1.1.- INTRODUCCIÓN A LA NEUMÁTICA

La palabra neumática se refiere al estudio del movimiento del aire, Los sistemas de aire comprimido proporcionan un movimiento controlado con el empleo de cilindros y motores neumáticos y se aplican en herramientas, válvulas de control y posicionadores, martillos neumáticos, pistolas para pintar, motores neumáticos, sistemas de empaquetado, elevadores, herramientas de impacto, prensas neumáticas, robots industriales, vibradores, frenos neumáticos, etc.

Las ventajas que presenta el uso de la neumática son el bajo coste de sus componentes, su facilidad de diseño e implementación y el bajo par o la fuerza escasa que puede desarrollar a las bajas presiones con que trabaja (típico 6 bar) lo que constituye un factor de seguridad. Otras características favorables son el riesgo nulo de explosión, su conversión fácil al movimiento giratorio así como al lineal, la posibilidad de transmitir energía a grandes distancias, una construcción y mantenimiento fáciles y la economía en las aplicaciones.

Entre las desventajas figura la imposibilidad de obtener velocidades estables debido a la compresibilidad del aire, los altos costes de la energía neumática y las posibles fugas que reducen el rendimiento.

La neumática precisa de una estación de generación y preparación del aire comprimido formado por un compresor de aire, un depósito, un sistema de preparación del aire (filtro, lubricador y regulador de presión), una red de tuberías para llegar al utilizador y un conjunto de preparación del aire para cada dispositivo neumático individual.

Los sistemas neumáticos se complementan con los eléctricos y electrónicos lo que les permite obtener un alto grado de sofisticación y flexibilidad. Utilizan válvulas solenoide, señales de realimentación de interruptores magnéticos, sensores e interruptores eléctricos de final de carrera. El PLC (programmable logic controller) les permite programar la lógica de funcionamiento de un cilindro o de un conjunto de cilindros realizando una tarea específica.

1.2.- Comparación entre neumática, hidráulica, eléctrica y electrónica

1.3.- Características esenciales de los componentes neumáticos

Considerando temperaturas normales de utilización, las características más importantes de los aparatos neumáticos son la presión y el caudal admisibles. La presión no presenta problema alguno ya que en general todos ellos han sido concebidos para soportar presiones neumáticas de hasta unos 10 bares aproximadamente. Sí es variable el caudal que puede circular por el interior de las vías sin que existan importantes pérdidas de carga, ya que dependerá de las secciones de los conductos. Cuanto sea mayor el elemento, mayor serán los conductos interiores y, por lo tanto, mayores los caudales admisibles.

Por un mismo aparato pueden circular caudales diferentes; si el caudal es excesivo para el tamaño del aparato, las pérdidas de carga o de caída de presión entre el orificio de entrada y el de salida, pueden ser elevadas y resultar antieconómico el use de la instalación; si por el contrario el caudal es reducido, el precio del aparato será excesivo para la función asignada. Es preciso pues encontrar un cierto equilibrio entre las dos situaciones mencionadas para acertar con el tamaño apropiado del elemento.

El caudal necesario para una instalación dependerá del tamaño de los cilindros y de otros actuadores, y de la velocidad que en dichos elementos se pretenda conseguir. La elección del pasado de las válvulas y del resto de los componentes dependerá de esas variables.

Debido a la comprensibilidad del aire, la medida del caudal es capaz de proporcionar un elemento neumático resulta un tanto compleja cuando se emplea como fluido dicho elemento. Para resolver este problema, lo que se hace en la práctica es emplear agua y determinar un parámetro que pueda compararse al caudal permitido de aire.

1.5.- Actuadores Neumáticos

1.5.1.- Generalidades

Los actuadores neumáticos convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico generando un movimiento lineal mediante servomotores de diafragma o cilindros, o bien un movimiento giratorio con motores neumáticos.

La aplicación principal de los servomotores de diafragma reside en las válvulas de control neumáticas en las que el servomotor esta accionado por la señal neumática de 0,2 - 1 bar (3 – 15 psi) y actúa directamente sobre un vástago que posiciona el obturador con relación al asiento (figura 2.1). La posición relativa entre el obturador y el asiento permite pasar el fluido desde un caudal nulo hasta el caudal máximo.

Los cilindros neumáticos de movimiento lineal son utilizados comúnmente en aplicaciones donde la fuerza de empuje del pistón y su desplazamiento son elevados (figura 2.1). Entre los mismos se encuentran los cilindros de simple y doble efecto, el cilindro tándem, el de multiposición, el cilindro neumático guiado, el cilindro sin vástago y el cilindro neumático de impacto.

El motor neumático típico es el de paletas donde un eje excéntrico dotado de paletas gira a gran velocidad por el aire que llena y vacía las cámaras formadas entre las paletas y el cuerpo del motor.

1.5.2.- Servomotor neumático

El servomotor neumático (fig. 2.1) consiste en un diafragma con resorte que trabaja (con algunas excepciones) entre 0,2- 1 bar (3 y 15 psi), es decir, que las posiciones extremas de la válvula corresponden a 0,2- 1 bar (3 y 15 psi).

Al aplicar una cierta presión sobre el diafragma, el resorte se comprime de tal modo que el mecanismo empieza a moverse y sigue moviéndose hasta que se llega a un equilibrio entre la fuerza ejercida por la presión del aire sobre el diafragma y la fuerza ejercida por el resorte.

El servomotor puede ser de acción directa o inversa.

Es de acción directa cuando la presión de gobierno actúa en la cámara superior del servomotor, es decir, cuando la fuerza sobre el diafragma es ejercida hacia abajo.

Es de acción inversa cuando la presión de gobierno actúa en la cámara inferior del servomotor, es decir, cuando la fuerza sobre el diafragma es ejercida hacia arriba.

Al acoplar el servomotor a la válvula, los términos aplicables desde el punto de vista de seguridad son: En fallo de aire (o sin aire) la válvula cierra, o en fallo de aire (o sin aire) la válvula abre.

Los cuerpos de las válvulas de control pueden tener dos tipos de acciones. Se dividen en válvulas de acción directa, cuando tienen que bajar para cerrar, e inversa cuando tienen que bajar para abrir (derivado de los grifos domésticos donde al girar el volante a derechas, el vástago baja y la válvula cierra) (figura 2.5).

Esta misma división se aplica a los servomotores, que son de acción directa cuando aplicando aire, el vástago se mueve hacia abajo, e inversa cuando al aplicar aire el vástago se mueve hacia arriba.

Al combinar estas acciones se considera siempre la posición de la válvula sin aire sobre su diafragma, con el resorte manteniendo el diafragma y por tanto la válvula en una de sus posiciones extremas.

Cuando la válvula se cierra al aplicar aire sobre el diafragma o se abre cuando se quita el aire debido a la acción del resorte, se dice que la válvula sin aire abre o aire para cerrar (acción directa).

Al abrir la válvula cuando se aplica aire sobre el diafragma y se cierra por la acción del resorte cuando se quita el aire, se dice que la válvula sin aire cierra o aire para abrir (acción inversa).

1.5.3.- Cilindro Neumático de movimiento lineal.

El cilindro neumático consiste en un cilindro cerrado con un pistón en su interior que desliza y que transmite su movimiento al exterior mediante un vástago (figura 2.7). Se compone de las tapas trasera y delantera, de la camisa donde se mueve el pistón, del propio pistón, de las juntas estáticas y dinámicas del pistón y del anillo rascador que limpia el vástago de suciedad.

En el cilindro neumático de doble efecto, el aire a presión entra por el orificio de la cámara trasera y, al llenarla, hace avanzar el vástago, que en su carrera comprime el aire de la cámara delantera que se escapa al exterior a través del correspondiente orificio. En la carrera inversa del vástago se invierte el proceso, penetrando ahora el aire por la cámara delantera y siendo evacuado al exterior por el orificio de la cámara trasera.

El cilindro neumático de simple efecto funciona de forma similar exceptuando que la carrera inversa se efectúa gracias a la acción del muelle.

En el cilindro neumático guiado, dos o más vástagos rígidos guiados proporcionan una antirotación al mecanismo acoplado al cilindro, evitando las fuerzas radiales y de torsión que la carga ejercería en un cilindro normal.

El cilindro neumático de impacto mueve el vástago a gran velocidad (10 m/s) y se utiliza en las prensas para trabajos de embutición, remachado, etc.

El cilindro neumático de rotación proporciona un movimiento de rotación gracias a una cremallera unida al vástago o a un elemento rotativo de paletas (figura 2.2).

1.6.- Aplicaciones de la Neumática

En la industria moderna la neumática ocupa un merecido y destacado lugar debido a la sencillez de su aplicación y a su reducido coste de instalación. Se utiliza de forma indiscriminada en multitud de industrias y en mecanismos de los más variados tipos. Al igual que la energía eléctrica, se encuentra fácilmente disponible en casi toda empresa o pequeño taller de producción.

La aplicación generalizada de la neumática en la industria es relativamente, reciente, ya que al igual que otras formas de transmisión de energía, fue implementándose poco a poco hasta lograr el nivel de utilización alcanzado hoy en día. Con la neumática se puede lograr hoy día cualquier tipo de automatización. El grado de automatización dependerá de los requerimientos de la máquina y también del coste. El más elemental sistema puede estar formado por un cilindro de doble efecto, por ejemplo, comandado por una válvula de accionamiento manual que será manipulada por el ordenador cada vez que desee dar salida al vástago, o hacerlo retroceder.

A continuación se muestran de forma muy resumida y gráfica, algunas de las aplicaciones más representativas de la neumática.

En las figuras 1.14 y 1.15 se representan dos mecanismos típicos o maquinas accionadas con cilindro neumático de empuje directo. En estos casos la fuerza está limitada por la selección del cilindro y naturalmente, por la precisión del aire del mismo. El primer ejemplo mueve un carro guiado sobre una banca, y en el segundo se muestra una pequeña prensa de columna que realiza un determinado trabajo.

Las figuras 1.16 y 1.17 muestran mecanismos que utilizan palancas y brazos articulados para transformar la dirección del movimiento por una parte, y por otra, multiplican el esfuerzo a costa de aumentar el camino recorrido del vástago. En el segundo caso el aumento de la fuerza es considerable, sobre todo, cuando ambos están alineados.