MECCATRONICA Modulo 3: tecnica pneumatica Manuale (concetto) Matthias Römer Università Tecnica di Chemnitz, Istituto di macchine utensili e dei processi produttivi Germania Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no. 2005-146319 Minos, durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 MINOS ++, durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto è finanziato con il sostegno della Commissione europea. L autore è il solo responsabile di questa pubblicazione (comunicazione) e la Commissione declina ogni responsabilità sull uso che potrà essere fatto delle informazioni in essa contenute. www.minos-mechatronic.eu
Partners per la creazione, valutazione e diffusione dei progetti MINOS e MINOS**. - Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production Processes, Germany - np neugebauer und partner OhG, Germany - Henschke Consulting, Germany - Corvinus University of Budapest, Hungary - Wroclaw University of Technology, Poland - IMH, Machine Tool Institute, Spain - Brno University of Technology, Czech Republic - CICmargune, Spain - University of Naples Federico II, Italy - Unis a.s. company, Czech Republic - Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic - Tower Automotive Sud S.r.l., Italy - Bildungs-Werkstatt Chemnitz ggmbh, Germany - Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany - Euroregionala IHK, Poland - Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen - Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland - Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary - Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary - Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary - Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany - Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden Articolazione del materiale didattico Minos : moduli 1 8 (manuale, soluzioni e esercizi): Conoscenze fondamentali/ competenze interculturale, gestione del progetto/ tecnica pneumatica/ azionamenti elettrici e controlli automatici/ componenti meccatronici/ sistemi meccatronici e funzioni/ attivazione, sicurezza e teleservizio/ manutenzione remota e diagnosi Minos **: moduli 9 12 (manuale, soluzioni e esercizi): Prototipazione Rapida/ robotica/ migrazione/ Interfacce Tutti i moduli sono disponibili nelle seguenti lingue: tedesco, inglese, spagnolo, italiano, polacco, ceco e ungherese Per ulteriori informazioni si prega di contattare Dr.-Ing. Andreas Hirsch Technische Universität Chemnitz Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz Tel.: + 49(0)0371 531-23500 Fax.: + 49(0)0371 531-23509 Email: minos@mb.tu-chemnitz.de Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/werkzmasch oder www.minos-mechatronic.eu
tecnica pneumatica Minos Inhalt: 1 Pneumatica... 7 1.1 Introduzione... 7 1.1.1 Storia dell aria compressa... 7 1.1.2 Vantaggi e svantaggi dei pneumatici... 8 1.1.3 I campi di utilizzo della pneumatica... 9 1.2 Generazione dell aria compressa... 10 1.3 Preparazione dell aria compressa... 12 1.3.1 Essiccazione dell aria compressa... 13 1.3.2 Essiccazione a freddo...14 1.3.3 Essiccatore ad assorbimento... 15 1.3.4 Altri metodi d essiccazione dell aria compressa... 15 1.4 Unità di mantenimento... 16 1.4.1 Filtro e separatore d acqua... 16 1.4.2 Regolatore di pressione... 17 1.4.3 Oliatore a spruzzo... 18 1.4.4 Altre componenti... 20 1.4.5 Simboli delle componenti delle unità di mantenimento... 21 1.5 Pneumatica... 23 1.5.1 Cilindri a singolo effetto... 23 1.5.2 Cilindri a effetto doppio... 25 1.5.3 Forme speciali di costruzione dei cilindri... 28 1.6 Valvole di controllo di direzione... 34 1.6.1 Simbolizzazione delle valvole di controllo di direzione... 34 1.6.2 Valvole di controllo di direzione in stato operativo... 36 1.6.3 La denominazione delle connessioni... 39 1.6.4 I principi di costruzione delle valvole di controllo di direzione... 40 1.6.5 I tipi di costruzione delle valvole di controllo di direzione... 42 1.6.6 Comandi di controllo per le valvole di controllo di direzione... 49 1.6.7 Unità terminali delle valvole...51 1.7 Le valvole di blocco... 54 1.7.1 Le valvole di ritegno... 54 1.7.2 Le valvole di scappamento rapido... 54 1.7.3 Le valvole di ritegno alternate... 55 1.7.4 Le valvole a pressione doppia... 56 1.8 valvole di flusso... 58 1.8.1 flow control valves... 59 1.9 Valvole di pressione... 60 1.10 Altri tipi di valvole... 61 1.11 Denominazione dei simboli di un diagramma... 63 3
Minos tecnica pneumatica 1.12 Tecnica del vuoto... 65 2 Idraulica... 67 2.1 Introduzione... 67 2.1.1 Vantaggi e svantaggi dell idraulica... 68 2.1.2 I settori di utilizzo dell idraulica... 68 2.1.3 La costruzione di un dispositivo idraulico... 69 2.2 Aggregato idraulico... 70 2.2.1 Serbatoio idraulico... 71 2.2.2 Valvole di controllo di pressione... 72 2.2.3 Filtri idraulici... 72 2.3 Fluidi idraulici... 73 2.3.1 Viscosità... 73 2.3.2 Altre caratteristiche dei fluidi idraulici... 75 2.3.3 Materie estranee, aria e acqua nei fluidi idraulici... 77 2.3.4 Tutela ambientale... 78 2.4 Pompe idrauliche.... 80 2.4.1 Pompe ad ingranaggi... 81 2.4.2 Pompe a vite... 84 2.4.3 Pompe a paletta... 85 2.4.4 Pompe a pistoni seriali... 86 2.4.4 Pompe a pistoni radiali... 87 2.4.4 Pompe a pistoni assiali... 88 2.5 Cilindri e motori... 91 2.5.1 Cilindro ad azione singola... 92 2.5.2 Cilindro ad azione doppia... 94 2.5.3 Fissaggio dei cilindri... 96 2.5.4 Motori idraulici... 98 2.6 Condotti e tubi flessibili... 100 2.7 Valvole di controllo di direzione... 102 2.7.1 Indicazione della valvole di controllo di direzione... 103 2.7.2 Posizioni di cambio sovrapposte... 104 2.7.3 L uso delle valvole di controllo di direzione... 106 4
tecnica pneumatica Minos 2.8 Valvole di blocco... 108 2.9 Valvole di pressione... 111 2.9.1 Valvole di controllo della pressione...111 2.9.2 Valvole di riduzione dell pressione...115 2.10 Valvole a flusso...117 2.10.1 Valvole a farfalla (choke)...118 2.10.2 Valvole di regolazione di portata...119 2.10.3 Divisori di portata... 120 2.11 Idro accumulatori... 122 2.11.1 La funzione di un idro accumulatore... 122 2.11.2 Pistone accumulatore... 123 2.11.3 Accumulatori a sacca e a membrana... 124 2.11.4 Riempimento degli idro accumulatori con gas sottopressione... 125 5
Tecnica pneumatica Minos 1 Pneumatica 1.1 Introduzione 1.1.1 Storia dell aria compressa Il termine pneumatica deriva dal termine greco pneuma, che signifi ca respirare o trasmettere. Nella pneumatica viene utilizzata la compressibilita d aria come forma d energia, ovvero l aria compressa. Il termine aria in pressione è un termine vecchio che oggi non dovrebbe essere più usato. L aria è composta dal 78 % di azoto e dal 21 % di ossigeno. L aliquota rimanente è costituita da in altri tipi di gas o gas rari. Inoltre l aria contiene anche una percentuale di vapore acqueo. La pressione atmosferica della terra è di circa 1 bar, un valore che varia a seconda delle condizioni metereologiche. Il valore normale della pressione atmosferica, in accordo con la DIN 5450, ammonta a 101,325 kpa ad una temperatura di 15. Nel settore industriale si utilizza l aria compressa ad una pressione che varia dai 3 fino ai 10 bar. Spesso vengono utilizzate pressioni di 6 bar, ma anche pressioni superiori ai 10 bar non sono del tutto inusuali. Per operazioni di controllo e di funzionamento vengono utilizzate pressioni che variano dai 0,2 ai 0,5 bar. Oggi giorno, nella gamma delle basse pressioni, i controlli elettronici vanno a sostituire sempre di più i controlli pneumatici. L aria compressa possiede una bassa viscosità, che permette all aria di essere trasportata attraverso tubature a lunga distanza. La compressibilità dell aria compressa è una caratteristica molto importante, essa rende rende facilmente possibile l immagazinamento di energia. L aria compressa è una forma di energia molto antica. Già più di 2000 anni fà si cercava di sviluppare un sistema per lanciare proiettili attraverso l utilizzo dell aria compressa. L`aria, attraverso il suo riscaldamento, veniva utilizzata anche per muovere le porte. I soffi etti, utilizzati per aumentare la temperatura del fuoco, possono considerarsi come i primi compressori. Alla fine del 19. secolo l aria compressa veniva usata per azionare i freni di un treno. In questo periodo nacquero anche i primi sistemi di posta pneumatica Nel 1890 venne construita a Parigi una rete di aria compressa. I segnali di un orologio centrale venivano trasmessi a lunga distanza. Ad ogni modo negli anni anni seguenti in molti settori fuzano preferiti congegni elettrici invece di quelli ad aria compressa. 7
Minos Tecnica pneumatica Negli anni 50 e 60 molti problemi di sistema di controllo venivano risolti utilizzando pneumatici. Questi controlli utilizzavano una bassa pressione di qualche millibar. Oggi giorno, attraverso lo sviluppo di Transistors e microprocessori, la maggior parte dei sistemi di controllo sono realizzati per mezzo di trasmettitori o controlli logici programmabili. Molti controlli pneumatici vengono usati oggi nei processi di automazione. 1.1.2 Vantaggi e svantaggi dei sistemi pneumatici I sistemi pneumatici vengo utilizzati in diversi settori dell industria. Essi, come ogni forma di energia, presentono degli vantaggi e dei svantaggi. Essi devono essere confrontati prima di tutto con i congegni/dispositivi idraulici, elettronici e meccanici. I vantaggi dei congegni pneumatici sono: L illimitata disponibilità dell aria. Visto che lo scarico dell aria può essere disperso liberamente, non c è bisogno di nessuna condotta di ritorno. L aria compressa può essere immagazzinata molto facilmente all interno di un serbatoio, per questo quindi non c è bisogno di azionare continuamente il compressore. In caso di una mancanza di energia, attraverso l energia immagazzinata nel compressore, si potranno sicuramente completare le operazioni iniziate. L aria compressa può essere anche trasportata all interno di un contenitore. L aria compressa può essere trasportata per lunghe distanze attraverso delle condutture. Ciò rende possibile la generazione centrale d aria compressa. L aria compressa è pulita e stabile rispetto ai i cambiamenti di temperatura. Le fughe d aria non mettono in pericolo l ambiente ed essa può essere utilizzata in aree con rischio di esplosione. Il suo utilizzo può arvenire senza pricolo in ambienti aperti ed umidi. Gli elementi dei sistemi pneumatici sono costruiti in maniera semplice, robusta e sono a basso costo. Spesso anche più leggeri rispetto ad altri elementi simili. I sistemi dei controllo pneumatici fossono funzionare a velocita varziabile. I cosichi de azionano gli arresti fossono essere impiegati facilimente jeiche non risentano dei sovraccorichi. Velocita di molti metri al secondo essere sorggiunte senza difficolta. Il movimento lineare e rotazionale è facile da eseguire. Comandi di trasporto possono essere realizzati con ventose oppure con pinze. 8
Tecnica pneumatica Minos Ci sono anche i seguenti svantaggi: In paragone la fonte d energia dell aria compressa è molto costosa. La compressione provoca una grande perdita di calore. La preparazione dell aria compressa è molto costosa, infatti è necessario rimuovere da essa polvere ed acqua. Per alcuni componenti, come ad esempio le lamelle di un motore, devono essere provati con l aria compressa contenete olio lubrificante. Anche l aria di scarico include l olio. Ad ogni modo, oggigiorno la maggior parte dei componenti pneumatici non necessitano più della lubrifi cazione. Data la compressibilità dell aria compressa, movimenti regolari sono quasi impossibili, così anche il posizionamento delle guide pneumatiche. Ad ogni moto un semplice stop può essere realizzato senza problemi. L emissione dell aria di scarico provoca molto rumore. Ma esso può essere ridotto attraverso l utilizzo dei silenziatori. Le forze e i momenti sono minori/più piccoli nella pneumatica che nell idraulica. 1.1.3 I campi di utilizzo della pneumatica L aria compressa ha molti usi. Sempre più settori nell industria vengono automatizzati, per questo motivo sono spesso richiesti movimenti lineari e rotazionali. Le parti in lavorazione possono essere transportate, deformate o afferrate. Prima di tutto possono essere semplicemente eseguiti con i sistemi pneumatici movimenti periodici. È possibile anche il trasporto di elementi grani attraverso tubazioni. Nella pittura spray il colore viene emesso per mezzo dell aria compressa. I sistemi pneumatici vengono utilizzati anche per lavori eseguiti a mano. Avvitatori, trapani e smerigliatrici possono funzionare in ventose pneumatic. Il trattamento e la lavorazione di pezzi o di altri oggetti vengono eseguiti spesso per mezzo di coppe di aspirazione oppure con pinze ad azionemento pneumatico. 9
Minos Tecnica pneumatica 1.2 Generazione d aria compressa L aria compressa viene generata per mezzo dei compressori. I comppressori sono disponibili in di9versi tipologie. Principalmente si possono differenziare due tipi di compressore: turbomacchine e soffianti volumetriche. Le turbomacchine vengono usate soprattutto per grandi portate. Con queste l aria viene portata ad alta velocità, che successivamente essa viene utilizzata per aumentare la pressione. L innalzamento della pressione non è particolarmente alto, è per questo motivo che l incremento della pressione viene eseguito più volte. I così delli turbocompressori, accelerano l aria verso l esterno spesso in maniera radiale. Un altra forma è il compressore assiale, ad esempio nelle turbine di un aereo. Le soffianti volumetriche producono una piccola massa di aria compressa. L aria viene aspirata dentro una cella, che infine ridotta di volume. I compressori alternativi/a pistone e a vite rappresantano molto bene questo principio. Ma esistono anche molte altre forme e modalità costruttive di compressori. Foto 1: Compressore alternativo 10
Tecnica pneumatica Minos Un compressore alternativo a pistoni è costituito da un pistone che si muove avanti e indietro all interno di un cilindro per mezzo di una biella-manovella. Durante il movimento all indietro l aria viene succhiata all interno del cilindro attraverso la valvola di aspirazione. Nel successivo movimento in avanti il pistone riduce il volume all interno del cilindro, provocandone l aumento della pressione. Con l eccedere della pressione si apre la valvola di sfogo e l aria compressa viene spinta verso l esterno. I compressori a pistoni possono generare una pressione superiore ai 10 bar in un solo stadio. I compressori multistadio permettono di raggiungere la pressione di parecchie centinaia di bar. A causa dell elevato riscaldamento dell aria durante la compressione, essa deve essere raffreddata durante i diversi stadi di compressione. A seconda della costruzione, il sistema di raffredamento può essere ad aria o ad acqua. Siccome il basamento di un compressore a pistoni deve essere lubrificato, vengono a trovarsi tracce di olio anche nell aria compressa. In molti casi l olio all interno dell aria compressa deve essere filtrato, per esempio nel settore dell industria alimentare. Il compressore a membrana viene utilizzato per lavorare con piccole quantità volumetriche di aria compressa. Il pistone muove la membrana che separa l aria compressa dal basamento. Il compressore a vite è composto da due rotori a spirale. Attraverso la loro rotazione, si riduce il volume tra le pareti e i rotori, comprimendo l aria e provocandone la sua espulsione. In molti compressori a vite viene utilizzato l olio per il raffredamento e l incapsulamento. Ma ci sono anche compressori a vite senza olio. È anche possibile utilizzare l iniezione ad acqua. Il flusso d aria nel compressore a vite, ha meno pulsazioni di un compressore a pistoni. L alta pressione può essere generata utilizzando la compressione in due tempi. In generale i compressori a vite producono un grossa quantità d aria compressa, mentre i compressori a pistone sono in grado di generare una pressione più elevata. 11
Minos Tecnica pneumatica Foto 2: Compressore a vite (Foto: AtlasCopco) 1.3 Preparazione dell aria compressa Dopo aver compresso l aria, essa viene immagazzinata in un serbatoio, dove viene raffreddata e deumidificata. L acqua di condensa frodotta deve venir eliminata dal serbatoio regolarmente. Il serbatoio serve prima di tutto per la compensazione variabile di consumo. Se il volume dell aria compressa viene regolato soltanto per mezzo dell interruttore on and off, allora è necessario utilizzare un serbataio piuttosto grande. Questo riduce infatti la frequenza con cui il compressore entra in funzione. Nei dispositivi moderni i tubi e condotti sono costruiti per distruibuire l aria compressa, in modo che venga utilizzata come serbatoio tutta la rete d aria compressa. Pertanto si evitano variazioni della pressione causate da un differente consumo d aria. Le utenze che dirado fanno uso di una grande quantità di aria compressa, si servono della connessione di sotto-serbatoi, i quali le riforniscono della aria compressa necessaria. 12