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Tecnología Industrial IITema 8: AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA

Tema 8. AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA1. INTRODUCCIÓN............................................................................................................................22. PRODUCCIÓN Y TRATAMIENTO DE AIRE COMPRIMIDO....................................................2

A) Producción de aire comprimido: compresores...........................................................................2B) Tratamiento de aire comprimido.................................................................................................3

2. RED DE DISTRIBUCIÓN...............................................................................................................43. ELEMENTOS DE CONTROL Y DE MANDO: VÁLVULAS.......................................................5

A) Representación e identificación de las válvulas.........................................................................5B) Constitución de las válvulas distribuidoras................................................................................5C) Tipos de accionamiento de las válvulas distribuidoras...............................................................5D) Forma constructiva de algunas válvulas distribuidoras..............................................................6E) Otras válvulas..............................................................................................................................7

4. ELEMENTOS DE TRABAJO: CILINDROS..................................................................................7 A) Cilindro de simple efecto...........................................................................................................7 B) Cilindros de doble efecto...........................................................................................................8C) Cálculo de la fuerza de accionamiento.......................................................................................8D) Consumo de aire.........................................................................................................................8

5. DISEÑO DE CIRCUITOS NEUMÁTICOS....................................................................................96. CIRCUITOS CARACTERÍSTICOS................................................................................................9

A) Mando directo.............................................................................................................................9B) Mando indirecto..........................................................................................................................9C) Control de velocidad...................................................................................................................9


1. INTRODUCCIÓN La neumática es la técnica que utiliza las capacidades energéticas del aire a presión, fluido capazde desarrollar trabajo y potencia (fuerza y velocidad). Los principales componentes de un circuito neumático son:

• Elementos de producción y tratamiento de aire comprimido• Elementos de distribución de aire comprimido.• Elementos de mando y control: válvulas.• Elemento de salida o actuadores: cilindros.

Principio físicos de aplicación en neumática• Presión manométrica o relativa:

p=FS

se utiliza para calcular la fuerza que puede ejercer un cilindro. Es la presión de trabajo del cilindro.

• Presión absoluta: Pabs = P + P atm

P atm = 1atm• Ley de Boyle-Mariotte:

p1V1 = p2 V2

donde las presiones son absolutas. Se utiliza esta ley para calcular el volumen de aire que consume un cilindroen condiciones normales, sabiendo el volumen de aire a la presión de trabajo.

• Caudal: Q=Vt=S.v

• Unidades de presión: 1atm≈ 1bar = 105 Pa

2. PRODUCCIÓN Y TRATAMIENTO DE AIRE COMPRIMIDO

A) Producción de aire comprimido: compresores Se absorbe aire de la atmósfera y tras un filtrado previo, que tiene por objeto eliminar partículasde polvo, se introduce en el compresor. El compresor tiene por objeto elevar la presión del aire.Para realizar este cometido deben ser accionados por un motor, que puede ser eléctrico o térmico.Asociados al compresor, además del filtro , se tiene un refrigerador, para bajar la temperatura quese eleva como consecuencia de la compresión de aire, y un depósito, que acumula aire a presión ensu interior y permite mantener un nivel de presión en el circuito. Los compresores se caracterizan por su caudal o por su relación de compresión. Siendo larelación de compresión un número adimensional que relaciona las presiones de entrada y salida delaire del compresor. Es decir, informa del aumento de presión que provoca el compresor. Los compresores se pueden clasificar en función de la forma de trabajo en compresores deémbolo y compresores rotativos. Compresores de émbolo: son los más utilizados debido a su precio y a su flexibilidad defuncionamiento que les permite trabajar con caudales de diferentes magnitudes y con un ampliorango de relación de compresión. Son bastantes ruidosos.

Su funcionamiento es muy parecido al de un motor de un automóvil. Un eje, el que va soldadouna manivela que es movida por el motor, acciona la biela que produce un movimiento alternativoen el pistón. Al bajar el pistón, entra aire por la válvula de aspiración. En ese momento la válvula decierre está cerrada. Cuando el pistón ha descendido hasta el máximo posible, entonces las dos


válvulas (admisión y cierre) se cierran. En ese momento comienza la compresión del aire que haentrado en la cámara de compresión. Cuando ese aire se ha comprimido hasta el máximo, entoncesla válvula de cierre se abre y el aire comprimido se lleva al circuito a través de los conductos.

Los compresores de émbolo más utilizados son los de dos etapas, en cada una de ellas seproduce un aumento de la presión del aire, que suelen refrigerarse con agua o aceite (que circulaalrededor de la camisa del compresor) o con aletas.

Compresores rotativos: consiguen aumentar la presión del aire mediante el giro de un rotor. El airese aspira cuando entra el rotor gira en un determinado sentido y después se comprime dentro de lacámara de compresión que se origina en el compresor. Este tipo de compresores son más actuales ymenos ruidosos que los de émbolo.

• Compresor rotativo de paletas, la característica principal de estos compresores es queposeen una serie de paletas radiales sobre el rotor excéntrico que presionan las paredes de lacámara de compresión cuando giran (por la acción de la fuerza centrífuga). Entre cada dospaletas se crea una especie de pequeña cámara de compresión que va comprimiendo el aire.Son muy silenciosos y proporcionan nivel de caudal prácticamente constante.

• Compresor rotativo de tornillo, el funcionamiento de estos compresores se basan en el girode dos tornillos helicoidales que comprimen el aire que ha entrado por el orificio deaspiración y lo expulsan hacia el orificio de salida. Son relativamente nuevos, bastante carosy silenciosos.

B) Tratamiento de aire comprimidoEl aire comprimido que sale del compresor no se debe llevar a los elementos de trabajo sin

someterlo previamente a un tratamiento que garantice las mejores condiciones posibles para su usoposterior.

Los elementos que constituyen este tratamiento previo son: • Filtro.• Regulador de presión.• Lubricador.


Filtro: tiene como misión depurar el aire comprimido que puede contener partículas en suspensión yvapor de agua u otros residuos que pueda arrastrar a través de las conducciones. El aire, al entrar enel filtro, adquiere un movimiento rotativo produciéndose el centrifugado de las partículas másgruesas contra las paredes de la unidad de filtrado. El recipiente de la unidad es de vidrio,generalmente, para favorecer la condensación del vapor de agua del aire comprimido. En la parteinferior dispone de un grifo de purga para vaciar este agua. Regulador de presión: es una válvula cuya misión es mantener constante la presión a su salida,donde se sitúa un manómetro, independientemente de la presión a su entrada. Si la presión a la salida es mayor que la previamente fijada a través de un tornillo, la válvula abrela conexión con la atmósfera hasta que se reduce el valor de la presión al valor nominal. Lubricador: aporta aceite a los elementos móviles a través del aire comprimido, para disminuir elrozamiento y aumentar la vida útil de los órganos en movimiento. Estos tres elementos se pueden encontrar agrupados en las denominadas unidades demantenimiento.

2. RED DE DISTRIBUCIÓN La red de distribución es el conjunto de tuberías que conduce el aire comprimido a todos loselementos del circuito neumático. Esta red parte del depósito y debe garantizar la presión y lavelocidad del aire en todos los puntos. El conjunto de tuberías horizontales debe presentar cierta inclinación en el sentido de circulaciónde aire, para que el agua condensada circule hacia los purgadores, situados en las terminaciones delas conducciones. Las derivaciones se harán por la parte superior de las tuberías horizontales y mediante curvashacia arriba, para evitar el paso de agua condensada.

Forman parte de la red de distribución otros elementos como depósitos y acumuladores, queacumulan aire a presión en su interior con objeto de garantizar el nivel de presión ante posiblespérdidas o fallos en el compresor. Así como los elementos de tratamiento de aire comprimido(filtros, reguladores de presión y lubricadores) estudiados en el apartado anterior.


3. ELEMENTOS DE CONTROL Y DE MANDO: VÁLVULASA) Representación e identificación de las válvulas

Las válvulas pueden considerarse como una caja negra con una serie de orificios, vías, quesirven para la entrada y salida de aire comprimido. La forma en que se conectan dichos orificiosconstituye un estado de la válvula, lo que habitualmente se denomina posición.

Las válvulas se componen de dos o más posiciones, esto es, dos o más formas de conectar lasvías. Para cambiar de una a otra se dispone de unos mandos. En general, existe una posición dereposo, que es aquella en la que no se actúa sobre los mandos. Las posiciones se representan porcuadrados yuxtapuestos, tantos como posiciones existan.

Una válvula se identifica por el número de vías, seguido del número de posiciones.Posteriormente, se indica el tipo de funcionamiento en reposo, si procede (normalmente abierta onormalmente cerrada) , y los dos tipos de mandos que permutan la válvula.

En neumática, el caso más frecuente es el de las válvulas de 2 o 3 posiciones y de no más de 4vías. B) Constitución de las válvulas distribuidorasSe componen de un cuerpo o estructura básica, un elemento móvil, y unos elementos deaccionamiento para permutar el estado de la válvula.En el cuerpo están definidos los conductos internos y los orificios de entrada y salida de aire, y sealojan todos los demás componentes.El elemento móvil es aquel con cuyo desplazamiento se van a obtener las distintas posiciones de laválvula. El tipo de elemento móvil define la clasificación de este tipo de válvulas según la formaconstructiva en: válvulas de asiento y válvulas correderas.

C) Tipos de accionamiento de las válvulas distribuidorasSegún la fuente de energía que activa los componentes de mando:• Accionamiento manual: se activan por la acción de un operario, por ejemplo, pulsador,

palanca y pedal.• Accionamiento mecánico: se activan por un mecanismo en movimiento. Los más típicos:

leva, rodillo, muelle, rodillo escamoteable o abatible. • Accionamiento neumático: la fuerza necesaria para conmutar la válvula se obtiene del aire

a presión. En ocasiones, las válvulas con mando neumático precisan de válvulas máspequeñas que las piloten, se conoce como mando indirecto por presión. Las válvulas coneste tipo de pilotaje indirecto se conocen como servoválvulas.

• Accionamiento eléctrico (electroválvulas): la fuerza necesaria para desplazar la válvula seobtiene a partir de un electroimán. La colocación de estas válvulas en las instalacionesneumáticas implica la instalación paralela de un circuito eléctrico que las active. La señal deconmutación de las válvulas vendrá, por ejemplo, de un final de carrera eléctrico. Son muyimportantes ya que el origen de la señal eléctrica puede estar gobernado por un programa de


ordenador.

D) Forma constructiva de algunas válvulas distribuidoras.• Válvula distribuidora 2/2

En la posición a) el paso de aire de P a A está cerrado (válvula cerrada). Cuando se accionael pulsador, se pone en comunicación la entrada O con la vía de utilización A (válvulaabierta). Al dejar de apretar el pulsador, el muelle obliga al distribuidor (parte móvil) arecuperar la posición de partida, con lo que la válvula se cierra.

• Válvula distribuidora 3/2Estas válvulas permiten la circulación de aire en una dirección y, a la vez, cortan el paso enla otra dirección. En la posición a) la corredera impide el paso de aire de P a A, y dejaabierto el paso de A a R (escape). Cuando se acciona la válvula, posición b) la corredera unela entrada de presión P con la vía de utilización A, mientras que el escape R quedabloqueado.

Nota: Las válvulas que que aparecen en los dibujos corresponden a válvulas hidráulicas,donde la vía L es el denominado conducto de fuga para el aceite.


• Válvula distribuidora 4/2Las válvulas 4/2 permiten el paso de fluido en ambas direcciones. Cuando la válvula está enreposo (a), la vía de entrada P está conectada con la de utilización A, mientras que la otra víaB está puesta a escape R. Al accionar la válvula se vence la acción del muelle y la correderacambia de posición, el fluido circula de P hacia B y de A hacia R (posición b).

E) Otras válvulas.• Antirretorno : cierra por completo el paso de aire en un sentido y lo deja libre en el

contrario. Se sitúan dentro de los circuitos donde se agrupan elementos en los que nointeresa la mutua influencia.

• Selectora: cumple la función lógica O (OR o suma lógica). Tiene dos entradas y una salida,el bloqueo siempre se realiza sobre la entrada con menor presión. Esto es, con que hayapresión en una entrada, habrá presión a la salida.Se usa cuando un actuador o una válvula distribuidora debe gobernarse indistintamentedesde dos puntos por separado, distante físicamente uno del otro.

• Simultaneidad: cumple la función lógica Y (AND o producto lógico). Tiene dos entradas yuna salida y para que exista señal a la salida debe haber presión necesariamente en las dosentradas. Se usa en sistemas de seguridad. Por ejemplo, para el accionamiento de una prensaneumática por un operario, que sólo debe bajar si el operario mantiene activadas dosválvulas a la vez.

• Válvulas reguladoras de caudal o flujoComo su propio nombre indica dosifican la cantidad de fluido que pasa por ellas en launidad de tiempo. Su principio de funcionamiento es al estrangulación de aire reduciendo lasección de paso del mismo.Según se regulen el caudal en uno o en los dos sentidos de circulación del fluido, estasválvulas pueden ser unidireccionales o bidireccionales.


• Reguladoras de presiónEstas válvulas actúan sobre la presión del aire en circulación. Según su colocación y funciónen el circuito se distinguen tres tipos de válvulas reguladoras de presión

Limitadoras de presión o de seguridad: impiden que la presión sea mayor que la fijadamanualmente mediante un tornillo. Al sobrepasarse esta presión máxima, la válvula abre laconexión con la atmósfera.De secuencia: el principio de funcionamiento es el mismo que la limitadora. La diferenciareside en que en vez de conectar a escape, se conecta a una vía de trabajo. Reductoras o reguladoras: tienen como objetivo regular la presión de trabajo (presiónsecundaria) deseada a un valor determinado y constante, independientemente de la presiónanterior a la válvula (presión primaria). Son las presentes en los grupos de compresión.

4. ELEMENTOS DE TRABAJO: CILINDROS Los cilindros son los llamados actuadores de movimientos lineal que se encargan de convertir laenergía del aire comprimido en un movimiento lineal, que puede ser de avance o de retroceso. Las partes fundamentales de un cilindro se muestran en la figura:

A) Cilindro de simple efecto.Estos cilindros tienen sólo una conexión de aire comprimido. No pueden realizar trabajo más que

en un sentido. El retroceso de estos cilindros se produce cuando deja de aplicarles aire y por efectode un muelle interno..

Se utilizan principalmente para realizar operaciones de sujeción, expulsión, apretado,levantamiento, alimentación, etc.


B) Cilindros de doble efecto.Estos cilindros tienen dos tomas de aire, una a cada lado del émbolo, y pueden producir

movimiento en los dos sentidos: avance y retroceso. Se dispone así de una fuerza útil tanto en elavance como en el retroceso.

Se emplean en casos en que el émbolo tiene que realizar también una función en su retorno a laposición inicial. La carrera de estos cilindros puede ser muy larga, si bien hay que tener en cuenta elpandeo y doblado que puede sufrir el vástago en su posición más extrema.

C) Cálculo de la fuerza de accionamiento .a) Cilindro de simple efecto: Fn = S.P – (Fr+Fm)b) Cilindro de doble efecto:• Avance: Fn = S.P -Fr• Retroceso: Fn = S´.P – Fr

donde:Fn = Fuerza efectiva o real en el émbolo.S = π. R2 ; superficie útil del émbolo con R: radio del émbolo.P = Presión de trabajo (manométrica o relativa) Fr = Fuerza de rozamiento.Fm = Fuerza del muelle de recuperación.S´= π. (R2 -r2); superficie útil en el retroceso, con r: radio del vástago.

D) Consumo de aire .Por consumo de aire se entiende la cantidad de aire comprimido que necesita un cilindro

neumático para funcionar correctamente. Para calcular el consumo de aire seguiremos los siguientes pasos:1º) Si se trata de un cilindro de doble efecto, calculamos el volumen de ambas cámaras.• Volumen cámara posterior:

Vp=π D2

4. l siendo l la carrera del pistón.

• Volumen cámara anterior:Va=π

4(D2�d 2) .l

• Sumando las dos expresiones anteriores, obtendremos el volumen del cilindro completo:

Vcil=π4(2.D2�d2). l

que representa el consumo de aire a una determinada presión de trabajo.2º) Para calcular el consumo de aire en condiciones normales habrá que aplicar la ley de Boyle

Mariotte. Como sabemos, la presión absoluta es la indicada por el manómetro más la presiónatmosférica, es decir, pabs = pman + patm. Aplicando la mencionada ley:

pabs. .Vcil = patm . Vaire despejando el volumen:

Vaire=pab.V cil

patm

3º) Suponemos que la presión atmosférica es 1atm, entonces:

Vaire=( patm+1).Vcil

1

4º) Por último, multiplicando el volumen anterior por el número de ciclos por minuto (f) querealice el cilindro, obtendremos el caudal de aire que es necesario suministrar al cilindro.

Qaire = Vaire. F


5. DISEÑO DE CIRCUITOS NEUMÁTICOS Para diseñar un circuito neumático se sigue un proceso que se inicia con el planteamiento delproblema y el plano de situación (representación esquemática del mecanismo). Se continua con lasecuencia de movimientos (ejemplo: A + / B + / A - / B - ) y el diagrama espacio-fase.

Esquema neumáticoLas normas más destacadas para la representación del esquema neumática son:

• Los cilindros se dibujan en posición horizontal en la parte superior.• Los finales de carrera no se representan en su posición normal. Suelen colocarse junto a los

órganos de gobierno y, en el lugar que ocuparían en el circuito se dibujará una línea con unnúmero indicador.

• Los circuitos se dibujan, generalmente, en la posición de partida (los elementos no estánaccionados).

• Se numeran los distintos elementos: cilindros 1.0, 2.0, 3.0...; órganos de gobierno (válvulasdistribuidoras) 1.1, 2.1, 3.1... la primera cifra indica el cilindro; válvulas que ordenan lasalida o recogida de los cilindros 1.2, 1.4, 2.2, 2.4... y 1.3, 1.5, 2.3... la primera cifra indicael cilindro y la segunda, si es par, indica que influye en la salida del vástago y si es impar, enel retroceso.

6. CIRCUITOS CARACTERÍSTICOSA) Mando directo


B) Mando indirectoSi el cilindro es de gran tamaño será necesaria una gran fuerza de mando para conmutar las

válvulas que lo comandan. La forma con que se obtiene la separación de la parte de información dela parte de trabajo es mediante pilotaje neumático. Así, la parte encargada del mando neumáticopuede funcionar a baja presión; mientras, la parte de potencia (cilindro y válvula distribuidora degobierno) funciona a la presión de trabajo.

C) Control de velocidad• Aumento de velocidad. El método para el aumento de la velocidad en una carrera es la

colocación de una válvula de escape rápido en la salida correspondiente del cilindro dedoble efecto. Se evita, en la carrera de avance, el paso de aire por el distribuidor.

• Reducción de velocidad. Generalmente se utilizan válvulas reguladoras de caudalunidireccionales que deben actuar sobre el aire de escape con el fin de que la velocidad seaindependiente de la carga del cilindro (regulación a la salida).


Cuestiones (Justifica la respuesta en un máximo de dos líneas)1. Un manómetro indica una lectura de 7bar. ¿A qué presión absoluta aproximada se encuentra

el aire del interior del recinto?a) 7 bar menos 1, o sea, 6 bar.b) La indicada, es decir, 7 bar.c) 7 bar más 1, o sea, 8 bar.d) Ninguna, pues un manómetro no mide presiones.

2. El cilindro de simple efecto se caracteriza:a) El aire simplemente entra por los dos lados.b) Solamente puede ejercer esfuerzo en un sentido.c) Son más robustos que los de doble efecto.d) Pueden soportar más carga que los de doble efecto.

3. ¿En qué parte del circuito neumático se produce aire comprimido?a) En el depósito.b) En el acumulador.

c) En el filtro.d) En el compresor.

4. ¿Qué significa una válvula 4/2?a) Válvula de 4 posiciones y dos vías.b) Válvula de 2 posiciones y 4 vías, incluidas las de pilotaje.c) Válvula de2 posiciones y 4 vías.d) Válvula de 4 posiciones y 2 mandos.

5. ¿Qué función lógica cumplen las válvulas selectoras?a) Y.b) O.

c) Sí.d) No.

6. ¿Para qué se usan las válvulas estranguladoras unidireccionales?a) Para conectar otras partes de un circuito.b) Para controlar la presión del aire.c) Para comandar un cilindro desde dos puntos.d) Para regular la velocidad de un cilindro.

7. Aparte de los esfuerzos de tracción y compresión que soporta el vástago, ¿qué otro tipo de esfuerzo soporta también?a) De rotura.b) De fricción.

c) De pandeo.d) De estiramiento.

Problemas1. Calcula la fuerza realizada por un cilindro de doble efecto que tiene las siguientes características:diámetro del cilindro 80mm, diámetro del vástago 25mm y presión de trabajo 6 bar.2. Supongamos que el cilindro del ejercicio anterior tiene una carrera de 700mm y efectúa 5 ciclospor minuto. ¿Cuál es el consumo de aire de dicho cilindro?3. Queremos diseñar un cilindro de simple efecto que utilice en su funcionamiento un volumen deaire de 800cm3, cuya presión de trabajo sea 12,3kp/cm2 y cuya longitud sea 29cm.

a) Halla el diámetro de este cilindro.b) Calcula las fuerzas de este cilindro.

4. Se dispone de un cilindro de doble efecto con un émbolo de 60mm y un vástago de 20mm, sucarrera es de 350mm. La presión de aire es d e6 bar y realiza una maniobra de 10 ciclos cadaminuto. Calcular:

a) La fuerza teórica que ejerce el cilindro en el avance y en el retroceso.b) El consumo de aire en condiciones normales.


5. En un cilindro neumático de simple efecto, la presión de trabajo es de 500kPa y la fuerza teóricade avance es de 1000N. Sabiendo que las pérdidas de fuerza por rozamiento son del 10% y la fuerzade recuperación del muelle del 6%. Calcular:a) La fuerza nominal de avance.b) El diámetro del émbolo.6. Diseñe un circuito neumático empleando un cilindro de doble efecto para el accionamiento de lacuchara de colada de la figura, de manera que cumpla la siguiente secuencia:

• La cuchara de colada ha de hacerse bajar lentamente mediante un pulsador P1.• La cuchara de colada ha de levantarse lentamente por inversión automática de la marche

mediante un rodillo P2, que se acciona al final del recorrido del vástago.

7. Un montacargas neumático se eleva lentamente al accionar un pulsador P1y puede bajarsedesde cualquiera de los dos pulsadores P2 y P3. Dibuja el cilindro empleando un cilindro de dobleefecto.8. Diseña un circuito neumático que permita fijar una pieza con un cilindro y taladrarla con otro.Para fijar la pieza, el operario accionará una palanca. Para taladrar la pieza el operador accionarádos pulsadores simultáneamente. El retroceso de todo el sistema será automático. Indica lasecuencia de movimiento y el diagrama espacio-fase antes del diagrama de mando.9. Identifíquese los elementos del esquema neumático de la figura y explica su funcionamiento.¿Cómo modificarías el circuito para automatizar el retorno del émbolo?


10. Identifica los componentes y explica el funcionamiento de los circuitos que se muestran:

10. a) Identifica los elementos. b) Dibuja su símbolo neumático correspondiente.


11. Identifica el funcionamiento del circuito de la figura.

12. Describe el funcionamiento de los circuitos de la figura. ¿Qué ocurre si se mantiene activa la válvula 1.5 del segundo circuito en un momento dado?

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