5 Componentes de trabajo 5.1 Actuadores neumaticos El término actuadores neumáticos se utiliza en aquellos componentes mecánicos destinados a transformar la energía neumática de presión y caudal en trabajo mecánico en la etapa de salida de un sistema de transmisión de energía (STE) neumático. Los actuadores neumáticos son componentes capaces de proporcionar potencia y movimiento a sistemas automatizados, máquinas y procesos. Según la forma como se obtenga el trabajo, los actuadores neumáticos se clasifican en los tipos siguientes: Actuadores lineales. La potencia mecánica que desarrollan se define como el producto de la fuerza por la velocidad lineal. Los actuadores lineales más usados son los cilindros neumáticos, aunque en la práctica el desplazamiento lineal se puede conseguir por medio de otras configuraciones. Actuadores rotativos. La potencia mecánica que desarrollan se define como el producto del par por la velocidad angular. Los actuadores rotativos pueden ser de giro, cuando el movimiento se restringe a ángulos inferiores a una vuelta del actuador, o motores, cuando el movimiento de rotación tiene lugar de forma continua, sin límite de vueltas.
En general, los actuadores neumáticos toleran condiciones adversas de trabajo, como alta humedad o ambientes polvorientos, y son de fácil limpieza y mantenimiento. 5.1.1 Actuadores lineales Un cilindro neumático es un componente sencillo, de bajo coste, fácil de instalar e ideal para producir movimientos lineales. La carrera del cilindro determina el movimiento máximo que éste puede producir. La presión máxima de trabajo depende del diseño del cilindro, aunque está limitada en la práctica por condicionantes energéticos.
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La velocidad que se puede conseguir con un cilindro tiene un amplio margen de ajuste: puede oscilar entre 0,1 m/s y 1 m/s, o más si se dispone de los elementos de amortiguación adecuados. En la práctica, se pueden conseguir velocidades inferiores al límite marcado mediante dispositivos de regulación de velocidad que eviten el movimiento descontrolado que causa el rozamiento. La fuerza que ejerce un cilindro se controla por medio de reguladores de presión y está limitada por el diámetro del cilindro y la presión de trabajo. A más diámetro o presión se consiguen fuerzas mayores, a expensas de un mayor consumo de aire comprimido. En un ámbito práctico, la fuerza máxima que es posible ejercer está limitada a unos 30.000 N (unas 3 toneladas) a 7 bares de presión. Cilindro de simple efecto Cilindro de doble efecto Cilindros especiales Complementos de los actuadores lineales En los cilindros de simple efecto el aire comprimido genera sólo uno de los movimientos. El retorno debe hacerse por medio de una acción exterior. Hay de dos tipos: sin retorno por muelle
Vástago retraído y extendido con retorno por muelle
Vástago retraído y extendido Además de la acción exterior, es necesario que el aire contenido en la cámara anterior pueda ir a escape. El accionamiento mediante válvulas distribuidoras debe contemplar esta posibilidad.
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También es posible actuar un cilindro a distancia mediante la combinación adecuada de válvulas.
En los cilindros de doble efecto se utiliza aire comprimido para generar los dos movimientos del cilindro, de salida (movimiento A+) y de entrada del vástago (movimiento A-). Por este motivo, consumen más aire para una misma cadencia de movimiento. Pueden ser: Sin amortiguación: Los cilindros sin amortiguación están diseñados para aplicaciones con cargas ligeras y baja velocidad. Si una vez montado el cilindro se precisaran mayores velocidades, debería usarse amortiguación externa.
De amortiguación fija: La amortiguación fija está destinada a cilindros de pequeño diámetro y para trabajar con cargas ligeras. En algunas aplicaciones la amortiguación interna puede no ser suficiente. De amortiguación regulable: El diseño especial del émbolo de estos cilindros está destinado a parar progresivamente el pistón en el último tramo de la carrera del cilindro. La amortiguación es regulable si se estrangula más o menos el flujo de aire por medio del tornillo de amortiguación situado junto a las conexiones.
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Doble efecto magnético: Ésta es una configuración especial de cilindros de doble efecto, normalmente amortiguado, en la cual se diseña el émbolo para alojar un aro magnético que acciona los interruptores magnéticos exteriores. Se utiliza para indicar que el pistón ha llegado al final de su recorrido.
Con los cilindros de doble efecto, se consigue regular la velocidad de salida y de entrada de forma independiente. Permiten un control de la velocidad más fino, así como un mejor gobierno de los automatismos. Sin embargo, no siempre son los más adecuados, de modo que no tienen por qué desplazar a los actuadores de simple efecto si no es necesario. Cilindros especiales La práctica ha alentado el diseño de numerosos actuadores especiales para aplicaciones particulares. Aquí se incluyen los más comunes. Sin vástago: Los actuadores sin vástago se emplean mucho en la práctica porque consiguen el mismo recorrido útil con casi la mitad de espacio. Se suelen emplear, por ejemplo, en líneas transportadoras o para elevar o manipular cargas en espacios reducidos o no convencionales. El movimiento del cilindro está contenido en el propio cuerpo de éste y se transmite por un carro que se desplaza a través de su camisa. Una ranura a lo largo de la camisa permite la conexión del carro con el pistón. En el interior y el exterior del cilindro se disponen una junta y una cubierta para la estanqueidad y la protección contra el polvo. También hay actuadores sin vástago de diámetros desde 16 hasta 80 milímetros, con carreras de hasta 8,5 metros para pórticos.
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De doble vástago: El uso de los cilindros de doble vástago es adecuado cuando se requiera mayor estabilidad y rigidez de montaje. A diferencia de los modelos de un solo vástago, estos cilindros disponen de dos casquillos guía y de un área efectiva del pistón igual en ambos lados. El inconveniente de este tipo de actuadores es el espacio extra que necesitan para una misma carrera útil.
Compactos: Los cilindros compactos tienen una relación diámetro/carrera muy elevada. Son adecuados en espacios reducidos donde se precise una carrera corta y la carga sea reducida, por ejemplo en sistemas de fijación. También hay modelos de gran diámetro para aplicaciones que necesiten fuerzas mayores. Se acostumbran a utilizar en la versión simple efecto, pero también están disponibles en doble efecto, antigiro y doble vástago, magnético o no. No suelen tener amortiguación interna, por lo que se fabrican con orificios de alimentación pequeños para su diámetro, con el fin de limitar su velocidad.
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Elásticos: Son actuadores elásticos aquellos que tienen paredes flexibles. Los actuadores elásticos proporcionan carreras cortas de alta potencia. Se trata de muelles neumáticos de simple efecto e ideales para aislar vibraciones. La compresión y extensión máxima de los cilindros elásticos tienen que estar limitada externamente. Nunca se debe presurizar un cilindro elástico sin esta limitación de carrera externa, ya que se pueden causar serios perjuicios a máquinas y operarios. El diseño que presentamos a continuación se extiende al aumentar la presión interna. Otros modelos de actuadores elásticos funcionan a la inversa, es decir, se contraen cuando la presión aumenta. Este funcionamiento resulta mimético al de un músculo humano, lo cual alenta su empleo en diversas aplicaciones de robótica.
Antigiro: En algunas aplicaciones industriales es imprescindible que la carga unida al vástago mantenga su orientación. Esto se puede conseguir con un guiado adecuado de la carga, pero también a partir de un diseño ex profeso del cilindro neumático. En cualquier caso, se necesitarán guías externas cuando la tendencia al volteo de la carga sea importante.
Tándem: La configuración tándem prácticamente dobla la fuerza que ejecuta el cilindro, pues incluye dos émbolos dentro de la misma unidad, aunque la fuerza máxima está limitada por el pandeo del vástago y su consumo es también casi el doble. Estos cilindros suponen una alternativa válida a los cilindros de gran diámetro en aplicaciones donde el espacio está limitado por ancho y no por longitud.
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De impacto: En los cilindros de impacto el vástago se acelera muy rápidamente, de manera que da un golpe de martillo. Suponen una alternativa a las prensas convencionales en operaciones de marcado y troquelado, con energías de impacto de hasta 250J. El funcionamiento de estos cilindros es el siguiente: Tras el movimiento de retorno, el pistón se mantiene a menos. No se inicia el movimiento de salida –a más– por la acción de la presión residual en la cámara posterior. Mientras el aire se descarga de la cámara posterior, se carga el depósito a la entrada del cilindro. Aún no se inicia el movimiento a más, porque la presión actúa sobre una superficie de pistón pequeña. Cuando la presión de descarga cae suficientemente, la presión acumulada hace que el pistón se mueva y provoca una elevada aceleración.
Multiposicionales: Dos cilindros juntos proporcionan una amplia variedad de combinaciones de posiciones, según cuál se haya accionado.
Microcilindros: La técnica de mecanizado ha evolucionado tanto que permite fabricar cilindros neumáticos de diámetros muy pequeños a un coste reducido. Estos cilindros son principalmente de simple efecto y vástago retraído, con diámetros de hasta 2,5 Página 7 de 20
milímetros. Los microcilindros se utilizan en aplicaciones de muy poca carga para el ensamblado y fabricación miniaturizada.
Complementos de los actuadores lineales El diseño último de un accionamiento lineal no finaliza con la selección del actuador más apropiado en términos de la capacidad de carrera o la fuerza que deba desarrollar, sino que debe contemplar consideraciones relativas a la estabilidad de la carga desplazada, la seguridad del accionamiento en una perspectiva global y el estado de reposo elegido para el sistema. En el desplazamiento de una carga a una velocidad determinada entra en juego una cantidad de energía considerable que conviene tener en cuenta. Es muy importante elegir el tipo adecuado de fijación para el cilindro, convenir la necesidad de guiado externo de la carga y poder bloquear el cilindro cuando se estime necesario. La neumática ha resuelto satisfactoriamente esta clase de cuestiones mediante complementos: Fijaciones: En función de las necesidades de montaje, se puede fijar el cilindro rígidamente a la bancada o permitir un determinado giro en uno o más planos. Los puntos de fijación pueden ser el cuerpo del cilindro o el extremo del vástago. Los fabricantes ponen a disposición de los usuarios un gran número de posibilidades para garantizar la versatilidad de cada acoplamiento. Los tipos de fijaciones rígidas son:
Fijaciones disponibles en el mercado y su forma de conexión al cilindro.
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A Tirantes prolongados
B Brida posterior
C Pies
D Brida anterior
Las fijaciones articuladas pueden ser de: D Charnela hembra posterior
F Horquilla vástago
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H Unión central
L Articulación posterior
M Articulación vástago
R Charnela posterior
UF Rótula vástago
UR Charnela posterior orientable
Guías antigiro Algunos cilindros incorporan de fábrica un sistema de guiado externo que proporciona una rigidez a la torsión excepcional. Con esta forma de guiado se consiguen desplazar cargas mayores y se facilita la inclusión de frenos pasivos o activos. Los cilindros que usan estas guías están disponibles en un gran número de modelos.
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Elementos de bloqueo del actuador En ocasiones es conveniente el bloqueo del actuador. Pensad, por ejemplo, en un actuador que soporte una carga en posición vertical, o en un cilindro de simple efecto con muelle extendido. Un corte de suministro de presión repentino puede provocar un accidente o una situación de emergencia. Existen dos métodos para bloquear un cilindro: los denominados métodos activos y los pasivos. Un método activo no debe utilizar la misma fuente de energía cuyo defecto pretende subsanar. Como métodos activos pueden servir frenos mecánicos o electromecánicos, pero son de poco uso en la práctica y no se tratarán en esta obra. Entre los procedimientos pasivos se encuentran: El bloqueo mediante un cilindro de bloqueo pasivo en el vástago. Cuando hay presión en el bloqueo pasivo, éste desbloquea el pistón para que trabaje libremente. Cuando no hay presión, el bloqueo sujeta firmemente el vástago para prevenir posibles movimientos. Los racores de bloqueo. Los racores de bloqueo permiten que el aire se mantenga en el cilindro en caso de fallo del suministro principal. Funcionan como una válvula 2/2 normalmente abierta y pilotada por la línea de presión. 5.1.2 Actuadores rotativos Los actuadores rotativos se dividen en actuadores de giro y motores. En los actuadores de giro, el movimiento se restringe a ángulos inferiores a una vuelta. En los motores neumáticos, el movimiento de rotación es continuo, sin límite de vueltas. Pueden ser: actuadores de giro o motores neumáticos. Actuadores de giro Los actuadores de giro se utilizan para girar componentes, actuar válvulas de control de procesos y producir giros de un ángulo determinado en aplicaciones de robótica. Son posibles dos morfologías: De piñón-cremallera: Los actuadores de giro por piñón-cremallera están formados por uno o más cilindros con vástago interno, en el cual se ha fresado una cremallera que se apoya sobre un alojamiento antideslizante. Son actuadores de doble efecto que se accionan y regulan como cualquier otro actuador lineal. El par que es capaz de desarrollar el actuador depende del diámetro primitivo de la corona del engrane interno y de la fuerza neumática causada por el área del émbolo y la presión de trabajo. El cálculo de la amortiguación necesaria es crítico, pues se desplazan cargas rotativas de difícil evaluación.
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El actuador piñón-cremallera siguiente es de doble efecto y doble par, ya que la corona actúa sobre dos cremalleras internas. Como siempre que se gana en par, fuerza o velocidad, el consumo de aire comprimido es mayor. Este diseño es más compacto que el anterior, por lo que es más difícil que se produzca desengrane entre las cremalleras y el piñón.
De paletas: Estos actuadores son de doble efecto con ángulos de giro de hasta 270°. Suelen usarse topes para limitar su carrera a cualquier ángulo dentro del límite indicado.
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Motores neumáticos Los motores neumáticos son máquinas que transforman la potencia neumática en potencia mecánica rotativa. Tienen básicamente las mismas propiedades de robustez, rapidez y versatilidad que el resto de los actuadores, pero también sus mismos inconvenientes: su velocidad depende de la carga y están limitados en par por el nivel de presión de trabajo máxima. Un inconveniente adicional de los motores es que son ruidosos, aunque también lo son sus competidores hidráulicos. Los motores neumáticos pueden ser: de un solo sentido de rotación, reversibles, y de desplazamiento variable, reversibles o no. Algunas características de este tipo de actuadores (en la práctica industrial no se identifica los motores con el término actuadores, aunque lo son en el sentido más amplio de la palabra) son las siguientes: Proporcionan una marcha suave y continua, exenta de vibraciones. Son insensibles a las severidades atmosféricas. Son fácilmente regulables en velocidad y reversibles. Pueden protegerse fácilmente contra sobrecargas. Son de bajo mantenimiento y de construcción compacta. Los tipos de motores más comunes son los de paletas, los de pistones, axiales o radiales, y los de engranajes, rectos o helicoidales. Su morfología es muy similar a la de los compresores. Es frecuente pensar en los motores neumáticos como bombas que funcionan al revés. Es cierto que las distancias técnicas entre ambos tipos de máquinas las hacen muy diferentes en la práctica, pero a efectos divulgativos se pueden aceptar los bocetos vistos en el bloque "Compresión del aire" como representativos de cada una de las familias de motores. Se Indican sus características principales y el campo de aplicación más común para cada familia de motor. Los motores de paletas
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Los motores de pistones
Los motores de engranajes
Un tipo de motor neumático que se ha excluido del análisis que presentamos aquí es el motor de turbina. Este motor alcanza velocidades de rotación muy elevadas, pero no suele utilizarse en automatismos, salvo en aplicaciones muy puntuales. Un ejemplo lo constituyen las conocidas turbinas de los odontólogos, que pueden llegar a las 100.000 revoluciones por minuto.
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5.2 Selección de los actuadores 5.2 .1 Selección de los actuadores lineales La selección de un actuador lineal debe considerar la fuerza y carrera necesarias, la frecuencia máxima del accionamiento, la exclusión del pandeo del vástago, el consumo de aire comprimido y los requisitos de amortiguación. Los parámetros fundamentales de un actuador lineal son los diámetros del émbolo (D) y del vástago (d), y su carrera (L). La fuerza útil que puede ejercer un cilindro depende de estos diámetros, de la presión de trabajo y de la fuerza resistiva de rozamiento.
La fuerza debida a la presión actuante sobre una superficie A se evalúa mediante la expresión siguiente: F = A × P Para un actuador de doble efecto como el de la figura, la fuerza de presión en movimiento a más, F+, y en movimiento a menos (o de rectroceso), F-, respectivamente es (D y d se miden en milímetros, p en bar relativos y F en newtons):
Si es un cilindro sin vástago, d = 0. Si fuera de doble vástago, la fuerza de presión sería Fpara ambos sentidos de movimiento. La fuerza útil del actuador es la fuerza que queda disponible para desplazar, acelerar cargas o realizar cualquier tipo de trabajo. No toda la fuerza de presión se dedica a realizar un trabajo útil, debido a: La fuerza de rozamiento interna, de magnitud cercana al 10% y siempre resistiva. En cilindros de simple efecto con muelle, la fuerza debida al muelle, cuyo sentido depende del movimiento. En cilindros de doble efecto, la fuerza de contrapresión debida a la presión residual de la cámara que se está descargando. En cilindros en disposición no horizontal, la componente proyectada de la fuerza peso. En general, las fuerzas mencionadas se tienen en cuenta mediante un coeficiente que reduce la fuerza de presión máxima alcanzable cuyo valor está comprendido entre 0,75 y 0,95. Curiosamente, en la práctica no conviene que este coeficiente sea superior a 0,8, en contra de lo que cabría esperar desde un punto de vista puramente energético. Esto se debe a que el funcionamiento del cilindro es más estable cuando la fuerza efectiva del cilindro se aleja de la fuerza máxima posible.
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5.2 .2 Selección de los actuadores de giro La selección de un actuador de giro tiene que considerar el par necesario y la frecuencia máxima del accionamiento, el consumo de aire comprimido y los requisitos de amortiguación. Los parámetros fundamentales de un actuador de giro son los propios de su funcionamiento angular: el par motor, M, en Nm, y el ángulo de giro, F, en grados. El volumen de aire que desplaza por vuelta se utiliza para cálculos de consumo y es mayor cuanto mayor es el actuador. La frecuencia del accionamiento y la velocidad angular máxima de impacto son variables que influyen también en su selección. La estimación del par motor de un actuador de giro es una cuestión que requiere mucha experiencia y cuyo cálculo preciso queda fuera del alcance de esta obra. Son muchas las configuraciones diferentes en las cuales un motor puede interactuar con la carga rotativa y sería imposible explicarlas todas. Cuando los efectos dinámicos de la carga son importantes, como ocurre en las aplicaciones típicas donde se usan actuadores de giro, la expresión que define el par inercial es: M = Jα
En esta expresión, J representa la inercia (medido en kg · m 2) del elemento sobre el que se actúa y al cual se comunica la aceleración angular, α , en rad/s2. La aceleración angular que debe elegirse para el cálculo tiene que ser la más desfavorable en todos los casos. Un análisis sencillo que ofrece buenos resultados consiste en adoptar como aceleración angular la correspondiente a un movimiento angular uniformemente acelerado. Según estos movimientos, la aceleración angular que se alcanza al haber girado un ángulo F (medido en grados) durante un tiempo T, que es el semiperiodo del movimiento cíclico del actuador (medido en segundos):
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5.2 Selección de los motores neumaticos Los motores entregan en su eje de salida un par y unas revoluciones que dependen de la carga aplicada y de la presión y caudal neumáticos. Las magnitudes fundamentales de trabajo de un motor neumático son el par entregado M, en Nm; las revoluciones del eje de salida n, en rpm; la potencia mecánica entregada N, en W; la presión de trabajo relativa p, en bar; y el caudal consumido Q, en L/min, y su caudal normal asociado QN, en NL/min. Todas estas magnitudes se relacionan entre sí mediante la ecuación de la potencia entregada y del rendimiento del motor. Con las anteriores unidades, estas ecuaciones toman la forma siguiente:
La relación funcional entre estas magnitudes se presenta comercialmente mediante gráficos o ábacos que conviene conocer para efectuar la selección más adecuada. Podemos utilizar como ejemplo el gráfico siguiente, donde se representan el par del motor, la potencia entregada y el caudal consumido en función de las revoluciones del eje.
Observad cómo la potencia presenta un máximo hacia la zona media del gráfico. Este punto es conocido como el punto de funcionamientonominal del motor –subíndice N, que no hay que confundir con la condición de "normal"–, y el esfuerzo de la carga para este punto representa MN newton por metro de par. Para otras revoluciones cualesquiera, el funcionamiento del motor no será óptimo aunque pueda proporcionar mucho más par. MA es el par máximo de arranque del motor, es decir, el par contra el cual el motor es capaz de ponerse en marcha. Si el motor trabajara sin carga, giraría a n0, que son sus revoluciones de vacío. El funcionamiento de un motor debe mantenerse cercano a la posición de funcionamiento nominal, y preferiblemente, a revoluciones inferiores. Página 18 de 20
Otros criterios para la selección de un motor neumático son: El par de arranque y las revoluciones máximas de vacío El número de revoluciones máximo admisible por la carga y su rango de variación La potencia necesaria El consumo de aire La facilidad de mantenimiento y reposición El comportamiento general, ruido, costes de operación, etc. Las prestaciones de un motor neumático vienen establecidas mediante gráficos. En la tabla adjunta se muestran las curvas características para un motor de pistones radiales. Par/velocidad:
Par/presión:
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Potencia/velocidad:
Consumo/velocidad:
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