Quando em 2002 na Publindústria lançámos a primeira edição de Automação Pneumática estava perfeitamente consciente da carência de bibliografia, em língua portuguesa, para estudantes e técnicos desta área. O lançamento desta terceira edição, por esgotamento da edição anterior, é a prova inequívoca de que fizemos uma boa aposta editorial. Esta terceira edição foi também uma oportunidade para autores e editor introduzirem melhorias no livro, que reforcem a posição desta obra como instrumento de formação e consulta para estudantes e técnicos de tão importante área de engenharia. Esta melhoria está traduzida numa estruturação didática dos conteúdos, atualização tecnológica e um design assertivo e sóbrio, como o devem ser os manuais técnicos. A sua crescente adoção como bibliografia obrigatória em muitas escolas de engenharia portuguesa e a sua crescente procura no mercado brasileiro, traz responsabilidades acrescidas a autores e editores, numa área da engenharia em acelerado desenvolvimento. A pneumática, a par da eletrónica e da informática, é uma ferramenta incontornável dos processos de automação industrial, com especial relevância para a fiabilidade em ambientes agressivos, como a indústria agroalimentar, indústrias extrativas e aeronáutica. Quero deixar uma palavra de apreço aos engenheiros Adriano Santos e Ferreira da Silva pelo seu trabalho pedagógico e técnico em favor da promoção da Automação Industrial e manifestar-lhe o orgulho da nossa editora em tê-los na nossa carteira de autores. António Malheiro Gestor de Conteúdos da Publindústria

Esta terceira edição retrata, não só o nosso empenho na temática da automação e dos sistemas pneumáticos mas também a enorme responsabilidade que teremos em dar resposta às espectativas que os leitores depositarão nesta nova edição. Naturalmente que aprendemos muito desde novembro de 2002, ano da primeira edição, quer na forma de transmitir os nossos conhecimentos quer na forma que pretendemos chegar a todos os que nutrem interesse pela pneumática e, por isso, esta nova edição, será a continuidade das temáticas apresentadas nas edições anteriores acrescentando, sempre que possível, novos casos e novas abordagem aos sistemas de acionamento e de controlo pneumático. Com esta edição pretendemos dar continuidade ao trabalho desenvolvido, ao longo de vários anos de ensino na área da Automação, cientes de que a escrita desta terceira edição será sempre um processo incompleto e de que será sempre possível fazer mais e melhor. Neste sentido, e agora que se esgotou a segunda edição e se tornou necessário proceder à sua revisão e atualização, os autores julgaram necessário aproveitar esta ocasião para fazer uma revisão que procurou dar resposta a comentários, sugestões e críticas formuladas em relação à edição anterior, por colegas, alunos e técnicos (a quem esta obra é particularmente dirigida). Numa primeira fase do processo de atualização e revisão, procuramos corrigir eventuais gralhas, imprecisões ou erros que ao longo do tempo fomos descobrindo no texto original. Numa segunda fase, procuramos acrescentar conteúdos que tornassem esta terceira edição mais abrangente no que concerne ao tratamento de temas na área da Automação Pneumática. Se na segunda edição nos preocupamos- com a componente de produção de ar e do projeto de redes de ar comprimido ou seja, produção

e tratamento do ar e dimensionamento de cilindros lineares e redes de distribuição de ar comprimido, nesta nova edição a preocupação, recaiu sobre o dimensionamento de ventosas e a geração de vácuo. Na senda das edições anteriores esta nova edição continua com o objetivo de se integrar nos curricula dos vários cursos de engenharia das instituições de ensino superior, cursos técnicos e, também, apresentar-se como uma ferramenta indispensável à formação de técnicos e profissionais de qualidade. Neste sentido, foi nossa preocupação apresentar, sempre que possível, exemplos com vincada aplicação industrial mas também com um reconhecido interesse pedagógico pelo que, os exemplos apresentados ao longo do livro, se tornam de fácil implementação com o recurso a software de simulação. Como incentivo ao fortalecimento da componente prática nesta área, os autores disponibilizam uma série de exercícios resolvidos em www.engebook.com. É intenção dos autores que este livro permita um diálogo aberto com os seus leitores. A indicação dos emails dos autores no final deste prefácio mais não é que um convite à participação do leitor neste processo de diálogo. Julgamos que assim será possível fazerem-nos chegar as sugestões que julguem pertinentes. Será com certeza um processo mutuamente enriquecedor. As duas edições anteriores deste livro foram para os nossos alunos uma referência no estudo de disciplinas desta área. Se de alguma forma, esta nova edição, poder dar aos nossos outros leitores um contributo semelhante, então terão sido cumpridos os seus propósitos. Porto, outubro de 2014 Os Autores Adriano Almeida Santos e António Ferreira da Silva ads@isep.ipp.pt, afs@isep.ipp.pt

Agradecemos ao Departamento de Engenharia Mecânica, do Instituto Superior de Engenharia do Porto, onde nos integramos, a disponibilização dos meios necessários para o desenvolvimento deste trabalho. Aos nossos alunos, com quem tivemos o prazer de trabalhar e que, com as suas críticas e sugestões, constituíram uma fonte de inspiração, a todos os técnicos de manutenção, a que ministramos formação que, com a sua forte componente prática em muito contribuíram, direta ou indiretamente, contribuíram para a realização deste livro. E de um modo geral a todos aqueles que com as suas críticas e incentivos nos ajudaram nesta árdua tarefa. Agradecemos a todas as empresas que autorizaram a utilização das suas imagens e dos seus softwares de simulação. Por último, mas não menos importante, agradecemos à Contrinex por apoiar este projeto editorial e dar-nos o privilégio de ter a sua marca associada a esta obra. Porto, outubro de 2014 Os Autores

1 A PNEUMÁTICA - NOTA HISTÓRICA... 1 1.1 INTRODUÇÃO... 1 1.2 PROPRIEDADES DO AR COMPRIMIDO... 7 1.3 ESTRUTURA DE UM SISTEMA PNEUMÁTICO... 8 2 PRODUÇÃO E TRATAMENTO DE AR COMPRIMIDO... 11 2.1 INTRODUÇÃO... 11 2.2 PRODUÇÃO DE AR COMPRIMIDO... 11 2.3 COMPRESSORES... 13 2.3.1 Compressão dinâmica... 13 2.3.2 Compressão volumétrica... 14 2.4 CLASSIFICAÇÃO DOS COMPRESSORES... 15 2.4.1 Compressores dinâmicos... 16 2.4.1.1 Compressores centrífugos ou radiais... 16 2.4.1.2 Compressores axiais... 18 2.4.2 Compressores volumétricos... 19 2.4.2.1 Compressores alternativos... 19 2.4.3 Compressores rotativos...22 2.4.3.1 Compressor Roots...23 2.4.3.2 Compressor de Palhetas...25 2.4.3.3 Compressor de Anel Líquido...26 2.4.3.4 Compressor de Espiral...28 2.4.3.5 Compressor de Parafuso...30 2.4.3.6 Compressor de Dentes...32 2.5 ACIONAMENTO DOS COMPRESSORES... 33 2.6 TRATAMENTO DE AR COMPRIMIDO... 35 2.6.1 Arrefecedores de ar...36 2.6.1.1 Refrigeração a água...36 2.6.1.2 Refrigeração a ar...38 2.6.2 Reservatórios de ar comprimido...39 2.6.3 Filtros e separadores de água e óleo... 41 2.6.3.1 Filtros de ar comprimido...43

2.6.3.2 Separadores de água/óleo...48 2.6.4 Secadores de ar... 50 2.6.4.1 Secador por refrigeração... 51 2.6.4.2 Secador por adsorção...53 2.6.4.3 Secador por absorçao... 56 2.6.4.4 Secador de membrana... 57 2.6.5 Seleção de compressores... 59 2.6.6 Fugas de ar comprimido... 61 3 DISTRIBUIÇÃO DO AR COMPRIMIDO, DIMENSIONAMENTO DE REDES... 63 3.1 INTRODUÇÃO... 63 3.2 DISTRIBUIÇÃO DE AR COMPRIMIDO... 63 3.3 DIMENSIONAMENTO DE REDES DE DISTRIBUIÇÃO... 64 3.3.1 Estimativa de consumo de ar...64 3.3.2 Dimensionamento da rede principal...68 3.3.3 Dimensionamento das redes secundárias... 75 3.3.4 Dimensionamento das redes de alimentação... 78 3.4 EXERCÍCIOS RESOLVIDOS... 80 4 ATUADORES PNEUMÁTICOS... 95 4.1 INTRODUÇÃO... 95 4.2 ATUADORES LINEARES (CILINDROS)... 95 4.2.1 Cilindro de simples efeito...96 4.2.2 Cilindro de duplo efeito...98 4.2.3 Cilindro de duplo efeito com amortecimento...99 4.2.4 Cilindro de dupla ação, Tandem... 100 4.2.5 Cilindro de duplo efeito de haste passante... 102 4.2.6 Cilindro rotativo de alheta... 103 4.2.7 Cilindro rotativo de báscula... 104 4.2.8 Cilindro sem haste... 105 4.2.9 Cilindro de foles (Bellows)... 106 4.2.10 Cilindro de duplo efeito com bloqueio... 107 4.2.11 Cilindro linear e rotativo... 110 4.2.12 Cilindro de aperto... 111 4.2.13 Pinça Pneumática... 112 4.2.14 Amortecedor hidráulico... 115 4.3 ATUADORES ROTATIVOS (MOTORES)...117 4.3.1 Motor de pistões... 118 4.3.2 Motor de palhetas... 119 4.3.3 Motor de engrenagens... 120 4.3.4 Turbomotores... 121

5 DIMENSIONAMENTO DE ATUADORES PNEUMÁTICOS... 123 5.1 INTRODUÇÃO... 123 5.2 DIMENSIONAMENTO DE ATUADORES LINEARES... 123 5.2.1 Cilindros de duplo efeito... 124 5.2.2 Cilindros de simples efeito... 128 5.2.3 Verificação do diâmetro da haste. Critério de Euler... 131 5.2.4 Dimensionamento ao amortecimento... 133 5.2.5 Consumo de ar necessário à atuação... 135 5.3 ÁBACOS DE DIMENSIONAMENTO DE ATUADORES PNEUMÁTICOS... 137 5.3.1 Cálculo do diâmetro do atuador... 137 5.3.2 Dimensionamento e verificação do diâmetro da haste... 138 6 VÁLVULAS... 141 6.1 INTRODUÇÃO...141 6.2 VÁLVULAS DIRECIONAIS...141 6.2.1 Simbologia das válvulas... 142 6.2.2 Acionamento das válvulas... 145 6.2.3 Características de construção... 147 6.2.4 Válvulas de sede ou de assento... 147 6.2.4.1 Válvulas de sede esférica... 148 6.2.4.2 Válvulas de sede de prato... 149 6.2.5 Válvulas de gaveta... 154 6.2.5.1 Válvulas de gaveta longitudinal... 154 6.2.5.2 Válvulas de gaveta giratória... 156 6.3 VÁLVULAS DE BLOQUEIO... 157 6.3.1 Válvula de retenção... 158 6.3.2 Válvula seletora ou válvula OU... 159 6.3.3 Válvula de simultaneidade ou válvula E... 161 6.3.4 Válvula reguladora de caudal unidirecional... 162 6.4 VÁLVULAS DE PRESSÃO... 165 6.4.1 Válvula reguladora de pressão... 165 6.4.2 Válvula limitadora de pressão... 167 6.4.3 Válvula de sequência... 168 6.5 VÁLVULA DE ESCAPE RÁPIDO... 169 6.6 VÁLVULA DE FECHO (CORTE)...171 6.7 VÁLVULAS DE VÁCUO (GERADORES DE VÁCUO)...171 6.7.1 Ventosas... 174 6.7.2 Dimensionamento de sistemas de vácuo... 175 6.7.2.1 Cálculo do diâmetro de sucção... 176 6.7.2.2 Cálculo da força teórica de retenção da ventosa... 177 6.7.2.3 Cálculo da força de sucção e seleção das ventosas... 180

7 TÉCNICAS DE COMANDO PNEUMÁTICO... 185 7.1 INTRODUÇÃO... 185 7.2 CIRCUITOS PNEUMÁTICOS... 185 7.2.1 Representação de um circuito... 185 7.3 CONVENÇÕES... 187 7.4 CIRCUITOS ELEMENTARES... 190 7.4.1 Cilindro de simples efeito... 190 7.4.2 Cilindro de duplo efeito... 190 7.4.3 Regulação de velocidade em cilindros... 192 7.4.4 Temporização de impulsos pneumáticos... 193 7.5 LÓGICA PNEUMÁTICA... 195 7.5.1 Funções lógicas básicas... 195 7.5.1.1 Função NÃO (NOT)... 195 7.5.1.2 Função E (AND,., )... 196 7.5.1.3 Função OU (OR, +, V)... 197 7.5.2 Obtenção de funções lógicas... 197 7.6 PRINCÍPIOS DE TÉCNICAS DE COMANDO... 200 7.6.1 Implementação de sistemas de automação...200 7.6.2 Generalidades sobre ciclos automáticos... 201 7.6.2.1 Ciclos combinatórios...205 7.6.2.2 Ciclos sequenciais...205 7.7 MÉTODO DE CASCATA... 206 7.7.1 Exemplificação do método...207 7.7.1.1 Circuito com uma memória (2 grupos)...208 7.7.1.2 Circuito com duas memórias (3 grupos)...209 7.7.1.3 Circuito com três memórias (4 grupos)... 211 7.8 MÉTODO DA MATRIZ DE KARNAUGH... 212 7.8.1 Princípios base... 213 7.8.2 Variáveis incompatíveis. Matriz contraída... 219 7.8.3 Implementação de um circuito utilizando 2 memórias...222 7.8.4 Regras de elaboração do Mapa de Karnaugh...223 7.9 ELEMENTOS COMPLEMENTARES DOS CIRCUITOS PNEUMÁTICOS... 224 7.9.1 Comando ON/OFF...225 7.9.2 Comando START/STOP...225 7.9.3 Comando Manual/Automático...226 7.9.4 Contadores...227 7.9.4.1 Paragem ao fim de n ciclos...229 7.10 EXERCÍCIOS RESOLVIDOS... 230 8 TÉCNICAS DE COMANDO ELÉTRICO... 245 8.1 INTRODUÇÃO... 245 8.2 SINAIS... 247

8.3 CRITÉRIOS DE DIFERENCIAÇÃO DO CONTROLO... 247 8.3.1 Controlo analógico... 247 8.3.2 Controlo digital...248 8.3.3 Controlo binário...248 8.4 DIFERENCIAÇÃO DO PROCESSAMENTO DE SINAIS... 248 8.4.1 Comando sincronizado...248 8.4.2 Comando assíncrono...249 8.4.3 Comando por relações lógicas...249 8.4.4 Comando sequencial...249 8.4.5 Comando sequencial controlado por tempo...250 8.4.6 Comando sequencial controlado pelo processo...250 8.5 COMANDO EM CICLO ABERTO... 250 8.6 ELEMENTOS ELÉTRICOS E ELETROPNEUMÁTICOS... 252 8.7 ELEMENTOS DE ENTRADA... 253 8.7.1 Elementos sem retenção (botão de pressão)...255 8.7.1.1 Contacto normalmente aberto...255 8.7.1.2 Contacto normalmente fechado... 256 8.7.1.3 Contacto comutador... 257 8.7.2 Elementos com retenção (interrutor)...259 8.7.3 Detetores eletromecânicos de posição (fins de curso)...260 8.7.4 Detetores de proximidade (sensores)... 261 8.7.4.1 Configurações de saída...263 8.7.4.2 Detetores de proximidade indutivos...263 8.7.4.3 Detetores de proximidade capacitivos...264 8.7.4.4 Detetores de proximidade óticos...264 8.7.4.5 Detetores de proximidade magnéticos...265 8.8 CONVERSORES DE SINAIS ELECROPNEUMÁTICOS... 269 8.8.1 Conversores Eletropneumáticos (E-P)...269 8.8.2 Conversores Pneumáticos/Elétricos (P-E)... 272 8.9 ELEMENTOS ELÉTRICOS DE PROCESSAMENTO DE SINAIS... 273 8.9.1 Relés temporizados... 276 8.9.1.1 Relé temporizado com retardo na abertura... 276 8.9.1.2 Relé temporizado com retardo no fecho...277 8.9.2 Contadores...277 8.10 DESENHO DE CIRCUITOS ELETROPNEUMÁTICOS... 278 8.10.1 Controlo direto e indireto de cilindros...279 8.10.1.1 Controlo direto de cilindros...280 8.10.1.2 Controlo indireto de cilindros... 281 8.10.2 Circuito de autorretenção...282 8.10.2.1 Circuito de autorretenção com ligar dominante...283 8.10.2.2 Circuito de autorretenção com desligar dominante...283 8.11 MÉTODO DA MATRIZ DE KARNAUGH (ELÉTRICO)... 284

8.11.1 Ciclos combinatórios, eletropneumáticos...285 8.11.2 Circuitos sequenciais, eletropneumático...286 8.12 EXERCÍCIOS RESOLVIDOS... 288 9 ANEXOS... 309 ANEXO A ESTIMATIVA DE CONSUMO DE AR PARA OS CILINDROS PNEUMÁTICOS... 309 ANEXO B COMPRIMENTOS EQUIVALENTES EM METROS...310 ANEXO C DIÂMETROS COMERCIAIS DE TUBOS (DIN 2440)...311 ANEXO D DIAGRAMAS DE ENCURVADURA, CRITÉRIO DE EULER...311 ANEXO E TABELAS COMERCIAIS, CILINDROS NORMALIZADOS SMC... 312 ANEXO F TABELAS COMERCIAIS, CILINDROS NORMALIZADOS FESTO...313 ANEXO G FORÇA DE REAÇÃO DA MOLAS CILINDROS SIMPLES EFEITO, SMC...314 ANEXO H SELEÇÃO DO DIÂMETRO, AMORTECIMENTO, SMC...315 ANEXO I TABELA DE VENTOSAS PLANAS PFYN (SCHMALZ)...316 ANEXO J TABELA DE GERADORES DE VÁCUO SCPI (SCHMALZ)...316 ANEXO L DIAGRAMA PRESSÃO - FORÇA, FESTO...317 ANEXO M DIAGRAMA DE ENCURVADURA, FESTO...318 ANEXO N DENSIDADES DOS MATERIAIS...319 ANEXO O FATOR DE SIMULTANEIDADE... 320 ANEXO P SIMBOLOGIA PNEUMÁTICA... 321 BIBLIOGRAFIA... 329 ÍNDICE REMISSIVO... 331