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LABORATORIO CIENTÍFICO INFANTIL
Músculos del aire. Laboratorio de ciencias para niños
Directorio / Laboratorio de ciencias para niños Con cierta exageración, podemos considerar que el accionamiento neumático de las máquinas es uno de los más antiguos. Después de todo, el viento ha servido al hombre durante mucho tiempo tanto en las velas de los barcos como en las aspas de los molinos. Con un enfoque más riguroso, el accionamiento neumático es quizás uno de los más jóvenes y, por tanto, muy prometedor. Se utiliza para la sujeción eléctrica de piezas, el movimiento de herramientas, el avance escalonado y intermitente en línea recta y en círculo, y se utiliza para cortar, prensar, ensamblar y muchas otras operaciones tecnológicas. Baste decir que aproximadamente la mitad de los robots industriales son accionados neumáticamente. Su idea básica es extremadamente simple. El compresor comprime el aire. Este "resorte" de gas almacena energía potencial almacenada hasta que se suministra aire al motor neumático. Durante la expansión, la energía potencial se transformará en energía cinética del eslabón de salida, por ejemplo, un pistón con varilla, que, a su vez, pondrá en movimiento la parte de trabajo de la máquina. Además de la simplicidad de diseño, el accionamiento neumático tiene muchas ventajas. En primer lugar, el fluido de trabajo está siempre a mano; literalmente, "surge de la nada". Además, tras su uso se desecha allí mismo, y casi sin causar problemas medioambientales. Y dado que el aire es higiénico en comparación con otros fluidos de trabajo, los accionamientos neumáticos se utilizan ampliamente en las industrias alimentaria, electrónica y farmacéutica, así como en la fabricación de instrumentos de precisión. Las instalaciones con accionamiento neumático, en igualdad de condiciones, son más baratas, más fiables, funcionan bien en condiciones de calor y frío, no temen la alta humedad ni el polvo y garantizan una total seguridad contra incendios, electricidad y explosiones. La vida útil de los accionamientos neumáticos alcanza hasta 20000 horas, la fuerza operativa alcanza varias toneladas y las velocidades de funcionamiento son 5 veces mayores que las de un accionamiento hidráulico, y tanto la fuerza como la velocidad se pueden ajustar suavemente utilizando dispositivos muy simples. En muchos casos, el accionamiento neumático se puede conectar directamente a la parte de trabajo de la máquina, que de este modo se acciona sin complejos engranajes mecánicos. Otras ventajas importantes en comparación con un accionamiento eléctrico son la capacidad de frenar por completo bajo carga durante un tiempo ilimitado y la posibilidad de prescindir de dispositivos de protección contra sobrecargas. Por lo tanto, las ventajas son muchas y el accionamiento neumático estaría ciertamente fuera de competencia si no tuviera las mismas numerosas desventajas. Es difícil deshacerse de ellos, ya que estas deficiencias son una continuación orgánica de las ventajas. Se deben a que el fluido de trabajo es aire, un gas comprimible. Debido a esta propiedad, es imposible mover suavemente las partes de trabajo de la máquina cuando la carga fluctúa, es difícil detener la herramienta en un punto estrictamente definido y el comando neumático a través de la tubería solo se puede transmitir a la velocidad de sonido. Por tanto, en algunos casos son convenientes los sistemas híbridos: neumohidráulico (si se necesita gran suavidad o precisión de parada) y electroneumático (si se necesita garantizar la velocidad). La ventaja de un accionamiento hidráulico es la capacidad de utilizar alta presión del fluido de trabajo (hasta 500 atmósferas). Le permite crear fuerzas de cientos y miles de toneladas con cilindros de pequeño tamaño. ¿Por qué no se utilizan presiones igualmente altas en un accionamiento neumático? En primer lugar, es difícil de crear en un compresor de aire y, en segundo lugar, es peligroso de utilizar. Si una tubería se rompe, el aire comprimido dispersará los fragmentos como metralla. Entonces, a modo de resumen, podemos decir que, salvo en los casos en los que se requiera un gran esfuerzo y precisión en la fijación de alguna pieza o herramienta de trabajo, lo mejor es utilizar un accionamiento neumático sencillo, económico y fiable. Como motores neumáticos se utilizan diversos mecanismos: membrana, pistón, pala, turbina... Pero no basta con tener un motor que produzca trabajo mecánico, también es necesario controlar su movimiento, y para ello es necesario solucionar tres problemas principales: cambiar la dirección del movimiento lineal y rotacional, cambiar suavemente su velocidad y regular suavemente la fuerza de trabajo generada. Para ello se han creado todo tipo de dispositivos neumáticos.
Te contamos un poco más sobre estos mecanismos. El motor neumático más simple es un actuador de membrana con un resorte de retorno, que se comprime durante la carrera de avance. Sus principales ventajas son la simplicidad de diseño, la estanqueidad de la cavidad de trabajo y una sola línea de comando neumática. Y el principal inconveniente es el golpe relativamente pequeño. El mecanismo de membrana se utiliza ampliamente en las industrias petroquímica y del gas, así como en el transporte. Abre las puertas de los autobuses y acciona los frenos de vagones y camiones. El cilindro neumático de pistón es aún más popular entre los fabricantes de máquinas. Los cilindros de simple efecto son similares a los motores de diafragma y tienen las mismas ventajas y desventajas. Los cilindros neumáticos de doble efecto ofrecen carreras mucho más largas y, por tanto, se utilizan con mayor frecuencia. Hasta hace poco, en este tipo de motores sólo la varilla servía como eslabón de salida. Cuando se suministra aire comprimido a una de las cavidades del cilindro, la otra cavidad se conecta a la atmósfera. Por lo tanto, en un cilindro neumático de doble efecto, el pistón y el vástago solo pueden estar en dos posiciones extremadamente estables: el vástago está completamente retraído o completamente extendido. Cuando el diámetro del cilindro es limitado, se utiliza un cilindro neumático doble o incluso triple. Consta de dos o tres cilindros conectados en serie, que funcionan con un vástago común. En este caso, las fuerzas que actúan sobre los pistones se suman. Si el cilindro neumático se instala verticalmente, cuando se detiene el suministro de aire comprimido, su varilla puede descender bajo la influencia de la gravedad. Para evitar este fenómeno, FESTO (Austria) ha desarrollado un cilindro neumático en el que la varilla se fija de forma segura mediante un mecanismo especial y, cuando se suministra aire comprimido, se libera nuevamente. La transmisión de movimiento mediante una varilla tiene varias desventajas. Primero, es necesario sellar la varilla. En segundo lugar, cuando la varilla está completamente extendida, la longitud total del cilindro neumático casi se duplica. En tercer lugar, la magnitud de la carrera de trabajo está limitada por la rigidez de la varilla: con una longitud de carrera grande, la varilla comenzará a doblarse. En los últimos años, varias empresas extranjeras han desarrollado cilindros neumáticos sin vástago que no presentan estos inconvenientes. Así, la empresa FESTO ha desarrollado un diseño en el que se incorporan potentes imanes anulares permanentes en el pistón y el carro. Cuando el pistón se mueve debido a la acción de fuerzas magnéticas, el carro móvil exterior también se mueve a lo largo del eje del cilindro. A él se adjunta la parte de trabajo de la máquina. Esto proporciona los siguientes beneficios. En primer lugar, la longitud total del cilindro no cambia cuando se mueve el pistón y, en segundo lugar, dicho cilindro puede proporcionar una carrera significativamente más larga en comparación con uno convencional: hasta 10 metros o más. Además, sólo se necesita una junta entre el pistón y el cilindro, y el propio cilindro, con dos entradas de aire comprimido, se convierte en una estructura sellada. En un cilindro neumático sin vástago de ORIGA (Suecia), el pistón está conectado rígidamente a un carro móvil ubicado en la superficie exterior del cilindro a través de una ranura longitudinal deslizante. Este hueco se sella mediante dos cintas de acero flexibles (interna y externa) e imanes permanentes. La conexión rígida del pistón con el carro garantiza que la fuerza de trabajo transmitida dependa de la presión del aire comprimido, lo que distingue este diseño del anterior. El cilindro neumático de BOSCH (Alemania) tiene varillas a ambos lados del pistón, pero son una tira de acero flexible. Estas correas están compactadas contra el cilindro y transmiten el movimiento al carro móvil exterior a través de dos rodillos. Cuando el pistón se mueve hacia la derecha, el carro se mueve hacia la izquierda y viceversa. El carro está equipado con un freno neumático, lo que permite detenerlo no sólo en posiciones extremas, sino también en cualquier posición intermedia. Sin embargo, la precisión de dicho posicionamiento es baja. El motor neumático de la manguera tampoco tiene una varilla: una manguera de goma hueca, a lo largo de cuyo eje puede moverse un carro con dos rodillos a lo largo de su superficie exterior. En los cilindros neumáticos, a altas velocidades, el pistón puede crear golpes en los extremos de la carrera. Para evitarlos, se han creado cilindros neumáticos con freno, que se pueden ajustar suavemente mediante aceleradores, orificios de sección transversal variable. Los cilindros neumáticos giratorios se utilizan ampliamente para accionar mandriles, sujetar piezas de trabajo y barras de material en tornos de corte de tornillos. Se les suministra aire comprimido a través de un acoplamiento especial. El cuerpo del cilindro puede girar alrededor del eje longitudinal, pero el acoplamiento permanece estacionario. Hay una serie de operaciones tecnológicas de impacto, por ejemplo, el estampado. Para ellos se han desarrollado cilindros neumáticos de impacto, en los que la energía potencial del aire comprimido se convierte en energía cinética de impacto. Otro tipo de motor de aire es el de cámara o de globo. Se utilizan en embragues y frenos de prensas, como gatos de automóviles, “máquinas neumáticas” para levantar estructuras masivas, por ejemplo, en la construcción de aviones, en la suspensión neumática de chasis de automóviles. Esta suspensión le permite ajustar la distancia al suelo del vehículo. A menudo es necesario girar la parte de trabajo de la máquina. Para ello se utilizan motores neumáticos rotativos, normalmente motores de pistón y de paletas. En el tipo de pistón, dos pistones están conectados por un vástago común, en el que hay una cremallera que engrana con un engranaje. El eje de este último es el eslabón de salida del motor neumático. Bajo la influencia del aire comprimido, los pistones con vástago realizan un movimiento alternativo, que se convierte en rotación del eje de salida. En un soplador neumático de paletas, la carcasa tiene forma de anillo con una partición fija. Dentro de esta carcasa, bajo la influencia del aire comprimido, puede girar una cuchilla (o compuerta) sellada, también conectada al eje de salida. En los motores neumáticos, la energía potencial del aire comprimido se convierte en un movimiento de rotación de varias vueltas del eje de salida. Hay muchos tipos de motores neumáticos: de engranajes, de placa, de turbina, de tornillo. Los más extendidos son los motores neumáticos de placa y turbina, especialmente para accionar herramientas neumáticas: taladradoras y rectificadoras, destornilladores, llaves de impacto, tijeras, limas y muchos otros. Su principal ventaja es la total seguridad eléctrica y contra explosiones. Ya se ha dicho que el accionamiento neumohidráulico combinado no presenta las desventajas del accionamiento neumático relacionadas con la compresibilidad del aire. En esta definición, la palabra “pneumo” viene primero por una razón. La fuente de energía que contiene es el aire comprimido. Este accionamiento consta de dos cilindros, neumático e hidráulico, cuyos pistones y vástagos están rígidamente unidos entre sí, lo que garantiza una gran suavidad. La velocidad de movimiento se controla mediante un acelerador instalado en la tubería de derivación. Si la comunicación entre las cavidades del cilindro hidráulico se cierra mediante una válvula, debido a la incompresibilidad del líquido, es posible detener el pistón con el vástago en cualquier posición intermedia, es decir, realizar un posicionamiento preciso. Un impulso combinado de este tipo tiene todas las propiedades positivas de sus "padres", excepto una: no crea grandes fuerzas de trabajo. Esto es comprensible. Al fin y al cabo, la fuente de energía es el aire comprimido a baja presión (en comparación con un accionamiento hidráulico). El servomotor hidráulico neumático proporciona fuerzas mayores. La fuente de energía que contiene es el aire comprimido, cuya presión se transmite a través de la varilla al aceite. En un cilindro hidráulico, la presión es decenas de veces mayor que la presión del aire comprimido; esto depende de la relación entre las áreas del pistón y el vástago. El uso de servomotores hidráulicos neumáticos es especialmente conveniente en dispositivos de sujeción de máquinas herramienta. En ellos, al mover las mordazas de sujeción hasta entrar en contacto con el producto se requiere baja presión, y para asegurar la sujeción del producto se requiere alta presión. Estos amplificadores también han encontrado aplicación en dispositivos de frenado de diversas máquinas y en herramientas de accionamiento, por ejemplo, taladros, donde proporcionan un mayor par. ¡Estos amplificadores de MEKMAN (Suecia) proporcionan una presión de aceite de 250 atmósferas con una presión de aire comprimido de solo 10 atmósferas! Detengámonos con más detalle en el uso de accionamientos neumáticos en manipuladores robóticos industriales. El desarrollo de la robótica comenzó con la creación de los robots industriales más simples y ligeros, por lo que el accionamiento neumático resultó de gran utilidad. Normalmente, los enlaces manipuladores son estructuras rígidas. Cada eslabón tiene su propio impulso, del mismo modo que el hombro, el antebrazo y la mano de una persona tienen sus propios músculos. El número de enlaces (o sus unidades) determina el número de grados de movilidad del robot. Para la mayoría de los robots existentes, este número no supera los seis o siete. Pero el número de grados de movilidad determina la maniobrabilidad del manipulador, incluida la capacidad de sortear o sortear obstáculos. La mano humana tiene 22 grados de movilidad. Recientemente, en la URSS se desarrolló un actuador neumático de rigidez variable. Este mecanismo en forma de serpiente permite crear un manipulador con un número infinito de grados de movilidad. Es una carcasa hueca flexible con varias cámaras longitudinales. Cuando se aplican presiones iguales a todas las cámaras, el manipulador toma una posición vertical, y cuando se aplican presiones diferentes, se inclina hacia las cámaras con menor presión. En Francia se ha desarrollado un robot neumático "Cedrome-3" que, como un gusano, se mueve de forma peristáltica, debido a sucesivos estiramientos y contracciones de su "cuerpo" flexible. Consta de tres secciones. Cada uno de ellos es un tubo corrugado elástico, similar a la manguera de una máscara de gas. Un robot sin fin de este tipo puede arrastrarse a lo largo de cualquier canal, tubería, superficie plana, convexa o cóncava, en dirección horizontal o incluso vertical. Puede girar en un ángulo de hasta 90° y moverse en entornos sueltos: arena, cereales, nieve y escombros. En reposo, este robot mide 3 m de largo y 120 mm de diámetro. Su peso es de 10 kg, la fuerza de tracción es de 80 kg y la velocidad de movimiento es superior a 1 m/min. Puede “arrastrarse” distancias de más de 30 m y soportar temperaturas de hasta 80° C. En Japón se utilizan cámaras tubulares elásticas llenas de aire comprimido para accionar el robot. Un accionamiento de este tipo es un trozo de tubo de goma encerrado en una trenza de material sintético. Cuando se suministra aire comprimido, el tubo comienza a expandirse en diámetro y a contraerse en longitud en dirección axial, como un músculo. El tubo de goma termina en ambos lados con bases metálicas. Para controlar cada grado de movilidad del robot, se utilizan dos de estos actuadores de goma. Una de las bases metálicas de cada accionamiento está fijada de forma fija, mientras que las demás están conectadas entre sí mediante un cable flexible tirado sobre una polea. Esta polea está conectada a uno de los eslabones del brazo del robot. Cuando la presión en uno de los impulsores aumenta, se "acorta" y cuando la presión disminuye simultáneamente en la misma cantidad, el otro impulso se "relaja" (es decir, se alarga). Como resultado, el cable mueve y hace girar la polea y el enlace del brazo del robot. Un robot de este tipo se controla mediante un microordenador. Su bajo peso y su flexibilidad hacen que no sea peligroso para los humanos. Debido a su sencillez, este robot se puede utilizar para realizar muchas tareas sencillas, como por ejemplo barnizar piezas. Lo más importante es que mediante el uso de “músculos” de goma llenos de aire comprimido, fue posible lograr una relación sin precedentes entre la masa del robot (6 kg) y la carga levantada (2 kg): 3:1. Después de todo, esta proporción suele ser de 10:1 o más. Pero un robot así está todavía lejos de ser un ser humano. Recordemos que los levantadores de pesas levantan pesas entre 2 y 2,5 veces las suyas. ¡Así que es demasiado pronto para que los diseñadores de robots se calmen! ¿Cuáles son las perspectivas para el desarrollo de los accionamientos neumáticos? Según la conocida empresa FESTO (Austria), el volumen total de producción de accionamientos neumáticos en Europa, EE.UU. y Japón en 1986 ascendió a 6,5 mil millones de marcos alemanes. ¡Estos fondos son suficientes para producir 200.000 cómodos coches de clase media! En los países capitalistas desarrollados, muchas docenas de empresas grandes y pequeñas producen una amplia gama de equipos de accionamiento neumático. Las mayores de estas empresas son FESTO, Wabco-Westinghouse (Alemania), Martoier (Alemania), Mekman (Suecia). La gama de elementos del accionamiento neumático FESTO es de varios miles de unidades, incluidos cilindros neumáticos de distintos tipos con diámetros de 6 a 320 mm, carreras de trabajo de varios milímetros a varios metros, y los equipos que los controlan de todos los tamaños, con crucetas. Secciones de orificios para paso de aire desde 2,5 hasta 20 mm. En los países del CAME también se fabrican equipos de accionamiento neumático, en la República Popular de Bielorrusia, en la RDA y, sobre todo, en Hungría (producción conjunta con la empresa Mekman), de amplia gama y alta calidad. Veamos cuál es la situación con la producción y uso de accionamientos neumáticos en la industria nacional. No se puede llamar más que deplorable. La producción centralizada de equipos de accionamiento neumático y su suministro a todos los sectores de la construcción de maquinaria está a cargo del Ministerio de Industria de Máquinas-Herramienta. Sólo 4 empresas se dedican a la producción de equipos neumáticos, y los cilindros neumáticos para la ingeniería mecánica en todo el país los fabrica la planta de equipos neumáticos experimental (!?) de Ordzhonikidze. Su gama incluye sólo 58 modelos de cilindros neumáticos. La asociación de producción "Pnevmatika" de Simferopol fabrica un pequeño número de motores neumáticos rotativos y cilindros neumáticos de carrera larga para robots industriales. Los cilindros neumáticos en miniatura y los cilindros neumáticos con freno no los fabrica ninguna empresa del Ministerio de Industria Mecánica. En total se fabrican 150 modelos de cilindros neumáticos sin freno y se necesitan 1000. De cilindros neumáticos con freno se necesitan 1200 modelos. Sólo se fabrican 4 modelos de motores neumáticos rotativos y se necesitan 24 (todas las cifras indicadas corresponden a VNIIgidroprivod, Jarkov). Algunas ramas de la ingeniería mecánica han organizado su propia producción de accionamientos neumáticos. Así, la planta de trenes eléctricos y vagones de metro de Mytishchi produce cilindros neumáticos para accionar las puertas de estos vagones. La industria del automóvil produce actuadores neumáticos de membrana para sistemas de frenos de automóviles y accionamientos de puertas de autobuses. Sin embargo, estos ejemplos individuales no cambian el panorama general. La calidad de las superficies de fricción y de las juntas de goma de los equipos neumáticos producidos por la planta piloto de Ordzhonikidze y la Asociación de Producción de Neumática de Simferopol es muy mala. Esto conduce a una baja confiabilidad y una vida útil insuficiente del equipo. ¡Y esto mientras los cilindros neumáticos producidos en VNR proporcionan 50 millones de carreras dobles, suficiente para toda la vida útil de casi cualquier máquina! La situación en la producción de equipos de distribución y control, así como de equipos de preparación de aire comprimido, no es mejor. Su alcance es muy reducido y la calidad y fiabilidad (a excepción del equipamiento del PA "Pnevmoapparat" de Moscú) son bajas. Todo esto llevó a que en la construcción de maquinaria doméstica se utilizaran muy pocos accionamientos neumáticos. Particularmente faltan equipos de accionamiento neumático en miniatura. Al dominar la producción de máquinas nuevas bajo licencias de empresas extranjeras, es necesario pasar a componentes nacionales, incluidos los de accionamiento neumático. En este caso, cada vez el obstáculo es la falta del equipo de accionamiento neumático nacional necesario, que debe adquirirse en el extranjero a cambio de divisas. El desarrollo acelerado de la ingeniería mecánica nacional y la creación de equipos de alto nivel es imposible sin la creación de una base moderna para la producción de todo tipo de accionamientos, incluidos los neumáticos. Sin una solución rápida y eficiente a esta tarea tan importante, nuestra ingeniería mecánica no podrá avanzar y ser competitiva en el mercado mundial. Motores neumáticos lineales Cilindro neumático de doble efecto
Cilindro neumático de simple efecto
Cilindro neumomagnético sin vástago
Cilindro neumático sin vástago
Cilindro neumático de cuerda
motor neumático de manguera
Cilindro neumático con frenado
Cilindro neumático rotativo
Cilindro neumático de impacto
motor de aire de la cámara
Motores neumáticos rotativos Pistón con piñón y cremallera
Puerta (paleta)
motores de aire Engranaje
Paleta rotativa
Turbina
Accionamiento neumohidráulico
reforzador neumohidráulico
Motor neumático "Serpiente"
"Músculos" neumáticos
Autor: V. Levin
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