TECNOLOGIE PNEUMATICHE ED OLEODINAMICHE

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1 TECNOLOGIE PNEUMATICHE ED OLEODINAMICHE Tra i metodi ed i mezzi finalizzati all automazione dei processi produttivi occorre sottolineare l importanza delle tecnologie pneumatiche ed oleodinamiche. Nel primo caso l energia utilizzata è fornita dall aria compressa. Nel secondo caso, per trasferire energia dal generatore all attuatore è utilizzato un fluido idraulico. La pneumatica e l oleodinamica costituiscono uno dei mezzi più diffusi per ottenere risparmio di forze e di tempo anche nella costruzione di attrezzature per il bloccaggio dei pezzi, facendo compiere ai fluidi gli sforzi necessari al bloccaggio degli elementi che devono essere lavorati; ciò si ottiene mediante la semplice manovra di una valvola. Pneumatica: produzione, distribuzione e regolazione dell aria compressa Il sistema di automazione basato sulle tecnologie pneumatiche è contraddistinto dalla produzione dell aria compressa, dalla sua distribuzione e regolazione, dalla realizzazione del movimento desiderato. Lo schema sotto descrive la produzione dell aria compressa. In esso si distingue: 1) Filtro, che depura l aria dalla presenza di polveri o altre particelle solide; 2) Compressore, che aspira l aria dall atmosfera portandola alla pressione necessaria; 3) Scambiatore di calore che, posto all uscita del compressore, raffredda l aria; 4) Separatore di condensa, che elimina l acqua formatasi in seguito al raffreddamento; 5) Valvola di non ritorno, che impedisce all aria di ritornare indietro a compressore fermo; 6) Serbatoio (completo di manometro e valvola di sicurezza), che accumula aria in modo da fornire un flusso costante; 7) Essiccatore, che elimina il vapore ancora presente; 8) Valvola d intercettazione, che ha la funzione di isolare l utenza dalla produzione (per esempio durante i lavori di manutenzione); 9) Pressostato; 10) Separatore di condensa, che elimina il vapor d acqua che condensa all interno del serbatoio in seguito al raffreddamento dell aria; 11) Motore elettrico comandato dal pressostato. Appunti dalle lezioni di STA del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 1

2 La distribuzione dell aria compressa prodotta avviene mediante reti costituite da tubi. Nel circuito sono presenti delle valvole distributrici, che hanno il compito di cambiare la direzione al flusso di aria compressa. Il simbolo della valvola è costituito da: - Due o più quadrati affiancati (che indicano le posizioni di lavoro) - Frecce e/o segmenti chiusi a forma di T (che indicano la direzione dell aria) - Numeri (che indicano i fori per gli attacchi presenti sul corpo della valvola: l 1 va collegato al tubo che porta pressione alla valvola, 3 e 5 sono gli scarichi, 2 e 4 si collegano con l attuatore). Per trasformare l energia posseduta dall aria compressa in energia meccanica si usano gli attuatori pneumatici, che possono essere rettilinei (cilindri) o rotativi (motori). Un cilindro pneumatico è costituito da: - Una camicia metallica - Un pistone, che scorre all interno della camicia, fornito di stelo e di guarnizioni sulla superficie laterale per garantire la tenuta con la camicia - Due testate, che chiudono la camicia e portano gli attacchi per introdurre l aria nelle due camere del cilindro; una delle due testate è forata per consentire il passaggio dello stelo del pistone - Quattro tiranti che assemblano camicia e testate. I cilindri hanno il compito di trasformare l energia fornita dall aria compressa in lavoro. Il lavoro è una forza per spostamento. La forza che compie lo spostamento è direttamente proporzionale alla superficie del pistone ed alla pressione esercitata su di esso [F = p S = p (π d 2 /4)]. I cilindri possono essere: 1) A semplice effetto (a), se l aria provoca il movimento del pistone solo in una direzione (in quanto il ritorno avviene grazie ad una molla); 2) A doppio effetto (b), se l aria provoca sia l entrata che l uscita dello stelo. Appunti dalle lezioni di STA del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 2

3 Lo schema seguente rappresenta un sistema pneumatico semplice che, attraverso l uso di due pulsanti, permette l apertura e la chiusura di un cancello. L attuatore-cilindro ha la funzione di muovere il cancello per aprirlo e chiuderlo e, quindi, deve poter lavorare nelle due direzioni. Per questo il cilindro è a doppio effetto. L aria compressa entra alternativamente in una camera e nell altra. Premendo il pulsante P 1 si realizza il collegamento 1 2 della valvola V 1, l aria entra nella camera destra del cilindro e lo stelo comincia a rientrare. Premendo il pulsante P 2 si realizza il collegamento 1 2 della valvola V 2, l aria entra nella camera sinistra del cilindro e lo stelo comincia ad uscire. Rilasciando i pulsanti P 1 o P 2 lo stelo si ferma. Applicazione dell algebra booleana nei circuiti logici Come già detto, mediante variabili binarie, cosiddette perché possono assumere solo due valori (0=falso e 1=vero), si possono effettuare delle operazioni logiche. Ciò consente di realizzare dei circuiti logici, alla cui base sta l algebra di Boole. Per chiarire meglio il concetto riprendiamo l esempio del cancello. 1) Si supponga che l apertura e la chiusura del cancello possa avvenire sia dal piano terra che dal primo piano dell abitazione. Siano P 1 e P 2 i pulsanti del piano terra e P 1 e P 2 i pulsanti del primo piano dell abitazione. Se si preme P 1 o P 1 (o tutte e due insieme) si deve avere il segnale y; se invece si preme P 2 o P 2 (o tutte e due insieme) si deve avere il segnale x: y = P 1 + P 1 x = P 2 + P 2 Si ha la cosiddetta somma logica definita da OR. La posizione dei pulsanti può consentire oppure no il passaggio dell aria compressa e quindi il funzionamento del cancello. OR P 1 P 1 Segnale y Non premuto Non premuto Non c è aria premuto Non premuto C è aria Non premuto premuto C è aria premuto premuto C è aria Appunti dalle lezioni di STA del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 3

4 Assegnando valori 1 e 0 agli stati premuto e non premuto dei pulsanti e alla presenza/assenza di aria, la tabella diventa: OR P 1 P 1 Segnale y = P 1 + P Se arriva aria da P 1 si chiude il percorso P 1 e arriva aria compressa in y; analogamente se passa aria da P 1 si chiude il percorso per P 1 e l aria perviene ancora in y. 2) Si vuole che il comando di apertura intervenga solo se il cancello è chiuso e che il comando di chiusura intervenga solo se il cancello è aperto. E necessario disporre un pulsante di finecorsa FC 1 che si attiva quando il cancello è chiuso ed un altro pulsante di finecorsa FC 2 premuto dal cancello quando è aperto. Si ha il cosiddetto prodotto logico AND. AND P 1 FC 1 Segnale y Non premuto Non premuto Non c è aria premuto Non premuto Non c è aria Non premuto premuto Non c è aria premuto premuto C è aria Assegnando valori 1 e 0 agli stati premuto e non premuto dei pulsanti e alla presenza/assenza di aria, la tabella diventa: AND P 1 FC 1 Segnale y = P 1 FC Le equazioni corrispondenti sono: y = P 1 FC 1 x = P 2 FC 2 Si può osservare che se arriva aria solo da P 1 o solo da FC 1 il componente interno si sposta, chiude il passaggio e non permette che in y arrivi aria. Se l aria arriva sia da P 1 che da FC 1 passa e perviene a y. Appunti dalle lezioni di STA del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 4

5 3) Si supponga che il circuito debba disporre di una sicurezza che consenta al cancello di bloccarsi quando, durante il movimento, dovesse incontrare un ostacolo. E necessario porre sul cancello un sensore N (pulsante di una valvola) che, nel momento in cui viene premuto, causi l interruzione del flusso d aria inviata alle camere del cilindro che, non ricevendo aria, è costretto ad arrestare la sua corsa. Siccome il sensore nega il passaggio dell aria, questo tipo di valvola è definita NOT o negazione logica. N (non premuto) Passa aria NOT N (premuto) Non passa aria Assegnando valori 1 e 0 alla presenza e assenza di aria, la tabella diventa: NOT N (non premuto) N (premuto) 1 0 Nell istante in cui N viene premuto, nel cilindro non arriva aria. Oleodinamica La logica dei circuiti di comando idraulici è simile a quella dei circuiti pneumatici vista precedentemente, dovendo sempre considerare un sistema di produzione di energia, un blocco di regolazione e gli attuatori. Nella progettazione dei sistemi oleodinamici riveste notevole importanza il fluido, le sue proprietà e le leggi che ne regolano il moto. I parametri fisici più importanti che devono essere presi in considerazione sono la massa, il volume, la pressione e la velocità del fluido nel condotto. Grazie all incompressibilità dei liquidi, si possono ottenere potenze medio-alte senza avere problemi di sicurezza, nel senso che anche uno scoppio di una tubazione determinerebbe al più una fuoriuscita di liquido. L incompressibilità del liquido consente inoltre di controllare con precisione la posizione degli attuatori durante il movimento. Di contro, a causa dell elevata densità rispetto all aria, si hanno problemi nell utilizzo di liquidi come trasportatori di energia. Per esempio le perdite di carico (per cui è bene limitare la lunghezza delle tubature) e gli spessori e il peso delle tubazioni (che, a causa delle alte pressioni, devono essere elevati. Appunti dalle lezioni di STA del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 5

6 Tra le leggi che regolano il moto nei sistemi oleodinamici ricordiamo: a) Il principio di Pascal (o del torchio idraulico) La pressione esercitata su di un liquido si ripartisce in tutte le direzioni con la stessa intensità: da cui: p = F 1 / S 1 = F 2 / S 2 F 2 = (F 1 / S 1 ) S 2 b) Conservazione della massa La quantità di liquido che entra in un condotto, nell unità di tempo, è uguale a quella che esce. con ρ la densità del liquido, A la sezione attraversata dal liquido e V la sua velocità in tale sezione. Per cui: V 2 = V 1 (A 1 / A 2 ) ρ A 1 V 1 = ρ A 2 V 2 Cioè la velocità di un fluido in un condotto diminuisce con l aumentare della sezione. Fluidi idraulici I fluidi utilizzati in oleodinamica, oltre l acqua, sono soprattutto gli oli minerali, emulsioni olioacqua, fluidi sintetici. L acqua è utilizzata solo quando richiesta in grande quantità, ma ha scarse proprietà lubrificanti e favorisce la corrosione. I fluidi più usati sono gli oli minerali. Un fluido idraulico deve possedere le seguenti caratteristiche: a) massima capacità lubrificante (per ridurre gli attriti degli organi in moto) b) ottima viscosità (bassa e costante al variare della temperatura, buona scorrevolezza) c) buona capacità antiruggine (per proteggere le superfici metalliche dalla corrosione) d) inalterabilità nel tempo (per non perdere le proprie caratteristiche) e) assenza di sostanze nocive (per l operatore e per i materiali) f) altissimo potere emulsionabile (cioè miscibili coi liquidi mantenendo omogeneità costante) g) bassa infiammabilità (per poter resistere alle alte temperature) Appunti dalle lezioni di STA del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 6

7 La produzione dell energia avviene tramite una centralina oleodinamica i cui componenti sono essenzialmente: 1) due filtri (mandata e aspirazione, per impedire il passaggio di particelle in sospensione nel liquido) 2) un serbatoio 3) una pompa (volumetrica rotativa tipo ad ingranaggi o alternativa tipo a stantuffo9 4) un motore elettrico 5) un manometro (tipo Bourdon per la misura della pressione dell olio) 6) una valvola di massima limitatrice di pressione (che interviene quando nel circuito la pressione supera i valori di sicurezza prefissati) 7) uno scambiatore di calore Un motore azione una pompa che, attraverso un filtro, aspira olio da un serbatoio inviandolo all utenza alla pressione P richiesta ed indicata da un manometro. Quando la pressione di mandata supera il valore di taratura della valvola limitatrice di pressione, la pompa si mette a scarico. L olio, dopo aver alimentato gli attuatori, viene filtrato, raffreddato ed inviato al serbatoio. L impianto, che lavoro in circuito chiuso, è illustrato a fianco. Pompa ad ingranaggi Manometro di Bourdon Valvola di massima I flussi dei fluidi destinati a compiere lavoro avviene tramite valvole distributrici, che possono essere a più di due posizioni e possono svolgere funzioni diverse. Appunti dalle lezioni di STA del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 7

8 In figura sono riportati i simboli dei principali distributori 4/3 (4 vie e 3 posizioni). La posizione centrale della valvola è quella di riposo. - Nella valvola 1 l alimentazione e l utenza sono collegate allo scarico (gli attuatori si possono spostare facilmente) - Nella valvola 2 l alimentazione e l utenza sono bloccate (valvole a centro chiuso), gli attuatori sono bloccati - Nella valvola 3 l alimentazione è bloccata e l utenza è a scarico - Nella valvola 4 l alimentazione è a scarico e l utenza è bloccata L energia idraulica generata dalla pompa viene convertita in energia meccanica dagli attuatori del moto, che sono i cilindri ed i motori oleodinamici. Nel caso dell azionamento di un martinetto, per esempio, il circuito è costituito da un motore che manda olio ad una valvola 4/3. Se la valvola si trova in posizione centrale (come in figura), la pompa è a scarico ed il cilindro è bloccato. Se si sposta la valvola distributrice verso destra, il fluido entra nella camera sinistra del cilindro e lo stelo esce lateralmente determinando il sollevamento del martinetto; se si sposta la valvola distributrice a sinistra, il fluido passa nella camera destra del cilindro e lo stelo rientra rapidamente determinando l abbassamento del martinetto. I sistemi pneumatici sono impiegati quando l organo comandato richiede una spinta rapida ma di modesta intensità. Sono di costruzione semplificata perché non necessitano di condotte di ritorno. Eventuali perdite non recano alcun danno. Non potendo realizzare tenute efficientissime non è possibile impiegare alte pressioni (di solito la pressione di esercizio nelle attrezzature pneumatiche è di 6 atm). I sistemi oleodinamici vengono impiegati quando si richiede un comando con spinta intensa e spostamento regolare (v = cost) e relativamente lento (es.: slitta di una macchina utensile). Necessitano di complicati circuiti di andata e ritorno. Non si possono ammettere perdite di fluido (pericolose per l ambiente e le attrezzature data l elevata pressione, oltre che per il costo dell olio). Grazie alla possibilità di realizzare tenute molto efficienti, è possibile impiegare alte pressioni e quindi realizzare grandi forze con stantuffi di piccole dimensioni (P 350 bar). Essendo l olio incomprimibile è possibile controllare spostamenti piccolissimi dello stantuffo e degli organi di manovra, permettendo di effettuare spostamenti con grande precisione e di conseguenza lavorazioni di precisione. Appunti dalle lezioni di STA del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 8

9 I sistemi oleopneumatici sono una combinazione del sistema pneumatico con quello oleodinamico. L olio viene messo sottopressione mediante aria compressa ed un adatto moltiplicatore di pressione. Si possono avere pressioni molto elevate (P 2000 N/cm 2 ) con apparecchiature di dimensioni modeste. I sistemi oleopneumatici associano l azione rapida dell aria (a bassa pressione) con quella più lenta ma più regolare dell olio ad alta pressione. A lato è lo schema che illustra il principio di un sistema oleopneumatico moltiplicatore di pressione. Il pistone del cilindro 1 (moltiplicatore di pressione) si alza e si abbassa seguendo i comandi della valvola a sinistra dello schema che regola l immissione dell aria compressa. Alla salita del pistone corrisponde un aumento della pressione dell olio, che viene inviato nel cilindro 2. Si ha così uno spostamento del pistone del cilindro 2, con sforzi di chiusura che possono essere elevatissimi. Il ritorno può avvenire sia a causa della contropressione esistente nel cilindro 2, sia sistemando una molla nel cilindro stesso (come in figura) o ricorrendo ad un cilindro a doppio effetto. Di seguito sono due esempi di bloccaggio, diretto e indiretto, di un pezzo meccanico mediante attrezzatura. Nel caso di bloccaggio diretto, il fluido compresso, entrando nel cilindro, fa spostare lo stantuffo, la cui asta compie direttamente il bloccaggio. Nel caso di bloccaggio indiretto, il fluido compresso, spostando il pistone nel cilindro, mette in azione un altro organo (nel caso di figura una staffa) che compie il bloccaggio. Appunti dalle lezioni di STA del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 9