Introducció a la Pneumàtica: Principis i Aplicacions

1: La Pneumàtica

La pneumàtica constitueix una tècnica de grans aplicacions a la majoria de processos de producció moderns. Molts problemes d’enginyeria que al llarg dels anys han estat resolts mitjançant la mecànica tradicional s’han aconseguit simplificar amb la incorporació de la pneumàtica, i s’han fet més senzills, econòmics i automàtics.

Si volem transmetre un determinat tipus de moviment a una certa distància, ens caldrà utilitzar eixos llargs, corretges, cadenes, etc., amb la qual cosa el sistema serà car i amb pèrdues relativament grans, o bé emprar un altre tipus d’energia que no sigui la que prové d’un sistema mecànic de transmissió convencional.

La pneumàtica és el conjunt de tècniques basades en la utilització de l’aire comprimit com a fluid de transmissió d’energia per a l’accionament de màquines i mecanismes.

-- Avantatges

• No és perillós, ja que no emet espurnes.
• És un fluid net.
• Es troba fàcilment disponible.
• S’emmagatzema amb facilitat.
• Es desplaça amb rapidesa per l’interior de les conduccions.
• Els accionaments pneumàtics són relativament senzills, econòmics i bastant ràpids.

2. El Circuit Pneumàtic

La pneumàtica és una forma d’energia neta, molt utilitzada actualment, ja que utilitza generalment l’aire de l’atmosfera prèviament tractat.

Un circuit pneumàtic és un conjunt d’elements disposats de tal manera que, mitjançant aire comprimit, realitzen un treball o executen una sèrie d’accions destinades a l’accionament de màquines o mecanismes.

Els circuits pneumàtics consten dels següents blocs funcionals:

Aire atmosfèric → Producció (- compressor, - refrigerador, - acumulador) → Condicionament de l’aire (- assecador, - filtre, - regulador de pressió, - lubrificant) → Distribució (- canonades, - xarxes de distribució) → Regulació i control (- distribuïdors, - vàlvules de control, - sensors) → Actuacions pneumàtiques (- cilindres, - actuadors de gir, motors rotatius)

El subministrament d’aire comprimit és el primer pas per aconseguir el funcionament dels circuits i de les instal·lacions pneumàtiques.

2.1. Producció de l’Aire Comprimit

A) Compressors

Els compressors són mecanismes rotatius moguts per motors elèctrics o tèrmics de combustió interna, la funció dels quals és aspirar aire a pressió atmosfèrica i comprimir-lo a una pressió més elevada. Representen l’element central d’una instal·lació productora d’aire comprimit.

Els més utilitzats són els compressors de pistó o èmbols.

Les característiques fonamentals són el cabal subministrat (m³/s) i la pressió (CN p= 1 atm T=25ºC).

Cabal volumètric: condicions de pressió i temperatura d’entrada diferents als de sortida.

La compressió es realitza per refredament ràpid de l’aire. I un cop l’aire es comprimeix, s’emmagatzema de manera més ràpida.

B) Refrigerador

Un refrigerador és un tipus de bescanviador de calor format per una sèrie de tubs pels quals circula el fluid refrigerant (aigua).

L’aire comprimit circula en sentit contrari al del fluid refrigerant per l’exterior dels tubs i es produeix l’intercanvi de calor. Més usuals són refrigeradors aire-aire i refrigeradors aire-aigua.

C) Acumuladors

S’instal·len a la sortida dels refrigeradors i serveixen per emmagatzemar aire comprimit per fer front a les puntes de demanda de consum i poder mantenir estable la pressió del circuit, així com eliminar les possibles pulsacions originades pel compressor.

Les connexions entre el dipòsit i el compressor han de ser elàstiques per impedir la transmissió de les vibracions.

2.2. Condicionament de l’Aire Comprimit

A) Assecament

L’aire humit pot originar oxidació i causar avaries en els elements de la instal·lació, i pot provocar desgast excessiu. Si el contingut de vapor d’aigua és alt, s’ha de reduir fent-lo passar per un assecador o deshumidificador pneumàtic.

El més utilitzat és l’assecador d’absorció.

B) Filtratge

En l’aire hi ha impureses (pols, llimadures de goma, vapor d’aigua…) que convé eliminar per al bon funcionament de la instal·lació. El filtre pneumàtic reté aquestes impureses.

C) Regulació de la Pressió

Els reguladors de pressió o manoreductor són l’element que regula automàticament la pressió de sortida, ajustant-la al valor seleccionat.

La pressió de sortida (secundària) sempre ha de ser inferior a la d’entrada per poder actuar correctament.

En cas d’avaria o escapament d’aire, la pressió desitjada no arribarà a l’etapa final del circuit, cosa que podrà provocar una fallida en el sistema o en el mecanisme pneumàtic.

D) Lubricació

En la majoria dels elements que integren una instal·lació pneumàtica hi ha parets lliscants que, en efectuar un moviment, es desgasten a causa del fregament. Per això cal fer un últim tractament de lubricació a l’aire, que fa disminuir la fricció i evita l’oxidació. Aquesta funció la fa el lubrificador.

2.3. Distribució de l’Aire Comprimit

L’aire comprimit generat per la unitat de producció es canalitza fins als punts d’utilització mitjançant la xarxa de distribució, que és el conjunt de canonades emprades per connectar els diferents elements pneumàtics.

La xarxa de distribució s’haurà de dissenyar perquè la pèrdua de pressió sigui petita, no hi hagi pèrdua d’aire per fuites i la quantitat d’aigua present a la xarxa i als punts d’utilització sigui mínima.

Les canonades solen ser d’acer o coure, encara que també les de polietilè i poliamida.

2.4. Transformació d’Energia (per obrir les portes del bus)

En una instal·lació pneumàtica, els receptors són anomenats actuadors pneumàtics o elements de treball, i la seva funció és transformar l’energia pneumàtica de l’aire comprimit en treball mecànic per a l’accionament de màquines i mecanismes.

A) Cilindres

Són actuadors que fan el treball de manera rectilínia, mitjançant moviments d’empenyiment-tracció que transformen l’energia continguda en l’aire comprimit en treball mecànic W.

- C d’efecte simple: Té una entrada de pressió i el desplaçament de l’èmbol a causa de la pressió de l’aire comprimit té lloc en un únic sentit. En el retorn a la seva posició inicial, es realitza mitjançant una molla recuperadora. (100mm, diàmetre petit i poc aire)

- C de doble efecte: L’aire comprimit exerceix la seva acció en les dues cambres del cilindre, d’aquesta manera pot realitzar el treball en els dos sentits del moviment. La cursa de retrocés s’efectua aplicant aire a pressió a la cambra anterior i comunicant la cambra posterior amb l’atmosfera. Inconvenient: consumeix una quantitat doble d’aire.

Els cilindres constitueixen els components pneumàtics de treball més utilitzats, principalment per les seves possibilitats i característiques per resoldre qualsevol desplaçament lineal. Algunes necessiten cilindres especials: de doble tija, antigir...

B) Actuadors de Gir

Són un element pneumàtic amb diversitat de models, mides, lliures de problemes i assequibles.

Paràmetres bàsics: parell i l’angle. Un altre element de creació recent, la pinça pneumàtica, ha experimentat un gran apogeu en ser molt aplicada en sectors en plena expansió, com la robòtica i la manipulació.

2.5. Motors Pneumàtics

Els motors pneumàtics transformen l’energia pneumàtica en energia mecànica de rotació, en un procés similar i invers al de la compressió.

Avantatges: respecte als elèctrics, són insensibles a la calor, pols, humitat i vibracions, i ofereixen millor solució en ambients explosius. Paràmetres bàsics: parell i revolucions.

• Utilitzats: motor de paletes, motor de pistons. (El consum d’aire d’un motor pneumàtic augmenta amb la velocitat i aconsegueix el seu nivell màxim quan funciona en el buit, fins i tot quan està ple de pressió aplicada, el motor consumeix aire).

3. Els Elements de Comandament, Regulació i Control

3.1. Vàlvules de Control Direccional

Les vàlvules distribuïdores són les encarregades de governar l’arrencada, l’aturada i el sentit del flux en un circuit pneumàtic. Es componen d’un cos, una part mòbil i uns elements d’accionament que permeten canviar l’estat de la vàlvula. En el cos estan els conductes interns i orificis d’entrada i sortida. Els elements mòbils de la vàlvula aconsegueixen les diferents posicions de la vàlvula i realitzen les connexions internes de les vies.

- Nombre d’orificis o vies: Indica el nombre màxim d’orificis o conductes principals, anomenats també vies (d’entrada/sortida) que poden interconnectar-se a través del distribuïdor.

- Nombre de posicions: Són les connexions diferents que es poden obtenir de manera estable entre les vies del distribuïdor. Generalment tenen dues posicions, una que es diu de repòs i una altra de treball. A vegades necessitem vàlvules de tres posicions, que impliquen una posició neutra central.

A) Representació Gràfica de les Vàlvules Distribuïdores

- Símbol bàsic: Cada posició es representa amb una casella quadrada, dins de la qual situem fletxes que indiquen les connexions entre els orificis i el sentit de flux del fluid. Els conductes es dibuixen en la casella que representa la posició de repòs.

- Tipus de comandament: Es representen amb el tipus de comandament, el qual s’afegeix al símbol base. La seva funció és realitzar els canvis de posició de la vàlvula. Segons la font d’energia que activa la vàlvula, poden ser manuals, pneumàtics, hidràulics i elèctrics.

- Localització dels orificis: La localització de cadascun dels orificis dels distribuïdors es realitza segons un codi que utilitza números o lletres.

B) Funcionament d’Algunes Vàlvules Distribuïdores

- V distribuïdora 2/2: Són de comandament, ja que només obren o tanquen un conducte. Tenen un orifici d’entrada i un d’utilització. Només poden ser vies tancades o vies obertes. Quan la vàlvula està en repòs i les vies tancades, és una vàlvula normalment tancada (NT) i en cas contrari, (NO). Per comandar un cilindre necessitem dues vàlvules 2/2, una per subministrar pressió i l’altra per obrir/tancar.

- V dis 3/2: Com no s’utilitzen vàlvules de dues vies per comandar un cilindre pneumàtic d’efecte simple, s’utilitza un distribuïdor 3/2, ja que compleix millor aquesta funció. Consta d’un orifici d’entrada, 1 sortida i 1 d’escapament.

- V dis 5/2: Per pilotar un cilindre pneumàtic de doble efecte o per accionar vàlvules de major mida, s’utilitza una vàlvula distribuïdora en cinc vies. 1 orifici d’entrada, 2 de sortida i 2 escapaments. Els 5/3 permeten deixar immobilitzat o bloquejat el cilindre en la posició central.

3.2. Vàlvules de Control, Regulació i Bloqueig

Els elements de regulació, control i bloqueig, dins de les limitacions que imposen a l’energia pneumàtica, permeten ajustar les velocitats de desplaçament dels actuadors (cilindres, actuadors de gir i motors rotatius) i regular la seva força. Dins d’un circuit fan les funcions d’elements de comandament.

- V unidireccionals: Són un tipus particular de vàlvules de control que permeten el flux del fluid en un únic sentit i eviten el pas de fluid en sentit invers. (vàlvula antiretorn: molt utilitzades en sistemes pneumàtics, de construcció i funcionament senzills, vàlvula tancada mitjançant un con o bola associats a una molla. En un sentit, el fluid venç la força de la molla i deixa el pas lliure; en el sentit contrari, la força de la molla suma a la pressió del fluid i barra el pas.) (vàlvula antiretorn pilotades: permeten, en condicions normals, el flux del fluid en un sentit. Malgrat això, i mitjançant l’acció d’un pilotatge extern, poden permetre el flux en sentit invers).

- V reguladores de cabal: S’utilitzen per modificar la velocitat dels elements de treball. Varien la velocitat dels actuadors i regulen el cabal d’alimentació. (bidireccionals: regulen el pas del fluid en ambdós sentits) (unidireccionals: permeten la circulació lliure del fluid en un sentit i en el contrari, intercalen una estrangulació que es pot regular a voluntat i que fixa el cabal del fluid).

- V reguladores de pressió: Tenen com a objectiu reduir la pressió d’entrada fins a un valor inferior regulable de sortida. Són de dues vies normalment obertes gràcies a la força de la molla, les quals redueixen la pressió quan el valor en la sortida supera el de regulació, tot barrant el pas mitjançant un pistó o corredora.

- V limitadores de pressió: (vàlvula de seguretat): element de seguretat en una instal·lació pneumàtica/oleohidràulica. Impedeix superar la pressió màxima permesa pel sistema. La vàlvula obre cap a l’atmosfera l’orifici de sortida i permet l’expansió del fluid fins que es restableix el valor normal de pressió.

- V d’escapament ràpid: Destinades a accelerar la velocitat dels cilindres assegurant l’escapament directe, sense retencions del fluid contingut en el cilindre. Evacuen l’aire d’escapament dels cilindres sense necessitat que aquest arribi fins a les vàlvules que controlen el moviment del cilindre. Han de muntar-se tan a prop del cilindre com sigui possible.

- V selectores de circuit: Són elements que permeten obtenir a la sortida un senyal procedent de dos punts d’entrada diferents. Anomenades funcions O (OR) que compleixen la funció lògica O de dues entrades.

- V de simultaneïtat: Compleixen la funció lògica I (AND). Dues connexions d’entrada i una de sortida. Només s’obtindrà el senyal pneumàtic a la sortida si hi ha pressió a les dues entrades.

3.3. Sensors i Detectores de Senyal

Els sensors i els detectors o captadors de senyal són dispositius encarregats de captar informació en un moment donat i transmetre-la a l’equip pneumàtic.

En un sistema automàtic, són els elements capaços de detectar la posició de cilindres, actuadors o fenòmens del sistema i captar magnituds físiques. Fan la funció d’emissors de senyals.

4. Disseny de Circuits

La fase de disseny de circuits comporta, d’una banda, els càlculs i la definició concreta dels components segons les necessitats del sistema, i la confecció de l’esquema del circuit.

L’objectiu final d’un procés de disseny pneumàtic és l’obtenció d’un esquema que compleixi satisfactòriament les especificacions del sistema.

4.1 Diagrames i Representacions Esquemàtiques

A) Plànol de Situació

Mostra de manera senzilla i esquemàtica els mecanismes i elements motrius que s’utilitzaran, la seva disposició i emplaçament de la màquina. Gran ajuda en sistemes de certa complexitat.

B) Organigrama

Plànol de desenvolupament del programa d’accions, és la representació gràfica d’un problema, de la seva anàlisi i de la seva solució, amb l’ajuda de símbols que representen operacions, dades, òrgans… Estan resumits tots els passos del programa d’accions i les condicions preliminars.

C) Quadre de Seqüència de Moviments

És un quadre en què s’indiquen les diferents etapes dels cilindres o actuadors.

D) Diagrama Espai-Fase

És un diagrama molt utilitzat en circuits seqüencials que mostra els moviments dels actuadors per a cada fase de treball. S’entén per fase el canvi d’estat de qualsevol element operatiu.

E) Diagrama Espai-Temps

És un diagrama per a la representació dels estats dels elements de treball d’acord amb el temps. S’empra en cicles programats.

F) Diagrama de Senyals de Comandament

És un diagrama que va unit al de fase-temps/fase-espai, i que mostra els senyals de comandament que intervenen en el sistema pneumàtic. L’objectiu d’aquest diagrama és detectar els senyals no desitjables en els pilotatges de les vàlvules distribuïdores que accionen els actuadors pneumàtics i que poden donar lloc a un funcionament anòmal.

G) Grafcet (graphe fonctionnel de commande étapes-transitions)

El diagrama funcional és un procediment que permet mostrar gràficament, amb senzillesa i precisió, el cicle de funcionament d’una màquina automatitzada a través d’un cicle seqüencial. És un mitjà de descripció de les especificacions d’un automatisme que exposa l’evolució de cadascuna de les descripcions que formen un cicle complet.

Una etapa representa un estat estable del procés (cilindre en repòs o accionat). Cada etapa ha d’anar precedida d’una transició que ha de complir-se perquè s’executi la següent.

4.2. L’Esquema Pneumàtic

L’esquema pneumàtic ha de reflectir el funcionament general del circuit i el dels diferents elements que el formen (cilindres, vàlvules, captadors…)

5. Aplicacions Pneumàtiques

Hi ha moltes aplicacions com: trepar, fresar, llimar, doblegar, estampar, soldar, embotir, subjectar, reblar, pintar… i als camps de la indústria mecànica, la fusteria o les centrals nuclears.

5.1. Circuits Pneumàtics amb un Actuador

Un únic cilindre d’efecte simple o doble per desplaçar una peça, obrir una porta, premsar una peça, aixecar un objecte o tallar un material.

A) Comandament Directe i Indirecte

Un circuit amb comandament directe d’un cilindre d’efecte simple governat per un distribuïdor 3/2 accionat manualment. Una altra solució, també elemental, seria utilitzar un cilindre de doble efecte comandat directament per una vàlvula distribuïdora 4/2 monoestable pilotada manualment.

Sovint no convé o no es pot governar un cilindre directament, com en el cas anterior, si és molt gran, caldrà una gran força de comandament, perquè el comandament ha d’ocupar poc espai o simplement perquè la solució d’automatització adoptada ho impedeix. La solució passa per comandar el cilindre indirectament a través de microvàlvules, que es munten fàcilment en els panells de comandament.

B) Regulació de la Velocitat

En instal·lacions pneumàtiques, molt sovint és necessari regular la velocitat dels cilindres. El més utilitzat/senzill és mitjançant l’ús d’un regulador de cabal, normalment a la sortida, ja que assoleix un millor control de la velocitat. Es pot realitzar un comandament directe.

C) Comandament Simultani

Hi ha màquines amb una existència de risc elevat d’un accident per part de l’operador, ja que les mans se li poden quedar atrapades en descendir el cilindre. L’operari ha de tenir obligatòriament les dues mans ocupades i apartades de perill. En aquests casos, cal disposar d’un doble comandament per governar el distribuïdor del cilindre. Les dues solucions més viables i senzilles són: mitjançant el muntatge en sèrie de les dues microvàlvules de comandament o incorporar una vàlvula de simultaneïtat.

D) Comandament des de Diferents Punts

Si hem de governar un cilindre des de diferents punts, la solució més simple és utilitzar una o més vàlvules selectores de circuits, que són elements que permeten la sortida d’un senyal pneumàtic quan existeix un senyal en qualsevol de les dues entrades.

E) Accionament Continu d’un Cilindre

Si hem de produir en un dels dos cilindres un moviment continu de vaivé, una oscil·lació pneumàtica.

F) Comandament Temporitzat

Quan hem de retardar un cert temps un senyal pneumàtic de sortida respecte d’un senyal d’entrada. Per això es fa servir el temporitzador, que és un dispositiu dissenyat per retardar un senyal d’acord amb el temps. Permet graduar el temps de resposta dins d’un valor determinat.

Un circuit temporitzat per produir un moviment de vaivé no continu en un cilindre funciona així: en prémer la vàlvula de polsador, el cilindre avançarà fins al final, i transcorregut un cert temps, retrocedirà automàticament fins a la posició inicial.

G) Circuits amb Control de Posició

Fem avançar un cilindre fins a una determinada posició i retrocedeix automàticament en donar un senyal de comandament al sistema.

5.2. Circuits Pneumàtics amb Dos Actuadors

En cas d’una cadena de muntatge en la qual un dels actuadors s’encarrega d’empenyer la base del producte que s’ha de reblar al llarg de la cadena. Quan ja ha passat pels processos de fabricació i transmissió, ens podem trobar un segon actuador al final de la cadena que en retiri el producte o l’incorpori a una altra fase de treball.