5ª aula Composição do Circuito Pneumático e Atuadores 1
1) Elementos de trabalho são os executores das tarefas automatizadas. Cabe aos elementos de trabalho executar as tarefas que o circuito lógico determinar. Basicamente os elementos de trabalho são atuadores lineares ou angulares e motores. Os elementos de trabalho atuam transformando energia pneumática em mecânica. 2) Elementos de Influência são componentes que influenciam o funcionamento dos elementos de trabalho. Fundamentalmente, essa influência ocorre de três formas: acelerando, desacelerando ou bloqueando o funcionamento do atuador. 3) Elementos de Comando são os elementos que, como o próprio nome afirma, comandam as ações dos elementos de trabalho. Nos circuitos pneumáticos este grupo é fundamentalmente constituído por válvulas direcionais. Sua função principal é fazer com que o elemento de trabalho cumpra a tarefa estabelecida para o resultado desejado no projeto de automação. 4) Elementos de Processamento de Sinal são os chamados elementos lógicos do circuito. É nessa camada que o sistema pensa e decide as ações a serem tomadas para que nada ocorra de errado no momento em que o sistema estiver operando. Na verdade, o sistema pensa da maneira que o projetista o programou para pensar, portanto, caso haja erros lógicos na elaboração do projeto, estes inevitavelmente aparecerão na operação do sistema. Este grupo de elementos é constituído pelas chamadas portas lógicas do tipo E ; OU, NÃO, NÃO E ; NÃO OU e outras. 5) Elementos Emissores de Sinal são os elementos que enviam as informações para os processadores poderem pensar e mandar os elementos de comando atuarem. São, normalmente, válvulas direcionais que ao enviarem o sinal para os elementos de processamento, põem em marcha o processo automatizado, cumprindo o ciclo básico da automação, conforme figura abaixo: SENSOR PROCESSADOR ATUADOR 6) Elementos de Geração e Preparação de Ar são os elementos que geram e condicionam o ar comprimido para a sua utilização de forma eficiente e produtiva. Fazem parte deste grupo todos os elementos abordados até o momento: compressor, reservatório, secador e conjunto de preparação de ar composto por filtro, regulador e lubrificador. Este conjunto é conhecido comercialmente por Unidade de Conservação ou Lubrefil. 2
1º GRUPO: ELEMENTOS de TRABALHO 1. Cilindro de Simples Ação 2. Cilindro de Dupla Ação 3. Cilindro de Dupla Ação com Amortecimento 4. Cilindro com Êmbolo Magnético 5. Cilindro com Haste Passante 6. Cilindro sem Haste 7. Motores Pneumáticos Cilindros de Simples Ação São atuadores lineares de curso curto (normalmente até 100 mm), cuja ação se dá em apenas um sentido. No sentido oposto, esta ação tem a função de recolocar o cilindro na posição original. Este retrocesso à posição de repouso (posição de partida) se dá por ação de uma mola ou força externa. Estes atuadores são limitados a cursos de até 100 mm devido ao comprimento da mola, já que molas com comprimentos maiores apresentam dificuldades de serem guiadas. As principais aplicações dos cilindros de simples ação são fixar, expulsar, prensar, elevar, alimentar, etc. Símbolo:? Observe que o símbolo apresenta uma única entrada de ar. Cilindro de membrana Nestes atuadores de simples ação uma membrana que pode ser de borracha ou de material sintético assume a tarefa do êmbolo. A haste do êmbolo é fixada no centro da membrana. Neste caso a vedação deslizante não existe. Em ação existe somente o atrito, provocado pela dilatação da membrana. Este tipo de cilindro de simples ação é muito utilizado em operações de fixação de peças que serão usinadas. 3
Cilindros de Dupla Ação A força do ar comprimido movimenta o pistão do cilindro de dupla ação em dois sentidos. Haverá força disponível para a realização de trabalho tanto no avanço como no retorno. O curso, em princípio é ilimitado, mas deve ser considerada a deformação por flexão e flambagem. A vedação ocorre mediante o uso de um êmbolo de dupla vedação. Nas extremidades do cilindro há um dispositivo denominado amortecedor de final de curso, cuja finalidade é amortecer a pancada de final-de-curso. Cálculo para Cilindros Exemplos: Força de avanço de cilindro com φ6cm (interno) e pressão de 10 kgf/cm2 (10bar) Força de retorno de cilindro com φ40mm (êmbolo) e φ20mm (haste). Pressão=7 bar Obs: 1.[N] = 9,8 x [kgf] 2. Forças de Atrito: devem ser consideradas em torno de 10% da força teórica do atuador. 4
Cilindro de dupla ação convencional Cilindro de dupla ação com êmbolo antigiro Cilindro de dupla ação sem haste com acoplamento magnético Cilindro de dupla ação sem haste com acoplamento mecânico Cilindro de dupla ação rotativo com sistema pinhão-cremalheira Cilindro de dupla ação rotativo com sistema de palhetas giratórias 5
Cilindro de dupla ação com haste passante (haste dupla) Esta construção é baseada no cilindro convencional e tem como vantagem o melhor direcionamento da haste, em função de seu duplo apoio, nos dois cabeçotes. Importante: todos os atuadores de dupla ação cujo diâmetro do êmbolo seja maior do que 30 mm possuem amortecedor de final-de-curso cujo objetivo é permitir ao cilindro uma parada macia ao final do curso. Cilindro sem haste são atuadores que movimentam um componente externo à camisa denominado cursor. No cursor é onde são fixados os elementos a serem movimentados no equipamento automatizado. CURSOR A grande vantagem dos atuadores sem haste é a economia de espaço que proporcionam em projetos que tenham restrições nesse sentido. Vide exemplo abaixo: Atuador de dupla ação convencional Atuador de dupla ação sem haste 6
Outra versão dos cilindros sem haste é a de cilindro tracionador de cabos. De cada lado do êmbolo está fixado um cabo, guiado por roldanas. A atuação do cilindro ocorre tracionando o cabo. Observe o desenho abaixo: Cilindros de Dupla Ação Antigiro Em algumas aplicações é desejável que o atuador não permita o giro da haste, o que permite garantir o posicionamento de peças em operações de montagem, por exemplo. Nestes casos aplica-se os atuadores antigiro, que possuem o êmbolo em forma de elipse, o que impede o seu giro.observe o desenho abaixo: Cilindros giratórios (angulares) Existem dois tipos fundamentais de atuadores giratórios ou angulares. Ou são fabricados pelo sistema de aleta giratória ou por transmissão mecânica. Cilindros de aleta Giratória Com este cilindro se consegue movimentos rotativos ajustáveis de até 180. É utilizado especialmente para abertura e fechamento de válvulas de grande porte e rotação de peças ou dispositivos. 7
Cilindros rotativos de transmissão mecânica Os atuadores apresentados até aqui são considerados execuções padrões de todo grande fabricante de equipamentos pneumáticos. Porém, existem outras execuções que atendem às necessidades específicas de alguns projetos. Estes atuadores não são mantidos em estoque pelos fabricantes visto que sua aplicação é restrita e o seu custo alto. A seguir, apresentaremos alguns destes atuadores. 1) Atuador Tandem Nesta construção se trata de dois cilindros de dupla ação, os quais formam uma só unidade. Desta forma, com a aplicação da carga nos dois êmbolos ao mesmo tempo, a força final é a soma das forças dos dois cilindros. Este tipo de atuador é útil quando a necessidade de força é grande e o espaço reduzido. 8
2) Atuador de Posição Múltipla O atuador de posição múltipla é formado de dois ou mais atuadores de dupla ação. Estes elementos estão, como demonstrado, unidos um ao outro. Os cilindros movimentam-se, conforme o lado de pressão, individualmente. Com dois cilindros de cursos diferentes obtém-se 4 posições. 9
3) Atuador de Impacto O uso de atuadores pneumáticos normais na técnica de conformação é limitado. Pra esse tipo de transformação mecânica recomenda-se o uso de atuadores de impacto. Para que haja impacto é necessário que haja aceleração, portanto utilizamos a fórmula da energia cinética para analisarmos o funcionamento do atuador de impacto: E = E = m. v 2 2 Kg. m 2 s 2 onde a energia é dada em = Nm = Joule Os atuadores de impacto desenvolvem uma velocidade de 7,5 a 10 m/s, enquanto os atuadores normais desenvolvem apenas 1 a 2m/s. Esta velocidade só pode ser alcançada por uma construção especial. Estes atuadores são utilizados para prensar, rebordar, rebitar, cortar, etc. A força de impacto é muito grande em relação ao tamanho da construção dos cilindros. A ordem de grandeza é de 25 A 500 Nm. 10
Importante: para conformações profundas a velocidade diminui rapidamente, assim como a energia cinética, razão pela qual este cilindro não é apropriado para este fim. Funcionamento: a câmara A está sob pressão. Por acionamento de uma válvula a pressão cresce na câmara B. A câmara A é exaurida. Quando a força exercida na superfície C for maior que a força sobre a superfície da coroa na câmara "A", o êmbolo se movimenta na direção Z. Com isto, libera-se o restante da superfície do êmbolo e sua força é aumentada. O ar comprimido contido na câmara "B" pode fluir rapidamente pela grande secção de passagem acelerando fortemente o êmbolo do cilindro. 11
Acabamentos especiais Os atuadores pneumáticos podem ser executados, sob pedido, com alguns acabamentos especiais que atendem à aplicações específicas. Ex: atuadores com guarnições resistentes a temperaturas de até 200 º C fabricadas em viton; atuadores revestidos em cromo duro para aplicações em ambientes agressivos; atuadores com pintura epóxi e haste revestida em cromo duro. Tipos de fixação Determina-se o tipo de fixação pela montagem dos cilindros em máquinas e dispositivos. O atuador pode ser construído para um determinado tipo de fixação, caso esta não necessite ser mais modificada. As principais fixações estão desenhadas abaixo. Comprimento do curso O comprimento de curso em cilindros pneumáticos não deve ser maior do que 2000 mm. A pneumática não é mais rentável quando o êmbolo é de grande diâmetro e o curso é longo, pois o consumo de ar é muito alto. Velocidade de atuadores A velocidade dos atuadores pneumáticos depende da carga, da pressão do ar, do comprimento da tubulação entre a válvula e o atuador, bem como da vazão da válvula de comando. As velocidades de êmbolos de atuadores normais são de 0,1 a 1,5 m/seg. Nos atuadores de impacto a velocidade chega a 10m/s. Os elementos de influência podem aumentar ou diminuir esta velocidade. Consumo de ar É importante conhecer o consumo de ar da instalação para poder produzi-lo e para saber quais as despesas de energia. A uma determinada pressão de trabalho, para um determinado diâmetro de atuador a num determinado curso, calcula-se o consumo de ar como segue: Elementos Pneumáticos de Trabalho de Ação Rotativa O motor pneumático, com campo angular ilimitado, é um dos elementos pneumáticos mais utilizados em ferramentas pneumáticas, principalmente. Os motores pneumáticos são classificados segundo a construção como: Motor de Pistão Motor de palhetas Motor de engrenagens Turbinas 12
Motores de pistão - são sub-classificados em motores de pistão axial e radial. Por pistões em movimento inverso o ar, através de uma biela, aciona o eixo do motor. Para que seja garantido um movimento sem golpes e vibrações são necessários vários pistões. A capacidade dos motores depende da pressão de entrada, número de pistões, área dos pistões e do curso dos mesmos. O modo de trabalho dos motores de pistões axial é similar ao dos motores de pistões radiais. Um disco oscilante transforma a força de 5 cilindros axialmente posicionados em movimento giratório. Dois pistões são alimentados simultaneamente com ar comprimido. Com isto, obter-se-á um momento de inércia equilibrado, garantindo um movimento do motor uniforme e sem vibrações. Existem motores pneumáticos com rotação à esquerda e à direita, com rotação de até 5000 RPM. A faixa de potência com pressão de 6 bar é de 1,5 a 19 kw. Motor de Palhetas - são motores de construção simples e baixo peso. O rotor está fixado excentricamente em um espaço cilíndrico e é dotado de ranhuras. As palhetas, colocadas nas ranhuras serão, pela força centrífuga, afastadas contra a parede interna do cilindro, possibilitando assim, a vedação individual das câmaras. Por meio de pequena quantidade de ar, as palhetas serão afastadas contra a parede interna do cilindro, já antes de acionar o motor. Motores desta execução têm geralmente entre três e dez palhetas. Estas formam no motor câmaras de trabalho, nas quais o ar pode atuar sempre de acordo com o tamanho da área de ataque das palhetas. O ar entra na câmara menor, se expandindo na medida do aumento da câmara. A velocidade do motor varia de 3000 a 8500 rpm. Existem unidades com rotação à direita e esquerda. A faixa de potência varia entre 0,1 a 17 kw. 13
Motores de Engrenagens a geração do movimento de torção efetua-se nesta construção pela pressão de ar contra os flancos dos dentes de duas engrenagens. Uma engrenagem é montada fixa no eixo do motor, a outra é livre no outro eixo. Esses motores são muito aplicados como motores de partida, com potências que podem chegar a 44 Kw. O sentido de rotação é reversível e as engrenagens podem ser retas ou helicoidais. Turbo-motores - podem ser empregados para trabalhos leves apenas. A faixa de rotação é muito ampla (até 500.000 rpm em equipamentos dentários). O modo de atuar corresponde ao contrário do princípio de um turbo - compressor. Características dos motores pneumáticos 1. Regulagem sem escala de rotação e do momento de torção 2. Construção leve e pequena 3. Seguro contra sobrecarga 4. Insensível à poeira, água, calor e frio 5. Seguro contra explosão 6. Ampla gama de rotações 7. Manutenção simples e de baixo custo 8. Reversão de sentido simples de ser efetuada. 14
Referências: 1) Tecnologia Pneumática Industrial, Parker Training, apostila M2001-1 BR, 1999. 2) Apostila P-111, Festo Automação Ltda. 15