Approfondimento alla pneumatica

Valvole regolatrici

Le valvole regolatrici possono variare due parametri fondamentali dell’aria compressa:

1. pressione: valvole regolatrici di pressione,
2. portata: valvole regolatrici di portata.

Se l’aria viene usata per pilotare un cilindro, la pressione fa variare la forza esercitata dal cilindro e la portata fa variare la velocità di fuoriuscita dello stelo del cilindro.

Le valvole di ritegno (o di non ritorno) fanno fluire l’aria in una sola direzione.

Le valvole regolatrici di portata (o di flusso) hanno una strozzatura regolata da un comando (manuale o elettrico) che chiude o apre gradualmente il passaggio dell’aria in entrambi i sensi. Queste valvole controllano la portata del fluido che attraversa un tratto di condotto.

Valvole regolatrici unidirezionali

Regola il flusso in una direzione tramite una strozzatura, ma lo lascia completamente libero nella direzione contraria. L’uso di queste valvole si ha spesso sulle boccole d’aria dei cilindri: la regolazione modula l’aria in ingresso al cilindro (consentendo di variare la velocità), mentre la via di scarico è libera.

Valvole limitatrici di pressione

Impedisce l’aumento della pressione oltre un certo valore. Ha una funzione di sicurezza: quando la pressione massima ammissibile viene superata, la valvola si apre, scaricando aria e sfogando la pressione fino al raggiungimento del valore voluto.

La luce di scarico si chiude tramite una molla appena viene raggiunto tale valore.

Valvole di scarico rapido

Consentono di velocizzare un eventuale cilindro a valle, permettendo all’aria della camera in scarico di fluire verso l’atmosfera direttamente, senza dover passare attraverso tubi e valvole nella direzione dello scarico.

Se presente, una valvola di scarico rapido viene montata sulle connessioni del cilindro.

Valvole selettrici

Queste valvole possiedono due ingressi (d’aria) e un’uscita.

Se la valvola è selettrice di alta pressione, allora in uscita prevale il flusso d’aria di ingresso con la pressione maggiore. Questa valvola implementa l’operatore OR dell’algebra booleana poiché per avere aria in uscita basta avere flusso d’aria in almeno uno degli ingressi.

Se la valvola è selettrice di bassa pressione, allora in uscita prevale il flusso d’aria di ingresso con la pressione minore. Questa valvola implementa l’operatore AND dell’algebra booleana poiché 0 è il valore più basso di pressione, basta che uno dei due flussi d’aria in ingresso sia nullo per avere flusso nullo in uscita.

Solo se entrambe le vie di ingresso hanno flusso d’aria, l’uscita sarà attiva, e riporterà il flusso a pressione minore.

Esempio di utilizzo di valvola OR

La valvola 5/2 , a riposo, ha nel quadrato di destra la via principale dell’aria 1 collegata a 2. Quindi l’aria va nella camera anteriore del cilindro che mantiene lo stelo rientrato.

Se si agisce sulla valvola V1 o sulla V2, si attiva il segnale in aria 14 e la via 1 si collegherà alla 4 e quindi manderò aria nell’altra camera del cilindro (posteriore) , facendo uscire lo stelo. Se si agisce sulla valvola V3 o sulla V4, si attiva il comando ad aria 12 e il cilindro tornerà con lo stelo rientrato

Silenziatori

I silenziatori sono i dispositivi necessari per ridurre i livelli di rumore durante il funzionamento di un impianto pneumatico e silenziare lo scarico in ambiente di aria compressa. Possono essere realizzati in diversi materiali come acciaio inox, bronzo e plastica e riducono il rumore generato dalle valvole durante il funzionamento.

Attuatori pneumatici

Gli attuatori pneumatici sono organi che compiono un lavoro meccanico usando come vettore di energia l’aria compressa. Questo attuatori hanno vantaggi in termini di pulizia, antideflagranza, innocuità e insensibilità alle variazioni di temperatura.

Al contrario dei sistemi oleodinamici, non si possono raggiungere pressioni elevate (massimo 10 bar) né si possono sviluppare grandi forze. Il maggior limite è costituito dalla comprimibilità dell’aria che rende impossibile controlli in posizione. Gli attuatori pneumatici compiono lavoro meccanico e producono un movimento.

Se attuano il loro moto in forma di spostamenti o rotazioni in modo alternativo (cioè possono andare in un senso o nell’altro, in avanti o all’indietro), vengono chiamati cilindri.

Cilindri

I cilindri pneumatici:

• si muovono a velocità molto elevate,
• non producono surriscaldamenti o interferenze elettromagnetiche,
• hanno bisogno di poca o nulla manutenzione,
• sono robusti.

Sono costituiti da un involucro esterno (la camicia) all’interno del quale scorre un pistone, chiuso alle due estremità da due testate. La camicia può avere sezione circolare o rettangolare/quadrata. La porzione interna di volume del cilindro posta dietro al pistone si chiama camera anteriore, quella davanti al cilindro si chiama camera posteriore. Il movimento del pistone si ottiene inviando aria compressa alternativamente nelle due camere, attraverso le opportune aperture.

I cilindri pneumatici sono generalmente usati in applicazioni a due posizioni tra gli arresti di fine corsa. Per evitare carichi d’urto, di solito incorporano un dispositivo d’ammortizzamento interno.

I principali vantaggi degli attuatori pneumatici sono:

• economicità,
• disponibilità (ampia gamma di configurazioni disponibili per il montaggio),
• semplicità,
• sicurezza (sistema protetto da limitazione interna delle forze),
• resistenza,
• rapidità

Gli svantaggi sono invece

• lunghezza di corsa limitata (problemi di stabilità),
• mancanza di rigidità nel conservare le posizioni di fine corsa se il pistone non è bloccato,
• controllo di velocità poco preciso.

Cilindro a singolo effetto

I cilindri a semplice effetto dispongono di una sola camera e la forza viene sviluppata in una sola direzione. Lo stelo si riposiziona per mezzo di una molla o per l’azione di una forza esterna.

L’immissione del fluido (aria) in pressione nella camera genera una pressione sulla parete dell’organo mobile. Quando tale pressione supera la risultante dei carichi resistenti l’organo mobile comincia a muoversi e tende ad accelerare. Dopo una fase iniziale di accelerazione, se si raggiunge una condizione di equilibrio tra spinta motrice e carichi resistenti, si passa ad una fase di moto a regime.

Per riportare l’organo mobile nella posizione iniziale, bisogna eliminare la spinta dell’aria, che viene scaricata in atmosfera, ed applicare una forza esterna per riposizionare l’organo mobile.

Cilindri a doppio effetto

Sono utilizzati per eseguire lavori con sforzi bidirezionali.

Immettendo aria nella connessione A essa giunge alla camera x. La pressione che si genera sulla superficie del pistone, non appena sviluppa una forza capace di vincere le resistenze, sposta il pistone (fuoriuscita dello stelo). Durante tale movimento la camera y attraverso la connessione B si scarica nell’atmosfera.

Immettendo aria nella connessione B, essa giunge alla camera y, determinando lo spostamento del pistone (rientro dello stelo). Durante tale movimento la camera x attraverso la connessione A si scarica nell’atmosfera.

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Appositi fori (luci) permettono l’entrata e l’uscita dell’aria. Particolare importanza rivestono le tenute sottoposte a condizioni meccaniche e termodinamiche fortemente variabili. La pressione normale di esercizio è 6-7 bar, però i cilindri possono lavorare fino ad oltre 10 bar.

Cilindri o attuatori rotativi

Se sono necessari moti rotazionali limitati, è possibile trasformare il moto lineare del cilindro in moto rotativo tramite accoppiamenti elicoidali o meccanismi a ingranaggi.

Fine-corsa

Un fine-corsa è un dispositivo che segnala al sistema di controllo l’avvenuta effettuazione di un’intera corsa del pistone.

Si distinguono in:

• Fine corsa a interruttore: un interruttore (elettrico o pneumatico) connesso allo stelo del cilindro.
• Fine corsa magnetico: un magnete è connesso allo stelo ed aziona un sensore induttivo, un contatto Reed, o un sensore ad effetto Hall.
• Fine corsa virtuale: il segnale di fine corsa è ottenuto elaborando misure della pressione all’interno di una delle due camere del cilindro.

I finecorsa, in pneumatica, di solito si indicano con gli indici 0 e 1 associati alle lettere dell’alfabeto (ad esempio se ho un solo cilindro e lo chiamo A i suoi finecorsa saranno A0 e A1, se ho due cilindri e li chiamo A e B avrò A0 e A1 più B0 e B1).

Diagramma delle fasi di un ciclo pneumatico

E’ una rappresentazione grafica dell’andamento del moto dei cilindri presenti nel circuito pneumatico.

Ha sull’asse orizzontale il tempo e su quello verticale lo stato del cilindro:

• se la linea è a 0 allora lo stelo è rientrato,
• se invece la linea è alta allora lo stelo è fuoriuscito.

L’esempio rappresenta il diagramma delle fasi di due cilindri A e B che devono compiere il seguente ciclo: lo stelo di A esce, lo stelo di B esce, lo stelo di A rientra, lo stelo di B rientra.

L’alternanza delle fasi di un ciclo viene chiamata sequenzale. Lo schema seguente illustra il circuito semiautomatico dell’esempio precedente la cui sequenza letterale è: A+, B+, A-, B-.

Per descrivere un ciclo di lavoro si utilizzano le seguenti convenzioni:

1. Gli attuatori si indicano con le lettere maiuscole A, B, C, …
2. Il segno + che segue la lettera indica la corsa di andata (fuoriuscita dello stelo).
3. Il segno – che segue la lettera indica la corsa di ritorno (rientro dello stelo).
4. Il ciclo può essere descritto indicando consecutivamente i movimenti delle varie fasi, ad esempio: A+/B+/C+/A-/B-/C
5. Qualora in una fase ci sia il movimento contemporaneo di più attuatori, questo dovrà essere indicato ponendolo necessariamente entro parentesi, ad esempio: A+/B+/C+/A-/(B-C-)
6. Si tenga presente che ogni fase del ciclo può iniziare solo quando è terminata la fase precedente

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Se l’inclinazione del tratto di salita e di discesa è 45°, si considera che il flusso di aria sia lo stesso per generare il moto di uscita e di rientro dello stelo.

Se la pendenza è differente, la velocità dell’uscita e del rientro dello stelo saranno differenti.

Nel diagramma sopra, lo stelo del cilindro A deve:

1. uscire lentamente all’azionamento dello Start +,
2. rimanere fermo in posizione positiva,
3. rientrare più velocemente all’azionamento dello Start -

Utilizzo dei finecorsa per l’esecuzione di cicli pneumatici automatici

Ciclo automatico singolo

Supponiamo di volere realizzare un circuito nel quale, premendo un pulsante S, esce lo stelo di un cilindro che completa la sua corsa e poi torna indietro e si ferma. In questo caso il segnale di rientro dello stelo è generato dallo stelo stesso. Questo processo è chiamato ciclo singolo.

È utile, per la stesura dello schema, dividere il ciclo in fasi e determinare i segnali che le attivano stilando il prospetto dei pilotaggi.

Fase	Segnale
A+	S AND A0
A-	A1

Con:

• A+ si indica la fase di uscita dello stelo,
• A- si indica la fase di ritorno dello stelo,
• A+, A- si indica il ciclo completo.

La tabella deve essere così interpretata:

• il segnale S, generato dallo Start insieme ad A0, commuta il distributore generando A+,
• il finecorsa A1 ri-commuta il distributore che genera A-.

Per realizzare il circuito bisogna utilizzare:

• n. 1 cilindri a doppio effetto
• n. 1 valvole distributrice 5/2 bistabile comandate pneumaticamente
• n. 2 finecorsa
• n. 2 valvole 3/2 monostabili intermedie azionate da finecorsa
• n. 1 valvola 3/2 monostabile NC con comando a pulsante

Per la costruzione dello schema bisogna prima posizionare i componenti dall’alto verso il basso e poi tracciare i collegamenti:

1. Disegnare gli attuatori,
2. Indicare la posizione dei finecorsa con trattini in prossimità dello stelo,
3. Disegnare i distributori con indicati i segnali che li commutano,
4. Disegnare i finecorsa,
5. Disegnare i pulsanti,
6. Tracciare i collegamenti.

Nella situazione di riposo:

• S non è premuto,
• A0 è attivo perché lo stelo è rientrato

V2 ha attivo il comando di azionamento: il suo funzionamento è quello del quadrato di sinistra, ovvero fa passare aria. L’aria però non c’è, perché a monte di V2 c’è V1.

Se S non viene premuto, V1 è chiuso in quanto NC (Normally-Closed). Quindi V2 non manda aria a V4. Il comando pneumatico di V4 a sinistra non è azionato. Non è azionato neanche il comando pneumatico di destra di V4, perché a monte si trova la valvola V3 che ha un comando di riposizionamento a molla. V3 non ha attivo il comando di cambio posizione (A1 non è attivo) e a riposo è NC (quadrato di destra). Quindi V4 non è eccitata da nessuno dei due comandi e si trova a riposo.

Se V4 è a riposo, l’aria da 1 va nella camera anteriore, tenendo il cilindro rientrato. La situazione si ribalta se si preme S:

• si attiva il comando sinistro su V4,
• si manda aria nella camera anteriore,
• lo stelo fuoriesce,
• si tocca A1,
• si attiva il comando di V3,
• si aziona il comando pneumatico di destra di V4 (il comando di sinistra si è deselezionato in quanto A0 non è più attivo).
• infine si riposiziona lo stelo in rientro.

Se non si stava più tenendo premuto S, il ciclo finisce.

Lo schema appena ottenuto fa eseguire al circuito un ciclo singolo A+, A- per poi arrestarsi fino a quando non si interviene nuovamente sul pulsante di Start.

Ciclo automatico continuo

Un ciclo si definisce automatico continuo quando, premuto un pulsante di Start, esso si ripete continuamente fino a quando non viene fermato con un segnale esterno.

Affinché il ciclo diventi continuo è necessario quindi che:

• lo stelo, dopo che è rientrato, riesca automaticamente,
• premuto il segnale di Start (S), il ciclo continui fino a quando non arriva un segnale di interruzione.

Le precedenti condizioni vengono soddisfatte sostituendo il pulsante di Start con un circuito a memoria meccanica formato da due valvole 3/2 monostabili a pulsante che comandano a loro volta un valvola 3/2 bistabile M che possiede una sua alimentazione.

A riposo, il finecorsa A0 è attivo e la valvola M chiusa. Premendo il pulsante di Start (S) si fa commutare la valvola M che, in AND con A0, genera A+ il quale commuta la valvola 5/2 che fa uscire lo stelo del cilindro A.

Quando lo stelo è uscito, viene attivato il finecorsa A1 che genera il segnale A-, il quale ricommuta la valvola 5/2 e lo stelo rientra.

Quando lo stelo è rientrato viene attivato il finecorsa A0 che è collegato in AND con la valvola M la quale è rimasta aperta: il ciclo può ripartire. Per arrestare il sistema bisogna premere il pulsante di Finish (F) che ricommuta la valvola M in posizione di “CHIUSO”.

Quando il ciclo in atto viene completato e viene attivato il finecorsa A0, la valvola M è chiusa ed il sistema si arresta.

Segnali bloccanti

Per procedere alla realizzazione di un circuito pneumatico utilizzando come comandi solo quelli generati dai finecorsa dei cilindri stessi, secondo un dato ciclo, è indispensabile studiare i vari segnali di comando forniti dai finecorsa dei vari cilindri nelle diverse fasi del ciclo.

Questi comandi possono essere di tre tipi:

• continui,
• istantanei,
• continui bloccanti.

Un segnale si dice continuo quando resta attivo anche nella fase successiva a quella che lo ha generato.

Un segnale si dice istantaneo quando si disattiva nella fase immediatamente successiva a quella che lo ha generato.

Un segnale si dice bloccante quando il suo stato attivo impedisce la commutazione della valvola di potenza del cilindro da esso comandato, generando un segnale equivalente da tutte e due le entrate pilota.

Il segnale aο comanda l’uscita del cilindro A+, ma quando lo stesso cilindro rientra il segnale aο è attivo? Dall’analisi risulta che aο è istantaneo e pertanto non è bloccante.

Il segnale a1 comanda l’uscita del cilindro B+, ma quando lo stesso cilindro rientra il segnale a1 è attivo? Dall’analisi risulta che a1 è attivo anche al rientro di B- pertanto a1 è bloccante.

Il segnale b1 comanda l’uscita del cilindro C+,l ma quando lo stesso cilindro rientra il segnale bı è attivo? Dall’analisi risulta che b1 è attivo anche al rientro di C- pertanto b1 è bloccante.

Il segnale c1 comanda il rientro del cilindro C-, ma quando lo stesso cilindro esce il segnale cı è attivo? Dall’analisi risulta che cı è istantaneo e pertanto non è bloccante

Il segnale cο comanda il rientro del cilindro B-, ma quando lo stesso cilindro esce il segnale cο è attivo? Dall’analisi risulta che cο è attivo anche all’uscita di B+ pertanto cο è bloccante.

Il segnale bο comanda il rientro del cilindro A-, ma quando lo stesso cilindro esce il segnale bο è attivo? Dall’analisi risulta che bο è attivo anche all’uscita di A+ pertanto bο è bloccante.

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Risulta chiaro il fatto che a1 è bloccante per B.

Se il finecorsa a1 comandasse direttamente l’uscita di B senza alcun accorgimento, senza alcuna memoria e senza sapere in quale punto del ciclo ci si trova, allora nel punto 1 si avrebbe che B fuoriesce (B+) e anche nel punto 2 dovrebbe fuoriuscire, perché a1 è sempre attivo.

Invece, nel punto 2, B deve rimanere con lo stelo rientrato.

Come fa il sistema pneumatico, se non si inseriscono memorie o stratagemmi di alcun tipo, a sapere se sta attraversando il punto 1 o il 2? Non potendo, il sistema risolvere autonomamente il segnale ambiguo, esso si blocca e non procede oltre.

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Esistono svariate tecniche per risolvere, in modo puramente pneumatico, il problema dei segnali bloccanti.

Tali tecniche esulano dallo scopo di questo corso. Queste tecniche prevedono l’inserimento di valvole con funzioni di memoria o meccanismi analoghi.

Se invece di segnali generati puramente dalla pneumatica, potessi avvalermi di un PLC, potrei tranquillamente usare variabili interne per costruire una sorta di macchina a stati che tenga conto del passo del ciclo in cui ci si trova e quindi il problema dei segnali bloccanti non esisterebbe.

Circuiti pneumatici di base

Esempio #1

Comando manuale di un cilindro A a semplice effetto mediante valvola 3/2 NC monostabile con comando a pulsante.

Premendo il pulsante lo stelo esce (A+), lasciandolo lo stelo rientra automaticamente (A-).

A riposo la valvola è NC, quindi il cilindro non è azionato.

Esempio #2

Comando di un cilindro B a doppio effetto da 2 punti tramite 2 valvole 3/2 NC monostabili con comando a pulsante.

Dati i due pulsanti P1 e P2. Premendo su P1 lo stelo deve uscire, premendo su P2 lo stelo deve rientrare.

Esempio #3

Comando di sicurezza a due mani per cilindro a singolo effetto A tramite due valvole 3/2 NC monostabili con comando a pulsante (P1 e P2) e valvola AND. Il cilindro viene azionato solo se sono presenti contemporaneamente i due segnali X e Y provenienti dalle valvole azionate dai due pulsanti P1 e P2.

Outro

Altri attuatori pneumatici

Le pinze pneumatiche sono molto utilizzate in automazione industriale. A seconda del numero di dita e dagli angoli di queste dita, all’interno delle pinze ci possono essere uno o più cilindri.