alimentación de la válvula de memoria colocada para su control, y que permiten el paso del aire hacia los componentes de mando que tengan que recibir la presión de ese grupo.

Los grupos de distribución son implementados mediante regletas abastecidas de aire desde las válvulas que constituyan el sistema de resolución escogido.

Mostraremos en el siguiente ejemplo cómo podríamos implementar físicamente el montaje de estos grupos, lo encontramos en la siguiente figura:

Figura 6.30.  Grupo neumático de distribución (ejemplo). Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

256

6: Métodos de diseño

Como podemos observar en la figura anterior 6.29, el aire es dirigido al grupo número 2. Esto no se ha realizado al azar, sino que en este tipo de sistemas el aire suele dejarse en el último grupo del que dispongamos. Así pues, bajo condiciones iniciales (estado de reposo del sistema), el aire quedaría en el grupo 2. Si disponemos de un sistema en cascada de 3 grupos, el aire se dirigiera al grupo 3 y así sucesivamente. Conocemos los pilotos neumáticos que hemos forzado para direccionar el aire hasta esos grupos, luego se puede afirmar que conocemos los pilotos neumáticos que fuerzan la entrada del grupo 1 y grupo 2. Debemos observar que por la propia mecánica de la distribuidora 5/2, cuando tengamos el aire en grupo 2, el 1 estará comunicado con la atmósfera; cuando se provoque la conmutación de la distribuidora, el aire se direccionará hacía el grupo 1, quedando el 2 a escape. De esta forma, cuando alimentemos los componentes que cuelguen del 2, los elementos que lo hagan del 1 no tendrán alimentación neumática y no emitirán aire comprimido, aun cuando estén activos. Estos elementos estarían en disposición de dejar pasar el aire comprimido, pero no lo hacen porque no están alimentados neumáticamente. Mediante simbología neumática, esta distribución sería representada como:

Figura 6.31.  Esquema de distribución de un sistema en cascada (2 grupos).

Una vez establecido el conjunto de potencia y sistema de distribución mediante las memorias, comenzaremos a ejecutar el desarrollo secuencial de todos y cada uno de los movimientos.

Desarrollo de secuencia En primer lugar deberemos tener en cuenta que partimos de condiciones iniciales, es decir, cilindro A y B con vástagos retraídos y aire de alimentación al circuito de mando en el último grupo, en este caso el grupo 2. Para comenzar a ejecutar la secuencia deberemos realizar el movimiento A+.

257

Neumática

Éste depende del grupo número 1, y nosotros nos encontramos con el aire en el 2, por lo tanto deberemos realizar un cambio de grupo. Para ello forzaremos la señal de conmutación al grupo número 1 (piloto neumático de la distribuidora 5 / 2 ). Este cambio de grupo (para inicio de secuencia) debe ejecutarse con las señales que fuerzan el arranque del ciclo. Estas señales corresponden a una señal de marcha genérica M (o bloque de señales, como por ejemplo combinaciones lógicas AND, OR, NOT, etc.) y la señal que confirme que el ciclo anterior ya ha sido ejecutado. Esta señal corresponde al final de carrera a0, ya que confirmará el último movimiento ejecutado en la secuencia y que corresponde al A-. Los elementos encargados de realizar esta conmutación (M · a0) se alimentarán del grupo al cual pertenecen, en este caso el grupo 2, en vez de hacerlo directamente de la red. Este concepto se repetirá a lo largo de todo el desarrollo secuencial. Una vez que la válvula distribuidora haya conmutado su posición, el grupo 1 se llenará de aire comprimido, mientras que el grupo 2 se comunicará directamente con la atmósfera a través del escape de la 5 / 2. Con el aire en el grupo número 1 se realizará un movimiento libre, es decir, directamente desde el grupo número 1 se direccionará el aire hasta el piloto que fuerce el movimiento A+. El cilindro A avanzará hasta que alcance la máxima posición (a1 activo); éste será el momento de realizar el movimiento B+. La aplicación del final de carrera a1 se comunicará con el piloto neumático que fuerza el movimiento B+, mientras que se alimenta del grupo al cual pertenece; al estar trabajando en el grupo número 1, la alimentación se realizará del mismo.

Figura 6.32.  Desarrollo parcial de la secuencia A+ B+ B- A-

258

6: Métodos de diseño

Confirmado A+, se ejecuta el movimiento B+, y cuando éste se confirma (activación del detector b1), es el momento de provocar el movimiento B-. Este movimiento depende del grupo número 2, y en estos momentos nos encontramos trabajando en el 1, por lo que deberemos ejecutar el cambio al grupo número 2. De esta forma, el final de carrera b1, alimentándose del grupo número 1 ejecuta el cambio al 2, para lo cual deberá forzar el piloto neumático correspondiente de la válvula distribuidora encargada de la distribución.

Figura 6.33.  Desarrollo de la secuencia A+ B+ B - A -

Una vez forzado este accionamiento, el grupo 2 recupera el aire mientras que el 1 comunica directamente con la atmósfera. Se realizará un primer movimiento de forma libre que en este caso corresponde a B- (primer movimiento del grupo número 2). Ejecutado este movimiento (confirmación mediante b0), se realiza el último movimiento de la secuencia, que corresponde a A-. Este final de carrera se alimentará del grupo al que pertenece, en este caso el número 2. Se realiza el movimiento A- y se confirma con la activación del detector (final de carrera a0). Nos encontramos en condiciones iniciales y estamos en disposición de comenzar un nuevo ciclo en caso de provocar el accionamiento de la señal o señales de marcha (combinación lógica M · a0). A modo de resumen…

259

Neumática

Queremos realizar en este apartado un resumen de los pasos necesarios para ejecutar la resolución de una secuencia neumática mediante el método de resolución de memorias en cascada. Los pasos a realizar son: ■■ Distribución a partir del diagrama de fases de la secuencia en modo lineal, con objeto de poder establecer los grupos (líneas de distribución) necesarios para la resolución de la secuencia. ■■ Elaboración del circuito de potencia (actuadores neumáticos y válvulas distribuidoras de control), así como circuito de distribución de aire al circuito de mando (memorias en cascada según el número de grupos necesarios). ■■ Desarrollo de los movimientos secuencialmente teniendo en cuenta las siguientes pautas: □□ Primer movimiento de cada grupo ejecutado de forma libre (comunicación directa del grupo correspondiente y el piloto neumático). □□ Colocación de finales de carrera para el desarrollo de secuencia, alimentando los detectores del grupo asociado. En principio, salvo los distribuidores de potencia y el conjunto de distribución en cascada, nada se deberá alimentar de la red, sino que lo harán de los grupos colocados para la resolución. ¿Y para más de 2 grupos? En la mayoría de las secuencias neumáticas, no serán suficientes dos grupos de distribución, siendo necesario realizar el montaje de los sistemas de alimentación en cascada. En principio resultarán complejos y además provocarán una pérdida de carga elevada, ya que el aire que se direccione a alguno de los grupos deberá pasar a través de varias válvulas, con las consecuentes pérdidas de presión. Tal y como se había indicado con anterioridad, los sistemas de distribución en cascada son adecuados para 2 o tres grupos, perdiendo eficacia para más (se recurrirá a otros métodos de distribución como el paso a paso). No obstante, y debido a la repetitividad en el montaje, se explica a continuación cómo ejecutar distribuciones en cascada para tres y cuatro grupos de señal.

Distribución para tres grupos A la hora de realizar las distribuciones para tres grupos, en primer lugar deberemos determinar el número de distribuidores a utilizar. Esto se realiza en base a la fórmula indicada con anterioridad:

Numero de válvulas a utilizar = Numero de grupos – 1 En este caso para la distribución a tres grupos será necesario utilizar un total de 2 válvulas distribuidoras de 5 vías y 2 posiciones. Sólo una de ellas tiene alimentación directa de la red, es decir, que la segunda válvula actuará exclusivamente para dirigir el aire que le aporte la primera.

260

6: Métodos de diseño

Este conjunto nos ofrece 4 vías de aplicación, pero nosotros sólo necesitamos 3 (alimentación a los tres grupos). La cuarta aplicación es utilizada para forzar alimentación a la segunda válvula. A continuación se muestra el esquema de distribución para un montaje en cascada de tres grupos.

Figura 6.34.  Esquema de distribución de un sistema en cascada (3 grupos).

Tal y como podemos observar en el grupo de distribución, bajo condiciones iniciales el aire aportado a la válvula de alimentación al sistema (válvula colocada en posición inferior), direcciona todo el aire hacia el grupo número tres (último grupo que se utilizará en el sistema). Al mismo tiempo, este aire está forzando un piloto neumático a la válvula superior con objeto de realizar una correcta alimentación al grupo 1 en la etapa posterior (si no existiese este piloto, una vez metidos en ciclo el aire se direccionaría hacia el grupo 2). Para comenzar un ciclo deberemos aportar una señal neumática al orificio de piloto, denominado “señal de conmutación a grupo número 1”. La válvula de alimentación conmuta su posición y direcciona el aire hacia la alimentación de la válvula superior. Ésta se encuentra en posición definida para direccionar el aire al grupo número 1 (gracias al piloto forzado que se había realizado desde el grupo 3 - etapa anterior -). Esta señal de conmutación será aportada por la combinación de “marcha” y la última señal activa del ciclo (variables según secuencia). En el grupo 1 se realizarán las acciones correspondientes, ejecutándose el primer movimiento de forma libre, y el resto condicionado por los finales de carrera oportunos.

Los primeros movimientos de cada uno de los grupos son ejecutados con aire libre (incondicionalmente) del grupo donde se encuentran. Las señales de ejecución se encuentran implícitas en el propio cambio de grupo.

261

Neumática

Una vez terminadas las acciones correspondientes al grupo 1, se realizará el cambio al 2 activando la señal identificada como “señal de cambio a grupo número 2”. La válvula superior conmuta su posición y todo el aire existente en el punto de alimentación (aportado por la válvula inferior) se direcciona al grupo 2. En estos momentos los grupos 1 y 3 se encuentran comunicados con la atmósfera a través de los escapes de las distribuidoras de mando (memorias). Al igual que para el resto de los grupos, el primer movimiento se ejecutará de forma libre, y el resto estará condicionado por los diferentes finales de carrera, hasta concluir el último movimiento de grupo donde se realizará el cambio al grupo 3, activando la señal identificada como “señal de cambio a grupo número 3”. Se ejecutan los movimientos correspondientes a este grupo y se concluye la secuencia. Como podemos observar, el sistema queda en las condiciones iniciales, es decir, los movimientos realizados y la presión de aire en el grupo número 3. Al mismo tiempo se fuerza al piloto neumático para que una vez reanudada la secuencia (cambio a grupo número 1), este se direccione correctamente.

Distribución para cuatro grupos Todos los conceptos indicados para la resolución mediante dos y tres grupos son aplicables para cuatro, variando exclusivamente las conexiones de las válvulas de memoria. Se muestra a continuación el esquema de conexionado para distribuciones mediante cuatro grupos.

Los sistemas de resolución mediante memorias en cascada suelen emplearse para resoluciones de 2 y 3 grupos. Para un número mayor, resultan más adecuados otros medios de montaje.

262

6: Métodos de diseño

Figura 6.35.  Esquema de distribución de un sistema cascada (4 grupos).

Ejemplos de resolución. Cascada Para una mejor comprensión de los sistemas de distribución mediante memorias en cascada, se muestran dos ejemplos para resolución mediante 3 y 4 grupos de señal (en páginas anteriores ya se ha visto la distribución para 2 grupos de señal). Tal y como se ha indicado anteriormente, la distribución mediante 4 grupos no es económica mediante sistemas en cascada, pero parece conveniente razonar y comprender el principio del funcionamiento de estos sistemas.

EJEMPLO 1. DOBLADO DE PERFILES.

En nuestro taller precisamos de una máquina que nos permita agilizar el proceso de doblado de unos perfiles metálicos, de los que tenemos una gran demanda mensual.

263

Neumática

La persona encargada de realizar estas operaciones manualmente, nos ha entregado un croquis de cómo piensa que debería ser el dispositivo. Nosotros hemos encargado al departamento de mantenimiento que realice los utillajes necesarios y el esquema neumático para su funcionamiento.

Figura 6.36.  Croquis de posición (doblado de perfiles).

Como observamos en el croquis, un cilindro A realizará la sujeción de las chapas que se introducirán manualmente en el utillaje (movimiento A+, cilindro pisador). Una vez realizada esta sujeción, un cilindro B avanza con objeto de realizar el primer doble. Este cilindro deberá retirar el vástago para permitir la entrada de un segundo doblador (cilindro C). Realizado el segundo proceso de doblado y previa retirada del vástago del cilindro C, se retira el vástago del cilindro pisador A (A-). La pieza se retirará manualmente. Estaremos en disposición de comenzar un nuevo ciclo. Para la ejecución de esta ciclo no existen condiciones adicionales, realizándose la carga y retirada de materiales de forma manual por parte del operario. El ciclo comenzará al activar un pulsador o bien un pedal neumático, dispuestos a tal efecto. Pasamos ahora a realizar la automatización del ciclo mediante sistema en cascada. En primer lugar, y dado el diagrama de fases, expresaremos la secuencia en forma lineal, con objeto de poder determinar el número de grupos a utilizar para la resolución del ciclo.

264

6: Métodos de diseño

Figura 6.37.  Diagrama de fases (ejemplo 1).

La secuencia resultante es A+ B+ B- C+ C- A-. Para su resolución es necesario establecer 3 grupos de señal que quedan definidos por los movimientos: □□ Grupo 1 = A+ B+ □□ Grupo 2 = B - C+ □□ Grupo 3 = C - A Una vez realizado este paso, comenzaremos con las acciones correspondientes al grupo número 1, tanto el paso al mismo como la ejecución de las acciones que dependen de él. El paso a grupo se ejecuta mediante la combinación lógica M · a0, ya que el último movimiento realizado en secuencia es A-, y la activación de a0 supone su confirmación. La alimentación de este conjunto se lleva a cabo desde el grupo número 3, que es donde se encontraba el aire en condiciones iniciales. El primer movimiento del ciclo se ejecutará de forma libre en cuanto el aire entre en el grupo número 1. Este movimiento corresponde al A+. Confirmado éste mediante la señal del final de carrera a1, se ejecutará el movimiento B+. El detector a1 se alimenta del grupo 1, puesto que pertenece al mismo.

En una aplicación neumática, la complejidad aumenta con el incremento de grupos.

265

Neumática

Figura 6.38.  Desarrollo parcial de secuencia (ejemplo 1).

La confirmación del movimiento B+ mediante el final de carrera b1 debe provocar el movimiento B-, dependiente del grupo número 2. Se hace necesario un cambio de grupo. El final de carrera b1, alimentándose del grupo número 1, forzará el cambio al grupo número 2. Tras este cambio, el resto de los grupos se encontrarán comunicados con la atmósfera. En el grupo número 2 se ejecutará un movimiento libre (primer movimiento de grupo), que en este caso corresponde a B-. Confirmado este movimiento, mediante el final de carrera b0 se ejecutará C+ (movimiento condicional). Éste, a su vez, ha de provocar C- dependiente del grupo 3. El final de carrera c1 deberá ejecutar un cambio al grupo número 3, alimentándose del 2 puesto que pertenece a el.

Los primeros movimientos de grupo se realizan incondicionalmente pero no el resto. De este modo, cada movimiento será condicional al grupo al que pertenece y a la confirmación del paso previo de secuencia.

266

6: Métodos de diseño

Figura 6.39.  Desarrollo parcial de secuencia (ejemplo 1).

Ya en el grupo 3, se ejecutará un movimiento libre (C-) y el resto condicionales (movimiento A - forzado por c0, el cual se alimenta del grupo 3). Éste corresponde al último movimiento de secuencia, luego una vez confirmado mediante la señal de final de carrera a0, estaremos en disposición de comenzar un nuevo ciclo, activando indistintamente el pulsador o pedal de arranque.

Figura 6.40.  Solución final de secuencia (ejemplo 1).

267

Neumática

EJEMPLO 2. TRIPLE ESTAMPADO.

Se desea realizar un mecanismo la estampación en un perfil previamente conformado. La sujeción del perfil se realizará mediante amarres exteriores, y el ciclo de estampado comenzará al activarse una señal manual (supongamos que un pulsador neumático). Se presenta el croquis de la instalación, así como el diagrama de fases (secuencia a realizar). En el croquis podemos observar un dispositivo de amarre exterior. Una vez que esté colocado el perfil, activando la señal de arranque un cilindro A que realizará el proceso de primera estampación. Nada más estampar, el vástago ha de retirarse para proceder a la segunda estampación (cilindro B). Igualmente, este actuador ha de retirarse para realizar la tercera y última estampación (cilindro C). Cuando éste se haya retirado, estaremos en condiciones de provocar de nuevo el proceso completo de estampado.

Figura 6.41.  Croquis de posición (triple estampado).

Vamos a realizar la automatización del ciclo mediante sistema en cascada. En primer lugar, y dado el diagrama de fases, expresaremos la secuencia en forma lineal, con objeto de poder determinar el número de grupos a utilizar para la resolución del ciclo.

268

6: Métodos de diseño

Figura 6.42.  Diagrama de fases (ejemplo 2).

La secuencia resultante es A+ A- B+ B- C+ C-. Para su resolución es necesario establecer 4 grupos de señal que quedan definidos por los movimientos: Grupo 1 =

A+

Grupo 2 =

A - B+

Grupo 3 =

B - C+

Grupo 4 =

C-

Con éstos podemos pasar a realizar el esquema de potencia y el de distribución mediante un sistema cascada de 4 grupos. Una vez realizado este paso, comenzaremos con las acciones correspondientes a grupo número 1, tanto el paso al mismo como la ejecución de las acciones que dependen de él. El paso a grupo se ejecuta mediante la combinación lógica M · c0, ya que el último movimiento ejecutado en secuencia es C-, y la activación de c0 supone su confirmación. La alimentación de este conjunto se realiza desde el grupo número 4, que es donde se encontraba el aire en condiciones iniciales. En el grupo número 1 se realiza un movimiento directo (primer movimiento de grupo) que corresponde al A+. Confirmado este movimiento mediante el final de carrera a1, deberemos ejecutar un cambio de grupo ya que la siguiente acción, según secuencia, corresponde a A, y este movimiento no puede pertenecer al grupo número 1. Forzada la señal de conmutación al grupo 2, éste se llena de aire mientras que el resto se encuentra comunicado con la atmósfera. En el grupo 2 se realiza un primer movimiento libre (A-) y el resto condicional (B+ se realiza confirmado A- con señal a0). El final de carrera b1 ejecutará el cambio a grupo 3.

269

Neumática

Figura 6.43.  Desarrollo parcial y completo de la secuencia (ejemplo 2).

270

6: Métodos de diseño

El grupo 3 es completamente igual, es decir, B- se ejecuta directamente, y C+ con la confirmación del movimiento anterior (señal b0). El final de carrera c1 ejecuta el cambio al grupo número 4 y último en secuencia. En el grupo número 4 se ejecutará exclusivamente el movimiento C-, el cual se produce de forma libre. Estamos en condiciones de comenzar un nuevo ciclo (previa confirmación de C- mediante c0). Hay que tener en cuenta, y que sirva para todos los sistemas (cascada y paso a paso), que aquellas secuencias en las que los movimientos realizados en el último grupo no coincidan con los del primero, se podrán simplificar uniendo grupos. Como ejemplo encontramos la secuencia de este ciclo, donde en el último grupo teníamos movimiento C- y en el primero A+. Ambos grupos podrían unirse para formar: C - …Si se da “M”…A+ / A - B+ / B - C+ / Actuando de esta forma la secuencia queda reducida a 3 grupos, y, por tanto, su resolución es más económica. Para la implementación del circuito deberemos saltarnos la norma de dejar el aire en el último grupo (condiciones iniciales), pasando a encontrarse en el primero, y estando retenido exclusivamente por la señal de marcha.

6.3.5.  Memorias paso a paso Los sistemas paso a paso son métodos de resolución para circuitos neumáticos secuenciales que presentan problemas de doble señal. El modo de trabajo (modo de resolución) apenas varía de los métodos empleados en los sistemas en cascada (establecimiento de grupos, primer movimiento libre, resto condicionales, etc.), si bien, el método empleado para la distribución del aire a los grupos es totalmente diferente. En primer lugar deberemos identificar que el número de memorias a utilizar para la resolución de la secuencia mediante este método es igual al número de grupos tratados. Así pues, si tenemos un sistema de 3 grupos, necesitaremos 3 memorias, si son cuatro los grupos, cuatro memorias, y así sucesivamente.

Numero de válvulas a utilizar = Numero de grupos Otra de las diferencias fundamentales es que las válvulas no son del tipo 5/2, sino 3/2 de doble piloto neumático (lógico, las 3/2 aportan tan sólo una aplicación y cada una de estas aplicaciones alimentará a un grupo). El sistema paso a paso presenta la ventaja de que todas las válvulas encargadas de la alimentación a grupos, son alimentadas directamente de la red, por lo cual no se provocan las molestas pérdidas de carga de los sistemas en cascada (en un sistema paso a paso la presión existente en cualquiera de lo grupos es similar). Por otra parte, este tipo de distribución presenta un montaje extremadamente sencillo, en el cual es prácticamente imposible cometer errores de conexionado.

271

Neumática

El inconveniente se encuentra en que no se pueden resolver sistemas de dos grupos, ya que se provocarían bloqueos en las válvulas (tal y como se verá a continuación). Esto no quiere decir que no se puedan resolver las secuencias que definamos con dos grupos, sino que lo que no se puede hacer es resolver dos grupos. Expliquémonos un poco más… Una secuencia como A+ B+ B - A -, quedaba definida por dos grupos, pero si nosotros intentamos resolverla mediante dos grupos en paso a paso no funcionará el circuito. Lo que podemos hacer perfectamente es dividir la secuencia en más de dos grupos, cortando por donde nosotros queramos. Como ejemplo podríamos perfectamente realizar la siguiente división: A+ / B+ / B – A – o bien… A+ B+ / B – / A – Por supuesto esto no sería lógico, ya que para la resolución de esta secuencia mediante paso a paso necesitaríamos 3 memorias, frente a una única memoria que necesitaríamos mediante cascada (mucho más económico). Así pues, para sistemas de dos o tres grupos, resolveremos mediante sistemas cascada. Para más de tres grupos será lógico utilizar un sistema de resolución mediante memorias en paso a paso.

6.3.5.1.  Colocación de las memorias Conocemos ya que necesitaremos tantas válvulas como grupos tenemos. Estas válvulas son de tres vías y dos posiciones de doble piloto neumático, por lo que pueden encontrarse en cualquier posición. La distribución correcta será alimentar todas las válvulas directamente de la red (evitando así las caídas de presión). Además, todas las válvulas deberán encontrarse en posición cerrada, menos la última (se supone que será la alimentación al último grupo). En esto se coincide con el sistema cascada; en condiciones iniciales todos los grupos deberán encontrarse comunicados con la atmósfera excepto el último, el cual deberá encontrarse con aire a presión. Veamos como ejecutar las conexiones para un sistema paso a paso de “n” grupos (siendo “n” el último grupo existente en la instalación).

Figura 6.44.  Alimentaciones de grupo mediante sistema paso a paso.

Tal y como podemos observar, las aplicaciones de las válvulas 3/2 realizan la alimentación a cada uno de los grupos. Todas ellas se encuentran cerradas en condiciones iniciales menos la última, que se encuentra en estado de emisión de aire alimentando al último grupo de secuencia.

272

6: Métodos de diseño

Los pilotos neumáticos de cada una de las válvulas han sido identificados como puntos de SET y RESET. Para nosotros, el punto de SET corresponderá al punto donde tendremos que pilotar para que la válvula conmute y así se establezca la alimentación al grupo correspondiente. El piloto identificado como punto de RESET corresponderá al punto donde, aplicando la señal, la válvula conmuta y se pierde la alimentación al grupo. De esta forma, en la primera válvula encontramos: SET, o punto de conexión de grupo 1; RESET, o punto de desconexión de grupo 1; y así sucesivamente.

Un sistema de distribución paso a paso emplea válvulas 3/2 aire – aire, entendiéndose que el pilotaje que abre la comunicación P – A constituye el SET y el que la cierre el RESET.

Las señales de SET son forzadas por los diferentes finales de carrera del ciclo (será una asignación variable en función de la secuencia a realizar). Ha de tenerse en cuenta que las conmutaciones, al igual que en el sistema cascada, deben provocarse cuando se cumplen dos condiciones: Por un lado, el final de carrera correspondiente debe estar activo y, por otro, éste sólo ha de actuar en el momento preciso, es decir, debemos cumplir la condición de que el aire se encuentre en el grupo anterior. Habitualmente estas condiciones se fuerzan utilizando un montaje en serie entre el grupo y el componente o bien utilizando una válvula de simultaneidad. El primer método es más económico, al prescindir de estas válvulas; el segundo método permite alimentar los finales de carrera directamente de la red, por lo que el montaje resulta más sencillo y se presta mejor a futuras modificaciones. De esta forma, circuitos equivalentes serían:

Figura 6.45.  Conexiones de grupo mediante sistema paso a paso.

273

Neumática

Utilización de válvulas de simultaneidad (función lógica AND).

Figura 6.46.  Conexiones de grupo mediante sistema paso a paso.

Montaje de componentes en serie (función AND) En las dos figuras anteriores podemos observar que para ejecutar un cambio al grupo 1, necesitaremos de un elemento informador (final de carrera en función de la secuencia a realizar) y la condición de grupo precedente (en este caso el grupo 3). Para pasar al grupo 2, necesitaremos final de carrera y condición de grupo 1, y así sucesivamente hasta el final de la secuencia. Otro de los puntos importantes serán las señales referentes a las desconexiones de cada uno de los grupos (señales de RESET). Hasta ahora hemos visto cómo ir conectando progresivamente los grupos (orden secuencial). Éstos, poco a poco irían llenándose de aire comprimido hasta el último, de tal manera que todos los grupos tendrían presión. Lógicamente, esto no puede ser así, puesto que no cumpliríamos la norma de contener aire en uno solo de los grupos. Se hace necesario, pues, un sistema de desconexión de los mismos. Las desconexiones son provocadas por los propios grupos, de tal forma que cada uno de ellos es desconectado por el siguiente. De esta forma, cuando nosotros pasemos del grupo 1 al grupo 2, éste desconectará al 1. Cuando pasemos del grupo 2 al grupo 3, éste desconectará al 2. Cuando pasemos del grupo 3 al grupo 1 (siguiente grupo, pues trabajamos en circuitos secuenciales), el 1 desconectará al 3. Veamos ya el esquema definitivo de alimentación para un sistema paso a paso de 3 grupos de señal (alimentación, circuitos de SET y circuitos de RESET).

274

6: Métodos de diseño

Figura 6.47.  Conexiones y desconexiones de un sistema paso a paso.

6.3.5.2.  Ejemplos de resolución. Paso a paso Tal y como podemos observar, desarrollando los circuitos mediante un sistema paso a paso, éstos ya no presentan dificultad dependiendo del número de grupos (sólo pueden ser algo más laboriosos). No obstante, se plantean a continuación algunos ejemplos solucionados mediante este método para una mejor comprensión del mismo.

EJEMPLO 1. ESTAMPACIÓN.

El ejercicio planteado es el mismo que en los sistemas de resolución de memorias en cascada. Para un diagrama de fases dado, se pide el esquema neumático de resolución mediante sistema paso a paso. El croquis de la instalación se muestra a continuación…

Figura 6.48.  Croquis de posición (dispositivo estampador).

275

Neumática

Según el croquis de posición de componentes, la secuencia a realizar por los actuadores queda reflejada en el siguiente diagrama de fases.

Figura 6.49.  Diagrama de fases (ejemplo 1).

Tal y como se ha explicado en páginas anteriores, el sistema de resolución mediante memorias en paso a paso no permite la resolución de sistemas de dos grupos. Si hacemos un planteamiento de secuencia A+ B+ / B - A -, observaremos que en el sistema se producen bloqueos.

Figura 6.50.  Paso a paso de 2 grupos (montaje incorrecto).

Tal y como podemos observar, cuando tratemos de cambiar el aire del grupo 2 al grupo 1, se producirá un bloqueo debido a que la señal de desconexión del grupo 1 se da precisamente desde el grupo 2 de forma directa. Entramos en doble señal neumática en el mismo sistema de distribución.

276

6: Métodos de diseño

Figura 6.51.  Solución de la secuencia (ejemplo 1).

No obstante, el ciclo puede resolverse de una forma muy sencilla, que consiste en introducir un nuevo grupo al azar (donde deseemos). Hay que tener en cuenta que el sistema no resultaría económico (3 memorias para la distribución, siendo una secuencia extremadamente sencilla). El esquema resultante de la resolución, imaginando que la distribución realizada sea A+ / B+ / B - A -, se representa en la figura 6.51.

EJEMPLO 2. DOBLADO DE PERFILES.

277

Neumática

La secuencia que se propone para resolver mediante sistema paso a paso corresponde al ejemplo de resolución 1 mediante sistema en cascada. Se adjunta el croquis de posición y el diagrama de fases correspondiente a la secuencia.

Figura 6.52.  Croquis de posición (doblado de perfiles).

Figura 6.53.  Diagrama de fases (ejemplo 2).

Mediante el desarrollo del sistema de resolución en paso a paso, el esquema correspondiente a la secuencia propuesta resultará:

278

6: Métodos de diseño

Figura 6.54.  Solución de la secuencia (ejercicio 2).

EJEMPLO 3. TRIPLE ESTAMPADO.

El último ejemplo a desarrollar sobre los métodos de resolución paso a paso, corresponde al ejemplo 2 desarrollado en los métodos de resolución en cascada “Triple Estampado”. A continuación se muestra el croquis de posición y el diagrama de fases correspondiente a la secuencia a desarrollar.

Figura 6.55.  Croquis de posición (triple estampado).

279

Neumática

Figura 6.56.  Diagrama de fases (ejemplo 3).

Figura 6.57.  Solución de la secuencia (ejemplo 3).

280

6: Métodos de diseño

Con la visión de estos tres ejemplos de resolución paso a paso se demuestra que el sistema es extremadamente sencillo y repetitivo. Por tanto, un número elevado de grupos no supondrá una gran complejidad sino más bien, algo laborioso en cuento a la ejecución.

281

6: Métodos de diseño

RESUMEN ■

Los sistemas neumáticos de carácter secuencial son expresados mediante diagramas de fases. En ocasiones, las fases pueden dar las indicaciones sobre el tiempo de ejecución de cada uno de los movimientos.

■

Una vez desarrollado un automatismo, cada componente deberá recibir una designación específica la cual permite identificar inequívocamente cada elemento y además indicar la función que tiene en el ciclo.

■

Para la resolución de circuitos neumáticos secuencial que presenten problemas de bloqueo (doble señal neumática), se emplean tradicionalmente los sistemas: resolución por rodillos escamoteables, sistemas cascada o sistemas paso a paso. Estos no representan todas las posibilidades de resolución pero son las más clásicas.

■

Un sistema de resolución mediante memorias en cascada presenta problemas en cuanto a complejidad de conexionado y pérdidas de presión. Tradicionalmente se emplean para la resolución de secuencias que precisen 2 ó 3 grupos de señal.

■

Un sistema de resolución mediante memorias paso a paso resulta extremadamente sencillo en cuanto a conexionado y no presenta pérdidas de presión representativas. Por tanto, se emplean para la resolución de secuencias que precisen un numero de grupos de señal elevado (4, 5, 6...).

■

Un sistema de resolución mediante memorias en cascada emplea válvulas 5/2 aire – aire (en un numero igual a grupos menos una). Ejemplo: para 3 grupos de señal 2 válvulas 5/2 aire – aire.

■

Un sistema de resolución mediante memorias paso a paso emplea válvulas 3/2 aire – aire (en un numero igual a grupos). Ejemplo: para 3 grupos de señal 3 válvulas 3/2 aire – aire.

283

7 UNIDAD DIDÁCTICA

7

Neumática

7.  Lógica neumática

7: Lógica neumática

ÍNDICE OBJETIVOS................................................................................................................................................................ 289 INTRODUCCIÓN....................................................................................................................................................... 290 7.1.  Células lógicas..................................................................................................................................................... 291 7.1.1.  Función lógica SI................................................................................................................................................. 291 7.1.2.  Función lógica NO............................................................................................................................................... 295 7.1.3.  Función lógica AND............................................................................................................................................. 297 7.1.4.  Función lógica OR............................................................................................................................................... 299 7.1.5.  Función Lógica NAND (NO – AND)........................................................................................................................ 301 7.1.6.  Función lógica NOR (NO – OR)............................................................................................................................. 302 7.1.7.  Función lógica “Inhibición”.................................................................................................................................... 303 7.1.8.  Función lógica “Implicación”.................................................................................................................................. 304 7.1.9.  Resumen de funciones lógicas.............................................................................................................................. 305 7.1.10.  Combinación de funciones.................................................................................................................................. 307 7.1.11.  Otras válvulas (lógica)......................................................................................................................................... 308 7.2. Registros.............................................................................................................................................................. 313 7.2.1.  Elementos de una estación................................................................................................................................... 313 7.2.2.  Funcionamiento de una estación............................................................................................................................ 315 7.2.3.  Simbología de los registros................................................................................................................................... 322 7.3.  Ciclos de un registro........................................................................................................................................... 324 7.3.1.  Ciclo base 1....................................................................................................................................................... 324 7.3.2.  Ciclo base 2....................................................................................................................................................... 327 7.3.3.  Bifurcación simultánea......................................................................................................................................... 330 7.3.4.  Bifurcación selectiva............................................................................................................................................ 333 7.3.5.  Salto de secuencia.............................................................................................................................................. 335 7.3.6.  Repetición de secuencia....................................................................................................................................... 337

RESUMEN................................................................................................................................................................... 339

287

7: Lógica neumática

OBJETIVOS ■ ■ ■

Conocer el tratamiento digital de la información neumática en base a las denominadas puertas lógicas (implementadas en función neumática mediante las células lógicas). Conocer la equivalencia entre los circuitos que trabajan con células lógicas y los que implementan mediante componentes convencionales. Conocer las células lógicas a nivel individual para poder posteriormente incorporarlas a circuitos complejos, formando de este modo los sistemas de mando tradicionales (desde los básicos hasta los complejos).

■ ■ ■

Conocer la diferencia a nivel físico entre los componentes convencionales y las células lógicas. Del mismo modo, conocer las técnicas de montaje de estas últimas. Conocer el funcionamiento interno de los registros neumáticos en sus diferentes variantes y poder con ello comprender los sistemas de mando neumáticos avanzados. Conocer las diferentes posibilidades de mando mediante registros, analizando para ello diferentes circuitos que por su complejidad, suelen emplear registro (si se opta por mando neumático).

289

Neumática

INTRODUCCIÓN

A la hora de realizar automatizaciones complejas de ciclos basados en técnicas de fluidos (neumática principalmente), puede optarse por el empleo de componentes de carácter convencional como los tratados hasta el momento o por componentes denominados lógicos. Estos últimos presentan un dimensionado especialmente pequeño, lo cual los hace aptos para la miniaturización del control al mismo tiempo que presentan las ventajas propias del tratamiento lógico, común para las diferentes tecnologías que se puedan presentar para los controles de ciclo. Como elementos base para el estudio podemos encontrar las células lógicas convencionales (funciones AND, OR, NAND, NOR, etc.), así como elementos complejos desarrollados con objeto de cumplir funciones de mando como son los denominados registros neumáticos. Estos, no dejan de ser más que elementos ya conocidos integrados en una mecánica propia (en función del fabricante), la cual nos permitirá la ejecución de ciclos de mando complejos con una simplicidad sin precedentes.

290

Este capitulo tratará los dos elementos base, es decir, células lógicas y registros abordando además el desarrollo de ciclos complejos en un tratamiento “todo aire”. El estudio de los registros neumáticos será en base al diseño concreto de la mecánica CROUZET® y JOUCOMATIC® (pueden darse pequeñas diferencias de funcionamiento con respecto a otros fabricantes). Se debe tener en cuenta, que tanto células como registros constituyen el mando de la aplicación. Por tanto, se entiende que actuadores y válvulas direccionales son elementos convencionales que se integran con “otros” componentes de mando.

7: Lógica neumática

7.1.  Células lógicas Las células lógicas neumáticas constituyen la base de tratamiento de la información de un circuito todo aire. Estas pueden ser básicas o complejas y su empleo vendrá determinado por la complejidad del mando tratado. Empezaremos con el análisis de las funciones básicas SI, NO, AND, OR y completaremos con funciones combinadas como son las NAND, NOR, Inhibición e Implicación. Se debe destacar, que el trabajo con células lógicas corresponde tan solo al mando de la aplicación, lo cual las combina con los componentes tradicionales (nivel de potencia de la aplicación). Su aspecto es un tanto diferente con respecto a los componentes convencionales (tienden a la miniaturización de los componentes) y su simbología varía.

7.1.1.  Función lógica SI Una función lógica SI a nivel neumático es entendida como una función de amplificación. Por tanto, una señal de entrada X debilitada en presión por efecto del sistema o bien por su naturaleza puede ser convertida en una señal de alto nivel (elevada presión) a través de esta función. Un ejemplo representativo lo encontramos en el montaje serie de varias señales; es conocido que cuando el aire circula a través de varios componentes se produce una pérdida de presión. Esta pérdida puede provocar un no accionamiento sobre el sistema o bien un retardo en el mismo. La aplicación de una función lógica SI solucionará el problema al aportar una respuesta instantánea a la señal recibida.

Como PÉRDIDA DE CARGA o PÉRDIDA DE PRESIÓN (de ahora en adelante DP), se entiende la diferencia de presión medida entre la boca de entrada y salida del elemento analizado. Esta no es constante y depende principalmente del caudal circulante por el mismo.

291

Neumática

Figura 7.1.  Defectos en la ejecución por pérdidas de presión.

Las puertas SI reaccionan ante presiones de accionamiento extremadamente débiles por lo que pueden solucionar este tipo de defectos sin mayor problema. La presión de conmutación de una célula lógica es de aproximadamente 0,2 bar. La presión de salida: común neumática (máximo 10 bar). En el ejemplo anterior, puede darse el caso de que la pérdida de carga ejecutada por todos los elementos de mando de cómo resultado una presión de piloto para el distribuidor 5/2 insuficiente (por debajo de los 3 bar). El sistema puede corregirse mediante un amplificador de respuesta baja tal y como muestra la figura 7.2.

Analizando el esquema presentado en la figura 7.1, puede darse el caso de cumplir todos los accionamientos en un instante de tiempo t1. La pérdida de presión hace que el sistema se comporte como un temporizador y puede provocar errores, ya que si antes de ejecutarse la conmutación se pierde alguna de las señales emisoras el sistema no actúa.

292

7: Lógica neumática

Figura 7.2.  Función clásica de un amplificador neumático.

Como se puede apreciar, ante el cumplimiento de todas las señales el sistema actúa sobre el amplificador (baja presión de respuesta). Esta señal se transforma automáticamente a un nivel de presión mayor (se entiende que al valor de alimentación del amplificador, por ejemplo 7 bar). La señal de alto nivel ejecuta la conmutación del distribuidor y el sistema reacciona forzando la actuación del dispositivo controlado).

Un amplificador neumático precisará de 3 puntos de conexión. Se precisa un punto para el conexionado de la señal a amplificar (señal de bajo nivel), un punto de salida o señal de alto nivel y la alimentación del mismo. El valor de presión de alimentación corresponderá al alto nivel de salida descontándose la pérdida de carga generada por el propio amplificador. De este modo, la tabla de verdad del componente corresponde a...

293

Neumática

Tal como se muestra en la tabla de verdad, la célula lógica SI aparentemente no parece tener funciones de importancia ya que corresponde a un accionamiento donde si se recibe señal de entrada, se dispone de salida y si no se dispone de la entrada, tampoco de la salida. Evidentemente la importancia de la misma radica en los niveles de presión ya que una entrada extremadamente baja (por ejemplo 0,3 bar), puede ser convertida a niveles de salida superiores (por ejemplo 7 bar).

La función de una amplificador puede ser simulada mediante componente convencional a través de válvulas 3/2 de accionamiento neumático y retorno mediante muelle (3/2 normalmente cerrada).

294

7: Lógica neumática

Figura 7.3.  Función lógica SI. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

El pilotaje corresponde a la señal a amplificar, la salida (2 / A) a la señal amplificada y la alimentación (1 / P) a la entrada de nivel alto. Evidentemente mediante este accionamiento se cumple la tabla de verdad pero deben de tenerse en cuenta las presiones mínimas de accionamiento para estas válvulas (en especial trabajando con “muelles neumáticos”).

7.1.2.  Función lógica NO La función lógica NO es una de las más representativas e importantes dentro del campo de la neumática lógica, ya que aparte de poderse emplear como función individual, puede ser combinadas con otras funciones lógicas básicas para derivar en funciones lógicas complejas (por ejemplo una puerta NAND es la asociación entre una puerta básica AND con una puerta básica NO; es decir, una puerta NO AND ó NAND). Las células NO también son conocidas como inversoras, complementadoras, etc. No obstante, todas estas funciones corresponden a la inversión de un valor entendiendo que la aplicación de una puerta NO permite obtener una respuesta si la entrada no esta presente y al contrario (perder la salida cuando aparece la entrada). La tabla de verdad corresponde a...

295

Neumática

Del mismo modo que en una célula SI se dispone de 3 puntos de conexión (alimentación, señal inversora y salida). Un montaje mediante componente convencional emplea para la ejecución de la función una válvula 3/2 de pilotaje neumático y retorno muelle normalmente abierta.

Una de las aplicaciones más frecuentes que encontramos para las inversiones corresponde a la obtención de aire comprimido para poder operar sobre un sistema cuando un determinado elemento no se encuentra activo. De este modo un emisor 3/2 (podría conseguirse la función mediante una 5/2) puede decidir la ejecución de dos acciones diferentes con aire positivo. En función de la activación o no de un emisor (en este caso un accionamiento manual), se abre la operación al sistema 1 ó 2 pero siempre con aire positivo.

Un célula lógica NO es algo tan sencillo como una válvula 3/2 normalmente abierta. Su empleo será de suma importancia ya que es algo frecuente negar o complementar un valor neumático.

296

7: Lógica neumática

Figura 7.4.  Ejemplo del empleo de una negación (función lógica NO).

7.1.3.  Función lógica AND Ver funcionamiento de válvulas de simultaneidad. Las funciones lógicas AND corresponden a las denominadas válvulas de simultaneidad dentro del automatismo neumático clásico. A diferencia de las funciones SI o NO, este tipo de válvulas disponen de 2 entradas y una salida. Para que exista una emisión de aire en salida, se precisa de la presencia de las dos entradas (por tanto, la pérdida de una de estas constituye el incumplimiento de la función y por tanto la pérdida de la salida). Evidentemente, la función de este tipo de accionamientos corresponde a permitir un accionamiento cuando se cumplan 2 o más condiciones (por ejemplo, accionamiento de un cilindro al activar 2 pulsadores). Se debe tener en cuenta, que la salida se da cuando existe presencia de las entradas pero no analiza el tiempo (por tanto no constituyen mandos de seguridad como un “bimanual” de accionamiento. De cara al montaje, este tipo de elementos puede darse para el montaje sobre zócalo (habitual dentro de las funciones lógicas, bien sea unitario o agrupado) o bien como válvula aérea (para entubado directo).

297

Neumática

Figura 7.5.  AND sobre zócalo múltiple (integra 3 puertas AND). Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

La tabla de verdad corresponde a...

Como puede observarse, algunos fabricantes ofertan una placa integrante con varias funciones (por ejemplo AND). Su simbología...

298

7: Lógica neumática

Figura 7.6.  AND sobre zócalo múltiple (integra 3 puertas AND). Simbología.

Al igual que en las válvulas de simultaneidad, debe tenerse en cuenta que la entrada de una válvula puede ser simple (elemento directo) o bien una función lógica antecesora. De este modo, si se precisa asegurar un número X de señales, se precisará un total de funciones equivalentes a las señales a tratar menos 1. Como ejemplo, para el aseguramiento de 4 señales neumáticas (a, b, c y d) se precisará un total de 3 funciones lógicas de 2 entradas.

Figura 7.7.  Producto lógico (4 señales, 3 puertas de 2 entradas).

7.1.4.  Función lógica OR Ver funcionamiento de válvulas selectoras de circuito. Una función lógica OR corresponde a las denominadas válvulas selectoras dentro del automatismo neumático convencional. Este tipo de válvulas también presenta dos entradas y una salida (por tanto, para asegurar efecto entre más de dos señales emplearemos tantas funciones como señales menos una). Del mismo modo que las funciones AND, pueden presentar montaje sobre zócalo (unitario o múltiple o montaje aéreo).

299

Neumática

Figura 7.8.  Función lógica OR (montaje aéreo). Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

La función de este tipo de funciones corresponde a emitir una señal neumática cuando está presente alguna de sus entradas (incluso todas). Todo el proceso se ejecuta impidiendo la fuga de aire comprimido a través de los escapes de otros emisores. No obstante y como idea fundamental...

Una función lógica OR permite el direccionamiento de un fluido desde varios puntos hacia un único destino. Si desde un punto se quiere derivar hacia varios, será suficiente con una T de derivación.

La tabla de verdad corresponde a...

Uno de los ejemplos clásicos corresponde al accionamiento de una válvula desde cualquiera de 2 ó más puntos. Nosotros en este caso emplearemos la función para la medición de presión y activación de un presostato desde las cámaras de avance o retorno de un cilindro.

300

7: Lógica neumática

Figura 7.9.  Función lógica OR (ejemplo de aplicación).

7.1.5.  Función Lógica NAND (NO – AND) Una función lógica NAND corresponde básicamente a la agrupación de una función lógica AND cuya salida se niega mediante un inversor. De este modo, puede concebirse como una función agrupada. Comercialmente es tan sólo un elemento que cumple dicha función pero no existe mayor problema en la implementación mediante la agrupación de los componentes anteriormente indicados. Se entiendo por tanto...

La simbología normalizada corresponde a la negación (gráficamente un punto) sobre la salida de la función lógica AND.

La tabla de verdad corresponde a...

301

Neumática

Como puede observarse en la tabla, la función tan sólo responde deja de emitir cuando se cumple la doble entrada. Este tipo de puertas, por ejemplo se hace adecuada para la desconexión de válvulas ante una doble aparición de señal, es decir, cuando se activen dos emisores simultáneamente se perderá la señal de alimentación.

7.1.6.  Función lógica NOR (NO – OR) Al igual que las puertas NAND, las puertas NOR son la agrupación de una puerta OR negada a su salida. Puede implementarse mediante el montaje agrupado o bien (y más sencillo), mediante la célula integrada. El desarrollo de la función corresponde a...

La simbología normalizada corresponde a la negación (gráficamente un punto) sobre la salida de la función lógica OR.

La tabla de verdad corresponde a...

302

7: Lógica neumática

7.1.7.  Función lógica “Inhibición” Al igual que en una función lógica NAND, la inhibición emplea la combinación de una puerta AND y un inversor. La diferencia radica en que la NAND aplica la negación en su salida y por tanto se niega el producto lógico mientras que la inhibición niega una de sus entradas. Se entiende que resulta adecuado su empleo cuando se pretende trabajar con el producto de dos señales (una en presencia y otra en no presencia). La señal de no presencia (proveniente por ejemplo de un emisor 3/2), no aporta aire positivo y por tanto no puede ser analizado en una función AND a no ser que sea negado (señal de 0 a 1 o viceversa). El desarrollo de la función corresponde a...

La simbología normalizada corresponde a la negación (gráficamente un punto) sobre la entrada negada de la función lógica AND.

Se entiende que en la puerta una de las señales de entrada es la que recibe la negación. En la siguiente tabla de verdad se considera que será x la señal negada correspondiendo esta a...

303

Neumática

7.1.8.  Función lógica “Implicación” En esta función se aplica una puerta OR y una negación, pero a diferencia de las puertas NOR, la negación es aplicada a una de las entradas (en nuestro ejemplo señal x) y no a la suma lógica. El desarrollo de la función corresponde a...

La simbología normalizada corresponde a la negación (gráficamente un punto) sobre la entrada negada de la función lógica OR.

La tabla de verdad corresponde a...

304

7: Lógica neumática

Las funciones lógicas Inhibición e Implicación son unas de las más utilizadas. Su empleo aligera el circuito de válvulas y simplifica el conexionado de las mismas.

7.1.9.  Resumen de funciones lógicas Hasta ahora, se han analizado las funciones más representativas de la lógica neumática. Para facilitar el conocimiento de las funciones se agrupan en una tabla resumen.

305

Neumática

306

7: Lógica neumática

7.1.10.  Combinación de funciones Como hemos podido comprobar, existen células lógicas neumáticas para la implementación de las diferentes funciones que se puedan precisar en un circuito. Tan solo destacar que se ha realizado un estudio de las mismas de modo unitario, si bien en los circuitos se suelen precisar combinaciones de las mismas. En algunas ocasiones, estas combinaciones son frecuentes y los fabricantes nos ofrecen bloques compactos funcionales pero si nuestras condiciones son particulares, de formar las funciones mediante el entubado de diferentes células base. Como ejemplo de bloque funcional, FESTO ® ofrece un módulo de arranque diseñado para funciones de Marcha (manual / automático), Ciclo (único / continuo), Reset, Paro y Emergencia.

Veremos un ejemplo de accionamiento lógico con diferentes funciones conexionadas entre si. El ciclo deberá realizar las siguientes funciones: Un cilindro debe ejecutar avance al activar dos pulsadores de forma simultánea (señal a y b) o bien al activar sobre una palanca neumática (señal c). Independientemente del la opción seleccionada para arrancar, se precisa que exista presencia de un detector de posición a0 (señal d) y un detector de presencia de pieza (señal e). Además y de forma incondicional, será necesaria la no presencia de un detector de pieza (señal f). El retorno se ejecuta al activar el detector de máxima posición a1 (señal g). Como condición encontramos que TODOS los detectores de ciclo (señales a, b, c...g) corresponden a válvulas 3/2 NC sin posibilidad de inversión a 3/2 NA.

Solución al ejemplo de accionamiento. Se pretende formar dos ecuaciones lógicas que describen cada pilotaje de válvula o accionamiento final (ecuaciones para A+ y A-). Estas corresponden a...

A + = [(a ⋅ b) + c)] d ⋅ e ⋅ f

A-=g

Gráficamente, la solución corresponde al siguiente esquema de control...

307

Neumática

Sobre la solución gráfica aportada al ejemplo, completa los resultados lógicos de cada operación (en los cuadros sombreados) y compara con el accionamiento esperado para el mismo.

Desarrolla un esquema lógico para el cumplimiento de la siguiente ecuación lógica:

A = (a · b · c ) + ( d · e) + (f + g) + h

7.1.11.  Otras válvulas (lógica) En este apartado trataremos principalmente dos elementos importantes que integran los circuitos lógicos neumáticos. Corresponden a las memorias (biestables neumáticos para el tratamiento lógico) que aparecen cumpliendo funciones 3/2 ó 5/2 a nivel de mando (direccionan caudales reducidos y por tanto no son adecuados como controles de potencia); el segundo elemento corresponde a los relés neumáticos para la captación de la caída de presión, dedicados habitualmente a la detección de posición de un cilindro (su empleo evita la colocación de detectores de posición mecánicos –finales de carrera).

Memorias Ver válvulas neumáticas 3/2 y 5/2 doble piloto neumático. Una memoria o biestable neumático corresponde a una válvula convencional 3/2 ó 5/2 de doble piloto neumático (memorización de sus dos posiciones). En el primer caso, se memoriza la conexión o desconexión del elemento mientras que en el segundo, se memoriza la distribución hacia una u otra aplicación. En el caso concreto de las memorias 3/2, la simbología corresponde a...

Una señal aplicada sobre x1, provoca la puesta a 1 de la memoria o lo que es lo mismo, provoca una salida sobre X. Una señal sobre x0, borra o pone a 0 la salida. En el caso de trabajos con memorias convencionales, la aplicación simultánea de señales x0 y x1 provoca el bloqueo pero si se trabaja con pilotos diferenciales, se puede optar por una prioridad (para el SET o RESET de la memoria).

308

7: Lógica neumática

De ahora en adelante, entendemos SET como conexión de un dispositivo y RESET como desconexión del mismo. Prioridad a SET o RESET hace referencia al comportamiento del dispositivo en caso de un doble mando.

Para marcar una prioridad indicaremos una pequeña línea sobre la misma.

Es importante recordar que existen válvulas con prioridad ya que los registros neumáticos trabajan con una célula de memoria 3/2 con prioridad RESET.

En las células de memoria 5/2, se trabaja con idénticas señales de control x0 y x1 pero con doble salida (X y su complementación). De este modo, una señal sobre x0 proporciona salida en el canal negado y una señal sobre x1 sobre su inverso. Pueden darse con prioridad de canal.

Su montaje (tanto en 3 como en 5 vías), corresponde a la integración sobre zócalo. Su acople en circuito con células lógicas resulta por tanto extremadamente cómodo, limpio y sencillo.

309

Neumática

Figura 7.10.  Memoria 5/2 sobre zócalo. Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

Relé captador de caída de presión Este tipo de válvula, resulta muy interesante a la hora de realizar la captación de la posición de un cilindro. Habitualmente, este queda reservado a los finales de carrera pero hay aplicaciones en los que el empleo de los mismos no resulta cómodo o adecuado. Para estas aplicaciones, este tipo de componentes puede resultar una solución interesante. Su funcionamiento se basa en la caída de la contrapresión que se da en las cámaras de un cilindro neumático. Se debe tener en cuenta... ■■ Cuando un cilindro se encuentra al avance, sobre la cámara de retorno se genera una cierta contrapresión. El detector en estos momentos no emitirá (función de inversión). Cuando el movimiento concluye, la presión pasa a ser atmosférica y por tanto la negación de la célula pasa a emisión. ■■ Del mismo, cuando el cilindro se encuentra en movimiento de retorno se experimentan los mismos efectos (contrapresión en cámara inversa hasta que el movimiento concluye). El relé invierte la señal y tenemos función de detección. Veremos un esquema de aplicación donde se muestra claramente el funcionamiento de estos componentes...

310

7: Lógica neumática

Para el empleo de este tipo de detección, es necesario que durante los movimientos se genere una cierta contrapresión sobre las cámaras de descarga. Por este motivo, se instalan reguladores de caudal (aplicación típica de los actuadores neumáticos).

Reguladores de caudal Existentes en formato lógico, su funcionamiento es idéntico a los explicados con anterioridad (ver válvulas reguladores de caudal).

Figura 7.11.  Regulador de caudal para montaje sobre zócalo (lógica).

311

Neumática

Temporizadores Existentes en formato lógico, su funcionamiento es idéntico a los explicados con anterioridad (ver válvulas temporizadoras).

Figura 7.12.  Temporizador para montaje sobre zócalo (lógica). Por gentileza de FESTO Pneumatic S.A.

312

7: Lógica neumática

7.2.  Registros Un registro neumático es un bloque modular de mando compuesto por un número x de estaciones (dependiendo de la complejidad de la secuencia). Cada estación puede utilizarse para el control de una fase de trabajo o bien para el control de un grupo neumático.

Para la realización de secuenciales neumáticos de cierta complejidad se deben establecer grupos de resolución. Trabajando con registros se emplean las mismas bases a la hora de establecer los grupos que en las aplicaciones convencionales.

Lo más recomendable es trabajar una estación por grupo (varias fases de trabajo en un mismo grupo), ya que la resolución será más económica. Como ejemplo encontramos que si una secuencia precisa de la generación de 6 grupos en una aplicación convencional, será necesario un registro con 6 estaciones. Los registros son configurables en número de estaciones ya que disponen de un sistema de machihembrado que permite una rápida configuración. Un registro se debe cerrar en extremos mediante placas de inicio y fin.

Figura 7.13.  Configuración modular de un registro.

7.2.1.  Elementos de una estación Una estación de registro está compuesta por una célula de memoria 3/2 con prioridad RESET, una puerta lógica AND (podemos encontrar alguna aplicación especial) y por una puerta OR. Dispone de un total de 8 orificios, 6 de los cuales conectan directamente con las placas anterior y posterior gracias al machihembrado. De este modo, tan sólo quedan 2 orificios conexionables que corresponden a las designaciones 1 y 3. 1 corresponde a la entrada de transición (es decir, la señal que permitirá el transito a la siguiente estación), mientras que 3 corresponde a la señal de salida de la estación (aire con el que ejecutaremos los movimientos correspondientes a la etapa en cuestión). Los orificios laterales de conexión directa por machihembrado (no conectables por tubo exceptuando si es primera o ultima etapa – gracias a las tapas INICIO / FIN), corresponden a las designaciones 4, 5, 6, 7 y 2 por duplicado.

313

Neumática

Antes de proceder a la explicación de la etapa, veamos su esquema interno de conexión...

Figura 7.14.  Esquema interno de una estación de registro.

La comprensión de este esquema resultará fundamental para entender correctamente el funcionamiento y las posibilidades que ofrecen los registros neumáticos. Se debe prestar una especial atención a las descripciones de funcionamiento del mismo.

Antes de comenzar la explicación, identificaremos la función de cada uno de los orificios que presenta una estación. Luego, describiremos gráficamente el funcionamiento. 1

Señal de tránsito. Una señal neumática aplicada al orificio 1 hace que saltemos a la siguiente etapa de registro. Para ello se ha de cumplir la condición adicional de que la propia etapa se encuentre activa.

2

Orificio de alimentación para la estación. Es pasante por tanto se entiende que alimentaremos por 2 y el aire correrá alimentando a todas las células de memoria 3/2. En la tapa final deberemos cerrar para evitar las pérdidas de aire (en algunas ocasiones este punto 2 de salida se emplea para la alimentación en serie de otros registros si existiesen.

3

Señal de salida. Cuando una estación se encuentra activa, emite aire comprimido por el orificio 3. Este aire es utilizado para la ejecución de los trabajos propios de grupo.

4

Señal para la conexión de la primera memoria 3/2. Si existe aplicación de aire sobre este punto y NO EXISTE señal sobre el Reset, la memoria es conectada. Recordar que la memoria presenta prioridad al RESET.

5

Señal en línea. Siempre que alguna de las estaciones del registro este trabajando, existirá presencia de aire comprimido sobre el punto número 5. Inicialmente consideraremos que ha de taponarse para evitar pérdidas de aire pero más adelante comprobaremos que este punto puede conexionarse con otros puntos de registro para ejecutar ciclos complejos de automatización.

314

7: Lógica neumática

6

Señal fin de ciclo. Se obtiene una señal neumática por el orificio 6 cuando la estación ha terminado su trabajo.

7

Señal RESET. Una aplicación de aire comprimido por el orificio 7 resetea todas las estaciones de registro, dejándolo en una condición inicial.

Un registro neumático es un componente de mando. Por ello, su utilización no exime del empleo de válvulas de potencia para el control de los actuadores.

7.2.2.  Funcionamiento de una estación Una estación ha de conectarse para realizar un trabajo. Para ello se entiende que la estación debería encontrarse desconectada (no recibir señal por el orificio 7). Esto es necesario ya que si se encontrase una señal fijada sobre el RESET, la estación no conectaría al ser prioridad a la desconexión.

Figura 7.15.  Paso 1.

PASO 1 y 2: si una señal 4 es aplicada sobre el registro y sobre la memoria no existe señal de RESET, esta conecta. El aire de alimentación (evidentemente el registro esta alimentado por 2), es obtenido en la salida 3. Este aire será empleado para la ejecución de los trabajos asociados a la etapa pero al mismo tiempo esta preparando el tránsito a la siguiente (observar fijación de señal sobre la puerta AND a la espera de la señal de transición 1). Además, el aire pasa a través de la función OR para ser obtenido por 5 (indicación de que el registro esta trabajando). Este orificio ha de taponarse para evitar la fuga del fluido.

315

Neumática

Figura 7.16.  Paso 2 (corrección; tapón sobre 5).

Figura 7.17.  Paso 3.

PASO 3 y 4: cuando el trabajo del grupo se ha ejecutado, un emisor de señal informará de la transición inyectando aire por 1. Se cumple la función AND y esta emite conexionando el siguiente módulo por 4; este, será el encargado de provocar la desconexión de esta estación inyectando por 7 gracias al sistema de selectoras.

316

7: Lógica neumática

Figura 7.18.  Paso 4.

PASO 5: La señal enviada desde el módulo 2, desconecta al anterior (incluso si aun persiste la señal de arranque).

Figura 7.19.  Paso 5.

Este paso se repetirá tantas veces como estaciones tengamos. Una vez comprendida la mecánica, el efecto es repetitivo. Veamos una tercera estación... Si aparece una señal sobre 1 (de la segunda estación), esta conecta a través de la función AND a la tercera.

317

Neumática

Figura 7.20.  Paso 6.

La señal procedente del sistema selector de la estación desconecta a la estación 2...

Figura 7.21.  Paso 7.

Aunque la estación 2 sea desconectada, hay que observar que el sistema selector mantiene la desconexión de las estaciones 1 y 2.

En un registro, cada estación mantiene el RESET forzado para todas sus anteriores. Como ejemplo, si nos encontramos en la estación número 6, esta mantendrá desconexión desde la 1 a la 5. El objeto consiste en: una vez que ha trabajado una estación, se desconecta y de este modo no genera dobles señales.

Como podemos observar, un registro no es más que un desplazamiento secuencial entre etapas donde se van desarrollando las acciones. Para pasar de una etapa a otra se precisa del aporte de una señal exterior y la propia conexión de etapa. Como ejemplo de registro de 4 estaciones tenemos...

318

7: Lógica neumática

La etapa 1 se conecta aportando aire por 4 y entendiendo el registro en desconexión. La etapa 2 se conecta aportando aire por 1 (etapa 1) si la estación 1 está activa. La etapa 3 se conecta aportando aire por 1 (etapa 2) si la estación 2 está activa. La etapa 4 se conecta aportando aire por 1 (etapa 3) si la estación 3 está activa. La etapa 4 se desconecta forzando un puente entre 6 y 7 (señal fin de ciclo con señal de RESET). El ciclo puede volver a iniciarse.

Figura 7.22.  Paso 8. Trabajo en estación 4 y desconexión de anteriores.

Veremos ahora la desconexión sobre etapa 4. Cuando se aporte la señal de confirmación de trabajo (1 de estación 4), la célula AND emite por 6 (fin de ciclo). La señal se emplea para resetear por puente con 7.

Figura 7.23.  Paso 9. Desconexión.

319

Neumática

El aire que entra por el orificio 7, resetea la memoria. Se pierde el aire sobre la entrada de AND y esta dejará de emitir...

Figura 7.24.  Paso 10. Desconexión.

La pérdida de aire en la AND, deja de inyectar aire por 7. El registro ya no dispone de aire en la línea de desconexión. Estamos preparados para ejecutar un nuevo ciclo.

Práctica las conexiones y desconexiones de las diferentes líneas mediante un esquema de registro de 6 estaciones. Utiliza para ello el siguiente esquema y ayúdate de colores.

320

7: Lógica neumática

321

Neumática

Variantes de memoria Tal y como se ha analizado, los registros neumáticos presentan en su interior una memoria 3/2 con prioridad al Reset. Esta memoria presenta además la característica especial de un bloqueo mecánico para la retención de la posición en caso de no alimentar al registro (seguridad ante pérdidas en la alimentación por orificio 2). Este bloqueo de accionamiento monoestable, es retirado ante la presencia de presión y es activado por un resorte en caso de pérdida de la misma. Mecánicamente el efecto se consigue mediante...

Figura 7.25.  Bloqueo mecánico de la corredera.

Existe también una variante donde la ausencia de aire en la alimentación, devuelve el freno a posición de bloqueo pero este fuerza el cierre o desconexión de la memoria mecánicamente. Se entiende por tanto que en las unidades convencionales, si existe una pérdida de presión el registro se encuentra memorizado; la recuperación de la misma supone la continuidad de la secuencia desde el paso donde se bloqueo. Por el contrario, una unidad con reposición ante la pérdida de aire resetea el registro mecánicamente y la secuencia deberá comenzar desde el inicio (previa reposición de la potencia del sistema).

7.2.3.  Simbología de los registros Un registro neumático se simboliza mediante el marcado de las placas de conexión (INICIO y FIN). Entre ellas, se representan las estaciones (variables en función de la secuencia a ejecutar). Cada placa corresponde simbólicamente a...

322

7: Lógica neumática

Figura 7.26.  Simbología de las tapas INICIO / FIN.

Las estaciones de registro (convencionales), se representan mediante un cuadro y su diagonal. En zona superior encontramos la salida de estación (orificio 3) y en la zona inferior la señal de tránsito (orificio 1). Como ejemplo, para un registro de 6 estaciones encontramos una simbología...

Figura 7.27.  Simbología registro completo (6 estaciones de trabajo).

Un asterisco sobre la estación indica que se esta trabajando con elementos que forzaran el borrado en caso de pérdidas en la alimentación.

Figura 7.28.  Simbología registro completo (6 estaciones de trabajo). Borrado de la memoria por pérdidas de presión.

Existen algunas estaciones donde se incorporan componentes para un tratamiento más específico de la información de entrada. De este modo podemos encontrar estaciones donde sus entradas reciben específicamente informaciones de captadores de caída de presión, ejecutan temporizaciones, amplifican la señal de entrada, reciben información de electroválvulas, etc. Algunos ejemplos los encontramos en...

Figura 7.29.  Estación para captación de caída de presión, estación temporizadora, estación amplificadora.

323

Neumática

7.3.  Ciclos de un registro Los registros neumáticos constituyen componentes avanzados de mando, los cuales permiten la realización de automatizaciones desde simples hasta complejas (preferentemente este será su campo de aplicación). Comenzaremos desarrollando ciclos base y posteriormente analizaremos ciclos complejos de bifurcación, salto y repetición. Para simplificar el esquema, tan sólo se anotaran los detectores empleados en ciclo sin su representación (centrándonos tan sólo en el funcionamiento de registro). Estos detectores pueden ser de diversa índole (finales de carrera, detectores de caída de presión, etc.).

7.3.1.  Ciclo base 1 Partiremos de un ciclo que ha de ejecutar secuencia A+ B+ B- A-. Evidentemente se trata de un ciclo de doble señal, donde ha de aplicarse un método de resolución (por ejemplo, empleo de registro). Podemos plantear una resolución basada en una estación de registro por fase de trabajo o realizar una división por grupos.

Los ciclos neumáticos que presentan doble señal han de diferenciarse por grupos. Cada grupo no puede contener 2 movimientos de un mismo actuador. Recordar divisiones en métodos sistemáticos de resolución.

Para la secuencia dada, dos grupos serán suficientes (A+ B+ / B- A-). En este primer ejemplo, se representará la potencia del sistema (en ambas soluciones), lo cual será omitido en posteriores ejemplos. Se entiende que la potencia corresponde a cilindros de doble efecto gobernados por biestables 5/2 convencionales (caudales de potencia importantes). La detección: finales de carrera 3/2 NC.

324

7: Lógica neumática

Figura 7.30.  Solución ejemplo base 1.

Figura 7.31.  Solución ejemplo base 1 (simplificada).

En las figuras 7.30 y 7.31 se representa una solución de asignación de estación por fase de trabajo. Evidentemente resulta extremadamente sencillo este tipo de solución pero no económica. Otra posibilidad, es la ya comentada de trabajo por grupos. La secuencia se soluciona mediante dos estaciones (una por cada grupo de señal).

325

Neumática

Figura 7.32.  Solución por grupos para ejemplo base 1 (simplificada).

De ahora en adelante, la representación empleada corresponderá a la identificada en la figura 7.32. El funcionamiento corresponde a... Si se activa sobre 4 con una señal neumática procedente del sistema de arranque (el cual puede ser simple o complejo) y el registro se encuentra reseteado, la estación 1 se conecta. El aire obtenido sobre 3 pilota directamente sobre el distribuidor que controla al actuador A para obtener el movimiento de avance. Cuando este se confirme, el cumplimiento de la función AND (etapa 1 y final de carrera a1), ejecuta el movimiento B+. Confirmado el avance de B, la señal b1 aporta tránsito a la segunda etapa y esta borrará la primera (evitando de este modo las doble señales). Ya en la estación 2, se ejecuta B- y posteriormente A- (cumplimiento AND). Terminado el trabajo de la estación 2 confirmado por a0, el registro emite aire por el orificio 6 que al estar puenteado con 7, ejecuta el RESET para el registro. Este es borrado y estamos en disposición de ejecutar un nuevo ciclo. La modificación de los ciclos base si se trabaja con registro resulta extremadamente cómoda. Si por ejemplo se desea incorporar un sistema de emergencia, con muy pocas modificaciones seremos capaces de lograrlo. Planteamos en el siguiente ejemplo un ciclo idéntico con una seguridad 5/2 de enclavamiento. La aparición de esta señal, ha de provocar el borrado del registro y el retorno incondicional y simultáneo de los actuadores. 3 funciones lógicas OR serán suficientes. 2 de ellas corresponderán a la doble opción de pilotos menos de los actuadores A y B, mientras que la tercera función establecerá la doble opción de borrado de registro (la primera opción: ciclo normal de ejecución por puente 6-7; la segunda opción: borrado exterior por ciclo de emergencia).

326

7: Lógica neumática

Figura 7.33.  Ciclo base 1. Resolución con sistema de reposición y puesta a cero.

Recordar que el orificio 7 conecta con todos los borrados de memoria. Siendo estos prioritarios, la sola aportación de una señal neumática por el mismo reseteará por completo el registro. Hasta que la señal no sea retirada, no se permitirá un nuevo arranque de la aplicación incluso si persiste una señal de arranque sobre el orificio 4.

7.3.2.  Ciclo base 2 Plantearemos ahora un sistema donde encontraremos más de un movimiento por actuador e incluso movimientos simultáneos en algunas fases de trabajo. Conocemos que mediante el empleo de componentes convencionales este tipo de resoluciones es si no complejo, al menos laborioso. Mediante el empleo de registros, tal y como podremos comprobar, se simplifica la resolución de modo importante. Planteamos la resolución de la secuencia...

327

Neumática

En primer lugar deberemos establecer el número de grupos para la resolución de modo económico. Partiendo de bases ya conocidas establecemos...

Con una base de resolución de 6 grupos, se deberá establecer un registro de 6 estaciones (una por grupo de señales) más las correspondientes tapas INICIO / FIN.

Ya estamos en disposición de realizar la solución simplificada.

328

7: Lógica neumática

329

Neumática

7.3.3.  Bifurcación simultánea Los ciclos de bifurcación corresponden a una de las aplicaciones más comunes dentro de la neumática. Pueden ser de carácter simultáneo o selectivo (comúnmente denominadas bifurcaciones AND u OR respectivamente). Comenzando con las bifurcaciones de carácter simultáneo podemos encontrar circuitos en los cuales se ejecuta una serie de operaciones comunes y posteriormente se abren ramas de ejecución simultánea (las cuales discurren de modo independiente entre si). Una vez concluidas, se regresa a un ramal de operación común o bien el ciclo termina. Mediante la aplicación de registros, se suele asociar cada grupo de operaciones a un bloque de registro individual, el cual contendrá x estaciones (en función de su complejidad). Cada bloque será lanzado o mantenido por medio de funciones lógicas. Como siempre, lo mejor será analizar sobre un ejemplo...

Un circuito neumático ha de realizar la siguiente función: Se realiza la introducción de piezas mediante una combinación de movimientos correspondientes a A+ B+ B- C+ C- A-. Una vez las piezas se encuentran en zona de actuación, se han de lanzar dos ciclos de trabajo sobre la misma, los cuales corresponden a ... Ciclo 1= D+ D- E+ ECiclo 2= F+ G+ G- FLa secuencia terminará mediante la extracción de las piezas, la cual se ejecuta mediante el automatismo C+ A+ A- C-.

Para la resolución, plantearemos bloques de ejecución individual. De este modo, la resolución resultará extremadamente sencilla. Comenzaremos el estudio del mantenimiento de las señales de desconexión a través de la línea de selectoras. El lanzamiento entre bloques corresponde a funciones ya analizadas.

Una vez planteada la secuencia por grupos (bloque común, ramas de bifurcación y continuación común), se establece un total de 4 registros. En cada uno de ellos se deberá plantear el número de estaciones necesarias para su resolución. Según el ejemplo...

330

7: Lógica neumática

Como se puede observar, para la resolución emplearemos un total de cuatro registros. El registro 1 y 2 quedarán compuestos por 3 estaciones cada uno (una por grupo), mientras que los registros 3 y 4 por 2 estaciones. Evidentemente, cada uno de los mismos deberá disponer de su correspondiente tapa de INICIO / FIN.

331

Neumática

La solución se muestra en la siguiente figura...z

332

7: Lógica neumática

Como puede apreciarse el ciclo corresponde a... Se inicia el registro mediante el aporte de la señal de arranque y si el registro al completo se encuentra desconectado. En el registro 1 el ciclo se desarrolla comúnmente. Llegados a la finalización del trabajo en el registro 1, se inicializan simultáneamente los registros 2 y 3. Cada uno de ellos trabaja de modo independiente y mantienen la desconexión del registro 1 a través del sistema selector. Cuando ambos aseguran su finalización (cumplimiento AND), se inicia el registro 4. Este mantiene la desconexión del 1, 2 y 3 a través del sistema selector. Cumplimentado el trabajo del registro 4, se resetea mediante puente 6 / 7 y el registro queda en disposición de comenzar un nuevo ciclo.

7.3.4.  Bifurcación selectiva La bifurcación selectiva corresponde a un ciclo donde se decide la ejecución de dos o más ramales en función de variables exteriores. Es un ciclo extremadamente importante ya que corresponde a ejecuciones en función de verificaciones, selección de productos, etc. Planteamos el mismo ejemplo de secuencia anterior, con la diferencia de que los ramales que antes se ejecutaban de modo incondicional, ahora lo harán en función de (variable exterior). El ciclo queda identificado como...

333

Neumática

La solución se representa en el siguiente esquema...

334

7: Lógica neumática

7.3.5.  Salto de secuencia En algunas aplicaciones neumáticas, los saltos de secuencia constituyen una solución interesante a los automatismos. En ellos, una parte de la secuencia será ejecutada o no ejecutada (salto en secuencia), en función de variables exteriores. Como ejemplo, podemos encontrar un sistema donde una primera parte del automatismo se encarga de la introducción del material. Se ejecuta una verificación de la pieza en curso y si esta se encuentra dentro de la tolerancia se continúa ciclo pero si por el contrario, la pieza se encuentra fuera de tolerancia se saltará la operación y se procederá a la extracción de pieza fuera de ciclo. El modo de planteamiento corresponde a diferentes registros los cuales serán ejecutados o saltados en función de las combinaciones lógicas que se planteen. En nuestro ejemplo planteamos una secuencia correspondiente a...

Sobre la secuencia, al igual que en ejercicio anteriores se deberán de plantear el número de estaciones que deberá tener cada uno de los registros indicados. De este modo, completaremos con...

335

Neumática

Tan solo quedará solucionar la secuencia. El corresponde a...

336

7: Lógica neumática

El ciclo corresponde a una primera ejecución común de movimientos de los cilindros A, B y C. Cumplimentados estos, se toma la decisión de salto en función de la presencia o no presencia de una señal K. Se activa el registro 2 ó 3 (en función del salto), pero se puede observar como el sistema selector mantiene todo lo anterior en desconexión. Se concluye el trabajo y el registro al completo se resetea mediante el típico puente 6 / 7 de la última unidad. El ciclo se encuentra en disposición de ejecutar una nueva operación.

7.3.6.  Repetición de secuencia En un ciclo con repetición de secuencia, se ejecuta un salto atrás para la ejecución cíclica de un determinado bloque. Este bloque, se suele ejecutar un número x de veces (suele prefijarse valor en un contador neumático). En el siguiente ejemplo, se plantea un salto atrás de un bloque que deberá ejecutarse 10 veces; una vez concluido el salto, la secuencia continúa y dará fin.

Como puede observarse, el primer bloque se inicia con la secuencia. El segundo bloque tiene una primera ejecución incondicional y a partir de este punto se establece el salto; en caso de conclusión del primer bloque y no disponer de señal K, se saltará para la nueve ejecución del bloque 2 mientras que en caso de disponer de la señal K (contador = 10 ciclos), la secuencia continúa en bloque 3 y finaliza. Se debe resetear el contador para una nueva ejecución de ciclo. El establecimiento de estaciones por registro es similar a ejemplos anteriores...

337

Neumática

El esquema de resolución corresponde a...

338

7: Lógica neumática

RESUMEN ■

El campo de aplicación de la neumática lógica suele venir relacionado con los registros neumáticos como elementos de mando. Por ello, no se debe olvidar que habitualmente encontraremos componentes tradicionales para el control de potencia.

■ ■ ■

La neumática lógica trabaja en base a las diferentes células lógicas. Pueden ser clasificadas como básicas o compuestas. Las células lógicas básicas son las denominas puertas SI, NO, AND Y OR.

Las células lógicas compuestas corresponden a las NAND, NOR, Inhibición e Implicación. Todas ellas combinan las puertas AND y OR con negaciones, las cuales pueden ser aplicadas a la salida (negación del producto o suma lógica) o bien a una de las entradas.

■

La neumática lógica presenta otra serie de componentes como son las memorias (3/2 y 5/2), las cuales pueden presentar prioridad. Otros componentes son reguladores de caudal, temporizadores, etc.

■

El elemento de mando principal que suele relacionarse con la neumática lógica es el registro neumático. Esta compuesto de una memoria 3/2 prioridad reset y puertas AND y OR.

■

El empleo de registro suele venir relacionado con ciclos complejos como pueden ser las bifurcaciones (carácter simultáneo o selectivo), así como los ciclos de salto y repetición de secuencia.

■

Existen diferentes células aplicables a los registros. Algunas específicamente realizan captación de posición (relés de umbral), temporizaciones, y otras funciones comunes dentro de las aplicaciones de mando neumático.

339