Circuitos neumáticos y diagramas de circuitos neumáticos: fundamentos de la ingeniería de fluidos

Este artículo trata sobre los fundamentos de la neumática, los circuitos neumáticos y los diagramas de circuitos neumáticos. La neumática es un área de ingeniería de fluidos que trata el aire comprimido y su aplicación en varios sistemas. La tecnología de control neumático se utiliza en muchas industrias y sectores, como la manipulación de materiales, la robótica o el transporte.

¿Qué es la neumática?

La neumática es una subárea de la mecánica que trata el comportamiento de los gases. En concreto, se trata de la ingeniería de fluidos que utiliza aire comprimido o sistemas accionados por aire para generar movimiento y fuerza motriz.

En los sistemas de aire comprimido típicos, el aire tiene una presión positiva de 6 bares. El nivel de presión es de hasta 18 bares en aplicaciones de alta presión, como aplicaciones neumáticas con requisitos de entrada de alta potencia. En casos especiales, la presión puede incluso ser de hasta 40 bares.

Hay muchos usos para el aire comprimido que se pueden utilizar según sea necesario y requerido. Por ejemplo, puede actuar como aire activo para transportar sustancias y materiales. También se utiliza como aire de proceso y admite procesos de secado y otros procesos. Además, el aire comprimido puede usarse en ubicaciones potencialmente explosivas o húmedas, por ejemplo, para accionar motores o similares. Un ejemplo típico de aplicación con las lijadoras orbitales excéntricas de aire comprimido en una cabina de pintura.

Aplicaciones para controles neumáticos

Los sistemas y controles neumáticos encuentran una amplia gama de aplicaciones en ingeniería mecánica, construcción de máquinas personalizadas y producción en masa. Además de su simplicidad y fiabilidad, las ventajas de los sistemas neumáticos también incluyen tiempos de respuesta rápidos y una implementación relativamente rentable.

Ejemplos típicos de aplicaciones de controles neumáticos incluyen:

• Máquinas de soldadura: El control de los cabezales de soldadura y los dispositivos de sujeción.
• Máquinas herramienta: Para sujetar o aflojar y para cambios de herramienta.
• Máquinas de fundición: Para abrir o cerrar moldes y retirar piezas fundidas, por ejemplo, en máquinas de moldeo por inyección.
• Transportadores y elevadores: Para mover, levantar y colocar materiales.
• Máquinas de impresión y papel: Para controlar los procesos de impresión y el posicionamiento del papel.

¿Cuáles son los beneficios de la neumática?

Los sistemas neumáticos tienen numerosas ventajas. El material utilizado, es decir, el aire, tiene un suministro infinito, está disponible prácticamente en cualquier lugar y se puede transportar a largas distancias.

• Capacidad de almacenamiento: Es posible almacenar aire comprimido en los tanques de aire comprimido correspondientes. Estos depósitos de aire comprimido también se pueden transportar.
• Resistencia a la temperatura: El aire comprimido no se ve afectado sustancialmente por las fluctuaciones de temperatura. Por lo tanto, es adecuado para el funcionamiento en condiciones más extremas en comparación con fluidos, como el fluido hidráulico.
• Compatibilidad medioambiental: Las fugas de aire comprimido no causan contaminación ni daños.
• Simplicidad: Los componentes neumáticos son fáciles de montar. Pueden cambiar o controlar las velocidades y fuerzas de los cilindros de una manera continuamente ajustable.
• Alta velocidad: El aire comprimido es un medio de proceso rápido, lo que permite alcanzar velocidades relativamente altas y tiempos de conmutación cortos.
• Portabilidad: El aire comprimido se puede transportar fácilmente en tuberías a largas distancias. Por lo tanto, el aire comprimido generalmente solo necesita acondicionarse.
• Protección contra sobrecarga: Los circuitos y elementos neumáticos pueden absorber cargas incluso en reposo y, por lo tanto, son a prueba de sobrecargas contra picos de aire comprimido.

Varios procesos mecánicos pueden operarse de manera eficiente utilizando aire comprimido como fuente de energía, lo que lo convierte en una alternativa rentable a otros sistemas de energía.

Principios de diseño y funcionamiento de los controles neumáticos

El aire comprimido se suministra a la ubicación deseada mediante válvulas. La energía almacenada en el aire comprimido se utiliza para generar energía de movimiento. Un ejemplo de esto es el uso de aire comprimido para controlar un pistón de cilindro en una dirección particular.

Cada sistema de control neumático consta básicamente de los siguientes subcomponentes:

• Generación de aire comprimido (compresores)
• Aire acondicionado comprimido (filtro neumático/filtro de aire)
• Acumulador de aire comprimido (depósito de aire)
• Regulación de aire comprimido (regulador de presión)
• Válvulas principales (válvulas de paso)
• Elementos del proceso (cilindros)
• Sensores e interruptores (válvulas solenoides, pulsadores)
• Mangueras y accesorios

Generación de aire comprimido en controles neumáticos

Uno o varios compresores se utilizan para generar la presión de proceso requerida. Absorben y comprimen el aire según sea necesario a una presión de entre 6 y 40 bar.

Los procesos mecánicos y termodinámicos que se utilizan para comprimir el aire generan una gran cantidad de calor que debe evacuarse del aire comprimido. Por lo tanto, el aire comprimido se dirige a través de un enfriador de aire para reducir la temperatura.

Aire acondicionado comprimido

Sin embargo, al enfriar el aire también se reduce la capacidad del aire para absorber agua. A medida que el aire se enfría, a menudo libera agua, lo que puede dañar el sistema. El aire pasa a través de un secador de aire para evitarlo. Hay varios tipos de secadores de aire, como los de refrigeración y los de absorción, que eliminan la humedad del aire. Es igualmente importante eliminar los contaminantes del aire comprimido para garantizar una calidad óptima del aire comprimido y una larga vida útil de los sistemas de aire comprimido. Esto se logra pasando el aire a través de filtros para eliminar contaminantes, como polvo, partículas y aceite. Sin embargo, debido a que se requiere aceite para lubricar los variadores, el aire comprimido se enriquece con aceite mediante el uso de engrasadores especializados.

Almacenamiento de aire comprimido

El aire acondicionado se almacena en depósitos de aire comprimido. Estos depósitos compensan simultáneamente las fluctuaciones de presión cuando se elimina el aire comprimido del sistema. El acumulador de aire se rellena cuando la presión cae por debajo de un valor determinado.

Regulación y distribución del aire comprimido

La presión de aire se ajusta con un regulador de presión antes de utilizar el aire comprimido en el circuito neumático. A continuación, el aire se distribuye en el sistema a través de una red de tuberías y mangueras. El sistema de aire comprimido debe planificarse teniendo en cuenta varios requisitos, como el diámetro de las tuberías. Cuanto menor sea el diámetro de una tubería, mayor será la resistencia al flujo. El diámetro debe seleccionarse de manera que las resistencias al flujo permanezcan lo más bajas posible.

Las fugas son otro riesgo en los sistemas de aire comprimido. Son comunes en uniones o colectores. Estas fugas provocan una pérdida continua de aire comprimido, lo que aumenta el consumo de energía y reduce el rendimiento del sistema. Además de dichas pérdidas directas, el sistema también puede presentar pérdidas indirectas. Compresores de gran tamaño, tuberías excesivamente restrictivas o excesivamente largas, colocación desfavorable del tanque, todo lo cual conduce a una degradación del rendimiento y a ineficiencias en el sistema. Por lo tanto, la planificación intencionada de la distribución de aire comprimido es una condición para optimizar el sistema de aire comprimido para la durabilidad y el rendimiento.

Transmisión de movimiento y potencia

Varios componentes de los circuitos neumáticos se juntan para crear movimiento y transferir fuerza. Las válvulas controlan la dirección, la presión y el flujo de aire comprimido. Los variadores neumáticos, como cilindros o motores neumáticos, realizan el trabajo real en un circuito neumático. Convierten la energía contenida en el aire comprimido en movimiento mecánico. El aire comprimido mueve el pistón dentro del cilindro, transfiriendo fuerza, normalmente en dirección lineal.

El trabajo mecánico se realiza mediante elementos de trabajo especializados, que vienen principalmente en forma de cilindros neumáticos, por ejemplo, como garras neumáticas.

Los transportadores industriales mueven o transportan material a varios destinos en plantas de producción o almacenes. Los transportadores neumáticos utilizan aire comprimido para transportar materiales o componentes, como gránulos, polvos o materiales a granel a través de tuberías para su posterior procesamiento o eliminación. Estos sistemas se utilizan en diferentes etapas de producción, ya que simplifican y facilitan la manipulación de materiales.

Estructura general de un diagrama de circuito neumático

Los diagramas de circuitos neumáticos son representaciones gráficas de los controles neumáticos. Muestran la función y la conexión de los componentes individuales de un sistema neumático.

Los diagramas de circuitos neumáticos incluyen elementos de suministro, actuadores y elementos de proceso. Los elementos de suministro son responsables de suministrar aire comprimido y de procesar, almacenar y distribuir el aire comprimido. Los actuadores son los elementos de control en un diagrama de circuito neumático. Esto incluye, por ejemplo, válvulas direccionales, válvulas de presión o válvulas de retención. Determinan el flujo y la dirección del aire comprimido. Los elementos del proceso son los componentes que realizan el trabajo físico en el circuito. Convierten la energía almacenada en el aire comprimido en movimiento mecánico. Los cilindros, motores o actuadores son elementos del proceso.

En general, los circuitos se disponen de manera que la energía fluye de abajo hacia arriba, es decir, desde el suministro de energía de la fuente de aire comprimido al elemento de proceso. Por lo tanto, la fuente de aire comprimido es el primer elemento o el más bajo y el elemento de potencia es el último o el más alto.

Ejemplo de aplicación con diagrama de circuito neumático

El siguiente ejemplo de aplicación práctica muestra una varilla de pistón que se debe extender (posición completamente desplegada) y retraer después de un tiempo definido (posición inicial). Por razones de seguridad, los profesionales suelen utilizar 2 botones manuales para evitar el despliegue accidental del pistón.

La aplicación consta básicamente de los siguientes componentes:

• 1 cilindro neumático de doble acción con varilla de pistón (1 A)
• 2 pulsadores manuales con válvulas de control direccional (1S1 y 1S2)
• 1 acumulador con válvula de retardo (1V3) con válvula de mariposa
• 1 válvula de presión doble (1V1)
• 1 válvula de lanzadera (1V2)
• Válvulas de pulso y válvulas direccionales

• La válvula de presión doble 1V1 actúa como un circuito lógico “And”: el aire comprimido solo puede pasar a la válvula de pulso 1V4 si ambos botones manuales 1S1 y 1S2 se accionan simultáneamente.
• La válvula de pulsos 1V4 recibe energía del aire entrante y se presuriza con aire comprimido.
• La válvula de pulsos 1V4 activa la válvula de control direccional 1V5.
• Debido a la posición de cambio de la válvula de control direccional 1V5, el aire comprimido entra ahora en el cilindro neumático de doble acción 1 A y permite que la varilla del pistón se extienda (posición completamente desplegada). Inicialmente, el vástago del pistón permanece en la posición totalmente desplegada.

El principio de funcionamiento del circuito planificado hace que ocurran varias cosas al mismo tiempo durante la acción de conmutación.

• Al accionar inicialmente los botones manuales, el aire comprimido entra simultáneamente en la válvula de lanzadera 1V2 - la válvula de lanzadera actúa simultáneamente como válvula antirretorno.
• El aire comprimido llena el acumulador 1V3 - el acumulador tiene una válvula de retardo.
• Tan pronto como se llena el acumulador de presión 1V3, el aire comprimido liberado energiza la válvula de pulso 1V4, lo que hace que la válvula de control direccional 1V5 vuelva a su posición inicial.
• Debido a la posición de cambio de la válvula direccional 1V5, el aire comprimido entra ahora en el cilindro de doble acción 1 A y permite que la varilla del pistón se retraiga allí (posición de inicio).
• Para extender el pistón de nuevo, ambos botones manuales deben “liberarse” y volver a accionarse.

Los elementos del diagrama de circuito están etiquetados de acuerdo con la clave de etiquetado especificada en la norma DIN ISO 1219-2. Dependiendo de la aplicación, los símbolos contenidos en la norma pueden combinarse en consecuencia. En la siguiente descripción general se muestran algunos ejemplos.

Convenciones de nomenclatura para válvulas direccionales

La descripción de las válvulas direccionales se basa en el número de puertos, el número de posiciones del interruptor y la trayectoria del flujo. A las válvulas direccionales se les asignan dos números. El primero indica cuántos puertos tiene la válvula, y el segundo, el número de posiciones del interruptor. Una válvula de 3/2 vías, por ejemplo, tiene tres puertos y dos posiciones de interruptor. En la práctica, las válvulas direccionales de 2/2, 3/2, 5/2 y 5/3 se utilizan con mayor frecuencia.

Agrupación y diseño de válvulas de control direccional

Los actuadores neumáticos (por ejemplo, cilindros, etc.) se controlan mediante válvulas neumáticas. La función de las válvulas es controlar la dirección de acción, la velocidad (a través del caudal) y la fuerza.

Las válvulas direccionales son uno de los elementos más importantes de los controles neumáticos. Sirven para determinar la dirección del flujo y para abrir o bloquear el paso del medio. Por ejemplo, se utilizan para accionar y controlar cilindros, válvulas o herramientas neumáticas. Las válvulas direccionales se pueden agrupar según diferentes criterios:

• Por estructura básica: Basándose en su diseño, uno distingue entre los distribuidores de pistón y los distribuidores de asiento.

• Por tipo de funcionamiento: Las válvulas direccionales pueden accionarse de forma mecánica, manual, neumática o eléctrica.

• Por número de posiciones: Hay válvulas monoestables, biestables, de tres o de varias posiciones. Como el término indica, la válvula tiene una posición estable para diseños monoestables y dos posiciones estables para diseño biestable (posición de inicio de la válvula).

• Según el número de puertos y posiciones: En términos de puertos y posiciones, se distingue entre válvulas de 2/2, 3/2, 3/3, 4/2, 5/2, 4/3 y 5/3 vías

• Por posición de cambio en la posición de inicio: Dependiendo del número de puertos y posiciones, las válvulas direccionales 2/2 y 3/2 se diferencian en función de si están abiertas o cerradas en la posición inicial. Las válvulas direccionales 3/3, 4/3 y 5/3 se distinguen en posiciones centrales cerradas, abiertas y ventiladas.

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