COMPONENTES ELECTRONEUMATICOS

CAPITULO 5: INSTALACIONES NEUMÁTICAS

5.2.- AUTOMATISMO NEUMÁTICO: DISEÑO COMPLETO

En este primer apartado vamos a diseñar completamente una máquina neumática. Para ello, utilizaremos la sierra automática que se ha presentado en el apartado 4.3 del anterior capítulo.

Nos pondremos en el papel de una empresa de ingeniería que recibe el encargo de diseñar está máquina y en base a unas premisas, suposiciones y condiciones dadas, deberemos dimensionar todos los elementos necesarios relacionados con la parte neumática de la máquina. Este diseño, en realidad se realizaría de manera conjunta con la parte mecánica, así como con el layout de la propia máquina, ya que la distribución de los elementos y el espacio disponible puede influir notablemente en la elección de los componentes [79].

Primero expondré toda la información con la que partimos para realizar el diseño y a partir de aquí, primero iremos calculando cada uno de los actuadores, después elegiremos las válvulas necesarias, el resto de componentes y al final se verá un resumen de elementos, consumos y demás aspectos del diseño (costes,…).

El objetivo fundamental de este diseño consiste en dimensionar y elegir de un fabricante:

- Diseño del circuito neumático (ya realizado en el bloque anterior)

- Elegimos el diseño con válvulas de fin de carrera, por ser el de menos componentes y, por lo tanto, el de menor coste

- Elementos necesarios: Características

• Cilindros,

• válvulas,

• FRL, …

- Consumos de cada uno

- Estimación del coste del sistema neumático

Fig. 5. 2 - Croquis de la sierra automática

5.2.1.- Especificación técnica

En primer lugar se nos presentan unas características generales relacionadas con la instalación y la producción esperada de la sierra automática. Después los detalles correspondientes a cada uno de los actuadores y la secuencia de operación.

Los parámetros principales y simplificaciones de partida para los cálculos serán los siguientes:

- Instalaciones:

• Red neumática disponible: 6 bar

• Layout de la planta y máquina sin problemas de espacio

• Tomas y conexiones disponibles donde fuera necesario

• El acondicionamiento del aire comprimido es el general para una red común.

- Producción:

• Pieza: Aluminio; Densidad: 2,7 kg/dm3; no requiere lubricantes ni taladrinas.

• La pieza de partida tiene una longitud inicial de 1m y se cortará en trozos de 200mm de longitud (se requieren 4 cortes para una serie).

• La sección de la pieza tiene las dimensiones que se muestran a continuación:

Fig. 5. 3 - Sección de la pieza a fabricar

• Tras la expulsión, las piezas se cargan en un paquete con capacidad para 5 piezas

• Cadencia de producción:

- 15 segundos para colocar pieza en posición

- Cada 4 ciclos (cortes), se dispone de 60 segundos para extraer la caja llena y colocar una nueva vacía.

- 1 ciclo (pieza fabricada) cada 15 segundos

- La secuencia de trabajo es como sigue: (del apartado 4.3)

Fig. 5. 4 - Diagrama fase-tiempo para la sierra

- Actuadores:

• Cilindro 1.0: Movimiento de la pieza

- Avance: 200 mm

- Velocidad de avance: 200mm/s

- Coeficiente de fricción dinámico Aluminio – acero: 0,47

• Cilindro 2.0: Sujeción de pieza

- Avance: 100mm

- Fuerza requerida sujeción: 150N (> FHorizontal generada en el corte).

• Cilindro 3.0: Unidad de avance

- Peso cabezal de corte: 30 kg

- Coef. fricción guías: 0,1

- Avance: 200 mm

• Cilindro 4.0: Expulsión de pieza

- Avance: 50mm

Por último, se elige como proveedor de los elementos neumáticos el fabricante SMC (Ver anexo III para más referencias)

5.2.2.- Dimensionado y selección de componentes

Recordemos que de los cuatro diseños que vimos para la sierra, hemos elegido, por la menor cantidad de componentes necesarios, el montaje mediante rodillos escamoteables.

Fig. 5. 5 - Esquema neumático para sierra automática.

Montaje mediante rodillos escamoteables

En muchas ocasiones este montaje no es factible ya que no existe espacio físico disponible para montar las válvulas necesarias en las posiciones adecuadas para que sean actuadas por los cilindros, y hay que acudir al resto de montajes, pero partimos de la premisa que las dimensiones de la máquina no son críticas a la hora de dimensionar y en el layout de la planta disponemos de espacio, con lo que este aspecto queda resuelto y lo obviamos (en cualquier caso, esto pertenecería al diseño mecánico de la máquina, que no se estudiará aquí).

Para tenerlo más a mano, se vuelve a añadir aquí el esquema neumático que utilizaremos.

Como ya sabemos, o podemos presuponer, esta máquina debería disponer de gran cantidad de seguridades (al menos similares a la fresadora que se estudió en el apartado 4.6.1), que vamos a obviar por no ampliar en exceso este apartado ya que no añaden nada de valor desde el punto de vista didáctico.

Antes de pasar a dimensionar los componentes, haremos algunos cálculos que serán de utilidad en distintos apartados, como el peso de la pieza de partida y de cada pieza individual tras el corte:

La sección de la pieza tiene una superficie de:

Y el volumen de esta es:

Con lo que su peso, conociendo la densidad del Aluminio, es:

En aras a facilitar el cálculo, y desde el punto de vista de la seguridad, supondremos 5 Kg de masa y 50 N de peso para nuestra pieza, obteniendo un peso por pieza de 10N (masa de 1Kg).

1) Cilindros neumáticos

• Cilindro 1.0: Movimiento de la pieza

En primer lugar, calculemos la fuerza que necesitamos que realice el cilindro:

En el peor de los casos, para el primer corte, el cilindro debe ser capaz de desplazar la pieza de 5 Kg. Teniendo en cuenta que la superficie por la que desliza la pieza es de acero y el coeficiente de rozamiento estático (mayor que el dinámico, obviamente) entre el Acero y el Aluminio es de 0,47, tenemos que se requiere una fuerza de:

De la tabla 2.4 obtenemos el diámetro necesario de émbolo y vástago. Debemos tener en cuenta que la carrera que necesitamos es de 200 mm, con lo que tenemos (siendo la presión de red 6 bar):

Tabla 5. 1 - Extracto tabla 2.4 – Selección cilindro 1.0

Vemos que para cilindros normalizados, el primero ni puede realizar la fuerza necesaria ni se dispone de la longitud necesaria, con lo que pasamos al segundo, de diámetro de vástago 4 y de émbolo 12.

Con esto, ya tenemos las dimensiones del cilindro, ahora debemos verificar que el cilindro no pandea: de la gráfica de pandeo 2.4, introduciendo los datos vemos que el vástago no pandea; Este resultado es para el cilindro normalizado con la carga máxima: en esta tabla deberíamos entrar con la carga máxima que soporta el cilindro a P=6bar (60N); nosotros lo utilizaremos con cargas del orden de la tercera parte. En cualquier caso, al seleccionar el cilindro del proveedor podremos comprobar la carga crítica de pandeo de la hoja de características.

Ahora nos queda conocer el consumo que tendría el cilindro. Lo podríamos calcular mediante la fórmula 2.9, ya que conocemos todos los valores:

Pero con la tabla 2.6 o la figura 2.6 (para nuestro caso no sirve, queda fuera de la gráfica) obtenemos directamente el consumo del cilindro por unidad de longitud. Con nuestros datos obtenemos que el consumo por cm de carrera es de 0,008L/cm, con lo que nuestro cilindro de 10cm de carrera consumiría 0,08*2=0,16L por ciclo (ida y vuelta)

La velocidad de avance requerida (200mm/s) la regularemos mediante las válvulas reguladoras que seleccionaremos posteriormente. Esta velocidad depende del consumo del cilindro, de la presión de trabajo, del diámetro de los conductos y de las entradas del cilindro.

Con toda esta información podríamos seleccionar el cilindro del proveedor que más se adecúe a nuestras necesidades, teniendo en cuenta otros factores, como son:

- Detección magnética y montaje de los detectores (caso de existir)

- Vástago antigiro

- Tipo de culata trasera

- Amortiguación (caso de existir, elástica o neumática)

- Elementos extra de acero inoxidable (dependiendo del ambiente de trabajo)

Con todo lo cual, nuestra elección quedaría:

Cilindro de doble efecto SMC serie C85 (que cumple la Normativa ISO6432 y CETOP RP52P), sin vástago antigiro (no necesaria para evitar problemas de posicionamiento, ya que el sistema dispondrá de un elemento mecánico que empuje la pieza solo en la carrera de avance, dejándola libre en la de retroceso, para permitir una alimentación semiautomática, que fijará el vástago de manera externa), sin detección magnética, culata trasera normal, diámetro 12mm, carrera 200mm, con amortiguación neumática, sin fuelle y sin necesidades para ambientes corrosivos.

El pedido tendría la nomenclatura siguiente (para el proveedor SMC, ver catálogo del fabricante)

C-85-N12-200-C

Donde cada elemento representa una característica:

- Estándar, sin vástago antigiro (guión tras la C) y sin detección magnética.

- Culata trasera de charnela básica integrada (N)

- Diámetro 12mm y carrera 200mm

- Amortiguación neumática (C)

- Sin vástago,

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