Diagramas maestros de cilindros neumáticos: Guía esencial

Prefacio

Los cilindros neumáticos son las piezas principales de la automatización industrial moderna, que son los elementos clave para el control preciso y fiable del movimiento lineal que se requiere para un funcionamiento eficaz. Los detalles de los diagramas de cilindros neumáticos son los más importantes para los ingenieros, técnicos y entusiastas de los sistemas neumáticos que trabajan con ellos. Esta guía detallada cubrirá el diseño, los principios de funcionamiento, los tipos y las aplicaciones de los diagramas de cilindros neumáticos, con lo que obtendremos un conocimiento completo del mundo de los diagramas de cilindros neumáticos.

¿Qué es un cilindro neumático?

Un cilindro neumático es un aparato mecánico que transforma la energía del aire comprimido en movimiento lineal. Está formado por un cuerpo cilíndrico, un pistón y un vástago que está unido al pistón. El aire comprimido es el que hace que el pistón se desplace a lo largo del eje del cilindro cuando se introduce en él. Este movimiento lineal puede utilizarse para realizar diversas tareas, como empujar, tirar, levantar o controlar el movimiento de otros componentes mecánicos.

Los cilindros neumáticos tienen varias ventajas que no tienen los otros tipos de actuadores. No son tan complicados de construir, son baratos y tienen una elevada relación fuerza/tamaño. Además, los sistemas neumáticos son seguros, ya que el aire comprimido es una fuente de energía limpia y no inflamable.

Los principales puntos que deben tenerse en cuenta a la hora de diseñar o seleccionar un cilindro neumático para una aplicación concreta son los que garantizarán el mejor rendimiento y fiabilidad. Las consideraciones de diseño comprenden la longitud de la carrera, la velocidad, la fuerza, el diámetro del cilindro y la compresibilidad de los gases. Procederemos a examinar detalladamente cada uno de estos factores.

Consideraciones sobre el diseño de un cilindro neumático

Longitud de la carrera

La longitud de carrera es la distancia que recorre el pistón de un extremo a otro del cilindro. Es un factor vital que establece el rango de trabajo del cilindro y el tamaño total del actuador. La longitud de carrera debe especificarse teniendo en cuenta la distancia de recorrido para la aplicación y los límites de espacio dentro del sistema.

Ejemplo 1: En una aplicación de prensa neumática, la longitud de la carrera debe ser suficiente para cubrir el grosor de la pieza que se va a prensar y, al mismo tiempo, debe existir la holgura y la retracción adecuadas del pistón.

Velocidad

La velocidad de un cilindro neumático es la velocidad del pistón en el cilindro. Se ve afectada por factores como el caudal de aire, el tamaño de los aeropuertos y la carga que se mueve. El control de la velocidad es la clave para conseguir movimientos suaves y precisos, sobre todo en aplicaciones en las que los movimientos tienen que ser constantes y repetibles.

Ejemplo 2: En una línea de envasado se utilizan cilindros neumáticos para introducir los productos en las cajas. La velocidad de los cilindros debe controlarse con precisión para asegurarse de que los productos se colocan con exactitud y suavidad, de modo que no se produzcan daños durante el proceso.

Fuerza

La fuerza del cilindro neumático es el producto de la presión del aire y la superficie del émbolo. La elección de un cilindro con la capacidad de fuerza adecuada es la clave para vencer la resistencia de la carga a mover y realizar la tarea de la forma más eficaz.

Ejemplo 3: En una aplicación de sujeción que requiera una sujeción de alta resistencia, se necesitan cilindros neumáticos con una gran fuerza de salida para sujetar la pieza de forma segura durante las operaciones de mecanizado.

Diámetro del cilindro

El diámetro del orificio del cilindro es el factor que influye en la fuerza de salida y en el consumo de aire del cilindro neumático. Cuanto mayor sea el diámetro, mayor será la capacidad de fuerza, pero también el aire comprimido necesario para su funcionamiento. El diámetro correcto del cilindro es el que proporcionará la fuerza necesaria y, al mismo tiempo, podrá llenarse con el suministro de aire disponible.

Ejemplo 4: En un sistema neumático compacto y con un suministro de aire limitado, los cilindros más pequeños pueden ser la mejor opción para ahorrar aire y, al mismo tiempo, proporcionar la fuerza necesaria para la aplicación.

Compresibilidad de los gases

Los gases, entre los que se incluye el aire comprimido, son los fluidos compresibles. Esta compresibilidad influye en el rendimiento de los cilindros neumáticos, especialmente en las áreas de capacidad de respuesta y precisión. En el proceso de diseño de sistemas neumáticos, debe tenerse en cuenta la compresibilidad del aire y su efecto en el rendimiento de los cilindros.

Mecanismos de seguridad

En el caso de las aplicaciones en las que la seguridad es la clave, se integran mecanismos a prueba de fallos en los diseños de los cilindros neumáticos. Estos mecanismos garantizan que el cilindro vuelva a una posición segura en caso de pérdida repentina de presión de aire o de fallo de la alimentación eléctrica. Las opciones de seguridad habituales son los cilindros de retorno por muelle y los cilindros de doble efecto con una posición de seguridad definida.

Piezas de cilindros neumáticos

Los cilindros neumáticos están formados por diferentes piezas que trabajan en equipo para transformar la energía del aire en movimiento lineal. La comprensión de la función y la interacción de estas piezas es vital para la lectura y la interpretación de los diagramas de cilindros neumáticos. Echemos un vistazo más de cerca a cada componente.

Cilindro Barril: La camisa es la estructura principal del cilindro neumático. Es el lugar del pistón y proporciona una superficie cilíndrica y lisa por la que se desliza el pistón.

Pistón: El pistón es una pieza de forma redonda que se mueve hacia adelante y hacia atrás en el cilindro. Está sellado a la pared del cilindro para detener las fugas de aire y garantizar un movimiento suave.

Vástago de pistón: El vástago está conectado al pistón y sale por un extremo del cilindro. Es la fuerza motriz que transporta el movimiento lineal del pistón a la carga o mecanismo exterior.

Junta de vástago: La junta de vástago está situada en el extremo del cilindro por donde sale el vástago. Impide que salga el aire y ayuda a conservar la presión dentro del cilindro.

Tapa final: La tapa es una cubierta desmontable que cierra el extremo del cilindro opuesto al vástago. Suele tener los orificios de entrada y salida del aire comprimido.

Cojines: Los cojines no son piezas necesarias que se utilizan para frenar el pistón al final de su carrera, con lo que se reduce el impacto y se prolonga la vida útil del cilindro.

Puertos: Los puertos de los cilindros neumáticos son los lugares por donde el aire comprimido puede entrar y salir del cilindro. La cantidad y la ubicación de los puertos determinan el tipo de cilindro (simple efecto o doble efecto).

Sellos: En el cilindro se encuentran varias juntas, como juntas tóricas y juntas, para detener las fugas de aire y hacer que el funcionamiento del cilindro sea eficiente.

Banda de desgaste: La banda de desgaste es un manguito reutilizable que se coloca sobre el pistón para disminuir la fricción y el desgaste de la camisa del cilindro.

Tirantes: Los tirantes son varillas roscadas que sujetan firmemente las culatas a la camisa del cilindro. Por lo tanto, son los que mantienen la integridad estructural del conjunto.

Principio de funcionamiento de un cilindro neumático

El principio de funcionamiento de un cilindro neumático es que la energía del aire comprimido se convierte en movimiento lineal. En cuanto el aire pasa por el orificio de entrada al cilindro, presuriza un lado del pistón, generando una fuerza que mueve el pistón en la dirección opuesta. El movimiento del pistón, que luego se transmite al vástago del cilindro, puede utilizarse para muchos fines, como el posicionamiento preciso, el movimiento lineal y la manipulación de materiales.

El caudal de aire que entra y sale del cilindro se gestiona mediante válvulas como las electroválvulas o las válvulas de control de caudal. Estas válvulas se utilizan para controlar la dirección y la velocidad del movimiento del pistón redirigiendo el aire hacia el lado deseado del pistón. El número de puertos y los símbolos de las válvulas en el diagrama del cilindro neumático nos dan información detallada sobre las funciones de las válvulas y la dirección del movimiento del aire comprimido.

El movimiento del pistón, es decir, la distancia que éste recorre dentro del cuerpo del cilindro, puede controlarse variando la cantidad de aire que entra en el cilindro. Para ello se utilizan reguladores de presión, presostatos y otros dispositivos neumáticos. En algunos casos, una pequeña parte de la atmósfera puede inyectarse en el lado opuesto del pistón para crear un efecto amortiguador y minimizar el impacto al final de la carrera.

Tipos de cilindros neumáticos

Existen dos tipos principales de cilindros neumáticos: los cilindros de simple efecto y los cilindros de doble efecto. Cada tipo tiene sus propias características de diseño y funcionamiento.

Cilindro neumático de simple efecto

Los cilindros neumáticos de simple efecto son un tipo de cilindro que utiliza aire comprimido para mover el émbolo en una dirección, que suele ser para extender el vástago. La carrera de retorno se realiza mediante una fuerza externa, como la fuerza opuesta de un muelle, que puede ser un resorte o la gravedad. Se caracterizan por una estructura sencilla y se utilizan sobre todo en aplicaciones en las que la carrera de retorno no es de gran importancia, como el apriete y la estampación.

Principio de funcionamiento

La imagen muestra un cilindro neumático de simple efecto con las diferentes partes etiquetadas, demostrando su funcionamiento.

Aire Suministro y control de válvulas (X) son los más adecuados para la frase dada. Y Aire comprimido se regula mediante un sistema de válvulas que se denomina "X". Esta válvula es la responsable de la entrada de aire en el sistema neumático. Entonces,Entrada de aire (A) El aire comprimido entra en el cilindro a través de la entrada etiquetada como "A", que es el punto en el que la presión del aire comienza a actuar sobre el sistema. En Pistón y vástago (C) El aire comprimido ejerce una fuerza sobre el pistón, que se encuentra en el interior del cilindro, y el pistón (y el vástago) se mueven. El movimiento se dirige hacia el exterior debido a la fuerza ejercida por el aire comprimido.Mecanismo de resorte (B) Frente al pistón se encuentra un muelle denominado "B ". En un cilindro de simple efecto, el muelle es de gran importancia ya que proporciona la fuerza necesaria para empujar el pistón de vuelta a su posición original una vez que se libera la presión del aire. Y después de que el aire haya empujado el pistón hasta su posición completa en la parte de escape o salida, será necesario dejar salir el aire para que el pistón retroceda. En cilindros de simple efectopuede ser a través de la misma entrada o de un orificio de escape independiente. Para operación, X es la válvula que permite la entrada de aire en el cilindro, con lo que el pistón se desplaza hacia el exterior y el muelle (B) se comprime. Cuando el aire se agota o se corta, el muelle empuja hacia atrás, retrayendo así el pistón hacia el interior del cilindro. En manómetros, los manómetros (que se encuentran en el extremo del cilindro) probablemente miden la presión dentro del cilindro para asegurarse de que funciona de forma segura.

Cilindro neumático de doble efecto

Los cilindros neumáticos de doble efecto funcionan con aire comprimido y se utilizan para las carreras de extensión y retracción del pistón. De este modo se consigue un gran control y fuerza en ambas direcciones. Están equipados con dos salidas, que permiten dirigir el aire al cilindro desde el lado izquierdo o el derecho. El principal uso de los cilindros de doble efecto es en los casos de posicionamiento de precisión, velocidad controlada y fuerza constante, por ejemplo, en robótica y equipos de automatización.

Principio de funcionamiento

La figura muestra el principio de funcionamiento del cilindro neumático de doble efecto en esquema operativo.

Funcionamiento de la electroválvula: La electroválvula del diagrama es clave para el control de la presión del aire que entra y sale del cilindro neumático. Este dispositivo cambia las vías de flujo mediante las señales eléctricas que son la razón del movimiento del pistón en el cuerpo del cilindro.

Flujo de aire y funcionamiento del cilindro: En el caso del cilindro neumático, el aire comprimido se dirige a los puertos, lo que permite al operario tener un control total sobre el movimiento de un pistón. El aire puede entrar por cualquiera de los dos lados del cilindro gracias a las funciones de las válvulas de las flechas azul y roja, que empujan el pistón en dirección opuesta.

Carrera del pistón y Movimiento: El movimiento del pistón en el interior de la carcasa del cilindro es accionado por el caudal de aire, determinado por la conmutación de la electroválvula. Este tipo de movimiento es el que se utiliza en aplicaciones como manipulación de materiales y cilindros de prensas.

Regulación de la presión y Seguridad Componentes: Los reguladores de presión, símbolos utilizados en las vías de flujo, mantienen la presión del aire dentro del sistema a un nivel seguro. El presostato es otro componente que se añade al sistema para controlar la presión y garantizar un funcionamiento seguro.

Aplicaciones del cilindro neumático

Los cilindros neumáticos tienen numerosas aplicaciones en diversos sectores gracias a su versatilidad, fiabilidad y rentabilidad. Algunas aplicaciones comunes incluyen:

• Robótica (por ejemplo, agarre, manipulación y posicionamiento de objetos)
• Industria del automóvil (por ejemplo, manejo de dispositivos de sujeción, control de pistolas de soldadura y accionamiento de prensas de estampación).
• Agricultura y ganadería (por ejemplo, sembradoras, cosechadoras y sistemas de riego)
• Construcción y minería (por ejemplo, manejo de excavadoras, control de equipos de perforación y accionamiento de sistemas hidráulicos).

¿Cómo elegir un cilindro neumático?

Seleccionar el cilindro neumático adecuado para una aplicación específica es crucial para garantizar un rendimiento, una fiabilidad y una eficacia óptimos. A la hora de elegir un cilindro neumático deben tenerse en cuenta varios factores clave:

Factor	Descripción
Normas ISO	Asegúrese de que el cilindro cumple las normas ISO pertinentes en materia de intercambiabilidad y compatibilidad con otros componentes.
Longitud de la carrera	Determine la longitud de carrera necesaria en función de los requisitos de movimiento de la aplicación y del espacio disponible.
Velocidad del pistón	Tenga en cuenta la velocidad deseada del pistón y seleccione un cilindro con la capacidad de caudal de aire adecuada.
Entorno operativo	Evalúe las condiciones ambientales (temperatura, humedad, sustancias corrosivas) y elija un cilindro con materiales y juntas adecuados.
Tipo de carga	Evaluar el tipo de carga (estática, dinámica, cargas laterales) y seleccionar un cilindro con el rodamiento y el sistema de guiado adecuados.
Método de montaje	Determine los requisitos de montaje (brida, muñón, horquilla) y elija un cilindro con opciones de montaje compatibles.
Durabilidad	Tenga en cuenta el ciclo de vida útil previsto y el ciclo de trabajo de la aplicación, y seleccione un cilindro con los requisitos de durabilidad y mantenimiento adecuados.

Conclusión

A medida que la industria sigue cambiando, la necesidad de soluciones de automatización mejores y más avanzadas es cada vez mayor, por lo que la tecnología de cilindros sigue evolucionando para responder a estos retos. Las últimas innovaciones y tendencias en el diseño de cilindros incluyen:

El uso de sensores inteligentes en los cilindros permite supervisar, en tiempo real, la posición, la velocidad y la presión, por lo que es posible controlar y predecir el mantenimiento de los cilindros. La nueva tecnología de válvulas y el diseño de los cilindros son los factores que aumentan la eficiencia energética, disminuyen el consumo de aire y las fugas, con el consiguiente ahorro de costes y beneficios medioambientales. Los materiales ligeros como el aluminio y los plásticos técnicos que se utilizan en la estructura del cilindro del actuador reducen el peso total del sistema, aumentando así su eficiencia y potencia. La tecnología IoT se está integrando en los sistemas neumáticos, lo que permite la supervisión remota, el control y el mantenimiento predictivo, por lo que la automatización industrial es cada vez más inteligente y está más conectada.

Gracias a estas mejoras, las industrias podrán alcanzar mayores niveles de eficacia, precisión y productividad en los procesos automatizados.

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Preguntas frecuentes

¿Cuál es el papel de un válvula antirretorno en un sistema neumático que tiene un cilindro?

Una válvula antirretorno en un sistema neumático está diseñada para permitir que el aire fluya sólo en una dirección y evitar que se produzca un reflujo que, de lo contrario, interrumpiría el funcionamiento del sistema. Esto es muy importante para que la presión y el caudal de aire estén equilibrados y sean necesarios para el buen funcionamiento de los cilindros neumáticos, especialmente en sistemas en los que se necesita un control preciso del movimiento.

¿Cuál es la función de un muelle en un cilindro neumático y cómo influye en su rendimiento?

El muelle mecánico del cilindro neumático suele actuar como fuerza contraria al movimiento del émbolo, ya sea devolviendo el émbolo a su posición inicial una vez que se libera la presión del aire o ayudando al movimiento, según la configuración. Actúa como reserva cuando el cilindro no está totalmente retraído debido a una pérdida de presión de aire.

¿Cuál es la función de un depósito de almacenamiento en un sistema neumático que utiliza cilindros?

Respuesta: Un tanque de almacenamiento en un sistema neumático funciona como un depósito de aire comprimido, que se utiliza para regular el caudal y la presión de aire en el sistema para mantener un funcionamiento estable. Esta es la clave para el funcionamiento de los cilindros neumáticos, que es necesario para garantizar que los cilindros neumáticos funcionan sin problemas y de manera eficiente durante los picos de demanda cuando muchos actuadores están en uso.

¿Tienen alguna relación la longitud de un cilindro y la velocidad a la que se retrae en un sistema neumático?

La longitud de un cilindro neumático está directamente relacionada con la velocidad de retracción, ya que, cuando el cilindro es más largo, se necesita más volumen para agotar antes de que el pistón pueda retraerse completamente. Además, la fuerza del muelle interior del cilindro puede influir en la rapidez con la que el pistón vuelve a su posición de reposo.