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• Jose Daniel Alarcon Callizaya

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Métodos de diseño de circuitos neumáticos Miriam Elizabeth Munguía Quiroz Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica ..., Universidad de Colima … Ingeniería en Mecatrónica [email protected]

Resumen- mediante este documento se analizarán los distintos métodos de diseño de circuitos neumáticos que se pueden plantear en algunas problemáticas.

INTRODUCCIÓN La neumática es la parte de la tecnología que emplea el aire comprimido para realizar un trabajo. Gran parte de la industria hace uso de esta puesto que es de mayor utilidad emplearlo. Los circuitos neumáticos son aquellos que se encargan de transmitir, generar y transformar fuerzas y movimientos por medio del aire comprimido. Un circuito neumático se compone por los siguientes elementos: generador de aire (compresor), tuberías y conductos, actuadores, elementos de control como las válvulas. Dentro del diseño de los circuitos existen dos formas de controlarlos: Control directo e indirecto. En el primero, el pistón esta controlado directamente por la válvula en el cual existen pérdidas de presión debidas a que la válvula tiene un consumo de aire, lo que ocasiona que el cilindro salga con menor presión a la suministrada inicialmente. Y en el segundo, se utiliza una válvula cuyos accionamientos son neumáticos, lo que nos permite controlar la presión y con esto hay mayor exactitud y el vástago del cilindro sale a la presión deseada

Dispositivos, finales de carrera o válvulas distribuidoras asociadas: a0=posición retraída del pistón confirmada en el cilindro A. a1=posición extendida del pistón confirmada en el cilindro A. b0=posición retraída del pistón confirmada en el cilindro B. b1=posición extendida del pistón confirmada en el cilindro B. En el caso de circuitos simple se usa también la nomenclatura: a- = posición retraída del pistón confirmada en el cilindro A. a+=posición extendida del pistón confirmada en el cilindro A. b- = posición retraída del pistón confirmada en el cilindro B. b+=posición extendida del pistón confirmada en el cilindro B. Ejemplo: Considere el siguiente circuito marcado. El cilindro A es accionado por la válvula distribuidora (4/2) con señales pilota a1 (o a+) (extiende el pistón) y a0 (a-) (retrae el pistón), mientras que el cilindro B es actuado de forma análoga por la válvula distribuidora (4/2), mediante las señales piloto b1 (b+) y b0 (b-).

MÉTODOS DEL DISEÑO DE CIRCUITOS NEUMÁTICOS

El diseño de circuitos neumáticos e hidráulicos requieren de métodos que faciliten su implementación. Los pasos generales para la modelación son: 1. Definir las funciones necesarias y requisitos a cumplir 2. Analizar los componentes requeridos para realizar las funciones. 3. Sistema de control de los actuadores (válvulas distribuidoras, reguladoras de caudal, de bloqueo y reguladoras de presión y elementos de control). 4. Forma de conexión entre los cilindros y las válvulas (racores, tubos flexibles y rígidos, silenciadores, transmisión de energía, roscas, etc.). 5. Generación de aire comprimido / Presión presión hidráulica y las unidades de mantenimiento, filtros, secadores, lubricadores, reguladores de presión, etc. 6. Secuencias de los movimientos y transmisión de las señales. Las herramientas de modelación de circuitos de diseño tienen su utilidad en la optimización de componentes, rendimiento y funcionalidad para obtener mejores costos, prever situaciones a manejar, planear mantenimientos y crecimientos futuros, entre otros. Diagrama de movimientos Los movimientos de los actuadores u órganos motrices se representan con más detalle en estos diagramas. Estos movimientos pueden reflejarse en función de la fase de trabajo para los circuitos secuenciales y en función del tiempo para los circuitos programables. Esto se traduce en dos diagramas Espacio-fase y Espacio-tiempo Para representarlos, la norma ISO 1219-2 indica que para circuitos complejos o los que se requieran varias páginas de representación, se use la siguiente identificación: Cilindros: A, B, C, etc.

Img. 1. Circuito de ejemplo. Descripción. En la operación de marcado el cilindro A desplaza verticalmente la matriz de marcado hacia la pieza que está sujeta por el cilindro B, mediante una mordaza neumática. La secuencia de operación es: 1 – Cerrar mordaza neumática para sujetar la pieza. B1 (o B+) (Vástago cilindro B sale fuera) 2 – Baja matriz de marcado. A1 (o A+) (Vástago del cilindro A sale fuera) 3 – Subir matriz de marcado. A1 (o A+) (el vástago del cilindro A entra) 4 – Abrir mordaza neumática. B0 o B- (el vástago del cilindro B entra). Es decir, el ciclo es: B+ A+ A- B- y está representado en la figura siguiente. Considerando que la pendiente positiva indica avance del mecanismo, la negativa retroceso y la horizontal señala que el mecanismo no se mueve.

En los circuitos de mando, las válvulas distribuidoras de dos posiciones reciben señales de pilotaje que las sitúan en una posición o la otra para así accionar los cilindros con el vástago saliendo o retrayéndose. El diagrama de mando de la figura siguiente representa el estado de conmutación de las válvulas distribuidoras visualizando los instantes en que llega la señal de pilotaje a cada lado de la válvula.

Grafico 1. Muestra de la secuencia del ejemplo, diagrama espacion-fase. El diagrama espacio fase es adecuado para representar ciclos secuenciales en los que el tiempo no interviene o no tiene prácticamente importancia. El diagrama Espacio-tiempo aplica el tiempo (t) a escala, representando las uniones entre las distintas actividades de la secuencia. Es de utilidad cuando la secuencia de varios cilindros o actuadores es no determinística.

Gráfico 2. Diagrama espacio-tiempo. Método Intuitivo Definido por las siguientes características:  Se basa en la experiencia.  Reutiliza configuraciones ya probadas.  Permite una total libertad de diseño.  Suele conducir a diseños optimizados.  Aplicado en circuitos sencillos Los pasos por seguir para este método son los siguientes:  Enunciado del problema. Frases claras y concisas para evitar confusión al momento de resolver las problemáticas presentadas.  Elección de receptores. Tener presente el tipo de actuador o receptor con el cual se trabaja.  Elección de válvulas distribuidoras. Según el cilindro elegir las válvulas que serán de utilizadas para el circuito.  Conexión interna de válvula distribuidora.  Órdenes de salida y entrada del vástago  Temporizadores  Detectores de posición  Regulación de velocidad  Alimentación de aire comprimido  Comprobación del funcionamiento  Adición de funciones al circuito

Img 2. Circuito de mando con su representación en las fases. De este modo, se evita el error de la presencia de señal neumática en un lado de la válvula cuando se requiere pilotearla por el otro lado y se comprueba que no hay señales permanentes. Este diagrama ayuda al diseñador a trabajar de forma intuitiva en el desarrollo del circuito con la precaución de asegurarse de que no existen señales permanentes que entren en conflicto con las señales de mando. En el diagrama de mando, puede verse que la secuencia (A+ B+ A- B-) puede realizarse de manera intuitiva sin problemas ya que no existen señales permanentes. En cambio, la secuencia (C- B+ C+ B-) tiene el problema de que estando el cilindro C piloteado en sentido c0 (o C-), le llega a señal de pilotaje c1 (c+). Ejemplo. En la siguiente figura se muestra un circuito de lazo cerrado con la secuencia (A+ B+ C+ A- B- C-) en

el que se suministra aire al piloto a1 (A+) de la válvula distribuidora VA, se extiende el vástago del cilindro A a la posición a1 (A+), la válvula final de carrera a1 (A+) entrega aire a la válvula distribuidora B y así sucesivamente. Img 3. Circuito de mando. El circuito funciona correctamente en el mismo orden que se excitan. En caso contrario, puede ocurrir que el aire

de la válvula actuara en ambos lados y la secuencia quedaría interrumpida. Método de cascada Es utilizado para diseñar circuitos neumáticos o electroneumáticos de una forma metódica y eliminar con ello las condiciones de bloqueo que se presentan en el diagrama de funcionamiento, y que se producen cuando es necesario ordenar el movimiento del vástago de un cilindro mientras todavía persiste la orden del movimiento opuesto del mismo cilindro. Es un método no intuitivo de desarrollar circuitos neumáticos a partir de una secuencia dada. El método consiste en separar la secuencia en grupos donde, no se repita ninguna letra de la secuencia, con el fin de utilizar el menor número de válvulas de alimentación y tener un orden estructurado al desarrollar dicho circuito.es nombrada así debido a que sus válvulas de presión (4/2 o 5/2) se conectan en serie. PROCEDIMENTO: 1. Identificación de elementos de trabajo. Se identifican de una manera ordenada los elementos de trabajo que tienen movimiento (cilindros y motores) con letras mayúsculas, iniciando la relación por la letra A y siguiendo con las demás B, C, etc. 2. Identificación de los movimientos de los elementos de trabajo. Se realiza el diagrama espacio-fase para los movimientos de los elementos de trabajo tomando como referencia su posición inicial o de reposo y teniendo en cuenta lo siguiente: Cilindros: si su vástago sale se identifica con el signo más (+), por ejemplo, 1A+, mientras que si su vástago entra se identifica con el signo (-), por ejemplo 1A-. Motores: La identificación de los motores se realiza según su giro, de forma que si su eje gira en sentido horario se identifica con el signo más (+), por ejemplo, 2A+, y si su eje gira en sentido antihorario se identifica con el signo menos (-), por ejemplo 2A-. 3. Relación fase secuencia. A partir del diagrama espacio-fase se hace una relación escrita de los movimientos a la que se designa relación fasesecuencia. 4. Formación de grupos. Se forma el primer grupo de la relación fase-secuencia de izquierda a derecha y antes de que aparezca una identificación del mismo cilindro repetida se coloca una línea vertical o inclinada la cual indica un cambio de grupo. Los grupos se nombran con numeración arábiga. 5. Válvulas conmutadoras. El número de válvulas conmutadoras es igual al número de grupos menos uno. El tipo de válvula puede ser 4/2 o 5/2 vías de accionamiento neumático. 6. Formación de las líneas de presión horizontales y conexión a las válvulas conmutadoras. Se representan líneas horizontales de presión según el número de grupos formados, luego se identifican con los números arábigos al igual que los grupos. 7. Conectar captadores. Se debe conectar la línea de presión de los captadores a las líneas horizontales de presión según corresponda. Los puertos 2 de los captadores se deben conectar de la siguiente forma:

Conectar los puertos 2 de los captadores para realizar los movimientos al interior del grupo con las válvulas de potencia. Conectar los puertos 2 de los captadores para realizar los cambios de grupo con la válvula conmutadora. 8. Conectar válvulas de potencia. Las válvulas de potencia se deben conectar con sus pilotajes de la siguiente manera. Se debe conectar la válvula de inicio, al piloto de la válvula de potencia correspondiente para iniciar el ciclo Se debe conectar las conexiones faltantes de los pilotos de las válvulas de potencia a las líneas horizontales de presión según el grupo a que correspondan. Es un sistema sencillo para la resolución de circuitos neumáticos secuenciales, en los cuales, se repitan estados neumáticos. El método consta de una serie de pasos que deben seguirse sistemáticamente: Definir la secuencia. Determinar los grupos. Colocar tantas líneas de presión como grupos hay en la secuencia y tantas válvulas distribuidoras de línea, como grupos menos uno. Ejemplo. Dibujar los actuadores y captadores de señal

Escribir la secuencia del ciclo: Ec(1). Formar grupos: en el grupo no deben coincidir las letras

Ec(2). Indicar los captadores de señal que accionan:

Ec (3). Las válvulas neumáticas con doble pilotaje son biestables  memoria N.º memorias = N.º grupos – 1 Ec (4). Conectar las señales a un grupo y la de los demás grupos a escape (I)

Img 4. Agrupación de los elementos. Conectar las señales a un grupo y la de los demás grupos a escape (II)

Método paso a paso Este método presenta una mayor rapidez de mando ya que las válvulas se conectan en paralelo, alimentándose directamente de la red. Sin embargo, frente al método de cascada presenta el inconveniente que, para el mismo número de salidas, el método paso a paso necesita una válvula de memoria más, una por cada línea de salida que necesitemos. Además, no puede utilizarse cuando el número de salidas sea dos (ya que cada salida debe borrar la anterior, no podría activarse). Se trata de diseñar el circuito de mando de modo que cada fase de la secuencia disponga de su propia salida. La mayor ventaja es que se puede modificar la secuencia sin tener que modificar el mando. El inconveniente es que precisaremos más válvulas de memoria, una por cada movimiento de la secuencia. Los pasos por seguir: 

Img 5. Agrupación por señal. Alimentación de las micro válvulas de forma progresiva (I) (con presión del grupo anterior).

Img 6. Alimentación de válvulas.

Img 7. Final diseño.

Escribir correctamente la secuencia y dividirla en tantos grupos como fases tenga.  En la posición inicial, todas las salidas del dispositivo de mando estarán anuladas, excepto la última, que se deberá estar activa.  La activación de cada salida se realizará tomando la alimentación de los finales de carrera de la salida anterior.  Los cilindros y distribuidores que los gobiernan se alimentarán directamente de la red, nunca de las salidas de los dispositivos de mando.  Los finales de carrera conviene que se alimenten directamente de la red y serán las entradas del dispositivo de mando.  El último final de carrera se montará en simultaneidad con las condiciones de mando, para garantizar que una nueva secuencia no comienza sin haber finalizado la anterior. Se puede realizar de dos formas: paso a paso máximo y paso a paso mínimo, la única diferencia es el número de grupos en una secuencia. Para el paso a paso máximo elegimos tantos grupos como fases tiene la secuencia; mientras que en el paso a paso mínimo los grupos se escogen de forma que sean el menor nº posible; este último método será el que utilizaremos pues utiliza menos componentes y consecuentemente es más barato. Ejemplo. 1- Para la secuencia A+B+B-C+C-A-, se divide la secuencia en grupos de forma que en ninguno de ellos se repita ninguna letra, por ejemplo: /A+B+/BC+/C-A-/ 2- Una vez dividida la secuencia en grupos, se empieza el esquema del circuito dibujando los cilindros en la posición que corresponde al comienzo del ciclo. 3- Cada cilindro estará controlado por una válvula 4/2 o 5/2 de accionamiento neumático. 4- Dibujar debajo de estas válvulas distribuidoras, tantas líneas horizontales (líneas de presión) como grupos haya en la secuencia y numerarlas con números romanos: I, II, III, IV 5- Debajo de las líneas de presión se dibujan las memorias (válvulas 3/2 de accionamiento neumático), cada una de ellas alimenta a una línea.

6- Con el fin de tener una única línea con presión en cada momento, la etapa anterior es siempre de vuelta a su posición inicial (sin presión) por la etapa siguiente, por lo que cada memoria estará pilotada por la derecha desde la línea siguiente a la que alimenta, y por la izquierda desde el último final de carrera del grupo anterior. 7- En la posición de partida están borradas (cerradas ) todas las memorias con excepción de la última que debe estar activada. 8- Los finales de carrera se alimentan de la línea de presión a la que pertenecen, salvo el último década grupo que se alimenta directamente de la fuente de presión, ya que es el encargado de cambiar la línea de presión activa. 9- Dentro de cada grupo, cada final de carrera pilota el siguiente movimiento de la secuencia: Ec(5) El último final de carrera de cada grupo activa la memoria del grupo siguiente dando presión a la línea correspondiente que, a su vez, pilota el primer movimiento del siguiente grupo:

Ec (6)

Imagen 7. Secuencia presentada en el ejemplo. Conclusión Mediante este reporte aprendí que existen distintos tipos de métodos de diseño de circuitos neumáticos los cuales destacan el intuitivo, el de cascada y el de paso a paso. En el primero, se vio que a través de este no hay serie de pasos que nos ayuden a resolverlos es más bien empírico y se basa en la experiencia. En de cascada, se ve que se deben agrupar y resolver por medio de una ecuación, al igual que el método e de paso a paso. La diferencia entre los dos últimos es que en el de cascada usa válvulas 4/2 o 5/2 tiene N.º grupos < 5 y están en serie mientras que en el otro, hay N grupos > 2, están en paralelo y son 3/2 vías. No aplique ningún elemento de numeración, pie o encabezado de página. Estos elementos se añadirán en el proceso final de confección de las actas. Por favor, deje la numeración tal como está en el documento modelo. Referencias [1]. Personales.unican.es. (2019). [online] Available at: https://personales.unican.es/ortizff/NPdf/T18%20Dise %C3%B1o%20Ctos.pdf [Accessed 15 oct. 2019].

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