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Sistemas Automatizados

Asignatura perteneciente al ciclo formativo de grado medio "Técnico en Mecanizado" en formato DUAL. BOCM de Técnico en Mecanizado

En esta asignatura se diseñarán el controles robóticos microcontrolados con Arduino, para ello e hará una introducción a la electrónica básica, tanto analógica como digital.

Formación en parte neumática:

INTRODUCCIÓN

La neumática es la tecnología que transforma en movimientos mecánicos la energía almacenada en un depósito en forma de aire comprimido. Mediante su transformación se puede llevar a cabo una tarea industrial que ha sido programada.

El aire comprimido es aire a alta presión que ha sido almacenado en un depósito gracias a un compresor neumático. En el depósito o calderín se ha almacenado una gran cantidad de aire de la atmósfera, que ha sido introducido de manera mecánica en un volumen más pequeño a alta presión (de 3 a 10 veces mayor que la atmósferica). En neumática normalmente se trabaja con presiones de entre 3 y 10 Kg/cm2.

Las ventajas de utilizar aire a presión como fuente de energía son muchas. El aire es abundante y gratuito, se puede almacenar de una manera sencilla, es límpio, fácil de transportar por tuberías, no necesita retorno a ningún depósito, no hay peligro de explosiones ni incendios y además los elementos con los que se trabaja son relativamente baratos. También hay que tener en cuenta que las posibles fugas de aire lo único que producen son ruido y pérdidas de presión, no ensucian ni son tóxicas. Cuando se utilizan elementos hidraúlicos el aceite que se utiliza para mover un mecanismo ha de ser recogido y retornado al depósito, esto no es necesario con la neumática.

CONCEPTOS BASICOS

Presión: Es la fuerza ejercida sobre una superficie determinada. Se mide en Kg/cm2 y se puede calcular según la fórmula: Presión=Fuerza(Kg)/Superficie(cm2). A esto se le denomina presión absoluta.


En el cilindro de la imagen se puede observar que según se presiona más el cilindro el aire del interior sufre un aumento de presión a la vez que una disminución de volumen. Esto responde a la fórmula que se explica más abajo sobre la compresibilidad del aire.

Presión atmosférica: También conocida como presión barométrica. Es el peso ejercido por una columna de aire que comienza en el límite de la atmósfera y se apoya en una superficie que está situada debajo. Se suele medir al nivel del mar, con un valor típico de 1023mbar, aproximadamente 1bar de presión. Cuanto más alto se está menos presión atmosférica hay, es por esto que en lo alto de las montañas cuesta más trabajo respirar, si no se está acostumbrado. Se mide con un barómetro.

Presión relativa: Es la diferencia de presiones que hay entre la presión atmosférica y la presión absoluta, que se ejerce sobre una superficie. Se mide con un manómetro y es la presión que se utiliza normalmente en los sistemas neumáticos.

Unidades de presión: En sistemas neumáticos se suele medir la presión con varias unidades de manera indistinta. Sería lo mismo hablar de 1bar, de 1kg/cm2 ó de 1atmósfera. Sin embargo hay que saber que no son iguales, son aproximadamente iguales: 1bar=1.013atmóferas=0,981Kg/cm2. Otra unidad muy utilizada es el PSI (Libra por centímetro cuadrado), equivale a 0,0689 bar.

¿Para que sirve saber la presión en un sistema neumático? La respuesta es sencilla. Si tenemos un circuito neumático que trabaja con 4Kg/cm2 y actua sobre un cilindro que tiene una superficie de 10cm2, se puede calcular la fuerza que hace el aire sobre dicho cilindro. Bastará con multiplicar la presión del circuito de aire por el tamaño de la superficie que recibe esa presión (émbolo), en este caso 4Kg/cm2 x 10cm2 = 40Kg de fuerza sobre el vástago.


Compresibilidad del aire:  Se sabe que el aire se puede comprimir y que los valores de presión, temperatura y volumen están relacionados por la siguiente fórmula:


Según la fórmula se han de mantener constantes los términos de la derecha e izquierda, de manera que si se mantiene la temperatura y se disminuye el volumen se obtiene como resultado un aumento de presión.

Ejemplo: Si la presión en un depósito de aire comprimido de 25 litros de capacidad es de 5Kg/cm2 cuando su temperatura es de 10ºC. Calcular la presión que tendrá el aire si la temperatura sube a 60ºC.
Aplicando la fórmula de la compresibilidad del aire se puede decir que: 5Kg/cm2 x 25litros/10ºC = X Kg/cm2 x 25litros/60ºC. Si se despeja la variable X se obtiene una presión de 30Kg/cm2

Para saber la presión que ejerce el aire comprimido sobre el émbolo de un cilindro neumático hay que multiplicar la presión del aire comprimido aplicado al cilindro por la superficie del propio cilindro. Por ejemplo si se tiene un cilindro con un émbolo de un diámetro de 2cm y 2Kg/cm2 de presión, se tiene una superficie en el cilindro de pi*radio2 = 3.1415 x 12 = 3.1415cm2 con lo que la fuerza ejercida final será de 3.1415cm2 x 2Kg/cm2= 6.28 Kg.

Ejemplo: Una máquina de vapor tiene un pistón de 80 cm de diámetro, calcula la fuerza que hará sobre las bielas cuando el vapor tiene 2Kg/cm2 de presión, 10Kg/cm2 y 15Kg/cm2.
Lo primero es saber la superficie que tiene el pistón de 40cm de radio. Sección = 40cm2 x 3.1415 = 5026cm2
Ahora se puede calcular la fuerza ejercida en cada caso solo con multiplicar la superficie del cilindro por la presión ejercida en cada caso:
2Kg/cm2 x 5026cm2 = 10052Kg
10Kg/cm2 x 5026cm2 = 50260Kg
15Kg/cm2 x 5026cm2 = 75390Kg

EL COMPRESOR


Los componentes proncipales que forman el compresor son:
  • Filtro de aire: Se encarga de eliminar las impurezas del aire que entra al compresor para evitar el desgaste prematuro del cilindro compresor.
  • Compresor: Convierte la energía eléctrica en mecánica para mover un pistón que comprime el aire que sale del filtro anterior. Como conexiones tiene, entrada del aire a presión atmosférica, salida de aire a alta presión y conexión eléctrica, auque esto último depende del modelo de compresor. Opcionalmente puede tener una varilla para comprobar el nivel de aceite.
  • Válvula antirretorno: Sirve para que el aire que sale del compresor, que entra en el calderín, no pueda retornar de nuevo al compresor, evitando un sobreesfuerzo de arranque del motor cuando está sometido a la presión del aire comprimido acumulado en el calderín.
  • Válvula de sangrado: Está situada en la parte más baja del calderín. Sirve para eliminar el agua acumulada en el calderín por efecto de la condensación de la humedad presente en el aire del ambiente que ha sido comprimido. También sirve para vaciar el calderín de aire.
  • Válvula de seguridad: Sirve para liberar aire del calderín en caso de sobre presión y así evitar su explosión. Está tarada a una presión inferior a la que máxima que resiste cualquier parte del compresor y sus accesorios.
  • Tubo de descarga: Va desde la salida del compresor a la válvula de descarga del presostato. Cuando el presostato para el proceso de compresión del aire, debido a que se ha llegado al límite de carga, abre una válvula que descarga el aire que hay entre la salida del compresor y la válvula antirretorno del calderín. De esta manera se facilita el arranque del compresor cuando haga falta volver a cargar el calderín.
  • Calderín: Es el encargado de almacenar el aire comprimido de manera que suministre suficiente aire para los trabajos que se desee realizar.
  • Manómetro: Es el medidor de presión del aire acumulado.
  • Nanoreductor: Es un regulador de presión que se pone a la salida del compresor para adaptar la presión del aire del calderín (alta presión) a la de la instalación (una presión determinada)
  • Presostato: Para la carga de aire en un punto de presión determinado y la vuelve a activar cuando la presión baja de otro punto determinado.
  • Filtro con regulador de presión: Se pone a la salida del compresor o a la entrada de una instalación neumática para eliminar impurezas y el posible agua condensada del calderín que puede ser arrastrada por el flujo de aire.

En la siguiente imagen se puede ver el esquema de un compresor de aire fabricado con un compresor de nevera y un extintor. Aunque es un poco rudimentario se pueden ver todos los componentes descritos en los puntos anteriores.


Preparación de aire comprimido: Para que el aire sea útil hay que limpiarlo de restos de humedad y en muchos casos lubricarlo para que los equipos que mueve tengan una lubricación automática.



DISTRIBUCION DEL AIRE COMPRIMIDO


CILINDROS

Existen varios tipos de cilindros con distintas características, pero los más comunes son el de simple efecto y el doble efecto.

El cilindro de simple efecto recibe aire por una entrada haciendo que salga el cilindro de su interior, cuando la presión de aire desaparece el cilindro regresa a su posición original gracias al muelle de retorno que tiene en su interior.



El cilindro de doble efecto recibe aire por una de sus entradas haciendo que salga el cilindro de su interior, quedando el cilindro en esta posición aunque desaparece la presión de la entrada. Para regresar a la posición original es necesario introducir aire por la entrada del lado contrario, volviendo el cilindro a su posición original. En este caso no existe ningún muelle que establezca una posición de reposo determinada.



VÁLVULAS

En construcción.


PRÁCTICAS

A continuación se van a indicar varias prácticas que se pueden ir haciendo en orden para comprobar el funcionamiento de los distintos componentes neumáticos.


Práctica 1

Activación de un cilindro de simple efecto a través de una válvula 3/2 normalmente cerrada (NC) accionada de manera manual.

La válvula 3/2 NC en estado de reposo no deja pasar el aire al cilindro, con lo que este permanece retraido. Cuando se pulsa el mando de la válvula el aire comprimido conectado en (1) pasa a (2), llegando el aire comprimido al pistón del cilindro y haciendo que el vástago se mueva hacia el exterior, en donde permanecerá mientras tengamos la válvula activada. Cuando se deja de activar la válvula el aire del pistón saldra por el escape de la válvula (3) ya que (2) permite el paso del aire hacia (3).

Práctica 2

Activación de un cilindro de simple efecto a través de dos válvulas 3/2 NC colocadas en serie accionadas de manera manual.

Hay que hacer notar que el funcionamiento de este circuito no es correcto. Queda como práctica ver el porque y cual es la solución al problema que habrá que descubrir.

Práctica 3

Activación de un cilindro de simple efecto a través de dos válvulas 3/2 NC colocadas en paralelo accionadas de manera manual.

Práctica 4

Activación de un cilindro de simple efecto a través de dos válvulas 3/2 NC accionadas de manera manual, conectadas a un selector de circuito que hace la función suma OR. La activación del cilindro se puede hacer pulsando cualquiera de las válvulas.


Práctica 5

Activación de un cilindro de simple efecto a través de dos válvulas 3/2 NC accionadas de manera manual, conectadas a una válvula de simultaneidad que hace la función producto AND. La activación del cilindro solo se puede hacer pulsando las dos válvulas a la vez.

Práctica 6

Activación de un cilindro de simple efecto a través de una válvula 3/2 pilotada con el montaje de la práctica 5. Este sistema se utiliza cuando los mandos de activación de un cilindro no están situados cerca del propio cilindro y la activación se hace de manera remota.

Práctica 7

Activación de un cilindro de doble efecto a través de una válvula 5/2 accionada neumaticamente a través de dos válvulas 3/2 activadas de manera manual.


Práctica 8

Activación de un cilindro de doble efecto a través de una válvula 5/2 accionada eléctricamente a través de dos pulsadores conectados a 24V.

Práctica 9

Control de la velocidad de movimiento de un cilindro de doble de efecto mediante reguladores de caudal. Hacer una memoria explicando el funcionamiento de la práctica, se ha de representar el diagrama espacio-fase y espacio tiempo que describe la secuencia de movimientos.


Práctica 10

Utilizando un final de carrera neumático hacer que un cilindro de doble efecto retorne de manera automática a su posición original. Hacer una memoria explicando el funcionamiento de la práctica, se ha de representar el diagrama espacio-fase que describe la secuencia de movimientos.


Práctica 11

Utilizando un final de carrera eléctrico hacer que un cilindro de doble efecto retorne de manera automática a su posición original. Hacer una memoria explicando el funcionamiento de la práctica, se ha de representar el diagrama espacio-fase que describe la secuencia de movimientos.


Práctica 12

Utilizando dos finales de carrera hacer que un cilindro de doble efecto este en continuo movimiento de vaiven mientras que una válvula 3/2 se encarga del encendido y apagado del sistema. En la posición de apagado el cilindro ha de estar recogido. Hacer una memoria explicando el funcionamiento de la práctica, se ha de representar el diagrama espacio-fase que describe la secuencia de movimientos.

Práctica 13

Conseguir que con un "pulsador A" el "cilindro A" salga y el "cilindro B" retroceda y que con un "pulsador B" el "cilindro A" retroceda y el "cilindro B" salga.. Hacer una memoria explicando el funcionamiento de la práctica, se ha de representar el diagrama espacio-fase que describe la secuencia de movimientos.


SECUENCIAS NEUMATICAS

Método intuitivo
Método de cascada
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