Cilindro neumático de estampado: dimensionado, seguridad y diagnóstico de un fallo intermitente
En la línea de etiquetado de una planta de Illescas, un cilindro neumático de doble efecto debe presionar el rodillo aplicador de etiquetas con 600 N durante el estampado. La red de aire trabaja a 6 bar de presión relativa y se estima un rendimiento mecánico del 85 % (muelle de retorno y rozamientos). La carrera es de 100 mm y el ciclo completo dura 3 s (20 ciclos por minuto). El vástago mide 12 mm de diámetro. El cilindro se gobierna con una válvula 5/2 de doble solenoide y se detectan las posiciones finales con dos sensores magnéticos (S1 extendido, S2 retraído) cableados a un autómata S7-1200. La célula dispone de cortina de luz en la zona de carga. El compresor existente solo puede aportar 60 NL/min adicionales y el presupuesto de aire está ajustado.
1. Selecciona el diámetro normalizado del émbolo y calcula el consumo de aire. ¿Cabe dentro de los 60 NL/min disponibles?
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Fuerza de avance: F = p·A·η → A = 600/(6·10⁵ × 0,85) = 1,176·10⁻³ m² → d = √(4A/π) = 38,7 mm. Se elige el normalizado de 40 mm.
Comprobación: A = π·0,040²/4 = 1,257·10⁻³ m² → F = 6·10⁵ × 1,257·10⁻³ × 0,85 = 641 N > 600 N. Margen del 7 %, suficiente pero sin exceso; si la presión de red cae a 5 bar la fuerza baja a 534 N y el etiquetado falla, por lo que conviene un presostato o un regulador con manómetro.
Fuerza de retroceso (vástago de 12 mm): A_anular = π/4·(0,040² - 0,012²) = 1,143·10⁻³ m² → F = 6·10⁵ × 1,143·10⁻³ × 0,85 = 583 N.
Consumo: el aire se mide en condiciones normales, multiplicando por la relación de presiones absolutas (7 bar absolutos / 1 bar).
- Avance: V = 1,257·10⁻³ × 0,1 = 1,257·10⁻⁴ m³ → 8,8·10⁻⁴ Nm³.
- Retroceso: V = 1,143·10⁻³ × 0,1 = 1,143·10⁻⁴ m³ → 8,0·10⁻⁴ Nm³.
- Total: 1,68·10⁻³ Nm³/ciclo × 20 ciclos/min = 0,0336 Nm³/min = 33,6 NL/min.
Añadiendo un 15 % por volumen de tubos y purgas, quedan unos 38-39 NL/min, dentro de los 60 NL/min. El cálculo debe repetirse si se cambia a 50 mm de émbolo: el consumo subiría a ~59 NL/min y agotaría el margen. Alternativa mejor: mantener 40 mm y regular la presión a 5 bar durante el estampado, con lo que la fuerza sigue siendo 534 N y el consumo baja.
2. Describe la secuencia de mando en el autómata y explica qué debe ocurrir cuando se interrumpe la cortina de luz. ¿Qué problema añade la válvula 5/2 de doble solenoide?
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Secuencia (GRAFCET de dos estados):
- Etapa 0 (inicial): cilindro retraído, S2 = 1, S1 = 0, piloto de marcha apagado.
- Condición de transición 0→1: pulsador de marcha y S2 y cortina libre y etiqueta presente.
- Etapa 1: activar solenoide Y1 (avance); esperar S1. Al llegar a S1, temporizador de estampado (p. ej. 0,3 s) y después activar Y2 (retroceso); esperar S2 → vuelta a etapa 0.
- El ciclo no debe arrancar si falta cualquiera de las condiciones; el pulsador es momentáneo y el autómata usa detección de flanco, no nivel, para evitar ciclos repetidos.
Cortina de luz: la cortina no debe cablearse al autómata estándar: se lleva a un relé de seguridad (ISO 13849-1, PL d, categoría 3) que corta la alimentación de las electroválvulas y actúa sobre una válvula de escape rápido 3/2 de seguridad, normalmente cerrada, que despresuriza la cámara. La parada debe ser inmediata y con rearranque manual: el autómata debe enterarse del estado por una entrada de realimentación y pasar a etapa 0 sin reanudar solo. Si el riesgo es de aplastamiento por el rodillo, hay que valorar mantener la presión y bloquear el descenso con una válvula de retención pilotada, en lugar de despresurizar y permitir que el rodillo caiga.
Problema del doble solenoide: la válvula memoriza la última posición. Si se corta la alimentación eléctrica o el autómata pasa a STOP, el cilindro se queda donde está y presurizado. Por eso, para una función de seguridad, se requiere válvula de reposición por muelle, válvula de escape o una 5/3 de centro abierto, y comprobar que la posición de reposo es la segura en el análisis de riesgos.
3. El operario reporta que, de forma intermitente, el cilindro no vuelve y el ciclo se detiene porque S2 no se activa en el tiempo previsto. El cilindro parece llegar al final. Plantea las causas probables y cómo las discriminarías.
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Síntomas clave: es intermitente, afecta sobre todo al retroceso y S2 no conmuta, aunque visualmente el vástago parece llegar. Conviene separar el problema neumático (la velocidad de retorno es baja) del problema de detección (no se ve el imán).
1. Detección: el sensor magnético necesita un solape de 5-10 mm con la banda magnética del émbolo. Si se ha desplazado con el tiempo o vibra, detecta solo a veces. Prueba: mover el soporte del sensor y ver si el LED conmuta; comparar con un destornillador o imán externo. También revisar el cable, el conector M8 y la entrada del PLC (24 V, histéresis).
2. Neumática: un silenciador de escape obstruido o un racor de regulación mal ajustado retrasan el retorno y el PLC agota su tiempo. Medir con manómetro en cada puerto y comparar el tiempo de ciclo con el ajustado; si solo falla el retroceso, el sospechoso es el escape del lado del vástago.
3. Fugas internas: junta del émbolo desgastada → fuga y pérdida de velocidad, detectables por consumo de aire creciente y ruido en la purga. Una prueba de estanqueidad con el vástago bloqueado a mitad de carrera lo confirma.
4. Mando eléctrico: bajada de tensión de 24 V al conmutar el solenoide (pico de 5-10 W) puede reiniciar el sensor o provocar un flanco espurio; comprobar con osciloscopio o traza en TIA Portal. Si el autómata ha entrado en STOP, una válvula de doble solenoide mantiene el estado y el cilindro no vuelve: síntoma coherente con un fallo de bus o de alimentación.
Método de discriminación: añadir una traza del PLC con marcas de tiempo de S1, S2, Y1 e Y2; si S2 nunca cambia, es detección; si cambia tarde y el tiempo de retorno es >1,5 s, es neumática; si el ciclo se corta sin patrón horario, revisar la alimentación y el estado del autómata.