sistemas de actuación neumática e hidráulica

7/24/2019 Sistemas de Actuacin Neumtica e Hidrulica

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Mecatrnica. Sistemas de control electrnico en la ingeniera mecnica yelctrica. W. Bolton.

Sistemas de actuacin neumtica e hidrulica1. Sistemas de actuacin

Los sistemas de actuacin son los elementos de los sistemas de control quetransforman la salida de un microprocesador o un controlador en una accin de

control para una mquina o dispositio. !or e"emplo# puede ser $necesariotransformar una salida elctrica del controlador en un moimiento lineal quedespla%a una carga. &tro e"emplo sera cuando la salida elctrica delcontrolador# de'e transformarse en una accin que controle la cantidad delquido que pasa por una tu'era.

(n este captulo s e anali%an los sistemas de actuacin neumticos ehidrulicos) en el captulo *# los sistemas de actuacin mecnicos y en elcaptulo +1,s sistemas de actuacin elctricos. !ara er ms detalle de lossistemas neumticos e hidrulicos consulte li'ros especiali%ados comoPneumatic and Hydraulic Systems de W. Bolton -Butterorth/0einernann#1+2# Power Pneumatics de M.3. !inches y B.3. 4allear -!rentice/0all# 1*2#Pneumatic Control for Industrial Automation de !. 5ohner y 6. Smith -Wiley17+#1,2 e Industrial Hydraulic Control de !. 5ohner -Wiley# 178# 17*#177 9 1:2

;. Sistemas neumticos e 0idrulicos4on frecuencia las se


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(n un sistema hidrulico la presuri%acin del aceite se logra mediante una'om'a accionada por un motor elctrico. La 'om'a ena aceite al sistemadesde un po%o colector a tras de una lula de retencin y un acumuladorpara regresar al po%o colector) la =gura :.1 ilustra este sistema. La lula dealiio li'era presin cuando re'asa el niel de seguridad) la lula deretencin eita que el aceite regrese a la 'om'a y el acumulador equili'ra lasfluctuaciones de corta duracin en la presin de salida del aceite. (n esencia elacumulador es un recipiente que mantiene el aceite 'a"o presin# soportandouna fuer%a e?terna. La =gura ; muestra la con=guracin ms com@n depresuri%acin usando gas) el gas est en una e"iga dentro de una cmara quecontiene el fluido hidrulico) una ersin ms antigua utili%a'a un pistnaccionado por resorte. Si la presin del aceite aumenta# la e"iga se contrae#aumenta el olumen que puede ocupar el aceite y disminuye la presin. Si lapresin del aceite disminuye# la e"iga se e?pande# para reducir el olumenque ocupa el aceite y aumentar su presin.

Figura 2. Acumulador.

Figura 3. Fuente de alimentacinneumtica

(n una fuente de energa neumtica -=gura A2# un motor elctrico acciona uncompresor de aire. (l aire que entra al compresor se =ltra y pasa por unsilenciador para reducir el niel de ruido.

La lula de aliio de presin protege contra un aumento de la presin delsistema arri'a del niel de seguridad. ado que el compresor aumenta latemperatura del aire# es posi'le que sea necesario un sistema de enfriamiento#y para eliminar la contaminacin yagua del aire se utili%a un =ltro y unseparador de agua. (l receptor de aire aumenta el olumen del aire del sistemay equili'ra las fluctuaciones de presin 'rees.

A. Clulas para control de direccin(n los sistemas neumticos e hidrulicos se utili%an lulas de controldireccionales para controlar el sentido de Du"o del Duido que pasa por unsistema. Su funcin no es modi=car el gasto de un Duido# son dispositios paraa'rir o cerrar por completo# es decir a'iertoEcerrado -onEoF2. (stas lulas seutili%an con frecuencia en el dise


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-o 2 para el puerto de regreso hidrulico# A ,: -5 o S2 para los puertos dedesfogue y ; o : -B o H2 para los puertos de salida.

Figura 6. a) Traectoria de !u"o# $)interru%cin de !u"o# c)

cone&iones iniciales.

Figura '. (m$olos de modalidadesde actuadores de vlvulas.

La =gura + muestra e"emplos de algunos sm'olos con los que se representan

los diersos modos# en que act@an las lulas. (n el sm'olo de una lulapueden usarse uno o ms sm'olos.

La figura 7 es un e"emplo de cmo com'inar estos sm'olos para descri'ir elfuncionamiento de una lula) en ella se muestra el sm'olo de la lula destago de dos posiciones y dos puertos de la =gura *. &'sere que se puedereferir a este tipo de lula como una lula ;E;) el primer n@mero indica lacantidad de puertos y el segundo# las posiciones.

Figura *. Vlvula de 2+2

La =gura es otro e"emplo de una lula de carrete accionada por solenoide)la =gura 1, es su sm'olo. La lula se acciona mediante una corriente quepasa por un solenoide y regresa a su posicin original con un resorte.

Figura ,. Vlvula de un solenoide.

La =gura 11 muestra el sm'olo de una lula 81;. Las cone?ionescorresponden al estado inicial# es decir# 1-!2 est conectado a ;-H2 y A-52 est


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cerrado. Hl actiarse el solenoide se o'tiene el estado que indican los sm'olosdel cuadrado correspondiente# es decir# ahora l -!2 est cerrado y ;-H2conectado a A-52. 4uando no hay corriente en el solenoide# el resorte o'liga ala lula a regresar a su posicin inicial. (l moimiento del resorte produce elestado que indican los sm'olos del cuadrado respectio.

Figura 1-. Vlvula de 3+2.Figura 11. Vlvula de 4+2.

Figura 12. (istema delevantamiento.

La =gura 1; muestra un e"emplo sencillo de una aplicacin de las lulas enun sistema neumtico de leantamiento. Se utili%an dos lulas de 'otn ;E;.

4uando el 'otn de la lula hacia arri'a se oprime# la carga se leanta.4uando se oprime el 'otn de la lula hacia a'a"o# la carga 'a"a. &'sereque en los sistemas neumticos un desfogue a la atmsfera se indica con unaDecha.

A.;. Clulas operadas por lula pilotoLa fuer%a necesaria para accionar la 'ola o despla%ar la lula en ocasiones esdemasiado grande para la operacin manual o con un solenoide. !arasolucionar ese pro'lema se utili%a un sistema accionado por lula piloto# elcual usa una lula para controlar una segunda lula) la =gura 1A ilustraesto. La capacidad de la lula piloto es peque


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Figura 15. Vlvulalimitadora de %resin.

Figura 16. Vlvula desecuencia de %resin.

Figura 1'. (istemasecuencial

:. 4ilindros(l cilindro hidrulico o neumtico son e"emplos de actuadores lineales. Losprincipios y con=guracin son los mismos# tanto para la ersin hidrulicacomo para la neumtica) la diferencia es el tama


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Figura 1,. ontrol de un cilindro de do$le accin.

La seleccin del cilindro depender de la fuer%a y elocidad que se requieranpara despla%ar la carga. Los cilindros hidrulicos tienen mayor capacidad defuer%a que los neumticos) sin em'argo# stos son ms eloces. La fuer%a queproduce un cilindro es igual al rea de la seccin transersal del cilindromultiplicada por la presin de tra'a"o# es decir# la diferencia entre las presionesen am'os lados del pistn en el cilindro. Si se utili%a un cilindro con presinneumtica de tra'a"o de :,, O!a y dimetro de :, mm# se o'tiene una fuer%ade 7; P. Gn cilindro hidrulico del mismo dimetro con presin de tra'a"o de

1:,,, O!a produce una fuer%a de ;.: OP.Si el gasto de un lquido hidrulico que Duye por un cilindro tiene un olumen Qpor segundo# el olumen que a'arca el pistn en un tiempo de 1 s de'e serigual a Q. !ero para un pistn con un rea de seccin transersal H# se trata deun moimiento que recorre una distancia igual a en un 1 s# por lo que Q R H.!or tanto# la elocidad de un cilindro hidrulico es igual al gasto del lquido Qque pasa por el cilindro diidido entre el rea de la seccin transersal delcilindro. Si un cilindro hidrulico tiene un dimetro de :, mm y un Du"ohidrulico de +.: ? 1,/AmAEs# la elocidad es A.7 mEs. Po es posi'le calcular deesta manera la elocidad de un cilindro neumtico dado que esta elocidaddepende de la elocidad de desfogue del aire que precede al pistn que se

despla%a. !ara regular la elocidad se puede utili%ar una lula.

4omo e"emplo considere el pro'lema de un cilindro hidrulico que a atransportar una pie%a de tra'a"o en unI# operacin de manufactura a lo largode ;:, mm en 1: s. Si se necesita una fuer%a de :, OP para moer la pie%a#cul ser la presin de tra'a"o el gasto del lquido hidrulico# si el cilindrotiene un dimetro de 1:, mmT (l rea de la seccin transersal del pistn es .;:UV,.1:,;R ,.,1++ m;. La fuer%a que produce el cilindro es igual al productodel rea de la seccin transersal del cilindro y la presin de tra'a"o. !or 1,tanto# la presin de tra'a"o es :, ? 1,AE,.,1++ R ;.7 M!a. La elocidad de uncilindro hidrulico es igual al gasto del lquido a tras del cilindro diidido

entre el rea de la seccin transersal del cilindro. !or 1, tanto# el gastonecesario es -,.;:,E1:2 ? ,.,1++ R ;.: ? 1,/8mAEs.

:.1. Secuenciado de cilindros(n muchos sistemas de control se utili%an cilindros neumticos e hidrulicoscomo elementos de actuacin que requieren una secuencia de e?tensiones ycontracciones de dichos cilindros. !or e"emplo# suponiendo que tenemos loscilindros H y B 9 se necesita que al oprimir el 'otn de arranque se e?tiende elpistn del cilindro H y# una e% e?tendido# se e?tienda el cilindro B. 4uando


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esto ocurre y am'os cilindros estn e?tendidos# se necesita que el cilindro H secontraiga y una e% que est todo contrado# el pistn B se contraiga. (n elcontrol secuencial mediante cilindros es com@n asignar a los cilindros unaliteral de referencia H# B# 4# # etctera# e indicar el estado correspondiente delcilindro mediante un signo # si el cilindro est e?tendido# o un signo / si estcontrado. e este modo# la secuencia de operaciones seraK H# B# H X y B/.(n la =gura ;, se muestra un circuito mediante el que se producira estasecuencia. La secuencia de operacin es la siguienteK

12 Hl principio los pistones de am'os cilindros estn contrados. Se oprimeel 'otn de arranque de la lula 1# esta accin aplica presin a lalula ;# conforme el interruptor lmite '/ se actia) a continuacin seconmuta la lula A para aplicar presin al cilindro H y ste se e?tienda.

;2 (l cilindro H se e?tiende y se de"a de presionar el interruptor lmite a /.4uando el cilindro H est del todo e?tendido# se actia el interruptorlmite a. Jste conmuta la lula : y prooca que se aplique presin ala lula * para conmutarla y as aplicar presin al cilindro B a =n de

que se e?tienda su pistn.A2 (l cilindro B se e?tiende y se li'era el interruptor ' /. Gna e% que elcilindro B est e?tendido entra en funcionamiento el interruptor lmite'. Jste conmuta la lula 8 y causa que se aplique presin a lalula A y al cilindro H para iniciar la contraccin de su cilindro.

82 (l cilindro H se contrae y li'era al interruptor lmite a. 4uando elcilindro H est e?tendido se actia el interruptor lmite a /. Jste conmutala lula +# aplica presin a la lula : y al cilindro B para que inicie lacontraccin de su cilindro.

:2 (l cilindro B se contrae y li'era al interruptor lmite '. Gna e%contrado el cilindro B# entra en operacin el interruptor lmite '/ paracompletar el ciclo.

Figura 2-. /%eracin secuencial con dos actuadores.


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!ara iniciar de nueo el ciclo 'asta oprimir el 'otn de arranque. Si se desea elfuncionamiento continuo del sistema# ser necesario que el @ltimo moimientode la secuencia actie el primer moimiento.

&tra forma de lograr la secuencia anterior es conectar y desconectar porgrupos el suministro del aire que se alimenta a las lulas# mtodo que se

conoce como control en cascada y con el cual se eita un pro'lema que puedepresentarse en los circuitos dispuestos como se e en la =gura ;,. (n ellos elaire queda entrampado en la lnea de presin para controlar una lula#eitando as que sea conmutada. Gsando el control tipo cascada# la secuenciade operaciones se distri'uye entre grupos donde la letra para identi=car loscilindros aparece slo una e% por grupo. Hs# en la secuencia H# B# B/ 9 H/#tendramos los grupos H# B 9 H/# B/. H continuacin se utili%a una lulapara conmutar el suministro de aire entre am'os grupos# es decir# seproporciona aire al grupo HB y luego al grupo H / B /. (n la lnea paraseleccionar el primer grupo se incluye una lula de arranqueEparo y# si sedesea la repeticin continua de la secuencia# en la @ltima operacin se de'e

producir una se


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Gna forma com@n para el mane"o del actuador neumtico que se utili%a en laslulas para control de procesos es el actuador de diafragma que# en esencia#consiste en un diafragma con la se que se aplica al diafragma con rea H medianteuna presin ! est dada por ! R >EH. !or lo tanto# H R :,,E-1,, Y 1, A2 R ,.,,:m;.

Figura 22. Actuador neumtico de diaragma.

*.1. 4uerpos y o'turadores de las lulasLa =gura ;A muestra la seccin transersal de una lula que controla elgasto de un Duido. (l cam'io de presin en el actuador despla%a el diafragma yel stago de la lula. 4omo resultado# el o'turador interior de la lula semuee dentro de sta. (l o'turador restringe el Du"o del Duido y su u'icacindetermina el gasto.

Los cuerpos de las lulas y los o'turadores tienen formas diersas) la =gura;8 muestra algunas formas. Se denomina de un asiento la lula en la que elDuido slo tiene una trayectoria para recorrerla# y con ello slo requiere uno'turador para controlar el Du"o. Se dice que una lula tiene do'le asientocuando el Duido que entra por ella se diide en dos corrientes# como en la=gura ;A) donde cada corriente pasa por un ori=cio controlado por uno'turador# es decir# en este tipo de lula hay dos o'turadores.

La lula de un asiento tiene la enta"a de que su cierre es ms hermticoque el de una lula de do'le asiento) su desenta"a es que la fuer%a que elDu"o e"erce so're el o'turador es mucho mayor# por lo que el diafragma del


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actuador tiene que aplicar fuer%as mucho mayores al stago. (sto puedeocasionar pro'lemas en la colocacin e?acta del stago. Las lulas de do'leasiento no tienen ese pro'lema. La forma del cuerpo tam'in determina si unaumento en la presin del aire producir la apertura o cierre de la lula.

Figura 23. Vlvula %ara control de %rocesos accionada %or diaragma.

Figura 24. iversos ti%os de cuer%os de vlvulas.

La forma del o'turador de=ne la relacin que e?iste entre el moimiento delstago y el efecto en el gasto. La =gura ;: muestra tres tipos de o'turadoresde uso com@n y la =gura ;*# la relacin porcentual entre el gasto olumtrico yel despla%amiento del stago de la lula.

Figura 25. iversas ormas deo$turadores de vlvula.

Figura 26. aractersticas del !u"ocon dierentes o$turadores.


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4on el tipo de apertura rpida# a un cam'io considera'le del gasto correspondeun ligero moimiento del stago de la lula. (ste tipo de o'turador se utili%acuando se necesita un control encendidoEapagado -onEoF2 del gasto.

+. Hctuadores giratoriosGn cilindro lineal proisto de las cone?iones necesarias se usa para producir

moimientos rotatorios con ngulos menores que A*,#la =gura ;+ ilustra estetipo de con=guracin. &tra alternatia es el actuador semigiratorio en el cualse utili%a un la'e -=gura ;72. La diferencia de presin entre am'os puertoshace girar el la'e y el stago# lo cual es una medida de la diferencia depresiones. ependiendo de stas# el la'e gira en sentido de las manecillas delrelo" o en sentido contrario.

Figura 2'. ilindro linealusado %ara %roducir una

rotacin.

Figura 2*. Actuadorsemigiratorio ti%o la$e.

Figura 2,. otor ti%ola$e.


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!ara giros de ms de A*,#se emplea un motor neumtico) una modalidad de ste es elmotor de labes -=gura ;2. Gn rotor e?cntrico tiene ranuras que fuer%an eldespla%amiento hacia fuera de los la'es# empu"ando las paredes del cilindro a causa dela rotacin. Los la'es diiden la cmara en compartimento s separados cuyo tama


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y un gasto m?imo de ,.;, s. 4ul ser el gasto si el stago esK a2 1, mm y '2;, mmT

112 (l despla%amiento total de un actuador es 8, mm y est montado en unalula de control de procesos con un o'turador de igual porcenta"e) su gastomnimo es ,.; mAEs y el gasto m?imo 8., mAEs. 4ul sera el gasto si eldespla%amiento del stago esK a2 1, mm# '2 ;, mmT

1;2 4ul ser la dimensin de una lula de control de procesos que se

requiere para controlar el Du"o de agua cuando el Du"o m?imo es ,.,,; mAEs y lacada de presin permisi'le en la lula correspondiente a este gasto sea 1,,O!aT La densidad del agua es 1,,, OgEmA.

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