Actuadores neumaticos

FESTO













Actuadores neumáticos
D. Arce


ÍNDICE


"1. Índice " "2 "
"2. Prólogo " "3 "
"3. Introducción " "4 "


"3.1 Propiedades físicas de la Neumática " " "
"4. Actuadores neumáticos " "7 "


"4.1 Cálculo de la fuerza de trabajo de los actuadores neumáticos "8 " "
"4.2 Cálculo de consumo de aire de los actuadores neumáticos "11 " " "4.3
Control de avance y retroceso de los actuadores neumáticos "14 " " "4.4
Regulador de velocidad de los actuadores neumáticos "14 " "
"5. Actuadores giratorios " "30 "
"6. Criterio de selección de los " "34 "
"actuadores de giro neumático " " "
" "6.1 Par de giro "34 "
" "6.2 Energía de rotación "35 "
" "6.3 Momento de inercia "36 "
" "6.4 Algunos casos típicos para el "37 "
" "cálculo de momento de inercia " "


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 paso del 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 mando 5/2, las válvulas
check piloteadas y hasta había cambiado la unidad de servicio, ¡¡ 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 de
mantenimiento la capacidad de análisis, y por ende la comprensión del
funcionamiento de cada uno de sus componentes. La falta de este
conocimiento lleva a experimentar dentro del proceso, reflejándose en los
costos.

En este documento pretendemos dar a conocer las características más
importantes de los actuadores neumáticos y sus propiedades de
funcionamiento. Por esto invitamos al lector a introducirse en el tema de
actuadores neumáticos que seguramente le ayudara a reducir grandes costos
de mantenimiento y diseño.

3. Introducción


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

1. rectilíneo
2. angular
3. helicoidal

A cada movimiento podemos reconocerle características propias, tales
como:

4. sentido
5. dirección
6. fuerza
7. velocidad

La producción exige de los actuadores desplazamientos con alta
velocidad, precisión, confiabilidad y de dimensionamiento reducido.
Diversas son las técnicas que se emplean para llevar acabo estos
movimientos, una de las más aplicadas es la neumática.

La neumática es el medio impulsor, que permite desarrollar los
trabajos a alta velocidad y eficiencia, con bajo costo. Los actuadores
neumáticos son los que realizan directamente el trabajo, y están
clasificados dos grandes grupos de acuerdo a su función.

Actuadores lineales
Actuadores giratorios


Para poder comprender e implementar los diferentes elementos
neumáticos explicamos en la siguiente sección los conceptos teóricos
básicos en los que se fundamenta la neumática.

3.1 Propiedades físicas de la Neumática


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


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

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

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

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

Presión manométrica. Es la presión que se encuentra dentro de
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 al cero
absoluto).




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 tanques cerrados.

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 fluirá de mayor a menor presión y en
relación cuadrática al diámetro de la tubería.





La gráfica muestra el caudal Q fluyendo de izquierda a derecha, es decir de
presión mayor P1 a presión 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 tipos de actuadores
están construidos según las características propias de la aplicación.

Las características genéricas de un actuador son:

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

Un actuador neumático del tipo cilíndrico esta compuesto de los
siguientes elementos:



















4.1 Cálculo de la fuerza de trabajo de los actuadores neumáticos

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

P = F / A

donde:

P - Es la presión en Bar
F - Fuerza en Newton
A - Área en cm 2

despejando la fuerza tenemos:

F = P A

Como se puede observar la fuerza depende directamente de la presión y
del área. Debido a que normalmente las máquinas manejan una presión
constante (6 bar), es entonces que la fuerza que puede realizar un actuador
neumático depende directamente del diámetro de su émbolo.































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 retroceso en un
actuador de doble efecto, con una misma presión de trabajo.

F avance > F retroceso

La diferencia de áreas es debido al área que ocupa el vástago en el
émbolo.

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

10 NEWTON = 1 Kg

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


4.2 Cálculo del consumo de aire de los actuadores neumáticos

El consumo de aire de los actuadores neumáticos determina las
dimensiones de las válvulas de mando, mangueras, velocidades de trabajo y
las dimensiones del propio compresor. Este consumo se puede calcular a
través de la siguiente fórmula:

Q = 2 n s q
donde:
Q = Consumo de aire (l / min.)
n = No. de ciclos por minuto
s = 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 localiza el
punto de intersección de ambas líneas y se proyecta hacia el eje
horizontal, consumo l/cm. Este valor se sustituye en la fórmula anterior y
se calcula el consumo.

Como se puede observar el consumo también variará dependiendo del no.
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 máquina y en
general el de toda la planta, y de esta manera seleccionar el compresor de
aire comprimido adecuado.

Los datos obtenidos de las gráficas anteriores tendrán que adecuarse
a los productos existentes en el mercado. Recuerde que cuando no hubiese
el elemento que deseamos a la medida exacta de nuestro cálculo, deberá
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 neumáticos tienen aplicaciones casi ilimitadas en el
campo de la técnica de automatización; El transporte, montaje y
manipulación, ya sea para elevar, alimentar, desplazar, posicionar o
cambiar de dirección, son ejemplos de su uso.

Independientemente de la construcción y tipo de actuador se
representan con la siguiente simbología:




Simbología de actuador lineal de simple efecto





Simbología de actuador lineal de doble efecto






Simbología de actuador giratorio















4.3 Control del avance y retroceso de los actuadores neumáticos


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





En el gráfico de la izquierda se puede observar a la válvula 5/2 en
su posición normal de reposo, el aire de suministro entra por 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 a cambiado de posición y ahora el aire
de suministro sale por el puerto no. 4 empujando al émbolo hacia adelante,
mientras tanto el aire que estaba contenido en al otro lado de la cámara
del actuador, sale desfogado por el puerto no. 3.









4.4 Regulación de velocidad de los actuadores neumáticos


Una condición más que se les establece a los actuadores para su
desplazamiento es la velocidad, esto es debido a que para algunas
aplicaciones el actuador podría 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 disminución trae como
consecuencia el aumento en el tiempo de máquina para la producción,
traduciéndose en costos.

La regulación de velocidad de los actuadores es realmente sencilla,
pero es necesario seleccionar los componentes adecuados para la
optimización del sistema neumático.












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

Una válvula reguladora de caudal es una restricción al paso de aire,
sin embargo, si se usa esta válvula 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
cámara del actuador la presión se irá acumulando poco a poco, hasta que
se alcance la presión necesaria para desplazar al émbolo, una vez que se ha
conseguido esta presión mínima, el émbolo se mueve provocando un aumento en
el volumen de la cámara que a su vez provoca que la presión caiga,
deteniendo el avance del émbolo. Lo anterior se repite constantemente,
dando un efecto escalonado en el desplazamiento. Aparte que no permite el
control 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 los actuadores, es
regulando el aire que escapa de la cámara contraria a la que se llena. El
efecto provocado, es una contrapresión que frena al actuador, pero en esta
ocasión permite manipular la velocidad de manera uniforme y precisa.

Tipo GRLA - .. QS -
Válvula reguladora de caudal



Tipo GRLA - … B

Los requerimientos de fuerza, velocidades, durabilidad, montaje y
dimensionamiento de los actuadores neumáticos tendrán que ser cumplidas por
productos encontrados en el mercado. FESTO PNEUMATIC le ofrece una gran
gama de actuadores neumáticos y accesorios que a continuación le mostramos.

Las diferentes aplicaciones industriales exigen características
especiales de los actuadores estándar, por ejemplo el tipo de vástago para
el acoplamiento mecánico con los dispositivos. Festo le ofrece las
diferentes opciones que se presentan:



















5. Actuadores giratorios


En las máquinas de producción en ocasiones es necesario rotar o girar
la herramienta o inclusive la misma pieza, llevarlo acabo a través de la
composición de múltiples movimientos lineales es inpráctico y costoso. Se
han desarrollado elementos que permiten tener desplazamientos angulares con
alta potencia y precisión, 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 piñón - cremallera.

Los actuadores con aleta giratoria se distinguen por su forma
compacta de construcción y su alta velocidad de movimiento. Mientras que
los actuadores con piñón y cremallera son especialmente sólidos, y capaces
de absorber una gran fuerza de impacto al alcanzar sus posiciones finales
de carrera.

Actuador de aleta giratoria Actuador de piñón - cremallera



Algunos tipos de actuadores giratorios se muestran a continuación.







6. Criterios de selección de los actuadores de giro neumático


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




Figura, se mueve una masa desde la posición 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.




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

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 una componente de la masa
total, por lo que el par de giro sobre el pivote se ve reducido.


donde:
F = Fuerza total, componente de la masa total
F1 = Masa total
sen ( = Seno del ángulo con respecto

6.2 Energía de rotación


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

La energía de rotación es análoga a la energía cinética en
movimientos lineales. Y depende del momento de inercia de la masa movida y
de la velocidad angular con la que gira.

donde:
E = energía de rotación
J = momento de inercia de la masa
( = velocidad angular
6.3 Momento de inercia

La inercia de una masa es siempre contraria a la acción de la fuerza.
Por ejemplo: en automóvil al acelerar, la masa se opone al movimiento; de
la misma manera al desacelerar, la masa va contraria a la desaceleración.




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 selección
de los actuadores giratorios. Debido a que normalmente no es posible
reducir la velocidad angular, por condiciones implícitas del proceso, la
energía de rotación suele ser demasiado elevada para los topes mecánicos de
final de carrera, por lo que los sobrecarga y finalmente los deteriora.


Fig. La energía de rotación final es muy grande en el final de carrera de
un actuador 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 de inercia

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


Para el cálculo de inercia de una masa con forma de paralelepípedo se
considera únicamente su área.







donde:

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





Placa delgada con alojamiento excéntrico











Barra delgada con alojamiento céntrico



Barra delgada con alojamiento excéntrico



Placa circular plana, alojamiento céntrico



Placa circular de canto con alojamiento céntrico





Esfera con alojamiento céntrico

De los datos ofrecidos por los fabricantes, es necesario determinar
los siguientes factores que son esenciales para la selección 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 de trabajo
son tan variadas, que ha sido necesario atomizar cada una de las
operaciones del proceso productivo. Esta desintegración del proceso a cada
una de sus partes elementales, permite usar elementos actuadores básicos
para desarrollar el trabajo, ya sea con movimientos rectilíneos o
angulares.

El movimiento angular permite "saltar" los obstáculos mecánicos
existentes, logrando que a través de un sólo movimiento sea posible cambiar
de posición o de lugar una pieza, evitando el uso de varios actuadores
lineales para el mismo fin, y que solo incrementarían el costo de
producción.

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

Mediante los sistemas de control, cada vez más poderosos, es posible
fusionar las diferentes etapas de producción, estableciendo una o varias
líneas de producción controladas y supervisadas por un control central,
ahorrando y haciendo más eficiente todo el sistema de producción.

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



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Unidad de embrague para conseguir giros continuos
Tipo FLSM

Diámetro equivalente de 12 a 40 mm

Diámetro equivalente de 6 a 10 mm

Variantes de piñón
Versión estándar: pivote con chaveta
Versión alternativa: fijación directa en la brida

Amortiguación y ajuste de las posiciones finales
La inclusión 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 posición final).

Detección
Las ranuras para sensores permiten efectuar la consulta recurriendo a los
detectores estándar de Festo del tipo SME/SMT-8

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

Accesorios

Posibilidad de realizar movimientos lineales y giratorios independientes o
simultáneamente
Detección de los movimientos mediante sensores
Versiones de vástago hueco


Multiposiciones

+

Tándem

Actuador de altas fuerzas
Tipo DNG- … - PPVA

Accesorios de fijación

Diámetros desde 32 a 320 mm
Fuerza máxima de 4825 kg m en 320 mm de diámetro
Émbolo magnético

Actuador compacto
Tipo ADVU-...

Versiones con cuerda externa o interna en vástago
Multiposicional
Tándem
Juegos de montaje

Versiones especiales:

Construcción compacta en bloque
Peso reducido

Actuador compacto de multimontaje
Tipo DMM

S20

S2

S6

Tipo CRDNGS …
Diámetros de 32 a 100 mm
Carreras de 10 a 2000 mm

Tipo CRDNG …
Diámetros de 32 a 100 mm
Carreras de 10 a 2000 mm

Apropiados para la industria alimenticia, química y de galvanizado
Juntas de FPM
Homologación de las piezas mediante pruebas en.
Atmósfera con contenido de dióxido de sulfuro (test Kesternich)
niebla de cloruro sódico
ambiente alterno con condensado

Actuador de aceros inoxidables
Serie CR

Actuador de aceros inoxidables
Serie CR

Tipo CRDSW …
Diámetros de 32 a 63 mm
Carreras de 10 a 2000 mm

Tipo CRDSNU ..
Diámetros de 12 a 25 mm
Carreras de 10 a 500 mm

Tipo CRDG …
Diámetros de 12 a 63 mm
Carreras de 1 a 500 mm

Accesorios de acero inoxidable

Actuador de aceros inoxidables
Serie CR

Actuador lineal sin vástago
Tipo DGP / DGPL ...

Sistema mecánico de arrastre
Antigiro
Reducción de espacio

Actuador doble
Tipo DPZ / DPZJ ...

Doble fuerza en la mitad de diámetro
Fijación directa del carro
El yugo se desplaza
Antigiro

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

Conexión indistinta de aire
Lateral o arriba

Montaje oculto y directo de los sensores

Actuador antigiro
Tipo DFM ...

Guías integradas al mismo cuerpo
Montaje directo
versiones con guía de fricción o guías de rodamientos de bolas

Fácil acoplamiento para formar manipuladores en varios ejes

+

Unidad lineal
Tipo SPZ ...

Doble fuerza en la mitad de diámetro
Fijación directa del yugo
El carro se desplaza
Antigiro

Opcional con rodillo en vástago

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

Actuadores de tope
Tipo STA / SRAF

Actuador normalizado
Tipo DNC - …

Émbolo

Camisa

Tapas o culatas


Vástago


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

Actuador giratorio
Tipo DRQD - …

Actuador giratorio / lineal
DRQD -…