Cilindro neumático de elevación en una célula de montaje
En una célula de montaje, un cilindro neumático de doble efecto de Ø32 mm, vástago de Ø12 mm y carrera de 150 mm debe elevar verticalmente un conjunto pinza-pieza de 12 kg a lo largo de una guía cuyo rozamiento se estima en 40 N. La presión de red es de 6 bar y se supone un rendimiento mecánico del 85 %. El ciclo previsto es de 8 maniobras por minuto, 8 h al día y 250 días al año, con una duración de 1 s por movimiento. Se dispone de una electroválvula 5/2 de accionamiento simple y retorno por muelle, con Qn = 120 L/min de aire normal, y de dos válvulas reguladoras de caudal unidireccionales. El circuito debe poder detenerse de forma segura ante una emergencia, dejando el vástago sin presión y sin caída brusca, y el autómata debe conocer las posiciones extremas.
1. Calcula la fuerza teórica y real de avance y de retroceso. Comprueba, con un coeficiente de seguridad de 2, si el cilindro puede elevar la carga.
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Áreas. Pistón: A = π·16² = 804,2 mm². Corona (lado vástago): A′ = π·(16² − 6²) = 691,2 mm².
Fuerzas teóricas (p = 6 bar = 0,6 N/mm²):
- Avance: F = 0,6 · 804,2 = 482,5 N
- Retroceso: F′ = 0,6 · 691,2 = 414,7 N
Fuerzas reales (η = 0,85): 410 N y 352,5 N.
Carga a vencer. Peso 12 · 9,81 = 117,7 N + rozamiento 40 N = 157,7 N. Con coeficiente 2: 315,5 N.
Comprobación. Si la elevación se hace por la corona (vástago hacia arriba, caso habitual), se dispone de 352,5 N frente a 315,5 N exigidos: cumple, pero con un margen escaso (2,24). Si se elevara por el lado del pistón el margen sería mayor (2,6).
Conclusión y matices. El cilindro es válido para 12 kg, pero si la pieza sube a 18 kg la exigencia sería de 2·(176,6 + 40) = 433 N y fallaría en el sentido de retroceso: habría que pasar a Ø40 mm o subir la presión. Además, el cálculo es estático: en la desaceleración se añade la fuerza de inercia y conviene dejar el regulador de escape ajustado.
2. Calcula el consumo de aire normal por ciclo y por año, y valora si la válvula 5/2 de Qn = 120 L/min es suficiente. Estima el coste anual del aire comprimido a 0,02 €/m³(N).
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Volúmenes geométricos por carrera. Avance: 804,2 · 150 = 120 630 mm³ = 0,1206 L. Retroceso: 691,2 · 150 = 103 680 mm³ = 0,1037 L.
Aire normal (multiplicando por la presión absoluta, 6 + 1,013 ≈ 7,013 bar):
- Avance: 0,1206 · 7,013 = 0,846 L(N)
- Retroceso: 0,1037 · 7,013 = 0,727 L(N)
- Total: 1,573 L(N)/ciclo
Consumo anual. 8 ciclos/min · 60 · 8 h = 3840 ciclos/día; · 250 = 960 000 ciclos/año; · 1,573 L = 1,51·10⁶ L = 1510 m³(N)/año.
Coste. 1510 · 0,02 = 30 €/año. Si se añade la energía del compresor (≈0,1 kWh por m³(N)): 151 kWh, unos 23 € más. Es un consumo bajo, pero una fuga en un racor puede duplicarlo, así que conviene revisar la estanqueidad.
Válvula. El caudal punta es el del avance: 0,846 L(N) en 1 s = 50,8 L/min(N). Con Qn = 120 L/min el margen es de 2,4, suficiente, aunque el Qn se declara para una caída de presión concreta; conviene elegirla con Qn ≥ 2 veces el caudal punta para no perder velocidad por estrangulamiento interno.
3. Diseña el circuito neumático (válvula, reguladores, sensores y parada de emergencia) y justifica si la velocidad debe regularse por estrangulación de admisión o de escape.
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Esquema. Red de 6 bar → unidad de mantenimiento (filtro, regulador con manómetro, lubricador si procede) → válvula 3/2 de seguridad con mando neumático y retorno por muelle, normalmente cerrada, que descarga ambas vías al accionar la emergencia → electroválvula 5/2 de simple pilotaje con retorno por muelle → dos válvulas reguladoras de caudal unidireccionales montadas estrangulando el escape → cilindro de doble efecto. Dos detectores magnéticos de final de carrera (o sensores de proximidad) informan al autómata de las posiciones extremas.
Regulación por escape (meter-out). Se estrangula la salida de la cámara que se vacía, de modo que la cámara motriz queda a presión plena: el movimiento es más rígido y estable, y la carga no puede arrastrar al vástago. Con regulación por admisión, en una elevación vertical la carga tiende a caer más rápido que el aire que entra, se pierde el control y aparecen saltos (stick-slip) por la compresibilidad del aire. En un eje vertical, la regulación por escape en el descenso es obligatoria.
Seguridad. Al perder la alimentación, la 5/2 vuelve por muelle y la 3/2 descarga: el vástago queda sin presión. Como la carga es vertical, hay que evitar la caída: válvulas antirretorno pilotadas o un freno mecánico. Si la posición de reposo del muelle fuera la de bajada, se invertiría la conexión o se emplearía una 5/2 biestable con válvula de descarga, comprobando que la posición segura sea la de pinza arriba.