Circuiti pneumatici e diagrammi dei circuiti pneumatici - fondamenti di ingegneria dei fluidi

Questo articolo tratta i fondamenti della pneumatica, dei circuiti pneumatici e dei diagrammi dei circuiti pneumatici. La pneumatica è un’area di ingegneria dei fluidi che si occupa dell’aria compressa e della sua applicazione in vari sistemi. La tecnologia di controllo pneumatico è utilizzata in molti settori e industrie, come la movimentazione dei materiali, la robotica o i trasporti.

Cos’è la pneumatica?

La pneumatica è una sottoarea della meccanica che si occupa del comportamento dei gas. In particolare, è l’ingegneria dei fluidi che fa uso di aria compressa o sistemi ad aria per generare movimento e potenza di azionamento.

Nei tipici sistemi ad aria compressa, l’aria ha una pressione positiva di 6 bar. Il livello di pressione è fino a 18 bar nelle applicazioni ad alta pressione, come quelle pneumatiche con elevati requisiti di potenza in ingresso. In casi particolari, la pressione può arrivare anche a 40 bar.

Ci sono molti usi dell’aria compressa che può essere utilizzata a seconda delle necessità e delle esigenze. Ad esempio, può agire come aria attiva per trasportare sostanze e materiali. Viene anche utilizzata come aria di processo e supporta processi di essiccazione e altri processi. Inoltre, l’aria compressa può essere utilizzata in ambienti potenzialmente esplosivi o umidi, ad esempio per azionare motori o simili. Un esempio tipico di applicazione è una levigatrice orbitale eccentrica ad aria compressa in una cabina di verniciatura.

Applicazioni per controlli pneumatici

I controlli e i sistemi pneumatici trovano un’ampia gamma di applicazioni nell’ingegneria meccanica, nella costruzione di macchine personalizzate e nella produzione di massa. Oltre alla loro semplicità e affidabilità, i vantaggi dei sistemi pneumatici includono anche tempi di risposta rapidi e un’implementazione relativamente economica.

Esempi tipici di applicazione dei controlli pneumatici includono:

• Saldatrici: Il controllo delle teste di saldatura e dei dispositivi di serraggio.
• Macchine utensili: Per il serraggio o l’allentamento e per il cambio degli utensili.
• Macchine per fonderia: Per aprire o chiudere gli stampi e rimuovere le fusioni, ad esempio nelle macchine per lo stampaggio a iniezione.
• Trasportatori e paranchi: Per spostare, sollevare e posizionare i materiali.
• Macchine per la stampa e la carta: Per controllare i processi di stampa e il posizionamento della carta.

Quali sono i vantaggi della pneumatica?

I sistemi pneumatici presentano numerosi vantaggi. Il materiale utilizzato, cioè l’aria, ha una disponibilità infinita, è disponibile praticamente ovunque e può essere trasportato su lunghe distanze.

• Possibilità di essere immagazzinata: È possibile immagazzinare aria compressa nei serbatoi corrispondenti. Questi serbatoi di aria compressa possono anche essere trasportati.
• Resistenza alla temperatura: L’aria compressa non è sostanzialmente influenzata dalle fluttuazioni di temperatura. È quindi adatta per il funzionamento in condizioni più estreme rispetto ai fluidi, come il fluido idraulico.
• Compatibilità ambientale: La fuoriuscita di aria compressa non causa inquinamento o danni.
• Semplicità: I componenti pneumatici sono facili da montare. Possono spostare o controllare le velocità e le forze dei cilindri in modo continuo e regolabile.
• Alta velocità: L’aria compressa è un mezzo di processo veloce, che permette di raggiungere velocità relativamente elevate e tempi di commutazione brevi.
• Portabilità: L’aria compressa può essere facilmente trasportata in linee su lunghe distanze. L’aria compressa, quindi, ha generalmente solo bisogno di essere condizionata.
• Protezione da sovraccarico: I circuiti e gli elementi pneumatici possono assorbire i carichi anche a riposo e sono quindi a prova di sovraccarico contro i picchi di aria compressa.

Diversi processi meccanici possono essere gestiti in modo efficiente utilizzando l’aria compressa come fonte di energia, rendendola un’alternativa economica ad altri sistemi di alimentazione.

Principi di progettazione e funzionamento dei controlli pneumatici

L’aria compressa viene fornita nel luogo desiderato grazie a delle valvole. L’energia immagazzinata nell’aria compressa viene utilizzata per generare energia di movimento. Un esempio per questo è l’uso di aria compressa per controllare un pistone del cilindro in una direzione particolare.

Ogni sistema di controllo pneumatico è costituito essenzialmente dai seguenti sottocomponenti:

• Generazione di aria compressa (compressori)
• Condizionamento dell’aria compressa (filtro pneumatico/filtro dell’aria)
• Accumulatore di aria compressa (serbatoio dell’aria)
• Regolazione dell’aria compressa (regolatore di pressione)
• Valvole principali (valvole di direzione)
• Elementi di processo (cilindri)
• Sensori e interruttori (valvole a solenoide, pulsanti)
• Tubi e raccordi

Generazione di aria compressa nei comandi pneumatici

Per generare la pressione di processo necessaria vengono utilizzati uno o più compressori. Questi aspirano e comprimono l’aria secondo le necessità fino a raggiungere una pressione compresa tra 6 e 40 bar.

I processi meccanici e termodinamici utilizzati per comprimere l’aria generano una grande quantità di calore che deve essere evacuata dall’aria compressa. L’aria compressa viene quindi fatta passare attraverso un refrigeratore d’aria per abbassare la temperatura.

Condizionamento dell’aria compressa

Tuttavia, il raffreddamento dell’aria riduce anche la capacità dell’aria di assorbire l’acqua. Quando l’aria si raffredda, spesso rilascia acqua, che può danneggiare il sistema. L’aria viene fatta passare attraverso un essiccatore ad aria per impedire ciò. Esistono diversi tipi di essiccatori ad aria, come gli essiccatori a refrigerazione e gli essiccatori ad assorbimento, che rimuovono l’umidità dall’aria. È altrettanto importante rimuovere i contaminanti dall’aria compressa per garantire una qualità ottimale dell’aria compressa e una lunga durata dei sistemi di aria compressa. Questo avviene facendo passare l’aria attraverso dei filtri che rimuovono i contaminanti, come polvere, particelle e olio. Tuttavia, poiché l’olio è necessario per lubrificare le unità, l’aria compressa viene arricchita di olio utilizzando oliatori specializzati.

Immagazzinamento dell’aria compressa

L’aria condizionata viene immagazzinata nei serbatoi dell’aria compressa. Questi serbatoi compensano contemporaneamente le fluttuazioni di pressione quando l’aria compressa viene rimossa dal sistema. Il serbatoio d’aria viene riempito quando la pressione scende al di sotto di un certo valore.

Regolazione e distribuzione dell’aria compressa

La pressione dell’aria viene regolata con un regolatore di pressione prima che l’aria compressa venga utilizzata nel circuito pneumatico. L’aria viene poi distribuita nel sistema attraverso una rete di tubature e tubi. L’impianto di aria compressa deve essere progettato tenendo conto di diversi requisiti, come il diametro delle linee. Più piccolo è il diametro di un tubo, maggiore è la resistenza al flusso. Il diametro deve essere scelto in modo che le resistenze al flusso rimangano il più basse possibile.

Le perdite sono un altro rischio dei sistemi ad aria compressa. Sono comuni nei connettori o nei distributori. Queste fuoriuscite comportano una perdita continua di aria compressa, con conseguente aumento del consumo di energia e riduzione delle prestazioni del sistema. Oltre a queste perdite dirette, il sistema può presentare anche perdite indirette. Compressori di dimensioni eccessive, linee troppo restrittive o troppo lunghe, posizionamento sfavorevole dei serbatoi: tutto ciò porta a una riduzione delle prestazioni e a inefficienze del sistema. Una pianificazione mirata della distribuzione dell’aria compressa è quindi una condizione per ottimizzare il sistema dell’aria compressa in termini di durata e prestazioni.

Trasmissione di movimento e potenza

I vari componenti dei circuiti pneumatici lavorano insieme per creare movimento e trasferire forza. Le valvole controllano la direzione, la pressione e il flusso dell’aria compressa. Gli azionamenti pneumatici, come i cilindri o i motori ad aria, eseguono il lavoro effettivo in un circuito pneumatico. Essi convertono l’energia contenuta nell’aria compressa in movimento meccanico. L’aria compressa sposta il pistone all’interno del cilindro, trasferendo forza, di solito in una direzione lineare.

Il lavoro meccanico viene eseguito da elementi di lavoro specializzati, che si presentano principalmente sotto forma di cilindri pneumatici, ad esempio come pinze pneumatiche.

I trasportatori industriali spostano o trasportano materiale verso varie destinazioni in officine o magazzini. I trasportatori pneumatici utilizzano aria compressa per trasportare materiali o componenti, come granuli, polveri o materiali sfusi attraverso le tubazioni per un’ulteriore lavorazione o smaltimento. Questi sistemi sono utilizzati in diverse fasi della produzione perché semplificano e facilitano la movimentazione dei materiali.

Struttura generale di un diagramma di circuito pneumatico

I diagrammi dei circuiti pneumatici sono rappresentazioni grafiche dei controlli pneumatici. Essi mostrano la funzione e il collegamento dei singoli componenti di un sistema pneumatico.

I diagrammi dei circuiti pneumatici comprendono elementi di alimentazione, attuatori ed elementi di processo. Gli elementi di alimentazione sono responsabili della fornitura di aria compressa, del trattamento, dello stoccaggio e della distribuzione dell’aria compressa. Gli attuatori sono gli elementi di controllo in un diagramma di circuito pneumatico. Questi includono, ad esempio, valvole direzionali, valvole di pressione o valvole di ritegno. Questi determinano il flusso e la direzione dell’aria compressa. Gli elementi di processo sono i componenti che eseguono il lavoro fisico nel circuito. Trasformano l’energia immagazzinata nell’aria compressa in movimento meccanico. Cilindri, motori o attuatori sono elementi di processo.

In generale, i circuiti sono disposti in modo che l’energia fluisca dal basso verso l’alto, cioè dall’alimentazione della fonte di aria compressa all’elemento di processo. La fonte di aria compressa è quindi il primo o il più basso elemento e l’elemento di alimentazione è il più alto o l’ultimo.

Esempio di applicazione con diagramma di circuito pneumatico

Il seguente esempio di applicazione pratica mostra un’asta del pistone da estendere (posizione completamente dispiegata) e retratta dopo un tempo definito (posizione di partenza). Per motivi di sicurezza, gli operatori sono soliti utilizzare due pulsanti per evitare l’apertura involontaria del pistone.

L’applicazione consiste essenzialmente nei seguenti componenti:

• 1 cilindro pneumatico a doppia azione con asta del pistone (1 A)
• 2 pulsanti manuali con valvole di controllo direzionali (1S1 e 1S2)
• 1 accumulatore con valvola di ritardo (1V3) con valvola a farfalla
• 1 valvola a doppia pressione (1V1)
• 1 valvola a navetta (1V2)
• Valvole a impulsi e valvole direzionali

• La valvola a doppia pressione 1V1 agisce come un circuito logico “E”: l’aria compressa può passare alla valvola a impulsi 1V4 solo se entrambi i pulsanti manuali 1S1 e 1S2 vengono azionati contemporaneamente.
• La valvola a impulsi 1V4 viene eccitata dall’aria in ingresso e pressurizzata con aria compressa.
• La valvola a impulsi 1V4 eccita la valvola di controllo direzionale 1V5.
• Grazie alla posizione spostata della valvola di controllo direzionale 1V5, l’aria compressa entra ora nel cilindro pneumatico a doppia azione 1 A e permette all’asta del pistone di estendersi (posizione completamente dispiegata). L’asta del pistone rimane inizialmente nella posizione completamente dispiegata.

Il principio di funzionamento del circuito pianificato fa sì che accadano più cose contemporaneamente durante l’azione di commutazione.

• Azionando inizialmente i pulsanti manuali, l’aria compressa entra contemporaneamente nella valvola a navetta 1V2 - la valvola a navetta agisce contemporaneamente come valvola di non ritorno.
• L’aria compressa riempie l’accumulatore 1V3 - l’accumulatore ha una valvola di ritardo.
• Non appena l’accumulatore di pressione 1V3 viene riempito, l’aria compressa rilasciata eccita la valvola a impulsi 1V4, facendo tornare la valvola di controllo direzionale 1V5 nella sua posizione di partenza.
• Grazie alla posizione spostata della valvola direzionale 1V5, l’aria compressa entra ora nel cilindro a doppia azione 1 A e permette all’asta del pistone di rientrare (posizione di partenza).
• Per estendere nuovamente il pistone, entrambi i pulsanti manuali devono essere “rilasciati” e azionati nuovamente.

Gli elementi del diagramma di circuito sono etichettati in base alla chiave di etichettatura specificata nella norma DIN ISO 1219-2. A seconda dell’applicazione, i simboli contenuti nella norma possono essere combinati di conseguenza. La seguente panoramica mostra alcuni esempi.

Convenzioni di denominazione per valvole direzionali

La descrizione delle valvole direzionali si basa sul numero di porte, sul numero di posizioni degli interruttori e sul percorso del flusso. Alle valvole direzionali vengono assegnati due numeri. Il primo indica quante porte ha la valvola e il secondo numero indica il numero di posizioni dell’interruttore. Una valvola a 3/2 vie, ad esempio, ha tre porte e due posizioni di commutazione. In pratica, le valvole direzionali 2/2, 3/2, 5/2 e 5/3 sono più comunemente utilizzate.

Raggruppamento e progettazione di valvole di controllo direzionali

Gli attuatori pneumatici (ad esempio, cilindri, ecc.) sono controllati da valvole pneumatiche. La funzione delle valvole è quella di controllare la direzione dell’azione, la velocità (tramite la portata) e la forza.

Le valvole direzionali sono uno degli elementi più importanti dei controlli pneumatici. Vengono utilizzate per determinare la direzione del flusso e per aprire o bloccare il percorso del mezzo. Ad esempio, vengono utilizzate per azionare e controllare cilindri, valvole o strumenti pneumatici. Le valvole direzionali possono essere raggruppate in base a diversi criteri:

• Per struttura di base: In base al loro design, si distinguono valvole a pistone e valvole a sede.

• Per tipo di funzionamento: Le valvole direzionali possono essere azionate meccanicamente, manualmente, pneumaticamente o elettricamente.

• Per numero di posizioni: Esistono valvole monostabili, bistabili, a tre o più posizioni. Come suggerisce il termine, la valvola ha una posizione stabile per il design monostabile e due posizioni stabili per il design bistabile (posizione di partenza della valvola).

• In base al numero di porte e posizioni: In termini di porte e posizioni, si distinguono tra valvole a 2/2, 3/2, 3/3, 4/2, 5/2, 4/3 e 5/3 vie

• In base alla posizione di spostamento nella posizione di partenza: A seconda del numero di porte e delle posizioni, le valvole direzionali 2/2 e 3/2 si distinguono in aperte o chiuse in posizione di partenza. Le valvole direzionali 3/3, 4/3 e 5/3 si distinguono in posizioni centrali chiuse, aperte e ventilate.

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