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Actuadores
neumáticos El trabajo de estudio
de la automatización de una máquina no acaba con el esquema del automatismo a
realizar, sino con la adecuada elección del receptor a utilizar y la perfecta
unión entre éste y la máquina a la cual sirve. En un sistema neumático
los receptores son los llamados actuadores neumáticos o elementos de trabajo,
cuya función es la de transformar la energía neumática del aire comprimido en
trabajo mecánico. Los
actuado res neumáticos se clasifican en dos grandes grupos: -Cilindros -Motores Aunque el concepto de
motor se emplea para designar a una máquina que transforma energía en trabajo
mecánico, en neumática sólo se habla de un motor si es generado un movimiento
de rotación, aunque es también frecuente llamar a los cilindros motores lineales. Cilindros
Neumáticos Los
cilindros neumáticos son, por regla general, los elementos que realizan el
trabajo. Su función es la de transformar la energía neumática en trabajo mecánico
de movimiento rectilíneo, que consta de carrera de avance y carrera de
retroceso. Generalmente, el
cilindro neumático está constituido por un tu circular cerrado en los extremos
mediante dos tapas, entre las cuales desliza un émbolo que separa dos cámaras.
Al émbolo va unido un vástago que, saliendo a través de una o ambas tapas,
permite utilizar fuerza desarrollada por el cilindro en virtud de la presión
del fluido actuar sobre las superficies del émbolo. Los
dos volúmenes de aire en que queda dividido el cilindro por émbolo reciben el
hombre de cámaras. Si la presión de aire se aplica en la cámara posterior de
un cilindro, el émbolo y el vástago se desplazan hacia adelante (carrera de avance).
Si la presión de aire se aplica en las cámara anterior del
cilindro, el desplazamiento se realiza en sentido inverso (carrera de retroceso). Existen diferentes
tipos de cilindros neumáticos. Según la forma en que se realiza el retroceso
del vástago, los cilindros se dividen en dos grupos: -Cilindros
de simple efecto. -Cilindros
de doble efecto. Cilindros
de simple efecto El
cilindro de simple efecto sólo puede realizar trabajo en un único sentido, es
decir, el desplazamiento del émbolo por la presión del aire comprimido tiene
lugar en un solo sentido, pues el retorno a su posición inicial se realiza por
medio de un muelle recuperador que lleva el cilindro incorporado o bien mediante
la acción de fuerzas exteriores. En la práctica existen
varios tipos. los más empleados son los cilindros de émbolo. El movimiento ,de
trabajo es efectuado por el aire a presión que obliga a desplazarse al embolo
comprimiendo el muelle y, al desaparecer la presión, el muelle hace que regrese
a su primitiva posición de reposo. Por
eso los cilindros de simple efecto se utilizan cuando el trabajo debe realizarse
en una sola dirección. Hay que tener presente que existe aire a la presión
atmosférica en la cámara opuesta, pero puede escaparse a la atmósfera a través
de un orificio de escape. Según la disposición
del muelle, los cilindros de simple efecto pueden aplicarse para trabajar a
compresión (vástago recogido en reposo y muelle en cámara anterior), o para
trabajar a tracción (vástago desplazado en reposo y muelle en cámara
posterior). Mediante
el resorte recuperador incorporado, queda limitada la carrera de los cilindros
de simple efecto; por regla general la longitud de la carrera no supera los 100
mm. Por razones prácticas, son de diámetro pequeño y la única ventaja de
estos cilindros es su reducido consumo de aire, por lo que suelen aplicarse como
elementos auxiliares en las automatizaciones.
Cilindros
de doble efecto Al
decir doble efecto se quiere significar que tanto el movimiento de salida como
el de entrada son debidos al aire comprimido, es decir, el aire comprimido
ejerce su acción en las dos cámaras del cilindro, de esta forma puede realizar
trabajo en los dos sentidos del movimiento. El campo de aplicación
de los cilindros de doble efecto es mucho más extenso que el de los cilindros
de simple efecto; incluso si no es necesario ejercer una fuerza en los dos
sentidos, el cilindro de doble efecto es preferible al cilindro de simple efecto
con muelle de retorno incorporado. El
cilindro de doble efecto se construye siempre en forma de cilindro de émbolo y
posee dos tomas para el aire comprimido situadas a ambos lados del émbolo. Al
aplicar aire a presión en la cámara posterior y comunicar la cámara anterior
con la atmósfera a través de una válvula, el cilindro realiza carrera de
avance. La carrera de retroceso
se efectúa introduciendo aire a presión en cámara anterior y comunicando la cámara
posterior con la atmósfera, igualmente a través de una válvula para la
evacuación del aire contenido en esa cámara de cilindro. Para
una presión determinada en el circuito, el movimiento de retroceso en un
cilindro de doble efecto desarrolla menos fuerza que el movimiento de avance, ya
que la superficie del émbolo se ve ahora reducido por la sección
transversal del vástago. Normalmente, en la práctica no requieren
fuerzas iguales en los dos movimientos opuestos.
Los
cilindros de doble efecto pueden ser: -Sin
amortiguación. -Con
amortiguación. En la práctica, el
empleo de unos u otros depende de factores como carga y la velocidad de
desplazamiento. Por ejemplo, cuando la carga
viene detenida por topes externos pueden aplicarse los cilindros si
amortiguación. Sin
embargo, cuando la carga no viene detenida por tales topes se de recurrir a la
utilización de los cilindros con amortiguación. Los cilindros de doble
efecto presentan las siguientes ventajas sobre los cilindros de simple efecto: -Posibilidad
de realizar trabajo en los dos sentidos. -No
se pierde fuerza para comprimir el muelle. -No
se aprovecha toda la longitud del cuerpo del cilindro con carrera útil. Por el contrario,
tienen el inconveniente de que consumen doble cantidad de aire comprimido que un
cilindro de simple efecto. Amortiguación. Como sabemos mientras
mayor sea la velocidad de un cuerpo, aumenta así la energía cinética de este.
Como el vástago y el embolo al ser impulsados avanzan con velocidad a través
del cilindro (Carrera), pudieran chocar con la tapa anterior o posterior
al desarrollar su trabajo. La
energía liberada al impacto intentara deformar la cabeza (tapa) en cuestión e
incluso romperla, a fin de evitarlo se debe disminuir la cantidad de energía
que actúa contra las tapas, esto se consigue con la amortiguación al final de
la carrera. Esta amortiguación
puede ser interna, o externa La
amortiguación externa se logra mediante amortiguadores hidráulicos ,
muelles, sistemas de estrangulamiento de los conductos de escape que se conectan
a partir de un determinado punto de la carrera, etc. La
amortiguación interna más extendida es la amortiguación neumática. Esta
amortiguación se consigue de la siguiente manera: Se añade al émbolo un pistón
de amortiguación que no cambia su área útil. Durante el movimiento del émbolo,
el aire puede escaparse a la atmósfera normalmente, justo hasta antes del fin
de carrera. En
este momento el pistón de amortiguación cierra la salida libre y el escapa a
la atmósfera a través de una restricción regulable. El aire remanente es
comprimido por el émbolo aún en movimiento. Este aire comprimido produce una
resistencia progresiva que se opone al movimiento émbolo. Este cojín de aire
absorbe el golpe. El
tornillo de ajuste puede regularse externamente con objeto de controlar la
amortiguación. En la práctica este tornillo se ajusta de forma que para una
velocidad determinada del émbolo y para una carga dada no oiga ningún golpe
metálico. Para
conseguir, ya desde el principio del suministro de aire, un inicio del
movimiento contrario fuerte y uniforme, existe una válvula antirretorno
permitiendo que el aire a presión actúe sobre toda el área del émbolo Motores
Neumáticos Los
motores neumáticos realizan la función de transformar la energía neumática
en energía mecánica de rotación. El proceso se desarrolla de forma inversa al
de la compresión. Sus principales
características pueden resumirse en las siguientes: , -Son
ligeros y compactos. -El arranque y paro es
muy rápido, pueden trabajar con velocidad y variables sin necesidad de un
control complejo. -Baja
inercia. En neumática se
emplean principalmente motores de paletas, también se utilizan, aunque con
menos frecuencia, los motores de pistones. Motores
de paletas Son muy simples y su
utilización está muy extendida. Estos motores son de construcción análoga a
la de los compresores de paletas. El rotar está igualmente montado excéntricamente
en el cuerpo del motor.
El par de giro sobre la
carga se desarrolla cuando el aire a presión actúa sobre la sección libre de
las paletas y las empuja haciendo girar el rotor. Cuando la cámara, entre
paletas, con el aire comprimido alcanza la abertura de salida, se produce la
correspondiente expansión a la atmósfera. Los
motores de paletas se construyen para potencias comprendidas entre 0,1 Y 20 CV.
Es frecuente la utilización de estos motores acoplados con un reductor, lo que
permite multiplicar el par y que el motor pueda trabajar a velocidades elevadas,
con lo que se consigue un mejor control de la velocidad frente a variaciones de
las cargas. El número de revoluciones de marcha en vacío se halla entre 1000 Y
50000 rpm. La regulación del número de revoluciones se efectúa ajustando el
caudal de alimentación. Los motores de paletas,
además de su utilización como elemento motriz puro, se emplean también en
herramientas neumáticas tales como taladradoras, atornilladores y
esmeriladoras. Motores
de pistones Según sea la disposición
de los pistones, pueden ser de tipo radia! o axial. Su comportamiento es
similar, caracterizándose los de pistones axiales por un par elevado y rápido
en el arranque.
Su
empleo se limita principalmente a las máquinas de grandes potencias. Trabajan a
velocidades inferiores a las de los motores de paletas. Una característica
importante es el bajo nivel de vibración a cualquier velocidad, siendo esto muy
interesante a bajas velocidades en las que, además se obtiene el par máximo. VELOCIDAD
DE DESPLAZAMIENTO Uno
de los problemas más difíciles de resolver en la utilización de los cilindros
neumáticos es la velocidad de desplazamiento. Al
utilizar un fluido compresible, se debe renunciar de entrada a la pretensión de
obtener una velocidad uniforme a lo largo de toda la carrera. Sin embargo, es
posible, ya menudo necesario, regular la velocidad a fin de: -Obtener una velocidad
media conveniente, o dicho de otra manera, lograr una frecuencia de
funcionamiento correcta. -Evitar
velocidades altas o demasiado bajas. La velocidad de
desplazamiento de un cilindro neumático depende de numerosos factores: a)
Estado de superficie interna del tubo, rugosidad superficial. b)
Naturaleza y dureza de las juntas. . c)
Tolerancias en la fabricación del cilindro. d}
Valor de la lubricación. e)
Presión residual. f)
Las
características caudal-caída de presión del distribuidor empleado. Incluyendo
los tubos y el orificio del cilindro. g)
Presión de la línea. h)
Porcentaje
de carga de un cilindro. Es la relación entre la fuerza real del cilindro y la
fuerza de utilización. Por ejemplo, si un cilindro de 100 kg de fuerza debe
mover una masa de 50 kg, solamente está cargado al 50 %. Los tres primeros
puntos son hoy día prácticamente idénticos, en general, para cualquier
constructor de cilindros. Si
las juntas de los cilindros deben tener una gran duración, es necesario que se
desplacen con poca resistencia cuando no hay presión en el cilindro, por tanto,
el rozamiento deberá ser mínimo en este caso. Pero cuando el cilindro está
sometido a presión, las juntas deben conseguir una estanqueidad total, por lo
cual deben deformarse por la acción de la presión. Esta deformación debe ser
limitada ya que la superficie de contacto debe ser lo más pequeña posible.
Ello viene determinado por el tipo y forma de aplicación de la propia junta y
además por su dureza. El problema de la
lubricación es importante, pero no debe existir una lubricación
excesiva; no obstante, interesa que ésta sea constante. velocidad de
desplazamiento de un cilindro puede variar en proporciones importantes, según
trabaje en seco o lubricado. Las
presiones que actúan en el cilindro, las características de caudal presión
del distribuidor, así como el porcentaje de carga tienen una gran influencia en
la velocidad de desplazamiento. La obtención de expresiones o de gráficas que
relacionen estas variables es casi imposible, no ser de forma experimental, a
causa de la variación muy complicada de rozamientos. Cualitativamente
se puede razonar de la forma siguiente: Se
admite que, en el estado inicial, la cámara motriz está a la presión atmosférica
y la cámara resistente a la presión de línea. En un momento dado cambia el
estado del distribuidor, de manera que la cámara quedará conectada a la línea
y la cámara resistente a la atmósfera. Inmediatamente
empezará a subir la presión en la cámara motriz y a descender en la
resistente, hasta que la fuerza resultante sea capaz de vencer la carga exterior
y el rozamiento estático interno. Al empezar el movimiento; rozamiento pasa a
ser dinámico e inferior al estático, con lo que queda fuerza disponible para
acelerar todo el sistema. Al aumentar la velocidad disminuye la presión motriz
y aumenta la resistente, puesto que mayores caudales imponen mayores diferencias
de presión. Al
disminuir fuerza efectiva se anula la aceleración y se llega a un régimen de
equilibrio a velocidad constante. Este
razonamiento lleva a las siguientes conclusiones: -A
mayores cargas, mayores diferencias de presión y menor velocidad dificultando
la entrada y/o
la salida
del aire del cilindro, a una misma velocidad corresponden mayores caídas de
presión y por tanto hay diferencias de presión entre las cámaras. Métodos
para gobernar la velocidad de desplazamiento de los
cilindros
neumáticos En
general, para gobernar la velocidad de los cilindros sólo se actúa sobre el
caudal. Para
lograr la disminución de la velocidad de desplazamiento de un cilindro, pueden
emplearse básicamente tres métodos: -Ajuste
del caudal de alimentación. -Ajuste
del caudal de escape. -Ajuste
de la presión de escape. Ajustando
el caudal de alimentación el avance del cilindro se efectúa saltos, debido a
que cada vez que empieza a moverse el cilindro, presión de la cámara disminuye
y consecuentemente la fuerza motriz, que provoca que el cilindro vuelva a
pararse puesto que la presión alrededor de la presión crítica. Por tanto la
regulación del caudal entrada provoca un desplazamiento irregular, razón por
la cual no recomendable. Si
se regula el caudal de escape el desplazamiento del cilindro es más suave, ya
que lo único que hace es retener el aire en la cámara resistente. Es el
sistema mas utilizado. La
regulación de presión de escape origina una contrapresión en la limara
resistente que provoca la disminución de velocidad. Para este tipo de regulación
deben emplearse válvulas reguladoras de presión de tres vías. Si
se desea aumentar la velocidad de desplazamiento de un cilindro hay que
facilitar el escape de la cámara resistente. Para ello deben disminuirse al máximo
las pérdidas de carga entre la cámara resistente del cilindro y la atmósfera.
Por tanto, debe reducirse a un mínimo la longitud del conducto que comunica la
cámara resistente a la atmósfera a través del distribuidor y evitar la caída
de presión en él. El
mejor sistema es evitar que el aire de escape tenga que circular a través del
distribuidor de mando. Para lograrlo se utilizan válvulas de tres vías
accionadas por el propio caudal de aire y cuyo estado depende del sentido de
circulación del aire. Estas válvulas reciben el nombre de válvulas
de escape rápido Estas
válvulas permiten la entrada de aire al cilindro, pero en la fase de escape
abren una abertura inmediata que evita que el aire de escape tenga que circular
a través del distribuidor que gobierna el cilindro. Para eliminar al máximo la
conducción entre la cámara del cilindro y la atmósfera, esta válvula se
rosca directamente en la conexión del cilindro. Regulación
de la Fuerza En
la elección de un cilindro neumático es muy importante conocer cuál es la
fuerza que debe realizar. Esta fuerza depende de la diferencia de presiones a la
entrada y salida y del diámetro del émbolo. La
presión de entrada no es siempre constante, normalmente el compresor se ajusta
a un valor máximo de la presión que al alcanzarse lo detiene y a otro valor mínimo
para el cual se inicia de nuevo su marcha. Cuanto mayor sea el consumo de aire
comprimido, tanto mayor será la variación de presión en la red general de
aire. Para
el cálculo del diámetro necesario para un cilindro que deba vencer una
determinada carga hay que partir de la presión más baja que se dé en la línea,
pues incluso en esta circunstancia el cilindro ha de cumplir su cometido.
Incluso con ,cualquier presión de entrada mayor, si se desea que la fuerza se
mantenga constante, el aire de entrada debe regularse al valor mínimo de presión
en la red mediante un regulador de presión. Regulación
de la presión Los
reguladores de presión tienen la misión de mantener constante la presión de
trabajo con independencia de las variaciones de presión red general. la presión
de entrada es siempre mayor que la presión de salida. La
válvula de presión regula la presión de salida, presión secundaria mediante
una membrana que actúa sobre una válvula que comunica entrada y la salida de
aire. la apertura o cierre de la válvula es debida a interacción de dos
esfuerzos sobre la membrana, en una parte a la acción de un muelle regulable
por un tornillo de ajuste, y en la otra a la acción la presión de salida. Al
aumentar la presión de salida, la membrana se mueve venciendo la fuerza del
muelle, por lo que la sección de paso en la válvula varía de modo continuo o
se cierra por completo, regulándose la presión de salida a través de! caudal
que circula. Al consumirse aire, desciende la presión y la fuerza del muelle
hace que se abra la válvula. La regulación de la presión de salida implica un
constante abrir y cerrar la válvula. Se
distinguen dos tipos de reguladores: -De
tres vías, con escape. -De
dos vías, sin escape. Si
estando la válvula cerrada aumentase la presión de salida debido, por ejemplo,
a la disminución del volumen de la instalación neumática, en el regulador de
tres vías este aumento de presión es purgado al exterior por el orificio de
escape. En el regulador de dos vías debe aparecer un consumo de aire por parte
de la instalación con el fin de que se rebaje la presión. Por
esta razón los reguladores de tres vías actúan también como válvulas de
seguridad ya que en la instalación no puede haber nunca una presión superior a
la dada por el regulador. |
