La automatización de la producción comienza a desarrollarse en el siglo XX. Frente a los sistemas de producción manuales, presenta las ventajas de un menor requerimiento de mano de obra, mayor productividad y mayor uniformidad de los productos.

Los sistemas utilizados para la automatización de los procesos productivos son la neumática y la hidráulica. Se trata de técnicas que consiguen producir movimientos y trabajo por medio de fluidos a presión conducidos por tuberías (aire y aceite).

Un sistema automático consta de una unidad que produce un caudal de fluido a presión, una unidad de control y una serie de elementos activadores que transforman la energía en trabajo.

Potencia -> Fuente de la presión -> Control -> Activadores -> Secuencia

Control y Aplicaciones de los Sistemas Automáticos

El control se lleva a cabo por medio de captadores y válvulas. Las principales aplicaciones son:

• Accionamiento de máquinas y herramientas.
• Sistemas automáticos de fabricación que incluyen la robótica.
• Transporte en planta.
• Maquinaria de obras públicas, minería, agrícola.

Neumática vs. Hidráulica

La neumática se utiliza cuando los esfuerzos necesarios son bajos, están limitados debido a las presiones del servicio del aire (entre 6 y 14 bar). Los esfuerzos máximos que se pueden obtener son 30 kN. Cuando se necesitan mayores esfuerzos, una regulación precisa de los actualizadores o instalaciones más compactas, se usa la hidráulica, que utiliza porciones de servicio de hasta 200 bar.

Propiedades del Aire

Puede considerarse un gas biatómico, mezcla de N₂ (79%) y de O₂ (21%). Su peso molecular es de 0,029 kg/mol. A las presiones y temperaturas de servicio es un gas perfecto PV=nRT (R=287 J/mol K). El aire atmosférico posee además una serie de contaminantes que deben ser eliminados:

• Partículas en suspensión que dañan los ajustes de los elementos de control.
• Humedad que corroe la instalación.
• Calor generado en los procesos de compresión.

Compresores

Son los elementos encargados de proporcionar al circuito neumático aire a presión a partir del aire atmosférico. Un compresor queda caracterizado por su presión neumática manual (bar) y el caudal que proporciona en m³/s. La relación de compresión es = a P_s/P_e.

Dependiendo de su funcionamiento tenemos:

• Compresores alternativos de émbolo: son los más usados por su economía y durabilidad. Proporcionan caudales medios a bajas presiones. El calentamiento del aire durante la compresión impide obtener presiones más altas. Para subsanar este incremento se montan compresores con dos etapas y refrigeración, así se alcanzan presiones de 16 bar o superiores.
• Compresores rotativos: aumentan la presión del aire mediante el giro de un rotor. Pueden ser de pelotas, tornillos o levas. Suministran presiones entre 4 y 12 bar por etapa. Los caudales son intermedios entre los compresores alternativos y los turbocompresores.
• Turbocompresores: son máquinas centrífugas de tipo radial o axial. Las presiones son bajas, por lo que suelen disponer de más de un rodete. Se utilizan cuando se necesitan caudales muy altos.

Accesorios

– Las tuberías son normalmente de acero soldable, de cobre, de plástico o de goma. Se unen mediante racores. Las redes de aire pueden ser abiertas, cerradas, en anillo o malladas. Es conveniente que los tubos tengan una pequeña pendiente de descenso del 1 o el 2% para facilitar la evacuación del aire. En ningún caso la pérdida de presión será mayor del 5% de la presión de servicio.

– El acumulador es un depósito de aire con varias funciones:

• Enfría el aire recién comprimido.
• Retiene el agua condensada tras el enfriamiento del aire.
• Actúa como reserva suministrando aire durante los picos de consumo y mantiene estable la presión del circuito.

– La unidad de secado elimina la humedad contenida en el aire. Pueden ser de varios tipos:

• Secado de aire por reacción química mediante gel higroscópico, por enfriamiento o mecánicas centrífugas.

– La unidad de filtrado elimina las partículas en suspensión, el aceite y el agua condensada que transporta el aire.

– Los reguladores de presión mantienen el circuito bajo una presión constante a pesar de las variaciones de presión en el depósito o compresor.

– Los lubrificantes añaden pequeñas gotas de aceite al aire, que es necesario para lubricar válvulas y actuadores.

– Unidad de mantenimiento, hay una por cada toma de aire. Incorpora un filtro, un regulador de presión con manómetro y un lubricador.

Actuadores

El cilindro neumático convierte la energía de presión en un movimiento rectilíneo. Consta de una camisa cilíndrica de aluminio moldeado, un émbolo que separa dos cámaras y un vástago de acero cromado que sale por una de las cabezas de cierre.

Si las dos cámaras de un cilindro pueden ser alimentadas por aire se tendrá un cilindro de doble efecto. Estos cilindros pueden desarrollar trabajo tanto en el avance del vástago como en el retroceso.

En los cilindros de simple efecto solo se alimenta una cámara, con lo que solo se realiza el trabajo en un recorrido, generalmente en el avance. El retroceso se realiza por muelle.

Los actuadores rotativos o motores de aire comprimido transforman la energía neumática en un movimiento de giro continuo. Pueden ser de émbolos, paletas o turbomotores. Las velocidades de giro máximas pueden alcanzar hasta 500000 rpm y una potencia de hasta 25 kW. Se usan en sitios con peligro de explosión, corrosivos, de temperatura elevada. Permiten arranques y paradas instantáneas, fuertes sobrecargas y variaciones constantes de velocidad.

Válvulas

Pueden clasificarse en válvulas de control de dirección, de presión y caudal.

Las válvulas de distribución pertenecen a la categoría de válvulas de control de dirección. Pueden tener dos o tres posiciones. Cada posición se representa mediante un cuadrado. El número de vías comunes corresponde al número de orificios de entrada y de salida. Se representan en los circuitos en su posición de reposo. En la posición de reposo una válvula podrá cerrar las vías o abrirlas. El pilotaje puede ser manual, con presión, con levas, rodillos, eléctricos.

• La válvula antirretorno permite el paso del aire en una dirección.
• La válvula selectora de circuito posee dos orificios de entrada y uno de salida.
• La válvula de simultaneidad, tiene dos orificios de entrada y uno de salida. El aire saldrá cuando reciba presión por las dos entradas a la vez.
• La válvula reguladora de caudal presenta un estrangulamiento regulable. Se asocia a una válvula antirretorno, regula el caudal de la vía en una sola dirección.
• Los reguladores de presión mantienen igual la presión de salida controlándola desde un valor nulo hasta un máximo valor de alimentación.
• Las válvulas limitadoras de presión se cierran cuando la presión excede de un máximo.
• Las válvulas de secuencia se abren cuando la presión alcanza un valor determinado. Igual que las otras, pero conectadas a una vía de trabajo.