actuadores neumáticos

5/8/2018 Actuadores Neumáticos - slidepdf.com

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Actuadores NeumáticosD. Arce



Actuadores Neumáticos AN 2

ÍNDICE

Página.

1. Índice 22. Prólogo 33. Introducción 4

3.1 Propiedades físicas de la Neumática

4. Actuadores neumáticos 74.1 Cálculo de la fuerza de trabajo de los

actuadores neumáticos8

4.2 Cálculo de consumo de aire de los actuadoresneumáticos 11

4.3 Control de avance y retroceso de losactuadores neumáticos 14

4.4 Regulador de velocidad de los actuadoresneumáticos 14

5. Actuadores giratorios 306. Criterio de selección de losactuadores de giro neumático

34

6.1 Par de giro 346.2 Energía de rotación 356.3 Momento de inercia 366.4 Algunos casos típicos para el cálculo demomento de inercia 37

7. Conclusiones 40




2. Prólogo

“Los componentes de la máquina compactadora habían sido prácticamente cambiados en su totalidad, y aún presentaba la falla.Una vez que se ordenaba que la prensa quedara arriba, con el pasodel tiempo iba cediendo poco a poco hasta perder la posición de inicio.Esto implicaba perder la secuencia y por lo tanto paros constantes por reajuste. El mecánico de piso había reemplazado la válvula de mando5/2, las válvulas check piloteadas y hasta había cambiado la unidad deservicio, ¡¡¡todo lo había cambiado!!! Solo falta por reemplazar el actuador, sería el actuador el problema??”

La reparación de una máquina exige por parte del personal demantenimiento la capacidad de análisis, y por ende la comprensión delfuncionamiento de cada uno de sus componentes. La falta de esteconocimiento lleva a experimentar dentro del proceso, reflejándose enlos costos.

En este documento pretendemos dar a conocer lascaracterísticas más importantes de los actuadores neumáticos y sus

propiedades de funcionamiento. Por esto invitamos al lector aintroducirse en el tema de actuadores neumáticos que seguramente leayudara a reducir grandes costos de mantenimiento y diseño.




3. Introducción

Independientemente del proceso que se realice, el movimientodescrito por la manipulación de los herramentales o de las piezas detrabajo describe tres rutas generales de desplazamiento, quepodemos clasificar de la siguiente manera:

• rectilíneo• angular • helicoidal

A cada movimiento podemos reconocerle características propias,tales como:

• sentido• dirección• fuerza• velocidad

La producción exige de los actuadores desplazamientos con altavelocidad, precisión, confiabilidad y de dimensionamiento reducido.

Diversas son las técnicas que se emplean para llevar acabo estosmovimientos, una de las más aplicadas es la neumática.

La neumática es el medio impulsor, que permite desarrollar lostrabajos a alta velocidad y eficiencia, con bajo costo. Los actuadoresneumáticos son los que realizan directamente el trabajo, y estánclasificados en dos grandes grupos de acuerdo a su función.

• Actuadores lineales

• Actuadores giratorios

Para poder comprender e implementar los diferentes elementosneumáticos explicamos en la siguiente sección los conceptos teóricosbásicos en los que se fundamenta la neumática.




3.1 Propiedades físicas de la Neumática

Los parámetros de la neumática en los que se fundamentacualquier automatismo son Presión y Caudal.

Presión. Es la fuerza por unidad de área y las unidades en quese mide son el Bar, kg/cm2, PSI, pascal.

La presión neumática se clasifica de acuerdo al punto dereferencia a partir del cual se mide.

Presión absoluta. Es el valor de presión considerada desde elcero absoluto. En la estratosfera se considera un valor de presiónigual a cero, presión que se empieza a incrementar cuando seintroduce en la atmósfera terrestre.

Presión atmosférica. Es la presión que ejerce la atmósferasobre los cuerpos, y que varía de acuerdo a la altitud del lugar dondese mida. A nivel de mar se considera una presión atmosférica de 1atmósfera (1 bar).

Presión manométrica. Es la presión que se encuentra dentrode tanques o depósitos cerrados,

Depresión o vacío. Es la ausencia de presión, no puede existir un vacío mayor a la atmosférica (no se puede tener presión menor alcero absoluto).




Estratosfera

Atmósfera

cero absoluto

presión atmosférica

depresión o vacío

presión manométrica

Caudal. Es la cantidad de volumen desplazado por unidad detiempo, y sus unidades son los lt / min. Para que exista caudal senecesita una diferencia de presiones, y este fluirá de mayor a menor presión y en relación cuadrática al diámetro de la tubería.

Atmósfera terrestre:

La figura muestra como varía la presión atmosférica dependiendo de la altitud,el vacío es en sentido opuesto a la presión atmosférica y jamás será mayor que

ésta. La presión manométrica se obtiene presurizando el aire en tanquescerrados.

La gráfica muestra el caudal Q fluyendo de izquierda a derecha,es decir de presión mayor P1 apresión menor P2

Q P2 P1

P1 > P2




4. Actuadores neumáticos.

Los actuadores son aquellos que realizan directamente el

trabajo dentro de un sistema automático o semiautomático. Los tiposde actuadores están construidos según las características propias dela aplicación.

Las características genéricas de un actuador son:

a) Principio operativo (doble efecto - simple efecto)b) Diámetro del émboloc) Carrera de desplazamiento

Un actuador neumático del tipo cilíndrico esta compuesto de lossiguientes elementos:

Vástago

Tapas o culatas

CamisaÉmbolo




4.1 Cálculo de la fuerza de trabajo de los actuadoresneumáticos.

El diámetro del émbolo determina la fuerza que puededesarrollar el actuador. Y como se recordará la presión es la fuerzasobre unidad de área.

P = F / A

donde:

P - Es la presión en Bar F – Es la fuerza en NewtonA – Es el área en cm2

despejando la fuerza tenemos:

F = P . A

Como se puede observar la fuerza depende directamente de lapresión y del área. Debido a que normalmente las máquinas manejanuna presión constante (6 bar), es entonces que la fuerza que puede

realizar un actuador neumático depende directamente del diámetro desu émbolo.

Émbolo

Vástago




Las áreas del émbolo de avance y de retroceso son diferentes.

A 1 < A 2

Por lo tanto la fuerza de avance es mayor que la fuerza de retrocesoen un actuador de doble efecto, con una misma presión de trabajo.

F avance > F retroceso

La diferencia de áreas es debida al área que ocupa el vástagoen el émbolo.

El nomograma siguiente nos permite determinar el diámetroadecuado del émbolo para la fuerza a desarrollar de un actuador neumático. Solamente es requerido identificar la presión de trabajodel suministro del aire comprimido en las líneas transversales y en laslíneas verticales la fuerza a ejecutar (eje horizontal).

10 NEWTON = 1 Kg

El punto dónde se unen estas dos líneas se proyecta hacia eleje vertical y da como resultado el diámetro del émbolo en mm.

Vista frontal Vista posterior

A

A 1 A 2




4.2 Cálculo del consumo de aire de los actuadoresneumáticos

El consumo de aire de los actuadores neumáticos determina las

dimensiones de las válvulas de mando, tubo plástico flexible,velocidades de trabajo y las dimensiones del propio compresor. Esteconsumo se puede calcular a través de la siguiente fórmula:

Q = 2 n s qdonde:

Q = Consumo de aire (l / min.)n = No. de ciclos por minutos = Carrera (cm)

q = Consumo específico de aire (l / cm)

El consumo específico se determina a partir del nomograma No. 2.Con el valor de presión de trabajo y el diámetro del émbolo se localizael punto de intersección de ambas líneas y se proyecta hacia el ejehorizontal, consumo l/cm. Este valor se sustituye en la fórmula anterior y se calcula el consumo.

Como se puede observar el consumo también variarádependiendo del número de ciclos por minuto que realice, es decir,

para un mismo actuador se puede tener un consumo de airecomprimido diferente de acuerdo a su velocidad de desplazamiento.El beneficio de conocer el consumo de aire comprimido de

nuestros actuadores, es para poder estimar el consumo de nuestramáquina y en general el de toda la planta, y de esta maneraseleccionar el compresor de aire comprimido adecuado.

Los datos obtenidos de las gráficas anteriores tendrán queadecuarse a los productos existentes en el mercado. Recuerde quecuando no hubiese el elemento que deseamos a la medida exacta de

nuestro cálculo, deberá seleccionarse el inmediato superior que existaen el mercado, esto con la finalidad de evitar que el componentequede insuficiente a la necesidad para la cual ha sido adquirido.




Los actuadores neumáticos tienen aplicaciones casi ilimitadas enel campo de la técnica de automatización; El transporte, montaje ymanipulación, ya sea para elevar, alimentar, desplazar, posicionar ocambiar de dirección, son ejemplos de su uso.

Independientemente de la construcción y tipo de actuador serepresentan con la siguiente simbología:

Simbología de actuador lineal de simpleefecto.

Simbología de actuador lineal de doble efecto.

Simbología de actuador giratorio. (rotics)




4.3 Control del avance y retroceso de los actuadoresneumáticos.

El desplazamiento de un actuador, ya sea hacia adelante o haciaatrás se lleva acabo a través de las válvulas de vías. Por ejemplo, unactuador neumático de doble efecto será controlado por medio de unaválvula 5/2. Sin importar su accionamiento.

En el gráfico de la izquierda se puede observar a la válvula5/2 en su posición normal de reposo, el aire de suministro entrapor el puerto no. 1 y cruza hasta el puerto no. 2, el aire empuja

al émbolo hacia atrás. En la figura de la derecha la válvula acambiado de posición y ahora el aire de suministro sale por elpuerto no. 4 empujando al émbolo hacia adelante, mientrastanto el aire que estaba contenido en al otro lado de la cámaradel actuador, sale desfogado por el puerto no. 3.




4.4 Regulación de velocidad de los actuadoresneumáticos

Una condición más que se les establece a los actuadores parasu desplazamiento es la velocidad, esto es debido a que para algunasaplicaciones el actuador podría en lugar de desplazar, golpear la piezao arrojarla al aire por la inercia que maneja. Es por esto la importanciade poder reducir su velocidad, sin embargo, una excesiva disminucióntrae como consecuencia el aumento en el tiempo de máquina para laproducción, traduciéndose en costos.

La regulación de velocidad de los actuadores es realmente

sencilla, pero es necesario seleccionar los componentes adecuadospara la optimización del sistema neumático.

Una válvula reguladora de caudal es una restricción al paso de

aire, sin embargo, si se usa esta válvula para limitar el aire que entrahacia el actuador puede tener resultados que no son los deseados.Debe recordar el lector que el aire es compresible, por lo que al entrar lentamente a la cámara del actuador la presión se irá acumulandopoco a poco, hasta que se alcance la presión necesaria paradesplazar al émbolo, una vez que se ha conseguido esta presión

Para controlar la velocidad de un actuador deberegularse el aire que escapa por la cámara contraria almovimiento.




mínima, el émbolo se mueve provocando un aumento en el volumende la cámara que a su vez provoca que la presión caiga, deteniendoel avance del émbolo. Lo anterior se repite constantemente, dando unefecto escalonado en el desplazamiento. Aparte que no permite elcontrol eficiente de la velocidad, una situación como la descrita,provoca el desgaste de los elementos suaves del émbolo.

La forma más adecuada de controlar la velocidad de losactuadores, es regulando el aire que escapa de la cámara contraria ala que se llena. El efecto provocado, es una contrapresión que frena alactuador, pero en esta ocasión permite manipular la velocidad demanera uniforme y precisa.

Válvula reguladora de caudal

Tipo GRLA - … B

Los requerimientos de fuerza, velocidades, durabilidad, montajey dimensionamiento de los actuadores neumáticos tendrán que ser cumplidas por productos encontrados en el mercado. FESTO

Tipo GRLA - .. QS -




PNEUMATIC le ofrece una gran gama de actuadores neumáticos yaccesorios que a continuación le mostramos.




Actuador

normalizado




Las diferentes aplicaciones industriales exigen característicasespeciales de los actuadores estándar, por ejemplo el tipo de vástagopara el acoplamiento mecánico con los dispositivos. Festo le ofrecelas diferentes opciones que se presentan:




Diámetros desde 32 a 320 mmFuerza máxima de 4825 kg m en320 mm de diámetroÉmbolo magnético

Accesorios de

Actuador de altas fuerzasTipo DNG- … - PPVA




•Versiones con cuerda externa o interna envástago•Multiposicional•Tándem•Juegos de montaje

Actuador compactoTipo ADVU-...

+

Multiposicione

Tánde




SS66 SS22

SS2200

Actuador compacto demultimontaje

•Construcción compacta en bloque•Peso reducido

Versiones




Actuador de aceros inoxidablesSerie CR

•Apropiados para la industriaalimenticia, química y degalvanizado•Juntas de FPM•Homologación de las piezasmediante pruebas en.•Atmósfera con contenido dedióxido de sulfuro (test Kesternich)•niebla de cloruro sódico•ambiente alterno con condensado

Tipo CRDNG …Diámetros de 32 a 100mm

Tipo CRDNGS …Diámetros de 32 a 100mm




Tipo CRDG …Diámetros de 12 a 63mm

Tipo CRDSNU ..

Diámetros de 12 a 25mm

Tipo CRDSW …Diámetros de 32 a 63 mmCarreras de 10 a 2000

Actuador de aceros inoxidables

Serie CR




Actuador de aceros inoxidables

Serie CR

Accesorios de acero




•Sistema mecánico de arrastre•Antigiro•Reducción de espacio

Actuador lineal sin vástagoTipo DGP / DGPL ...




•Doble fuerza en la mitad dediámetro•Fijación directa del carro•El yugo se desplaza

Actuador dobleTipo DPZ / DPZJ ...




•Guías integradas al mismo cuerpo•Montaje directo•versiones con guía de fricción oguías de rodamientos de bolas

Actuador antigiroTipo DFM ...

Montaje oculto y directo de los sensores

Conexión indistinta de airLateral o arriba

Resistencia antigiro y soporte degrandes momentos en todos losniveles de carga




•Doble fuerza en la mitad dediámetro•Fijación directa del yugo•El carro se desplaza

Unidad linealTipo SPZ ...

+Fácil acoplamiento para formar manipuladores en varios ejes




Actuadores de topeTipo STA / SRAF

•Puede trabajar como simple o doble efecto•Vástago reforzado para soportar altascargas tangenciales•Detección magnética en el émbolo•Montaje directo o por brida

Opcional con rodilloen vástago




5. Actuadores giratorios

En las máquinas de producción en ocasiones es necesario rotar o girar la herramienta o inclusive la misma pieza, llevarlo acabo através de la composición de múltiples movimientos lineales esinpráctico y costoso. Se han desarrollado elementos que permitentener desplazamientos angulares con alta potencia y precisión, loscuales reciben el nombre de actuadores giratorios.

Estos actuadores angulares o giratorios difieren de losactuadores lineales desde su principio constructivo y funcional, los

cuales pueden ser: sistema de aleta giratoria y sistema de piñón -cremallera.

Los actuadores con aleta giratoria se distinguen por su formacompacta de construcción y su alta velocidad de movimiento. Mientrasque los actuadores con piñón y cremallera son especialmente sólidos,y capaces de absorber una gran fuerza de impacto al alcanzar susposiciones finales de carrera.

Actuador de aleta giratoria Actuador de piñón - cremallera




Algunos tipos de actuadores giratorios se muestran a continuación.

Diámetro equivalentede 6 a 10 mm

Diámetro equivalentede 12 a 40 mm

Unidad de embrague para

conseguir giros continuosTipo FLSM

Actuador giratorio Tipo DSM -

•Diámetro equivalente desde los 6 mm hasta40 mm•Ángulo de giro desde 90° hasta 270°•Montaje directo sin accesorios




Placas adaptadoras para pinzasEstas placas de adaptación (montadasdirectamente en el árbol con brida)permiten montar directamente todaslas pinzas de FESTO

DetecciónLas ranuras para sensorespermiten efectuar la consultarecurriendo a los detectoresestándar de Festo del tipo

Amortiguación y ajuste de lasposiciones finalesLa inclusión del casquilloamortiguador y del tope de final decarrera en una sola pieza permiteobtener un efecto amortiguador constante en todo el margen deajuste (+6° hasta -20° en cadaposición final).

Variantes de piñón

Versión estándar: pivote conchavetaVersión alternativa: fijación directaen la brida

Actuador giratorioTipo DRQD - …




•Posibilidad de realizar movimientoslineales y giratorios independientes osimultáneamente•Detección de los movimientos mediantesensores•Versiones de vástago hueco

Accesorio

Actuador giratorio / linealDRQD -…




6. Criterios de selección de los actuadores de gironeumático

En los dispositivos giratorios, normalmente se tiende a confundir los conceptos de Torque (par de giro), energía de rotación y momentode inercia. En el presente mostrar algunos puntos aclaratorios, queayuden al diseñador.

6.1 Par de giro (Torque)

O también conocido como par de giro, es el producto de la

fuerza y la distancia vertical de su línea de acción desde el centro degiro.

Tm

l

F

Figura, se mueve una masa desde la posición horizontal en unatrayectoria circular hacia arriba. El par de giro eficaz en el eje inducidose calcula en base a la fuerza producida por la masa multiplicada por la longitud del brazo de palanca.

T F L= •

donde:T = Par de giro (Torque)F = Fuerzal = Longitud del brazo de palanca




T

F

l

α

En la fig. se muestra la masa a girar en un ángulo de 45°, la

fuerza que se transmite a través del brazo de palanca es unacomponente de la masa total, por lo que el par de giro sobre el pivote

se ve reducido.

F F = •1

senα donde:F = Fuerza total, componente de la masa totalF1 = Masa totalsen α = Seno del ángulo con respecto

6.2 Energía de rotación

El par de giro que se produce al mover una masa, no es la únicamagnitud decisiva para determinar el actuador giratorio, también esimportante considerar la energía de rotación, ya que esta seráabsorbida en los finales de carrera.

La energía de rotación es análoga a la energía cinética enmovimientos lineales. Y depende del momento de inercia de la masa

movida y de la velocidad angular con la que gira.

E J

=• ω

2

2

donde:




E = energía de rotaciónJ = momento de inercia de la masaω = velocidad angular

6.3 Momento de inerciaLa inercia de una masa es siempre contraria a la acción de la

fuerza. Por ejemplo: en automóvil al acelerar, la masa se opone almovimiento; de la misma manera al desacelerar, la masa va contrariaa la desaceleración.

FESTO

inercia aceleracióndesaceleración

masa

Esta fuerza contraria a la fuerza que cambia la velocidad de uncuerpo, es a lo que se le conoce como inercia.

En el caso de los movimientos giratorios, cuando se alcanza elfinal de carrera, el momento de inercia es el factor decisivo para laselección de los actuadores giratorios. Debido a que normalmente noes posible reducir la velocidad angular, por condiciones implícitas delproceso, la energía de rotación suele ser demasiado elevada para lostopes mecánicos de final de carrera, por lo que los sobrecarga yfinalmente los deteriora.

Efinal




Fig. La energía de rotación final es muy grande en el final de carrera de unactuador giratorio, por lo que debe considerarse éste valor para una correcta

selección del actuador giratorio.




6.4 Algunos casos típicos para el cálculo del momento deinercia

El cálculo del momento de inercia varia dependiendo de la formade la masa, por lo que a continuación encontrará algunos casostípicos que le ayudarán posteriormente.

donde:

J = momento de inercia (kg/m2)b,l,h = cotas de las piezas (m)m = masa (kg)r = radio

l

Barra delgada con alojamiento céntrico

h

l

b

Para el cálculo de inercia deuna masa con forma deparalelepípedo se consideraúnicamente su área.

( ) J m

b l = •

+2 2

12

l2

l1 b

Placa delgada con alojamientoexcéntrico

J ml b

ml b

= •⋅ +

+ •+

1

1

2 2

2

2

2 4

12

4

12

J ml

=

2

12




l1

l2

Barra delgada con alojamiento excéntrico

r

Placa circular plana, alojamiento céntrico

r

Placa circular de canto con alojamiento céntrico

r

Esfera con alojamiento céntrico

J ml

ml

= • +1

1

2

2

2

2

3 3

J mr

= •

2

2

J mr

= •

2

4

J mr

= •2

5

2




De los datos ofrecidos por los fabricantes, es necesariodeterminar los siguientes factores que son esenciales para laselección correcta de los actuadores de giro:

• la máxima energía de rotación• la máxima frecuencia (velocidad angular)

Una vez que se conozcan estos puntos, será posible elegir,además, los accesorios convenientes (tales como los amortiguadores).




7. Conclusión

La sujeción, transportación y manipulación de las piezas detrabajo son tan variadas, que ha sido necesario atomizar cada una delas operaciones del proceso productivo. Esta desintegración delproceso a cada una de sus partes elementales, permite usar elementos actuadores básicos para desarrollar el trabajo, ya sea conmovimientos rectilíneos o angulares.

El movimiento angular permite “saltar” los obstáculos mecánicosexistentes, logrando que a través de un sólo movimiento sea posiblecambiar de posición o de lugar una pieza, evitando el uso de variosactuadores lineales para el mismo fin, y que solo incrementarían elcosto de producción.

La descomposición en cada uno de sus movimientos básicos dela producción, es solo la parte esencial de la automatización, y quelleva a una segunda etapa aparentemente contraria a la primera, laintegración.

Mediante los sistemas de control, cada vez más poderosos, esposible fusionar las diferentes etapas de producción, estableciendouna o varias líneas de producción controladas y supervisadas por uncontrol central, ahorrando y haciendo más eficiente todo el sistema deproducción.

Invitamos al lector a continuar con nuestros ciclos deconferencias técnicas, donde podrá encontrar los medios para poder integrar sus líneas de producción en sistemas inteligentes, que lepermitirán aumentar su productividad.

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