Novedades de los actuadores neumáticos

Mantener un proceso de ensamblaje simple es siempre un enfoque inteligente para fabricar cualquier producto. Y una de las formas más sencillas de implementar un movimiento lineal o giratorio en un proceso de ensamblaje es con un actuador neumático.

"La configuración simple y un costo menor son dos de los principales beneficios de los actuadores neumáticos en comparación con los eléctricos e hidráulicos", señala Carey Webster, gerente de soluciones de ingeniería de PHD Inc. "La configuración también es rápida e implica atornillar el actuador y conectar el sistema de aire". líneas a los accesorios”.

PHD vende actuadores neumáticos desde hace 62 años y su mayor base de clientes son los fabricantes de automóviles. Otros clientes pertenecen a las industrias de electrodomésticos, médica, de semiconductores, de embalaje y de alimentos y bebidas.

Según Webster, alrededor del 25 por ciento de los actuadores neumáticos que fabrica PHD son personalizados. Hace cuatro años, la empresa creó un actuador personalizado que funciona como cabezal de selección neumático de paso fijo para un fabricante de máquinas de ensamblaje médico.

"Lo que hace este cabezal es seleccionar y espaciar de forma rápida y precisa varias piezas antes de colocarlas en un contenedor para su envío", explica Webster. "El cabezal de selección está montado en la base de la máquina de fabricación de piezas y cambia el paso de la pieza de 10 a 30 milímetros, dependiendo del tamaño de la pieza".

Mover objetos de un punto a otro con gran fuerza es una de las especialidades de los actuadores neumáticos, y la razón por la que siguen siendo el medio de movimiento de máquinas en las líneas de montaje después de haber existido durante casi un siglo. Los actuadores neumáticos también son conocidos por su durabilidad, rentabilidad y tolerancia a sobrecargas. Ahora, la última tecnología de detección permite a los ingenieros optimizar el rendimiento de los actuadores e integrarlos en cualquier plataforma de Internet industrial de las cosas (IIoT).

Durante la primera mitad del siglo XX, los actuadores neumáticos utilizados en la fabricación producían fuerza lineal basada en cilindros de simple efecto. A medida que aumenta la presión en un lado, el cilindro se mueve a lo largo del eje del pistón, creando una fuerza lineal. El pistón vuelve a su posición original cuando se aplica una fuerza de recuperación elástica al otro lado del pistón.

El cofundador de Festo AG & Co., Kurt Stoll, trabajó con ingenieros para desarrollar la primera serie europea de cilindros neumáticos, el tipo AH de simple efecto, en 1955. Los cilindros se introdujeron en el mercado al año siguiente, según Michael Guelker, director de producto de actuadores neumáticos en Festo Corp. y Fabco-Air.

Poco después, llegaron al mercado actuadores neumáticos tipo panqueque, de cilindro pequeño y no reparables, así como aquellos que generan fuerza rotatoria. Charlie Bimba creó el primer cilindro no reparable en su garaje en Monee, Illinois, antes de fundar Bimba Manufacturing en 1957. Ese cilindro, ahora conocido como cilindro de aire no reparable de la línea original, se convirtió y sigue siendo el producto estrella de Bimba.

“En aquella época, los únicos actuadores neumáticos que había en el mercado eran algo voluminosos y relativamente caros”, afirma Sarah Manuel, responsable de producto de actuadores neumáticos en Bimba. “Los no reparables tienen un cuerpo redondo genérico, son menos costosos, duran lo mismo y no requieren mantenimiento. Originalmente, estos actuadores tenían una vida útil de 1400 millas de recorrido. Cuando los renovamos en 2012, su vida útil se duplicó con creces, a 3000 millas”.

PHD presentó su actuador de cilindro de pequeño diámetro Tom Thumb en 1957. Hoy, como entonces, el actuador cuenta con un cilindro estándar de la National Fluid Power Association (NFPA), que está disponible e intercambiable con múltiples proveedores de equipos. También incorpora una construcción de tirante que permite la flexión. Las ofertas actuales de cilindros de pequeño diámetro de PHD brindan un alto rendimiento en la mayoría de las aplicaciones y pueden venir con varillas dobles, sellos de alta temperatura y sensores de final de carrera.

Los actuadores Pancake fueron diseñados por Alfred W. Schmidt (fundador de Fabco-Air) a finales de la década de 1950 para satisfacer la necesidad de cilindros de aire compactos de carrera corta y perfil bajo que quepan en espacios reducidos. Estos cilindros tienen una configuración de vástago de pistón que funciona de simple efecto o de doble efecto.

Estos últimos utilizan aire comprimido para impulsar tanto la carrera de extensión como la carrera de retracción, moviendo así la varilla hacia adelante y hacia atrás. Esta disposición hace que los cilindros de doble acción sean ideales para empujar y tirar cargas. Las aplicaciones comunes incluyen ensamblar, doblar, sujetar, alimentar, formar, levantar, bajar, posicionar, prensar, procesar, perforar, agitar y clasificar.

La serie M de actuadores de cuerpo redondo de Emerson cuenta con un vástago de pistón de acero inoxidable y roscas en forma de rollo en ambos extremos del vástago del pistón para garantizar conexiones duraderas del vástago del pistón. De funcionamiento rentable, los actuadores vienen con varias opciones de montaje y están prelubricados con un compuesto a base de aceite para un rendimiento extenso sin mantenimiento.

Los tamaños de orificio varían de 0,3125 pulgadas a 3 pulgadas. Los actuadores tienen una presión de aire máxima de 250 psi. Según Josh Adkins, especialista en productos de actuadores para automatización de máquinas en Emerson, las aplicaciones comunes incluyen sujetar y desviar material de una línea de montaje a otra.

Los actuadores rotativos vienen en versiones de piñón y cremallera simple o doble, de paletas y de estrías helicoidales. Estos actuadores realizan de manera confiable funciones tan diversas como alimentar y orientar piezas, operar tolvas o enrutar paletas en un transportador.

Un rotativo de piñón y cremallera convierte el movimiento lineal de un cilindro en movimiento rotativo y se recomienda para aplicaciones precisas y de servicio pesado. La cremallera es un conjunto recto de dientes de engranaje unidos al pistón del cilindro. A medida que el pistón se mueve, la cremallera se empuja linealmente y sus dientes engranan con los dientes del engranaje circular del piñón, obligándolo a girar.

Los actuadores de paletas utilizan un motor neumático simple para impulsar una paleta conectada a un eje de transmisión giratorio. Cuando se aplica una presión significativa a la cámara, se expande y mueve la paleta a través de un arco de hasta 280 grados hasta que se encuentra con una barrera estacionaria. La rotación se invierte invirtiendo la presión del aire en los puertos de entrada y salida.

El rotor estriado helicoidal (o deslizante) consta de una carcasa cilíndrica, un eje y un manguito de pistón. Al igual que el actuador de piñón y cremallera, el helicoidal se basa en el concepto operativo de engranaje estriado para convertir el movimiento lineal del pistón en rotación del eje.

Otros tipos de actuadores incluyen guiado, de escape, multiposición, sin vástago, combinado y especial. Los actuadores neumáticos guiados cuentan con varillas guía que se montan en la placa del yugo, paralelas al vástago del pistón.

Estas varillas guía reducen la flexión de la varilla, la flexión del pistón y el desgaste desigual de los sellos. También proporcionan estabilidad y evitan la rotación, al tiempo que soportan cargas laterales elevadas. Los modelos pueden ser de tamaño estándar o compactos, pero, en general, son actuadores de alta resistencia que ofrecen precisión de repetición.

"Los fabricantes buscan actuadores guiados para diversas aplicaciones que requieren robustez y precisión", afirma Franco Stephan, director de marketing de automatización de máquinas de Emerson. “Un ejemplo común es guiar el pistón actuador para que se mueva con precisión hacia adelante y hacia atrás sobre una mesa deslizante. Los actuadores guiados también reducen la necesidad de guías externas en la maquinaria”.

Festo presentó el año pasado su serie DGST de minicarros neumáticos con cilindros guía dobles. Las guías son unas de las más compactas del mercado y están diseñadas para manipulación de precisión, ajuste a presión, recogida y colocación, y aplicaciones de montaje electrónico y ligero. Hay siete modelos disponibles, con cargas útiles de hasta 15 libras y longitudes de carrera de hasta 8 pulgadas. Los accionamientos de doble pistón sin mantenimiento y las guías de rodamientos de bolas de recirculación de alta capacidad de fuerza proporcionan de 34 a 589 newtons de potencia a 6 bar. También son estándar los sensores de proximidad y amortiguación que no se extienden más allá de la huella del tobogán.

Los actuadores de escape neumáticos son ideales para singularizar y liberar piezas individuales de tolvas, transportadores, tazones alimentadores vibratorios, orugas y cargadores. Webster dice que los escapes vienen en configuraciones de varilla simple y doble, y están diseñados para soportar cargas laterales elevadas, que son típicas en este tipo de aplicaciones. Algunos modelos están disponibles con interruptores para una fácil interfaz con varios controles electrónicos.

Hay dos tipos de actuadores neumáticos multiposición disponibles, señala Guelker, y ambos son de alta resistencia. El primer tipo consta de dos cilindros separados pero conectados con vástagos de pistón que se extienden en dirección opuesta y se detienen en hasta cuatro posiciones.

Otro tipo presenta de dos a cinco cilindros multietapa que están conectados en serie y tienen diferentes longitudes de carrera. Sólo se ve un vástago del pistón y se mueve a diferentes posiciones en una dirección.

Los actuadores lineales sin vástago son actuadores neumáticos en los que la potencia se transmite a través de una conexión lateral al pistón. Esta conexión se realiza mecánicamente a través de una ranura en el cilindro perfilado o magnética a través de un cilindro perfilado cerrado. Algunos modelos pueden incluso utilizar un sistema de piñón y cremallera o engranajes para transmitir potencia.

Una ventaja de estos actuadores es que el espacio de instalación requerido es significativamente menor que con un cilindro de vástago comparable. Otro beneficio es que los actuadores pueden guiar y soportar una carga a lo largo de toda la carrera del cilindro, lo que los convierte en una opción inteligente para aplicaciones de carrera más larga.

Los actuadores combinados proporcionan recorrido lineal y rotación limitada e incluyen abrazaderas y pinzas. Los cilindros de sujeción sujetan las piezas de forma automática y repetida, ya sea directamente con un elemento de sujeción accionado neumáticamente o mediante cinemática.

En estado inactivo, el elemento de sujeción se levanta y se gira fuera de la zona de trabajo. Luego se presuriza y se vuelve a acoplar una vez que se coloca una nueva pieza de trabajo. Mediante la cinemática se pueden conseguir fuerzas de sujeción muy elevadas con un bajo consumo de energía.

Las pinzas neumáticas sujetan, posicionan y mueven piezas con movimiento paralelo o angular. Los ingenieros suelen combinarlos con algunos otros componentes neumáticos o electrónicos para construir un sistema de recogida y colocación. Las empresas de semiconductores han utilizado durante mucho tiempo pequeñas pinzas neumáticas para manipular delicados transistores y microchips, mientras que los fabricantes de automóviles utilizan pinzas grandes y potentes para mover motores de automóviles completos.

La familia Pneu-Connect de nueve pinzas de PHD se conecta directamente al puerto de herramientas de un cobot de Universal Robots. Todos los modelos cuentan con una válvula de control direccional neumática incorporada para abrir y cerrar la pinza. El software URCap proporciona una configuración de pinza intuitiva y sencilla.

La empresa también ofrece kits Pneu-ConnectX2, que permiten conectar dos pinzas neumáticas para una mayor flexibilidad de aplicación. Estos kits incluyen dos pinzas GRH (con sensores analógicos que proporcionan información sobre la posición de la mandíbula), dos pinzas GRT o una pinza GRT y una pinza GRH. Cada kit incluye una función Freedrive que interactúa con el cobot para facilitar su posicionamiento y programación.

Cuando un cilindro de aire estándar no puede realizar una o más tareas para una aplicación específica, los usuarios finales deben considerar cilindros especiales, como los de parada de carga y sinusoidales. Los cilindros de tope de carga suelen contar con amortiguadores industriales hidráulicos para una parada suave y sin rebote de las cargas transportadas. Estos cilindros son adecuados para instalación vertical y horizontal.

Los cilindros sinusoidales transportan artículos delicados con mayor control de la velocidad, aceleración y desaceleración del cilindro que los cilindros neumáticos tradicionales. Este control se debe a dos ranuras en cada lanza de amortiguación, lo que resulta en una aceleración o desaceleración inicial más gradual y una transición suave hacia o desde la operación a máxima velocidad.

Los fabricantes utilizan cada vez más interruptores y sensores de posición para monitorear con mayor precisión el rendimiento del actuador. Al instalar interruptores de posición, el sistema de control se puede configurar para activar una advertencia si un cilindro no alcanza la posición extendida o retraída programada cuando se espera.

Se pueden usar interruptores adicionales para determinar cuándo los actuadores alcanzan las posiciones intermedias, así como el tiempo de actuación nominal de cada movimiento. Esta información notifica a los operadores sobre problemas inminentes antes de que ocurra una falla total.

Un sensor de posición confirma que la posición del primer paso de acción se ha completado antes de pasar al segundo paso. Esto garantiza una funcionalidad secuencial, incluso si el rendimiento y la velocidad del equipo cambian con el tiempo.

"Ofrecemos capacidades de sensores en nuestros actuadores para ayudar a las empresas a implementar IIoT en sus plantas", dice Adkins. “Los usuarios finales ahora pueden obtener datos clave para monitorear mejor los actuadores y optimizar su rendimiento. Estos datos van desde la velocidad y la aceleración hasta la precisión de la posición, el tiempo del ciclo y la distancia total recorrida. Esto último ayuda a las empresas a determinar mejor la vida útil restante del sello de un actuador”.

Los sensores de proximidad magnéticos ST4 y ST6 de Emerson se integran fácilmente en una amplia gama de actuadores neumáticos. El diseño compacto de los sensores permite su uso en espacios pequeños y montaje empotrado. Una carcasa robusta es estándar, junto con LED que indican el estado de salida.

La plataforma tecnológica IntelliSense de Bimba combina sensores, cilindros y software para ofrecer datos de rendimiento en tiempo real para sus dispositivos neumáticos estándar. Estos datos permiten un seguimiento estrecho de los componentes individuales y brindan a los usuarios la información necesaria para pasar de reparaciones de emergencia a actualizaciones proactivas.

Jeremy King, gerente de producto para tecnologías de detección en Bimba, dice que la inteligencia de la plataforma reside en un módulo de interfaz de sensor (SIM) remoto, que se conecta fácilmente a los cilindros mediante accesorios neumáticos. Utilizando un par de sensores, el SIM envía datos (incluido el estado del cilindro, el tiempo de carrera, el final del recorrido, la presión y la temperatura) a un PLC para alarmas y controles avanzados. Al mismo tiempo, la SIM envía información en tiempo real a una PC o al IntelliSense Data Gateway. Este último permite a los gerentes acceder de forma remota a los datos para su análisis.

Guelker afirma que la plataforma VTEM de Festo ayuda a los usuarios finales a implementar sistemas basados ​​en IIoT. La plataforma modular y reconfigurable está diseñada específicamente para empresas que fabrican productos en lotes pequeños y con un ciclo de vida corto. También ofrece una alta utilización de la máquina, eficiencia energética y flexibilidad.

Las válvulas digitales en la plataforma cambian la funcionalidad según varias combinaciones de aplicaciones de movimiento descargables. Otros componentes incluyen un procesador integrado, comunicaciones Ethernet, entradas eléctricas para un control rápido de aplicaciones analógicas y digitales específicas y sensores integrados de presión y temperatura para análisis de datos.

Jim es editor senior de ASSEMBLY y tiene más de 30 años de experiencia editorial. Antes de unirse a ASSEMBLY, Camillo fue editor de PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal y Milling Journal. Jim tiene un título en inglés de la Universidad DePaul.