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FUNDAMENTOS DE NEUMÁTICA E HIDRÁULICAFUNDAMENTOS DE NEUMÁTICA E HIDRÁULICA

Tanto la neumática como la hidráulica, pueden ser la solución en procesos automáticos cuando se requieren grandes fuerzas en espacios reducidos, cuando el área de trabajo ofrece peligro de explosión o cuando se necesita un control preciso de un movimiento determinado. Los sistemas hidráulicos utilizan líquidos, generalmente agua o aceite, para convertir el flujo de los mismos en movimientos lineales o circulares. Por su parte, los sistemas neumáticos utilizan gases, generalmente aire comprimido, también para producir movimientos circulares o lineales.

Prácticamente, los sistemas hidráulicos se usan cuando los movimientos necesitan mucha fuerza, especialmente donde los elementos neumáticos para producir dicha fuerza requieren de gran tamaño.

Es de anotar que la neumática también es empleada como transmisor de señales análogas. Para ello, un sensor genera una presión determinada a través de un conducto (manguera o tubería), proporcional al nivel de la variable medida.

IntroducciónIntroducción

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Por ejemplo, una RTD (resistencia detectora de temperatura) sensa temperatura, luego de detectarla, el dispositivo neumático genera una presión proporcional a la temperatura sensada, esta presión es transmitida a través de una manguera a un sitio distante donde otro dispositivo similar convierte el valor de la presión en una señal eléctrica, apta para circuitos de control convencionales.

Señal eléctrica

Sensor de temperatura

Conversor de señal eléctrica

a presión

Entrada de aire a presión

Presión proporcional a la variable eléctrica del sensor

Conversor de presión a señal

eléctrica Señal eléctrica

Sitio con mucho ruido eléctrico o riesgo explosivo

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PRINCIPIOS BÁSICOSPRINCIPIOS BÁSICOS

Fuerza: en física, se denomina fuerza a cualquier acción o influencia que modifica el estado de reposo o de movimiento de un objeto. Las fuerzas se miden por los efectos que producen, es decir, a partir de las deformaciones o cambios de movimiento que producen sobre los objetos. En el Sistema Internacional de unidades, la fuerza se mide en newtons: 1 newton (N) es la fuerza que proporciona a un objeto de 1 kg de masa una aceleración de 1 m/s². En el sistema C.G.S. la fuerza se mide en dinas (D): 1 dina (D) es la fuerza que proporciona que proporciona a un objeto de 1 gramo de masa una aceleración de 1 cm/ s²

2)()(1s

mkgN Sistema internacional

2)()(1s

cmgD Sistema C.G.S

Unidades de fuerza

Newton

Dina

1 newton = 100.000 dinas

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Presión: se denomina presión (P) ejercida por una fuerza (F) al cuociente entre el módulo de la componente perpendicular de la fuerza y el área (A) de la superficie. La presión es una magnitud escalar.

A

FP

Unidades de presión

2)(1

m

NPa Sistema internacional

2)(1

cm

DBar Sistema C.G.S

Pascal

Baria

2lg)(1

p

lbpsi Sistema Inglés

Nota: 1 Lb = 453,6 gms

1 plg = 2.54 cmPascal Bar PSI

Pascal 1 0,00001 0,00014Bar 100000 1 14,5PSI 6894,7 0,0689 1

Tabla de conversión

1 Bar = 100000 Pascal

1 PSI = 6894,7 Pascal

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El principio básico para generar movimientos a partir de gases o líquidos se basa en la presión que ellos ejercen a través de un conducto. De esta manera, podemos convertir fácilmente esa presión en fuerza si utilizamos la siguiente ecuación:

APF

La forma de convertir un solo valor de presión en fuerzas de diferentes magnitudes, es simplemente cambiando el área donde se ejercerá dicha presión.

A1

A2

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En automatización es común la conversión de presión ya sea de líquidos o de gases, en movimientos para la ejecución de las labores de control. El actuador, es decir el dispositivo final de control, es generalmente un cilindro neumático o un cilindro hidráulico, el cual transforma dicha presión en un movimiento lineal o rotatorio.

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Sistema neumático v/s sistema hidráulicoSistema neumático v/s sistema hidráulico

Cilindro neumático

Línea de escape

Interruptor de presión

Estanque

Compresor

Aire de la atmósfera

Control del motor

Válvula de control

A continuación se muestran un sistema completo de movimiento, a partir de dispositivos neumáticos. Observe que lo primero que se hace es generar la presión. El encargado de esta tarea es un compresor quien atrapa el aire de la atmósfera, por medio de un motor lo comprime y lo almacena en un estanque con determinada presión. Se envía por medio de una válvula de control al cilindro para producir el movimiento. (Dicha válvula bloquea, libera o desvía el paso del gas de acuerdo a una señal externa de control). El gas utilizado es regresado a la atmósfera por medio de una línea de escape

Sistema neumático de movimiento

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En un sistema hidráulico el dispositivo encargado de generar la presión es una bomba. La bomba toma el líquido que se encuentra almacenado sin presión en el tanque y le imprime la presión necesaria para impulsarlo por medio de la válvula de control hacia el cilindro. En lugar de liberarse a la atmósfera, el fluido se envía de nuevo al depósito por medio de una línea de retorno donde se vuelve a utilizar para el siguiente ciclo.

Válvula de control

Cilindro hidráulico

Bomba

Tanque

Regulador de presión

Línea de retorno

Agua del tanque

Sistema hidráulico de movimiento

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COMPONENTES DE UN SISTEMA NEUMÁTICOCOMPONENTES DE UN SISTEMA NEUMÁTICO

Los compresores son elementos electromecánicos para comprimir gases dentro de un recipiente cerrado. En la industria se utilizan en forma masiva los compresores de aire, ya que sirven como fuente de presión para una gran cantidad de actuadores neumáticos. Uno de los parámetros principales que se debe tener en cuenta en un compresor de aire es su capacidad, la cual está dada en volumen por unidad de tiempo; por ejemplo, en metros cúbicos por hora (m³). Un compresor siempre esta acompañado de un regulador de presión, el cual es un pequeño dispositivo, que por medio del ajuste de una llave, permite regular el paso de aire hacia los elementos a los cuales se les esta suministrando el aire.

CompresoresCompresores

compresor

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Filtro – Regulador – Lubricador (FRL)Filtro – Regulador – Lubricador (FRL)

Debido a un efecto físico, durante el proceso de compresión del aire, las partículas de agua se condensan y quedan dentro del compartimiento en forma líquida, lo que hace que viajen con el flujo de aire hacia los actuadores o demás elementos neumáticos reduciendo su vida útil. Por lo anterior, otro accesorio importante en un sistema neumático es el FRL. Este esta compuesto por un filtro de aire, el cuál retiene todas las partículas de agua que pueden ir mezcladas en el fluido. Además cuenta con un regulador de presión con manómetro para visualizar la presión suministrada al sistema. La tercera sección esta compuesta por un lubricador, que consiste en un sistema que suelta una gota de aceite por determinada cantidad de aire evacuado. Esta es una forma de lubricar los actuadores finales, ya que el aire comprimido llega acompañado de aceite y lubrica las partes móviles de los cilindros y válvulas de control.

Filtro Regulador Lubricador

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ACTUADORES NEUMÁTICOSACTUADORES NEUMÁTICOS

Un actuador neumático es un dispositivo que convierte la presión de un gas en un movimiento mecánico. Los principales dispositivos finales dentro de un sistema neumático pueden ser lineales o rotatorios.

Actuadores neumáticos lineales: Actuadores neumáticos lineales: también son denominados cilindros y son los más utilizados a nivel industrial. Poseen una pieza central denominada pistón, que recibe la presión de aire por una de sus caras, haciéndolo desplazar en forma lineal. Pueden ser de simple o de doble efecto. Un cilindro de simple efecto posee una sola entrada de aire, por lo cual la acción provocada por la presión del fluido es en un solo sentido. Para que el pistón regrese a su sitio original suele tener internamente un resorte, el cual hace fuerza en sentido contrario a la del aire. Por su parte, un cilindro de doble efecto tiene dos entradas para el aire a presión. Cuando se le inyecta aire por una de ellas, la otra funciona como salida, evacuando el aire comprimido que estaba dentro del cilindro. Los cilindros neumáticos suelen tener instalados sensores magnéticos para la detección de la posición del émbolo en su interior.

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Cilindro de doble efectoCilindro de simple efecto

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Actuadores neumáticos rotatorios: Actuadores neumáticos rotatorios: este tipo de actuadores no es tan común como los cilindros. En estos actuadores, la presión del aire es convertida en torque o fuerza de torsión. Por lo general, la velocidad de rotación (rpm) es inversamente proporcional al torque, es decir, entre más velocidad, menor fuerza, y viceversa.

Actuadores neumáticos rotatorios Generalmente se usan para

movimientos angulares.

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Actuadores neumáticos especiales: Actuadores neumáticos especiales: existen otras configuraciones de actuadores que pueden ejecutar otro tipo de movimiento (diferente a los lineales o rotatorios). Son utilizados para aplicaciones especiales donde los actuadores convencionales no cumplen los requisitos para el trabajo que se desea realizar.

Otros actuadores neumáticos. El de la izquierda es una pinza para agarrar objetos y el de abajo es un actuador lineal y a la vez rotatorio.

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Las válvulas de control neumático son sistemas que bloquean, liberan o desvían el flujo de aire por medio de una señal que generalmente es de tipo eléctrico, razón por la cual también son llamadas electroválvulas. Las válvula eléctricas se clasifican según la cantidad de puertos (entradas o salidas de aire) y la cantidad de posiciones de control que poseen. Por ejemplo una válvula 3/2 tiene 3 orificios o puertos y permite dos posiciones diferentes, una válvula 5/2 tiene 5 orificios y 2 posiciones diferentes.

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Número de puertos

Número de posiciones 25

Número de puertos

Número de posiciones

Válvula 3/2 simple bobina

Válvula 5/2 simple bobina

Foto de una Válvula 5/2 simple bobina

VÁLVULAS DE CONTROLVÁLVULAS DE CONTROL

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Electroválvulas de doble solenoideElectroválvulas de doble solenoide

Existen válvulas que poseen dos bobinas y cuyo funcionamiento es similar a los flip – flop electrónicos. Con este sistema para que la válvula vaya de una posición a la otra basta con aplicar un pequeño pulso eléctrico a la bobina que esta en la posición opuesta. Allí permanecerá sin importar que dicha bobina siga energizada y hasta que se aplique un pulso en la bobina contraria. La principál función en estos sistemas es la de “memorizar” una señal sin que el controlador esté obligado a tener permenentemente energizada la bobina.

Válvula 5/2 doble bobina

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Rutas de fluido en una válvula 5/2 de bobina simple o bobina dobleRutas de fluido en una válvula 5/2 de bobina simple o bobina doble

Posición 1 Posición 2

P (presión) : Puerto de alimentación de aire

A, B: Puertos de trabajo

R, S: Puertos para evacuación de aire

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Válvulas proporcionalesVálvulas proporcionales

Este tipo de válvulas regula la presión y el caudal a través de un conducto por medio de una señal eléctrica, que puede ser de corriente o de voltaje. Su principal aplicación es el control de posición y fuerza, ya que los movimientos son proporcionales y de precisión, lo que permite un manejo más exacto del paso del fluido, en este caso el aire.

Válvula proporcional

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Por medio de una válvula proporcional podemos realizar un control de posición de lazo cerrado. Donde el actuador podría ser un cilindro, el sensor un sistema óptico que envía pulsos de acuerdo a la posición de dicho cilindro y el controlador un PLC. El número de impulsos se incrementa a medida que el pistón se desplaza a la derecha y disminuye cuando se mueve a la izquierda. La señal enviada por el controlador hacia la válvula proporcional depende de la cantidad de pulsos, que a la vez indican la distancia que falta para alcanzar la posición deseada. Cada vez que la presión de aire, la temperatura o cualquier otro parámetro de perturbación ocasione un cambio de posición, el controlador tendrá la capacidad de hacer pequeños ajustes para lograr la posición exacta del cilindro.

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DIAGRAMAS DE FASES DE UN SISTEMA NEUMÁTICODIAGRAMAS DE FASES DE UN SISTEMA NEUMÁTICO

Un diagrama de fase es una gráfica que describe las secuencias de movimientos en los cilindros, de simple o doble efecto. Para su realización se dibujan dos líneas horizontales por cada cilindro; la línea superior representa la posición “1” (posición final), mientras que la inferior representa la posición de reposo “0” (posición inicial). La recta que une ambas líneas (la inferior y superior) ya sea con pendiente positiva o la con pendiente negativa representa el cambio de estado. A intervalos regulares se dibujan líneas verticales paralelas, para diferenciar los pasos del ciclo.

Posición inicial (0)

Posición final (1)

0t 1t01t 10t

Tiempo de permanencia del cilindro en la posición inicial

Tiempo cambio de estado de 0 a 1

Tiempo de permanencia del cilindro en la posición final

0t

0t01t1t10t Tiempo cambio de estado de 0 a 1