Automazione a fluido

INGRESSO UNITA’ DI ATTUATORI

(interfaccia I/O) GOVERNO

Elettrici, pneumatici SENSORI

L’unità di governo può essere costituita da:

Logica cablata – di tipo manuale ma meno costoso.

Logica automatica – gestita in maniera automatica da un computer (PLC, sistema di unità di

governo che esegue in maniera automatica un programma che viene caricato sulla memoria).

Confronto tra sistemi oleodinamici e pneumatici:

I sistemi oleodinamici hanno costi maggiori ma sono in grado di sviluppare potenze maggiori (400

bar) contro i 10 bar massimi di un sistema pneumatico; il basso limite di pressione è dovuto al

rischio di generazione di getti gassosi ad alta velocità in caso di perdita. I sistemi pneumatici sono

mediamente di dimensioni ridotte e pertanto risultano più pronti nella risposta.

Gli elementi che costituiscono una rete pneumatica sono:

- elementi di potenza – sono gli elementi attivi che sono collegati alla rete di potenza e

possono rinfrescarla con nuova aria, le pressioni in esse sono elevate e vanno da 3 a 10 bar.

- Elementi logici pneumatici – detti anche getti d’aria, hanno pressioni inferiori e servono a

generare la logica del sistema, non sono pertanto collegati direttamente alla rete di potenza,

non sono in grado di rinfrescare la rete, sono pertanto elementi passivi.

- Elementi fluidici – sono gli elementi fissi, ovvero parti che non hanno gradi di libertà, hanno

pressioni che vanno da 0 a 3 bar, possono essere elementi passivi.

Tutti gli elementi possono essere suddivisi in:

- elementi digitali – sono elementi caratterizzati da due sole posizioni discrete (tipo ON/OFF)

usati di solito a generare la logica di circuito.

- Elementi proporzionali – sono elementi in cui una grandezza è legata ad un'altra secondo

una precisa legge, dispongono pertanto di una curva caratteristica.

GLI ATTUATORI: I CILINDRI LINEARI

Forze di spinta nelle camere:

Immettiamo un fluido in un a camera. Esso è costituito da un certo numero di

particelle che si muovo ciascuna con velocità propria e direzione casuale

p generando urti con altre particelle e con le pareti della camera, tali urti

determinano il livello di pressione esercitato dal gas sulla camera.

La pressione dipende da due fattori:

- il numero di molecole – maggiore è il numero di molecole e maggiori saranno gli urti e

quindi la pressione. Esso dipende dalla portata d’aria.

- la velocità delle molecole – maggiore è la velocità maggiore è l’energia cinetica delle

particelle stesse che viene liberata durante gli urti. Essa dipende dalla temperatura.

Dobbiamo distinguere tra pressione relativa e pressione assoluta:

Pressione assoluta – è la pressione che leggo

p p p

ass rel all’interno del recipiente. È zero solo quando, in un

caso ipotetico, nel recipiente fosse fatto il vuoto,

ovvero non ci siano più molecole di gas. È adatta nelle

formule per il calcolo della portata.

Pressione relativa – è la pressione che tiene conto della

pressione atmosferica ovunque presente nei sistemi

che studiamo. È zero quando la pressione assoluta vale

p

0 atn esattamente la pressione atmosferica. È adatta per le

formule per il calcolo degli equilibri dinamici e statici.

0 = +

p p p

Tra le due pressioni vale la relazione: ass rel atm

Resta allora da fissare il valore della pressione atmosferica, che purtroppo no è costante sul pianeta:

- al mare – 1013 bar

- a Torino – 999 bar

- sul monte Bianco – 500 bar

Si assume allora il valore di pressione standard pari a 1 bar e poiché essa dipende dalla velocità

dobbiamo fissare un valore standard anche per la temperatura pari a 20°C.

La pressione radiale può essere La tenuta assiale è garantita tramite

calcolata secondo la teoria per i dei tiranti (aste in trazione) che

recipienti in pressione. Si nota tengono unite in compressione le due

inoltre che le tensioni così parti. Questa soluzione non è più

ottenute sono irrisorie. molto usata.

Cilindro a semplice effetto (spingente): La molla esercita una spinta

m

x



 minima per riportare lo stelo

F , F , F

p m r in una posizione preferenziale

1 quando la camera di sinistra

non è alimentata.

S = + + +

p S F F F m

x





1 1 1 m r

La molla reale esercità una

forza crescente all’aumentare della deformazione secondo la legge:

= + = ⋅ + ⋅

F F F ( x ) k x k x

m 0 0

Inoltre la molla a pacco ha un ingombro che non può essere annullato pertanto una parte della corsa

è occupata dalla molla. Quest’ultima non può inoltre essere troppo lunga perché la rigidezza

peggiora all’aumentare del numero di spire e potrebbe inflettersi.

Vi sono cilindri a semplice effetto verticali che utilizzano la forza peso per garantire il ritorno dello

stelo ed eliminano quindi il problema della molla. Vi sono infine cilindri a semplice effetto traenti

dove la molla è disposta nella camera di sinistra mentre è la camera di destra ad essere alimentata

producendo il rientro dello stelo.

Cilindro a doppio effetto: La camera di sinistra viene

m

x





F, F

p p alimentata con una pressione

r

1 2 >

p p

tale che . La camera di

1 2

destra è quella di scarico.

S S

1 2 − = + +

p S p S F F m

x





1 1 2 2 r

Le relazioni di equilibrio sono

stati scritti in termini di pressione

p m

x





F, F

p p atm relativa per comodità ma

r

1 2

ass ass avremmo ottenuto lo stesso

risultato se avessimo usato la

S S pressione assoluta infatti:

1 2 ( )

− = − + + +

p S p S p S S F F m

x





1 1 2 2 atm 1 2 r

ass ass ( )

+ − − = − + + +

p S p S p S p S p S S F F m

x





1 1 atm 1 2 2 atm 2 atm 1 2 r

rel rel

− = + +

p S p S F F m

x





1 1 2 2 r

rel rel

Si ottiene come si vede la stessa espressione di prima.

Queste relazioni di equilibrio sono utilizzate per dimensionare i cilindri, in particolare gli alesaggi.

In genere i diametri sono standardizzati per facilitarne la scelta al progettista in modo che

raddoppiando l’alesaggio raddoppi anche la spinta.

CONSUMO DI ARIA

In un circuito pneumatico, a differenza di quello oleodinamico, l’aria esausta viene buttata

all’esterno, non esiste pertanto un serbatoio di raccolta. È necessario quindi conoscere il consumo di

aria di un impianto per poter dimensionare le linee e i compressori.

Noi disponiamo del consumo per 1 cm di corsa, questo perché le corse hanno tutte diverse

lunghezze pertanto conviene riportarsi a grandezze per unità di lunghezza.

 

π 2 3

d dm

−

= ⋅ ⋅ ⋅ =

6

q 10 p 10  

s 4 cm

  −

Il termine p è la pressione assoluta ed è espressa in bar. Da ciò nasce il termine .

5

10

π 2

d

= ⋅

Il termine rappresenta il volume effettivo (ovvero quello nelle condizioni di

V 10

eff 4

pressione e temperatura d’esercizio, non standard) corrispondente a una corsa di 10 mm per un

−

cilindro con alesaggio d. Sono pertanto (per passare ai bisogna moltiplicare per ).

3 3 1

mm dm 10

π 2

d ρ

= ⋅ ⋅

La massa effettiva contenuta in quel volume è pari a: dove la densità è quella

m 10 eff

4

effettiva. p

ρ = eff

La densità effettiva può essere così espressa: eff RT

eff p

ρ = std = = °

p 1

bar ; T 20 C

Mentre quella standard può essere così espressa: ( )

std std std

RT

std

ρ ρ

= =

m V V V

Si può inoltre scrivere un’equazione di massa: dove è il

std std eff eff std

volume che occuperebbe quella stessa massa se si trovasse nelle condizioni standard.

ρ p

= =

eff eff

= V V V

T T

Si può quindi ottenere (assumendo ):

eff std ρ

std eff eff p

std std

Il consumo di aria in un circuito può quindi essere così indicato:

( )

= + ⋅ ⋅

Q q q s n dove:

s t

q è il consumo specifico in fase di spinta

s

q è il consumo specifico in fase di trazione

t

s è la corsa

n è il numero di cicli che può essere fatto in un impianto

GUARNIZIONI

O-ring – è un anello di gomma sintetica di forma toroidale. Viene inserito con forzamento nella

sede ricavata tra la parte e la controparte.

L’anello genera un aumento delle pressioni localizzato che

Andamento localizzato supera la pressione del gas e ne impedisce il passaggio. Tale

delle pressioni distribuzione di pressione esercita però una forza normale alla

quale corrisponde una forza resistente di attrito.

Gli anelli sono lubrificati altrimenti per alte velocità

prenderebbero fuoco. Inizialmente la lubrificazione avveniva

miscelando dell’olio nell’aria del circuito, che però aveva il

difetto di trovarsi impurità d’olio negli scarichi che inquinavano

e costituivano uno spreco notevole. Oggi i usano grassi ad

elevato grado di untuosità (cioè con una grande capacità di aderire alle superfici) in grado di

generare un film nei meati in cui si inseriscono.

A labbro - Se la pressione a destra aumenta il gas si inserisce nella cavità

Andamento localizzato del labbro e “apre” la guarnizione che viene spinta contro le

delle pressioni pareti dei componenti e genera tenuta. Maggiore è la pressione

del gas e maggiore è la tenuta. Questi anelli hanno tenuta

perfetta perché aumenta all’aumentare della pressione di

esercizio ma con essa aumenta anche la forza di attrito, pertanto

tali guarnizioni sono usate solo in pneumatica dove le pressioni

sono basse a sufficienza da non generare attriti inaccettabili (ad

esempio non sono adatte in oleodinamica).

Tale guarnizione è unidirezionale, quindi in questo caso la camera ad alta pressione potrà essere

solo quella di destra.

Le guarnizioni possono essere statiche (comprese tra parti ferme) o dinamiche (comprese tra parti in

movimento).

Guarnizione Pattino guida Raschiastelo

Boccola O-Ring

Pattino e boccola servono a sopportare le forze radiali dello stantuffo sul cilindro dovute al tipo di

carico. Sono fatti con elementi a strati di teflon e non devono fare tenuta. Il raschia stelo serve ad

eliminare eventuali impurità che possono penetrare nella camera ed è montato con interferenza.

AMMORTIZZATORI

Sono organi che hanno la funzione di impedire l’urto dello stantuffo a fine corsa. Possono essere:

- anelli di gomma – vanno bene fino ad un alesaggio di 10 – 40 mm. Servono ad attutire la

battuta dello stelo ma hanno un ingombro.

- ammortizzatori pneumatici – per alesaggi maggiori si prevede un strozzatore che genera una

resistenza al passaggio dell’aria. In fase di ritorno si generano problemi di cadute di

pressione indesiderate. Si usa pertanto una valvola di non ritorno che esclude lo strozzatore

in fase di ritorno dello stantuffo. Picco dovuto alla

presenza dello

smorzatore

p pneumatico

1

p 2 t

Lenta diminuzione

della velocità data

v dallo smorzatore

pneumatico

t

VALVOLE DI CONTROLLO

Bisogna tener conto delle seguenti convenzioni:

- le bocche sono i fori praticati sulla valvola

- le vie sono le tubazioni effettive che trasportano flusso

Il numero di bocche e il numero di vie in una valvola di solito coincide ma non è la stessa cosa, ad

esempio una valvola può avere due bocche di scarico che confluiscono in una sola via di scarico, in

tal caso il numero di bocche non coincide con il numero di vie.

Le numerazioni indicano le funzioni delle bocche:

- numero 1 – indica sempre la bocca da collegare all’alimentazione

- numeri pari – indicano sempre le bocche da collegare agli utilizzatori

- numeri dispari – indicano sempre le bocche di scarico

Le lettere indicano i pilotaggi, ovvero segnali logici di pressione.

Riferendosi ad una valvola, con il termine “normalmente” intendiamo “in assenza del segnale di

comando”.

Aperto – significa che passa fluido

Chiuso – significa che non passa fluido

La terminologia in elettrica è l’esatto opposto.

Valvola a 3 bocche e 2 posizioni per cilindro a semplice effetto:

2

1 3

Valvola a 5 bocche e 2 posizioni per cilindro a doppio effetto:

2 4

3 1 5

Valvola a 4 bocche e 2 posizioni per cilindro a doppio effetto:

2 4

1 3

AZIONAMENTO

- da parte dell’operatore Pulsante Leva Pedale

- Comando pneumatico (facendo arrivare un segnale di pressione)

- Comando meccanico (con sistema di leva e rotella)

- Comando elettrico (la corrente magnetizza un nucleo ferromagnetico dolce che attira a se il

cassetto)

RITORNI

Valvola bistabile:

Nelle condizioni in cui si trova e per la sua conformazione, il cassetto si trova in equilibrio

dinamico e statico pertanto non si muove. Ciò è dovuto al fatto che le pressioni si annullano a

vicenda agendo sui dischi. In un c