¿Qué es un cilindro neumático? Una guía completa

¿Qué es un cilindro neumático?

El cilindro neumático es un dispositivo mecánico que funciona convirtiendo la energía del aire comprimido en movimiento lineal. Es un tipo de actuador neumático que se acciona por la fuerza del aire a presión y que se utiliza para mover el pistón hacia adelante y hacia atrás dentro de un barril cilíndrico. El cilindro está conectado por un vástago, que se utiliza para cambiar el movimiento lineal en la aplicación o mecanismo necesario.

Los cilindros neumáticos se utilizan ampliamente en diversas industrias, ya que son capaces de realizar muchas tareas que requieren movimiento lineal y fuerza controlados. Están ampliamente implantados en sistemas de automatización industrial, procesos de fabricación, equipos de manipulación de materiales, máquinas de embalaje y otras áreas. Los cilindros neumáticos son sencillos, fiables, económicos y eficientes. Estas características los convierten en una opción adecuada para numerosos entornos industriales en los que se requiere un control preciso del movimiento lineal.

Componentes clave de los cilindros neumáticos

Un cilindro neumático es un dispositivo mecánico muy preciso que tiene varios componentes clave, cada uno de los cuales está diseñado para convertir la energía del aire comprimido en movimiento lineal. Exploremos estos componentes en detalle:

• Cilindro Barril: El cilindro es la parte principal que contiene los componentes internos. Suele estar fabricado con materiales de alta resistencia, como aleaciones de aluminio o acero inoxidable, para que pueda soportar la alta presión creada por el aire comprimido. El interior del cilindro está mecanizado con precisión para producir una trayectoria de guiado suave y de baja fricción, a lo largo de la cual el pistón se desliza linealmente.
• Pistón: El pistón es un elemento en forma de disco que forma las dos cámaras del interior del cilindro. Cuando el aire se comprime y se introduce en una de las cámaras, generará una presión que impulsará al pistón a moverse en línea recta. El diámetro y el área del pistón son los factores que determinan la fuerza que ejerce el cilindro.
• Vástago: El vástago es una robusta pieza cilíndrica que atraviesa el cilindro y está unida al pistón. La función principal del cigüeñal es transformar el movimiento de rotación producido por el movimiento del pistón en un movimiento lineal del mecanismo externo o de la aplicación. En general, los vástagos de pistón se fabrican con acero aleado endurecido o acero inoxidable para que puedan soportar las elevadas cargas y tensiones que se generan.
• Fin Tapas: Las tapas situadas en ambos extremos del cilindro sirven de elementos de estanqueidad y de puertos para la admisión y escape de aire comprimido. Se mecanizan con tolerancias exactas para alojar diversas juntas, cojinetes y componentes de amortiguación. Las culatas suelen estar fabricadas con un material resistente, como una aleación de aluminio o hierro fundido, y se fijan firmemente a la camisa del cilindro mediante tirantes o pernos.
• Tirantes: En la gran mayoría de los diseños de cilindros neumáticos, se utilizan tirantes para sujetar firmemente las culatas y dar al conjunto la resistencia necesaria para soportar altas presiones. Los tirantes se atornillan y corren paralelos a lo largo de la camisa del cilindro. Se aprietan mediante tuercas u otros dispositivos de sujeción, con lo que se consigue una unión fuerte y segura.
• Juntas y cojinetes: El cilindro neumático está equipado con una serie de juntas y cojinetes para mantener al mínimo las fugas de aire y garantizar el buen funcionamiento. Las juntas de pistón que se colocan entre el pistón y el cilindro proporcionan un cierre hermético, mientras que las juntas de vástago ayudan a evitar que el aire se filtre alrededor del vástago. Los cojinetes, normalmente fabricados con materiales de baja fricción como el bronce o compuestos especiales, proporcionan un movimiento lineal suave y minimizan el desgaste del vástago y el cilindro.
• Mecanismos de amortiguación: Al final de la carrera del pistón, los sistemas de amortiguación se ponen en servicio para frenar el movimiento y proteger las culatas del impacto. Pueden ser distintos mecanismos, como cojines neumáticos, amortiguadores o topes elastoméricos, y contribuyen a reducir el ruido y las vibraciones, así como los daños en los componentes del cilindro.
• Sensores de posición: Generalmente, la mayoría de los cilindros neumáticos tienen sistemas de detección de posición, que se realizan con la ayuda de interruptores de láminas o sensores de efecto Hall. Estos sensores se utilizan para detectar la posición lineal del pistón dentro del cilindro. Esta retroalimentación es importante para el control exacto del movimiento y el posicionamiento de los sistemas automatizados.

Al comprender las funciones de los componentes principales y los atributos de diseño, los fabricantes pueden mejorar el rendimiento, la durabilidad y la fiabilidad de los cilindros neumáticos para las aplicaciones industriales y los distintos entornos de funcionamiento.

¿Cómo funciona un cilindro neumático?

Comprender cómo funciona un cilindro neumático es esencial para comprender el funcionamiento básico de estos dispositivos. El principio de funcionamiento de los cilindros neumáticos consiste en que el aire llena el cuerpo del cilindro y luego lo extrae. Existen dos tipos principales de cilindros neumáticos: los de mecanismo simple y los de doble efecto.

Un cilindro neumático de simple efecto se llena de aire comprimido en un extremo de su cuerpo, lo que empuja el pistón y el vástago en una dirección. A continuación, se utiliza un muelle mecánico u otra fuerza para mover el pistón desde su posición inicial hacia atrás. Estos vástagos están pensados para su uso en escenarios en los que la fuerza es sólo unidimensional y en una dirección.

Sin embargo, los cilindros neumáticos de doble efecto también pueden proporcionar un movimiento biaxial suministrando aire comprimido a ambos extremos del cuerpo del cilindro. El aire se comprime en el pistón y el vástago, que se mueven en la misma dirección que el flujo de aire. El aire en el lado del otro es forzado a salir. El pistón se mueve hacia adelante y hacia atrás cambiando el flujo de aire entre los dos extremos. Esta es la tendencia inversa del movimiento anterior.

La longitud de la carrera del cilindro neumático, la velocidad y la fuerza producida vienen determinadas por varios factores. Entre ellos se incluyen el tamaño del orificio del cilindro, el área del pistón, la presión del aire comprimido y la carga que se mueve.

Aplicaciones de los cilindros neumáticos

Los cilindros neumáticos son uno de los componentes más comunes en las industrias por su sencillez, fiabilidad y rentabilidad.

• Automatización industrial: Los cilindros neumáticos, de los que se componen los actuadores, son populares en los procesos de fabricación automatizados, por ejemplo, en procesos de recogida y colocación, manipulación de materiales y líneas de montaje.
• Maquinaria de envasado: Son los principales actores de los equipos de envasado que realizan ejecutando las tareas de posicionamiento, sujeción y sellado.
• Industria del automóvil: Los cilindros neumáticos han encontrado su aplicación en la industria del automóvil en muchas áreas, por ejemplo, sistemas de frenado, sistemas de suspensión y actuadores.
• Industria alimentaria: La principal razón por la que se utilizan cilindros neumáticos en las herramientas de procesamiento y envasado de alimentos es que son limpios y fáciles de manejar.
• Robótica y automatización: Los cilindros neumáticos son una de las herramientas más utilizadas en sistemas robóticos y máquinas de automatización para garantizar un control preciso del movimiento.

Se ha observado que los cilindros neumáticos son lo suficientemente versátiles como para producir movimientos lineales y fuerzas que pueden controlarse. Esto les ha permitido convertirse en parte integrante de todas las industrias y aplicaciones.

Tipos de cilindros neumáticos

Los cilindros neumáticos están disponibles en distintas variedades para satisfacer las necesidades de la aplicación. Algunos de los tipos más comunes son:

Cilindros de simple efecto

Los cilindros de simple efecto están diseñados para moverse sólo en una dirección con la ayuda de aire comprimido. Se utiliza un muelle mecánico o una fuerza externa para empujar el pistón y los vástagos a la posición inicial. Estos cilindros son perfectos para situaciones en las que se requiere una fuerza lineal en una dirección, por ejemplo, operaciones de sujeción, prensado o expulsión.

Cilindros de doble efecto

Un cilindro de doble efecto produce un movimiento lineal bidireccional liberando aire comprimido en ambos extremos del cuerpo del cilindro. El aire comprimido se suministra alternativamente a los extremos delantero y trasero del cilindro, y el pistón y el vástago son empujados en direcciones opuestas. Este diseño presenta dos características principales: mayor capacidad de fuerza, mayor longitud de carrera y control exacto en ambas direcciones.

Cilindros sin vástago

Los cilindros sin vástago, también conocidos como cilindros sin vástago, ofrecen una construcción sin vástago que elimina la necesidad de un vástago saliente. En cambio, el pistón está directamente unido al carro que se coloca sobre el cuerpo del cilindro y soporta la carga. Este diseño reducido permite utilizar los cilindros sin vástago en operaciones con espacio limitado, como la manipulación de materiales o el embalaje.

Cilindros compactos

Los cilindros compactos están formulados para aplicaciones en las que el espacio es la principal preocupación. Los cilindros pueden mantener las capacidades de fuerza y carrera requeridas a la vez que ocupan menos espacio. De ahí que sean la mejor opción para integrarlos en maquinaria que dispone de poco espacio o maquinaria compacta. Los cilindros compactos suelen tener una carrera más corta.

Actuadores rotativos

Aunque en realidad no son cilindros, los actuadores rotativos son dispositivos neumáticos que transforman el movimiento lineal en rotativo. Están formados por un conjunto de pistón, que está unido a un mecanismo de piñón y cremallera o de paletas, convirtiendo el movimiento lineal del pistón en movimiento rotativo. Los actuadores rotativos se utilizan para el accionamiento de válvulas, tareas de posicionamiento y otros casos que exigen un movimiento rotativo controlado.

Cilindros guiados

Los cilindros guiados, también conocidos como cilindros de deslizamiento lineal, tienen componentes de guiado adicionales para proporcionar un movimiento lineal estable y de alta precisión. Estos cilindros tienen un vástago que se apoya en cojinetes lineales o vástagos guía y se evita que se mueva lateralmente o se doble mientras está en funcionamiento. Los cilindros guiados se utilizan mucho en aplicaciones pesadas, de alta precisión o de carrera larga, como maquinaria de precisión, robótica o sistemas de manipulación de materiales. El mecanismo de guía que se ha añadido ayuda a alinear el vástago, reduciendo así el desgaste y aumentando la vida útil del cilindro.

Cilindros telescópicos

Los cilindros telescópicos están pensados para dar longitudes de carrera superiores al espacio retraído. Estos dispositivos constan de varios tubos concéntricos que se extienden telescópicamente al aplicar presión de aire. Los cilindros telescópicos se utilizan con frecuencia en aplicaciones de manipulación de materiales, embalaje o posicionamiento en las que se necesitan carreras largas pero el espacio es limitado.

Aquí hay una tabla clara:

Normas y especificaciones para cilindros neumáticos

Para garantizar la interoperabilidad y un rendimiento constante, los cilindros neumáticos se fabrican utilizando diversas normas y especificaciones industriales. Algunas de las normas más comunes son:

• ISO 6432: De acuerdo con esta norma, se especifican las dimensiones y características de funcionamiento de los cilindros neumáticos de simple vástago con diámetros interiores de 8 mm a 25 mm y presión de trabajo de hasta 10 bar.
• ISO 15552: La norma cubre los cilindros neumáticos con configuraciones de vástago simple y doble, con diámetros interiores comprendidos entre 32 mm y 320 mm y una presión máxima de funcionamiento de 10 bar.
• ISO 21287: Esta norma es aplicable a los cilindros de aire comprimido de vástago único con diámetros interiores de 20 mm a 100 mm y una presión máxima de funcionamiento de 10 bar.

El cumplimiento de estas normas industriales garantiza el mismo nivel de rendimiento, la posibilidad de mezclar piezas de distintos fabricantes y la posibilidad de montar accesorios y periféricos.

Montaje de cilindros neumáticos y accesorios

El montaje correcto de los cilindros y el uso de las herramientas adecuadas son los factores críticos para que los cilindros neumáticos funcionen de forma segura y eficaz. Existen varias opciones de montaje, entre ellas:

Puede elegir fácilmente entre las numerosas opciones de montaje:

• Montaje de tirantes: Este estilo de montaje se consigue mediante varillas de atado que van sobre las tapas de los extremos. Hace que el cilindro quede montado de forma segura en una superficie o pieza de la máquina.
• Montaje con brida: El esquema de fijación de dos puntos de esta configuración se consigue conectando la tapa del extremo a una brida para que el montaje sea seguro y la fuerza se transmita sin problemas.
• Montaje pivotante: Los soportes pivotantes permiten pequeñas desalineaciones o desviaciones de la trayectoria, por lo que disminuyen los esfuerzos de flexión sobre el vástago.

Además de las opciones de montaje, se ofrecen diversos accesorios para mejorar la funcionalidad y el rendimiento de los cilindros neumáticos, como por ejemplo

• Sensores de posición: Los sensores, normalmente interruptores de láminas o sensores de efecto Hall, detectan la posición del pistón dentro del cilindro y, en consecuencia, permiten un control preciso del movimiento.
• Dispositivos de amortiguación: Los dispositivos de desaceleración de la velocidad de los pistones, como cojines neumáticos ajustables, amortiguadores, etc., tienen por objeto reducir el impacto y el ruido de fin de carrera.
• Pinzas neumáticas: Muchos de estos robots están programados para realizar operaciones de recogida y colocación y tareas de manipulación de materiales y, a menudo, estas tareas se combinan con pinzas neumáticas y cilindros neumáticos.

El tipo de montaje y todos los accesorios necesarios, como la instalación, el ajuste y el rendimiento de los cilindros neumáticos en diferentes aplicaciones, son de gran importancia.

¿Cómo elegir los cilindros neumáticos adecuados?

Elegir el cilindro neumático que cumpla a la perfección los requisitos específicos de una aplicación no es tarea fácil, ya que hay que tener en cuenta muchas cuestiones fundamentales para conseguir el mejor rendimiento, fiabilidad y rentabilidad. He aquí algunas consideraciones clave:

• Requisitos de fuerza: Determine la cantidad de fuerza que será necesaria para mover la carga y factores como el peso, la fricción y la aceleración. Por ejemplo, la fuerza necesaria para la aplicación de manipulación de materiales puede depender del peso del objeto que se mueve, del coeficiente de fricción entre el objeto y la superficie y de la aceleración necesaria para mover el objeto con suavidad.
• Longitud de la carrera: Tenga en cuenta la distancia de recorrido lineal de la aplicación y elija un cilindro con la longitud de carrera adecuada. Para el embalaje, la longitud de carrera debe modificarse en función del tamaño del producto o de la distancia entre las distintas estaciones.
• Presión de funcionamiento: Asegúrese de que la presión nominal de funcionamiento del cilindro es la misma que la presión de aire comprimido disponible en el sistema al que se va a conectar. El funcionamiento de la mayoría de los sistemas industriales neumáticos se sitúa en la gama de 6-10 bar (87-145 psi). Por lo tanto, la elección del cilindro que sea compatible con esta presión del sistema es la principal preocupación para obtener el mejor rendimiento.
• Estilo de montaje: Tenga en cuenta el espacio de que dispone y las necesidades de montaje y decida el estilo de montaje que mejor se adapte. Por ejemplo, montaje con tirante, brida o pivote. Los cilindros miniaturizados o sin vástago con montaje de brida pueden ser preferibles en espacios reducidos, y los montajes de pivote también están disponibles para aplicaciones que tienen una ligera desalineación.
• Medio ambiente Condiciones: Determine las condiciones de funcionamiento, incluyendo temperatura, humedad y posibles contaminantes, para elegir los cilindros que tengan los materiales y revestimientos adecuados. En entornos severos, pueden ser necesarios cilindros de acero inoxidable o cilindros con revestimientos especiales para evitar la corrosión o el desgaste prematuro.
• Velocidad y precisión de posicionamiento: Identifique los requisitos de velocidad y precisión de posicionamiento para la aplicación en cuestión, ya que esto determinará el tamaño del cilindro, los mecanismos de amortiguación y los sensores de posición. Las aplicaciones con alta velocidad o las que requieren una posición fija pueden necesitar un tamaño de cilindro mayor, amortiguación ajustable y sensores de retroalimentación para la posición.
• Normas del sector y Compatibilidad: Es necesario verificar que el cilindro elegido cumple las normas del sector y es compatible con los equipos, accesorios y componentes de montaje existentes. Se utilizan normas comunes como ISO 6432, ISO 15552 e ISO 21287 que garantizan la interoperabilidad y la sencillez de integración.

Teniendo en cuenta estos factores y consultando a profesionales o fabricantes de cilindros neumáticos, podrá seleccionar el cilindro neumático más adecuado para su caso particular, que le garantizará la máxima eficacia, fiabilidad y rentabilidad.

Conclusión

En la era actual de los sistemas industriales y de fabricación automatizados, los cilindros neumáticos son los componentes fundamentales que ayudan a convertir el aire comprimido en movimiento lineal con gran precisión y menor coste. La guía explica los principios básicos, los componentes principales, los distintos tipos y las características de los cilindros neumáticos que deben tenerse en cuenta a la hora de elegirlos y utilizarlos en distintas aplicaciones. Los ingenieros y profesionales pueden aprovechar estas herramientas polifacéticas no sólo para mejorar la eficiencia y la productividad, sino también para crear nuevas innovaciones en sus respectivos campos de trabajo.

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Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre cilindros neumáticos y cilindros hidráulicos?

El cilindro neumático utiliza aire comprimido para generar fuerza y movimiento, mientras que el cilindro hidráulico se basa en fluido a presión. En general, los cilindros neumáticos son ligeros, limpios y, por tanto, más adecuados para aplicaciones que requieren menos fuerza, por ejemplo, embalaje o manipulación de materiales. Los cilindros hidráulicos, sin embargo, son capaces de producir más fuerza y suelen emplearse en aplicaciones de trabajo pesado, como en equipos de construcción o prensas industriales.

¿En qué se diferencia un cilindro neumático de simple vástago de un cilindro de doble vástago (vástago pasante)?

En un cilindro neumático (de aire) de simple efecto, el vástago está unido a un lado del pistón, mientras que en un cilindro de doble efecto (vástago pasante), el vástago se extiende desde ambos lados del pistón. Los vástagos de los cilindros de doble vástago son capaces de ejercer la misma fuerza y velocidad tanto en la carrera de extensión como en la de retroceso, ya que la superficie del vástago se considera tanto en el lado lejano como en el lado cercano del pistón.

¿Para qué sirven los topes o amortiguadores de goma en los cilindros neumáticos?

Los topes de goma o mecanismos de amortiguación se utilizan para ralentizar el movimiento del pistón al final de su carrera, reduciendo así el impacto y manteniendo el pistón y los componentes del cilindro a salvo de daños. La amortiguación se utiliza para reducir el ruido, la vibración y el rebote del pistón, consiguiendo así su funcionamiento suave y controlado.

¿Qué son las normas ISO para cilindros neumáticos y por qué son importantes?

Las normas ISO, como ISO 6432, ISO 15552 e ISO 21287, son las que describen las dimensiones, características de rendimiento y especificaciones de montaje de los cilindros neumáticos. El mantenimiento de estas normas garantiza la existencia de una base común para la intercambiabilidad, la compatibilidad de los accesorios de montaje y la integración sin problemas del dispositivo con otros componentes de distintos fabricantes.

¿Qué factores deben tenerse en cuenta al seleccionar las dimensiones de montaje de un cilindro neumático?

Los factores que hay que tener en cuenta al elegir las dimensiones de montaje son las limitaciones de espacio disponibles, la longitud de carrera requerida, la fuerza y estabilidad necesarias y la compatibilidad con los accesorios de montaje o máquinas herramienta existentes. Para que el cilindro neumático funcione de forma correcta y fiable, es necesario que el montaje se realice correctamente.

¿Cómo afecta a su rendimiento la fuerza opuesta del muelle en los cilindros de simple efecto?

En los cilindros neumáticos de simple efecto, la fuerza del muelle en el lado opuesto actúa contra la fuerza producida por el aire comprimido durante la carrera de extensión. Esto conduce a una menor fuerza de salida en el vástago empujador en comparación con la carrera de retracción, en la que la fuerza del muelle ayuda en el movimiento. Por otra parte, la longitud de la carrera está limitada por la longitud del muelle comprimido.