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Actuadores Neumticos D. Arce

Actuadores Neumticos AN 2

NDICE

Pgina. 1. ndice 2 2. Prlogo 3 3. Introduccin 4 3.1 Propiedades fsicas de la Neumtica 4. Actuadores neumticos 7 4.1 Clculo de la fuerza de trabajo de los actuadores neumticos 8

4.2 Clculo de consumo de aire de los actuadores neumticos 11

4.3 Control de avance y retroceso de los actuadores neumticos 14

4.4 Regulador de velocidad de los actuadores neumticos 14 5. Actuadores giratorios 30 6. Criterio de seleccin de los actuadores de giro neumtico 34

6.1 Par de giro 34 6.2 Energa de rotacin 35 6.3 Momento de inercia 36 6.4 Algunos casos tpicos para el clculo de momento de inercia 37 7. Conclusiones 40


2. Prlogo Los componentes de la mquina compactadora haban sido prcticamente cambiados en su totalidad, y an presentaba la falla. Una vez que se ordenaba que la prensa quedara arriba, con el paso del tiempo iba cediendo poco a poco hasta perder la posicin de inicio. Esto implicaba perder la secuencia y por lo tanto paros constantes por reajuste. El mecnico de piso haba reemplazado la vlvula de mando 5/2, las vlvulas check piloteadas y hasta haba cambiado la unidad de servicio, todo lo haba cambiado!!! Solo falta por reemplazar el actuador, sera el actuador el problema?? La reparacin de una mquina exige por parte del personal de mantenimiento la capacidad de anlisis, y por ende la comprensin del funcionamiento de cada uno de sus componentes. La falta de este conocimiento lleva a experimentar dentro del proceso, reflejndose en los costos. En este documento pretendemos dar a conocer las caractersticas ms importantes de los actuadores neumticos y sus propiedades de funcionamiento. Por esto invitamos al lector a introducirse en el tema de actuadores neumticos que seguramente le ayudara a reducir grandes costos de mantenimiento y diseo.


3. Introduccin Independientemente del proceso que se realice, el movimiento descrito por la manipulacin de los herramentales o de las piezas de trabajo describe tres rutas generales de desplazamiento, que podemos clasificar de la siguiente manera:

rectilneo angular helicoidal

A cada movimiento podemos reconocerle caractersticas propias, tales como:

sentido direccin fuerza velocidad

La produccin exige de los actuadores desplazamientos con alta velocidad, precisin, confiabilidad y de dimensionamiento reducido. Diversas son las tcnicas que se emplean para llevar acabo estos movimientos, una de las ms aplicadas es la neumtica. La neumtica es el medio impulsor, que permite desarrollar los trabajos a alta velocidad y eficiencia, con bajo costo. Los actuadores neumticos son los que realizan directamente el trabajo, y estn clasificados en dos grandes grupos de acuerdo a su funcin.

Actuadores lineales Actuadores giratorios

Para poder comprender e implementar los diferentes elementos neumticos explicamos en la siguiente seccin los conceptos tericos bsicos en los que se fundamenta la neumtica.


3.1 Propiedades fsicas de la Neumtica Los parmetros de la neumtica en los que se fundamenta cualquier automatismo son Presin y Caudal.

Presin. Es la fuerza por unidad de rea y las unidades en que se mide son el Bar, kg/cm2, PSI, pascal.

La presin neumtica se clasifica de acuerdo al punto de referencia a partir del cual se mide. Presin absoluta. Es el valor de presin considerada desde el cero absoluto. En la estratosfera se considera un valor de presin igual a cero, presin que se empieza a incrementar cuando se introduce en la atmsfera terrestre. Presin atmosfrica. Es la presin que ejerce la atmsfera sobre los cuerpos, y que vara de acuerdo a la altitud del lugar donde se mida. A nivel de mar se considera una presin atmosfrica de 1 atmsfera (1 bar). Presin manomtrica. Es la presin que se encuentra dentro de tanques o depsitos cerrados, Depresin o vaco. Es la ausencia de presin, no puede existir un vaco mayor a la atmosfrica (no se puede tener presin menor al cero absoluto).


Estratosfera

Atmsfera

cero absoluto

presin atmosfrica

depresin o vaco

presin manomtrica

Caudal. Es la cantidad de volumen desplazado por unidad de tiempo, y sus unidades son los lt / min. Para que exista caudal se necesita una diferencia de presiones, y este fluir de mayor a menor presin y en relacin cuadrtica al dimetro de la tubera.

Atmsfera terrestre:

La figura muestra como vara la presin atmosfrica dependiendo de la altitud, el vaco es en sentido opuesto a la presin atmosfrica y jams ser mayor que

sta. La presin manomtrica se obtiene presurizando el aire en tanques cerrados.

La grfica muestra el caudal Q fluyendo de izquierda a derecha, es decir de presin mayor P1 a presin menor P2

Q P2 P1

P1 > P2


4. Actuadores neumticos. Los actuadores son aquellos que realizan directamente el trabajo dentro de un sistema automtico o semiautomtico. Los tipos de actuadores estn construidos segn las caractersticas propias de la aplicacin. Las caractersticas genricas de un actuador son: a) Principio operativo (doble efecto - simple efecto) b) Dimetro del mbolo c) Carrera de desplazamiento Un actuador neumtico del tipo cilndrico esta compuesto de los siguientes elementos:

Vstago

Tapas o culatas

Camisa mbolo


4.1 Clculo de la fuerza de trabajo de los actuadores neumticos. El dimetro del mbolo determina la fuerza que puede desarrollar el actuador. Y como se recordar la presin es la fuerza sobre unidad de rea.

P = F / A donde: P - Es la presin en Bar F Es la fuerza en Newton A Es el rea en cm2 despejando la fuerza tenemos:

F = P . A Como se puede observar la fuerza depende directamente de la presin y del rea. Debido a que normalmente las mquinas manejan una presin constante (6 bar), es entonces que la fuerza que puede realizar un actuador neumtico depende directamente del dimetro de su mbolo.

mbolo

Vstago


Las reas del mbolo de avance y de retroceso son diferentes.

A 1 < A 2 Por lo tanto la fuerza de avance es mayor que la fuerza de retroceso en un actuador de doble efecto, con una misma presin de trabajo.

F avance > F retroceso La diferencia de reas es debida al rea que ocupa el vstago en el mbolo. El nomograma siguiente nos permite determinar el dimetro adecuado del mbolo para la fuerza a desarrollar de un actuador neumtico. Solamente es requerido identificar la presin de trabajo del suministro del aire comprimido en las lneas transversales y en las lneas verticales la fuerza a ejecutar (eje horizontal).

10 NEWTON = 1 Kg

El punto dnde se unen estas dos lneas se proyecta hacia el eje vertical y da como resultado el dimetro del mbolo en mm.

Vista frontal Vista posterior

A

A 1 A 2


4.2 Clculo del consumo de aire de los actuadores neumticos El consumo de aire de los actuadores neumticos determina las dimensiones de las vlvulas de mando, tubo plstico flexible, velocidades de trabajo y las dimensiones del propio compresor. Este consumo se puede calcular a travs de la siguiente frmula:

Q = 2 n s q donde: Q = Consumo de aire (l / min.) n = No. de ciclos por minuto s = Carrera (cm) q = Consumo especfico de aire (l / cm) El consumo especfico se determina a partir del nomograma No. 2. Con el valor de presin de trabajo y el dimetro del mbolo se localiza el punto de interseccin de ambas lneas y se proyecta hacia el eje horizontal, consumo l/cm. Este valor se sustituye en la frmula anterior y se calcula el consumo. Como se puede observar el consumo tambin variar dependiendo del nmero de ciclos por minuto que realice, es decir, para un mismo actuador se puede tener un consumo de aire comprimido 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 nuestra mquina y en general el de toda la planta, y de esta manera seleccionar el compresor de aire comprimido adecuado. Los datos obtenidos de las grficas anteriores tendrn que adecuarse a los productos existentes en el mercado. Recuerde que cuando no hubiese el elemento que deseamos a la medida exacta de nuestro clculo, deber seleccionarse el inmediato superior que exista en el mercado, esto con la finalidad de evitar que el componente quede insuficiente a la necesidad para la cual ha sido adquirido.


Los actuadores neumticos tienen aplicaciones casi ilimitadas en el campo de la tcnica de automatizacin; El transporte, montaje y manipulacin, ya sea para elevar, alimentar, desplazar, posicionar o cambiar de direccin, son ejemplos de su uso. Independientemente de la construccin y tipo de actuador se representan con la siguiente simbologa:

Simbologa de actuador lineal de simple efecto.

Simbologa de actuador lineal de doble efecto.

Simbologa de actuador giratorio. (rotics)


4.3 Control del avance y retroceso de los actuadores neumticos. El desplazamiento de un actuador, ya sea hacia adelante o hacia atrs se lleva acabo a travs de las vlvulas de vas. Por ejemplo, un actuador neumtico de doble efecto ser controlado por medio de una vlvula 5/2. Sin importar su accionamiento.

En el grfico de la izquierda se puede observar a la vlvula 5/2 en su posicin normal de reposo, el aire de suministro entra por el puerto no. 1 y cruza hasta el puerto no. 2, el aire empuja al mbolo hacia atrs. En la figura de la derecha la vlvula a cambiado de posicin y ahora el aire de suministro sale por el puerto no. 4 empujando al mbolo hacia adelante, mientras tanto el aire que estaba contenido en al otro lado de la cmara del actuador, sale desfogado por el puerto no. 3.


4.4 Regulacin de velocidad de los actuadores neumticos Una condicin ms que se les establece a los actuadores para su desplazamiento es la velocidad, esto es debido a que para algunas aplicaciones el actuador podra en lugar de desplazar, golpear la pieza o arrojarla al aire por la inercia que maneja. Es por esto la importancia de poder reducir su velocidad, sin embargo, una excesiva disminucin trae como consecuencia el aumento en el tiempo de mquina para la produccin, traducindose en costos. La regulacin de velocidad de los actuadores es realmente sencilla, pero es necesario seleccionar los componentes adecuados para la optimizacin del sistema neumtico.

Una vlvula reguladora de caudal es una restriccin al paso de aire, sin embargo, si se usa esta vlvula para limitar el aire que entra hacia 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 cmara del actuador la presin se ir acumulando poco a poco, hasta que se alcance la presin necesaria para desplazar al mbolo, una vez que se ha conseguido esta presin

Para controlar la velocidad de un actuador debe regularse el aire que escapa por la cmara contraria al movimiento.


mnima, el mbolo se mueve provocando un aumento en el volumen de la cmara que a su vez provoca que la presin caiga, deteniendo el avance del mbolo. Lo anterior se repite constantemente, dando un efecto escalonado en el desplazamiento. Aparte que no permite el control eficiente de la velocidad, una situacin como la descrita, provoca el desgaste de los elementos suaves del mbolo. La forma ms adecuada de controlar la velocidad de los actuadores, es regulando el aire que escapa de la cmara contraria a la que se llena. El efecto provocado, es una contrapresin que frena al actuador, pero en esta ocasin permite manipular la velocidad de manera uniforme y precisa. Vlvula reguladora de caudal

Tipo GRLA - B Los requerimientos de fuerza, velocidades, durabilidad, montaje y dimensionamiento de los actuadores neumticos tendrn que ser cumplidas por productos encontrados en el mercado. FESTO

Tipo GRLA - .. QS -


PNEUMATIC le ofrece una gran gama de actuadores neumticos y accesorios que a continuacin le mostramos.


Actuador normalizado


Las diferentes aplicaciones industriales exigen caractersticas especiales de los actuadores estndar, por ejemplo el tipo de vstago para el acoplamiento mecnico con los dispositivos. Festo le ofrece las diferentes opciones que se presentan:


Dimetros desde 32 a 320 mm Fuerza mxima de 4825 kg m en 320 mm de dimetro mbolo magntico

Accesorios de

Actuador de altas fuerzas Tipo DNG- - PPVA


Versiones con cuerda externa o interna en vstago Multiposicional Tndem Juegos de montaje

Actuador compacto Tipo ADVU-...

+

Multiposicione

Tnde


SS66 SS22

SS2200

Actuador compacto de multimontaje Construccin compacta en bloque Peso reducido

Versiones


Actuador de aceros inoxidables Serie CR Apropiados para la industria alimenticia, qumica y de galvanizado Juntas de FPM Homologacin de las piezas mediante pruebas en. Atmsfera con contenido de dixido de sulfuro (test Kesternich) niebla de cloruro sdico ambiente alterno con condensado

Tipo CRDNG Dimetros de 32 a 100 mm

Tipo CRDNGS Dimetros de 32 a 100 mm


Tipo CRDG Dimetros de 12 a 63 mm

Tipo CRDSNU .. Dimetros de 12 a 25 mm

Tipo CRDSW Dimetros de 32 a 63 mm Carreras de 10 a 2000

Actuador de aceros inoxidables Serie CR


Actuador de aceros inoxidables Serie CR

Accesorios de acero


Sistema mecnico de arrastre Antigiro Reduccin de espacio

Actuador lineal sin vstago Tipo DGP / DGPL ...


Doble fuerza en la mitad de dimetro Fijacin directa del carro El yugo se desplaza

Actuador doble Tipo DPZ / DPZJ ...


Guas integradas al mismo cuerpo Montaje directo versiones con gua de friccin o guas de rodamientos de bolas

Actuador antigiro Tipo DFM ...

Montaje oculto y directo de los sensores

Conexin indistinta de aire Lateral o arriba

Resistencia antigiro y soporte de grandes momentos en todos los niveles de carga


Doble fuerza en la mitad de dimetro Fijacin directa del yugo El carro se desplaza

Unidad lineal Tipo SPZ ...

+ Fcil acoplamiento para formar manipuladores en varios ejes


Actuadores de tope Tipo STA / SRAF Puede trabajar como simple o doble efecto Vstago reforzado para soportar altas cargas tangenciales Deteccin magntica en el mbolo Montaje directo o por brida

Opcional con rodillo en vstago


5. Actuadores giratorios En las mquinas de produccin en ocasiones es necesario rotar o girar la herramienta o inclusive la misma pieza, llevarlo acabo a travs de la composicin de mltiples movimientos lineales es inprctico y costoso. Se han desarrollado elementos que permiten tener desplazamientos angulares con alta potencia y precisin, los cuales reciben el nombre de actuadores giratorios. Estos actuadores angulares o giratorios difieren de los actuadores lineales desde su principio constructivo y funcional, los cuales pueden ser: sistema de aleta giratoria y sistema de pin - cremallera. Los actuadores con aleta giratoria se distinguen por su forma compacta de construccin y su alta velocidad de movimiento. Mientras que los actuadores con pin y cremallera son especialmente slidos, y capaces de absorber una gran fuerza de impacto al alcanzar sus posiciones finales de carrera. Actuador de aleta giratoria Actuador de pin - cremallera


Algunos tipos de actuadores giratorios se muestran a continuacin.

Dimetro equivalente de 6 a 10 mm

Dimetro equivalente de 12 a 40 mm

Unidad de embrague para conseguir giros continuos Tipo FLSM

Actuador giratorio Tipo DSM - Dimetro equivalente desde los 6 mm hasta 40 mm ngulo de giro desde 90 hasta 270 Montaje directo sin accesorios


Placas adaptadoras para pinzas Estas placas de adaptacin (montadas directamente en el rbol con brida) permiten montar directamente todas las pinzas de FESTO

Deteccin Las ranuras para sensores permiten efectuar la consulta recurriendo a los detectores estndar de Festo del tipo

Amortiguacin y ajuste de las posiciones finales La inclusin del casquillo amortiguador y del tope de final de carrera en una sola pieza permite obtener un efecto amortiguador constante en todo el margen de ajuste (+6 hasta -20 en cada posicin final).

Variantes de pin Versin estndar: pivote con chaveta Versin alternativa: fijacin directa en la brida

Actuador giratorio Tipo DRQD -


Posibilidad de realizar movimientos lineales y giratorios independientes o simultneamente Deteccin de los movimientos mediante sensores Versiones de vstago hueco

Accesorio

Actuador giratorio / lineal DRQD -


6. Criterios de seleccin de los actuadores de giro neumtico En los dispositivos giratorios, normalmente se tiende a confundir los conceptos de Torque (par de giro), energa de rotacin y momento de inercia. En el presente mostrar algunos puntos aclaratorios, que ayuden al diseador. 6.1 Par de giro (Torque) O tambin conocido como par de giro, es el producto de la fuerza y la distancia vertical de su lnea de accin desde el centro de giro.

Tm

l

F

Figura, se mueve una masa desde la posicin horizontal en una trayectoria circular hacia arriba. El par de giro eficaz en el eje inducido se 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 = Fuerza l = Longitud del brazo de palanca


T

F

l

En la fig. se muestra la masa a girar en un ngulo de 45, la fuerza que se transmite a travs del brazo de palanca es una componente de la masa total, por lo que el par de giro sobre el pivote se ve reducido.

F F= 1 sen donde: F = Fuerza total, componente de la masa total F1 = Masa total sen = Seno del ngulo con respecto 6.2 Energa de rotacin El par de giro que se produce al mover una masa, no es la nica magnitud decisiva para determinar el actuador giratorio, tambin es importante considerar la energa de rotacin, ya que esta ser absorbida en los finales de carrera. La energa de rotacin es anloga a la energa cintica en movimientos lineales. Y depende del momento de inercia de la masa movida y de la velocidad angular con la que gira.

E J= 2

2 donde:


E = energa de rotacin J = momento de inercia de la masa = velocidad angular 6.3 Momento de inercia La inercia de una masa es siempre contraria a la accin de la fuerza. Por ejemplo: en automvil al acelerar, la masa se opone al movimiento; de la misma manera al desacelerar, la masa va contraria a la desaceleracin.

FESTO

inercia aceleracindesaceleracin

masa

Esta fuerza contraria a la fuerza que cambia la velocidad de un cuerpo, es a lo que se le conoce como inercia. En el caso de los movimientos giratorios, cuando se alcanza el final de carrera, el momento de inercia es el factor decisivo para la seleccin de los actuadores giratorios. Debido a que normalmente no es posible reducir la velocidad angular, por condiciones implcitas del proceso, la energa de rotacin suele ser demasiado elevada para los topes mecnicos de final de carrera, por lo que los sobrecarga y finalmente los deteriora.

Efinal


Fig. La energa de rotacin final es muy grande en el final de carrera de un

actuador giratorio, por lo que debe considerarse ste valor para una correcta seleccin del actuador giratorio.


6.4 Algunos casos tpicos para el clculo del momento de inercia El clculo del momento de inercia varia dependiendo de la forma de la masa, por lo que a continuacin encontrar algunos casos tpicos que le ayudarn 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 cntrico

h

l

b

Para el clculo de inercia de una masa con forma de paraleleppedo se considera nicamente su rea.

( )J m

b l= +2 2

12

l2l1 b

Placa delgada con alojamiento excntrico

J ml b

ml b= + + +1 1

2 2

222 24

124

12

J m l=2

12


l1

l2

Barra delgada con alojamiento excntrico

r

Placa circular plana, alojamiento cntrico

r

Placa circular de canto con alojamiento cntrico

r

Esfera con alojamiento cntrico

J ml

ml= +1 1

2

222

3 3

J m r= 2

2

J m r= 2

4

J m r= 25

2


De los datos ofrecidos por los fabricantes, es necesario determinar los siguientes factores que son esenciales para la seleccin correcta de los actuadores de giro:

la mxima energa de rotacin la mxima frecuencia (velocidad angular)

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


7. Conclusin La sujecin, transportacin y manipulacin de las piezas de trabajo son tan variadas, que ha sido necesario atomizar cada una de las operaciones del proceso productivo. Esta desintegracin del proceso a cada una de sus partes elementales, permite usar elementos actuadores bsicos para desarrollar el trabajo, ya sea con movimientos rectilneos o angulares. El movimiento angular permite saltar los obstculos mecnicos existentes, logrando que a travs de un slo movimiento sea posible cambiar de posicin o de lugar una pieza, evitando el uso de varios actuadores lineales para el mismo fin, y que solo incrementaran el costo de produccin. La descomposicin en cada uno de sus movimientos bsicos de la produccin, es solo la parte esencial de la automatizacin, y que lleva a una segunda etapa aparentemente contraria a la primera, la integracin. Mediante los sistemas de control, cada vez ms poderosos, es posible fusionar las diferentes etapas de produccin, estableciendo una o varias lneas de produccin controladas y supervisadas por un control central, ahorrando y haciendo ms eficiente todo el sistema de produccin. Invitamos al lector a continuar con nuestros ciclos de conferencias tcnicas, donde podr encontrar los medios para poder integrar sus lneas de produccin en sistemas inteligentes, que le permitirn aumentar su productividad.

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