Circuitos neumáticos básicos

La neumática se ha utilizado en máquinas automatizadas durante más de 100 años, y la tecnología neumática se ha desarrollado y evolucionado durante más de 1000 años de una forma u otra; por ejemplo, como navega un barco.

Ha habido muchas innovaciones a lo largo de los años y los componentes neumáticos básicos, como válvulas, solenoides, cilindros, mangueras y accesorios, están bien desarrollados y maduros. Estos dispositivos se pueden combinar de muchas maneras para proporcionar un control de la máquina simple y confiable.

Este artículo examina las mejores prácticas de diseño neumático y luego presenta cuatro circuitos neumáticos básicos (Tabla 1) comúnmente utilizados en la automatización de máquinas. Si bien existen muchas variaciones, estos circuitos neumáticos combinan componentes neumáticos básicos para crear circuitos neumáticos funcionales y confiables.

Antes de analizar estos cuatro circuitos neumáticos básicos, es mejor revisar las mejores prácticas para el diseño neumático. Si bien existe una larga lista de posibles problemas neumáticos, como presión de aire baja o variable, uso inadecuado de los controles de flujo, cilindros de aire que golpean al encender y velocidad lenta o inconsistente de los cilindros, seguir buenas prácticas de diseño neumático puede abordar estos y otros problemas. .

Los requisitos previos para implementar las mejores prácticas de diseño neumático son la comprensión de los símbolos de los circuitos neumáticos; tipos de válvulas disponibles, como de 2, 3 y 4 vías; cilindros neumáticos; y componentes neumáticos relacionados, como tubos, mangueras, controles de flujo y dispositivos de preparación de aire.

El punto de partida para un buen diseño neumático es garantizar una presión de aire de suministro adecuada a la planta. Se necesita una presión y un flujo de aire constantes en la planta para que los dispositivos neumáticos funcionen de manera consistente y confiable. La preparación del aire del suministro de la planta en la máquina también es importante y es el primer circuito neumático básico que se analiza a continuación.

Para ayudar a controlar el aire y el movimiento relacionado de los actuadores neumáticos, el cilindro no debe ser demasiado grande, ya que esto puede hacer que se mueva lentamente debido a los requisitos excesivos de flujo de aire. Un cilindro del tamaño adecuado proporciona un uso más eficiente del aire y se mueve a mayor velocidad. Un buen diseño incluirá el uso de controles de flujo para estrangular el aire que sale del cilindro, lo que ralentiza el movimiento del cilindro, lo que generalmente es un resultado deseado. El uso de cilindros con cojines incorporados también ayuda a detener el cilindro al final del recorrido. Tanto el control de flujo como los cojines pueden ayudar a prevenir golpes y posibles daños al cilindro.

Los actuadores que se mueven demasiado rápido pueden causar ruido excesivo, al igual que la salida de aire de las válvulas. El uso de silenciadores en los puertos de escape es una práctica de diseño simple que siempre se debe seguir para atenuar este ruido.

En cuanto al flujo de aire, el primer circuito neumático que se aplica en la mayoría de las máquinas es la preparación del aire. El aire comprimido suministrado por la planta debe prepararse antes de alimentar cualquier otro circuito neumático de una máquina. El circuito de preparación de aire que se muestra en la Figura 1 comienza con una conexión de aire neumática de un solo punto, cuyos componentes comunes se enumeran en la Tabla 2. Estos dispositivos a menudo incluyen un filtro, un regulador y, con menor frecuencia, un lubricador (FRL).

El orden de los dispositivos neumáticos enumerados en la Tabla 2 suele ser el orden en que se ensamblan los dispositivos en una unidad de preparación de aire, pero no siempre. Por ejemplo, algunos diseños requieren una válvula de alivio de cierre manual (VLV01) o una válvula de aislamiento/bloqueo neumática como primer componente conectado al suministro de aire de la planta. Otros creen que debería montarse después de un FRL para garantizar que fluya aire limpio y seco a través de la válvula.

La función de esta válvula es retirar o descargar todo el aire comprimido de la máquina. Liberar el aire girando una válvula manual o una acción de empujar y tirar despresuriza la máquina para mantenimiento y, aunque no se muestra en la Figura 1, esta válvula manual debe poder bloquearse en la posición APAGADO.

El montaje de esta válvula de cierre aguas arriba del FRL permite el mantenimiento del FRL en la máquina. Sin él aguas arriba del FRL, el mantenimiento del filtro sería difícil y podría afectar a otros equipos en el área cuando se vierte aire para su servicio. Las unidades adicionales de preparación y cierre de aire a nivel de planta, área o zona pueden ayudar a proteger la válvula de cierre de la máquina si es necesario.

El filtro FIL01 se utiliza para eliminar partículas y separar la humedad del aire y está montado justo después de la válvula de cierre VLV01. Este filtro tiene un drenaje de líquido, indicado por el triángulo en la parte inferior del símbolo, que puede ser manual, semiautomático o automático. El símbolo no muestra detalles del tipo de recipiente de drenaje, como totalmente metálico o protegido. Un esquema con un dibujo de disposición del panel neumático debe detallar esta información, junto con información adicional, como soportes de montaje.

Aguas abajo del filtro hay un regulador (REG01) o puede ser una parte integral del filtro, lo que se indicaría mediante un cuadro de línea discontinua alrededor del filtro y el regulador. Si bien no se muestra en el diagrama del circuito, es una buena práctica anotar la presión de trabajo de la máquina y la presión máxima permitida. A menudo se coloca una etiqueta fenólica con esta información cerca del regulador.

Siempre se debe incluir un manómetro (GAU01) con un regulador, ya sea integrado o roscado en el puerto de presión, que generalmente se incluye con el regulador. A menudo, se instala un interruptor de presión (no se muestra en la Figura 1) justo después del regulador para monitorear el estado correcto de la presión. La salida de este interruptor suele ser una entrada discreta al controlador de la máquina, como un controlador lógico programable (PLC).

Los reguladores tienen puertos de entrada y salida para garantizar un flujo de aire adecuado, en algunos casos con una función de alivio. La función de alivio reduce el aire de salida cuando el regulador se ajusta a una presión más baja. Esta función también garantiza que se elimine la presión aguas abajo cuando se agota el aire aguas arriba. Los símbolos del regulador (REG01 y REG02) muestran que son del tipo de alivio, indicado por el triángulo en la esquina superior izquierda de cada dispositivo.

El regulador de aire que sale REG01 produce aire limpio, seco y filtrado que luego se divide a través de una conexión en T o un bloque de distribución neumática (no se muestra). Una rama proporciona un suministro de aire lubricado y la otra un suministro no lubricado. El suministro no lubricado alimenta un segundo regulador y luego la válvula de descarga/arranque suave VLV02 operada eléctricamente. Esta válvula normalmente elimina el aire de los dispositivos neumáticos que provocan movimiento, como cilindros y actuadores, por motivos de seguridad. Por lo general, estos dispositivos no necesitan lubricación. Cuando se presiona una parada de emergencia, se corta la energía de la válvula, lo que hace que descargue la presión de aire que causa el movimiento del sistema.

El diagrama del circuito de preparación de aire que se muestra proporciona aire lubricado y no lubricado. La mayoría de los dispositivos neumáticos actuales no necesitan aire lubricado, pero si se necesita lubricación, como en el caso de motores y herramientas neumáticas, se debe ajustar para una lubricación ligera porque demasiado aceite puede obstruir los componentes del sistema neumático.

Se puede utilizar una unidad todo en uno (como la que se muestra en la Figura 2) para la preparación del aire. Combina todos los dispositivos discutidos en la Figura 1, menos el lubricador, en una unidad. Se puede comprar a un proveedor con un único número de pieza, lo que ahorra tiempo de compra, recepción, montaje e instalación. También incluye un indicador de filtro obstruido, un interruptor de presión ajustable con indicadores LED y tamaños de puerto ajustables para adaptarse al caudal necesario para una aplicación.

La automatización para extender y retraer un cilindro de aire es común en muchas máquinas. La Figura 3 muestra un circuito neumático compuesto por una electroválvula de 4 vías (SOL01) que acciona un cilindro de doble efecto (CYL01). El aire filtrado de la unidad de preparación de aire alimenta una válvula solenoide controlada por un PLC.

El símbolo de la válvula solenoide SOL01 indica que es una válvula de retorno por resorte de simple efecto. Esta válvula se activa mediante piloto, indicado por los triángulos a cada lado del símbolo. Estas válvulas piloto son eficientes y utilizan una pequeña cantidad de aire para mover un carrete de válvula grande. Sin embargo, se requiere una cantidad mínima de presión de aire para mover el carrete. Esta presión de aire de funcionamiento mínima se indica en la especificación de la válvula; por lo general, se necesitan alrededor de 20 psi para garantizar que la válvula funcione según lo diseñado.

Como se muestra en el símbolo de SOL01, un resorte en el lado izquierdo empuja el carrete de la válvula hacia la derecha cuando está en su estado de reposo normal (OFF). Con la válvula cerrada, el aire sale del puerto A y fluye a través de un control de flujo ajustable hacia el lado izquierdo del cilindro CYL01, retrayendo el cilindro. Mientras el cilindro se retrae, el aire del lado derecho del cilindro sale a través de un dispositivo de control de flujo. La válvula de retención alrededor del dispositivo de control de flujo ajustable se cierra, forzando el aire a través de la sección de flujo ajustable del dispositivo. Estos ajustes se pueden utilizar para acelerar la velocidad de retracción del cilindro. El aire controlado por flujo luego fluye a través del puerto B de la válvula y luego a través de un silenciador en el puerto S.

Normalmente, una válvula como SOL01 se energiza mediante una salida de PLC de 24 VCC. Esto cambia la válvula, suministrando presión por el puerto B. De manera similar al flujo normal en estado de reposo, este aire fluye libremente a través del control de flujo hacia el lado extendido del cilindro, extendiendo el vástago del cilindro y el émbolo hacia la izquierda. El aire del lado izquierdo del cilindro sale a través del control de flujo. A medida que el aire sale al puerto A de la válvula, se puede controlar el flujo. Luego, el aire fluye a través del puerto A al puerto R, donde se instala un silenciador para reducir el ruido del escape.

Sin necesidad de control externo, la Figura 4 proporciona un ejemplo de circuito de cómo los componentes neumáticos por sí solos se pueden combinar en un diseño bien pensado para realizar ciclos automáticamente simplemente suministrando aire comprimido a las válvulas VLV05, VLV07 y VLV08.

Con aire comprimido suministrado, cuando el solenoide SOL06 se activa con CYL03 físicamente retraído, el sistema comenzará a realizar ciclos, extender y retraer el cilindro CYL03. En esta condición, el aire de suministro fluye a través de VLV08 y SOL06, luego proporciona aire piloto a la válvula de control direccional VLV05. El aire suministrado a través del VLV05 hace que el cilindro se extienda y retraiga (ciclo) de manera similar al cilindro de doble acción en la Figura 3. Para controlar la velocidad del ciclo del cilindro, se utilizan válvulas de control de flujo para ajustar el flujo de aire que sale. el cilindro.

A medida que el cilindro CLY03 se extiende, opera físicamente la válvula de retorno por resorte VLV07 de 3 vías y 2 posiciones. Esta válvula suministra aire piloto al VLV05. El aire piloto cambia la posición del carrete del VLV05, que invierte la dirección del CYL03, retrayéndolo. Con el cilindro retraído, se activa el VLV08, suministrando aire piloto al otro lado del VLV05, lo que hace que el cilindro invierta la dirección y se extienda. El ciclo se repite hasta que se desenergiza SOL06. Una vez desenergizado, el ciclo finaliza una vez que el cilindro se retrae.

Los componentes lógicos neumáticos clave de este circuito son la válvula de 4 vías pilotada por aire (VLV05), que es la válvula de control direccional, y las dos válvulas de 3 vías accionadas por rodillo (VLV07 y VLV08), que hacen el mismo trabajo que Solenos eléctricos para controlar la posición del carrete del VLV05. En lugar de electricidad, el aire piloto controla únicamente el VLV05. Las válvulas VLV07 y VLV08 están configuradas como finales de carrera con brazo mecánico. Se utilizan levas o banderas en el cilindro para accionar las válvulas. Cuando no se activan, las válvulas regresan a su posición normal por resorte.

El circuito neumático de la Figura 5 detalla un sistema de control de seguridad neumático a dos manos para una aplicación de prensa. El circuito combina pulsadores neumáticos VLV01 y VLV02 configurados como válvulas de 3 vías. Estas válvulas alimentan aire piloto a una válvula de 4 vías (VLV03). Este circuito también resalta cómo las válvulas pequeñas (los pulsadores neumáticos) pueden usar aire piloto para operar una válvula grande que controla un cilindro de prensa grande con altos requisitos de flujo de aire. Aunque no se muestran en este circuito, se podrían agregar controles anti-amarre para mejorar aún más la seguridad de este diseño.

Ambos botones neumáticos deben presionarse simultáneamente para hacer pasar el aire piloto en cascada a la válvula de control direccional VLV03. La alimentación de aire de pilotaje conmuta la corredera de la válvula y hace que se extienda el cilindro prensador de doble efecto CYL01. Cuando se suelta cualquiera de los botones, la función de retorno por resorte del VLV03 devuelve el carrete a la posición normal, suministrando aire al lado de retracción del cilindro de prensa.

Si bien solo se debe soltar un botón para retraer el cilindro de la prensa, si cualquiera de los botones neumáticos está atado (mantenido presionado), solo se puede usar un botón para operar (extender) la prensa. Esto no sería seguro. En la mayoría de los sistemas con una fuerza de presión alta, sería necesario agregar sistemas de seguridad adicionales para verificar que ambos botones se hayan soltado después de cada ciclo y que ambos botones se presionen al mismo tiempo, aproximadamente en un cuarto de segundo, antes de suministrar aire piloto. a la válvula de dirección VLV03. También se podrían agregar funciones de control confiable para garantizar que una sola falla no permita que el sistema funcione de manera insegura.

Como se analizó anteriormente, las válvulas de control de flujo unidireccionales estrangulan el aire que sale del cilindro para controlar la velocidad. Si bien en este circuito solo se controla la velocidad de extensión de la prensa, se podría agregar un segundo control de velocidad para controlar la velocidad de retracción.

Una nota importante al controlar el aire que sale del cilindro es que debe haber aire presente para controlar la velocidad. Si todo el aire se agota debido a una parada de emergencia o una fuga de aire inactivo, el cilindro puede moverse muy rápido en el primer ciclo. Para eliminar este problema, a veces se utiliza el flujo de aire que entra en lugar de salir del cilindro para controlar su movimiento.

Las actualizaciones adicionales a este circuito que no se muestran incluyen agregar un regulador de presión para controlar la presión extendida (fuerza) de CYL01. También se podría agregar un interruptor de presión para evitar errores. El interruptor detectaría que se alcanzó la presión mínima de prensa y proporcionaría una señal de fuerza de prensa correcta a un PLC, por ejemplo.

La variedad de circuitos neumáticos es infinita, pero estos cuatro ejemplos de circuitos neumáticos básicos muestran cómo se pueden combinar componentes neumáticos comunes para realizar funciones de automatización útiles. Con un poco de imaginación, los FRL, válvulas, controles de flujo, cilindros, botones, actuadores y otros componentes neumáticos se pueden combinar de diversas formas para satisfacer las necesidades de casi cualquier sistema neumático.

(Tenga en cuenta que el circuito de dos manos descrito y mostrado aquí es un ejemplo funcional básico y no pretende representar un diseño de seguridad de maquinaria. Como ocurre con todos los diseños de equipos relacionados con la seguridad, los diseñadores de dichos sistemas deben revisar y cumplir con los requisitos aplicables como publicado por OSHA, ISO y otras organizaciones).

Este artículo fue escrito por Pat Phillips, gerente de producto, productos mecánicos y de energía fluida, AutomationDirect (Cumming, GA). Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de agosto de 2021 de la revista Motion Design.

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