7.- ACTUADORES NEUMÁTICOS 1 J.Garrigós ACTUADORES: GENERALIDADES El trabajo realizado por un actuador neumático puede ser lineal o rotativo: El movimiento lineal se obtienen por cilindros de émbolos (éstos también proporcionan movimientos rotativos con un ángulo de hasta 270º por medio de actuadores de tipo piñón-cremallera) Para el movimiento de giro continuo se emplean motores neumáticos de rotación continua. 2 J.Garrigós ACTUADORES: ACTUADORES LINEALES. Los cilindros son los componentes más comunes en neumática. Existen dos tipos fundamentales: Cilindros de simple efecto con una entrada de aire para producir la carrera de trabajo en un sentido. Cilindros de doble efecto con dos entradas de aire para producir carreras de trabajo de salida y retroceso CILINDROS DE SIMPLE EFECTO Consumo de aire algo más bajo que el cilindro de doble efecto de igual tamaño. Reducción de impulso debida a la fuerza contraria del resorte Longitud global más larga y una longitud de carrera limitada J.Garrigós 3 ACTUADORES: ACTUADORES LINEALES. CILINDROS DE SIMPLE EFECTO El trabajo se desarrolla en las dos carreras de salida y retroceso El impulso disponible en la carrera de retroceso es menor debido a que el área efectiva del émbolo es más pequeña. Mayor longitud de carrera para un mismo tamaño constructivo que el de simple efecto 4 J.Garrigós ACTUADORES: CARACT. PRINCIPALES. Las características principales de un buen actuador neumático lineal: Que su rozamiento interno sea lo más bajo posible. Que su montaje o instalación sea lo más simple y rápida. Que su vida útil sea lo más larga posible. Que existan gran variedad de diseños para adaptarlos a diversas necesidades. Que pueda utilizarse con o sin lubricación. Que pueda resistir la temperatura, y esfuerzos de compresión y tracción a las que será sometido. Que tenga gran capacidad de amortiguación. Que tenga posibilidad de detectar su posición de carrera 5 J.Garrigós ACTUADORES: SELECCIÓN DE ACTUADORES LINEALES Cuando se trata de seleccionar un actuador, se realizan las siguientes operaciones básicas de cálculo: Cálculo de la fuerza Verificación del pandeo. Capacidad de amortiguación Consumos de aire comprimido Fuerza radiales 6 J.Garrigós ACTUADORES: FUERZA DESARROLADA POR UN CILINDRO 1 La fuerza desarrollada por un cilindro es función del diámetro del émbolo, de la presión del aire de alimentación y de la resistencia producida por el rozamiento. La fuerza teórica se calcula por la expresión: Fteor = A * P Fteor = Fuerza teórica del émbolo en N. A = Área en m2.. P = Presión relativa en Pa (N/m2) Para determinar la fuerza real hay que tener en cuenta los rozamientos. En condiciones normales de servicio (presiones entre 4 y 8 bar) las fuerzas de rozamiento representan de un 3 a un 20 % de la fuerza calculada. Si el cilindro es de simple efecto, a la fuerza teórica calculada, hay que reducirle además la del resorte. La fuerza de un muelle depende de la elongación del mismo y se calcula por la expresión F = Fuerza del muelle en N k = Constante del muelle en N/mm X = Elongación en mm J.Garrigós FF = k * X 7 ACTUADORES: FUERZA DESARROLADA POR UN CILINDRO 2 Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, la fuerza real del cilindro de simple efecto, quedaría como sigue: Fn = A* P − (FR + FF ) El área efectiva de un cilindro depende de si se considera en avance o en retroceso, puesto que en retroceso hemos de considerar el diámetro del émbolo. D2 2 Área de un cilindro : A = π * R ; A=π* = π * D2 4 2 En avance : A = π * D2 4 Para cilindros de doble efecto, hemos de considerar además de las expresiones anteriores, la consideración de una menor área efectiva en el retroceso debido al diámetro del émbolo: En retroceso : D = Diámetro del cilindro en m π * D2 − d 2 d = Diámetro del émbolo en m A= 4 8 ( J.Garrigós ) ACTUADORES: ELECCIÓN DE UN CILINDRO POR TABLAS Valores válidos para cilindros de doble efecto COEFICIENTE DE CARGA Co % = Fuerza necesaria *100 Fuerza teórica J.Garrigós Co ≤ 85% y si requiere control de velocidad preciso Co ≤ 70% 9 ACTUADORES: VERIFICACIÓN DEL PANDEO “Pandeo es la deformación que sobreviene a una barra esbelta cuando se le somete a un esfuerzo de compresión” En la práctica, en vez de calcular el pandeo, se comprueba si para las condiciones particulares del cilindro y del montaje el pandeo producido es admisible o no. Existen dos formas: la analítica y la gráfica. 10 J.Garrigós ACTUADORES: VERIFICACIÓN DEL PANDEO El diagrama de la figura siguiente está construido considerando el caso más desfavorable (empotramiento trasero y carga libre). Con ello, cuando se utilice este diagrama (aún sin conocer la instalación del cilindro) no corremos riesgo de equivocarnos en la elección. Ejemplo: ¿Cuál es la longitud de carrera máxima para un cilindro con los siguientes datos?: Diámetro del cilindro= 63 mm Diámetro del vástago = 20 mm Presión = 6 bar Fuerza = 1700 N 11 J.Garrigós ACTUADORES: AMOTIGUACIÓN Los cilindros neumáticos pueden tener una velocidad muy elevada y se pueden desarrollar fuerzas de choque considerables al final de la carrera Los. Los cilindros sin amortiguación están diseñados para aplicaciones cargas ligeras con y baja velocidad. La amortiguación fija está destinada a cilindros de pequeño diámetro y para trabajar con cargas ligeras. En los cilindros más grandes, el efecto del impacto puede ser una amortiguación neumática regulable 1. Casquillo de amortiguación 2. Junta de amortiguación 3. Orificio de restricción regulable J.Garrigós 12 ACTUADORES: CAUDAL DE AIRE Y CONSUMO 1 El consumo de aire de un cilindro es: Q = Superficie del embolo * Longitud carrera * Pabs Q= [Para una sola carrera ] π * D2 * L* Pabs 4 El consumo para un ciclo será doble (carreras de ida y vuelta) ya que a niveles prácticos resulta despreciable el volumen del vástago en la carrera de retroceso y, en todo caso, dicho volumen compensa el de la tubería del circuito de alimentación del cilindro 13 J.Garrigós ACTUADORES: CAUDAL DE AIRE Y CONSUMO 1 El caudal máximo de un cilindro en litros/minuto viene dado por la expresión: π * D 2 * L* Nc *(Ptrabajo + 1,013) Qn = 1,41 Qn= Caudal máximo en l/min D = Diámetro del cilindro en mm L = Longitud de la carrera del cilindro en mm Nc= Número de carreras P = presión de trabajo en bar NOTA: En esta expresión, para no dejar de lado las pérdidas de energía debidas a fenómenos térmicos, se ha tenido presente lo referente a los cambios adiabáticos, que vienen definidos por la fórmula: P*VK=cte, donde K es 1,41 en el caso del aire. J.Garrigós 6 [l / min] 4*10 Consumo real de aire en cilindros de doble efecto (l/100 mm de carrera) 14 ACTUADORES: CAUDAL DE AIRE Y CONSUMO 1 Ejemplo de cálculo En un cilindro A de 63 mm de diámetro, 500 mm de carrera, trabaja a 6 bar. ¿Cuál será el consumo real de aire a 15 ciclos por minuto?. Considérese que consume aire en las carreras A+ y ADe forma analítica: Q = 1,4 * 3,14 * 632 * 500 *15 * 2 * (6 + 1,013) 4 *10 6 = 458,85 l / min Según la tabla, para 63 mm de diámetro y una presión de 6 bar, el consumo es de 3,021 litros/ 100 mm, que multiplicaremos por 5 (500 mm de carrera) y por 30 (15 ciclos completos): Q=3,021*5*30=453,15 l/min 15 Consumo real de aire en cilindros de doble efecto (l/100 mm de carrera) J.Garrigós ACTUADORES: MONTAJE Y APLICACIONES DE UN CILINDRO 16 J.Garrigós Cilindros y Aplicaciones 17 J.Garrigós Cilindros y Aplicaciones 18 J.Garrigós Cilindros y Aplicaciones 19 J.Garrigós Cilindros y Aplicaciones 20 J.Garrigós Cilindros y Aplicaciones 21 J.Garrigós Cilindros y Aplicaciones 22 J.Garrigós Cilindros y Aplicaciones 23 J.Garrigós Cilindros y Aplicaciones CILINDRO MULTIPOSICIONAL DE 3 POSICIONES 24 J.Garrigós Cilindros y Aplicaciones CILINDROS DE TOPE 25 J.Garrigós Cilindros y Aplicaciones 26 Actuadores especiales CILINDROS DE VÁSTAGOS PARALELOS CILINDROS DE DOBLE VÁSTAGO 27 J.Garrigós Actuadores especiales CILINDRO SIN VÁSTAGO DE TRANSMISIÓN MAGNÉTICA CILINDRO DE TRANSMISIÓN MECÁNICA POR FLEJE 28 J.Garrigós Actuadores especiales CILINDRO SIN VÁSTAGO Y APLICACIONES 29 J.Garrigós Actuadores especiales 30 J.Garrigós Actuadores especiales ACTUADORES DE GIRO PIÑÓN-CREMALLERA Aplicación mesa giratoria Piñon-cremallera 31 J.Garrigós Actuadores especiales ACTUADORES DE GIRO DOBLE CREMALLERA Y PIÑÓN 32 J.Garrigós Actuadores especiales PINZAS CON APERTURA ANGULAR 33 J.Garrigós Actuadores especiales PINZAS CON APERTURA PARALELA 34 J.Garrigós
