Automazione a fluido

Ingresso unità di attuatori

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.

Elementi di una rete pneumatica

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 una camera. Esso è costituito da un certo numero di particelle che si muovono ciascuna con velocità propria e direzione casuale 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.

Pressione relativa e pressione assoluta

Dobbiamo distinguere tra pressione relativa e pressione assoluta:

• Pressione assoluta – è la pressione che leggo 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 esattamente la pressione atmosferica. È adatta per le formule per il calcolo degli equilibri dinamici e statici.

Tra le due pressioni vale la relazione: ass = rel + atm

Valore della pressione atmosferica

Resta allora da fissare il valore della pressione atmosferica, che purtroppo non 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.

Pressione radiale e tenuta assiale

La pressione radiale può essere calcolata secondo la teoria per i recipienti in pressione. Si nota inoltre che le tensioni così ottenute sono irrisorie.

La tenuta assiale è garantita tramite dei tiranti (aste in trazione) che tengono unite in compressione le due parti. Questa soluzione non è più molto usata.

Cilindro a semplice effetto (spingente)

La molla esercita una spinta minima per riportare lo stelo in una posizione preferenziale quando la camera di sinistra non è alimentata.

S = pS + F₁ + F_m + F_r

La molla reale esercita una forza crescente all’aumentare della deformazione secondo la legge:

F = F₀ + k₀ ⋅ x = k ⋅ x

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 rigidità 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 alimentata con una pressione tale che p₁ > p₂. La camera di destra è quella di scarico.

S₁ ⋅ p₁ - S₂ ⋅ p₂ = F_r + m × x^

Le relazioni di equilibrio sono stati scritti in termini di pressione relativa per comodità ma avremmo ottenuto lo stesso risultato se avessimo usato la pressione assoluta infatti:

S₁ ⋅ (p₁ - p_atm) - S₂ ⋅ (p₂ - p_atm) = F_rel + m × x^

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.

q_s = π × (d/10)² × p × 10^{5}

Il termine p è la pressione assoluta ed è espressa in bar. Da ciò nasce il termine π × (d/10)² × 10⁵.

Il termine rappresenta il volume effettivo (ovvero quello nelle condizioni di 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 dm³ bisogna moltiplicare per 10^-3).

La massa effettiva contenuta in quel volume è pari a: m = V_eff ⋅ ρ_eff dove la densità è quella effettiva.

La densità effettiva può essere così espressa: ρ_eff = p/(R × T)

Mentre quella standard può essere così espressa: ρ_std = p_std/(R × T_std)

Si può inoltre scrivere un’equazione di massa: V_std = m/ρ_eff = V_eff × (T_eff/T_std)

Si può quindi ottenere (assumendo ρ_std = 1):

Q = q_s + q_t × s × n

Dove:
q_s è il consumo specifico in fase di spinta
q_t è il consumo specifico in fase di trazione
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 supera la pressione del gas e ne impedisce il passaggio. Tale 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 si 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 del labbro e “apre” la guarnizione che viene spinta contro le 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 raschiastelo 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.

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.

Tipologie di valvole

• 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 sé 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 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.