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MANUAL DE FESTO PARA NEUMATICA
Tipo: Apuntes
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Libro de texto
Festo Didactic 573031 ES
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Nº de artículo: 573031 Actualización: 12/ Autores: Frank Ebel, Siegfried Idler, Georg Prede, Dieter Scholz Gráficos: Doris Schwarzenberger Layout: 26.11.2010, Frank Ebel
© Festo Didactic GmbH & Co. KG, 73770 Denkendorf, Alemania, 2010 Internet: www.festo-didactic.com E-mail: did@de.festo.com
Sin nuestra expresa autorización, queda terminantemente prohibida la reproducción total o parcial de este documento, asi como su uso indebido y/o su exhibición o comunicación a terceros. De los infractores se exigirá el correspondiente resarcimiento de daños y perjuicios. Quedan reservados todos los derechos inherentes, en especial los de patentes, de modelos registrados y estéticos.
Contenido
La fuerza del aire se aprovecha desde hace miles de años. Todos sabemos que el viento se aprovecha en veleros y molinos.
La palabra «neumática» proviene del griego «pneumatikós», que significa respiración. En términos generales, se entiende por neumática la parte de la ciencia de la física que trata de las propiedades de los gases y, por lo tanto, también del aire.
En muchos sectores de la técnica de automatización de procesos industriales se utiliza la neumática y electroneumática. En plantas industriales de todo el mundo se usan sistemas de control electroneumáticos para controlar el funcionamiento de equipos de fabricación, líneas de ensamblaje y máquinas de envasado. El progreso logrado en relación con los materiales, el diseño de los equipos y los métodos de fabricación, ha redundado en componentes neumáticos de mayor calidad y variedad, por lo que su utilización está muy difundida en la actualidad.
Además, el progreso tecnológico y las exigencias más estrictas han tenido como consecuencia una evidente modificación de los sistemas de control. En la parte de procesamiento de señales, los relés han sido sustituidos en la mayoría de los casos por sistemas de controles lógicos programables, con el fin de satisfacer esas exigencias y, también, para contar con soluciones más versátiles. También la parte funcional de los controles electroneumáticos modernos ha experimentado modificaciones, con el fin de satisfacer las necesidades concretas que plantea la industria moderna. En ese sentido, basta recordar ejemplos como los terminales de válvulas, la creación de redes de bus y la neumática proporcional.
Invitamos a todos los lectores del presente manual a expresar sugerencias y críticas, con el fin de mejorar o completar su contenido. Por favor, dirija los comentarios correspondientes a did@de.festo o, por correo normal, a Festo Didactic GmbH & Co. KG, Postfach 10 07 10, D-73707 Esslingen.
Los autores
1.1 Sumario La neumática juega un importante papel en el sector de la automatización, y cabe suponer que su importancia seguirá aumentando. Numerosos procesos de fabricación no serían posibles sin la neumática. La neumática está presente en casi todos los equipos de fabricación utilizados en los siguientes sectores industriales:
En estos sectores, la neumática asume las siguientes funciones:
Para controlar máquinas y equipos suele ser necesario disponer de un sofisticado sistema de enlaces lógicos de estados y condiciones de conmutación. En los sistemas neumáticos o parcialmente neumáticos se utilizan sensores, procesadores, elementos de control y actuadores.
El progreso logrado en relación con los materiales, el diseño de los equipos y los métodos de fabricación, ha redundado en componentes neumáticos de mayor calidad y variedad, por lo que su utilización está muy difundida en la actualidad.
A continuación, algunos ejemplos de aplicaciones en las que se utiliza la neumática:
1 Aplicaciones en la técnica de automatización
1.2 Propiedades de la neumática
Parámetros Comentario Cantidad El aire está disponible en casi cualquier parte en cantidades ilimitadas Transporte El aire puede transportarse de modo sencillo a largas distancias a través de tubos. Acumulación El aire comprimido puede almacenarse en un depósito para utilizarlo posteriormente. Además, puede tratarse de un depósito transportable. Temperatura El aire comprimido es casi insensible a los cambios de temperatura. Por ello, el funcionamiento de los sistemas neumáticos es fiable, también en condiciones extremas. Seguridad El aire comprimido no alberga peligro de incendio o explosión. Pureza Las fugas de aire comprimido no lubricado no ocasionan contaminación alguna. Construcción Los elementos de trabajo tienen una construcción sencilla, por lo que su precio es bajo. Velocidad El aire comprimido es un fluido rápido. Con él, los émbolos ejecutan movimientos muy veloces y los tiempos de conmutación son muy cortos. Seguridad frente a sobrecarga Las herramientas y los componentes neumáticos pueden soportar esfuerzos hasta que están completamente detenidos, lo que significa que resisten sobrecargas.
Tabla 1.1: Propiedades y ventajas de la neumática
Parámetros Comentario Edición Antes de su utilización, debe prepararse el aire comprimido. De lo contrario, los componentes neumáticos se desgastan más a causa de las partículas de suciedad y el condensado. Compresión Con aire comprimido no es posible conseguir que un cilindro ejecute movimientos homogéneos y constantes. Fuerza El aire comprimido únicamente es un medio económico hasta la aplicación de una fuerza determinada. Considerando la presión de funcionamiento de 600 hasta 700 kPa (6 hasta 7 bar), y teniendo en cuenta la relación existente entre la carrera y la velocidad, ese límite se encuentra entre 40 000 y 50 000 N. Aire de escape El escape del aire es sumamente ruidoso. Sin embargo, este problema se puede resolver satisfactoriamente recurriendo a materiales que absorben el ruido o utilizando silenciadores.
Tabla 1.2: Desventajas de la neumática
1 Aplicaciones en la técnica de automatización
1.3 Desarrollo de sistemas de control neumáticos La neumática incluye los siguientes grupos de productos:
Durante el trabajo de desarrollo de sistemas de control, deberán considerarse los siguientes criterios:
2.1 Fundamentos físicos El aire es una mezcla de gases y su composición es la siguiente:
Además, el aire contiene rastros de dióxido de carbono, argón, hidrógeno, neón, helio, criptón y xenón.
Para entender mejor las leyes físicas aplicables en el caso del aire, se explican a continuación las unidades correspondientes. Los datos corresponden al «Sistema Internacional de Unidades» que se abrevia con SI.
Tamaño Símbolo en la fórmula Unidades Largo l Metro (m) Masa m Kilogramo (kg) Tiempo t Segundo (s) Temperatura T Kelvin (K, 0 °C = 273,15 K)
Tabla 2.1: Unidades básicas
Tamaño Símbolo en la fórmula Unidades Fuerza F Newton (N) Superficie A Metro cuadrado (m 2 ) Volumen V Metro cúbico (m 3 ) Caudal q v Metro cúbico por segundo (m 3 /s) Presión p Pascal (Pa) 1 Pa = 1 N/m 2 1 bar = 10^5 Pa
Tabla 2.2: Unidades derivadas
2.1.1 Ley de Newton La ley de Newton establece una relación entre la fuerza, la masa y la aceleración: Fuerza = Masa · Aceleración
F = m a ⋅
En caída libre, «a» se sustituye por la aceleración de la gravedad g = 9,81 m/s 2
2 Conceptos básicos de la neumática
2.2 Propiedades del aire El aire se caracteriza por su baja cohesión, lo que significa que las fuerzas entre las moléculas del aire son mínimas, al menos considerando las condiciones usuales de funcionamiento de sistemas neumáticos. Al igual que todos los gases, el aire tampoco tiene una forma determinada. Su forma cambia si se aplica la más mínima fuerza y, además, siempre ocupa el máximo espacio disponible.
2.2.1 La ley de Boyle-Mariotte El aire puede comprimirse y tiene la tendencia de expandir. La ley de Boyle-Mariotte describe estas propiedades del aire: El volumen de una cantidad determinada de gas contenido en un depósito cerrado es inversamente proporcional a la presión absoluta suponiendo una temperatura constante. O: el producto de volumen y presión absoluta es constante suponiendo una cantidad determinada de gas.
p 1 (^) ⋅ V 1 (^) = p 2 (^) ⋅ V 2 (^) = p 3 (^) ⋅ V 3 =constante
F 1 F 2 F 3
V 3 p 3
V 2 p 2
V 1 p 1
Fig. 2.2: Ley de Boyle-Mariotte
Ejemplo de cálculo En condiciones de presión atmosférica, se procede a comprimir el aire a 1/7 de su volumen original. ¿Qué presión se obtiene si la temperatura se mantiene constante?
p 1 ⋅ V 1 (^) = p 2 ⋅ V 2 1 2
p 2 = p 1 ⋅ V V
, observación: 1 7
1
p 1 = p amb = 100 kPa = 1 bar p 2 = 1 · 7 = 700 kPa = 7 bar absoluta
2 Conceptos básicos de la neumática
Ello significa lo siguiente: p e = p abs – p amb = (700 – 100) kPa = 600 kPa = 6 bar
Un compresor que genera una presión de 600 kPa (6 bar), tiene una relación de compresión de 7:1.
2.2.2 Ley de Gay-Lussac
El aire expande su volumen en 1/273 si la presión es constante y la temperatura aumenta 1 K partiendo de 273 K. La ley de Gay-Lussac dice lo siguiente: Mientras no cambia la presión, el volumen de un gas contenido en un depósito cerrado es proporcional a la temperatura absoluta.
1 2
2
, V 1 = Volumen con T 1 , V 2 = Volumen con T 2
o bien
V (^) constante T
El cambio del volumen ∆ V es de: 2 1 1 2 1 1
1
Las ecuaciones anteriores únicamente son válidas si se incluyen las temperaturas expresadas en K. Para calcular utilizando °C, deberá recurrirse a la siguiente fórmula:
2 1 1 2 1 (^2731)
Ejemplo de cálculo El volumen de 0,8 m^3 de aire que tiene una temperatura de T 1 = 293 K (20 °C) se calienta hasta una temperatura de T 2 = 344 K (71 °C). ¿Cuánto se expande el aire?
3 3 2 0 8 m 0 8 m 344 K 293 K 293 K
V 2 (^) = 0 8 m , 3 + 0 14 m ,^3 =0 94 m ,^3
El aire se expandió de 0,14 m^3 a 0,94 m^3.