Neumatica e hidráulica

En la limitación del caudal de escape, el aire de alimentación entra libremente en el cilindro y se estrangula el aire de escape, lo que es muy favorable en la fase de avance del pistón, utilizándose mucho en cilindros de doble efecto.

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Fig. 2.47. Bloque de mando de funciones combinadas.

Las válvulas de funciones combinadas reúnen las diversas funciones que pueden realizar las válvulas distribuidoras y sus accesorios incorporándolas en un único bloque. En la figura 2.47 puede verse un bloque compuesto por 1 válvula distribuidora 5/2 , 2 válvulas distribuidoras 3/2, 2 válvulas selectoras de circuito y 2 válvulas reguladoras de caudal. El bloque de mando permite efectuar movimientos individuales o alternativos.

El purgador de condensado de las tuberías suele ser un flotador que permite el paso del agua y cierra si no hay condensaciones en las tuberías (Figura 2.48).

Fig. 2.48. Purgador de condensado. Fuente FESTO WA-2.

El silenciador de escape y filtro (Figura 2.49) se utiliza básicamente en los orificios de escape de las válvulas distribuidoras para reducir el ruido del escape de aire y evitar la entrada de aceite o de polvo o de suciedad. Un modelo representativo reduce el ruido originado por el aire de alimentación a 6 bar y 5 m³/minuto, desde 99 dBA a 75 dBA a la distancia de 3 m. El filtro normal es de 40 micras, que es adecuado para la mayor parte de los equipos neumáticos.

Fig. 2.49. Filtro-silenciador.

2.3.9.4 Accesorios de los cilindros

2.3.9.4.1 Sensores de posición del cilindro

La detección de la posición del cilindro es necesaria para asegurar la operación segura de la maquinaria neumática. En los casos simples basta visualizar la posición del vástago del pistón del cilindro para comprobar si el pistón está al principio o al final de su carrera. Sin embargo, en operaciones realizadas en máquinas complejas no es práctico esperar que los operarios estén vigilantes, y más si es en períodos prolongados de funcionamiento.

Para detectar la posición y la velocidad de un pistón en el cilindro se dispone de los siguientes aparatos:

1.Interruptores de final de carrera e interruptores automáticos.

2.Sistemas de posicionamiento secuencial.

3.Posicionadores.

2.3.9.4.2 Finales de carrera

Son interruptores mecánicos, magnéticos, neumáticos y electrónicos accionados bien mecánicamente o bien por un campo magnético creado por un imán montado en el pistón. Se montan en los cilindros para determinar la posición del final de carrera del pistón o bien la posición en un punto intermedio de la carrera del pistón.

El sensor mecánico (Figura 2.50) dispone de unos gatillos que cierran (o abren) un microrruptor. Se montan en los cilindros para determinar la posición del final de carrera del pistón.

Fig. 2.50. Sensor mecánico-eléctrico de final de carrera. Fuente MDC.

El sensor magnético incorpora un imán en el pistón que crea un campo magnético a través de las paredes del cilindro (material de aluminio normalmente). Este campo es captado por un imán exterior del sensor cuya posición puede ser el final de carrera del pistón o un punto intermedio (Figura 2.51).

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Fig. 2.51. Sensor magnético de cilindro (reed switch).

El sensor Hall es un transductor que varía su tensión de salida al cambiar la densidad del campo magnético, por lo que puede utilizarse en la medida del movimiento y posición de un pistón magnético en el cilindro neumático. Al no tener partes móviles, tiene una vida útil larga si se compara con los interruptores mecánicos.

El sensor neumático consiste en un pistón magnético en el cilindro que actúa sobre una válvula 3/2 (3 vías, 2 posiciones). La exactitud del punto de conmutación es del orden de ± 0,2 mm. Otro modelo es un presostato neumático accionado por la presión de aire del pistón en un punto de su carrera (suele ser al final de su carrera). En la figura 2.52 pueden verse estos modelos de sensores.

Fig. 2.52. Sensor neumático (Válvula 3/2 y presostato).

El sensor electrónico de estado sólido es parecido al sensor magnético. Al captar el campo magnético de un imán del pistón, excita un transistor (interruptor electrónico) que da una señal eléctrica de salida. Como no tiene partes móviles y es de construcción robusta, su vida útil es unas 5 veces superior a la del sensor magnético. Disponen de 3 hilos NPN (conmutación negativa) y PNP (conmutación positiva) o bien de dos. Su corriente de carga arranca desde 0 mA, por lo que pueden utilizarse con PLC u otros aparatos con un bajo consumo de corriente.

Fig. 2.53. Sensor electrónico. Fuente SMC.

2.3.9.4.3 Unidad de bloqueo del cilindro

La unidad de bloqueo del cilindro inmoviliza el vástago del cilindro cuando la presión de aire desciende de un valor determinado. Su función es de seguridad, con objeto de impedir el movimiento del cilindro cuando la presión del aire baja de un determinado límite. Puede actuar en el interior o exterior del cilindro y sobre el vástago en el sentido de retracción o extensión. En la figura 2.54 pueden verse estos tipos de instalaciones y algunos circuitos típicos.

Fig. 2.54. Unidad de bloqueo del cilindro. Fuente: Hoerbiger-Origa.

2.3.9.4.4 Sistemas de posicionamiento secuencial

La lectura de la carrera se realiza cuando es necesario detectar el movimiento del cilindro, la medida de la distancia o un movimiento secuencial exacto del cilindro. En particular, se utilizan estos sistemas cuando es necesario comprobar la presencia o la orientación correcta de un componente, la medida de la profundidad de un orificio o bien medir las dimensiones del componente y comprobar que estas dimensiones son las correctas.

Por ejemplo, en la figura 2.55 puede verse un circuito neumático con un cilindro dotado de freno que permite posicionar el cilindro a media carrera y después pararlo. Un cilindro sin vástago (rodless) dispone de un carro móvil en lugar del vástago del pistón, y este carro se utiliza para recoger y posicionar piezas, controlar su nivel para realizar operaciones de mecanizado y posicionar piezas.

Fig. 2.55. Circuito neumático con posicionamiento secuencial.

El movimiento del vástago se detecta mediante varios métodos basados en la variación de una resistencia magnética al moverse el pistón del cilindro. Estos métodos son:

– Sensor potenciométrico.

– Transformador diferencial lineal (LVDT).

– Sensor magnetoestrictivo.

– Sensor inductivo.

El sensor potenciométrico consiste en una resistencia con un cursor deslizante (LRT, Linear Resistive Transducer, transductor resistivo lineal) que produce una tensión variable en la salida de acuerdo con su posición dentro del cilindro. La variación de resistencia con la carrera es aproximadamente de 39,3 kΩ/mm (1 kΩ/pulgada) y la señal analógica de salida para toda la carrera es de 0–10 V. cc.

En un controlador digital de 12 bit la carrera puede dividirse en 4.096 partes, de tal modo que en un cilindro de 2.540 mm (10 pulgadas), el mínimo valor detectable es de 10 V/4.096 = 0,0024 V = 2,4 mV que equivale a 0,062 mm (0,0024”).

Fig. 2.56. Sensor potenciométrico.

La linealidad, es decir, la desviación de la tensión de salida con relación a una línea recta es típicamente de ± 1% de toda la carrera. En el ejemplo anterior sería de 25,4 mm equivalente a 1”.

La repetibilidad, es decir, la característica de repetir la misma señal de salida de tensión para cada posición del pistón es del orden del ± 0,025 (± 0,001”).

El transformador diferencial lineal (LVDT) es un sensor de posición lineal que produce señales de salida eléctricas analógicas proporcionales a la posición de un núcleo sólido cilíndrico. Consiste en un elemento fijo formado por un arrollamiento primario centrado entre un par de arrollamientos secundarios y un elemento móvil (núcleo de hierro-níquel de alta permeabilidad) unido al pistón del cilindro y que está situado en el interior del elemento fijo y sin contacto con él.

Fig. 2.57. Transformador diferencial lineal (LVDT).

El primario se excita con una corriente alterna y la señal de salida es una tensión alterna que es la diferencia de la obtenida en los dos arrollamientos del secundario. Esta señal de salida varía con la posición axial del núcleo de hierro-níquel y es convertida a una señal estándar de 0–10 V o de 4–20 mA cc.

Fig. 2.58. Señal de salida del sensor LVDT.

Estos sensores tienen la ventaja de que están libres de rozamientos con una respuesta dinámica limitada sólo por la inercia del núcleo, poseen una vida mecánica larga y pueden medir pequeñísimos movimientos del núcleo (millonésimas de mm) y posiciones del núcleo de hasta 50 mm.

El sensor magnetoestrictivo utiliza el fenómeno de la magnoestricción en el que hilos de ciertas aleaciones (normalmente aleaciones de níquel) se deforman en presencia de un campo magnético. Midiendo el tiempo que se tarda en enviar una señal eléctrica a través de un hilo magnoestrictivo deformado, se puede determinar la posición del pistón del cilindro.

Estos sensores son muy exactos y, al no estar en contacto con el cilindro, poseen una duración mucho mayor. Sin embargo, su coste es elevado por lo que se emplean con preferencia en aplicaciones X-Y de dos dimensiones cuando es preciso saber exactamente la posición en un plano.

Fig. 2.59. Sensor magnetorresistivo.

– El sensor magnetorresistivo (Figura 2.59) es parecido al magnetoestrictivo, con la diferencia de que cambia la resistencia de una cinta conductora en función de la dirección y magnitud del campo magnético aplicado.

Los sensores inductivos se basan en el principio de inducción magnética de modificación de la inductancia causada por la presencia de un objeto metálico. El sensor incorpora un núcleo de hierro magnético con una bobina arrollada que actúa como un circuito oscilante y está acoplado en serie con una bobina de referencia.

Un imán permanente está fijado al pistón del cilindro neumático y es el elemento indicador de posición. El equilibrio electromagnético entre el elemento sensor y el circuito oscilante cambia la frecuencia de la oscilación y provoca un desfase, de modo que puede detectarse con facilidad la posición del imán. La señal de salida representa la posición del pistón dentro del cilindro y puede ser analógica y digital con protocolos RS232, RS422 y RS485. La exactitud es del 0,3% (0,1 mm).

Otros sensores lineales son:

– Sensores capacitivos, que se basan en la modificación de la capacidad debida a la presencia de la pieza y sirven para detectar todo tipo de objetos, siempre que su constante dieléctrica sea sensiblemente superior a la del aire. Tienen el inconveniente de ser muy sensibles a las condiciones ambientales.

– Sensores de fibra óptica, que utilizan dos fibras ópticas adyacentes que transportan luz a un blanco en el cilindro y reciben la luz reflejada, del objeto. Por diferencia de tiempos entre la luz enviada y la reflejada determinan la posición de la pieza con relación a un punto de referencia.

– Los sensores fotoeléctricos utilizan haces de luz reflejada para medir distancias o desplazamientos. Un funcionamiento parecido poseen los sensores láser.

– Los sensores ultrasónicos reflejan señales acústicas y calculan la distancia basándose en el tiempo de retorno de la señal y en la medida de la propagación de la velocidad en el medio.

En la tabla 2.13 puede verse una comparación de características de los sensores:

Tabla 2.13. Comparación de características de los sensores. Fuente: Macro Sensors.

2.3.9.4.5 Posicionadores

En las aplicaciones en que interesa situar el vástago de una válvula de control o el vástago del pistón de un cilindro en posiciones determinadas de forma controlada, es posible que el control sea errático e incluso inestable debido a las fuerzas de desequilibrio. Son esencialmente la fuerza de rozamiento del vástago o el pistón y la fuerza estática del fluido sobre el obturador (o sobre el pistón) que depende de la presión diferencial existente.

Estas fuerzas pueden compensarse empleando el posicionador, que es básicamente un controlador proporcional de posición con punto de consigna procedente del controlador, variable entre 0,2-1 bar (3 a 15 psi) en señales neumáticas (posicionador neumático) o 4-20 mA cc en señales electrónicas (electroneumático), o bien señales digitales (digitoneumático).

El posicionador compara la señal de entrada con la posición del vástago y, si ésta no es correcta (existe una señal de error), envía aire al servomotor o bien lo elimina en el grado necesario para que la posición del vástago corresponda exactamente o bien sea proporcional a la señal neumática recibida; en este último caso, el posicionador actúa además como un amplificador; por ejemplo, señal de entrada 0,2-1 bar (3-9 psi), señal de salida 0,2-1 bar (3-15 psi), es decir, la válvula efectuará toda su carrera para la señal 3-9 psi del controlador.

El posicionador neumático es generalmente un instrumento neumático de simple acción del tipo de equilibrio de fuerzas (Figura 2.60). La fuerza ejercida por un resorte de margen, comprimido por una leva unida al vástago de la válvula, se equilibra contra la fuerza con que actúa un diafragma alimentado neumáticamente por un relé piloto. Cualquier aumento de la señal de salida del controlador de la variable cambia la señal neumática del piloto, flexa el obturador A y permite la entrada de más aire a la cámara de la válvula. Al bajar el vástago, la nueva fuerza ejercida por el resorte de margen se equilibra con la ejercida por el diafragma del posicionador alimentado por el relé piloto.

Fig. 2.60. Posicionador. Fuente Honeywell.

Por el contrario, al disminuir la señal exterior, baja la señal del relé piloto y el obturador de escape B abre permitiendo el escape de aire de la cámara de la válvula hacia la atmósfera; sube así el vástago hasta que se equilibran de nuevo las fuerzas.

La forma de la leva determina la relación entre la señal de entrada y la posición del vástago y puede cambiar por completo la curva característica inherente de la válvula.

El posicionador neumático dispone normalmente de tres manómetros para indicar las presiones del aire de alimentación, de la señal procedente del controlador y de la señal de salida del posicionador a la válvula. Dispone también de una válvula by-pass que permite la conexión directa entre la señal procedente del controlador y la válvula. De este modo es posible desconectar el posicionador para una eventual reparación en campo sin necesidad alguna de interrumpir el trabajo de la válvula. El posicionador puede también cambiarse fácilmente de acción, de directa a inversa o viceversa, permitiendo así combinaciones entre el controlador y la válvula.

El posicionador de doble acción (Figura 2.61) puede actuar sobre cilindros neumáticos o cámaras de válvula con señales dirigidas a la parte superior e inferior del pistón o del diafragma respectivamente. Se llega a una posición de equilibrio cuando estas presiones son iguales.

Fig. 2.61. Posicionador de doble acción.

Cuando la señal del controlador es electrónica o digital, el propio posicionador puede contener un convertidor para pasar a señal neumática (Figura 2.62).

Fig. 2.62. Posicionador electroneumático y digitoneumático. Fuente Honeywell.

En el posicionador electroneumático el transductor es del tipo de equilibrio de fuerzas, y varía su presión de salida hasta que la fuerza producida por el sistema de realimentación equilibra la fuerza generada por la bobina electromagnética. Puede verse en la figura que la bobina está excitada por la señal de corriente del controlador (4-20 mA c.c.) y que la señal de salida neumática es siempre proporcional a la señal electrónica. Su consumo de aire es de un 30% a 40% menor que en los posicionadores neumáticos y es más resistente a las vibraciones.

En otro modelo de posicionador (Figura 2.63) acoplado a una válvula de control (o bien puede acoplarse a un cilindro de simple efecto), un detector de posición (potenciómetro lineal con vástago de acoplamiento externo o potenciómetro giratorio con eje de acoplamiento) del vástago del pistón envía su señal al cuerpo del posicionador que actúa sobre dos válvulas de solenoide permitiendo la salida o entrada del aire en la parte inferior del cilindro hasta que la posición del vástago corresponde con la señal del controlador.

En el posicionador se puede establecer una relación lineal o logarítmica entre la señal de control y la posición del actuador (vástago del pistón en un cilindro neumático). Asimismo, el actuador puede moverse en un sentido o en otro ante un aumento en la señal eléctrica (4-20 mA c.c.) sea por el propio posicionador o bien intercambiando las conexiones del cilindro.

Fig. 2.63. Posicionador electroneumático. Fuente Bürkert.

En la figura 2.64. puede verse un posicionador acoplado a un cilindro.

Fig. 2.64. Cilindro con posicionador. Fuente Centork S.L.

2.3.10 Dispositivos hidroneumáticos

Los sistemas neumáticos tienen el inconveniente de la compresibilidad del aire, lo que causa problemas a bajas velocidades de los elementos móviles. Se presentan discontinuidades en el movimiento, aumentan las sacudidas y los tirones y no puede mantenerse una velocidad de avance uniforme entre el principio y el final de carrera del pistón.

Este fenómeno no se presenta en los dispositivos hidráulicos gracias a la incompresibilidad del aceite, por lo que se emplean dispositivos hidroneumáticos que permiten convertir la presión neumática en hidráulica y que complementan los sistemas neumáticos.

Los principales dispositivos hidroneumáticos son los convertidores oleoneumáticos y los intensificadores de presión.

El convertidor oleoneumático transforma la presión de un medio en una presión equivalente en otro (pasa presión de aire a presión de aceite). Consiste en un circuito cerrado de aceite (cilindro y pistón) que se monta en paralelo con el cilindro neumático, y de este modo se consigue un movimiento lento uniforme en el desplazamiento del pistón neumático. En la figura 2.65 puede verse que cuando el cilindro neumático empieza a moverse por la acción del aire que entra en la cámara izquierda, arrastra el émbolo del cilindro hidráulico, quien a su vez desplaza el aceite a través de una válvula antirretorno y de un regulador de velocidad (válvula de estrangulación o de control de caudal). De este modo la velocidad se mantiene constante en un valor que puede regularse mediante el restrictor, en el sentido de izquierda a derecha.

Fig. 2.65. Convertidor oleoneumático.

En la carrera de retorno (de derecha a izquierda) el aceite fluye libremente a través de la válvula antirretorno y el pistón se desplaza con rapidez. Pueden regularse velocidades entre 30 y 6.000 mm/minuto. La velocidad también puede regularse en el retorno si se incorpora al circuito una segunda válvula antirretorno y de estrangulación que actúa de freno en la carrera de retorno. Las pequeñas pérdidas que pueden producirse en el circuito de aceite, por la formación de una película sobre el vástago del cilindro, se reponen mediante un depósito de aceite incorporado al circuito.

El intensificador de presión, conocido también como booster (repetidor), convierte la baja presión y caudal elevado de un fluido (aire, aceite o fluido hidráulico) a la alta presión y bajo caudal de otro fluido (aire, aceite o fluido hidráulico). Existen tres clases de intensificadores: aire-aceite, aceiteaceite y aire-aire.

El típico intensificador, aire-aceite, dispone de un pistón neumático de gran diámetro conectado rígidamente a un pistón de aceite de pequeño diámetro y combina las ventajas de los cilindros neumáticos e hidráulicos en un solo sistema. Mientras que el aire, al ser compresible, no proporciona precisión en el movimiento del pistón del cilindro neumático, el aceite es incompresible y facilita por tanto un movimiento preciso para la operación de los actuadores.

Fig. 2.66. Intensificador de presión.

La presión del aire está limitada a unos 12 bar, mientras que el aceite puede trabajar a presiones de 250 bar o superior. De este modo, se transforma una pequeña presión de aire en una gran presión de aceite.

Por otro lado, el nivel de potencia del intensificador es constante, es decir, al disminuir el caudal de salida aumenta la presión de la salida. Puede compararse a un transformador eléctrico donde el producto Tensión * Intensidad = Constante.

Paire * Área pistón aire * Carrera pistón aire = Paceite * Área pistón aceite

Como los pistones de aire y aceite están unidos por el mismo eje, las carreras son iguales, de modo que:

O sea: