C a p i t o l o 0 1 SISTEMA INTERNAZIONALE DI UNITA` DI MISURA

Capitolo01
SISTEMA INTERNAZIONALE DI UNITA'
DI MISURA "SI"
1.1
1.2
1.3
1.4
Unità fondamentali "SI"
Unità derivate "SI"
Multipli e sottomultipli unità "SI"
Scale di temperatura
1.1 Unità fondamentali SI
Il sistema internazionale SI è il sistema che valuta per mezzo di unità di misura, tecnicamente stabilite ed
accettate internazionalmente, tutte le grandezze fisiche.
Esso si basa su sette unità fondamentali (ved. tabella di fig. 1.1) da cui vengono derivate le unità di tutte le altre
grandezze.
UNITA' SI
UNITA' AMMESSE
RELAZIONI
GRANDEZZE
NOME
SIMBOLO
lunghezza
metro
m
massa
chilogrammo
kg
tempo
secondo
NOME
SIMBOLO
grammo
tonnellata
g
t
1 g = 0,001 kg
1 t = 1000 kg
minuto
ora
giorno
min
h
d
1 min = 60 s
1 h = 3600 s
1 d = 86400 s
grado
Celsius
°C
0°C = 273,15 K
s
intensità
di corrente
elettrica
ampere
A
temperatura
Kelvin
K
intensità
luminosa
candela
cd
quantità di
materia
mole
mol
fig. 1.1 Unità fondamentali SI.
10
1.2 Unità derivate SI
Le unità derivate che interessano il settore della pneumatica sono riportate nella tabella di fig. 1.2.
UNITA' SI
UNITA' AMMESSE
GRANDEZZE
RELAZIONI
NOME
SIMBOLO
forza
Newton
N
1 N = 1 kg m/s²
pressione
Pascal
(Newton al
metro
quadrato)
Pa
1 Pa = 1 N/m²
lavoro
energia
calore
joule
NOME
(N/m²) bar
millibar
SIMBOLO
bar
mbar
1 bar = 100000 Pa
1 mbar = 100 Pa
Kwh
1J = 1 Nm
1 Kwh = 3,6 MJ
J
kilowattora
potenza
watt
W
1 W = 1 J/s
frequenza
hertz
Hz
1 Hz = 1/s
volume
litro
l
metrocubo
m³
1 l = 1 dm³
1 m³ = 1000 l
fig. 1.2 Unità derivate SI
Poichè nelle applicazioni correnti la forza viene ancora espressa in kp (chilogrammi-peso) ed il N (Newton) non è
ancora diventato di uso comune, si ricorda che fra le due grandezze esiste la relazione:
1 N = 0,102 kp
1 kp = 9,81 N (in via approssimativa 1 kp=10 N)
F
m
Infatti, l'accelerazione di un punto materiale vale: a =
dove:
F = forza agente sul punto materiale, espressa in N
m = massa del punto materiale, espressa in kg
a = accelerazione in m/s²
m
F = m x a = kg ____
s²
perciò:
Nel vuoto, o quando la resistenza dell'aria può venire trascurata, il moto di ogni corpo risulta uniformemente
accelerato (cioè con a = costante) verso il basso; tale accelerazione prende il nome di accelerazione di gravità (e
si indica con g).
Nelle vicinanze della superficie terrestre si ha:
g = 9,81 m/s²
La forza peso F è la forza che agisce sul corpo in caduta libera e vale: F = m·g
Quindi un corpo di massa pari ad 1 kg pesa 9,81 N; nelle applicazioni correnti, come già detto, si pone che un
corpo di massa pari ad 1 kg pesi 1 kp e perciò
1 kp = 9.81 N
Nel sistema SI, la forza (F) è espressa in N (Newton) e la superficie in m², perciò:
p=
F (forza)
A (superficie)
N
= Pa (Pascal)
m²
11
FATTORE DI MOLTIPLICAZIONE
multipli
10 12
10 9
10 6
10 3
10 2
10 1
= 1 000 000 000 000
= 1 000 000 000
= 1 000 000
= 1 000
= 100
= 10
PREFISSO
SIMBOLO
tera
giga
mega
kilo
etto
deca
T
G
M
k
h
da
deci
centi
milli
micro
nano
pico
femto
atto
d
c
m
m
n
p
f
a
10 0 = 1
sotto
multipli
10 - 1
10 - 2
10 - 3
10 - 6
10 - 9
10 -12
10 -15
10 -18
= 0,1
= 0,01
= 0,001
= 0,000 001
= 0,000 000 001
= 0,000 000 000 001
= 0,000 000 000 000 001
= 0,000 000 000 000 000 001
Come esempio si riporta la scala dimensionale riferita all'unità
di misura più semplice e più impiegata, cioè il metro:
Tm = terametro = 10 12 m
Gm = gigametro = 109 m
6
Mm = megametro = 10 m
km = chilometro = 10³ m
hm = ettometro
= 10² m
dam = decametro = 10 1 m
m = metro
dm = decimetro = 10 -1 m
cm = centimetro = 10 -2 m
-3
mm = millimetro = 10 m
-6
mm = micrometro = 10 m
-9
nm = nanometro = 10 -12
m
pm = picometro = 10 m
-15
fm = femtometro = 10 m
-18
am = attometro = 10 m
Alla stessa maniera, sostituendo il metro con altre unità di misura,
ad esempio il newton (N) o il watt (W), si possono ricavare le scale relative.
fig. 1.3 Multipli e sottomultipli unità di misura SI.
12
1.4 Scale di temperatura
Le grandezze possono essere misurate secondo multipli e sottomultipli delle varie unità. La tabella di fig. 1.3
riporta i nomi e simboli relativi.
Kelvin
Celsius
Fahrenheit
0
K
273,15 K
-273,15 °C
0
°C
-459,67 °F
32
°F
0 K = zero assoluto
0 °C = 32 °F punto di fusione del ghiaccio a pressione atmosferica
- scala Kelvin: chiamata anche scala termodinamica, è impiegata in fisica.
- scala Celsius: scala di temperatura usata dalla maggioranza delle nazioni. La temperatura in gradi
Celsius è normalmente detta: temperatura in gradi centigradi.
- scala Fahrenheit: scala di temperatura usata da alcuni paesi freddi, dove lo stato termico dell'atmosfera
è generalmente di poco superiore o di poco inferiore a quello del ghiaccio.
L'uso della scala Celsius porterebbe l'inconveniente di dover far precedere al numero, misura della temperatura,
il segno + o -.
Conversione di temperatura
La variazione di temperatura di 1 grado nella scala Celsius equivale a:
variazione di 1 grado nella scala Kelvin;
variazione di 1,8 gradi nella scala Fahrenheit.
Le relazioni di conversione valgono:
°C =
K=
°F - 32
°F = 1,8 x °C + 32
1,8
°F - 32
1,8
+ 273
13
K = °C + 273
Capitolo02
ATMOSFERA - ARIA
2.1 Composizione dell'aria
2.2 Aria
2.1 Composizione dell'aria
L'aria è un miscuglio di vari gas, è invisibile, inodore, incolore e insapore.
Le percentuali in volume dei gas che costituiscono l'aria sono:
AZOTO
78,03%
OSSIGENO
20,95%
ARGON
0,93%
ANIDRIDE CARBONICA
0,05%
Altri gas, quali: il neon, l'elio, il xenon, il krypton, sono contenuti in piccole tracce.
Altro componente dell'aria che si trova in misura diversa, a seconda delle condizioni ambientali, è il vapore
d'acqueo e il pulviscolo.
Nella composizione dell'aria si verificano piccole variazioni in prossimità di zone industriali dove si possono
riscontrare tracce di altri gas come ad esempio: ossido di carbonio, ossido di azoto, ammoniaca, idrocarburi.
Tra i componenti dell'aria, solo l'ossigeno e l'azoto sono necessari alla vita.
L'ossigeno è indispensabile per attivare i processi metabolici mediante i quali il nostro corpo trasforma i
carboidrati, le proteine e i grassi contenuti negli alimenti in calore ed energia.
L'azoto che respiriamo serve come gas inerte diluente e mantiene la pressione dei gas in alcune cavità del nostro
corpo (alveoli polmonari, cavità dell'orecchio medio).
2.2 Aria
La terra è avvolta da un involucro gassoso che, per l'azione di gravità, viene trascinato da essa nel suo
movimento di rotazione e rivoluzione.
Quest'involucro che si estende per uno spessore che va oltre i cinquanta chilometri, è chiamato "ATMOSFERA"
(ved. fig. 2.1) e il gas che lo compone "ARIA".
ESOSFERA km 900
IONOSFERA km 400
ATMOSFERA
- 55° C
La forza di gravità
della terra è così
ridotta che molecole e
atomi, con sufficiente
velocità, si possono
disperdere nello
spazio.
Elettricamente
conduttiva, riflette le
onde radio.
MESOSFERA km 80
Prive di nubi e
temporali.
STRATOSFERA km 35
TROPOSFERA km 11
fig. 2.1 L'atmosfera della terra
16
Sede di perturbazioni
Si formano nubi e
correnti che
determinano il clima
La temperatura
diminuisce
all'aumentare
dell'altitudine
Capitolo03
PRESSIONE ATMOSFERICA
3.1
3.2
3.3
3.4
Peso dell'aria
Esperienza del Torricelli
Esempio di calcolo (Torricelli)
Unità di misura delle pressioni
3.1 Peso dell'aria
I corpi solidi hanno un loro peso, ma anche i corpi gassosi e, quindi l'aria, hanno un peso.
Se si pesa una bombola vuota e poi la si riempie di gas (ossigeno, acetilene, ecc.), procedendo ad una nuova
pesatura si rileva una differenza nel peso; cioè la bombola pesa di più quand'è piena.
Anche l'aria, che è una miscela di gas, ha un peso (precisamente un litro d'aria pesa 1,30 grammi) e la spinta che
la massa dell'aria esercita sulla superficie della terra e su tutto ciò con cui è a contatto (uomini, animali, cose,
ecc.) è enorme.
Nel 1630 il fisico Evangelista Torricelli da Faenza dimostrò che l'atmosfera (ossia lo spessore d'aria che circonda
la terra) pesa 1,033 kg su ogni cm² di superficie, misurata sul livello del mare (altitudine zero).
Questo peso è detto PRESSIONE ATMOSFERICA.
Ora si faccia una considerazione: se la superficie media dell'uomo (area) è di circa 1,5 m² (15000 cm²) e, se su
ogni cm² c'è il peso dell'atmosfera di 1,033 kg/cm² (pressione), su tutta la superficie del corpo graverà:
F = pxA F = 1,033
kg
cm²
15000 cm² = 15500 kg
verrebbe da pensare come non si venga schiacciati da un peso così enorme.
La ragione, molto semplice, è che la pressione atmosferica si esercita in ogni senso perciò non agisce solo sulla
parte esterna dell'uomo, ma ha lo stesso valore anche internamente equilibrandosi.
Inoltre la circolazione del sangue provoca contro le pareti interne dei vasi sanguigni una pressione leggermente
superiore a quella atmosferica.
Una delle caratteristiche della pressione atmosferica è quella di variare a seconda dell'altitudine del posto in cui
viene misurata (ved. tabella di fig. 3.1).
Se andiamo a quote più alte (rispetto al livello del mare) la pressione diminuisce: ad esempio a 3000 metri la
pressione sarà inferiore a quella del livello del mare, in quanto, il peso dello strato d'aria sotto i 3000 metri
non graverà più sullo strato d'aria esistente sopra tale quota.
QUOTA
m
PRESSIONE
MPa
0
100
200
500
1000
1400
1800
2000
2400
3000
0,1013
0,1001
0,0989
0,0955
0,0899
0,0856
0,0815
0,0795
0,0756
0,0701
TEMPERATURA
°C
15
14,4
13,7
11,8
8,5
5,9
3,3
2,0
- 0,6
- 4,5
fig. 3.1 Variazione delle condizioni fisiche dell'aria alle varie quote.
18
3 L'esperienza del Torricelli
3.2
Si prenda un tubo trasparente chiuso ad un'estremità ed aperto nell'altra (ved. fig. 3.2), luogo circa un metro. Se
lo si riempie interamente di mercurio (Hg) e si chiude con un dito l'estremità aperta, capovolgendo ed
immergendolo in un recipiente contenente altro mercurio si nota che, dopo aver tolto il dito dall'estremità, una
parte del mercurio contenuto nel tubo passa nella vaschetta.
Il mercurio finisce di passare nella vaschetta quando il livello nel tubo ha raggiunto un ben determinato punto.
Infatti misurando la differenza di livello tra il mercurio della vaschetta e quello del tubo si riscontra che tale
differenza vale circa 76 cm.
CM. 76
Il motivo che non ha permesso al mercurio del tubo di vuotarsi completamente nella vaschetta è dovuto
esclusivamente al peso dell'aria atmosferica.
MERCURIO
fig. 3.2 Esperienza dei Torricelli.
Come si è detto in precedenza l'aria esercita una pressione di 1,033 kg ogni cm², perciò questa pressione si ha
anche sulla superficie del mercurio contenuto nella vaschetta.
Nella parte superiore il tubo, dopo che è stato rovesciato, è completamente vuoto di mercurio e d'aria. Si è creato
il vuoto e la pressione atmosferica viene a mancare totalmente in questa parte del tubo stesso.
Nel nostro caso la pressione atmosferica invece di esercitarsi dall'alto e dal basso nell'interno del tubo, agisce
solo dal basso verso l'alto (ved. fig. 3.3). Come ci mostra l'esperienza questa spinta (sull'unità di superficie)
equivale al peso della colonna di mercurio, chiaramente rapportato alla sezione del tubo, cioè:
Spinta atmosferica = 1,033 kg/cm²
Peso unitario della
colonna di mercurio =
peso (kg)
sezione (cm²)
= 1,033 kg/cm²
PRESS.
ATMOSFERICA
PRESS.
ATMOSFERICA
CM. 76
VUOTO
MERCURIO
fig. 3.3 Nel tubo di Torricelli il mercurio si innalza a causa della pressione atmosferica.
19
Procedendo nelle stesse operazioni, impiegando acqua al posto del mercurio (prendendo un tubo lungo circa
11 metri), si vedrà che il livello dell'acqua nell'interno del tubo si porta a 10,33 metri dal pelo della vaschetta.
Questa spinta equivale al peso, rapportato alla sezione del tubo, di quella colonna di acqua che è sempre di
1,033 kg sulla superficie di 1 cm² (ved. fig. 3.4).
PRESS.
ATMOSFERICA
PRESS.
ATMOSFERICA
M. 10,33
VUOTO
ACQUA
fig. 3.4 Nel tubo Torricelliano l'acqua sale fino a 10,33 m dal pelo dell'acqua della vaschetta.
3.3 Esempio di calcolo (Torricelli)
I tubi trasparenti cilindrici hanno la sezione di 1 cm² (cioè S=1 cm²).
I volumi sono:
V Hg = mercurio (Hg) = SxhHg = 1 cm²x76 cm = 76 cm³
VH2O = acqua (H2O) = SxhH2O = 1 cm²x1033 cm = 1033 cm³
(10,33 m = 1033 cm)
I pesi specifici sono:
g Hg = mercurio 13,60 gr/cm³
g H 2O = acqua 1,00 gr/cm³
Pesando su una bilancia tali quantità si ottiene:
PHg = gHg x VHg
= 76x13.60 = 1033 gr
P H2O = g H2O x V H 2O = 1033x1,00 = 1033 gr
Quindi la pressione esercitata dalla colonna di liquido alla base del tubo vale:
p colonna =
p
gxSxh
= g x h = 1,033 kg/cm²
S
S
Da ciò si può dedurre che la pressione atmosferica (cioè il peso dell'aria su ogni cm² di superficie con cui è a
contatto) è di 1,033 kg/cm².
Pertanto:
=
pressione atmosferica = 1,033 kg/cm²
che corrisponde a : 76 cm di colonna di mercurio
10,33 m di colonna d'acqua (qualunque sia il valore della sezione del tubo)
Infatti come si è visto una colonna di mercurio alta 76 cm e una colonna di acqua alta 10,33 m esercitano, su ogni
centimetro quadrato alla base della colonna, la stessa pressione.
Il valore di 1,033 kg/cm² è detto atmosfera ed è la pressione che lo spessore d'aria che circonda la terra, esercita
su di un centimetro quadrato di superficie.
Si ha che:
1 atmosfera = 1,033 kg/cm² = 10,13 N/cm² = 101300 Pa = 0,1 MPa
20
3.4 Unità di misura delle pressioni
Quando si parla di pressione si deve distinguere:
PRESSIONE ATMOSFERICA è la pressione causata dal peso dell'aria; essa esercita una forza di circa 1 kg su
ogni cm² di superficie (Torricelli).
PRESSIONE RELATIVA è la pressione al di sopra della pressione atmosferica ed è quella che di solito viene
misurata da strumenti chiamati "manometri".
PRESSIONE ASSOLUTA è la somma delle due presione precedenti e cioè: pressione atmosferica + pressione
relativa.
DEPRESSIONE è una pressione relativa minore di quella atmosferica, di solito viene misurata da strumenti
chiamati "vacuometri". Il suo valore massimo è quello che si riferisce al vuoto barometrico (vuoto assoluto).
La fig. 3.5 riassume le relazioni tra le unità di misura e ne evidenzia la differenza.
fig. 3.5 Relazioni fra le unità di misura delle pressioni.
21
Capitolo04
STRUMENTI PER LA MISURA
DELLA PRESSIONE
4.1 Manometri
4.2 Vacuometri o vuotometri
4.1 Manometri
Industrialmente la pressione relativa si misura con strumenti detti manometri, di cui il tipo più usato è il
BOURDON (ved. fig. 4.1).
Esso si basa sulla deformazione elastica di una molla metallica tubolare a sezione lenticolare, ripiegata a forma
semicircolare e soggetta internamente alla pressione esercitata dal fluido.
Un'estremità della molla è aperta e, fissata ad un manicotto filettato esternamente per permettere il fissaggio
dello strumento, rimane in comunicazione con il fluido di cui si vuole conoscere la pressione.
L'altra estremità è chiusa ed è libera di muoversi sotto l'azione del fluido che, premendo internamente, tende a
raddrizzarla provocando un movimento dell'estremità chiusa proporzionale alla pressione applicata.
Per mezzo dell'ingranamento di un settore con una rotella il movimento di quest'estremità, non vincolata, viene
amplificato in modo che con una lancetta (indice) fissata sull'asse della rotella, i movimenti risultino ben evidenti.
Segno grafico
Attacco radiale
fig. 4.1 Manometro Bourdon
Gli attacchi per il fissaggio dei manometri oltre ad essere del tipo radiale come in fig. 4.1, possono essere anche:
assiali; con flangia per il montaggio in pannello con viti; con staffa per montaggio in pannello senza viti (ved. fig.
4.2).
24
Con flangia
Con staffa
fig. 4.2 Attacchi per il fissaggio dei manometri.
4.2 Vacuometri o Vuotometri
I vacuometri sono manometri per la misura di pressioni inferiori alla pressione atmosferica (depressione). Negli
impianti industriali la depressione si misura con manometri metallici di tipo Bourdon che possono essere graduati
in decimi di bar, in centimetri di mercurio, in metri o millimetri di acqua, a seconda dello scopo a cui sono destinati.
Per misure precise occorre impiegare i vacuometri a liquido.
25
Capitolo05
FISICA DEI GAS
5.1
5.2
5.3
5.4
Forze di coesione - forze di repulsione
Legge di Boyle-Mariotte
Legge di Gay-Lussac
Umidità dell'aria
5.1 Forze di coesione - forze di repulsione
L'aria atmosferica è un composto gassoso e, come i corpi solidi e liquidi, è costituita da particelle minutissime
chiamate molecole.
La molecola è la più piccola combinazione di atomi che compongono un composto chimico.
NEI SOLIDI le molecole sono soggette a forze di attrazione (forze di coesione) di elevata intensità che
impediscono l'allontanamento reciproco delle molecole stesse, obbligandole a mantenere posizioni ben definite
(reticoli cristallini).
NEI LIQUIDI tale intensità è meno sensibile per cui le forze di coesione sono deboli. Infatti i liquidi hanno un
proprio volume ma assumono la forma del recipiente che li contiene (il volume di 1 dm³ di acqua rimane tale se
versato in una bottiglia o in un qualsiasi altro recipiente).
NEI GAS, e quindi nell'aria, fra le varie molecole non esiste alcuna coesione (sono praticamente libere di
muoversi) al punto che, le loro distanze reciproche variano in continuazione.
Addirittura esiste una forza per cui esse tendono ad allontanarsi sempre più da quelle contigue (forze di
repulsione). I gas pertanto, non hanno né forma né volume propri.
La fig. 5.1 evidenzia la proprietà di coesione e di repulsione.
FORZA DI COESIONE
proprietà che si riscontra
nei corpi solidi i quali hanno
forma e volume.
FORZA DI REPULSIONE
proprietà di espansione dei
gas i quali non hanno né
forma né volume propri.
fig. 5.1 Forze di coesione e forze di repulsione
Dato che gran parte del volume occupato dal gas (aria) è formato essenzialmente da spazio vuoto, le molecole si
muovono e si urtano fra loro e cercano, sempre con grande velocità, di allontanarsi così da sbattere contro le
pareti del recipiente che li contiene.
La somma di tutti questi urti molecolari sulla parete rappresenta una forza (PRESSIONE).
La pressione si manifesta con forze dall'interno verso l'esterno del contenitore.
Ma l'aria ha altre proprietà che possiamo utilizzare.
Il volume complessivo delle molecole gassose è piccolo in rapporto al volume totale dell'aria.
Si possono quindi comprimere più molecole nello stesso volume d'aria (ved. fig. 5.2).
Comprimere l'aria non significa altro che addensare più molecole in un dato volume e in tal modo ottenere una
pressione più elevata, non senza riscontrare un riscaldamento del contenitore.
28
ASPIRAZIONE
Aria atmosferica
COMPRESSIONE
Tappo
fig. 5.2 Compressione delle molecole di un gas (aria) in un contenitore.
Le leggi fisiche fondamentali che legano i parametri dello stato gassoso, pressione, volume, temperatura sono
due: legge di Boyle e Mariotte e legge di Gay-Lussac.
5.2 Legge di Boyle e Mariotte
A temperatura costante, il volume di un gas perfetto, contenuto in un recipiente, è inversamente proporzionale
alla pressione assoluta, vale a dire che, per un determinato quantitativo di gas, il prodotto del volume per la
pressione assoluta, è costante:
p1xV1 = p2xV2 = p3xV3 = ............. = costante
5.3 Legge di Gay-Lussac
Il volume di una quantità di gas, a pressione costante, è direttamente proporzionale alla temperatura, misurata in
valori assoluti Kelvin (273 K = 0°C):
V1 : V2 = T1 : T2
e di conseguenza, a volume costante, la pressione varia in proporzione diretta al variare della temperatura:
p1 : p2 = T1 : T2
da cui si deduce che, passando da una pressione iniziale ad una pressione finale più elevata si ha un aumento di
temperatura (la compressione produce calore) e, viceversa, passando ad una pressione più bassa, la
temperatura diminuisce (l'espansione assorbe calore).
29
5.4 Umidità dell'aria
Una certa percentuale di vapore acqueo è sempre presente nell'aria atmosferica. Quando l'aria atmosferica si
raffredda essa raggiunge un punto in cui è satura di vapore acqueo. Qualsiasi abbassamento di temperatura fa in
modo che tutta l'acqua non possa più essere trattenuta sotto forma di vapore. La quantità di acqua che può
essere trattenuta dipende dalla temperatura. La tabella che segue indica la massima quantità di acqua contenuta
per m³ di aria espressa in grammi nell'intervallo di temperatura da -40°C a + 40°C.
1 m³ di aria compressa è in grado di trattenere la stessa quantità di acqua di 1 m³ di aria a pressione atmosferica. I
dati in tabella sono riferiti, alla temperatura indicata, ad aria in condizioni atmosferiche.
Temperatura °C
0
+5
+10
+15
+20
g/m³ (Atmosferica)
4.98
6.86
9.51
13.04
17.69
-5
-10
-15
3.42
2.37
1.61
Temperatura °C
g/m³ (Atmosferica)
0
4.98
+25
+30
+35
+40
23.76
31.64
41.83
54.108
-20
-25
-30
-35
-40
1.08
0.7
0.45
0.29
0.18
5.5 Umidità relativa
L'umidità relativa è il rapporto tra il contenuto di acqua dell'aria atmosferica ad una determinata temperatura
ed il contenuto al punto di saturazione della medesima espresso in percentuale.
U.R. =
CONTENUTO DI ACQUA NELL'ARIA
CONTENUTO A SATURAZIONE
Es. TEMP. 20°C
x 100
U. R. 60%
Quanta acqua è contenuta in 1 m³ di aria?
17.70 gr/m³ x 0.6 = 10.6 g/m³
Quando l'aria viene compressa la sua capacità di contenere vapore d'acqua dipende esclusivamente del suo
volume che è evidentemente ridotto, quindi a parità di temperatura l'acqua condenserà.
Es.: 5 m³ di aria atmosferica a 20°C con U.R. = 60% vengono compressi a 6 bar.
Quanta acqua condenserà?
A 20°C 5 m³ di aria possono contenere al massimo 17,7 g/m³ x 5 m³ = 53,1 gr.
Il volume compresso a 6 bar sarà:
P1
P1 x V1 = P2 x V2;
V 1 = V2
P2
1.013 bar (atmosferici)
x
5 = 0,722 m³
6 + 1.013
0,722 m³ di aria a 20°C contengono al massimo
17,7 g/m³ x 0,722 m³ = 12,78 g
La quantità di acqua condensata sarà:
53.1 g - 12.78 g = 40,32 g
che dovranno essere rimossi prima della distribuzione dell'aria compressa.
30
Capitolo06
PRESSIONE
6.1 Pressione
6.1 Pressione
Viene indicata con (p) ed è la grandezza fisica che sta ad indicare la distribuzione di una forza sulla superficie a
cui essa è applicata.
Nel caso dei fluidi (gas, vapore, liquido, ecc.) ne caratterizza lo stato ed è data dalla forza che agisce
staticamente sull'unità di area di un elemento fluido.
Pertanto la pressione (p) è la forza (F) esercitata da un fluido in direzione perpendicolare e sull'unità di superficie
(A) di un corpo, e cioè:
F
p=
A
___
Nel sistema SI la pressione è misurata in Newton (N) su m² p =
A tale unità si assegna il nome di Pascal (Pa) 1 Pa =
___
N
m²
___
1N
m²
In pratica essendo il Pascal un'unità di misura estremamente piccola, vengono generalmente utilizzati i multipli
quali il kPa o preferibilmente il bar (1 bar = 105 Pa) unità ammessa dal sistema SI.
Per i paesi anglosassoni l'unità di misura utilizzata è il "psi" (libbra/pollice²).
1 psi = 0,07 bar
14,5 psi = 1,00 bar
La pressione, nelle applicazioni correnti delle trasmissioni pneumatiche viene, d'abitudine, ancora misurata in
bar.
La tabella di fig. 6.1 rappresenta la comparazione fra le unità di misura.
Pressioni kPa
1 kPa
1 bar
1 psi
1 kg/cm²
1
100
6,9
98
bar
0,01
0,145
1
14,5
0,069
1
0,0981 14,2
fig. 6.1 Comparazione unità di misura.
Considerazione:
Per trasformare i:
___
kg
in bar o in Pa
cm²
bisogna:
1 kg
___
= 10 Pa (100.000 Pa)
cm²
___
kg
Per trasformare i: Pa in
5
moltiplicare x 10 5:
cm²
bisogna:
-5
moltiplicare x 10 : 1 Pa =
_________
10 kg
=
-5
cm²
psi
0,00001
____
kg
cm²
32
kg/cm²
0,0102
1,02
0,07
1
Capitolo07
PORTATA DEI GAS
7.1 Normal litro (nL)
7.2 Portata
7.1 Normal litro (nL)
Nel sistema SI la portata dei gas, e perciò dell'aria, viene espressa in:
- m³/s o m³/h (portata volumetrica).
- kg/s o kg/min (portata massica).
In pratica in pneumatica si fa riferimento all'aria allo stato libero e perciò viene impiegato il normal litro, indicato
simbolicamente nL (è preferibile impiegare l'enne minuscola per non confonderla con la N di Newton).
Impiegando come unità di misura di volume il metro cubo, si parlerà di normal metro cubo (nm³).
La suddetta unità di misura è generalizzata e, data la sua praticità, difficilmente potrà essere abolita. Forse finirà
per essere ammessa anche dal SI così come è accaduto per il bar.
7.2 Portata
Si definisce portata volumetrica Q il volume di fluido che nell'unità di tempo passa attraverso una data sezione.
Q=
___
m³
V ___
t
s
La portata può essere calcolata moltiplicando la velocità u del fluido per l'area A della sezione di passaggio.
Q = uxA
Essendo la velocità u espressa in m/s e l'area A in m², inserendo le suddette unità di misura si ha:
___
m
m² = m³/s perciò: Q = uxA m³/s
s
Nel SI l'unità di misura della portata oltre ad essere espressa in m³/s, è ammesso esprimerla in L/s (litri al
secondo) dove:
1 L/s = 1 dm³/s
Calcolare la portata di un fluido gassoso è complesso dato che la sua velocità u è caratterizzata da molti
parametri dovuti alla sua comprimibilità. Il diagramma che segue mostra la relazione tra pressione e portata per
un orifizio avente sezione equivalente di 1 mm²
2
34
La zona delimitata dalla linea tratteggiata in basso a destra evidenzia la zona di flusso sonico dove l'aria
raggiunge una velocità molto vicina a quella del suono, velocità che non può più aumentare anche se dovesse
aumentare la differenza di pressione. Entro quest'area le curve assumono un andamento verticale.
La portata dunque non dipende dalla caduta di pressione ma dal valore di pressione in ingresso. Con pressione
in ingresso di 6 bar e caduta di pressione 1 bar, e quindi, con pressione in uscita di 5 bar, la corrispondente portata
è di ~ 55 l/min con sezione di flusso di 1 mm².
Se un apparecchio ha sezione equivalente di 5 mm² la sua portata in quelle condizioni sarà
5 x 55 l/min ~ 275 l/min
Analogamente potremmo calcolare la pressione di uscita conoscendo sezione equivalente, pressione in
ingresso e consumo facendo il percorso inverso.
Quando i valori richiesti debbono essere esatti si può ricorrere alle formule di calcolo. La portata per il flusso
subsonico è:
Q = 22.2 x S x (P2 + 1.013) x (P1-P2)
Calcoliamo ora il flusso usando i dati dell'esempio precedente avvalendoci della formula anziché del diagramma:
Q = 22.2 x 5 x (5 + 1,013) x (6-5) =
Q = 22,2 x 5 x
6,013
Q = 22,23 x 5 x 2,452 = 272,187 L/min
Il valore ottenuto è molto simile a quello rilevato usando il diagramma.
35
Capitolo08
PNEUMATICA
8.0
8.1
8.2
8.3
Pneumatica
Meccanica dei fluidi
Automazione pneumatica
Struttura circuitale di una automazione
pneumatica
8.0 Pneumatica
Lo studio teorico dell'aria occupa la parte della fisica denominata "meccanica dei fluidi" mentre l'applicazione
pratica dell'aria prende il nome di "pneumatica".
8.1 Meccanica dei fluidi
L'aria atmosferica è un ottimo agente d'immagazzinamento e di trasmissione d'energia.
Con la compressione e l'espansione della stessa si possono azionare automatismi e telecomandi.
Il lavoro fornito dall'espansione ha come unica origine il calore assorbito.
Lavoro e calore sono intimamente legati e sono in effetti due forme diverse dell'energia:
LA COMPRESSIONE
richiede lavoro e
svolge calore
L'ESPANSIONE
assorbe calore e
fornisce lavoro
La temperatura è presente in tutti i fenomeni di compressione e condiziona tutte le relative leggi.
8.2 Automazione pneumatica
La diffusione massiccia dell'automazione, l'applicazione dell'informatica, la rivoluzione della robotica non hanno
minimamente intaccato il ruolo applicativo della pneumatica.
La rapidità degli azionamenti, la leggerezza dei componenti, l'affidabilità e la lunga durata sono fattori difficilmente ottenibili nella stessa misura con altre tecnologie. Il connubio con l'elettronica, oggi in atto, consente
all'automazione pneumatica, di ottenere risultati che solo pochi anni fa erano impensabili.
La tecnologia pneumatica, oggigiorno, non è più rappresentata solo dal cilindro e dalla relativa valvola di comando, ma è qualcosa di più complesso che dispone degli attuatori più versatili, di sensori precisi ed affidabili, di unità
di governo periferiche e centrali, di sofisticati sistemi di interfacciamento.
Di fatto, l'automazione pneumatica, è in grado di soddisfare una gran parte delle necessità che si presentano, in
alcuni casi è addirittura insostituibile, basti pensare alle lavorazioni in ambienti antideflagranti.
E benché ogni applicazione sia differente, tutte si basano sugli stessi principi ed oggi è disponibile una vasta
gamma di elementi pneumatici in grado di soddisfare qualsiasi esigenza.
Tra i più importanti e frequenti impieghi si possono citare:
LINEE E CATENE DI MONTAGGIO: avvitatori, ribaditori e altri attrezzi pneumatici; assemblaggi di parti meccaniche.
MACCHINE UTENSILI: alimentazione pezzi e lavorazione automatiche.
IMBALLAGGI: cicli di dosatura e confezionamento.
MACCHINE ALIMENTARI E PER IMBOTTIGLIAMENTO: macchine automatiche e controllo livelli.
FONDERIE: impianti di formatura e sformatura, rovesciamento di siviere.
Ovunque sia necessario eseguire automaticamente un movimento è facile trovare la pneumatica.
Altre ragioni del crescente impiego delle automazioni pneumatiche sono dovute al limitato costo
dell'investimento, all'elevata affidabilità, al fatto che con esse si possono ottenere notevoli risparmi di tempo e
quindi maggiore produzione, minore costo e migliore qualità del prodotto.
Non si deve pensare (errando) che il minore costo di produzione sia dovuto al basso costo dell'aria compressa. In
realtà comprimere l'aria è un'operazione costosa, ma con essa si possono effettuare lavori che se fossero
espletati in altri modi (ad esempio con manodopera) risulterebbero molto più costosi.
38
8.3 Struttura circuitale di una automazione pneumatica
Se si considera la struttura di una moderna apparecchiatura automatica è facile constatare come coesistano
elementi e componenti di natura diversa: elettrica, meccanica, pneumatica, oleodinamica.
E' in questo contesto che la pneumatica trova una sua collocazione e un suo motivo di sviluppo, perché ognuna
delle varie tecnologie offre determinati vantaggi che la rendono idonea per certe applicazioni e certi servizi più di
altre.
Questo spiega perché, pur potendo in linea di principio ognuna delle tecnologie citate realizzare da sola un intero
impianto, in pratica i sistemi sono per lo più ibridi, per poter utilizzare al meglio i vantaggi offerti da ogni tipo di
elemento.
Lo schema riportato in fig. 8.1 rappresenta la struttura circuitale di un impianto di automazione pneumatica da
monte a valle, cioè: dalla presa dell'aria atmosferica, alla generazione dell'aria compressa (fonte energetica),
alle interconnessioni funzionali dei vari componenti e circuiti ed ai rispettivi dialoghi con elementi di interfaccia (in
grado di essere azionati da un tipo di segnale e di dare in uscita un altro tipo di segnale). In questo schema di
struttura circuitale si può notare tutto il percorso del fluido per movimentare ed azionare un impianto, una
macchina, un dispositivo, un attrezzo.
39
Capitolo09
PRODUZIONE DELL'ARIA
COMPRESSA
9.0 Produzione dell'aria compressa
9.1 Centrale di compressione
9.2 Compressori
9.3 Tipi di compressori
9.4 Compressore alternativo a pistone
9.5 Compressore alternativo a membrana
9.6 Compressore rotativo a palette
9.7 Compressore rotativo a vite elicoidale
9.8 Compressore rotativo a lobi tipo root
9.9 Regolazione dei compressori
9.10 Impianto di produzione aria (simbologia)
9.11 Filtro di aspirazione
9.12 Refrigeratori
9.13 Serbatoi
9.14 Collocamento dei serbatoi
9.15 Essiccatori
9.16 Scelta del compressore
9.17 Portata del compressore
Simbologia Pneumatica
Manometro
Valvola di esclusione
Linea
Filtro
Refrigeratore
Separatore di condensa con spurgo
automatico
Essiccatore
Lubrificatore
Flusso pneumatico
Compressore
Sorgente di pressione o di energia
Motore elettrico
Serbatoio pressurizzato
9.0 Produzione dell'aria compressa
Benché la produzione dell'aria compressa e relativo trasporto non sia strettamente legato alla tecnica delle
trasmissioni o tecnica circuitale, riteniamo utile dare dei cenni sulla produzione e trasporto dell'energia
pneumatica.
9.1 Centrale di compressione
Per la generazione dell'aria compressa sono necessarie delle macchine che comprimano l'aria, prelevata
dall'atmosfera, alla pressione di lavoro. Dette macchine si chiamano "compressori".
I compressori e le diverse apparecchiature occorrenti per la produzione dell'aria compressa (ved. fig. 9.1) sono,
di norma, raggruppati in un locale apposito, possibilmente isolato acusticamente ed in diretto collegamento con
l'ambiente esterno (da cui deve essere prelevata l'aria da comprimere).
E' sempre utile prevedere un impianto sovradimensionato per un eventuale ampliamento dell'utenza e un
compressore di riserva per far fronte ad eventuali guasti o ai periodi di manutenzione del compressore principale.
4
8
1
6
3
9
5
2
fig. 9.1 Schema di una stazione di compressione.
42
910
7
L'aria viene aspirata dall'ambiente esterno tramite il filtro di aspirazione 1 e viene compressa dal compressore 2.
Segue un raffreddatore 3 con relativo separatore e scaricatore automatico di condensa. Questo raffreddatore
può essere ad acqua o ad aria secondo gli impianti. Un serbatoio polmone 4 serve all'accumulo di aria
compressa e un filtro disoleatore 5, dotato di scaricatore automatico, serve per la costante eliminazione dell'olio
separato (tale accessorio non è presente negli impianti che usano compressori non lubrificati).
Con 6 è indicato un essiccatore che serve all'eliminazione del residuo vapore d'acqua. L'essiccatore è fornito di
valvole di esclusione 9 e 10 e di linea di by-pass 8.
Vi è infine un filtro finale 7 che ha lo scopo di trattenere polveri e particelle aspirate o prodotte nel sistema stesso.
La costruzione di una centrale di compressione richiede delle spese d'installazione non indifferenti per tubazioni,
linee elettriche, fissaggio dei basamenti dei compressori e degli accessori, spese che sono completamente
perse in caso di spostamento dell'impianto.
Tutto questo viene evitato se il compressore e i gruppi accessori (fino al serbatoio e al filtro disoleatore) sono
montati in un'unica unità su basamento (package) che non richiede fissaggio al terreno e che può essere
trasferito con facilità.
Questa soluzione porta ad avere unità di compressione completamente autonome, che possono anche essere
silenziate da pannelli isolanti e piazzate senza problemi negli stessi luoghi di utilizzazione.
fig. 9.2 Unità di essiccazione.
9.2 Compressori
I compressori si possono definire come macchine atte a produrre aria compressa.
Fra le caratteristiche dei compressori sono da evidenziare:
- il rapporto di pressione che è dato dal rapporto tra la
pressione assoluta di mandata Pa1 e la pressione assoluta di aspirazione Pa0 ed è indicato con ß:
ß=
___
Pa1
Pa0
- la portata teorica che è data dal prodotto della cilindrata (area del pistone per la sua corsa) per il numero dei giri
al minuto dell'albero motore e può essere espressa in:
m3/min nL/min
- la portata effettiva la cui massima dipendenza è data dal coefficiente di riempimento del cilindro (rendimento
volumetrico), è la portata che realmente il compressore fornisce e viene espressa come indicato per la portata
teorica.
43
- la pressione che va distinta in:
- pressione d'esercizio - che è la pressione dell'aria nel serbatoio che dovrà alimentare le tubazioni della
rete di distribuzione e che, normalmente, è fissata in un campo che va da 0,7 MPa a 1,4 MPa (7-14 bar).
- pressione di lavoro che è la pressione necessaria alla utilizzazione; normalmente è di 0,6 MPa (6 bar)
essendo questa la pressione richiesta per il funzionamento dei componenti pneumatici.
La pressione di lavoro non è una caratteristica del compressore.
All'utilizzatore interessa la portata effettiva, che può essere influenzata dalle condizioni di aspirazione aria.
9.3 Tipi di compressori
I compressori possono essere classificati in:
- DINAMICI
- VOLUMETRICI
I compressori DINAMICI impartiscono all'aria velocità e pressione, non sono d'interesse per il campo d'impiego
che si sta trattando.
I compressori VOLUMETRICI si suddividono in alternativi e rotativi e possono essere:
ALTERNATIVI
a pistone, a membrana
ROTATIVI
a palette, a vite elicoidale,
a lobi tipo Root
I suddetti compressori sono usati in quelle applicazioni industriali in cui la pressione d'aria è compresa fra 0,6 e
1,4 MPa (6-14 bar), come ad esempio nelle automazioni pneumatiche.
9.4 Compressore alternativo a pistone
E' il tipo di compressore più usato.
Si adatta alle generazioni di pressione basse, medie e anche alte (ved. fig. 9.3).
Per la generazione di alte pressioni si utilizzano, normalmente, compressori a più stadi:
fino a
1 bar
fino a 15 bar
oltre i 15 bar
a uno stadio
a due stadi
a tre o più stadi.
I compressori alternativi a pistoni possono essere costruiti con raffreddamento sia ad aria che ad acqua.
fig. 9.3 Schema compressore alternativo a pistone.
44
9.5 Compressore alternativo a membrana
Nei compressori a membrana (ved. fig. 9.4) si usa un cilindro con una membrana elastica al posto del pistone.
Sono impiegati per piccole portate. Per la sua costruzione, l'aria compressa risulta priva di olio, pertanto è
utilizzato nell'industria alimentare, farmaceutica e chimica.
fig. 9.4 Schema compressore alternativo a membrana.
9.6 Compressore rotativo a palette
I compressori rotativi a palette (ved. fig. 9.5), sono costituiti da un involucro cilindrico nell'interno del quale ruota
eccentricamente un tamburo sul cui corpo sono praticate delle scanalature radiali. In dette scanalature scorrono
sottili lamine di acciaio tenute a contatto dalla forza centrifuga che si sviluppa durante la rotazione.
Hanno minimo ingombro nonché un funzionamento silenzioso.
Questo principio di funzionamento ha trovato ampia applicazione nei motori pneumatici.
I compressori rotativi hanno il vantaggio di non avere valvola sia sull'aspirazione sia sulla mandata.
fig. 9.5 Schema compressore rotativo a palette.
9.7 Compressore rotativo a vite elicoidale
Sono costituiti (ved. fig. 9.6) da due rotori che si intersecano uno nell'altro (stesso passo ma inclinazione diversa
del profilo della vite).
É richiesta la lubrificazione per raffreddare l'unità durante il suo esercizio.
fig. 9.6 Schema compressore rotativo a vite elicoidale.
45
9.8 Compressore rotativo a lobi tipo Root
In questi tipi di compressori l'aria viene trasportata da un lato all'altro senza che sia modificato il volume (ved. fig.
9.7).
La tenuta è assicurata dal mantenimento dei giochi minimi, tra parte fissa e parte mobile.
Non abbisognano di lubrificazione, pertanto l'aria non è contaminata dall'olio.
fig. 9.7 Schema compressore rotativo a lobi tipo Root.
9.9 Regolazione dei compressori
Un'installazione di compressione è costituita da uno o più compressori che mandano aria compressa in uno o più
serbatoi, i quali alimentano una rete di distribuzione dell'aria ai diversi punti di utilizzazione.
Se il consumo della rete è inferiore alla portata del compressore (o dei compressori) la pressione in rete tende a
salire; nel caso contrario essa discende.
E' pertanto necessario che i compressori siano equipaggiati con un sistema di regolazione che agisca sulla loro
portata, in modo da mantenere la pressione del serbatoio fra due limiti, uno superiore e l'altro inferiore.
Tali sistemi utilizzano la pressione esistente nel serbatoio come segnale di comando (ved. fig. 9.8). Essi
provocano una diminuzione della portata quando la pressione cresce ed un aumento quando cala.
Compressore
Serbatoio
Utilizzatore
Regolazione
fig. 9.8 Schema della regolazione dei compressori.
46
9.10 Impianto di produzione aria (simbologia)
Un impianto di produzione di aria compressa è, di norma, costituito dai dispositivi illustrati, con le relative
simbologie, nella fig. 9.9.
Serbatoio
Refrigeratore finale
Filtro di aspirazione
Essiccatore
Essicatore
Alla rete di
distribuzione
Gruppo compressore
con raffreddamento intermedio
fig. 9.9 Simbologia impianto produzione aria compressa.
9.11 Filtro di aspirazione
L'aria aspirata dai compressori contiene polvere, sporcizia e umidità che sotto l'azione del calore, in fase di
compressione, si mescolano all'olio del compressore.
Occorrono 7 m³ di aria alla pressione atmosferica (0,1 MPa) per formare 1 m³ di aria alla pressione
assoluta di 0,7 MPa (7 bar) per cui tutte le sostanze estranee contenute in 7 m³ vengono compresse fra loro in
un solo metro cubo.
Ne deriva che il ruolo del filtro di aspirazione è di primaria importanza.
9.12 Refrigeratori
Simbologia:
Refrigeratori ad acqua
Refrigeratori ad aria
Durante la compressione, la temperatura dell'aria aumenta ad un valore tale da assumere una capacità di
assorbimento al di sopra della quantità di vapore di acqua contenuto in essa.
I compressori a più stadi sono muniti di refrigeratori interstadio con i separatori di condensa collocati tra i vari
stadi di compressione ma la deumidificazione non è completa essendo l'aria compressa dello stadio finale
ancora ad una temperatura alta.
Se l'aria calda s'immette direttamente nella rete di distribuzione, poiché lungo il percorso si raffredda, il punto di
saturazione si abbassa ed il vapore d'acqua condensandosi in quantità considerevoli, scorre entro le tubazioni
raggiungendo gli apparecchi di utilizzazione.
Quindi si deve cercare di eliminare la maggiore quantità di acqua possibile, prima che l'aria venga immessa nella
rete di distribuzione.
L'eliminazione può ottenersi raffreddando l'aria in appositi apparecchi chiamati refrigeratori finali che vengono
installati tra il compressore e il serbatoio di aria.
47
I refrigeratori possono essere:
- a circolazione d'acqua (ved. fig. 9.10).
- a circolazione d'aria (ved. fig. 9.11).
Uscita
acqua
Uscita
Aria
Entrata aria
Entrata
acqua
Spurgo
fig. 9.10 Refrigeratore ad acqua.
Entrata aria
Uscita aria
Elettro
ventilatore
Spurgo
fig. 9.11 Refrigeratore ad aria.
9.13 Serbatoi
Simbologia:
Dopo il raffreddamento effettuato col refrigeratore, l'aria si raccoglie in serbatoi che provocano un ulteriore
raffreddamento. La condensa che si forma nei serbatoi viene anch'essa raccolta ed espulsa all'esterno dai
separatori che devono essere installati nei punti più bassi.
I serbatoi oltre a provocare la condensazione del vapore d'acqua fungono anche da accumulatori di aria
necessari quando si verifica una richiesta maggiore della potenzialità del compressore.
I serbatoi per l'aria compressa devono avere la valvola di sicurezza ed essere in accordo con le vigenti leggi
antinfortunistiche.
9.14 Collocamento del serbatoi
Il serbatoio dev'essere abbastanza vicino al compressore in modo che la condotta di regolazione non risulti di
lunghezza eccessiva.
Talvolta viene raccomandato d'installare il serbatoio all'aperto. In tale maniera si ottiene una separazione
parziale delle condense, dovuta al fatto che il serbatoio posto all'esterno dell'officina si trova ad una temperatura
di solito più bassa di quell'ambiente all'interno. Vi sono però gli inconvenienti dovuti al gelo. La suddetta
raccomandazione poteva essere valida quando non venivano impiegati i refrigeratori intermedi.
48
9.15 Essiccatori
Simbologia:
Per ottenere deumidificazioni più spinte si utilizzano gli essiccatori, i quali impiegano sostanze ad alto potere
assorbente (gel di silice). Detti essiccatori, detti ad adsorbimento (ved. fig. 9.12), si collocano dopo il serbatoio.
Immissione essiccante
Aria
secca
Pastiglie di
essiccante
Aria
umida
Condensa
fig. 9.12 Essiccatore ad adsorbimento.
1 Scambiatore di calore
aria/aria
2 Scambiatore di calore
aria/aria
3 Condensatore del
freon
4 Ventilatore
(per il freon)
5 Condensatore del
freon
6 Valvola termostatica
7 Filtro dell'aria
8 Scaricatore automatico
Trasmissione del calore
fig. 9.13 Essiccatore a ciclo frigorifero.
49
9.16 Scelta del compressore
La scelta del compressore da impiegare per le automazioni pneumatiche è limitata al tipo alternativo a pistoni ed
a quello rotativo a vite elicoidale.
Il tipo a vite elicoidale è preferito quando le portate assorbite sono notevoli e abbastanza costanti. In generale
però la preferenza è data ai compressori a pistoni perchè hanno un rendimento elevato (metri cubi di portata per
ogni kW assorbito); larga possibilità di regolazione; servizio prolungato per parecchi anni e sempre in eccellenti
condizioni di sicurezza.
9.17 Portata del compressore
La stima della portata totale dei compressori si effettua addizionando i consumi previsti delle macchine che
impiegano l'aria compressa.
Nella tabella di fig. 9.14 sono dati i consumi per divresi tipi di utensili.
Per il consumo dei cilindri vedere il cap. 13.17.
Il consumo indicato rappresenta il consumo medio per un funzionamento continuo ma ciò non avviene mai
avendosi, nella maggiore parte dei casi, un funzionamento intermittente che però è diverso da apparecchiatura a
apparecchiatura.
Per tener conto del suddetto funzionamento discontinuo si moltiplica il valore dato per un coefficiente empirico
(cioè ricavato praticamente) detto "fattore di uso", il cui valore è riportato nella tabella di fig. 9.14.
La stima del consumo totale risultante deve essere aumentata di un margine di sicurezza dell'ordine del 20-30%
per piccole e medie installazioni (cioè fino a 100 kW). Per insediamenti più grandi il margine di sicurezza può
essere diminuito, ma senza scendere al disotto del 10%.
Il margine di sicurezza è indispensabile affinché l'installazione possa rispondere alle punte di consumo senza
che il buon funzionamento o il rendimento degli utensili venga ad essere compromesso da un abbassamento di
pressione.
Determinata la portata totale necessaria rimane da scegliere il numero di unità da installare ossia la loro portata
unitaria.
Abitualmente ci si orienta a suddividere la portata in due compressori per garantire la portata al 50% in caso di
avaria di uno di essi, ed eventualmente si aggiunge un terzo compressore di riserva così da garantire sempre la
portata al 100%.
50
fig. 9.14 Consumi medi degli apparecchi pneumatici
51
Capitolo10
RETE DI DISTRIBUZIONE
DELL'ARIA COMPRESSA:
DAL COMPRESSORE
ALL'UTILIZZAZIONE
10.1
10.2
10.3
10.4
10.5
10.6
Tubazioni
Reti di distribuzione
Collocamento delle tubazioni
Separatori di condensa
Valvole di esclusione
Perdite di carico e scelta dei tubi
10. Rete di distribuzione dell'aria compressa: dal compressore
all'utilizzazione
Nelle applicazioni industriali la rete dell'aria compressa rappresenta un servizio generale e, come l'impianto
elettrico ed idrico, dev'essere opportunamente dimensionato ed installato.
Il tipo di impianto può variare con l'uso e le applicazioni, ma in ogni caso bisogna soddisfare le seguenti esigenze:
minimizzare le perdite di pressione tra il compressore e gli utilizzatori, minimizzare le perdite di aria, garantire una
buona separazione della condensa se l'impianto non ha essicatori, garantire la buona resistenza strutturale di
tutti i componenti utilizzati (valvole, serbatoi, tubi, ecc.).
I primi tre punti sono di tipo funzionale e sono di pertinenza del progettista dell'impianto, mentre l'ultimo punto,
che coinvolge la protezione dell'impianto contro il pericolo di scoppi, coinvolge anche gli Enti di sicurezza
preposti.
In fig. 10.1 è rappresentato schematicamente un impianto per aria compressa ed una rete di utilizzazione.
1. Filtro di aspirazione
2. Compressore
3. Refrigeratore intermedio
4. Refrigeratore finale
5. Serbatoio
3
1
4
5
2
fig. 10.1 Impianto per aria compressa.
10.1 Tubazioni
L'aria compressa viene distribuita ai punti di utilizzo attraverso una serie di tubazioni principali che
rappresentano le arterie del sistema.
Il dimensionamento di tali tubazioni dev'essere tale che, anche nel punto più lontano, il flusso d'aria mantenga le
caratteristiche di portata e pressione (la caduta di pressione dev'essere contenuta in 0,3 bar).
10.2 Reti di distribuzione
La realizzazione di un sistema di rete d'aria compressa varia da caso a caso, perché dipende da numerosi fattori
quali: dimensione, struttura dell'ambiente, numero dei punti di erogazione dell'aria compressa, la loro
disposizione ecc.
Il tracciato di fig. 10.3 a), salvo casi di installazione nuova, è il più delle volte il risultato di successivi
ingrandimenti, la rete perciò è di tipo misto con derivazioni ramificate.
Il metodo migliore è quello consistente nel realizzare la tubazione principale a forma di anello chiuso, ved. fig.
10.3 b), con previsti attacchi per connettere tubazioni parallele a formare una eventuale maglia sulla parte della
superficie da servire. Con altre piccole derivazioni l'aria può essere disponibile in ogni punto.
Il sistema a maglie fig. 10.3 c), ha il vantaggio di offrire al passaggio dell'aria diverse vie parallele da un punto
all'altro con riduzione delle perdite di carico.
54
Impianto di generazione
Condotto semplice
Impianto di generazione
Condotto ad anello
Impianto di generazione
fig. 10.3 Tracciati per reti:
a) condotto semplice
b) condotto ad anello
c) condotto a maglie
Rete di collegamenti
10.3 Collocamento delle tubazioni
Impiegando il sistema a maglie, se le tubazioni dell'aria compressa sono montate alle pareti, la tubazione
principale dev'essere collocata abbastanza in alto da non incrociare porte e finestre. Deve formare un anello
chiuso, come descritto in precedenza, e dev'essere dotata delle necessarie tubazioni di derivazione per
alimentare le diverse utenze.
Le tubazioni devono essere installate in modo da non ostacolare il movimento di paranchi o altri mezzi sospesi di
movimento e trasporto e devono essere verniciate contro la corrosione. Le norme di sicurezza identificano le
tubazioni per aria compressa con il colore azzurro.
Se le utenze sono disposte vicino alle pareti, le tubazioni derivate potranno essere convogliate verticalmente ad
esse.
Nei grandi reparti le tubazioni orizzontali vengono sostenute con collegamenti ai soffitti, e dotate di tubazioni di
derivazione verticali alle singole utenze.
Le tubazioni devono essere adeguatamente supportate, ma esenti da dilatazione termica per non dar luogo a
sollecitazioni meccaniche.
Da un punto di vista funzionale, nulla impedisce d'installare le tubazioni a livello di pavimento, sopra di esso.
Questa soluzione è adottata frequentemente con piccoli e medi compressori.
Il tracciato delle tubazioni deve prevedere:
- una loro inclinazione nel senso del passaggio dell'aria dell'uno o due per cento.
- pozzetti di raccolta della condensa (chiamati anche trappole) al termine di ogni percorso inclinato della
condotta, con possibilità dello spurgo in basso in modo da poter essere scaricati facilmente.
Le suddette raccomandazioni, a seconda che la rete sia ramificata oppure a maglie, si traducono in uno o l'altro
dei casi rappresentati in fig. 10.4.
Per evitare che la condensa arrivi alle attrezzature connesse, i tubi che portano l'aria alle utilizzazioni devono
essere raccordati, con gomito semicircolare, sulla parte superiore della tubazione principale (collegamento detto
a pastorale, ved. fig. 10.6).
Spurgo
Spurgo
Spurgo
Rete ramificata
(aperta)
Rete a maglie
(chiusa)
fig. 10.4 Punti di sistemazione degli spurghi.
55
10.4 Separatori di condensa
Si è visto che l'acqua, separata dall'aria compressa, che si deposita nelle tubazioni dell'impianto, viene raccolta
da apparecchi chiamati: separatori di condensa (ved. fig. 10.5).
4
1
2
(a)
(b)
3
5
6
7
fig. 10.5 Separatori di condensa
a) con scarico automatico
b) con scarico manuale.
In questi apparecchi, l'acqua si raccoglie nel bicchiere di materiale trasparente 3 dopo essere passata
attraverso il setaccio 2 che trattiene le eventuali impurità solide.
Quando nel bicchiere si è raccolta una certa quantità d'acqua, la stessa si scarica automaticamente sotto la
spinta della pressione dell'aria attraverso il raccordo 6 mediante il dispositivo di scarico automatico 5.
Il sistema di scarico della condensa può essere anche del tipo manuale ed in questo caso, nella parte inferiore
della tazza è sistemato un rubinetto 7 manovrabile dall'esterno.
Lo scarico automatico è un sistema efficace ed è consigliabile che sia presente nei separatori di condensa posti
in zone poco visibili o difficilmente accessibili.
Nel coperchio 1 di questi apparecchi, è sistemata una valvola di sicurezza 4.
A lato delle figure 10.5 a) e 10.5 b), separatori di condensa, sono riportati i relativi simboli grafici.
In fig. 10.6 sono riportati tre esempi di installazione di un separatore di condensa con relativa valvola di
esclusione.
Incl. 1÷2%
Separatore
con trappola
Attacco a
pastorale
Separazione con
innalzamento
Valvola di
esclusione
Separatore
di condensa
fig. 10.6 Installazione dei separatori di condensa.
56
Attacco
rapido
10.5 Valvole di esclusione
Le valvole di esclusione installate nelle reti di aria compressa sono del tipo a sfera (ved. fig. 10.7) e vengono
montate nei punti più opportuni della rete di aria compressa per poter isolare alcuni tratti, senza togliere l'aria
all'intera rete, in previsione di interventi di manutenzione.
In posizione aperta, la luce delle suddette valvole è uguale a quella del tubo su cui sono montate e perciò non
provocano perdite di carico.
fig. 10.7 Valvola di esclusione.
10.6 Perdite di carico e scelta dei tubi per le reti di distribuzione
Per mantenere un flusso di aria in una tubazione è necessaria una certa differenza di pressione, o caduta di
pressione, per vincere la resistenza di attrito delle pareti della tubazione e dei raccordi.
L'entità della caduta di pressione dipende dal diametro, dalla lunghezza e dalla forma della tubazione, dalla
rugosità delle superfici e dalla velocità del fluido.
Una caduta di pressione è una perdita di energia e comporta quindi un costo operativo.
Per una progettazione adeguata delle tubazione si deve cercare di equilibrare il costo operativo con quello delle
tubazioni.
Perciò la scelta del diametro delle tubazioni risulta da un compromesso tra il costo dell'installazione e l'economia
che risulta dalla diminuzione delle perdite di carico. Questi due valori aumentano tutti e due con il diametro delle
tubazioni
In pratica non sono necessari calcoli sapienti e si può, come risultato dell'esperienza, considerare che:
una installazione di aria compressa è corretta quando la perdita di carico che ha luogo nelle tubazioni,
dal serbatoio della centrale fino alle prese di utilizzazione, è dell'ordine di 10000-30000 Pa (0,1 - 0,3 bar)
ed in generale è consigliabile che non superi il 5% della pressione di esercizio.
La velocità dell'aria, nelle tubazioni, non deve superare i 10 m/s.
Nell'introdurre la lunghezza della tubazione occorre tener conto delle connessioni e dei raccordi. Per comodità di
calcolo, le perdite di carico che si determinano nei suddetti elementi sono equiparate alla lunghezza di un tubo
che presenti le medesime perdite di carico.
Perciò alla lunghezza della tubazione si aggiunge la lunghezza che rappresenta le perdite di carico che si hanno
nelle varie valvole e raccordi dell'impianto.
Nella tabella di fig. 10.8 è indicata la lunghezza equivalente di tubo da aggiungere per le valvole ed i raccordi di
più comune impiego.
E' comunque opportuno prevedere diametri un poco sovrabbondanti per tenere conto del probabile aumento dei
consumi di aria.
57
fig. 10.8 Perdite di carico in lunghezze equivalenti di tubo per valvole e raccordi di più comune impiego.
NOTA: Inizialmente non conoscendo il diametro della tubazione non si può introdurre la lunghezza equivalente
di tubo per considerare le perdite di carico delle valvole e dei raccordi.
Si farà in un secondo tempo come verifica.
Esistono varie tabelle e nomogrammi che permettono di trovare i tubi da impiegare per rimanere entro i limiti delle
perdite di carico ammesse.
Un nomogramma, il cui rilievo risulta semplice ed immediato, è rappresentato nella fig. 10.9.
Con il suddetto nomogramma si possono calcolare i diametri delle tubazioni per portate fino a 100 nm³/min ma
per la sola pressione relativa di 0,7 MPa (7 bar) che è la pressione maggiormente impiegata.
Ipotizzando che la portata nella rete di distribuzione debba essere di 10 nm³/min e desiderando una perdita di
carico pari a 0,1 bar nelle tubazioni (che sono lunghe 200 metri) la procedura è la seguente:
- si pone una riga sul valore della portata (10 nm³/min), rilevato sulla verticale di sinistra, e sul valore della perdita
di carico di un metro di tubo
(
10000 pA
= 50 Pa/m),
200 M
rilevato sulla verticale di destra.
- il punto di coincidenza della riga con la verticale centrale, che determina la dimensione del tubo, cade nel campo
dei tubi da 2½" e 3".
- spostando la riga nelle perdite di carico di 0,45 Pa, per tener conto delle perdite di carico delle valvole e dei
raccordi, il punto rimane sempre nel medesimo campo.
58
fig. 10.9 Nomogramma per la ricerca dei diametri dei tubi per il trasporto di aria con pressione relativa di 7 bar.
59
Capitolo11
TRATTAMENTO E
UTILIZZAZIONE DELL'ARIA
COMPRESSA
11.1
11.2
11.3
11.4
11.5
11.6
11.7
11.8
Filtri
Regolatori di pressione
Lubrificatori
Gruppi di condizionamento F.R.L.
Scelta dei gruppi di condizionamento
Avviatore progressivo
Filtro regolatore
Moltiplicatore di pressione
Simbologia pneumatica
Valvole di controllo della pressione
Pressostato
Valvola limitatrice di pressione
a scarico libero
Valvola limitatrice di pressione
pilotata a scarico libero
Valvola di frequenza
Regolatore di pressione senza
valvola di scarico
Regolatore di pressione pilotato
senza valvola di scarico
Regolatore di pressione senza
valvola di scarico (libero)
Regolatore di pressione
differenziale
Apparecchi per il trattamento dell'aria
Accumulatore pneumatico
(capacità)
Filtro aria
Separatore di condensa a scarico
manuale
Separatore di condensa a scarico
automatico
Filtro - separatore di condensa a
scarico manuale
Filtro - separatore di condensa a
scarico automatico
Lubrificatore a nebbia o
micronebbia d'olio
Gruppo filtro - regolatore
di pressione - lubrificatore
(simbolo dettagliato)
Gruppo filtro - regolatore
di pressione - lubrificatore
(simbolo semplificato)
Manometro
62
11. Trattamento e utilizzazione dell'aria compressa
Il trattamento dell'aria compressa è necessario per raggiungere i requisiti richiesti dalle apparecchiature
pneumatiche.
La durata ed il regolare funzionamento di un sistema pneumatico dipende prevalentemente:
- dal grado di filtraggio dell'aria compressa
- dalla stabilità della pressione di alimentazione
- dalla esatta lubrificazione delle parti in movimento, quando necessario.
Una trasmissione pneumatica attinge, per ottenere il fluido motore, direttamente dalla rete di distribuzione. Un
esempio semplice (ved. fig. 11.1) è costituito da:
- collegamento alla rete di distribuzione, normalmente con tubo flessibile 2 ed attacco rapido 1.
- gruppo di trattamento dell'aria 3 costituito da:
- filtro, regolatore di pressione con manometro, lubrificatore.
fig. 11.1 Collegamento del gruppo di trattamento dell'aria compressa alla rete di distribuzione.
In un impianto, i gruppi di trattamento aria vengono collocati a monte delle apparecchiature pneumatiche.
La struttura di un gruppo trattamento aria è costituito da:
- filtro: effettua la separazione finale dei corpi estranei ancora contenuti nell'aria.
- regolatore di pressione: porta il valore della pressione di rete, che è variabile, ad un valore inferiore, però
costante, previsto nel progetto dell'impianto.
- manometro: misura ed indica la pressione relativa della trasmissione, a valle del regolatore di pressione.
- lubrificatore: introduce nel fluido una quantità regolabile di olio lubrificante, sotto forma di nebbia o micronebbia.
11.1 Filtri
I filtri servono ad eliminare dall'aria compressa eventuali particelle solide e l'umidità condensata contenute
nell'aria.
L'aria non contiene solo vapor d'acqua, ma anche polvere, particelle solide fortemente abrasive, gas corrosivi,
vapori d'olio fortemente degradato dal calore del compressore ecc.
63
Eliminando parte delle sostanze solide con filtri sistemati all'aspirazione dei compressori ed adottando i sistemi
esposti, si ottiene un'aria abbastanza secca e pulita.
Pertanto,
i filtri (ved. fig. 11.2), impiegati nelle linee di utilizzazione, permettono di eliminare la condensa residua e di
fermare le impurità.
fig. 11.2 Filtro.
Riferendoci alla fig. 11.2, l'aria entra nella parte superiore dell'apparecchio con direzione verso il basso ed
assume un violento moto rotatorio attraversando una piastra fissa ad alette inclinate 2 (centrifugatore).
Le gocce di acqua residue, assieme alle impurità solide, vengono proiettate contro le pareti interne del bicchiere
per effetto della forza centrifuga, cadendo poi per gravità.
Il tutto si raccoglie nel fondo del bicchiere che, essendo in quiete perché protetto dallo schermo 6, non è soggetto
al risucchio del flusso d'aria.
Nella parte più bassa del bicchiere è situato un dispositivo 4 per lo scarico automatico o un rubinetto 7 per lo
scarico manuale.
Se lo scarico è di tipo manuale, occorre fare attenzione che l'acqua non raggiunga lo schermo 6 per evitare che
venga aspirata e trascinata in rete.
L'aria compressa deumidificata, prima di uscire dall'apparecchio viene fatta passare dall'esterno verso l'interno
di un elemento filtrante 5 materiale poroso che provvede a trattenere le rimanenti impurità.
La porosità degli elementi filtranti indica la particella d'impurità più piccola che può essere trattenuta.
Es. Un filtro da 50µ m è in grado di trattenere tutte le particelle di diametro uguale o superiore a 50µ m.
Normalmente con l'apparecchio vengono forniti elementi filtranti con porosità di 50µ m ma, si possono avere
anche filtri da 20 o 5µ m.
La tazza è normalmente realizzata in policarbonato. Per sicurezza è protetta da una tazza metallica o in
tecnopolimero antiurto; se la tazza è esposta a calore, scintille etc. dev'essere completamente metallica.
Un altro tipo di filtro a doppia azione filtrante (detto a due stadi) è rappresentato in fig. 11.3. Detto filtro è capace
di togliere all'aria le particelle solide organiche ed inorganiche al 99,7% e di favorire l'agglomerazione delle
particelle liquide fino a formare delle gocce che precipitano sul fondo del bicchiere.
La suddetta agglomerazione è chiamata coalescenza ed i relativi filtri: filtri a coalescenza.
64
Nei filtri a coalescenza sono necessari interventi manutentivi frequenti consistenti nella pulizia degli elementi
filtranti. E' buona regola anteporre un prefiltro a monte del coalescente.
fig. 11.3 Filtro depuratore
Riferendoci alla fig. 11.3, l'aria entra in un prefiltro che arresta le principali impurità solide, poi passa attraverso il
secondo filtro, che oltre ad arrestare le rimanenti impurità solide, fino a 0,1 µ, trasforma in stato liquido i vapori
d'acqua e d'olio che vanno a depositarsi nel fondo del bicchiere.
Successivamente il liquido viene espulso all'esterno con dispositivi automatici o manuali.
In certi processi industriali, come ad esempio le industrie alimentari, farmaceutiche ecc., è necessario che l'aria
sia totalmente priva di vapori d'olio.
Si ottiene questo facendo passare l'aria (già filtrata dai due filtri) attraverso un elemento assorbente che
normalmente è costituito da una cartuccia di carbone attivo (carbone amorfo che possiede un notevole potere
assorbente verso i gas e vapori).
A monte dei suddetti filtri è bene installare un prefiltro di sgrossatura, da venticinque micron, per evitare un veloce
intasamento degli elementi filtranti di questi apparecchi.
65
I componenti FRL sono dimensionati considerando le portate richieste.
Il dimensionamento del filtro dipende dalla caduta di pressione ammissibile.
Per un filtro la minima caduta di pressione per un funzionamento corretto è 0,1 bar, la massima consentita al
più alto valore di portata è di 1 bar.
I diagrammi mostrano le curve di portata per filtri serie 1700 taglia 1 (1/8" - 1/4"), taglia 2 (1/4" - 3/8"),
taglia 3 (3/8" - 1/2"), e taglia 4 (3/4" - 1").
Curve di portata
Curve di portata
Pressione di alimentazione (bar)
Pressione di alimentazione (bar)
4
2.5
6.3
1
0.7
0.9
0.6
0.8
Caduta di pressione (bar)
Caduta di pressione (bar)
2.5
0.8
0.5
0.4
0.3
0.2
6.3
4
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.1
0.2
0
200
400
600
800
1000
0.1
Portata (Nl/min.)
0
400
800
1600
1200
2000
2400
Portata (Nl/min.)
Taglia 1
Taglia 2
Curve di portata
Curve di portata
Pressione di alimentazione (bar)
Pressione di alimentazione (bar)
2.5
1
4
6.3
2.5
1
Caduta di pressione (bar)
Caduta di pressione (bar)
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
4
6.3
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0
0
500
1000
1500
2000
2500
5000
3000
Portata (Nl/min.)
Taglia 3
2500
Portata (Nl/min.)
Taglia 4
66
7500
10000
La ritenzione del filtro depuratore ha una efficienza pari al 99,97% e trattiene le particelle di polvere di 0,1 µ.
I vapori di olio e la nebbia d'acqua vengono trasformate in liquido per effetto coalescente all'interno del
materiale filtrante. Le gocce si raccolgono sul fondo della tazza in materiale termoplastico.
I diagrammi mostrano le curve di portata per filtri depuratori della serie 1700 taglia 1 (1/8" - 1/4"), taglia 2
(1/4" - 3/8"), taglia 3 (3/8" - 1/2"), e taglia 4 (3/4" - 1").
Curve di portata
Curve di portata
Pressione di alimentazione (bar)
2.5
Pressione di alimentazione (bar)
0.5
0.20
0.15
2.5
Caduta di pressione (bar)
Caduta di pressione (bar)
0.25
4
Portata massima consigliata
per un funzionamento ottimale
6.3
0.10
4
Portata massima consigliata
per un funzionamento ottimale
0.4
6.3
0.3
0.2
0.1
0.05
0
0
50
100
150
200
250
150
300
300
450
600
750
900
1050
Portata (Nl/min.)
Portata (Nl/min.)
Taglia 1
Taglia 2
Curve di portata
Curve di portata
Pressione di alimentazione (bar)
2.5
0.4
2.5
0.4
4
Portata massima consigliata
per un funzionamento ottimale
0.3
6.3
0.2
0.1
0
200
400
600
800
Caduta di pressione (bar)
Caduta di pressione (bar)
Pressione di alimentazione (bar)
1200
6.3
0.2
0.1
0
Portata (Nl/min.)
Taglia 3
600
1200
1800
Portata (Nl/min.)
Taglia 4
67
4
Portata massima consigliata
per un funzionamento ottimale
0.3
2400
3000
11.2 Regolatori di pressione
Il regolatore di pressione è un dispositivo che consente di ridurre, regolare e stabilizzare la pressione dell'aria a
disposizione in rete, adattandola alle esigenze degli apparecchi da alimentare.
Nel funzionamento di apparecchiature azionate ad aria, la regolazione è necessaria per restare entro i limiti
stabiliti dal costruttore.
Con pressioni più alte di quelle raccomandate, il grado di usura aumenta e di conseguenza diminuisce la durata
delle apparecchiature; per contro, con pressioni inferiori, si ottiene una considerevole perdita di efficienza.
L'aria compressa, sia nei serbatoi che nelle reti di distribuzione è soggetta a continue oscillazioni di pressione,
dovute agli assorbimenti incostanti dell'utenza e alle intermittenze di funzionamento dei compressori, pertanto
una regolazione è sempre necessaria per ridurre la pressione primaria ai valori desiderati e per livellare le
oscillazioni.
Funzionamento
La pressione secondaria è impostata agendo su di una vite che carica la molla di regolazione la quale, agendo
sulla membrana spinge un'asta solidale con una valvola ad otturatore. É così
consentito il passaggio dell'aria in ingresso con pressione primaria P1 verso la via di uscita della pressione
secondaria P2.
Quando il valore di pressione P2 sale, reagisce sulla parte inferiore della membrana contrastando la forza della
molla che agisce sulla sua parte superiore.
Al raggiungimento dell'equilibrio tra le due forze la valvola ad otturatore si porta nella posizione di chiusura.
Quando un consumo è richiesto, P2 diminuisce e con essa la forza antagonista sulla parte inferiore della
membrana. La valvola si muove verso il basso incrementando il flusso d'aria attraverso la valvola stessa finchè
il flusso in entrata non eguagli il consumo.
Senza consumi d'aria la valvola è chiusa.
68
Funzione relieving
Se la pressione P2 sale al di sopra del valore impostato, vuoi per un nuovo valore impostato di P2 (inferiore) o
per una spinta esterna contraria esercitata da un cilindro attuatore, la membrana si solleva aprendo la sede
"RELIEVING" che scarica l'aria attraverso un foro situato nella campana del regolatore in atmosfera.
Compensazione della portata
Con consumi di aria molto alti la valvola è molto aperta, la molla estesa, quindi la forza che agisce sulla
membrana è più debole.
L'equilibrio tra forza antagonista e forza della molla avviene ad un valore inferiore.
Bisogna avvalersi di un accorgimento che instauri un diverso equilibrio tra molla e pressione P2 tenendo
presente che il valore della reazione della molla è più basso (vedi fig. 11.4).
Questo significa che dovremo diminuire il valore di P2 che agisce sotto la membrana per incrementare
ulteriormente la portata.
fig. 11.4
Indebolimento della molla a portate elevate
A
Molla
B
Pressione equivalente
Nel caso B la molla è più estesa del 10% rispetto ad A e, come si vede nel diagramma, l'equilibrio delle forze
si assesta su di un valore più basso (2 anziché 4 bar).
Allo scopo creeremo una terza camera sotto la membrana. Come mostrato nella figura 11.5 la camera P2
viene collegata, attraverso un foro, con la camera P3.
Il foro è posto nel punto in cui la velocità del flusso è più elevata.
Siccome la pressione statica diminuisce con l'aumentare della velocità del flusso, P3 è inferiore a P2.
Il diaframma "sente" quindi una pressione più bassa. Più alta sarà la velocità, più alta sarà la differenza tra
P2 e P3 come definito nell'equazione di Bernoulli. Un tubetto, con l'estremità tagliata obliqua, orientata verso
l'uscita e posto al centro del flusso, ne accentua l'effetto compensando adeguatamente la portata (fig. 11.5).
69
fig. 11.5
La molla ideale dovrebbe avere un andamento parallelo all'asse di riferimento della pressione equivalente, ma
questo significherebbe concepire una molla di lunghezza e di numero di spire difficilmente definibile.
La caratteristica elastica della molla deve avere quindi un andamento non eccessivamente inclinato perché
altrimenti il fenomeno verrebbe accentuato.
Un campo ridotto ad una pressione più bassa richiede una molla più debole ed una caratteristica meno ripida.
Un ampio campo di pressione regolata richiede una molla più robusta con una caratteristica molto inclinata
essendo lo spazio disponibile per l'alloggiamento uno spazio fisso.
Compensazione della pressione
(otturatore bilanciato o sbilanciato)
La pressione in ingresso P1 è sottoposta alle oscillazioni che sono presenti nella rete di distribuzione dovute alla
pressione minima e massima d'inserimento e stacco del compressore. Le variazioni di pressione in entrata
influenzano la pressione di uscita P2.
Quando la pressione P1 aumenta, sulla parte inferiore della valvola ad otturatore agisce una forza che contrasta
la molla di regolazione falsando P2, perché la valvola tende a chiudersi.
Questo significa che c'è una pressione più bassa in uscita se comparata a quella regolata.
La soluzione si ottiene creando sulla valvola ad otturatore superfici su cui possono agire P1 e P2 equilibrandosi
(vedi fig. 11.6)
fig. 11.6
La figura 11.7 mostra la sezione di un regolatore provvisto di tutte le caratteristiche sino ad ora citate. La qualità di
un regolatore dipende dalla sua capacità di mantenere esatta la pressione P2 indipendentemente dai valori di P1
e della portata.
70
fig. 11.7
Bisogna inoltre tenere presente che quando la valvola è completamente aperta, il regolatore lavora come una
restrizione fissa e la pressione P2 cade rapidamente.
Dimensionamento di un regolatore
Un regolatore è dimensionato per potere soddisfare le portate richieste con un'accettabile variazione della
pressione impostata.
Le caratteristiche di portata sono visibili sui diagrammi che le case costruttrici riportano sui cataloghi.
Queste curve presentano tre parti distinte:
1 Condizione iniziale in cui una piccola luce di apertura della valvola non consente una corretta regolazione.
2 Campo di regolazione
3 Condizione critica in cui la valvola è completamente aperta e qualsiasi ulteriore regolazione è praticamente
impossibile.
fig. 11.8
Il diagramma evidenzia come la zona di regolazione 2 soddisfi le esigenze di portata/pressione. Un ampio campo
di pressione regolata richiede una molla più forte con caratteristiche ripide visto che lo spazio disponibile per la
stessa è fisso. Per campi di regolazione meno ampi richiedono molle più deboli con caratteristica meno rapida. Il
secondo caso assicura una regolazione più precisa proprio per le caratteristiche della molla.
Un buon dimensionamento permette al regolatore di lavorare entro valori ottimali di apertura della valvola ad
otturatore.
Un regolatore è quindi dimensionato per poter soddisfare le portate richieste con accettabili variazioni della
pressione imposta.
Esempio: se volessimo impostare una pressione di uscita di 1,5 bar dovremmo usare un regolatore che preveda
una molla per regolazione in uscita da 0 a 2 bar e non un regolatore per pressione P2 da 0 a 8 bar (a parità
di Q). Per un tale valore di pressione regolata le molle, a parità di lunghezza libera (LO) avranno un incremento di
forza per frazione di escursione (compressione) completamente diverso.
71
Se esaminiamo la figura 11.9.
La molla A effettuerà a parità di reazione una "corsa" più
lunga rispetto alla molla B (L1). Il risultato sarà che il
regolatore con molla A lavorerà in condizioni 2 avendo
aperto la valvola ad otturatore in maniera corretta, il
regolatore B lavora in condizioni 1 in cui la piccola luce di
apertura della valvola di otturazione non consente una
corretta regolazione. Il regolatore con molla A assicura
una regolazione più precisa. I diagrammi mostrano
curve di regolazione e di portata (nella zona 2 del
diagramma di figura 11.8) per regolatori della serie 1700
taglia 1 (1/8" - 1/4") taglia 2 (1/4" - 3/8"), taglia 3 (3/8" 1/2") e taglia 4 (3/4" - 1").
fig. 11.9
Caratteristiche di regolazione
Curve di portata
7
Pressione di alimentazione (7 bar)
Pressione a valle (bar)
Pressione a valle (bar)
6
5
4
3
2
5
Portata Q=22 Nl/min.
4
Portata Q=15 Nl/min.
3
2
1
1
0
Portata Q=34 Nl/min.
6
7
200
400
600
800
1000
Taglia 1
2
0
4
6
8
10
Pressione a monte (bar)
Portata (Nl/min.)
Curve di portata
Caratteristiche di regolazione
7
Pressione di alimentazione (7 bar)
Pressione a valle (bar)
7
Pressione a valle (bar)
6
5
4
3
2
Portata Q=78 Nl/min.
6
5
Portata Q=50 Nl/min.
4
Portata Q=33 Nl/min.
3
2
1
1
Taglia 2
0
500
1000
1500
2000
2
0
2500
4
6
8
Pressione a monte (bar)
Portata (Nl/min.)
Curve di portata
Caratteristiche di regolazione
Pressione di alimentazione (7 bar)
7
Portata Q=138 Nl/min.
7
6
Pressione a valle (bar)
Pressione a valle (bar)
6
5
4
3
2
1
0
5
Portata Q=90 Nl/min.
4
Portata Q=60 Nl/min.
3
2
1
700
1400
2100
2800
3500
Taglia 3
2
0
Portata (Nl/min.)
Curve di portata
7
6
8
10
2.06
Pressione a valle (bar)
6
Pressione a valle (bar)
4
Caratteristiche di regolazione
Pressione di alimentazione (7 bar)
5
4
3
2
1
Taglia 4
2.04
Punto di partenza
2.02
2.00
1.98
1.96
1.94
1.92
0
0
10
2000
4000
6000
8000
10000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Pressione a monte (bar)
Portata (Nl/min.)
Si noti come nelle curve di regolazione il punto critico si trovi quando con consumi fissi la pressione regolata P2
sia molto vicina alla pressione a monte P1.
72
Isteresi
La qualità è anche individuata in un basso valore d'isteresi e da una buona ripetibilità.
L'isteresi è il fenomeno che principalmente influisce sulla caratteristica P1/P2.
Quando variano i P1 in salita da 3 a 9 bar ed in discesa da 9 a 3 bar, il valore di P2 impostato in uscita non sarà lo
stesso quando misurato in salita e quando misurato in discesa. La differenza tra i due valori è l'isteresi. Il valore
P2 segue sempre con un po' di ritardo la variazione di P1 che è la variabile prevalente.
In un sistema di trasmissione meccanico questo fenomeno è dovuto ai giochi ed agli attriti.
In un sistema pneumatico ciò è dovuto:
1 - dall'attrito di ORING
2 - dalla deformazione unilaterale delle guarnizioni a tenuta frontale quando vengono compresse sulla sede di
tenuta.
3 - dalla resistenza meccanica dovuta alla deformazione della membrana. Allo scopo la sua forma è ondulata e
non piatta per ridurre al massimo tale resistenza.
Ripetibilità
La ripetibilità definisce la deviazione da un valore di P2 prefissato quando venga tolta P1 e poi ripristinata.
Tale deviazione è espressa in percentuale.
11.3 Lubrificatori
In un lubrificatore viene generata una caduta di pressione tra ingresso e uscita direttamente proporzionale alla
portata. Questo Dp (differenza di pressione) provoca il sollevamento dell'olio della tazza verso la cupola
trasparente.
Una linguetta flessibile posta dopo l'ingresso del lubrificatore consente un'autoregolazione della sezione di
passaggio in funzione della portata ed assicura una miscela costante aria-olio anche al variare della portata.
L'aria entrando nel lubrificatore segue due cammini:
Entra nella tazza attraverso una valvola unidirezionale realizzata per pressurizzare lentamente la camera.
Oltrepassa la linguetta flessibile.
Nel caso di violente pressurizzazioni, le turbolenze provocherebbero emulsioni con l'olio presente nella tazza.
Quando non c'è portata tutto il sistema è in quiete. La pressione è identica in tutte le parti del lubrificatore e non vi
è movimento di olio. Con basse portate la linguetta è completamente chiusa e l'aria s'incanala in un foro che
serve ad innescare la lubrificazione. Quando la portata aumenta la "valvola Venturi" si apre e provoca una caduta
di pressione. Un foro capillare è connesso con la cupola trasparente nella zona di bassa pressione subito dopo la
linguetta flessibile.
La pressione nella tazza è quindi superiore a quella del sistema capillare cupola.
La differenza di pressione costringe l'olio a salire lungo il tubo, superare la valvola di non ritorno e fluire attraverso
un regolatore di flusso fino al capillare cadendo sotto forma di goccioline nella corrente d'aria principale dove la
velocità è più alta.
L'olio viene frantumato in piccole particelle, quindi atomizzato, e miscelato in maniera omogenea dalla
turbolenza creata a valle della linguetta flessibile. La linguetta, come già accennato, consente, flettendosi, di
aumentare la sezione di passaggio all'aumentare della portata per correggere automaticamente la caduta di
pressione e mantenere l'apporto d'olio proporzionale alla portata.
Una valvola di non ritorno nella condotta dell'olio consente, anche in mancanza di un temporaneo flusso di aria, di
trattenere una certa quantità di lubrificante nel condotto capillare.
Il regolatore di flusso consente di regolare la quantità di olio fornita.
Affinché si possa innescare la lubrificazione è richiesto un valore minimo di portata.
Questo dato viene indicato nei cataloghi congiuntamente ai tipi di lubrificanti consigliati.
Il requisito principale di un lubrificatore è che l'aria che lo attraversa dev'essere arricchita di una miscela
omogenea di olio su di una vasta gamma di portate.
Tipi di olio utilizzabili e viscosità degli stessi vengono sempre indicati nei cataloghi dei costruttori.
É sconsigliato l'uso di olii non indicati perché potrebbero danneggiare gli apparecchi che vengono lubrificati.
73
Valori di portata a diverse pressioni di alimentazione con le relative cadute di pressione sono consultabili sui
cataloghi delle case costruttrici per una corretta scelta di queste apparecchiature. (fig. 11.10)
fig. 11.10
Curve di portata di lubrificatori serie 1700 taglia 1 (1/8" - 1/4"), taglia 2 (1/4" - 3/8"), taglia 3 (3/8" - 1/2") e taglia 4
(3/4" - 1").
Curve di portata
Pressione di alimentazione (bar)
Curve di portata
2.5
Pressione di alimentazione (bar)
2.5
4
6.3
1
1
Caduta di pressione (bar)
Caduta di pressione (bar)
6.3
0.9
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.1
0
200
400
600
800
1000
1200
0
1400
300
600
Taglia 1
Curve di portata
2.5
4
6.3
2.5
0.9
Caduta di pressione (bar)
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
2100
2400
4
6.3
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
2400
1800
Curve di portata
1
1600
1500
Pressione di alimentazione (bar)
1
800
1200
Taglia 2
Pressione di alimentazione (bar)
0
900
Portata (Nl/min.)
Portata (Nl/min.)
Caduta di pressione (bar)
4
3200
4000
4800
0
5600
2500
5000
Portata(Nl/min.)
Portata(Nl/min.)
Taglia 3
Taglia 4
74
7500
10000
11.4 Gruppi di condizionamento F.R.L.
I gruppi di condizionamento costituiscono un'unità indispensabile affinché l'aria fornita ai componenti pneumatici
sia secca e pulita, regolata come pressione e lubrificata, garanzia questa di una buona sicurezza di
funzionamento. Sono costituiti (ved. fig. 11.11) da un filtro 1, da un riduttore di pressione con manometro 2 e da un
lubrificatore 3 interconnessi in un unico blocco.
Detti gruppi vengono chiamati F.R.L., che sono le iniziali dei singoli componenti.
Vengono installati a monte delle apparecchiature o dei circuiti nell'ordine indicato.
1
3
2
fig. 11.11
11.5 Scelta dei gruppi di condizionamento
I filtri, i riduttori ed i lubrificatori sono classificati in base alla loro connessione filettata che è di tipo GAS (1/8"-1/4"1/2"...ecc.).
Per le normali applicazioni è accettabile scegliere il gruppo F.R.L. secondo le dimensioni delle condotte.
Per una scelta più accurata occorre analizzare i diagrammi d'impiego che le aziende del settore hanno elaborato
per ogni singolo componente, tenendo comunque presente che i fattori essenziali sui quali basarsi per procedere
alla scelta del tipo sono:
per i filtri
1) particolari requisiti dell'aria richiesta dal circuito:
aria solo grossolanamente depurata, aria assolutamente esente da impurità solide, aria assolutamente
esente da olio, ecc..
2) portata d'aria.
3) particolari condizioni di installazione: pressione, presenza di sostanze corrosive.
75
I diagrammi permettono di determinare il tipo adatto in base alla portata, alla pressione a monte (di esercizio) ed
alla perdita di carico che l'apparecchio provoca alle varie condizioni di funzionamento.
Da considerare che è errato un sovraddimensionamento perché, in tal caso, il movimento ciclonico dell'aria al
suo interno verrebbe attenuato e si avrebbe una riduzione del grado di separazione della condensa. D'altra
parte, un filtro sottodimensionato, pur esaltando l'effetto ciclonico dell'aria per la separazione della condensa,
causerebbe elevate cadute di pressione.
Con il valore della caduta di pressione, che va contenuto intorno a 0,1 bar, è facile rilevare sul diagramma
l'elemento adatto in funzione della portata.
per i regolatori di pressione
1) grado di precisione della pressione in uscita.
2) portate d'aria
I diagrammi permettono di determinare il tipo adatto in base alla portata richiesta, alla pressione a monte (di
esercizio) ed alla pressione desiderata a valle (di lavoro).
Quand'è richiesta una regolazione di maggiore precisione con portate di fluido variabili, è consigliabile scegliere
il regolatore per una portata maggiore di quella prevista.
per i lubrificatori
1) lunghezza e complessità del circuito asservito.
2) portata d'aria.
I diagrammi permettono di trovare il tipo adatto in base alla portata richiesta, alla pressione a monte (di lavoro) ed
alla perdita di carico che l'apparecchio provoca alle varie condizioni di funzionamento.
Il migliore rendimento di un lubrificatore si ottiene con portate che vanno da 0,4 a 0,7 volte la portata massima
idonea al funzionamento dell'apparecchio,
contenendo la caduta di pressione intorno a 0,1 bar.
Da tenere presente che il dispositivo Venturi funziona entro una gamma ben precisa di portate, al di sotto della
quale il lubrificatore non s'innesca e al di sopra crea una forte caduta di pressione.
Per una corretta lubrificazione degli impianti pneumatici è necessario immettere nel circuito 80-90 gocce di olio
per ogni normale metro cubo di aria utilizzata così, ad esempio, se un impianto assorbe mediamente 5 nm³/h di
aria, occorre immettere 400-500 gocce ogni ora cioè, una goccia ogni 9-10 secondi..
11.6 Avviatore progressivo
Quando si alimenta con aria compressa un circuito, la pressione di lavoro non si stabilisce istantaneamente con il
medesimo valore in tutti i punti, ma con tempi variabili, che dipendono dalla struttura del circuito stesso.
Il tempo di transizione in cui si stabiliscono pressioni diverse in diversi punti è breve ma può accadere che si
verifichino dei movimenti di attuatori non previsti che, oltre ad essere pericolosi, possono compromettere la
funzionalità dell'impianto.
Per evitare simili disfunzioni occorre immettere l'aria nel circuito gradualmente in modo che in tutti i punti venga
raggiunta la medesima pressione nel medesimo tempo.
L'immissione graduale è sufficiente attuarla fino alla pressione di tre bar dopo di che si può proseguire in modo
rapido.
76
Un tale modo di alimentazione si può ottenere impiegando gli avviatori progressivi (ved. fig. 11.12), che
vengono montati a valle del gruppo FRL.
Abbinando l'apparecchio ad un interruttore elettrico si ottiene un consenso elettrico contemporaneamente a
quello pneumatico.
L'avviatore progressivo è costituito da due valvole che connesse opportunamente tra loro permettono d'inviare
aria compressa ad un circuito con immissione graduale dell'aria fino ad una soglia di pressione prefissata, dopo
di ché, liberare la piena pressione in modo rapido. La pressione in uscita dal gruppo FRL viene inviata alla bocca
d'ingresso dell'avviatore progressivo fig. 11.12.
Attraverso una canalizzazione la stessa aria viene inviata direttamente all'ingresso normalmente chiuso
dell'elettropilota, alla via normalmente chiusa di una valvola 2/2 (2 vie, 2 posizioni) - (a) e di una 3/2 (3 vie, 2
posizioni) - (b) attraversando prima una valvola regolatrice di flusso unidirezionale. Quando la bobina
dell'elettropilota viene eccitata, l'aria è libera di fluire verso il pistoncino di pilotaggio della valvola 3/2 (b) che
libera la pressione in uscita fluendo attraverso la strozzatura variabile.
Attraverso un secondo canale collegato con la via di uscita della valvola b l'aria viene inviata al pistoncino della
porzione pilota della valvola 2/2 (a). Quando la soglia di pressione raggiunge il valore di commutazione della
valvola (a) la pressione in ingresso sarà libera di fluire verso l'uscita attraverso la valvola (b) già
aperta con condizioni di pressione identiche a quelle in entrata allimentando rapidamente il circuito. Quando la
bobina dell'elettropilota viene diseccitata la valvola (b) si richiude e scarica l'aria del circuito attraverso la via di
scarico. Anche la valvola (a) ritorna in condizioni di riposo. (vedi fig. 11.12)
fig. 11.12
La fig. 11.13a rappresenta, in modo schematico (metodo di assemblaggio), un gruppo combinato FRL con
montato: a monte (ingresso aria) una valvola di intercettazione, sul riduttore (con staffa e ghiera di fissaggio) è
montato un manometro e a valle del gruppo FRL (uscita aria) vi è montato un avviatore progressivo
elettropneumatico.
il grande vantaggio di questi gruppi consiste: nell'essere modulari e facili da assemblare senza l'ausilio di
eventuali elementi aggiuntivi di fissaggio.
Da notare che la valvola d'intercettazione può essere dotata (come risulta in fig. 11.13b) di lucchetto a chiave per
impedire una messa in pressione, non prevista, dell'impianto.
77
fig. 11.13a Gruppo combinato FRL con valvola di intercettazione e avviatore progressivo
(metodo di assemblaggio).
fig. 11.13b Valvola di intercettazione
78
11.7 Filtro regolatore
Il filtro regolatore è un apparecchio che integra nello stesso corpo un filtro ed un regolatore di pressione.
Le caratteristiche tecniche di quest'unità combinata sono le stesse dei corrispondenti apparecchi singoli.
Come si può notare nella figura 11.14 la parte inferiore è costituita da un filtro che provvede con le medesime
prestazioni della rispettiva taglia a filtrare l'aria, convogliandola poi nella parte superiore, costituita da un
regolatore di pressione che invia verso l'uscita l'aria con pressione regolata.
L'unità così costituita permette un risparmio in termini di costo ed una riduzione d'ingombri.
fig. 11.14
11.8 Moltiplicatore di pressione
A volte, la spinta generata da un cilindro pneumatico è insufficiente a compiere la funzione a lui affidata.
É necessario quindi, dove possibile, aumentare la pressione di esercizio, oppure, compatibilmente con la
struttura della macchina, impiegare un cilindro di alesaggio superiore.
Quando non sia possibile usare un cilindro di più grosse dimensioni è utile impiegare il moltiplicatore di pressione
che può utilizzare come fluido motore la stessa aria compressa dell'impianto.
Questo componente ha un rapporto di compressione 1:2.
Il principio di funzionamento si basa sull'effetto pompa di un cilindro a quattro camere (vedi figura 11.15), dove
alternativamente due camere comprimono l'aria presente nella camera di moltiplicazione e la quarta è in scarico.
La circuitazione interna, composta da due finecorsa che sentono la posizione dei pistoni, da una valvola bistabile
comandata dagli stessi che provvede ad inviare alternativamente aria ai due lati del moltiplicatore.
Quattro valvole di ritegno opportunamente collegate permettono l'uscita dell'aria verso la camera di
compressione.
Il moltiplicatore pompa continuamente aria fino al raggiungimento, nel circuito a valle, di un valore di pressione
doppio rispetto alla pressione in ingresso, dopodiché si arresta in quanto si sono create condizioni di equilibrio.
Quando la pressione a valle scende il moltiplicatore riprende il suo moto alternato finché non si crei di nuovo
l'equilibrio.
I moltiplicatori vengono anche forniti con un regolatore di pressione in entrata per meglio potere regolare la
pressione in uscita.
É bene ricordare che il moltiplicatore di pressione realizza il rapporto 1:2 quando il consumo d'aria è nullo.
Questo significa che è possibili pressurizzare con tale rapporto un serbatoio.
Quando intervengono consumi d'aria il rapporto può variare in funzione delle portate richieste e delle pressioni in
gioco.
Diagrammi contenenti curve di portata e curve di tempo per il riempimento di un serbatoio ne evidenziano le
caratteristiche.
79
CAMERA 2
IN
EXH
CAMERA 1
CAMERA 3
EXH
CAMERA 4
OUT
fig. 11.15
Curva del tempo di riempimento
di un serbatoio di 10 litri
Diagramma delle portate
2.0
12
Rapporto K (P2 /P1)
Pressione moltiplicata P2 (bar)
14
10
8
6
4
P1=7 bar
P1=6 bar
P1=5 bar
P1=4 bar
1.6
1.2
0.8
0.4
2
0
0
100 200 300 400 500
Portata (NI/min.)
P1 = Pressione in ingresso
6
12
18
24
Tempo (sec.)
P1 = Pressione in ingresso
P2 = Pressione serbatoio
80
30
Capitolo12
RACCORDi, TUBI E GIUNTI
RAPIDI
12.1 Raccordi
12. Raccordi, tubi e giunti rapidi
I componenti dei circuiti pneumatici vengono collegati tra loro mediante raccordi e tubi che consentono il
trasporto dei segnali e l'alimentazione degli attuatori.
12.1 Raccordi
I raccordi sono formati da un nipplo filettato maschio (ma che può essere anche femmina) che viene avvitato nei
fori per connessioni degli elementi pneumatici (cilindri, distributori, valvole, temporizzatori ecc.), e da un dado di
serraggio o da una pinza elastica.
La filettatura può essere del tipo a gas oppure metrica.
La fig. 12.1 rappresenta cinque tipi di raccordi con diversi sistemi di bloccaggio (dal tipo "a" al tipo "e").
3
2
1
a)
b)
c)
d)
e)
fig. 12.1 Tipi di raccordi.
- Tipo a): oltre al nipplo 1 e al dado di serraggio 2, comprende l'anello di serraggio 3 con battuta di arresto. Il tubo
viene introdotto nell'anello di serraggio. Avvitando il dado, l'anello di serraggio si deforma, provocando un
leggero strozzamento del tubo, senza generare intagli.
L'anello di serraggio non è riutilizzabile.
La filettatura di connessione è di tipo conico.
Si può impiegare con tubi di rame e di plastica.
- Tipo b): è simile al tipo a) ma l'anello di serraggio è passante ed ha una conicità in entrambi i lati. Il tubo viene
introdotto nell'anello e spinto fino all'arresto del nipplo.
Stringendo il dado di serraggio l'anello biconico si deforma e le sue estremità penetrano nel tubo generando due
piccoli intagli.
L'anello di serraggio non è riutilizzabile.
La filettatura di connessione è di tipo conico.
S'impiega con i tubi di rame.
- Tipo c): il nipplo ha l'estremità a codolo con un ingrossamento. Il tubo viene calzato sul codolo e bloccato con il
dado di serraggio.
Si può scollegare facilmente ma ha lo svantaggio di avere, per un tratto, il foro interno di minor diametro.
La filettatura di connessione è di tipo cilindrico.
S'impiega con i tubi di plastica.
- Tipo d): il nipplo ha il codolo portagomma. Il tubo viene calzato semplicemente sul codolo.
Oltre ad avere, per un tratto, il foro interno di minor diametro, lo scollegamento del tubo è difficoltoso.
La filettatura di connessione è di tipo conica.
E' adatto per i tubi di plastica.
- Tipo e): entro il nipplo sono collocati un anello torico di tenuta ed una pinza elastica per il bloccaggio del tubo. Il
tubo viene spinto fino allo spallamento di arresto del nipplo. Se il tubo viene tirato la pinza è trascinata con esso,
s'impegna sull'interno conico del nipplo e serra il tubo bloccandolo.
Per estrarre il tubo s'impedisce l'arretramento della pinza agendo sulla sua estremità che fuoriesce dal nipplo. Il
tubo si sfila facilmente perché la pinza elastica non viene trascinata dal tubo.
Sono chiamate connessioni rapide.
82
Il collegamento e lo scollegamento sono rapidi e il foro interno non subisce restrizione.
La filettatura di connessione è di tipo cilindrico o conico e l'elemento può essere avvitato con chiave a bocca o
con chiave esagonale dato che il tratto di foro, dopo lo spallamento di arresto del tubo, è esagonale.
Sono le connessioni più impiegate per tubi di plastica.
I tubi devono essere ben calibrati ed i più adoperati sono in rilsan.
La tabella di fig. 12.2 riporta le filettature dei nippli delle connessioni rapide e le dimensioni dei tubi che possono
essere collegati.
Filettatura
Diametro
esterno
dei tubi
M5
4-5-6
1/8"
4-5-6-8
1/4"
3/8"
4-5-6-8-10-12 8-10-12-14
1/2"
12-14
fig. 12.2 Filettature delle connessioni rapide e diametro dei tubi applicabili.
In fig. 12.3 sono rappresentati vari tipi di connessioni rapide reperibili in commercio.
fig. 12.3 Vari tipi di connessioni rapide.
83
Capitolo13
ELEMENTI PNEUMATICI
DI LAVORO
13.1 Caratteristiche dei cilindri pneumatici
13.2 Cilindri lineari
13.3 Cilindri a semplice effetto
13.4 Cilindri a doppio effetto
13.5 Ammortizzo
13.6 Cilindri a stelo passante
13.7 Cilindri tandem
13.8 Cilindri a più posizioni
13.9 Cilindri ovali
13.10 Cilindri ad aste gemellate
13.11 Cilindri a corsa breve e compatti
13.12 Cilindri senza stelo
13.13 Componenti di fissaggio
13.14 Segnale di fine corsa
13.15 Normative
13.16 Carico di punta
13.17 Dimensionamenti
13.18 Attuatori rotanti
13.19 Pinze o mani di presa
13.20 Slitte pneumatiche
Simbologia pneumatica
Cilindri
Cilindro a semplice effetto,
ritorno con forza esterna
Cilindro a semplice effetto,
ritorno a molla
Cilindro a doppio effetto,
stelo semplice
Cilindro a doppio effetto,
stelo doppio
Cilindro con ammortizzamento
posteriore non regolabile
Cilindro con ammortizzamento
anteriore e posteriore
non regolabile
Cilindro con ammortizzamento
regolabile posteriore
Cilindro con ammortizzamenti
regolabili
Cilindro ad azionamento
continuo
Cilindro con pistone magnetico
Cilindro a fune
Cilindro a soffietto
Cilindro rotante
Cilindro a impatto
86
13.0 Elementi pneumatici di lavoro
Gli elementi pneumatici di lavoro (attuatori) sono gli organi finali di un sistema automatico ed il fluido che vi opera
ha la funzione di trasmettere energia. Di conseguenza il livello di energia dell'aria è quello di potenza (5-10 bar),
con portate d'aria che possono essere elevate.
Gli attuatori, pertanto, trasformano l'energia pneumatica in un lavoro meccanico, sia nella traslazione sia nella
rotazione di un organo specifico e svolgono funzioni molteplici.
Gli attuatori che compiono spostamenti o rotazioni di ampiezza limitata e che sono adatti a compiere moti
alternativi vengono chiamati cilindri.
Altri elementi di lavoro, che compiono rotazioni continue (cioè veri motori), vengono chiamati motori rotativi.
Vengono usati in applicazioni industriali per azionare utensili pneumatici (avvitatrici, trapani ecc.). Vi sono altri
attuatori per usi particolari: attuatori basati su organi deformabili (membrane e soffietti), attuatori oleopneumatici
13.1 Caratteristiche dei cilindri pneumatici
- I cilindri pneumatici sono insensibili a sovraccarichi e, se dimensionati correttamente non danneggiano alcun
prodotto ne alterano le loro funzioni per effetto di un bloccaggio.
- Non influenzano in alcuna maniera l'ambiente in cui sono posti.
- Hanno requisiti di manutenzione modesti
- Forza e velocità possono essere facilmente controllate
- Controllo direzionale molto semplice
- Possono eseguire inversioni molto rapide
13.2 Cilindri lineari
La forza dei cilindri pneumatici è data da
F = Pressione x area
L'area è quell'effettiva del pistone lato spinta e, area del pistone meno area dello stelo sul lato trazione. Sono da
tenere in considerazione le perdite per attrito dovute allo strisciamento delle guarnizioni di tenuta. Queste
guarnizioni necessitano di un diametro esterno più grande rispetto al diametro nominale del cilindro. Il cilindro,
allo spunto, necessita di un DP minimo tra camera anteriore e posteriore e, dopo aver superato l'attrito di primo
distacco o "statico", inizia il suo movimento.
Quando il pistone staziona per un certo periodo in una posizione la compressione delle guarnizioni di tenuta
contro la parete interna della camicia espelle il velo di lubrificante interposto tra se e la superficie di scorriimento
lungo la generatrice di tenuta. In questo punto cessano le condizioni di lubrificazione ed il pistone allo spunto
deve superare una superficie "secca".
Immediatamente dopo ritrova le condizioni idrodinamiche di lubrificazione. Questo significa che l'attrito statico
presente allo spunto è superiore all'attrito dinamico e può influenzare il controllo della velocità
con il fastidioso fenomeno dello "stick slip".
Il valore di pressione medio nei circuiti pneumatici è di circa 7 bar.
13.3 Cilindri a semplice effetto
Un cilindro a semplice effetto sviluppa la spinta in una sola direzione. Lo stelo si riposiziona per mezzo di una
molla o per l'azione di una forza esterna. Il cilindro a semplice effetto può essere del tipo in spinta o in trazione e
l'azione della molla ha solo funzione di riposizionamento.
Può essere usato per molteplici applicazioni quali serraggi, estrazioni, pressature etc.
87
S.E. IN SPINTA
S.E. IN TRAZIONE
13.4 Cilindri a doppio effetto
Questo tipo di attuatore sviluppa una forza sia in spinta che in trazione quando la pressione dell'aria viene inviata
alternativamente ai due lati del pistone. Costruttivamente il cilindro è costituito da due testate, un tubo calibrato al
cui interno scorre un pistone ancorato ad un'asta che fuoriesce dalla testata anteriore.
Il tutto è assemblato con tiranti o viti. Nel caso di piccoli diametri le testate possono essere avvitate al tubo oppure
bloccate tramite cianfrinatura. Le tenute sono realizzate con guarnizioni in gomma.
DOPPIO EFFETTO (D.E.)
13.5 Ammortizzo
I cilindri pneumatici sono in grado di sviluppare velocità elevate e le forze d'urto al termine della corsa possono
essere di notevole entità. I cilindri di piccolo diametro sono provvisti di paracolpi costituiti da rondelle in gomma
che attutiscono l'impatto. In cilindri di diametri superiori l'urto è smorzato mediante l'uso di un cuscino d'aria che
decelera la velocità del pistone in prossimità della fine della corsa.
Durante la corsa l'aria è libera di fluire verso la bocca di scarico. (fig. 13.1a)
Quando l'ogiva entra nella camera ricavata nella testata s'impegna con una guarnizione (fig. 13.1b) che
impedisce il passaggio dell'aria attraverso la normale via di scarico, imprigionandola nella camera anulare
formatasi attorno all'ogiva dell'ammortizzo.
88
fig. 13.1
Quest'aria viene compressa dal moto del pistone e costretta a fluire alla via di scarico attraverso una strozzatura
variabile. La pressione in questa camera sale ed inizia ad agire in direzione opposta al moto del pistone. Se la
strozzatura variabile fosse completamente chiusa la pressione nella camera anulare salirebbe talmente che il
pistone si fermerebbe completamente prima della fine della corsa, poi inizierebbe a muoversi in senso contrario
(fenomeno del rimbalzo). La strozzatura variabile (valvola regolatrice di flusso) dosa l'efficacia dell'ammortizzo
facendo urtare il pistone contro la testata alla minore velocità possibile. (fig. 13.1c)
Quando il pistone inverte il moto la guarnizione dell'ammortizzo agisce da valvola di non ritorno e permette
all'aria di fluire verso il pistone.
Quando si debbono decelerare carichi con velocità elevate si dovrà installare un deceleratore idraulico esterno
anche se il cilindro è munito di ammortizzatori d'urto a cuscinetto d'aria.
In questi casi l'uso di deceleratori idraulici è raccomandato per evitare danni al cilindro che dovrebbe sopportare
urti del carico a fine corsa superiori alla propria capacità di ammortizzo.
13.6 Cilindro a stelo passante
Lo stelo passante rende il cilindro più adatto alle sollecitazioni di un carico grazie alle bronzine di guida distanti tra
di loro.
In molti casi questo tipo di cilindro viene usato fissando lo stelo ed il corpo è collegato direttamente al pezzo da
movimentare.
Se il carico agisce lateralmente sullo stelo del pistone, e questo non può essere evitato, lo stelo passante ha il
vantaggio di essere guidato da due bronzine distanti tra loro. Questo permette al pistone di agire sempre
perpendicolarmente al proprio asse. Con un cilindro a singolo stelo il pistone esegue spostamenti laterali e la
bronzina viene sollecitata pesantemente ai bordi opposti causandone una precoce usura. (fig. 13.2)
fig. 13.2
89
13.7 Cilindri tandem
Quando lo spazio disponibile in larghezza non è sufficiente ma c'è disponibilità di spazio in lunghezza, per avere
disponibile una forza superiore richiesta, è possibili usare cilindri tandem.
Si tratta di collegare due cilindri aventi lo stelo comune in modo da disporre di una doppia sezione di spinta come
illustrato nella figura 13.3.
Tale cilindro può essere usato utilizzando la forza doppia per tutta la sua corsa, oppure alimentandolo con due
valvole separate, effettuare ad esempio una corsa di avvicinamento attuando una sola delle due valvole e poi
applicare tutta la forza quando la zona di lavoro è stata raggiunta, attuando anche la seconda sezione di spinta.
fig. 13.3
13.8 Cilindri a più posizioni
Con combinazioni di due o più cilindri si possono ottenere lunghezze determinate della corsa che permettono
posizionamenti accurati.
Due cilindri di corsa uguale, assemblati con testata posteriore contro testata posteriore possono ottenere tre
posizioni. (fig. 13.4.1)
fig. 13.4.1
Una delle possibili applicazioni è quella dell'azionamento "AVANTI" o "ADDIETRO" nei motori diesel marini.
In questo caso le posizioni sono tre essendo prevista la posizione intermedia di "STOP". (fig. 13.4.2)
fig. 13.4.2
90
Per un simile impiego l'ancoraggio del cilindro dev'essere sospeso tra due forcelle.
É intuibile che tale applicazione è eseguibile solo con corse brevi a causa dei carichi di punta.
Due cilindri con steli separati racchiusi in un unico apparecchio possono anch'essi sviluppare tre posizioni. La
figura 13.4.3 ne mostra il funzionamento.
fig. 13.4.3
I due cilindri hanno corse diverse ed il fissaggio può essere effettuato sul corpo del cilindro.
Quando si abbia un assieme del tipo della figura 13.4.1 ma con cilindri di corse diverse, possiamo ottenere
quattro posizioni come mostrato in figura 13.4.4.
fig. 13.4.4
91
13.9 Cilindri ovali
Generalmente un cilindro ha testate quadre e tubi a sezione circolare. Con testate rettangolari e tubi e pistoni a
sezione ovale si ottengono cilindri cosidetti "piatti".
fig. 13.5
13.10 Cilindri ad aste gemellate
Quando si abbiano problemi di antirotazione una delle soluzioni è l'uso di un cilindro con due steli in parallelo che
fungono da collegamento per la spinta del carico e da elemento di guida.
Una piastra di collegamento unisce i due steli. Questi cilindri sono comunemente chiamati ad aste gemellate. (fig.
13.6)
fig. 13.6
13.11 Cilindri a corsa breve e compatti
I cilindri compatti e a corsa breve vengono usati dove lo spazio è esiguo e le corse di lavoro sono di piccola entità
. Le dimensioni contenute di questi cilindri non permettono di costruire guide sullo stelo sufficientemente lunghe
quindi, non sono in grado di sostenere carichi radiali anche minimi senza fenomeni d'impuntamento e di rapida
usura delle bronzine.
Per questo motivo, generalmente, vengono fissati in modo che il carico da rimuovere lavori in asse col cilindro
esercitando solo forze in trazione o compressione. (fig. 13.7)
cilindro a corsa breve
cilindro compatto
fig. 13.7
92
13.12 Cilindri senza stelo
Il cilindro a fune può essere definito il precursore dei cilindri senza stelo sia con trasmissione magnetica che con
trasmissione meccanica.
La forza del pistone viene trasmessa ad un carrello tramite un cavo che scorre su pulegge alle estremità
del cilindro. L'evidente vantaggio consiste nella lunghezza fissa del componente che non varia durante
l'azionamento. Le problematiche di tenuta sul cavo sono più difficoltose rispetto a quelle del modello con stelo
rigido.
Analogamente troviamo difficoltà di tenuta per il cilindro senza stelo a trasmissione meccanica in cui lai forza del
pistone è trasmessa da un braccio meccanico ad un carrello con guide che scorre lungo il corpo.
Questa situazione impone una fessura aperta lungo il tubo che viene chiusa esternamente e internamente da
una lamina a nastro guidata da un dispositivo sul carrello. (fig. 13.8)
La tenuta con questo tipo di cilindro non è mai perfetta.
fig. 13.8
L'accoppiamento magnetico non presenta evidentemente questo tipo d'inconvenienti in quanto il moto del
pistone è trasmesso al carrello esterno tramite la forza magnetica.
É tuttavia frequente lo sganciamento dei due elementi pistone / carrello quando carico e velocità superano i limiti
di accoppiamento. Quest'inconveniente ne limita l'uso a casi con parametri riferiti a velocità e carichi ben definiti.
13.13 Componenti di fissaggio
Per assicurare un corretto montaggio del cilindro su di una macchina i costruttori offrono una serie di componenti
per soddisfare tutte le richieste di applicazione compresi movimenti oscillanti con montaggi a cerniera.
Con forcella femmina
Anteriore con tiranti
Con cerniera intermedia
Con flangia posteriore
Posteriore con tiranti
Con flangia anteriore
A vite
Con cerniera anteriore
Con piedini
Con cerniera posteriore
93
Per correggere inevitabili disassamenti fra stelo del cilindro e carico è necessario il montaggio all'estremità del
cilindro di uno snodo sferico.
Lo snodo è composto da una testa sferica con un albero posto tra due supporti a disco libera di spostarsi
radialmente. (fig. 13.9)
fig. 13.9
13.14 Segnale di fine corsa
Quando un cilindro pneumatico ha effettuato la propria corsa, nella maggior parte dei casi, c'è necessità di
segnalare l'avvenuta operazione.
Allo scopo esistono alcuni metodi di segnalazione che definiremo "reali" oppure "virtuali".
Segnalazione reale
- Nel pistone del cilindro viene inserita una calamita che trasmette all'esterno un flusso magnetico captato da un
sensore in grado di chiudere un contatto elettrico ed inviare il segnale di corsa avvenuta. Il materiale della
camicia dev'essere amagnetico.
- Lo stelo del cilindro aziona un interruttore che può essere di tipo pneumatico o elettrico, il quale provvede ad
inviare il segnale di corsa avvenuta.
Segnalazione virtuale
Si assume come condizione lo stato che il cilindro avrebbe qualora avesse effettuato la propria corsa. In generale
quando la camera del cilindro con aria compressa in scarico raggiunge la pressione manometrica prossima allo
zero o zero, il pistone ha compiuto la propria corsa.
Questo segnale viene captato da una valvola che provvede ad inviare un segnale in pressione per operazione
avvenuta.
Nel caso di segnalazione virtuale, nella camera di scarico del cilindro la pressione può essere zero o prossima
allo zero anche se la corsa non è completa. Il pistone potrebbe essere infatti bloccato da fattori esterni prima che
possa raggiungere la fine della propria corsa.
In questo caso verrebbe liberato un segnale errato.
Cilindri con magnete permanente.
Nei cilindri con magnete permanente, il magnete è costituito da un anello che, montato sul pistone, comanda
appositi contatti chiamati: interruttori di posizione magnetici.
Il campo magnetico, che segue il movimento del pistone, viene utilizzato per attuare i controlli delle posizioni
terminali od intermedie del pistone stesso e come conseguente consenso all'inversione del suo movimento o al
preseguimento di successive fasi di lavoro.
Il suddetto cilindro dev'essere costruito con materiale amagnetico affinché il campo magnetico non abbia
interferenze; normalmente viene impiegato:
- per il tubo: ottone, alluminio, acciaio inossidabile
- per il pistone: alluminio
- per lo stelo: acciaio inossidabile
- per le testate: alluminio.
94
Sensori magnetici (fine corsa) per cilindri con pistone magnetico.
I sensori ad azionamento magnetico, vengono utilizzati per rilevare la posizione dello stantuffo senza disporre
elementi di fine corsa nella zona di movimento dell'asta e per ricavare un segnale utilizzabile direttamente in
circuiti elettrici.
L'uso di fine corsa magnetici richiede l'utilizzo di cilindri appositi con dei magneti permanenti, applicati al pistone,
che producono un campo mobile con il pistone stesso.
Questo campo elettromagnetico viene trasmesso all'esterno della canna del cilindro che sarà di materiale
diamagnetico.
All'esterno della canna vengono poi piazzati dei contatti elettrici del tipo Reed, con lamine in ampollina isolata, in
modo che quando il magnete è lontano il contatto è aperto, e quando il pistone è in corrispondenza
dell'interruttore Reed, questo si chiude.
Esistono anche contatti Reed che eseguono la funzione complementare, che sono cioè normalmente chiusi, ed
aprono il circuito elettrico quando sono eccitati dal campo dello stantuffo
a)
b)
Fine corsa magnetici (sensori)
a) contatto non eccitato
b) contatto eccitato.
Per facilitare l'esame dello stato dei segnali di un circuito i fine corsa magnetici possono essere forniti di led che
indicano la presenza del segnale elettrico di uscita.
Il vantaggio fondamentale dei fine corsa magnetici è di poter essere piazzati sulla canna del cilindro con apposite
guide o direttamente sui tiranti, senza ingombrare l'area di lavoro dell'asta. Possono essere inseriti tanti contatti
Reed quanti sono necessari ed in posizioni intermedie.
In operazioni ad alta frequenza vengono usati interruttori di tipo statico. Il principio di funzionamento si basa su
una resistore sensibile che possiede resistenza altissima in condizioni di riposo, quasi paragonabili ad un
contatto aperto. Quando viene sottoposto all'effetto del campo magnetico la sua resistenza diviene
relativamente bassa, comparabile ad un contatto chiuso. L'interruttore fa parte integrante di un circuito
elettronico che sarà vincolato a valori specifici di tensione e di corrente.
Circuiti ausiliari provvedono poi a proteggere i contatti per l'interruttore a lamelle, ad inviare tensione idonea
all'indicatore led, a proteggere il circuito contro sbalzi di tensione ed errate polarità.
Per l'utilizzo è bene consultare i cataloghi dei costruttori.
13.15 Normative
In sede internazionale, l'ente di unificazione ISO, ha provveduto ad emettere tabelle che indicano le dimensioni
di alcuni tipi di cilindri lineari più frequentemente usati.
La tabella ISO 6432 provvede a standardizzare le dimensioni dei microcilindri dal diametro 8 al diametro 25 ed i
suoi accessori di fissaggio. La tabella ISO 6431 - VDMA 24562 standardizza le dimensioni dei cilindri dal
diametro 32 al diametro 250 ed i suoi accessori di fissaggio.
Queste tabelle possono essere reperite presso gli enti di unificazione nazionale.
95
13.16 Carico di punta
Per illustrare il concetto del carico di punta si prenda un bastoncino e si eserciti all'estremità una forza di
compressione. Al crescere della forza, prima si fletterà e poi finirà per rompersi.
Se dovessimo ripetere tale operazione con una delle due parti rotte troveremo una netta difficoltà a ripetere
l'operazione. Questo è dovuto ad un migliore rapporto tra lunghezza e spessore del bastoncino. (fig. 13.10.1)
Vi è quindi una lunghezza critica su uno stelo caricato di punta. questa lunghezza è la massima ammissibile
prima che lo stelo si fletta.
fig. 13.10.1
Questa lunghezza critica dipende dal modo in cui essa viene vincolata.
La figura 13.10.2 mostra i diversi casi di vincolo.
fig. 13.10.2
La lunghezza critica dei cilindri pneumatici varia quindi a seconda del metodo di montaggio.
Qui sotto sono riportati i quattro casi di ancoraggio.
Vincoli:
1) rigido 1 estremità e libera la seconda
2) cerniera alle due estremità
3) cerniera una estremità, ad incastro la seconda
4) due estremità ad incastro
Una verifica a tale riguardo può essere eseguita in base alle indicazioni del costruttore o mediante calcolo. In ogni
caso la flessione dovuta al carico di punta deve mantenersi nel campo elastico.
I fattori che influenzano il carico di punta sono:
- condizioni di sollecitazione - entità del carico sullo stelo
- diametro dello stelo - lunghezza dello stelo (fig. 13.10.3)
96
Le condizioni di sollecitazione (secondo Eulero) sono:
Caso 1 cilindro vincolato in modo fisso, carico libero
Caso 2 cilindro vincolato su perni, carico snodato
Caso 3 cilindro vincolato in modo fisso, carico snodato
Caso 4 cilindro vincolato in modo fisso, carico incastro
Verifica al carico di punta
Fk =
p²•E•J
Sk² •C
Jk =
d •p
64
4
FK: carico massimo ammissibile
Sk: lunghezza libera (vedere sopra)
E:
modulo di elasticità (2,1 • 107 N/cm² per l'acciaio)
J:
momento d'inerzia (per sezione circolare)
d:
diametro dello stelo
C:
fattore di sicurezza (da 2,5 a 5)
I:
corsa
L:
lunghezza reale esposta al carico di punta
97
SITUAZIONE A
SITUAZIONE B
Lunghezza di pressoflessione ammissibile (mm) (Lo+corsa)
Ø asta (mm)
forza (N)
fig. 13.10.3 Lunghezza di pressoflessione ammissibile
Esempio:
Cilindro Ø80, asta Ø20, corsa 600
Fissaggio con cerniera intermedia
Quota Lo = 290 mm, carico 2000 N
L di presso flessione = Lo (290) + corsa (600) = 890
Dal diagramma 13.10.3 nell'inserzione tra forza 2000N e linea Ø asta 20 mm si ricava una lunghezza di
pressoflessione ammissibile di 1300 mm.
La Lunghezza necessaria (890 mm) è minore di quella ammissibile, il cilindro è adatto per l'impiego previsto. Il
diagramma trova applicazione sia per la situazione A che per la situazione B. Il fattore di sicurezza assunto è 5
che corrisponde allo stato attuale della tecnica.
13.17 Dimensionamenti
Forza del cilindro
La forza che sviluppa un cilindro è in funzione dell'area del pistone e della pressione applicata.
p
FORZA (N) = D² x P
4
Per un cilindro a doppio effetto questo è valido per la corsa di uscita dello stelo.
La forza sviluppata nella corsa di ritorno è più contenuta a causa del diametro dello stelo.
98
FORZA (N) =
( p4 D² - p4 d²( x
P
D = diametro del cilindro
d = diametro dello stelo
P = pressione manometrica
Per un cilindro a semplice effetto la forza sviluppata nella corsa di uscita dello stelo è:
FORZA (N) =
p
D² x P - FM
4
FM = forza della molla alla massima compressione.
Massa - peso - accelerazione
I cilindri sono impiegati per accelerare e decelerare carichi aventi una propria massa e le relazioni tra massapeso ed accelerazioni si ripetono:
Rivediamo brevemente i concetti.
La massa di un corpo è indicata in chilogrammi. Se un corpo viene posto su di bilancia ed essa indica 1 Kg, si
riferisce ad una forza peso o Kg peso che è il prodotto della massa del corpo pesato in Kg per l'accelerazione di
gravità in m/sec².
La relazione è la seguente:
1Kp = 1Kg x 9.81 m/sec² = 9.81 Kg m/sec² = 9.81 N
Se il corpo potesse cadere liberamente nel vuoto la terra ne accelerebbe la massa di 9.81 m/s ogni secondo.
Sollevando il corpo di 1 m al di sopra di una superficie compiamo un lavoro che è esattamente l'energia impiegata
per avere sollevato tale corpo ad 1 m. di altezza. Il corpo ha così acquisito un'energia potenziale pari a 9.81 Joule
rispetto alla superficie.
Durante la caduta dal livello di 1 m il corpo trasforma l'energia potenziale in energia cinetica pari alla metà della
massa del corpo per il quadrato della velocità.
Ec =
1
m v²
2
Spinta richiesta
Per determinare la forza effettiva richiesta dobbiamo conoscere la massa del carico da spostare e quali le
condizioni di movimento di questo carico.
Possiamo riassumere le condizioni in tre situazioni tipiche:
1) movimento verticale (90°)
2) movimento orizzontale (0°)
3) movimento su piano inclinato
1) Nel caso di movimento verticale fig. 13.11.1 la massa è un carico uguale al suo peso (movimento a 90°).
Per sollevare il carico è necessario compiere un lavoro pari alla massa per l'altezza di sollevamento.
Il lavoro è uguale alla forza moltiplicata la distanza in questo caso pari all'altezza.
fig. 13.11.1
99
2) Nel caso di movimento orizzontale il carico è supportato dalla struttura della macchina ed il cilindro deve solo
accelerarlo superando le resistenze costituite dall'attrito.
L'attrito dipende dai materiali a contatto. Se il moto è già iniziato viene definita attrito dinamico.
Se il moto deve ancora iniziare "attrito statico".
Nel primo caso abbiamo un coefficiente di attrito dinamico, nel secondo un coefficiente di attrito statico.
La forza richiesta per equilibrare il carico in questo caso è
Fe = m x G
G = massa
µ = coefficiente di attrito
considerando il lavoro di sollevamento svolto nullo essendo l'altezza = 0
Il residuo della forza sviluppata dal cilindro è impiegata per accelerare il carico.
fig. 13.11.2
3) Nel caso di un piano inclinato la distanza lungo la quale il lavoro che deve essere effettuato è uguale a h/
sen a
fig. 13.11.3
Consideriamo che nel caso di un piano inclinato di 30° (sena= 0,5). La distanza da percorrere è
esattamente il doppio rispetto alla verticale h (h x 0,5). Essendo doppio il lavoro da svolgere Fe è dimezzata.
Come mostrato in figura 13.14.2 la scomposizione della forza mostra come la componente y sia sostenuta dal
piano inclinato mentre la componente x sia quella che sommata alle forze di attrito dev'essere vinta dal cilindro.
La forza necessaria per equilibrare il carico sarà
Fe = G (Sen a+ m cos a )
Il residuo della forza sviluppata dal cilindro è tutta disponibile per accelerare il carico.
Rapporto di carico
Il rapporto di carico esprime in percentuale il rapporto tra forza effettiva necessaria e la massima forza teorica
disponibile ad una determinata pressione
FORZA RICHIESTA
FORZA DISP. EFFETT.
100
x 100
Il rapporto di carico determina quindi l'energia disponibile per accelerare il carico. La forza disponibile verrebbe
tutta utilizzata per accelerare il carico se non ci fossero limiti dovuti all'alimentazione dell'aria e se non esistesse
contropressione sulla faccia opposta del pistone. Limitare il flusso allo scarico significa creare un carico
pneumatico. Ogni incremento di velocità comporta un aumento della forza agente sul lato opposto del pistone.
Questo stabilizza e limita la velocità del pistone. Con rapporti di carico elevati il "carico pneumatico" è molto alto
quindi anche piccole variazioni del carico meccanico renderebbero difficili regolazioni stabili di velocità. Con un
fattore di carico tra il 50 e60% rendono sufficientemente stabili le velocità desiderate anche con cambiamenti del
carico meccanico.
Forze teoriche (pressione) (N)
Ø pistone
pressione (bar)
Forza teorica in funzione della pressione per vari Ø pistone.
Consumo
Il consumo d'aria di un cilindro è definito come:
Area pistone x corsa x n° corse singole al minuto x press. assol. in bar
tenendo conto che per la corsa di rientro bisogna detrarre dall'area del pistone quella dello stelo.
Quando il pistone è appoggiato alla testata posteriore il suo volume è zero.
Quando tiriamo lo stelo il cilindro verrà riempito da aria alla pressione atmosferica.
Una volta liberata la pressione manometrica di alimentazione questa occuperà il volume disponibile già
occupato dalla pressione atmosferica.
Per questo motivo nel calcolo dei consumi viene usata la pressione assoluta.
Per dimensionare correttamente la valvola che comanda il cilindro bisogna conoscere il consumo massimo.
Questo consumo dipende dalla velocità più elevata che il cilindro potrà raggiungere.
La somma dei consumi massimi di tutti i cilindri che si muovono contemporaneamente definisce il
dimensionamento del gruppo di alimentazione.
Per compensare i fenomeni dovuti alle trasformazioni con perdite di calore, il valore teorico del volume sarà
moltiplicato per il coefficiente 1.4 che è l'aumento medio dovuto alla trasformazione "adiabatica".
Le trasformazioni adiabatiche avvengono quando queste trasformazioni sono veloci come ad esempio nei
circuiti pneumatici all'atto dell'apertura di una valvola.
101
Consumo aria (NI/cm)
Ø pistone
pressione (bar)
Consumo aria (NI/cm) in funzione della pressione per vari Ø pistone
Ammortizzo: capacità di assorbimento
L'ammortizzamento è stato creato per assorbire un'energia cinetica alla fine della corsa di un cilindro per evitare
urti significativi del pistone contro la testata visto che essa viene anche adoperata come arresto meccanico.
Se si usano le specifiche di catalogo dei costruttori è sufficiente conoscere la massa accelerata e la velocità
finale. La stessa quantità di lavoro, impiegata per accelerare una massa, deve anche essere impiegata per
decelerarla fino a zero ed è uguale all'energia cinetica della massa prima che inizi ad essere rallentata.
Ec =
1
m V2
2
Bisogna inoltre tenere conto, sia della massa del carico, che di quella del pistone e dello stelo componenti il
cilindro.
Ec =
1
(m + mp + ms) V²
2
Le specifiche di catalogo indicano l'energia cinetica max sopportabile per i vari diametri.
Se Ec calcolata non supera tale valore il cilindro può essere impiegato nelle condizioni previste. Le case
costruttrici mettono anche a disposizione diagrammi delle velocità limite per l'ammortizzo pneumatico dei cilindri
nei vari alesaggi con masse del carico diverse.
Velocità del pistone (m/s)
Pressione di alimentazione 6 bar
Massa (kg)
102
Il diagramma si riferisce al movimento in uscita, con pressione all'alimentazione di 6 bar.
Le curve forniscono i valori massimi in funzione della massa e del diametro.
La massa e la velocità del pistone si devono trovare al di sotto della linea corrispondente la dimensione del
cilindro prescelta.
13.18 Attuatori rotanti
Gli attuatori rotanti sono cilindri che consentono di ottenere rotazioni di un albero inferiori a 360° .
La figura 13.12 mostra schematicamente un cilindro rotante a pignone e cremagliera. L'albero che fuoriesce è
collegato ad un pignone che ingrana su di una cremagliera mossa alternativamente da due pistoni. Questi cilindri
sono robusti e d'ingombri ridotti.
fig. 13.12
Altri tipi rotativi sono costituiti da attuatori a paletta o "palmola" costituiti sostanzialmente da un rotore inserito in
una sede cilindrica. Rotore e sede sono dotati di guarnizioni di tenuta per separare le camere. Fermi regolabili o
fissi determinano l'angolo di rotazione dell'unità. (vedi fig. 13.13.1)
fig. 13.13.1
Coppia inerzia
L'arresto improvviso di una massa rotante senza ammortizzo può causare rotture al pignone od ai fermi di fine
corsa. L'energia che l'attuatore può sopportare è dichiarata nei cataloghi dei costruttori. Conoscendo l'inerzia
della massa rotante si può definire quest'energia.
Un cilindro a parete molto sottile consiste in realtà in un numero quasi infinito di punti di materiale tutti alla stessa
distanza dall'asse per cui possiamo dire che:
J = m r² (Kg x m²)
m = massa
r = raggio
Più realisticamente un cilindro cavo avente una parete consistente definisce il momento di inerzia
J = m
r1² x r2²
(Kg x m²)
2
103
Con corpi di forma complessa il momento d'inerzia dev'essere calcolato come somma dei momenti delle forme
semplici nelle quali il corpo può essere scomposto. I momenti riferiti alle forme elementari si possono trovare sui
manuali di meccanica.
Dove possibile le masse rotanti debbono essere fermate contro un riscontro meccanico, generalmente costituito
da un deceleratore ad olio. (fig. 13.13.2)
I fermi devono essere posizionati il più lontano possibile dall'asse di rotazione, infatti, fermi vicino al centro
provocano delle reazioni sull'albero.
L'energia è definita dalla velocità:
In moti rotatori è definita "velocità angolare" ed è espressa in radianti al secondo.
REAZIONE
fig. 13.13.2
13.19 Pinze o mani di presa
Sono attuatori progettati per manipolazione di componenti in applicazioni robotiche. Generalmente un pistone è
utilizzato per aprire e chiudere le dita della pinza pneumatica
13.20 Slitte pneumatiche
Le slitte pneumatiche (ved. fig. 13.14) sono costituite da un piano che può scorrere su due steli collegati alle
estremità con due staffe.
Le slitte pneumatiche trovano impiego in diverse funzioni di automazione industriale ed in particolare nella
costruzione di manipolatori.
Si possono utilizzare nei seguenti modi (ved. fig. 13.14).
- blocco delle staffe; in questo caso si muove la slitta.
- blocco del piano; in questo caso si muovono le staffe.
In questi sistemi gli steli, forati assialmente, fungono da pistoni.
Bloccando le staffe, chiudendo le bocche del piano e introducendo l'aria alternativamente nei due steli, si
provoca lo scorrimento del piano.
104
Bloccando il piano, chiudendo le bocche dei due steli e introducendo l'aria compressa alternativamente
attraverso le bocche del piano si provoca il movimento delle staffe.
Possono essere collocati opportunamente dei magneti permanenti che rendono possibile il controllo delle corse
mediante piccoli sensori magnetici.
Per la scelta di una slitta pneumatica è bene riferirsi ai cataloghi tecnici dei costruttori.
fig. 13.14
105
Capitolo14
VALVOLE DI CONTROLLO
DIREZIONALE
14.1
14.2
14.3
14.4
Valvole di controllo direzionale
Metodi di costruzione
Comandi delle valvole
Portata dei distributori
14.1 Valvole di controllo direzionale
Le valvole di controllo direzionale deviano un flusso d'aria tra le vie interne scambiando le connessioni mediante
azionamenti o comandi esterni.
Le valvole sono caratterizzate da:
- numero di vie
- numero di posizioni
- tipo di azionamento
Numero di vie e posizioni
2/2 si deve intendere due vie / due posizioni
3/2 si deve intendere tre vie / due posizioni
4/2 si deve intendere quattro vie / due posizioni
5/2, 5/3 etc
La prima cifra indica il numero di bocche disponibili sul corpo valvola, esempio 2 ingresso - uscita, 3 ingresso,
uscita e scarico, la seconda cifra indica il numero di posizioni che la valvola può assumere, compresa la
posizione di riposo.
Viene definita via normalmente chiusa (N.C.) quella in cui l'aria di alimentazione è intercettata, normalmente
aperta (N.A.) quella in cui l'aria è libera di fluire verso la via di uscita.
In una valvola 2/2 N.C. il flusso d'aria è intercettato in alimentazione. Questo significa che in assenza di comando
non esiste segnale pneumatico in uscita.
Il segnale nella bocca di utilizzo ci sarà solo quando un qualsiasi segnale di comando attiverà la seconda
posizione della valvola.
Nel caso di valvole a tre posizioni, la terza posizione dev'essere specificata. Ad esempio "centri chiusi", "centri
aperti" e "centri in pressione".
Normalmente questa è la posizione centrale di riposo, ottenuta tramite la forza contrapposta di due molle
calibrate.
Le valvole con riposizionamento tramite molla meccanica sono definite "monostabili".
Una valvola che non abbia posizione preferenziale e che rimanga in una delle sue due posizioni fino a quando
uno dei due comandi non sia azionato viene definito "bistabile" o "memoria".
Il distributore bistabile permane nella posizione che gli è stata fatta assumere dal segnale arrivato per primo. Un
segnale opposto è inefficace finché il primo non sia annullato.
La rappresentazione grafica di una valvola si ha in base a:
- numero di posizioni
Ogni posizione dell'elemento mobile viene indicato con un quadratino:
2 posizioni
3 posizioni
Si assume come posizione preferenziale o di riposo il quadrato a destra per le valvole a 2 posizioni, quello
centrale per le valvole a tre posizioni.
- Numero delle vie (bocche di ingresso e uscite)
All'interno dei quadrati linee continue indicano le vie percorse dal passaggio d'aria e le frecce la direzione.
Le vie intercettate all'interno della valvola sono contrassegnate da trattini perpendicolari.
All'esterno trattini continui indicano le connessioni delle condotte collegate.
108
Ogni quadratino contiene quindi le informazioni riferite allo stato della valvola (a riposo o azionata) e la funzione.
Il simbolo grafico seguente rappresenta una valvola 3/2 N.C.
2
12
10
3
1
É opportuno sottolineare che le valvole vengono sempre rappresentate nella loro posizione di riposo e vengono
numerate le connessioni utilizzate in tale posizione.
Quando il comando 12 sarà inviato, simbolicamente la valvola assume la posizione adiacente a tale comando.
2
12
10
3
1
Come si può notare in posizione di riposo la condotta 2 è a scarico verso l'atmosfera mentre l'alimentazione 1 è
intercettata. Con l'invio del segnale 12 connettiamo l'alimentazione 1 con l'uscita 2 e lo scarico 3 è intercettato.
Costruito il simbolo della valvola base occorre specificare il tipo di azionamento utilizzato per azionare e
riposizionare l'organo di distribuzione all'interno della valvola.
I simboli di uso più comune sono:
PULSANTE
SOLENOIDE
LEVA
PNEUMATICO
A PRESSIONE
PEDALE
PNEUMATICO
A DEPRESSIONE
MECCANICO
ELETTROPNEUMATICO
RULLO
MOLLA
RULLO SNODATO
In tutte le valvole monostabili con ritorno a molla la posizione di riposo viene rappresentata dal quadrato
adiacente alla molla, mentre la posizione di valvola azionata dal quadrato adiacente al comando.
2
1
3
109
SIMBOLO
SCHEDA FUNZIONALE
12
3
3
2
2
10
1
1
1
10
ED
UTENSILI
12
3
PNEUMATICI
3
2
10
MOTORI
AZIONATA
12
12
2/2
N.C.
10
A RIPOSO
2
APPLICAZIONE
12
12
2
FUNZIONE
2
1
1
2/2
N.A.
1
10
3
10
12
12
3
2
12
10
3
2
2
1
1
AZIONATA
12
INVIO DI
SEGNALI
3
3
2
EFFETTO,
10
A RIPOSO
12
2
12
10
2
1
1
3/2
N.A.
PNEUMATICI
1
10
10
14
14
5
4
4
CILINDRI
A SEMPLICE
1
10
3
3/2
N.C.
4
2
14
1
12
2
CILINDRI
5
1
5/2
A DOPPIO
2
3
5 13
12
A RIPOSO
3
12
AZIONATA
110
EFFETTO
SIMBOLO
SCHEDA FUNZIONALE
FUNZIONE
APPLICAZIONE
CILINDRI
AZIONATA
A RIPOSO
14
4
5 13
5
5
4
1
1
1
2
2
2
3
3
12
A DOPPIO
14
4
4
12
14
14
5
2
AZIONATA
5/3
CENTRI
CHIUSI
CON
STOP
3
12
EFFETTO
12
INTERMEDI
CILINDRI
AZIONATA
A RIPOSO
AZIONATA
14
14
14
A DOPPIO
5
4
4
2
1
1
2
2
5 13
5
4
1
12
14
5
4
2
3
3
3
5/3
CENTRI
APERTI
EFFETTO
CON
CAMERE
12
12
12
AZIONATA
A RIPOSO
AZIONATA
14
14
IN SCARICO
14
APPLICAZIONI
4
4
2
4
1
1
12
14
1
2
2
2
3
3
5 13
5
5
5
4
3
5/3
CENTRI
IN
PRESSIONE
CON BLOCCO
MECCANICO
DELLO
12
12
12
STELO
Le vie delle valvole sono identificate secondo le normative ISO da numeri che sostituiscono le vecchia
identificazione con lettere dell'alfabeto.
Il prospetto che segue confronta la definizione delle connessioni con la normativa CETOP.
111
DEFINIZIONE DELLE CONNESSIONI
Pneumatica
3-VIE
5-VIE
ISO
1
2
3
4
5
12
10
14
12
CETOP
P
B
S
A
R
Z
Y
Z
Y
CONNESSIONI PER VALVOLE 3 VIE
1 = alimentazione
2 = mandata
3 = scarico
CONNESSIONI PER VALVOLE 5 VIE
1 = alimentazione
2 e 4 = mandate
3 e 5 = scarichi
CONNESSIONI DI CONTROLLO
10 = usata per valvole a 2 o 3 vie.
Connessione che, riferita ad una normalmente chiusa, mantiene quando il segnale è presente la connessione 1
chiusa.
12 = usato per valvole a 2 o 3 vie e 4 o 5 vie.
É la connessione che con presenza di segnale collega 1 con 2.
14 = usato per valvole a 4 o 5 vie.
É la connessione che in presenza di segnale collega 1 con 4.
112
14.2 Metodi di costruzione
A seconda dell'elemento mobile le valvole di distribuzione possono essere:
- ad otturatore
- a cassetto o spola
- a pattino
Gli elementi mobili azionati mediante appositi comandi possono assumere 2 o 3 posizioni a seconda del tipo di
valvola.
Detti comandi possono essere:
- manuali
- pneumatici
- meccanici
- elettrici
Valvole ad otturatore
Le valvole ad otturatore sono controllate da un disco provvisto di guarnizione che si solleva perpendicolarmente
dalla sede. In questa maniera vengono messe in comunicazione le condotte di alimentazione e mandata: Con
questo metodo si possono realizzare tenute perfette anche se si richiedono forze di azionamento elevate.
Queste forze aumentano con l'aumentare della pressione in quanto l'otturatore è a diretto contatto con la
pressione di alimentazione.
Eseguono commutazioni molto rapide in funzione di corse di azionamento brevi, possono funzionare senza
lubrificazione non avendo organi che strisciano.
Il punto di commutazione è esattamente definito. La figura mostra una valvola ad otturatore normalmente chiusa
in condizioni di riposo e azionata.
2
3
1
Se l'elemento mobile durante il suo movimento, mette in comunicazione la bocca di alimentazione con quella di
scarico anche per un breve tratto, la valvola è a "centro aperto". Qualora la commutazione avvenga tenendo
isolate le bocche di alimentazione e scarico, la valvola è del tipo "a centro chiuso" come mostrato nello schema
funzionale che segue.
2
3
1
Questo è ottenuto utilizzando una molla con reazione superiore sull'otturatore inferiore rispetto a quella
dell'otturatore superiore. Una volta azionata l'astina di comando chiuderà la via di scarico appoggiandosi
all'otturatore inferiore, quindi aprirà l'otturatore stesso connettendo alimentazione 1 con mandata 2.
113
All'atto del rilascio l'otturatore inferiore verrà spinto contro la propria sede chiudendo l'alimentazione 1. L'astina
continuando la corsa di ritorno spinta dalla propria molla (più debole) aprirà la via di scarico 3 connettendola con
la mandata 2.
Valvole a cassetto o spola
Le valvole a cassetto o spola utilizzano il movimento a scorrimento rettilineo di un pistoncino all'interno di una
sede per aprire e chiudere le vie di collegamento. Il cassetto scorre longitudinalmente nel corpo valvola mentre
l'aria fluisce perpendicolarmente alla spola. Le aree di tenuta sono uguali, di conseguenza il cassetto è
bilanciato.
Se paragonato a quelle ad otturatore, le valvole a cassetto hanno minore portata ed una corsa di commutazione
superiore. Presentano il vantaggio che l'azionamento può essere di qualsiasi tipo ed applicato su entrambi i lati
della spola. Le tenute possono essere realizzate con guarnizioni toroidali sistemate in cave sul corpo valvola, con
guarnizioni poste nel corpo valvola trattenute in posizioni da distanziali oppure con guarnizioni montate
direttamente a bordo della spola stessa. Le figure successive mostrano alcuni tipi di valvole a cassetto con tenute
sul corpo valvola e distanziali.
2
12
10
3
Valvola 3/2 N.C.
comando pneumatico - ritorno a molla
4
2
5 13
Valvola 5/2
comando meccanico- ritorno a molla
114
1
La figura seguente mostra una valvola che realizza le tenute montando direttamente a bordo della spola le
guarnizioni.
4
2
12
14
5 13
Valvola 5/2
comando pneumatico / ritorno a molla pneumatica
Valvole a pattino
Nella valvole a pattino le bocche vengono messe in comunicazione da un pattino che può essere scorrevole
oppure rotante. Nel tipo scorrevole il pattino viene azionato da una spola. Il pattino è mantenuto aderente al piano
in cui sono ricavate le bocche di utilizzo e di scarico dalla stessa pressione di alimentazione.
La figura successiva mostra la sezione schematica di una valvola a pattino scorrevole.
4
2
12
14
5 13
Valvola 5/2
doppio comando pneumatico
115
14.3 Comandi delle valvole
Manuale
L'azionamento manuale è ottenuto montando sulla valvola un elemento operatore azionato a mano.
Qui di seguito sono rappresentati i più comuni comandi normali monostabili.
pulsante semplice
con guardia
pulsante semplice
pulsante palmo
Le valvole monostabili (ritorno a molla) sono generalmente usate per impulsi di partenza-stop, emergenze etc.
In altri casi è più utile usare valvole bistabili quando si voglia mantenere il segnale di comando.
La posizione degli operatori è stabile in entrambe le direzioni.
leva 2 posizioni
leva corta 2 posizioni
Una valvola con pilotaggio pneumatico è commutata dalla pressione agente su di una estremità del cassetto su
di un pistone o direttamente su di essa.
Se la valvola è monostabile ritorna nella sua posizione iniziale per l'azione di una molla quando il segnale
pneumatico è annullato.
La valvola bistabile o memoria ha un doppio pilota ed è concepita per rimanere stabile in entrambe le posizioni.
Può essere comandata da entrambi i lati con impulsi pneumatici agenti su pistoni posti alle estremità del
cassetto. Il distributore, come già detto rimane in una delle due posizioni ed il segnale opposto è inefficace se il
primo arrivato è ancora presente.
La figura che segue mostra una valvola a cui è applicato l'azionamento pneumatico. Il riposizionamento può
essere effettuato o tramite molla o con l'azione di un secondo comando pneumatico.
116
2
2
12
12
10
3
1
10
3
1
Il comando pneumatico può essere effettuato a distanza da un'altra valvola ed è anche detto "telecomando".
Meccanici
Gli azionamenti meccanici possono rilevare la posizione, sentire parti di macchina in movimento ed inviare, una
volta azionati, segnali per il controllo del ciclo di lavoro. La figura mostra schematizzati i più comuni azionamenti
meccanici
asta
leva rullo
leva rullo unidirezionale
Particolare attenzione dev'essere posta quando si usano camme per azionare valvole con leva a rullo. La corsa
totale del rullo non deve superare il fine corsa dell'elemento mobile della valvola allo scopo di evitare danni alla
stessa.
L'inclinazione della camma dev'essere di 25° - 30°.
Inclinazioni superiori possono produrre dannosi sforzi meccanici sulla leva.
Il rullo unidirezionale agisce solo in una direzione commutando la valvola in un solo senso. In senso opposto la
commutazione non avviene perché il rullo si abbatte senza azionare la valvola.
Nella figura sono rappresentate le successioni degli azionamenti attivati da una camma nel suo movimento di
avanzamento ed il corretto posizionamento degli azionamenti stessi.
117
verso del moto
Funzione
attiva
Corretto
Errato
Funzione
passiva
Funzione
passiva
Azionamento elettrico
"L'elettrovalvola" è l'elemento che permette di trasformare un segnale elettrico in segnale pneumatico. Le
elettrovalvole sono apparecchi molto diffusi negli impianti pneumatici e vengono usate quando il criterio di
organizzazione di un sistema automatico prevede come uscite dei segnali elettrici (es. sistemi di controllo
elettronici).
Le elettrovalvole sono costituite da due tipi così definiti:
1) ad azionamento diretto
2) ad azionamento indiretto.
La parte elettrica di una elettrovalvola è costituita da una bobina che sostanzialmente è un cavo arrotolato ad un
nucleo tubolare di materiale non magnetico.
All'interno del nucleo tubolare viene inserito un canotto in materiale non magnetico con un'estremità aperta e
l'altra chiusa. Sul lato aperto viene inserito un nucleo mobile libero di scorrere nel canotto tubolare amagnetico.
Il lato chiuso del canotto è costituito da un contro nucleo in cui è ricavata una via di scarico. Il nucleo mobile è
equipaggiato alle due estremità di due gommini che servono per le tenute.
118
Il nucleo mobile è spinto da una molla inserita tra nucleo e canotto contro la sede di tenuta sul corpo, da cui c'è
immissione d'aria.
Il gommino inferiore ne permette la tenuta.
3
1
2
La distanza tra nucleo e contronucleo è chiamata traferro. Quando s'invia corrente alla bobina si concatena un
flusso tra avvolgimento e nucleo mobile, costituito da materiale magnetizzabile, e lo stesso viene attirato verso il
contro nucleo. L'aria può fluire da 1 verso l'uscita 2 in quanto si è aperta una luce di passaggio.
Contemporaneamente il gommino superiore del nucleo mobile chiude lo scarico 3.
L'elettrovalvola si comporta esattamente come una valvola a 3 vie con 2 posizioni comandata elettricamente con
sistema costruttivo ad otturatore a "centro aperto".
Una elettrovalvola così conformata è definita ad "azionamento diretto".
La forza di attrazione generata dalla bobina in corrente continua è data dalla seguente relazione:
F @ V²
R² β
dove
V²
= I²
R²
per cui F @
I²
β
dove:
F =
V =
R =
Î =
I =
forza di attrazione
tensione applicata
resistenza del filo
traferro
intensità di corrente
La forza di attrazione è proporzionale al quadrato della corrente e inversamente proporzionale al quadrato del
traferro.
Di conseguenza un piccolo aumento del traferro corrisponde ad una notevole diminuzione della forza di
attrazione.
In corrente alternata la forza di attrazione è:
F @
V²
w² L² β
dove:
F = forza di attrazione
V = tensione applicata
Î = traferro
L = induttanza della bobina
w = 2 pf con f = frequenza
119
La forza dipende dall'induttanza della bobina che dipende essa stessa dalla permeabilità magnetica del
materiale e dal traferro.
Data una tensione V, l'intensità I della corrente aumenta all'aumentare del traferro poiché diminuisce
l'induttanza. Per questo motivo la forza di attrazione in corrente alternata è maggiore che in corrente continua.
L'induttività cambia con la posizione del nucleo mobile. Inizialmente con massimo traferro la forza è molto bassa
ed è bassa anche la resistenza induttiva. Una forte corrente passerà quindi nella bobina; questa forte corrente fa
reagire la bobina in corrente alternata più violentemente che in corrente continua.
Quando il traferro si annulla, la resistenza induttiva aumenta mentre diminuisce la corrente,
La potenza necessaria quindi è massima con il massimo traferro (potenza di spunto) e più bassa anche in
maniera considerevole con il circuito di traferro chiuso (potenza di mantenimento).
Quando il tempo di reazione del solenoide in corrente continua dev'essere accorciato si può applicare una
tensione più alta del normale per una durata di pochi millisecondi. L'effetto risultante è molto simile allo spunto di
una bobina in corrente alternata. Quando il nucleo mobile giunge alla fine della propria corsa la tensione può
essere ridotta fino alla metà del suo valore nominale.
Anello di sfasamento
É presente nel contronucleo nel funzionamento in corrente alternata.
Ogni volta che la corrente alternata ritorna a zero il nucleo incomincia a ritornare sotto la spinta della molla. Si
libera dal contronucleo, ma poi, quando la corrente aumenta di nuovo, viene attratta nuovamente. Tutto ciò crea il
fastidioso ronzare dell'elettrovalvola.
Il nucleo continua a sbattere per cento volte al secondo causandone una precoce usura.
All'inconveniente si rimedia creando un secondo campo magnetico sfasato di circa 90° inserendo nel
contronucleo un anello di rame chiuso.
Il sistema così concepito funzionerà come un trasformatore, in cui la bobina è l'avvolgimento primario e l'anello in
rame l'avvolgimento secondario, costituito da una sola spira.
Non avendo resistenza la spira secondaria genera una corrente indotta sfasata molto alta.
Questa corrente genera un campo magnetico sfasato di circa 90° rispetto a quello principale.
Il risultato sarà che la forza di attrazione generata dalla risultante dei due campi magnetici non avrà mai valore
zero.
É possibile utilizzare equipaggi magnetici con anello in rame anche in corrente continua, visto che l'effetto della
spira in questo caso è nullo.
L'assorbimento in potenza delle bobine alimentate in corrente continua è indicato in WATT. Il valore corrisponde
alla potenza assorbita a temperatura di regime.
In corrente alternata l'assorbimento di potenza è indicato in VA e, come già detto, è più alta nella fase di massimo
traferro e più bassa nella fase di mantenimento.
Le elettrovalvole ad azionamento diretto sono normalmente impiegate per piccole portate.
Nella posizione di riposo agiscono:
verso il basso: la forza della molla e il peso del nucleo;
verso l'alto: la forza della pressione di alimentazione sulla sezione posta in ingresso.
C
PRESSIONE DI ALIMENTAZIONE
120
Le forze che agiscono verso il basso devono essere superate dalla forza magnetica generata.
La forza che agisce verso l'alto (pressione di alimentazione per superficie esposta) dev'essere vinta dalle forze
che agiscono verso il basso per mantenere il gommino sulla sede di tenuta. La bobina dev'essere dimensionata
specificando queste forze. La stessa bobina può essere usata per pressione alta e piccolo flusso o flusso
maggiore e pressione più bassa. É intuibile che aumentare le sezioni di passaggio significa diminuire
sensibilmente la pressione oppure aumentare notevolmente la forza della molla che spinge verso il basso e ciò
significa dimensionare la bobina con potenza più elevata. Questo limita l'apparecchio che risulta idoneo, come
già detto, per portate basse.
Per portate più elevate bisogna avvalersi di un sistema che possa amplificare il flusso d'aria.
Si userà quindi l'elettrovalvola ad azionamento diretto come elemento di controllo (pilotaggio) ed una valvola
azionata pneumaticamente di dimensioni idonee come elemento amplificatore.
La combinazione in un unico apparecchio di questi due elementi non è altro che una elettrovalvola ad
"azionamento indiretto".
2
12
10
3
1
Le vie di alimentazione e di mandata per la porzione pilota sono collegate al corpo valvola attraverso dei canali in
modo di avere connessioni comuni.
Si possono ottenere elettrovalvole monostabili o bistabili 3/2 o 5/2 montando uno o due piloti sui lati dell'idoneo
corpo valvola. La costante domanda di apparecchiature pneumatiche interfacciabili con l'elettronica influenza
profondamente lo sviluppo dei sistemi di automazione con caratteristiche di piccolo ingombro, commutazione
veloce, lunga durata, bassi consumi elettrici per l'uso di PC o PLC e sono sempre più richieste dal mercato.
Si è resa perciò necessaria la realizzazione di microelettrovalvole e distributori miniaturizzati con alte
prestazioni.
I solenoidi sono sottoposti a normative che ne determinano le classi di protezione in rapporto ai contatti
accidentali, la penetrazione di corpi estrarrei e dei liquidi all'interno delle parti elettriche.
Il grado di protezione è definito dalla sigla IP seguita da due cifre (I.E.C. 144).
La prima definisce la protezione contro il contatto accidentale e la penetrazione di corpi estranei, la seconda, la
protezione contro le infiltrazioni di acqua.
La tabella che segue confronta la normativa C.E.I. con la DIN e la I.E.C.
121
La temperatura massima ammissibile per una bobina è condizionata da:
- riscaldamento proprio della bobina
- temperatura del fluido
- temperatura ambiente:
Nei cataloghi dei costruttori vengono indicati i dati di temperatura ambiente massima e massima temperatura
del fluido per una elettrovalvola inserita in servizio continuo (inserzione 100%).
14.4 Portata dei distributori
La portata nominale delle valvole di controllo direzionale viene identificata per mezzo di un coefficiente chiamato
fattore di portata designato con Kv che è dato dal numero di litri di acqua, alla temperatura di 18°C, che passano
in un minuto attraverso la valvola in prova quando la differenza di pressione tra ingresso e uscita è di 1 bar.
La portata d'aria in litri al minuto è legata al fattore Kv dalla formula sperimentale:
Q = Kv
DP
¶
dove:
Q è la portata di liquidi in l/min.
DP è la caduta di pressione attraverso la valvola
¶ è la densità del liquido in Kg/dm³
All'utente però interessa conoscere la portata nominale del componente che è la portata nominale in normal litri
al minuto quando all'ingresso della valvola è presente una pressione relativa di 6 bar e all'uscita una pressione
relativa di 5 bar.
Le aziende costruttrici forniscono diagrammi in cui, per varie pressioni di esercizio si possono rilevare le portate
in funzione delle pressioni di utilizzo.
Alcuni esempi di diagrammi di portata sono mostrati nelle figura che segue.
2800
900
7
700
5
600
Q
Q
2000
5
4
3
400
6
1600
4
500
7
2400
6
(Nl/min)
(Nl/min)
800
1200
3
300
800
200
400
100
0
0
0
1
2
3
4
5
6
0
7
1
2
3
4
5
6
7
P2 (bar)
P2 (bar)
Valvole ed Elettrovalvole ad otturatore
Serie 774 - 784
G 1/4"
Valvole ad otturatore
Serie 718
G 1/8"
Si scelga ad esempio la curva riferita ai 6 bar in alimentazione. Salendo dal valore di P2 5 bar (DP=1) fino ad
incontrare la curva di alimentazione, potremmo leggere nell'asse Q corrispondente alle portate il valore in Nl/min
ottenibili in portata a quelle condizioni di funzionamento.
Analogamente se conosciamo il consumo d'aria in Nl/min ed il valore di pressione di alimentazione, potremo
verificare il DP che si otterrà tra monte e valle della valvola in quelle condizioni di funzionamento.
Si parta ad esempio da un valore di consumo di 400 Nl/min con alimentazione a 6 bar.
Nel punto di incontro della curva 6 bar scendendo verso P2 potremo leggere il corrispondente valore in pressione
in uscita della valvola.
122
Capitolo15
VALVOLE AUSILIARIE
15.1
15.2
15.3
15.4
15.5
15.6
15.7
Valvole regolatrici di flusso
Valvole di non ritorno
Valvole di scarico rapido
Selettori di circuito OR
Selettori di circuito AND
Regolatori di scarico
Trasduttori pneumo elettrici
15.1 Valvole regolatrici di flusso
Una valvola regolatrice unidirezionale di flusso è costituita da una valvola di non ritorno e da una strozzatura
variabile. Vengono utilizzate per regolare la portata d'aria, in particolare la velocità dei cilindri.
Questo tipo di valvola accessoria regola il flusso in una sola direzione. Nella direzione opposta il flusso è libero.
La valvola di non ritorno è costituita dalla guarnizione flottante A, la strozzatura variabile da uno spillo conico che
interagisce in un foro cilindrico.
1
2
Il tipo bidirezionale permette la regolazione nei due sensi di flusso, in quanto non possiede valvole di non ritorno.
1
124
2
15.2 Valvole di non ritorno
Sono valvole unidirezionali che hanno la funzione di lasciar passare il flusso in un solo senso.
2
1
15.3 Valvole di scarico rapido
Sono valvole a 3 vie - 2 posizioni con una membrana mobile che funziona come un otturatore.
All'arrivo della pressione di alimentazione 1 sposta la membrana che chiude lo scarico 3 ed apre la mandata 2. Al
cessare della pressione 1 l'aria in 2 sposta la membrana che chiude l'alimentazione 1 ed apre lo scarico 3.
2
3
1
Questo componente consente di ottenere la massima velocità di un cilindro scaricando l'aria direttamente al foro
corrispondente invece che attraverso il tubo e la valvola incrementando la velocità di flusso.
Viene montata direttamente sulle bocche di alimentazione del cilindro.
125
15.4 Selettori di circuito OR
Sono valvole a 3 vie con due ingressi ed un'uscita. Permettono il passaggio dell'aria da X verso A oppure da Y
verso A.
In presenza di due ingressi in pressione in X ed in Y con valori diversi, queste valvole scelgono in uscita A la
pressione con valore più alto.
Per questo sono anche dette selettori di alta pressione.
Sono impiegate per permettere l'azionamento di un componente da due diverse posizioni.
La sfera è l'organo mobile che viene spostato da una parte o dall'altra dalla pressione inviata agli ingressi X ed Y
consentendo l'uscita solo in A. Nel caso di due pressioni identiche in ingresso l'uscita A sceglie il primo segnale
arrivato.
USCITA A
INGRESSO X
INGRESSO Y
15.5 Selettori di circuito AND
Queste valvole permettono il passaggio dell'aria in uscita solo quando i segnali in ingresso X ed Y sono entrambi
presenti.
In presenza di due segnali in pressione con valori diversi agli ingressi X ed Y, l'uscita A sceglie quella col valore
più basso.
Per questo motivo sono anche chiamate valvole selettrici di bassa pressione.
L'organo di tenuta è un pistoncino con due sezioni opposte l'una all'altra d'identica area.
Immettendo aria all'ingresso X viene tappata la via di comunicazione X verso A. Quando giunge il segnale in Y
trova aperta la via di comunicazione Y verso A liberando il segnale in pressione.
Dunque la valvola sceglie, a parità di pressione, il secondo segnale arrivato.
15.6 Regolatori di scarico
Sono regolatori di flusso unidirezionali posti direttamente sullo scarico delle valvole.
Svolgono funzioni grossolane di regolazione di velocità dei cilindri.
126
15.7 Trasduttori pneumo elettrici
Sono apparecchi aventi lo scopo di trasformare un segnale pneumatico in un segnale elettrico di tipo ON-OFF
(tutto o niente).
Quando s'invia un segnale pneumatico su di un pistoncino, esso attuandosi, aziona un microinterruttore che
commuta il contatto.
I contatti possono essere normalmente chiusi, aperti o di scambio.
É anche possibile regolare la soglia di commutazione del pistoncino pneumatico tramite una molla azionata da
una vite.
SCATTO FISSO
SCATTO TARABILE
127
Capitolo16
SISTEMI IDROPNEUMATICI
16.1 Scambiatori di pressione
16.2 Serbatoi per olio
16.3 Regolazione della velocità dei pistoni con
cilindri freno idraulici
16.4 Deceleratori
16. Sistemi idropneumatici
I sistemi idropneumatici, o oleopneumatici, sono caratterizzati dal fatto di avere presenza contemporanea di
elementi operanti con aria compressa ed elementi operanti con olio.
L'utilità di quest'abbinamento è nell'usare nel modo migliore sia i componenti pneumatici che i componenti
oleodinamici.
In numerose applicazioni si verificano infatti condizioni di funzionamento in cui i dispositivi pneumatici non sono
più in grado di realizzare quanto viene richiesto, e i dispositivi interamente oleodinamici risultano troppo onerosi.
Nei sistemi idropneumatici, in particolare, l'aria compressa viene utilizzata come fluido motore che fornisce la
potenza richiesta dagli attuatori, mentre la parte oleodinamica viene inserita per sfruttare i vantaggi dovuti alla
incomprimibilità del fluido.
Un primo caso in cui si verificano le condizioni sopra indicate è quello dell'avanzamento lento di un cilindro.
I cilindri pneumatici lavorano infatti con risultati soddisfacenti, per quel che riguarda l'uniformità del moto di
avanzamento, fino a velocità dell'ordine di circa 20 mm/s.
Per velocità inferiori la compressibilità dell'aria, che pure offre ottimi vantaggi nei riguardi della possibilità di
assorbire urti e applicare forze in modo graduale, tende a compromettere la regolarità del moto.
Al contrario, fluidi con compressibilità molto ridotta, quali gli olii idraulici, consentono di avere moti uniformi e
molto lenti.
Quest'esigenza si presenta in applicazioni relative, ad esempio, a sistemi di foratura, in cui diventa poco
conveniente una soluzione interamente oleodinamica dato il basso fattore di utilizzazione delle centraline
dell'olio.
Si possono allora adottare soluzioni in cui l'olio è azionato dalla pressione dell'aria compressa, senza ricorrere a
pompe.
I vantaggi della soluzione mista consistono in un minor costo d'impianto e in un ingombro più ridotto.
Un secondo esempio in cui è utile un sistema idropneumatico è quello in cui devono essere sviluppate grandi
forze solo in alcune fasi della lavorazione, come si verifica in sistemi di serraggio, chiodatura o pressatura.
In tali casi sono pertanto richieste periodicamente pressioni più elevate di quelle normalmente disponibili.
Il problema viene risolto con l'uso di moltiplicatori di pressione.
16.1 Scambiatori di pressione
Come precedentemente si è detto, ove occorrono spinte compatibili con quelle fornibili dai cilindri pneumatici ma
velocità basse e controllate con precisione, si può realizzare un circuito di basso costo, senza ricorrere a
centraline oleodinamiche, usufruendo dei sistemi idropneumatici.
Un apparecchio molto versatile è lo scambiatore di pressione.
Gli scambiatori di pressione sono apparecchi che trasformano una pressione pneumatica in una pressione
idraulica. Sono dei serbatoi muniti di dispositivi antiemulsione, contenenti olio con viscosità Engler a 50°C
compresa tra 1,3 e 3.
1
ARIA
2
3
Segno grafico
4
aria
5
OLIO
fig. 16.1 Scambiatore di pressione.
130
olio
Gli scambiatori di pressione comprendono (fig. 16.1):
- una camicia 4 che può essere di materiale trasparente per controllare il livello dell'olio, oppure in materiale non
trasparente ma con indicatore di livello esterno.
- un diffusore 3 con piattello per evitare che l'aria compressa colpisca direttamente la superficie dell'olio.
- una testata superiore 2.
- una testata inferiore 5.
- un tappo 1 che chiude il foro per il riempimento del serbatoio con olio.
Introducendo aria compressa dalla parte superiore dello scambiatore di pressione, l'olio in esso contenuto,
sospinto dalla pressione dell'aria, defluisce verso la camera del cilindro, che è già piena di olio, provocando il
movimento del pistone che risulta uniforme data l'incomprimibilità del fluido adoperato.
Facendo cessare l'azione dell'aria compressa sulla superficie dell'olio, quest'ultimo può essere di nuovo
sospinto entro l'apparecchio dal pistone nel suo movimento di ritorno.
Il volume dello scambiatore di pressione dev'essere di circa due volte il volume della camera del cilindro
attuatore.
Il fissaggio di questi apparecchi può essere a flangia o a piedini ed essi devono essere posti in posizione verticale
e più alta dei cilindri attuatori per evitare infiltrazioni di aria nelle camere degli stessi.
Applicazione degli scambiatori di pressione.
Regolazione idropneumatica della velocità dei pistoni.
Il controllo della velocità dei pistoni per mezzo degli scambiatori di pressione può avvenire in quattro modi.
Facendo riferimento alla fig. 16.2:
- pos. a) con olio parzializzato in un senso.
- pos. b) con azione dell'aria da un lato e frenatura in contrapposizione con olio.
- pos. c) con azione dell'aria da un lato e frenatura in contrapposizione con olio pressurizzato.
- pos. d) con azione dell'olio in entrambi i sensi.
Gli elementi da impiegare devono essere del tipo adatto per il funzionamento con olio.
1
1
2
1
2
2
2
4
3 15
a)
fig. 16.2 a).
Nel controllo della velocità con olio parzializzato in un senso, il moto di lavoro del pistone è ottenuto per mezzo
dell'olio mentre il suo ritorno è pneumatico (fig. 16.2 a).
Azionando il distributore principale, l'olio contenuto nello scambiatore di pressione, sospinto dall'aria compressa
attraverso la strozzatura della valvola di non ritorno con strozzamento 1, giunge alla camera positiva del cilindro
provocando l'avanzamento del pistone.
La velocità di avanzamento del pistone dipende dalla regolazione della strozzatura della valvola 1.
131
La strozzatura della valvola collegata alla bocca negativa del cilindro dev'essere parzializzata affinché il pistone,
durante il movimento, sia sottoposto ad una contropressione dell'aria.
Al riposizionamento del distributore principale, il flusso dell'aria passa dallo scambiatore di pressione alla
camera negativa del cilindro. Il pistone arretra rapidamente (con l'azione diretta dell'aria) in quanto la valvola di
non ritorno con strozzamento 1, permette il passaggio libero dell'olio dalla camera positiva del cilindro allo
scambiatore di pressione.
Il suddetto metodo si adotta quando i pistoni hanno velocità medie.
1
2
2
4
3 15
b)
fig. 16.2 b).
La fig. 16.2 b) rappresenta il controllo della velocità del pistone con l'azionamento del distributore principale.
L'avanzamento del pistone è provocato dall'azione diretta dell'aria compressa mentre sulla parte opposta del
pistone agisce la contropressione costante dell'olio il cui deflusso verso lo scambiatore di pressione è limitato
dalla valvola di non ritorno con strozzamento.
Variando la regolazione della strozzatura di detta valvola, si varia la velocità di avanzamento.
Con il riposizionamento del distributore principale si ha il ritorno del pistone mediante l'azione dell'olio che è
sospinto nella camera negativa del cilindro dall'aria compressa che s'immette nello scambiatore di pressione.
L'arretramento è veloce in quanto la valvola di non ritorno con strozzamento permette il passaggio libero dell'olio
dallo scambiatore di pressione alla camera negativa del cilindro.
Il suddetto metodo si adotta quando occorrono movimenti molto lenti con velocità fino a circa 0,3 mm/s.
2
0.25 MPa
1
2
1
3
0.6 MPa
c)
fig. 16.2 c).
Il controllo della velocità attuato con gli schemi di fig. 16.2 pos. a) e pos. b), può assumere un movimento
burrascoso nello scambiatore di pressione tale da far incorporare nell'olio delle bolle d'aria che, trascinate
attraverso la valvola di non ritorno con strozzamento, provocano dei movimenti irregolari del pistone. Questo
perchè, entro lo scambiatore di pressione, nel momento che l'olio rifluisce, la superficie libera dello scambiatore
(a contatto con l'aria) non è soggetta alla azione dell'aria compressa.
132
Con lo schema di fig. 16.2 c) si può diminuire questa possibilità ricorrendo alla pressurizzazione costante dell'olio
negli scambiatori di pressione.
In esso la connessione pneumatica dello scambiatore di pressione è collegata direttamente alla rete. La
pressione dell'aria viene diminuita, con un riduttore di pressione, a circa 2,5 bar, pressione sufficiente a
provocare l'arretramento del pistone.
L'olio, sempre soggetto alla pressione di 2,5 bar provoca l'arretramento automatico del pistone al termine del suo
movimento di lavoro quando cioè, con il riposizionamento del distributore principale la camera positiva del
cilindro viene posta allo scarico.
Per il comando del cilindro occorre quindi un distributore principale 3/2 normalmente chiuso.
La superficie libera dell'olio resta in condizioni di tranquillità rimanendo continuamente soggetta all'azione
dell'aria compressa.
Questo metodo si usa quando occorrono velocità basse controllabili con precisione e, per ragioni d'ingombro,
con sviluppo di forze limitate.
1
1
2
2
2
4
3 15
d)
fig. 16.2 d).
Se la velocità del pistone dev'essere controllata in entrambe le corse, si può ricorrere all'azione dell'olio in
entrambi i sensi come rappresentato con lo schema della fig. 16.2 d).
In esso vi sono due scambiatori di pressione, uno collegato alla camera positiva ed uno collegato alla camera
negativa, con le rispettive valvole di non ritorno con strozzamento, orientate in modo che il controllo della velocità
avvenga con azione frenante.
Le camere dei cilindri sono entrambe piene di olio e l'aria compressa agisce sui due scambiatori di pressione
alternativamente.
Quando il pistone avanza l'aria agisce sullo scambiatore collegato alla camera positiva mentre l'olio della camera
negativa rifluisce, con azione frenante sul pistone, nell'altro scambiatore di pressione.
Quando il pistone arretra le condizioni s'invertono.
16.2 Serbatoi per olio
I serbatoi per olio sono simili agli accumulatori pneumatici; posseggono in più: un tubo trasparente, indicatore del
livello dell'olio e un foro filettato chiuso con un tappo a vite per il riempimento, situato nella parte superiore (fig.
16.3).
Segno grafico
fig. 16.3 Serbatoio olio.
133
Anch'essi vengono costruiti con diverse capacità per una pressione di esercizio massima di 10 bar.
Sono utilizzati come serbatoi di compensazione dell'olio, per reintegrare eventuali perdite quando la regolazione
della velocità dei pistoni è attuata con il sistema idropneumatico (combinazione fra il sistema pneumatico e quello
idraulico).
Questo sistema realizza il movimento del pistone con l'aria compressa, mentre la sua velocità viene controllata
per mezzo dell'olio (ved. fig. 16.4).
Applicazione dei serbatoi per olio.
Un sistema per il controllo della velocità dei pistoni è rappresentato dall'utilizzazione dei cilindri in tandem (fig.
16.4).
Di essi, si riempie di olio il cilindro anteriore che, avendo lo stesso stelo passante ha il volume delle due camere
uguale.
Le due camere vengono unite con un tubo in modo tale che, con il movimento del pistone (provocato dall'altro
cilindro pneumatico), l'olio possa fluire da una camera all'altra.
Per controllare la velocità in entrambi i sensi, si inseriscono due valvole di non ritorno con strozzamento,
orientate come rappresentato nello schema, che limitando il passaggio dell'olio, attuano una frenatura idraulica
con conseguente riduzione e regolazione delle velocità del pistone che assume un movimento uniforme.
La regolazione della velocità del pistone in un senso è indipendente dalla regolazione nell'altro senso.
Un serbatoio di compenso, collocato nel ramo dove l'olio non è sottoposto alla pressione frenante (lato della
valvola di non ritorno con strozzamento da cui l'olio fuoriesce dalla strozzatura), garantisce il mantenimento
dell'olio nelle due camere evitando che, per inevitabili perdite, si formino delle bolle d'aria.
L'olio del suddetto serbatoio viene mantenuto in pressione mediante il collegamento della sua connessione
superiore alla rete di aria compressa.
2
4
3 15
fig. 16.4 Regolazione idropneumatica della velocità di un pistone con cilindri tandem.
16.3 Regolazione della velocità dei pistoni con cilindri freno idraulici
I cilindri impiegati per la frenatura idraulica, sono cilindri pieni di olio a circolazione chiusa nel cui circuito è posta
una valvola di non ritorno con strozzamento.
Essi vengono collegati in parallelo al cilindro pneumatico di cui si vuole controllare la velocità del pistone.
134
Il pistone del cilindro pneumatico è di solito con stelo passante (fig. 16.5 pos. a) in modo tale che, unendo con una
staffa 1 la parte posteriore dello stelo passante con lo stelo del cilindro freno, quest'ultimo possa regolare la
velocità del pistone pneumatico.
1
a)
2
4
1
3
b)
2
4
1
3
fig. 16.5 Regolazione della velocità dei pistoni con cilindri freno idraulici.
a) cilindro con stelo passante.
b) cilindro senza stelo passante.
Il pistone pneumatico può essere anche senza lo stelo passante (fig. 16.5 pos. b) ed in quest'ultimo caso il
serbatoio di compenso dell'olio, collegato al ramo dove l'olio non è soggetto alla pressione frenante, non serve
anche a compensare la differenza di volume esistente fra le due camere, ad ogni cambiamento del senso del
movimento.
Il sopraddetto serbatoio e la valvola di non ritorno con strozzamento, che in fig. 16.5 sono rappresentati
schematicamente all'esterno del cilindro freno, sono incorporate nell'unità e l'olio del serbatoio viene
mantenuto in pressione da un pistone con l'impiego di una molla.
Facendo riferimento alla fig. 16.5 a) cilindro con stelo passante, se la staffa 1 non viene bloccata mediante dadi
allo stelo del cilindro freno e gli permette uno spostamento libero per un certo tratto della corsa, si ottiene la
regolazione idropneumatica della velocità per un solo tratto della corsa.
Nella serie di figure parziali di fig. 16.6, che rappresentano la parte posteriore del freno idraulico e l'estremità
della staffa 1 (che in tal caso è solidale allo stelo del cilindro pneumatico), si nota che i dadi, anziché serrare la
staffa, sono distanziati fra loro in modo da ottenere una lunghezza L che rappresenta la corsa attuata dalla staffa
senza l'intervento del freno.
1
a)
L
b)
c)
L
d)
e)
f)
fig. 16.6 Regolazione della velocità di un pistone in un tratto della corsa.
La successione delle figure rappresenta:
a) la posizione di fine lavoro.
b) l'arretramento libero dello stelo del cilindro pneumatico
135
La staffa scorre libera senza agire sull'asta del freno.
c) la staffa del cilindro pneumatico che, proseguendo nello arretramento, trascina anche l'asta del freno idraulico.
In questo caso non vi è azione frenante.
d) l'inizio del movimento di avanzamento. Per il tratto L il pistone del cilindro pneumatico avanza velocemente:
e) la staffa, appoggiandosi contro il dado distanziatore, inizia a trascinare lo stelo che esercita l'azione frenante.
f) l'avanzamento con velocità rallentata del pistone fino al termine della corsa.
I freni idraulici possono avere le valvole addizionali:
- valvola di accelerazione.
- valvole di arresto.
La valvola di accelerazione (chiamata valvola skip). combinata con la valvola di strozzamento, viene impiegata
quando il movimento deve avere percorsi variabili con tratti veloci e tratti lenti nel medesimo senso. Detta valvola,
di tipo normalmente aperta, in assenza di segnale alla bocca 3, con il proprio pistoncino 2 permette all'olio di
bypassare la valvola di strozzamento 1 con conseguente velocità massima del pistone. L'applicazione di un
segnale alla bocca 3 provoca la chiusura del bypass e l'olio, costretto a passare attraverso la valvola di
strozzamento 1, rallenta la velocità del pistone.
La valvola di arresto (chiamata valvola di stop), precede la valvola di strozzamento ed è impiegata quando sono
richiesti degli arresti immediati del pistone. Detta valvola, di tipo normalmente aperta, in assenza di segnale alla
bocca 4, con il proprio pistoncino 5, permette il libero passaggio dell'olio che può giungere alla valvola di
strozzamento 1 per l'eventuale controllo della velocità del pistone per mezzo della valvola di accelerazione 2.
L'applicazione di un segnale alla bocca 4 chiude la valvola di arresto che interrompe il flusso dell'olio e blocca il
movimento del pistone.
Annullando il segnale, il movimento riprende.
Valvola di
accelerazione
1
2
Valvola di
arresto
3
4
5
fig. 16.7 Schema valvole di accelerazione e di arresto.
16.4 Deceleratori
Se le masse da spostare sono rilevanti o se le velocità dei pistoni vengono aumentate, le possibilità degli
ammortizzatori, incorporati nei cilindri, sono superate e si rende necessario l'impiego dei deceleratori.
I deceleratori sono elementi oleoidraulici di concezione semplice la cui costruzione richiede però molta
accuratezza.
Il principio di funzionamento dei deceleratori è rappresentato in fig. 16.8.
136
2
F
1
fig. 16.8 Deceleratore e principio di funzionamento.
La forza F, applicata allo stelo del pistone, lo muove nel senso della forza stessa e l'olio contenuto nella camera
con molla è costretto ad attraversare l'orifizio 1 mentre la pressione creatasi mantiene chiusa la valvola di non
ritorno 2. La velocità del pistone, oltre che della forza F dipende anche dalla sezione del foro 1.
Nel movimento di riposizionamento, per l'azione della molla, la sfera della valvola di non ritorno 2 si sposta dalla
sua sede ed apre un foro di dimensioni maggiori permettendo un rapido ritorno del fluido e perciò un rapido
ritorno del pistone alle condizioni iniziali.
Durante il passaggio del fluido attraverso l'orifizio 1, avviene una caduta di pressione che genera calore.
L'energia viene così dissipata attraverso il riscaldamento dell'olio il quale trasmette il calore al corpo
dell'ammortizzatore e da lì all'atmosfera.
La temperatura massima d'esercizio consentita per un deceleratore è di 70°C.
Affinché non si abbia surriscaldamento dell'elemento, sui cataloghi delle ditte costruttrici è indicata la durata
minima che deve avere un ciclo affinché si abbia una sufficiente dispersione di calore.
137
Capitolo17
CIRCUITI PNEUMATICI
17.1
17.2
17.3
17.4
17.5
17.6
17.7
Circuiti elementari
Schemi funzionali e schemi topografici
Circuiti per cicli semiautomatici ed automatici
Struttura di un circuito pneumatico
Funzioni tempo
Funzioni OR
Funzioni AND
17. Circuiti pneumatici
Definiamo i circuiti pneumatici come costituiti da valvole che hanno il compito d'inviare segnali pneumatici ai
cilindri secondo una logica prestabilita lo scopo di questi è di trasformare l'energia pneumatica in energia
meccanica.
Un impianto, anche il più complesso, è costituito da alcuni blocchi tipo abbastanza semplici. Alcuni esempi di
questi blocchi figurano in questo capitolo.
17.1 Circuiti elementari
Il sistema più semplice si realizza comandando direttamente i cilindri con valvole di distribuzione.
Il primo esempio rappresenta il comando di un cilindro a semplice effetto ove il comando principale è costituito da
un distributore 3/2 ad esso direttamente collegato.
Agendo normalmente sul comando si provoca lo spostamento o commutazione della valvola di comando. L'aria,
attraverso la bocca di uscita, raggiunge la camera del cilindro vincendo la forza antagonista della molla e provoca
l'avanzamento del pistone.
Il pistone permane nella posizione fino a quando il comando manuale permane.
Una volta rilasciato il comando della valvola, si ripristina la posizione iniziale del distributore ed il pistone rientra
per effetto della molla. La figura che segue mostra lo stesso comando ma realizzato con un cilindro a doppio
effetto. Invece di una valvola 3/2 viene ora utilizzata una valvola 5/2.
Nella posizione di riposo o "normale" la via 2 è connessa al lato stelo ed è in comunicazione con l'alimentazione. Il
cilindro ha lo stelo in posizione retratta. Azionando manualmente la valvola mettiamo in comunicazione
l'alimentazione con l'uscita 4 e mandiamo in scarico la mandata. In questo modo il pistone fuoriesce e rimarrà in
questa posizione fino a quando il comando manuale permane.
Questi tipi d'impianti sono detti a comando diretto e sono consigliati quando si ha a che fare con cilindri di piccole
dimensioni.
140
Quando i cilindri sono di dimensioni rispettabili è necessario realizzare la funzione "amplificazione di flusso".
Essa non è niente altro che un controllo remoto o "telecomando".
In questo modo la valvola grossa (amplificatrice) è posta vicino al cilindro, mentre una valvola di dimensioni
contenute può essere montata a distanza in luogo di facile accesso e pilotare l'amplificatrice con tubazioni di
dimensioni ridotte rispetto alla porzione "potenza".
La figura mostra il telecomando di un cilindro a doppio effetto. Il cilindro è azionato da una valvola 5/2 con
comando pneumatico e ritorno a molla, pilotata da una valvola 3/2 che sarà come detto di dimensioni ridotte
rispetto alla valvola 5/2 di potenza.
Azionando la valvola 3/2 si libera il segnale pilota che commuta la valvola 5/2 che a sua volta aziona il cilindro.
Anche in questo caso il cilindro stazionerà nella sua posizione fino a quando permane il segnale manuale.
Lo stesso tipo di telecomando può essere effettuato usando un comando a distanza di tipo elettrico anziché
pneumatico.
.Il risultato è identico come mostrato nello schema che segue usando una elettrovalvola 5/2 ad azionamento
indiretto.
L'eccitazione della porzione pilota avviene tramite l'azionamento dell'interruttore elettrico. Tale porzione si
comporta esattamente come una 3/2 che pilota il corpo valvola 5/2 amplificando il segnale in portata. Anche in
questo caso il cilindro azionato rimarrà in posizione sino a quando permane il segnale elettrico. Quanto visto sino
ad ora ci permette di realizzare circuiti in cui i cilindri azionati rimangono in posizione di "lavoro" per tutta la durata
del comando. Al momento della scomparsa del comando ritornano in posizione di "riposo".
Una funzione molto comune è quella di "memoria". Questa funzione ci permette di mantenere un segnale in
uscita da una valvola per un tempo desiderato utilizzando un segnale di comando impulsivo o di breve durata.
Come già detto questa funzione è ottenuta utilizzando valvole "bistabili" o a posizioni fisse come ad esempio una
valvola a doppio comando pneumatico o a doppio solenoide. Utilizzando componenti di questo tipo è possibile
realizzare circuiti ad impulsi.
Tali circuiti riescono a mantenere il cilindro nella posizione desiderata anche se il segnale di comando scompare.
Per il riassetto è necessario quindi provvedere ad inviare il relativo impulso di comando. Lo schema seguente
mostra l'azionamento di un cilindro tramite comando remoto ad impulsi.
141
Le valvole 3/2 1 e 2 azionano la valvola di potenza per l'azionamento del cilindro. Rispettivamente la valvola 1
aziona il cilindro in uscita e la 2 in rientro.
Lo stazionamento di uno dei due segnali inibisce il segnale opposto.
Se i punti di comando per impartire lo stesso comando al cilindro sono più di uno, è necessario collegare tra loro
in parallelo le valvole di comando ad impulso. Sarà necessario utilizzare, per selezionare i segnali provenienti
dalle due valvole di comando, un selettore di circuito che raccoglie i due segnali in ingresso inviando in uscita il
comando alla valvola di potenza.
Le valvole 1 e 2 convogliano alternativamente il comando nel selettore 5 che invia il segnale alla valvola di
potenza per l'uscita del cilindro. Il selettore 6 seleziona i comandi delle valvole 3 e 4 e convoglia in uscita il
segnale alla valvola di potenza per il rientro del cilindro.
Lo stesso problema può essere risolto con circuitazione elettrica impiegando invece di una valvola a doppio
comando pneumatico, una elettrovalvola a due solenoidi ed al posto delle valvole di comando a pulsante ed ai
selettori, semplicemente due pulsanti elettrici collegati in parallelo.
142
I pulsanti 1 e 2 ordinano l'uscita del cilindro ed i pulsanti 3 e 4 ne ordinano il rientro.
Anche in questo caso il permanere di uno qualsiasi dei comandi inibisce il segnale apposto.
Regolazione di velocità
La regolazione di velocità dei cilindri è ottenuta mediante valvole dette regolatrici di flusso che sfruttano l'aria in
scarico per creare nella camera non alimentata del cilindro una contropressione dovuta alla resistenza che crea
una strozzatura al passaggio dell'aria in scarico.
La contropressione si oppone alla pressione in alimentazione determinando una riduzione della velocità del
pistone.
Variando la luce di passaggio in più o in meno si aumenta o si diminuisce la velocità.
Se volessimo regolare la velocità in fase di alimentazione, la pressione, salirebbe in maniera graduale fino a
raggiungere la fase di spunto pari al carico da vincere più le perdite per attrito. Il pistone compie uno scatto in
avanti. Ora nella camera la pressione cala al di sotto di quella di spunto causando la fermata del pistone. Per
ripartire bisogna ripristinare le condizioni di spunto.
Tutto ciò determina un avanzamento a scatti dello stelo del cilindro.
La regolazione attraverso l'aria in scarico, riduce gli effetti della variazione di pressione mantenendo una
differenza di pressione tra camera in alimentazione e camera in scarico accettabile evitando così avanzamenti a
scatti.
La figura seguente mostra il tipico collegamento cilindro / valvola con interposte valvole regolatrici di flusso
unidirezionali per il controllo della velocità.
143
Come si può vedere, l'aria, quando scaricata, è costretta a fluire attraverso la strozzatura variabile.
Nel caso invece si abbia necessità di corse molto veloci di un cilindro è consigliabile l'uso di valvole di scarico
rapido poste direttamente sulle bocche di alimentazione del cilindro stesso. L'aria in scarico può fluire
direttamente all'atmosfera senza dover passare attraverso tubi e valvola di alimentazione evitando così percorsi
tortuosi.
Infatti curve, riduzione di sezione etc, provocherebbero sicuramente un ostacolo al libero flusso dell'aria.
Come detto le valvole di scarico rapido vanno poste nel punto più vicino al volume da scaricare perché se le
condotte sono lunghe possono anche avere un volume rilevante rispetto a quello che si vuole scaricare.
Un esempio di collegamento è mostrato nella figura che segue.
17.2 Schemi funzionali e schemi topografici
Un circuito pneumatico può essere rappresentato nella forma topografica oppure funzionale.
Lo schema topografico ha gli elementi disposti in maniera da dare un'idea della loro disposizione reale. Questa
rappresentazione è piuttosto complessa e di difficile lettura.
Lo schema funzionale non tiene conto della reale disposizione degli elementi ma contribuisce a rendere chiara e
d'immediata interpretazione la lettura dello schema.
Gli schemi che seguiranno saranno tutti rappresentati con il sistema funzionale.
17.3 Circuiti per cicli semiautomatici ed automatici
Il comando per un ciclo semiautomatico si ottiene facendo commutare, al termine della corsa da una camma o
dallo stelo del pistone stesso un distributore di controllo chiamato finecorsa.
La doppia corsa attuata dal pistone determina il ciclo.
Si dice semiautomatico quando il ciclo può ripetersi azionando nuovamente lo START.
Si dice automatico quando il ciclo si ripete e l'operatore interviene solo per farlo iniziare o per terminare la
ripetizione del ciclo stesso.
144
Facendo riferimento allo schema rappresentato, le condizioni a riposo sono:
- cilindro con stelo retratto
- finecorsa B azionato dalla camma
- finecorsa A libero
- valvola di START a riposo.
Aziono la valvola di START sul lato manuale, libero un impulso pneumatico e rilascio.
L'impulso commuta la valvola di comando 5/2 ed lo stelo del cilindro fuoriesce rilasciando il finecorsa B.
Alla fine della propria corsa aziona il finecorsa A il quale libera un segnale che aziona la valvola 5/2 sul lato
opposto.
Lo stelo del cilindro rientra rilasciando il finecorsa A ed azionando alla fine della sua corsa il finecorsa B.
Il ciclo semiautomatico è così concluso.
Per un nuovo ciclo è necessario ripetere il segnale di START-MANUALE.
Se la valvola di START è azionata su AUTOMATICO il finecorsa B rimarrebbe sempre alimentato, quindi il ciclo
si ripete sino a quando il segnale di START non sia tolto.
Così facendo otteniamo il ciclo automatico. Eguale movimento alternativo è ottenibile usando al posto del
distributore a doppio comando pneumatico una elettrovalvola a due solenoidi con finecorsa di tipo elettrico.
17.4 Struttura di un circuito pneumatico
Il circuito pneumatico si divide in tre parti fondamentali:
1) circuito di potenza costituito dalla valvola di comando e del proprio cilindro dimensionati secondo le esigenze.
2) circuito ausiliario in cui si collocano finecorsa e valvole di sequenza unitamente a tutti i componenti che
costituiscono il governo del circuito.
3) circuito di comando che serve per comandare la messa in marcia e l'arresto del ciclo.
É importante disegnare i simboli in modo corretto applicando un unico metodo di rappresentazione.
I componenti devono essere rappresentati nella posizione di riposo e cioè nella posizione che assumono a
macchina ferma con aria in rete.
145
17. 5 Funzioni di tempo
La funzione di tempo nei circuiti pneumatici viene realizzata tramite temporizzatori.
Il loro funzionamento si basa sul tempo occorrente per il riempimento di un accumulatore pneumatico in cui viene
immessa aria parzializzata attraverso una valvola regolatrice di flusso unidirezionale. Ritenendo il flusso
costante, la pressione necessaria per la commutazione di un distributore viene a determinarsi entro
l'accumulatore; in ogni successivo suo riempimento il tempo rimane costante se rimane costante la strozzatura
della valvola regolatrice di flusso.
La funzione di tempo può essere in eccitazione o diseccitazione.
Come si può notare dai simboli grafici che rappresentano le varie realizzazioni, questi apparecchi si ottengono
collegando in serie una valvola regolatrice di flusso unidirezionale, un serbatoio ed un distributore.
La funzione "in eccitazione" o " in diseccitazione" dipende solo dalla direzione in cui il flusso viene regolato.
- Flusso regolato verso il serbatoio "eccitazione".
- Flusso regolato in scarico al serbatoio "diseccitazione".
I temporizzatori non possono essere molto precisi perché il loro funzionamento dipende dallo stato fisico dell'aria
che non è costante e dalla pressione dell'aria compressa che è soggetta ad oscillazioni; per loro prestazioni sono
però sufficientemente valide nella maggior parte delle applicazioni pneumatiche.
Normalmente chiuso,
attivo, ritardato
all'eccitazione
Q
2
X
1
2
12
1
a)
3
Q
Normalmente aperto,
attivo, ritardato
all'eccitazione
Normalmente chiuso,
attivo ritardato
alla diseccitazione
Normalmente aperto,
attivo, ritardato
alla diseccatazione
2
X
1
2
12
1
3
b)
3
c)
Q
2
X
1
2
12
1
Q
2
X
1
2
12
1
3
d)
Q
Normalmente chiuso,
passivo, ritardato
all'eccitazione
2
1
2
12
1
e)
3
X
Q
Normalmente aperto,
passivo, ritardato
all'eccitazione
2
1
2
12
1
3
f)
X
17.6 Funzione OR
Come già descritto in precedenza la funzione 0R può essere ampiamente soddisfatta con l'uso di un selettore di
alta pressione.
U
A
B
146
É possibile ottenere la medesima funzione logica utilizzando una valvola 3/2.
Se assumiamo come 0 (zero) l'assenza di segnale e 1 la presenza di segnale, possiamo osservare dalla tabella
che la valvola 3/2 così collegata, utilizzando anche la via di scarico come ingresso, soddisfa la condizione della
funzione logica OR.
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
U
0
1
1
1
Non è possibile però selezionare la pressione più alta, cosa che si può ottenere solo usando la valvola selettrice.
17.7 Funzione AND
Analogamente la funzione AND ottenibile con un selettore di bassa pressione, è attuabile, collegando in serie
due valvole 3/2.
U
A
B
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
U
0
0
0
1
Come si vede dalla tabella questo collegamento soddisfa la funzione AND ma non quella di selettore di bassa
pressione.
147
Capitolo18
TECNICA CIRCUITALE
SISTEMI SEQUENZIALI
18.1 Descrizione della sequenza
18.2 Definizione dei comandi
18.3 Segnale continuo, segnale impulsivo,
segnale bloccante
18.4 Metodo a cascata
18.5 Metodo di annullamento segnali bloccanti
18.6 Sequenze elettropneumatiche
18. Tecnica circuitale sistemi sequenziali
18.1 Descrizione della sequenza
Con il termine "sequenza" s'intende definire il movimento di più cilindri che si attua secondo un programma
prestabilito.
Per studiare un circuito pneumatico che deve realizzare una determinata sequenza bisogna:
1) descrivere la sequenza
2) disegnare i diagrammi di moto dei pistoni
3) definire la posizione di partenza e di arrivo dei segnali di comando
4) analizzare i detti comandi. Ricordiamo che i cilindri si designano con lettere maiuscole e che il segno + sta ad
indicare che lo stelo è in posizione fuori, mentre il segno - indica che è in posizione arretrata.
Per tracciare il diagramma spazio-tempo che rappresenti il moto dello stelo di un cilindro, immaginiamo di fissare
solidamente all'estremità dello stelo una matita e farle tracciare una linea su un rotolo di carta che si svolge sotto
di essa con velocità costante.
Se lo stelo è fermo sulla carta si otterrà una linea continua orizzontale.
Quando lo stelo inizia il movimento di uscita la matita traccerà sul foglio una linea inclinata verso l'alto. Se lo stelo
è fermo in posizione fuori la matita disegnerà una linea retta fino a quando il cilindro rientrando delineerà una linea
inclinata in senso opposto alla precedente.
Più ripida sarà l'inclinazione, maggiore sarà la velocità del cilindro.
Proviamo ora a disegnare un diagramma dei moti, o delle fasi, di due cilindri che si muovono secondo la
sequenza:
A+ / B + / A- / B Siccome i cilindri sono due si disegnano i due spazi per i diagrammi di moto in colonna e distanziati tra loro.
+
A
+
B
-
Si esegue la linea inclinata che va dalla posizione negativa (-) alla posizione positiva (+) con tratto grosso (cil. A),
quindi in verticale, con linea sottile (linea di comando) dal punto d'intersezione dell'inclinata fino ad incontrare
quella di posizione negativa (-) del cilindro B e così via procedendo secondo la sequenza indicata.
Si arriverà alla definizione finale del diagramma.
+
A
+
B
150
18.2 Definizione dei comandi
I comandi sono dati da valvole di fine corsa azionate dagli steli dei pistoni. Con questo sistema si ha la certezza
che la sequenza programmata venga rigorosamente rispettata.
I comandi di partenza, arresto ed emergenza sono segnali che vengono inviati da valvole con comando manuale.
Da ogni linea di comando visibile sul diagramma si rileva chiaramente il finecorsa azionato da cui parte il segnale
ed il distributore che attua il cilindro a cui il segnale stesso è diretto.
Il segnale di comando è quindi emesso da un distributore (a comando manuale o meccanico) ed è diretto al
distributore principale del cilindro interessato.
Dicendo che un segnale di comando provoca A+ significa che il comando agisce nel lato positivo della valvola del
cilindro A con conseguente avanzamento del suo pistone.
I finecorsa s'indicano con la lettera minuscola con cui è designato il cilindro relativo e, col codice zero s'indica il
finecorsa azionato (premuto dalla camma), mentre con 1 quello in posizione rilasciata.
Riprendendo come esempio la sequenza A+/B+/A-/B- completiamo il diagramma con i numeri progressivi delle
fasi, i simboli dei finecorsa all'inizio delle linee di comando, il punto in cui interviene lo start per l'inizio della
sequenza e la descrizione letterale della sequenza con l'annotazione dei simboli degli elementi che provocano i
singoli movimenti.
FASI
1
2
3
2
a0
-
-
1
a1
+
A
+
B
4
b1
b0
b0
S
Ciclo
Si legga:
START e bo (AND) provocano A+
a1 provoca B+
b1 provoca Aa0 provoca BSe il comando dev'essere attuato da funzioni OR, AND, TEMPO o se il pistone deve invertire immediatamente il
suo movimento al termine della corsa vengono riportati dei segni grafici che indicano queste funzioni.
Funzione
OR
Funzione
AND
Funzione
TEMPO
151
Inversione di moto
18.3 Segnale continuo, segnale impulsivo, segnale bloccante
Analizzando i segnali di comando nella sequenza conosciuta, notiamo che lo stelo del cilindro A ultimata la sua
corsa +, aziona il finecorsa a1 da cui parte un segnale che provoca l'evento di B+.
Il segnale rilasciato da a1 è mantenuto nel tempo fino a quando lo stelo del cilindro A stazionerà nella posizione +.
Un segnale di questo tipo viene chiamato segnale continuo.
FASI
SEGNALE CONTINUO
2
1
3
a1
+
A
+
B
-
1
a0
b1
b0
b0
S
Ciclo
Il segnale invece rilasciato da b1 azionato da B+ provoca un segnale impulsivo, la sua linea di sosta infatti è
ridotta ad un punto.
Se osserviamo la sequenza disegnata nel diagramma successivo A+/B+/B-/A- la sosta positiva del pistone A si
rileva che il finecorsa a 1 rimane azionato per tutto il tempo in cui lo stelo del cilindro B effettua la sua doppia corsa
di andata e ritorno.
SEGNALE BLOCCANTE
FASI
1
+
B
3
4
1
2
a 1)
+
A
-
2
a0
a0
b1
b0)
S
Ciclo
Per maggiore chiarezza si consideri il cilindro B ed il suo distributore principale.
Il segnale proveniente da a1 ha commutato il distributore principale portando lo stelo del cilindro B in posizione +.
In questa posizione viene azionato b1 il cui segnale dovrebbe provocare l'arretramento dello stelo dello stesso
cilindro B.
Quest'ultimo segnale però rimane inefficace perché sul lato opposto del distributore insiste il segnale liberato da
a1. Il ciclo non può proseguire ed il movimento si arresta.
Un segnale continuo di questo tipo, che impedisce la continuazione del ciclo viene definito bloccante.
Il segnale è bloccante se la sua linea di sosta comprende la doppia corsa del pistone del cilindro da esso
comandato.
152
In definitiva i segnali possono essere tre tipi:
continui
impulsivi
bloccanti
Per realizzare un circuito pneumatico secondo una data sequenza, è bene analizzare i comandi per poi scegliere
la tecnica più adatta.
É utile evidenziare i segnali bloccanti, per non confonderli con i continui.
In questo capitolo analizzeremo due semplici metodi per realizzare circuiti con soluzioni sicure, affidabili ed
economiche.
18.4 Metodo a cascata
Il concetto è quello di rendere efficiente un segnale solo nel momento in cui debba essere utilizzato.
Questo si può realizzare attraverso l'utilizzo di distributori bistabili che alimentano i finecorsa solo quando questi
debbano emettere il loro segnale di comando.
Il problema è quello di decidere, durante il ciclo, con quali segnali i distributori bistabili devono essere commutati.
Si procede raggruppando i finecorsa e verificando quali finecorsa possono essere alimentati
contemporaneamente e si suddivide la sequenza in gruppi ricordando che:
- in un unico gruppo si deve trovare un solo comando per l'uscita od il rientro del cilindro
- i gruppi devono essere più ampi possibili
- il comando di inizio ciclo o fine ciclo può essere nel mezzo di un gruppo.
Per semplicità analizziamo la sequenza già nota
a1 b1
A+ / B+
I° gruppo
b0 a0
B- / AII° gruppo
Tracciamo ora le linee riferite al gruppo I° e gruppo II° collegando loro le uscite del distributore bistabile di
selezione.
Alla linea del gruppo I° si collegano le alimentazioni dei finecorsa del gruppo eccetto l'ultimo in sequenza.
Alla stessa linea si collegano i comando principali (es. START etc)
Il finecorsa che sente l'ultima corsa del gruppo I° inverte il selettore scaricando la linea I° e pressurizzando la
linea II°.
Alla linea del gruppo II° si collegano le alimentazioni dei finecorsa del gruppo tranne l'ultimo.
Il finecorsa che sente l'ultima corsa del gruppo II° ripristina la posizione del distributore di selezione.
153
FASI
1
+
B
3
4
1
2
a 1)
+
A
-
2
a0
a0
b1
b0)
S
Ciclo
Le uscite dei finecorsa dovranno essere inviate alle valvole di potenza completando lo schema come segue.
154
Lo schema realizzato è di sicuro funzionamento e di facile lettura.
É possibile utilizzare questo sistema anche con più gruppi di cilindri. Bisogna sempre ricordare che sono
necessari tanti segnali di uscita dai selettori quanti sono i gruppi individuati.
Proviamo ora ad analizzare un ciclo la cui sequenza preveda tre cilindri:
A+ / B+ / C+ / A- / C- / BS'individuano facilmente due gruppi:
I°
A+, B+, C+
II°
A-, C-, B-
Ricordando quanto descritto in precedenza tracciamo le linee dei due gruppi con la relativa valvola di selezione e
procediamo all'invio dei segnali come già fatto nell'esempio precedente.
155
156
18.5 Metodo annullamento segnali bloccanti
Riprenderemo per questo la sequenza di due cilindri
A+, B+, B-, Aed analizzeremo sul diagramma lo stato dei finecorsa bloccanti durante il ciclo completo dopo averli identificati
con il sistema precedentemente detto.
I finecorsa a1 e b0 sono bloccanti perché rimangono azionati per tutto il tempo in cui lo stelo del cilindro
comandato effettua la sua doppia corsa di andata e ritorno.
Indichiamo le fasi da 0 a 4 rispetto ai finecorsa bloccanti a1 e b0.
Il finecorsa a1 è premuto dalla fase 1 alla fase 3.
Il finecorsa b0 è premuto dalla fase 3 alla fase 1.
Questi finecorsa divengono bloccanti quando il cilindro da loro comandato deve intraprendere la corsa opposta.
Per il finecorsa a1 dalla fase 2 alla fase 3.
Per il fine corsa b0 dalla fase 0 alla fase 1.
In queste due fasi il segnale a questi fine corsa dev'essere tagliato.
É possibile quindi alimentare i finecorsa:
a1 dalla fase 0 alla fase 2 e cioè da quando si libera il segnale di START fino a quando il cilindro B da lui
comandato ha compiuto l'intera sua corsa.
Lo stesso dicasi per il finecorsa b0, alimentato dalla fase 2 alla fase 4.
Il segnale in uscita liberato dal finecorsa premuto deve sparire sicuramente per:
a1 : dalla fase 2 alla fase 3
b0 : dalla fase 4 alla fase 1
Come si può ora vedere abbiamo ottenuto due segnali complementari che coprono tutte le fasi del ciclo da 0 a 4.
L'alimentazione ad a1 verrà data con il segnale nella fase 0 e 4, lo scambio avviene con il segnale della fase 2.
Quindi a1 sarà alimentato quando interverrà START e a0 e il finecorsa b0 sarà alimentato quando interverrà b1.
Disegniamo ora la valvola bistabile 5/2 capace di soddisfare questa condizione.
Le uscite del selettore andranno ad alimentare i finecorsa a1 e b0. Gli altri finecorsa non bloccanti possono
essere alimentati direttamente dalla rete.
157
Come si può vedere dal risultato si è arrivati ad una soluzione del tutto analoga a quella ottenuta con il metodo a
cascata.
18.6 Sequenze elettropneumatiche
Se il circuito di potenza è pneumatico e la fonte di energia per il comando è elettrico, come già accennato,
l'insieme prende il nome di circuito elettropneumatico.
Abbiamo già visto in un capitolo precedente alcuni circuiti elementari in cui i comandi venivano inviati alla
elettrovalvola di potenza direttamente dai finecorsa.
Per risolvere problemi circuitali più complessi, quando siamo in presenza di sequenze con più cilindri viene usata
la tecnica a relè. Il relè è un apparecchio che contribuisce in larga misura a risolvere tali problemi.
Esso è costituito da un elettromagnete (nucleo con bobina), da un'ancora mobile posta ad un'estremità del
nucleo e mantenuta distante dallo stesso mediante l'azione di una molla e da un certo numero di contatti.
La figura mostra uno schema di relè.
158
Quando la bobina dell'elettromagnete è percorsa da corrente, l'ancora viene attratta ed agisce meccanicamente
sui contatti che possono venire chiusi o aperti secondo la loro posizione iniziale.
I contatti possono essere:
Normalmente aperti (N.A.) quando l'azione di attrazione che subisce l'ancora ne provoca la chiusura.
Normalmente chiusi (N.C.) quando l'azione che subisce l'ancora ne provoca l'apertura.
Di scambio quando il contatto chiude un circuito e ne apre un altro.
Quando la corrente inviata alla bobina viene interrotta la parte mobile ritorna ed i contatti riprendono la posizione
di riposo.
Un circuito fondamentale, nell'uso dei relè, che risolve svariati problemi è il circuito di auto ritenuta.
Come si può osservare dallo schema seguente:
1
5
10
1
S1
1
K
2
2
2
S2
3
K
4
4
Circuito di autoritenuta.
Il magnete K può essere eccitato azionando il pulsante S1 (N.A.).
In parallelo ad S1 si è inserito il contatto K (N.A.) del magnete K. Il contatto è contrassegnato con la stessa lettera
del magnete.
Quando questo contatto si chiude per azione dell'elettromagnete, rimane chiuso anche se il pulsante S1 viene
rilasciato.
In questa posizione si è stabilita una continuità di corrente che passando attraverso il contatto K mantiene
eccitato l'elettromagnete.
Il sistema ritorna nella posizione iniziale interrompendo la continuità di corrente premendo il pulsante S2 (NC)
anche per un tempo brevissimo.
Per realizzare lo schema di un circuito elettropneumatico per il comando di più cilindri che di devono muovere
secondo una determinata sequenza occorre stabilire che il tipo di distributore principale usare.
Useremo nel nostro caso, per semplicità, degli elettrodistributori di tipo bistabile.
Si realizzi la seguente sequenza:
159
Lo schema viene realizzato in cascata.
Si divida la sequenza come nei circuiti pneumatici
I°
A+; B-; C+
II°
A-, B+, C-
S'impiega il contatto di scambio di un relè facendo dipendere:
- dal contatto NO il primo gruppo
- dal contatto NC il secondo gruppo.
Azionando lo START dato che a macchina ferma il contatto C0 è chiuso si eccita la bobina del relè K2 in cui i
contatti cambiano di stato.
Con la chiusura del contatto K2 (linea 35) si ottengono i movimenti del primo gruppo e quando inizia l'ultimo
movimento C+ il contatto C0 si apre e la bobina K2 si diseccita.
Il contatto K2 della linea 50 si chiude ed hanno luogo i movimenti del secondo gruppo.
Nel caso si volessero utilizzare elettrodistributori monostabili lo schema dev'essere realizzato risolvendo passo
per passo.
Occorre infatti che il segnale che provoca la prima corsa del pistone sia mantenuto presente fino a che non venga
comandata la seconda corsa e così via.
É necessario perciò l'uso di relè con circuito di autoritenuta per ogni elettrodistributore.
Il circuito di autoritenuta è attivato dal contatto NO che comanda la prima corsa e disattivato dal contatto NC che
deve provocare la seconda corsa come rappresentato nel circuito di figura.
In questo circuito è contemplato il comando per movimento automatico e semiautomatico.
Per l'emergenza è sufficiente togliere corrente al circuito di comando.
160
Capitolo19
CIRCUITI COMPLEMENTARI
19. Circuiti complementari
Un aspetto molto importante nella progettazione degli impianti è quello inerente alla sicurezza.
Allo scopo, dopo avere ottenuto uno schema funzionante, è compito del progettista inserire elementi
complementari quali emergenze, sicurezze e consensi in modo che la sicurezza sia garantita e che, anche
movimenti accidentali di qualche cilindro, non compromettano l'incolumità dell'operatore.
I segnali di STOP e di EMERGENZA saranno inseriti nello schema principale secondo le esigenze previste dal
ciclo sequenziale.
Può accadere che in presenza di segnale di STOP la sequenza si debba fermare in quel punto, che l'ultimo
cilindro comandato prima dello STOP debba fermarsi alla fine della propria corsa ed inibire il proseguimento del
ciclo oppure che lo stesso debba ritornare in posizione retratta prima di inibire il prosieguo. É evidente che il
collegamento al circuito principale di tale comando è diverso in un caso piuttosto che nell'altro.
Analogamente il segnale di emergenza può comandare il rientro contemporaneo di tutti i cilindri azionati, oppure
il ritorno in sequenza.
Il progettista deve tenere presente queste esigenze ed agire di conseguenza. I segnali di START sono molto
spesso inviati da pulsanti azionati manualmente dall'operatore.
In questi casi, quando necessario, si cerca d'impedire che una sola mano dell'operatore sia impegnata nella fase
di caricamento del pezzo, mentre l'altra, libera, possa accidentalmente avviare il ciclo coinvolgendo l'operatore in
un infortunio per un movimento non voluto.
Allo scopo vengono predisposti comandi di avviamento a due mani.
Si può iniziare con dispositivi molto semplici che rendono l'idea del concetto di comando a due mani.
Un circuito di comando con due pulsanti in serie a formare una AND è il primo abbozzo di un comando di questo
tipo.
Le valvole di comando 1 e 2 debbono essere distanziate tra loro in modo che una sola mano non possa azionarle
entrambe. Tenendo comunque premuta una delle due valvole con un artifizio è possibile azionare il cilindro
aggirando la sicurezza.
162
Lo schema seguente previene però la possibilità di aggirare la sicurezza inserendo come comando ad un
distributore bistabile due valvole 3/2 di cui una NC e la seconda NA collegate come lo schema che segue.
In questo caso la sicurezza non può essere aggirata in quanto tenendo premuto uno dei due pulsanti il cilindro,
dopo aver fatto la prima corsa non si potrebbe più muovere se i pulsanti non vengono entrambi rilasciati. Per un
secondo azionamento è necessario premere di nuovo i pulsanti.
Questo è un sistema detto "antiripetitivo".
Le normative però prevedono nei comandi di asservimento a due mani che ci debba essere le contemporaneità
dei comandi oltre la già citata antiripetitività.
La contemporaneità prevede che tra i due segnali di comando non possa trascorrere più di un tempo prestabilito
ovviamente molto breve.
Lo schema che segue rappresenta un circuito del tipo sopra citato.
163
Premendo contemporaneamente i pulsanti 1 e 2 il segnale attraverso il selettore OR e la valvola regolatrice di
flusso si presenta al comando della valvola bistabile 3/2.
Contemporaneamente l'aria passa anche attraverso il selettore AND e si presenta sul lato opposto di comando
della 3/2 bistabile.
Questo segnale è il primo ad arrivare in quanto non attraversa alcun regolatore di flusso e quindi passa attraverso
la via NA del distributore 3/2 ed aziona la valvola di potenza.
Se solo uno dei due pulsanti fosse rilasciato il segnale in uscita dal selettore AND verrebbe a mancare.
Il segnale in uscita dal selettore OR prevale ed il comando alla valvola di potenza scompare riposizionando il
cilindro in posizione di stelo retratto.
Anche ripremendo una seconda volta il pulsante rilasciato la condizione non cambia.
Per poter ripetere l'operazione è necessario rilasciare entrambi i pulsanti e premerli contemporaneamente di
nuovo. La valvola regolatrice di flusso stabilisce il ritardo tra l'azionamento della valvola 1 rispetto alla valvola 2.
Più il passaggio è strozzato più questo tempo è lungo. Lo schema pocanzi descritto può essere motivo di
esercitazione alla lettura di uno schema ed è puramente indicativo. Il suo scopo è quello d'introdurre il concetto di
sicurezza a "due mani".
Pneumax produce due tipi di apparecchi che conglobano al proprio interno il circuito descritto ed omologati
secondo standard europei EN574.
Le omologazioni in categoria IIIa per l'antiripetitore a circuito singolo e IIIb per quello a circuito doppio.
2
12
10
3
12
10
12Y
12Z
2
1A
10
2
1B
10
12
12
3
3
1A
2
12
10
1B
1A
2
12Y
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1A
2
12
10
1B
1A
2
1B
12Z
Altre apparecchiature conglobano al proprio interno funzioni come "l'oscillazione" o il "flip-flop".
La valvola con funzione di oscillatrice invia alternativamente e continuamente due segnali in uscita fino a quando
è presente il segnale continuo d'ingresso.
L'oscillazione è dovuta all'intervento di due NOT che azionano una valvola 5/2 bistabile.
2
3
4
2
2
1
1
3
3 15
164
La funzione "flip-flop" presenta due uscite le quali vengono attivate alternativamente inviando un impulso al
pilotaggio 12.
Un primo impulso attiva l'uscita 2, un secondo impulso, l'uscita 4 e così via.
Tutto ciò è ottenuto con l'uso di due valvole 5/2 bistabili collegate tra loro come nel circuito di figura.
12
4
2
1
Quando si ha necessità, in presenza di un segnale con bassa pressione, di ottenere un'azione di amplificazione
della stessa si usa una valvola amplificatrice composta da una valvola 3/2 monostabile di portata, pilotata da una
valvola 2/2. La porzione pilota funziona in depressione. La valvola di amplificazione 3/2 viene commutata
intercettando la fuga d'aria tramite la posizione chiusa della pilotina 2/2.
2
12
12
1
3
165
Capitolo20
COMPONENTI PER IL VUOTO
20.1
20.2
20.3
20.4
20.5
Il vuoto
Pompe per il vuoto
Ventose
Valvole ed elettrovalvole per il vuoto
Vacuometri - vacuostati
20. Componenti per il vuoto (accenni)
20.1 Il vuoto
Il vuoto può essere definito come:
"uno spazio che è completamente (o quasi) privo di aria".
In precedenza si è visto che lo spessore di aria che circonda la terra esercita, sulla superficie terrestre (a livello del
mare), una pressione pari a 0,101 MPa (ossia 1,013 bar) e che, inoltre, il valore di tale pressione è una funzione
dell'altitudine; ad esempio a 3000 m di altezza la pressione vale 0,07 MPa, mentre sul monte Everest, a 8848
metri di altitudine, si ha una pressione pari a 0,033 MPa.
La pressione atmosferica è strettamente correlata con il vuoto:
SI HA VUOTO QUANDO LA PRESSIONE É INFERIORE A QUELLA ATMOSFERICA E DI CONSEGUENZA, SI
HA IL "VUOTO ASSOLUTO" (100% DI VUOTO) QUANDO LA PRESSIONE ATMOSFERICA É NULLA.
Approssimando l'aria ad un gas perfetto si può affermare che a temperatura costante, per la legge di BoyleMariotte, la pressione (p) è inversamente proporzionale al volume (V), cioè un aumento di volume di aria
comporta una diminuzione di pressione:
Pi x Vi = Pf x Vf = cost.
dove:
Pi
Vi
Pf
Vf
=
=
=
=
pressione iniziale
volume iniziale
pressione finale
volume finale
Di conseguenza si può affermare che:
- si può raggiungere il vuoto assoluto (cioè finale = 0) solo aumentando il volume all'infinito;
- si può ottenere il vuoto al 90% incrementando il volume iniziale e l'energia richiesta per l'espansione (cioè
energia spesa) di 100 volte.
20.2 Pompe a vuoto
Il "vuoto" è generalmente creato da diversi tipi di pompe che si possono dividere in due gruppi:
- pompe meccaniche
- pompe ad eiettore.
La maggior parte delle pompe ad eiettore utilizza l'aria compressa come alimentazione.
Con la pompa ad eiettore singolo si può ottenere un elevato grado di vuoto (80% ca.) ma con una bassa portata
d'aria aspirata, oppure un'elevata portata d'aria aspirata, ma con un basso grado di vuoto.
La pompa a vuoto ad eiettore multiplo funziona con un sistema alimentato dall'aria compressa.
Questa viene immessa in una serie di eiettori inseriti in camere separate di diverso volume controllate da valvole
a membrana.
Tale soluzione permette di sfruttare in modo ottimale l'espansione dell'aria per creare una depressione.
Il sistema ad eiettore multi-stadi ha un rendimento effettivo molto elevato che garantisce un alto grado di vuoto
con grandi portate d'aria in aspirazione.
168
Non avendo parti in movimento, dette pompe, non necessitano di manutenzione. Il basso peso e le ridotte
dimensioni ne consentono facilmente l'installazione sul punto di utilizzo, semplificando il circuito e riducendo i
tempi di risposta.
Il sistema ad eiettore multi-stadi consente un limitato consumo d'aria e un basso livello di rumorosità.
Essendo alimentate ad aria compressa e senza parti elettriche, dette pompe non generano calore e si possono
utilizzare in continuo anche in ambienti deflagranti in assoluta sicurezza per gli operatori.
Agendo sull'alimentazione dell'aria compressa si controlla facilmente e direttamente il grado di vuoto e il ciclo di
funzionamento della pompa.
20.3 Ventose
Le ventose sono elementi di presa che si basano sulla depressione che si genera al loro interno quando,
alimentate con aria compressa filtrata e non lubrificata, sono poste a contatto con il pezzo da afferrare.
Vengono impiegate in dispositivi di manipolazione automatici quali meccanismi di sollevamento, di prelievo e
posizionamento, alimentatori per presse ecc.
Facendo riferimento al disegno schematico si ha che l'aria compressa entra dall'alimentazione P e prima di
scaricarsi in atmosfera passa attraverso una sezione Venturi creando una depressione in corrispondenza delle
connessioni 1 e 2.
Il componente con la sezione Venturi è chiamato: eiettore
Alla connessione 1 dell'eiettore si applica la ventosa mentre la connessione 2 si collega ad un vacuostato.
Quando la ventosa viene posta a contatto con un pezzo, aderisce subito alla superficie del medesimo per effetto
della depressione interna provocata dal sistema Venturi e della pressione atmosferica esterna. Nel medesimo
tempo, la depressione che si crea nel condotto 2 attua la commutazione del vacuostato ad esso collegato il cui
corrispondente segnale, comprovante che il pezzo è stato afferrato, viene utilizzato per dar corso al
proseguimento delle operazioni di movimentazione.
Cessando l'alimentazione di P si ha il distacco della ventosa.
Il vuoto nella camera della ventosa può essere realizzato, oltre che con l'eiettore anche con le pompe a vuoto.
169
Depressione
Segnale di
controllo
90
% depressione
80
2
P
70
60
50
40
30
1
20
ne a
ssioferi c
e
r
s
p o
atm
10
pre
atm ssio
osf ne
eri
ca
1
Depressione
2
3
4
5
6
bar
Depressione con diverse
pressioni in entrata
Pressione atmosferica
La ventosa, come precedentemente detto, aderisce alla superficie in virtù del fatto che la pressione circostante è
maggiore di quella tra la ventosa e la superficie stessa (in pratica la pressione circostante è la pressione
atmosferica).
La ventosa è quindi considerata come una "fonte di vuoto" poiché genera depressione.
Si possono sollevare masse di poche grammi con piccole ventose e masse di oltre centocinquanta chilogrammi
con ventose di grande diametro.
Il corretto dimensionamento di una ventosa prevede che:
A =
F
P
dove:
- F = forza di sollevamento (espressa in N)
- A = area della sezione di aderenza (espressa in mm²)
- P = differenza tra la pressione esterna e pressione tra la ventosa e la superficie (espressa in Pa)
20.4 Valvole ed elettrovalvole per il vuoto
Le valvole ed elettrovalvole per il vuoto sono del tipo ad otturatore per grosse portate.
Sono costruite nella versione 3/2 e 2/2, sia normalmente chiuse che normalmente aperte.
Per il funzionamento con aria compressa il loro funzionamento è simile alle analoghe valvole a spola, mentre per
il funzionamento con il vuoto occorre accortezza nell'esatta scelta del tipo e nel loro collegamento con la pompa.
Per il pilotaggio elettrico si utilizza un normale microsolenoide quando il comando è ad aria ed un microsolenoide
particolare specifico, quando il comando è con il vuoto.
170
La figura rappresenta una valvola ed una elettrovalvola ( senza avvolgimento) 3/2 riposizionamento a molla, da
3/2" e da 3/4".
3/8"
3/4"
20.5 Vacuometri - vacuostati e amplificatori di segnale
I vacuometri sono manometri per la misura di pressioni inferiori alla pressione atmosferica (depressione).
Il vacuostato permette di ottenere un'informazione d'uscita "tutto o niente" quando il segnale di comando
raggiunge la soglia di vuoto determinato e regolabile.
171
Capitolo21
SISTEMI SERIALI
20. Sistemi seriali (accenni)
Uno dei principali obiettivi dei costruttori di componenti per l'automazione è quello di elaborare nuove soluzioni
per l'automazione di macchine ed impianti che possono sostituire il tradizionale cablaggio parallelo di sensori ed
ottuatori di una macchina o impianto.
La tecnologia di bus di campo seriale pone un rimedio economico con notevoli possibilità di risparmio in termini di
costo.
Questa tecnologia, relativamente giovane, si pone l'obiettivo di utilizzare un unico cavo per inviare tutti i tipi di
segnale per le apparecchiature di campo (sensori, attuatori, etc).
Uno dei presupposti per la creazione di un sistema di automazione come questo è però anche il collegamento tra
diverse marche di controllori e le molteplicità di periferiche disponibili sul mercato, ivi comprese isole complete di
elettrovalvole che ricevono questi segnali per il comando di attuatori pneumatici.
Il sistema bus deve dare la possibilità all'utente di risolvere in modo omogeneo il suo compito di automazione.
I vantaggi si possono facilmente sintetizzare in:
- velocità e semplicità di cablaggio
- pulizia dei collegamenti a bordo macchina
- rapida individuazione di eventuali guasti grazie alle funzioni di autodiagnosi e segnalazioni
- possibilità di espansioni future senza modifiche alle strutture esistenti .
Il sistema è normalmente costituito da un MASTER (Pc, PIC etc) e da un numero di unità pilotate (REMOTE)
chiamate SLAVE (Azionamenti, ingressi, uscite etc).
Gli slave direttamente connessi sul campo ricevono i comandi dal MASTER e li decodificano per gli attuatori.
I segnali che lo slave riceve dai sensori (pulsanti - finecorsa etc) sono inviate al MASTER.
Lo slave che viene interposto tra rete e campo può essere isola indipendente oppure isola integrata direttamente
sulle batterie di elettrovalvole.
L'interfaccia viene configurato secondo le esigenze per ingressi ed uscite.
I sistemi seriali oggi più diffusi sul mercato funzionano con i protocolli di trasmissione PROFIBUS ed INTERBUS.
Il protocollo PROFIBUS prevede un collegamento in parallelo definito anche "appeso" ed è la tipica struttura ad
anello aperto.
I dati sono programmati dall'utente prima dell'avvio del sistema e sono immagazzinati dalla memoria del
dispositivo MASTER.
Il MASTER invia durante la comunicazione, le informazioni allo slave univocamente.
Il MASTER invia i messaggi a tutti gli slaves a lui conosciuti, vale a dire che se uno slave è connesso fisicamente,
ma non è presente nel data base, viene ignorato. L'aggiunta di uno slave prevede una nuova configurazione.
Il MASTER viene informato di eventi tipo cortocircuiti, sovratensione, abbassamenti di tensione, interruzioni di
continuità nei conduttori etc, che si sono verificati nello slave.
I dati di diagnostica vengono letti mediante uno speciale messaggio e resi disponibili all'applicativo per la loro
gestione.
174
UNITA’ MASTER
(PLC, PC, Scheda, etc.)
NODO 32
(126 CON
RIPETITORI)
NODO ...
NODO 5
INTERFACCIA
NODO 1
NODO 2
NODO 3
NODO 4
Fig.1
master
RS 485
Resistore finale
di terminazione
slave
slave
Resistore finale
di terminazione
slave
175
slave
slave
Il protocollo INTERBUS è un sistema a bus di campo universale, ad alta efficienza, per l'interconnessione di
dispositivi per l'automazione.
Prevede un collegamento in serie o ad anello ed ha una struttura di un registro a scalamento spazialmente
distribuito.
Ogni modulo, col suo registro interno, costituisce una parte di quest'anello di registri a scalamento attraverso il
quale il dato è serialmente scalato dal master.
In questo modo il sistema offre la possibilità di trasmissione e ricezione simultanea dei dati.
Ciascun modulo ha un registro d'identificazione e contiene tutte le informazioni circa il suo stato di
funzionamento e gli errori di stato.
Il sistema INTERBUS riconosce due tipi di cicli.
- Il ciclo di identificazione che è eseguito su richiesta per l'inizializzazione del sistema. Durante il ciclo di
identificazione il controllore principale legge i registri di identificazione di tutti i moduli e si costruisce nella
memoria un'immagine della rete. (configurazione).
- Il ciclo dei dati è il ciclo di lavoro che gestisce la trasmissione dei dati.
Durante questo ciclo il dato in ingresso dai registri di tutti i moduli è trasferito al controllore principale ed il dato in
uscita è trasferito simultaneamente gli slaves.
Quando si verifica una trasmissione libera da errori il dato è ritenuto valido dal controllare principale ed è
applicato alle uscite dei moduli.
Quando rileva un errore il dato proveniente da quel ciclo viene rifiutato, fino quando si realizzi un ciclo esente da
errori.
Le informazioni che partono dal master viaggiano in un'unica direzione raggiungendo tutti i partecipanti della
rete e di nuovo dai partecipanti versi il master.
Ogni segmento di linea è tenuto sotto stretto controllo attraverso un monitoraggio diagnostico che segnala
errori sia nel modello di trasmissione che per l'interruzione di cavi o falsi contatti etc.
Dopo tutte le fasi di controllo il master conosce ogni dettaglio della rete ad esso connessa e può liberamente
operare su di essa.
UNITA’ MASTER
(PLC, PC, Scheda, etc.)
NODO ...
NODO 256
NODO 5
INTERFACCIA
NODO 1
NODO 2
NODO 3
Fig.1
176
NODO 4
Altri sistemi di trasmissione sono oggi disponibili sul mercato ed anche nei sistemi accennati esistono varianti.
Quando detto vuole essere semplicemente una piccolissima introduzione a questo tipo di tecnologia che verrà
trattata in modo approfondito in un fascicolo ad essa dedicato
177
Capitolo22
ELEMENTI DI TENUTA
22. Elementi di tenuta
Un importante argomento nelle applicazioni con aria compressa è quello delle guarnizioni di tenuta.
L'argomento è molto vasto e complesso, quindi l'intendimento di quest'ultimo capitolo è di fornire indicazioni utili,
per grandi linee, su funzioni e caratteristiche delle guarnizioni.
Le guarnizioni vengono utilizzate per:
- tenute statiche
- tenute dinamiche
Nelle apparecchiature pneumatiche vengono utilizzati entrambi i sistemi di tenuta.
Le tenute statiche riguardano la tenuta di elementi tra cui non vi è moto relativo.
Vengono interposte tra i due pezzi e, per deformazione elastica in compressione, effettuando la tenuta.
Sono generalmente guarnizioni di tipo toroidale comunemente chiamate O RING disponibili in diverse sezioni,
diametri e materiali.
Le tenute dinamiche avvengono quando è in atto un processo che coinvolge organi in movimento e la
guarnizione è compressa contro la superficie sulla quale deve fare tenuta.
Lo scorrimento sulla superficie di tenuta provoca attrito.
L'attrito dipende dalla qualità della gomma impiegata, dalla sua durezza, dall'accuratezza delle lavorazioni delle
superfici (rugosità, tolleranze etc) e non ultimo dal tipo di lubrificazione usato.
Il lubrificante agisce anche da sigillante oltre a creare un velo sottile tra guarnizione e superficie garantendo un
sistema lubrificato che eviti il contatto diretto tra gli organi in movimento prevenendo anche precoci usure della
guarnizione.
Il comportamento delle guarnizioni dipende molto dalla loro forma, ma è soprattutto la qualità della mescola
impiegata che ne contraddistingue la qualità.
Per le tenute statiche è usata quasi nella totalità dei casi la guarnizione O RING.
Nelle tenute dinamiche il loro impiego è piuttosto limitato perché il recupero delle usure è limitato alla loro
compressione.
Le guarnizioni a labbro, così chiamate per la loro sezione ad U, sono più idonee in applicazioni dinamiche dato
che la tenuta è radiale, la pressione spinge nella parte interna della sezione ad U e provoca l'allargamento della
guarnizione stessa con il conseguente schiacciamento verso la superficie esterna. Questo consente anche un
recupero efficiente delle usure.
Queste guarnizioni vengono chiamate per le loro caratteristiche "automatiche" o ad "effetto positivo".
L'attrito però tende ad aumentare all'aumentare della pressione in quanto aumenta il carico radiale.
La tenuta viene eseguita solo in una direzione.
Per ottenere tenute doppie è necessario affiancare due guarnizioni ad U contrapposte.
Esistono comunque svariati tipi di guarnizioni che permettono montaggi facili ed affidabili.
Un valido esempio sono le guarnizioni a doppio labbro vulcanizzate su un disco di acciaio. Il vantaggio di queste
guarnizioni è che oltre ad effettuare una tenuta doppia, richiedono tolleranze di lavorazione medie e sono in
grado di compensare differenze dimensionali.
Particolari accorgimenti, quali arrotondamenti degli spigoli, spessori delle pareti etc. vengono utilizzati su
guarnizioni del tipo a labbro o doppio labbro in modo da evitare effetti di raschiamento con spigoli vivi del grasso di
lubrificazione sulle superfici di scorrimento e rendere "sensibili" le guarnizioni curando lo spessore della parete in
gomma.
Altri tipi di guarnizioni vengono usate quando l'equipaggio di tenuta è a bordo di valvole direzionali.
Generalmente ogni casa costruttrice è proprietaria del progetto in quanto definisce forma e mescola in funzione
delle proprie esigenze.
180
Come già accennato la "MESCOLA" con la quale si realizza la guarnizione è il distintivo di qualità della stessa.
Si rende necessario affidarci a fornitori che possono garantire nel tempo la costanza delle caratteristiche della
mescola in modo tale che forniture lontane tra loro assicurino costanza di prestazioni.
Le formulazioni delle miscele con materie prime di qualità devono soddisfare le esigenze d'impiego come
compatibilità, resistenze chimiche ed impieghi in temperatura.
Ovviamente mescole diverse offriranno prestazioni e compatibilità diverse dichiarate dal costruttore con la
garanzia di continuità nel tempo.
Le mescole più usate nel campo della pneumatica sono in base ad elastomeri NBR ed FKM - NBR (butadiene acronitrile).
GOMMA NITRILICA
É un polimero a base di Butadiene ed Acronitrile:
La percentuale di Acronitrile è variabile tra il 20% e 50%.
Una maggiore percentuale di Acronitrile favorisce il miglior comportamento ai grassi ed olii minerali ma ne
diminuisce l'elasticità, il comportamento alle basse temperature peggiora e accentua la deformazione residua
una volta rilasciata la compressione (compressione set).
Nella mescola a base di NBR vengono spesso introdotti materiali che ne favoriscono la resistenza all'usura e
danno la possibilità di lavorare in assenza di lubrificazione.
La compatibilità con olii minerali, vegetali, animali olii combustibili (gasolio) è buona. É particolarmente buona
con acqua fino a 100°C ed acidi inorganici a bassa concentrazione.
Il campo termico di applicazione è da -30°C a + 100°C.
GOMMA FLUORATA FKM
Denominazione commerciale VITON
É una mescola a base fluorata con elevata resistenza termica e stabilità chimica.
Ha una buona resistenza ad alcuni olii sintetici all'ossigeno, ozono ed idrocarburi aromatici.
Per applicazione in acqua calda e vapore sono necessari mescole speciali.
Il campo termico di applicazione varia da -20°C a +200°C.
La sua capacità di tornare rapidamente alle dimensioni originali dopo una compressione (memoria elastica) è
inferiore a quella della mescola Nitrilica.
Le guarnizioni in entrambe le mescole sono realizzabili in varie durezze shore.
Una diversa mescola comunemente usata in applicazioni pneumatiche e, che all'interno di certi limiti di
temperatura ha le caratteristiche elastiche della gomma, è il poliuretano più semplicemente conosciuto col nome
commerciale di VULKOLLANE.
Guarnizioni realizzate con questa mescola hanno un'alta resistenza meccanica, buona resistenza all'usura,
buona flessibilità ed elasticità.
Sono di buona resistenza rispetto all'ozono, all'ossidazione, al rigonfiamento in grasso, olii minerali ed acqua.
Hanno scarsa resistenza ai solventi ed agli acidi.
Il suo campo di applicazione termica varia da -30°C a +80°C.
Per quanto detto possiamo tranquillamente affermare che l'uso appropriato di una guarnizione, ponendo
attenzione ai parametri di utilizzo, garantisce all'apparecchiatura pneumatica un ottimo funzionamento ed una
lunga durata.
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