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SISTEMAS PNEUMÁTICOS E ELETROPNEUMÁTICOS APOSTILA (VERSÃO PRELIMINAR) SUMÁRIO CAPÍTULO 1: Propriedades Físicas do Ar e a Produção de Ar comprimido...................... 06 1.1 Introdução...................................................................................... ..................06 1.2 Propriedades Físicas do Ar............................................................................06 1.3 Produção de Ar Comprimido....................................................................... .08 1.4 Unidade de Condicionamento (Lubrefil)....................................................12 1.5 Conceitos Fundamentais Utilizados em Pneumática................................13 CAPÍTULO 2: Válvulas de Comando.........................................................................................16 2.1 Introdução............................................................................................ ............16 2.2 Válvulas de Controle Direcional...................................................................16 2.3 Válvulas Controladoras de Fluxo.................................................................22 2.4 Válvulas de Bloqueio............................................................................ ..........25 2.5 Válvulas Controladoras de Pressão..............................................................28 2.6 Válvulas de Retardo............................................................................. ...........30 CAPÍTULO 3: Atuadores Pneumáticos.......................................................................................31 3.1 Introdução...................................................................................... ..................31 3.2 Atuadores Pneumáticos Lineares.................................................................31 3.3 Atuadores Pneumáticos de Movimento Angular.......................................33 3.4 Atuadores Pneumáticos de Movimento Rotativo.......................................34 CAPÍTULO 4: Projetos de Circuitos Pneumáticos pelo Método Intuitivo..........................35 4.1 Introdução...................................................................................... ....................35 4.2 Circuitos Pneumáticos Elementares – Comando Direto...............................35 4.3 Circuitos Pneumáticos Elementares – Comando Indireto.............................37 4.4 Circuitos Pneumáticos Elementares – Miscelânea...........................................42 CAPÍTULO 5: Diagrama Trajeto-Passo............................................................................................53 5.1 Introdução...................................................................................... .........................53 5.2 O Diagrama Trajeto-Passo...................................................................................53 CAPÍTULO 6: Projetos de Circuitos Pneumáticos pelo Método Cascata...............................59 6.1 Introdução...................................................................................... .....................59 6.2 Método Cascata.................................................................................. .................59 CAPÍTULO 7: Projetos de Circuitos Pneumáticos pelo Método Passo a Passo.........................68 7.1 Introdução....................................................................................................... .......68 7.2 Método Passo a Passo..................................................................................................68 CAPÍTULO 8: Eletropneumática.................................................................................................... ......73 8.1 Introdução...................................................................................... ..........................73 8.2 Principais Componentes Utilizados.....................................................................73 8.3 Circuitos Eletropneumáticos..................................................................... ...........76 CAPÍTULO 9: Projeto de Circuitos Eletropneumáticos pelo Método Intuitivo.......................91 9.1 Introdução...................................................................................... ..........................91 9.2 Miscelânea de Circuitos Sequenciais.....................................................................91 CAPÍTULO 10: Projeto de Circuitos Eletropneumáticos pelo Método Cascata.............................98 10.1 Introdução......................................................................... ..................................98 10.2 Miscelânea de Circuitos Sequenciais.................................................................98 CAPÍTULO 11: Projeto de Circuitos Eletropneumáticos pelo Método Passo a Passo................110 11.1 Introdução........................................................................................... ...................110 11.2 Miscelânea de Circuitos Sequenciais.................................................................110 CAPÍTULO 12: Uso de Sensores e Sinalizadores em Circuitos Eletropneumáticos............ 118 12.1 Introdução..................................................................................... ...........................118 12.2 Dispositivos de Sinalização..................................................................................118 12.3 Dispositivos Sensores.......................................................................... ..................119 CAPÍTULO 13: Projeto de Circuitos Eletropneumáticos Combinatórios.......................................122 13.1 Introdução..................................................................................... ..........................122 CAPÍTULO 14: Pneutrônica......................................................................................................................... 14.1 Introdução..................................................................................... ................... APÊNDICE A Exercícios Resolvidos e Propostos.................................................................... APÊNDICE B Simbologias de Componentes........................................................................................ APÊNDICE C Válvulas Proporcionais....................................................................................... REFERÊNCIAS .................................................................................................... .............................. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 6 CAPÍTULO 1 Propriedades Físicas do Ar e a Produção de Ar comprimido 1.1 Introdução O ar artmosférico é uma mistura de vários gases, vapores e outras partículas. Um total de 78% do ar atmosférico é composto pelo gás nitrogênio (N2), sendo, portanto, o componente mais abundante do ar. Já o gás oxigênio (O2) aparece num total de 21%. A indústria sempre buscou aperfeiçoar os métodos de produção para ser mais eficiente. O ar (atmosférico) comprimido foi introduzido na indústria na década de 1950, como elemento de automatismo de processos repetitivos e redução de esforços humamos no trabalho. Assim, nascia a pneumática. O termo pneumática vem do grego pneumos, que significa respiração e trata do comportamento dos gases. A pneumática é a ciência que utiliza o ar como fluido para realizar um trabalho. Desta maneira, em Pneumática Industrial, o que ocorre é uma transformação da energia pneumática em energia mecânica por meio de elementos de trabalho. Os principais elementos de trabalho são os cilindros, ou atuadores, e asválvulas. O ar comprimido é produzido por compressores, tratado por um componente chamado Lubrefil (Lubrificante, Filtro e Regulador de Pressão) e distribuído por intermédio de redes pneumáticas. Uma vez na rede, o ar é direcionado pelas válvulas para que os cilindros possam realizar seus movimentos lineares ou rotativos. Neste Capítulo, são estudadas algumas propriedades físicas do ar, relacionadas com a pneumática, e alguns processos de produção do ar comprimido. Conceitos importantes, utilizados na pneumática, também são apresentados. 1.2 Propriedades Físicas do Ar Mesmo o ar não tendo sabor, cheiro e cor, percebe-se o ar por meio dos ventos que mudam de direção. Outros fenômenos provam, cientificamente, a existência do ar. As variações de pressão atmosférica e o princípio de voo de um avião são exemplos. Dentre as propriedades físicas do ar, para a pneumática, têm importância a elasticidade, a compressibilidade, a difusibilidade e a expansibilidade. 1.2.1 Elasticidade É a propriedade que possibilita ao ar retornar ao seu volume inicial, uma vez cessada a força que o havia comprimido. Vide Figura 1.1. F Fig. 1.1 – Retorno do êmbolo à condição inicial, cessada a força F. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 7 1.2.2 Expansibilidade Como todo gás, o ar não possui forma definida. Assim, ele assume o formato do recipiente que o contém. A Figura 1.2 ilustra esta propriedade. Ar Comprimido Ar Comprimido Ar ComprimidoVazio Fig. 1.2 – Expansibilidade do ar. Na Figura 1.2, quando a válvula que interliga os dois recipientes é aberta, o ar se expande e ocupa o reciente vazio, assumindo a sua forma. 1.2.3 Difusibilidade Se o ar for misturado a qualquer outro meio gasoso, esta mistura ocorre homogeneamente, desde que o meio gasoso não esteja saturado. Esse efeito é observado na Figura 1.3, quando a válvula é aberta, interligando os dois recipientes. Gás 1 Gás 2 Gás 1+Gás 2 Gás 1+Gás 2 Fig. 1.3 – Difusibilidade do ar. 1.2.4 Compressibilidade Esse efeito é o contrário da expansibilidade. Se em um determinado recipiente, de volume constante e a temperatura constante, for feita uma injeção cotínua de ar, as moléculas de ar começam a aproximar-se cada vez mais, aumentando a quantidade deste dentro do volume físico. Na Figura 1.4, essa propriedade é ilustrada. Injeção de ar Injeção de ar Fig. 1.4 – Compressibilidade do ar. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 8 1.3 Produção de Ar Comprimido O ar usado em pneumática precisa se colocado em determinadas condições apropriadas para sua utilização. Dois fatores são observados: pressão adequada e qualidade (pureza) do ar. A condição de pressão adequada é obitda com o uso de compressores de ar, enquanto a pureza se obtem com o emprego de alguns dispositivos como os purgadores, os secadores e os filtros. 1.3.1 Elementos de Produção de Ar Comprimido - Compressores Compressores são máquinas destinadas a elevar a pressão de um certo volume de ar, admitido nas condições atmosféricas, até uma determinada pressão, exigida na execução dos trabalhos realizados pelo ar comprimido. Os compressores são classificados de acordo com o principio de trabalho. São duas as classificações fundamentais: Deslocamento Positivo: Baseia-se fundamentalmente na redução de volume. O ar é admitido em uma câmara isolada do meio exterior, onde seu volume é gradualmente diminuído, processando-se a compressão. Quando uma certa pressão é atingida, provoca a abertura de válvulas de descarga, ou simplesmente o ar é empurrado para o tubo de descarga durante a contínua diminuição do volume da câmara de compressão. Deslocamento Dinâmico: A elevação da pressão é obtida por meio de conversão de energia cinética em energia de pressão, durante a passagem do ar através do compressor. O ar admitido é colocado em contato com impulsores (rotor laminado) dotados de alta velocidade. Este ar é acelerado, atingindo velocidades elevadas e conseqüentemente os impulsores transmitem energia cinética ao ar. Posteriormente, seu escoamento é retardado por meio de difusores, obrigando a uma elevação na pressão. Difusor é uma espécie de duto que provoca diminuição na velocidade de escoamento de um fluido, causando aumento de pressão. 1.3.2 Tipos Fundamentais de Compressores São apresentados a seguir alguns dos tipos de compressores. 1.3.2.1 Compressor de Parafuso Este compressor é dotado de uma carcaça onde giram dois rotores helicoidais em sentidos opostos. Um dos rotores possui lóbulos convexos, o outro uma depressão côncava e são denominados, respectivamente, rotor macho e rotor fêmea. Os rotores são sincronizados por meio de engrenagens; entretanto existem fabricantes que fazem com que um rotor acione o outro por contato direto. O processo mais comum é acionar o rotor macho, obtendo-se uma velocidade menor do rotor fêmea. Estes rotores revolvem-se numa carcaça cuja superfície interna consiste de dois cilindros ligados como um "oito". Nas extremidades da câmara existem aberturas para admissão e descarga do ar. O ciclo de compressão pode ser seguido pelas Figuras 1.5 a,b,c,d. O ar à pressão atmosférica ocupa espaço entre os rotores e, conforme eles giram, o volume compreendido entre os mesmos é isolado da admissão. Em seguida, começa a decrescer, dando início à compressão. Esta prossegue até uma posição tal que a descarga é descoberta e o ar é descarregado continuamente, livre de pulsações. No tubo de descarga existe uma válvula de retenção, para evitar que a pressão faça o compressor trabalhar como motor durante os períodos em que estiver parado. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 9 Fig. 1.5 – Etapas de funcionamento de um compressor de parafuso. Fonte: Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. 1.3.2.2 Compressor de Simples Efeito ou Compressor Tipo Tronco Este tipo de compressor leva este nome por ter somente uma câmara de compressão, ou seja, apenas a face superior do pistão aspira o ar e comprime; a câmara formada pela face inferior está em conexão com o carter. O pistão está ligado diretamente ao virabrequim por uma biela (este sistema de ligação é denominado tronco), que proporciona um movimento alternativo de sobe e desce ao pistão, e o empuxo é totalmente transmitido ao cilindro de compressão. Iniciado o movimento descendente, o ar é aspirado por meio de válvulas de admissão, preenchendo a câmara de compressão. A compressão do ar tem início com o movimento da subida. Após obter-se uma pressão suficiente para abrir a válvula de descarga, o ar é expulso para o sistema. Na Figura 1.6, são apresentadas as etapas de operação desse tipo de compressor. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 10 Fig. 1.6 – Etapas de funcionamento de um compressor do tipo Tronco. Fonte: Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. 1.3.2.3 Compressor de Duplo Efeito – Compressor Tipo Cruzeta Este compressor é assim chamado por ter duas câmaras, ou seja, as duas faces do êmbolo aspiram e comprimem. O virabrequim está ligado a uma cruzeta por uma biela; a cruzeta, por sua vez, está ligada ao êmbolo por uma haste. Desta maneira consegue transmitir movimento alternativo ao êmbolo,além do que, a força de empuxo não é mais transmitida ao cilindro de compressão e sim às paredes guias da cruzeta. O êmbolo efetua o movimento descendente e o ar é admitido na câmara superior, enquanto que o ar contido na câmara inferior é comprimido e expelido. Procedendo-se o movimento oposto, a câmara que havia efetuado a admissão do ar realiza a sua compressão e a que havia comprimido efetua a admissão. Os movimentos prosseguem desta maneira, durante a marcha do trabalho. Na Figura 1.7, são apresentadas as etapas de operação desse tipo de compressor. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 11 Fig. 1.7 – Etapas de funcionamento de um compressor do tipo Cruzeta. Fonte: Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Na pneumática, é de grande importância a qualidade do ar que será utilizado. Esta qualidade poderá ser obtida desde que os condicionamentos básicos do ar comprimido sejam concretizados, representando menores índices de manutenção, maior durabilidade dos componentes pneumáticos, ou seja, será obtida maior lucratividade em relação à automatização efetuada. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 12 1.4 Unidade de Condicionamento (Lubrefil) Após passar por todo o processo de produção, tratamento e distribuição, o ar comprimido deve sofrer um último condicionamento, antes de ser colocado para trabalhar, a fim de produzir melhores desempenhos. Neste caso, o beneficiamento do ar comprimido consiste no seguinte: Filtragem, regulagem da pressão e introdução de uma certa quantidade de óleo para a lubrificação de todas as partes mecânicas dos componentes pneumáticos. A utilização desta unidade de serviço é indispensável em qualquer tipo de sistema pneumático, do mais simples ao mais complexo. Ao mesmo tempo em que permite aos componentes trabalharem em condições favoráveis, prolonga a sua vida útil. Uma duração prolongada e funcionamento regular de qualquer componente em um circuito dependem, antes de mais nada, do grau de filtragem, da isenção de umidade, da estabilidade da pressão de alimentação do equipamento e da lubrificação das partes móveis. Isto tudo é literalmente superado quando se aplicam nas instalações dos dispositivos, máquinas, etc., os componentes de tratamento preliminar do ar comprimido após a tomada de ar: Filtro, Válvula Reguladora de Pressão (Regulador) e Lubrificador, que reunidos formam a Unidade de Condicionamento ou Lubrefil. A Figura 1.8 mostra algumas unidades de condicionamento. Fig. 1.8 – Unidade de Condicionamento (Lubrefil). Fonte: Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. O estudo das redes de distribuição de ar comprimido foge ao escopo dessa apostila e não será abordado. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 13 1.5 Conceitos Fundamentais Utilizados em Pneumática Alguns conceitos muito importantes e empregados em pneumáticas são apresentados nessa seção. 1.5.1 Pressão Atmosférica Sabemos que o ar tem peso, portanto, vivemos sob esse peso. A atmosfera exerce sobre nós uma força equivalente ao seu peso, mas não a sentimos, pois ela atua em todos os sentidos e direções com a mesma intensidade. A pressão atmosférica varia proporcionalmente à altitude considerada. Quanto maior a altitude, menor a pressão atmosférica. Quando dizemos que um litro de ar pesa 1,293 x 10-3 kgf ao nível do mar, isto significa que, em altitudes diferentes, o peso tem valor diferente. Medição da Pressão Atmosférica: Torricelli, o inventor do barômetro, mostrou que a pressão atmosférica pode ser medida por uma coluna de mercúrio. Enchendo-se um tubo com mercúrio e invertendo-o em uma cuba cheia com mercúrio, ele descobriu que a atmosfera padrão, ao nível do mar, suporta uma coluna de mercúrio de 760 mm de altura. A pressão atmosférica ao nível do mar mede ou é equivalente a 760 mm de mercúrio. Qualquer elevação acima desse nível deve medir evidentemente menos do que isso. Num sistema hidráulico, as pressões acima da pressão atmosférica são medidas em kgf/cm2. As pressões abaixo da pressão atmosférica são medidas em unidade de milímetros de mercúrio. 1.5.2 Princípio de Pascal Constata-se que o ar é muito compressível sob ação de pequenas forças. Quando contido em um recipiente fechado, o ar exerce uma pressão igual sobre as paredes, em todos os sentidos. Por Blaise Pascal temos: "A pressão exercida em um líquido confinado em forma estática atua em todos os sentidos e direções, com a mesma intensidade, exercendo forças iguais em áreas iguais". Figura 1.9 ilustra o Princípio de Pascal. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 14 Fig. 1.9 – Princípio de Pascal.. Fonte: Parker Hannifin Ind. Com. Ltda 1.5.3 Unidades de Pressão O pascal (símbolo: Pa) é a unidade padrão de pressão no SI. Equivale a força de 1 N aplicada uniformemente sobre uma superfície de 1 m². Comparação com outras unidades de pressão: Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Pascal_(unidade_de_pressão) Apostila de Pneumática e Eletropneumática 15 1.5.4 Vazão Vazão é o volume de um determinado fluido que passa por uma determinada seção de um conduto livre ou forçado, por uma unidade de tempo. Ou seja, vazão é a rapidez com a qual um volume escoa. Vazão corresponde à taxa de escoamento, ou seja, quantidade de material transportado através de uma tubulação, por unidade de tempo. Fluxos de gás e líquido podem ser medidos como litros por segundo ou quilogramas por segundo. Essas unidades podem ser mutuamente conversíveis, sabendo-se a densidade do material, sendo que a densidade de um líquido não depende tanto de suas condições. Já nos gases a densidade depende de uma série de fatores: pressão, temperatura e da natureza ou composição do gás. Costuma-se medir a vazão de ar comprimido em sistemas pneumáticos em litros por segundo. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 16 CAPÍTULO 2 Válvulas de Comando 2.1 Introdução Denominam-se válvulas de comando as que, ao receberem um impulso pneumático, mecânico, ou elétrico, permitem que haja fluxo de ar pressurizado para alimentar determinado(s) elemento(s) do automatismo. Também são válvulas de comando as que permitem controlar o fluxo do ar para diversos elementos do sistema, mediante ajuste mecânico ou elétrico, as que permitem o fluxo em apenas um sentido, os elementos lógicos, as controladoras de pressão e as temporizadas.[ ] As válvulas de comando são divididas, de acordo com a sua função, nos seguintes grupos: I – Vávulas de Controle Direcional; II – Válvulas Controladoras de Fluxo; III – Válvulas de Bloqueio; IV – Válvulas Controladoras de Pressão; e V – Válvulas de Retardo. 2.2 Válvulas de Controle Direcional São responsáveis por direcionar o fluxo de ar entre os elementos do circuito pneumático. É também conhecida como distribuidores de ar. Para representar as válvulas em um projeto pneumático alguns critérios são adotados, segundo as normas internacionais. Dentre as normas mais usuais, destacam-se a DIN 24300 e a ISO 1219.Para um conhecimento perfeito de uma válvula direcional, deve-se levar em conta os seguintes dados: Posição Inicial; Número de Posições; Número de Vias; Tipo de Acionamento (Comando); Tipo de Retorno; Vazão. 2.2.1 Convenção da representação Alguns critérios de representação de válvulas são apresentados a seguir. 1) Toda válvula deve ser representada por um retângulo. Fig. 2.1 – Representação inicial de uma válvula. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 17 2) O número de retângulos justapostos indica o número de posições que a válvula possui. a) b) Fig. 2.2 – a) 2 posições; b) 3 posições. 3) Os orifícios de entrada e saída de ar são indicados por pequenos traços externos ao retângulo da posição de repouso (normal) da válvula. Fig. 2.3 – Representação dos orifícios da válvula. 4) Os símbolos “” e “T” indicam as vias onde o ar comprimido vai circular dentro da válvula. As “” ´representam as ligações ou passagens, enquanto os “T” representam os fechamentos ou bloqueios. O número de vias da válvula é o número de vezes que os símbolos tocam os lados do quadrado. Qualquer dos quadrados deve ter o mesmo número de vias. Cada “” constitui duas vias e cada “T” constitui uma via. a) b) Fig. 2.4 – a) Válvula de 2 vias; b) Válvula de 3 vias. 5) O conduto de ar comprimido (ou fonte de ar comprimido) é representado por um pequeno círculo marcado internamente por outro menor e cheio. Já o conduto para a atmosfera (ou escape) tem um pequeno triângulo, representando a via de exaustão. Esses símbolos são representados na posição de repouso (normal) da válvula. Fig. 2.5 – Indicação da fonte de ar comprimido e o escape. Também é comum representar a fonte de ar comprimido com o símbolo “”. 6) As normas internacionais atribuem letras ou números para as entradas de ar, saídas e pressões de comando. Na Tabela 2.1, estão as orientações previstas nas normas DIN 24300 e na ISO 1219. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 18 Tabela 2.1 – Identificação dos orifícios das válvulas. ORIFÍCIO DIN 24300 ISO 1219 PRESSÃO P 1 UTILIZAÇÃO A B C 2 4 6 ESCAPE R S T 3 5 7 PILOTAGEM X Y Z 10 12 14 Exemplos: 2(A) 1(P) 3(R) 2(A) 1(P) 3(R) 4(B) Fig. 2.6 – Identificação dos orifícios. Os orifícios são identificados, pelo método numérico – Norma ISO, como segue [ ]: Nº 1 - alimentação: orifício de suprimento principal. Nº 2 - utilização, saída: orifício de aplicação em válvulas de 2/2, 3/2 e 3/3. Nºs 2 e 4 - utilização, saída: orifícios de aplicação em válvulas 4/2, 4/3, 5/2 e 5/3. Nº 3 - escape ou exaustão: orifícios de liberação do ar utilizado em válvulas 3/2, 3/3, 4/2 e 4/3. Nºs 3 e 5 - escape ou exaustão: orifício de liberação do ar utilizado em válvulas 5/2 e 5/3. Orifício número 1 corresponde ao suprimento principal; 2 e 4 são aplicações; 3 e 5 escapes. Orifícios de pilotagem são identificados da seguinte forma: 10, 12 e 14. Estas referências baseiam-se na identificação do orifício de alimentação 1. Nº 10 - indica um orifício de pilotagem que, ao ser influenciado, isola, bloqueia, o orifício de alimentação. Nº 12 - liga a alimentação 1 com o orifício de utilização 2, quando ocorrer o comando. Nº 14 - comunica a alimentação 1 com o orifício de utilização 4, quando ocorrer a pilotagem. Quando a válvula assume sua posição inicial automaticamente (retorno por mola, pressão interna) não há identificação no símbolo. Em muitas válvulas, a função dos orifícios é identificada literalmente (letras). Isso se deve principalmente às normas DIN (DEUTSCHE NORMEN), que desde março de 1996 vigoram na Bélgica, Alemanha, França, Suécia, Dinamarca, Noruega e outros países. Segundo a Norma DIN 24300, Blatt 3, Seite 2, Nr. 0.4. de março de 1966, a identificação dos orifícios é a seguinte [ ]: Linha de trabalho (utilização): A, B, C Conexão de pressão (alimentação): P Escape ao exterior do ar comprimido utilizado pelos equipamentos pneumáticos (escape, exaustão): R,S,T Drenagem de líquido: L Linha para transmissão da energia de comando (linhas de pilotagem): X,Y, Z Apostila de Pneumática e Eletropneumática 19 Os escapes são representados também pela letra E, seguida da respectiva letra que identifica a utilização (normas N.F.P.A.). Exemplo: EA - significa que o orifício em questão é a exaustão do ponto de utilização A. EB - escape do ar utilizado pelo orifício B. A letra D, quando utilizada, representa orifício de escape do ar de comando interno. Numeração dos componentes pneumáticos, de acordo com a norma ISO 1219: - Designação numérica 0Z1, 0Z2 etc. Unidades de fornecimento de pressão; 1A, 2A etc. Componentes de potência (cilindros); 1V1, 1V2 etc. Elementos de controle; 1S1, 1S2 etc. Elementos de entrada (válvulas atuadas manualmente ou mecanicamente). - Designação alfabética 1A, 2A etc. Componentes de potência; 1S1, 2S1 etc. Fins-de-cursos ativados na posição de recuo dos cilindros 1A e 2A; 1S2, 2S2 etc. Fins-de-cursos ativados na posição de avanço dos cilindros 1A e 2A. 7) As válvulas podem ser acionadas ou desacionadas por diversas formas, sejam elas mecânicas, elétricas ou por pressão. Algumas das representações mais comuns de acionamentos e desacionamento das válvulas são mostradas a seguir. Utiliza-se uma válvula de 3/2 vias (três vias e duas posições) para ilustrar. a) Acionamento geral e retorno por mola. b) Acionamento por botão e retorno por mola. c) Acionamento por botão com trava e retorno por mola. d) Acionamento por alavanca e retorno por mola. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 20 e) Acionamento por alavanca com trava. f) Acionamento por pedal e retorno por mola. g) Acionamento por apalpador mecânico e retorno por mola. h) Acionamento por rolete (fim de curso) e retorno por mola. i) Acionamento por rolete escamoteável e retorno por mola. j) Acionamento por solenóide e retorno por mola. Y1 k) Acionamento por solenóide e retorno por solenóide (conhecida como duplo solenóide). Y1 Y2 Apostila de Pneumática e Eletropneumática 21 l) Acionamento por piloto positivo (acréscimo de pressão) e retorno por mola. m) Acionamento por piloto negativo (decréscimo de pressão) e retorno por mola. n) Acionamento por piloto positivo e retorno por piloto positivo (conhecida como duplo piloto). o) Acionamento por piloto positivo ou manual e retorno por piloto positivo ou manual. p) Acionamento por piloto positivo e centralizado por mola. (válvula 5/3 vias centro fechada). 2(A) 1(P) 3(R) 4(B) 5(S) Como visto, as válvulas exigem um agente externo ou interno que desloque suas partes internas de uma posiçãopara outra, ou seja, que altere as direções do fluxo, efetue os bloqueios e liberação de escapes. Dependendo de como isso é realizado, o comando é classificado em direto ou indireto. No comando direto, a força de acionamento atua diretamente sobre qualquer mecanismo que cause a inversão da válvula. Já no comando indireto, a força de acionamento atua sobre qualquer dispositivo intermediário, o qual libera o comando principal que, por sua vez, é responsável pela inversão da válvula. Na Figura 2.7-a, pode-se observar uma válvula de comando direto por solenóide. Na Fig. 2.7-b, tem-se uma válvula de comando indireto, onde o solenóide atua como um pré comando para a válvula comandada por ar comprimido. Esta, por sua vez, libera a passagem de ar da via 1 para a via 2. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 22 a) b) Fig. 2.7 – a) Representação de uma válvula de comando direto. b) Representação de uma válvula de comando indireto. Fonte: Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. 2.3 Válvulas Controladoras de Fluxo Em alguns casos, é necessária a diminuição da quantidade de ar que passa através de uma tubulação, o que é muito utilizado quando se necessita regular a velocidade de um cilindro ou formar condições de temporização pneumática.[ ] As válvulas controladoras de fluxo podem ser fixas ou variáveis, ou ainda, unidirecionais ou bidirecionais. 2.3.1 Válvulas de Controle de Fluxo Fixa Bidirecional. Não permite ajuste e o fluxo é restringido igualmente em ambas as direções. Emprega-se a redução do diâmetro da tubulação nesse tipo de controle. A Figura 2.8 mostra a simbologia dessa válvula. Fig. 2.8 – Simbologia normalizada da válvula de controle de fluxo fixa bidirecional. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 23 2.3.2 Válvulas de Controle de Fluxo Variável Bidirecional. Quando existe a necessidade de variar a intensidade do fluxo para promover um melhor controle da operação dos dispositivos do sistema pneumático, pode-se empregar essa válvula. O fluxo de ar é regulado por um parafuso cônico e a limitação da passagem do ar ocorre nas duas direções. Veja a Figura 2.9. A quantidade de ar que entra por 1 ou 2 é controlada através do parafuso cônico, em relação à sua proximidade ou afastamento do assento. Conseqüentemente, é permitido um maior ou menor fluxo de passagem.[ ] Fig. 2.9 – Esquema da válvula de controle de fluxo variável bidirecional e sua simbologia. Fonte: Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. 2.3.3 Válvulas de Controle de Fluxo Variável Unidirecional. Neste caso, num único corpo une-se uma válvula de retenção com ou sem mola e em paralelo um dispositivo de controle de fluxo, compondo uma válvula de controle unidirecional. Na Figura 2.10, pode-se observar a simbologia dessa válvula. O funcionamento do dispositivo é melhor compreendido na Figura 2.11. Verificam-se duas situações distintas de trabalho, a de fluxo controlado e a de fluxo livre. Fig. 2.10 – Simbologia da válvula de controle de fluxo variável unidirecional. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 24 Fig. 2.11 – Esquemas da válvula de controle de fluxo variável unidirecional, mostrando os dois regimes de trabalho. Fonte: Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 25 2.4 Válvulas de Bloqueio São desenvolvidas para impedir o fluxo de ar em uma direção e permitir a livre passagem em sentido oposto. A seguir, alguns tipos de válvula de bloqueio são estudados. 2.4.1 Válvulas de Retenção com Mola Um cone é mantido inicialmente contra seu assento pela força de uma mola. Orientando- se o fluxo no sentido favorável de passagem, o cone é deslocado do assento, causando a compressão da mola e possibilitando a passagem do ar. Vide Figura 2.12.[ ] a) b) c) Fig. 2.12 – Esquemas da válvula de retenção com mola . a) O fluxo é permitido no sentido 12. b) O fluxo é bloqueado no sentido 21. c) Simbologia normalizada. Fonte: Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. 2.4.2 Válvulas de Retenção sem Mola É outra versão da válvula de retenção citada anteriormente. O bloqueio, no sentido contrário ao favorável, não conta com o auxílio de mola. Ele é feito pela própria pressão de ar comprimido. [] A simbologia dessa válvula é mostrada na Figura 2.13. Fig. 2.13 – Simbologia normalizada da vávula de retenção sem mola. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 26 2.4.3 Válvulas Seletora (Função Lógica OU) Esta válvula desempenha, na pneumática, o papel da porta lógica “OU” ou “OR” estudada na eletrônica digital. É constituída de três orifícios no corpo: duas entradas de pressão e um ponto de utilização. Quando chega pressão em uma entrada, a outra entrada é bloqueada e o ar passa então para a utilização. O ar que foi utilizado retorna pelo mesmo caminho que chegou. Uma vez cortado o fornecimento, o elemento seletor interno permanece na posição, em função do último sinal emitido. Havendo simulteneidade de pressão em ambas as entradas, fornecerá ar para o ponto de utilização a entrada com a pressão mais forte ou, no caso de pressões iguais, o sinal que primeiro atingir válvula. Muito utilizada quando há necessidade de enviar sinais a um ponto comum, proveniente de locais diferentes no circuito. Na figura 2.14-a, o ar para a utilização (orifício 2) é proveniente da entrada da direita, já na Figura 2.14-b, o fornecimento de ar vem da entrada da esquerda. a) b) Fig. 2.14 – Esquema da válvula seletora – Função OU. a) O fluxo de ar é proveniente da entrada da direita. b) O fluxo de ar é proveniente da entrada da esquerda. Fonte: Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. A simbologia da válvula seletora é indicada na Figura 2.15. 1(P) 1(P) 2(A) Fig. 2.15 – Simbologia da válvula seletora – Função OU. 2.4.4 Válvulas de Simultaneidade (Função Lógica E) Esta válvula desempenha, na pneumática, o papel da porta lógica “E” ou “AND” estudada na eletrônica digital. Assim com a válvula “OU”, a válvula de simultaneidade, é constituída de três orifícios no corpo: duas entradas de pressão e um ponto de utilização. Existindo coincidência de sinais de mesma pressão, nas duas entradas, fornecerá ar para a utilização o último sinal a atingir a válvula. Já no caso sinais de pressões diferentes, o sinal de pressão menos intensa passa para o ponto de utilização. Na Figura 2.16, pode-se entender melhor o funcionamento da válvula de simultaneidade. O primeiro sinal a chegar se auto bloqueia (Fig. 2.16-a). Somente quando há o segundo sinal a saída é alimentada (Fig. 2.16-b). Apostila de Pneumática e Eletropneumática 27 a) b) Fig. 2.16 – Esquema da válvula simultaneidade – Função E. a) Ofluxo de ar proveniente da entrada da direita é bloqueado. b) Com o fluxo de ar também aplicado na entrada da esquerda, a saída é ativada. Fonte: Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. A simbologia da válvula de simultaneidade é indicada na Figura 2.17. 1(P) 1(P) 2(A) Fig. 2.17 – Simbologia da válvula de simultaneidade – Função E. 2.4.5 Válvulas de Escape Rápido Quando se necessita obter velocidade superior àquela normalmente desenvolvida por um pistão de cilindro, é utilizada a válvula de escape rápido. Utilizando-se a válvula de escape rápido, a pressão no interior da câmara cai bruscamente; a resistência oferecida pelo ar residual (que é empurrado) é reduzidíssima e o ar flui diretamente para a atmosfera, percorrendo somente um niple que liga a válvula ao cilindro. Ele não percorre a tubulação que faz a sua alimentação. Os jatos de exaustão são desagradavelmente ruidosos. Para se evitar a poluição sonora devem ser utilizados silenciadores. Na Figura 2.18, é mostrado o funcionamento da válvula de escape rápido. Em a), o fluxo de ar proveniente da alimentação (1) segue para o consumo (2). E em b), o fluxo de ar retorna do consumo (2) para o escape rápido (3), indo para a atmosfera. a) b) Fig. 2.18 – Esquema da válvula de escape rápido. a) Consumo ; b) Escape rápido. Fonte: Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 28 A simbologia da válvula de escape rápido é indicada na Figura 2.19. 3(R) 1(P) 2(A) Fig. 2.19 – Simbologia da válvula de escape rápido. 2.5 Válvulas Controladoras de Pressão Têm por função influenciar ou serem influenciadas pela intensidade de pressão de um sistema. 2.5.1 Válvulas de Alívio Limita a pressão de um reservatório, compressor, linha de pressão, etc., evitando a sua elevação, além de um ponto ideal admissível. O ajuste se dá através de uma mola. Ocorrendo um aumento de pressão no sistema, o êmbolo é deslocado de sua sede, comprimindo a mola e permitindo contato da parte pressurizada com a atmosfera através de uma série de orifícios por onde é expulsa a pressão excedente. Quando o equilíbrio de pressão é atingido, a mola retorna a sua posição de ajuste. A Figura 2.20 mostra um esquema interno da válvula de alívio. A entrada de pressão se dá em 1 e as saídas (alívios) ocorrem em 3. Já na Figura 2.21, pode-se observar a simbologia dessa válvula. Fig. 2.20 – Esquemático de uma válvula de alívio. Fonte: Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. 1(P) 3(R) Fig. 2.21 – Simbologia da válvula de alívio. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 29 2.5.2 Regulador de Pressão Após passar por todo o processo de produção, tratamento e distribuição, o ar comprimido deve sofrer um último condicionamento, antes de ser colocado para trabalhar, a fim de produzir melhores desempenhos. O regulador de pressão faz parte desse sistema de condicionamento e tem como funções: Compensar automaticamente o volume de ar requerido pelos equipamentos pneumáticos. Manter constante a pressão de trabalho (pressão secundária), independente das flutuações da pressão na entrada (pressão primária) quando acima do valor regulado. A pressão primária deve ser sempre superior à pressão secundária, independente dos picos. Funcionar como válvula de segurança. Fig. 2.22 – Secção de um regulador de pressão com escape. Fonte: Parker Hannifin Ind. Com. Ltda. A simbologia do regulador de pressão é indicada na Figura 2.23. 1(P) 3(R) 2(A) Fig. 2.23 – Simbologia do regulador de pressão. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 30 2.6 Válvulas de Retardo Também conhecida como válvula temporizadora. Promove o disparo de um atuador após decorrido um intervalo de tempo predefinido. Na Figura 2.24, pode-se obsevar uma válvula de retardo comercial e a representação dos elementos internos que a constituem. Uma válvula controladora de fluxo, um reservatório de ar e uma válvula de 3/2 vias são usados nesse modelo. Pelo ajuste da válvula controladora de fluxo, controla-se o tempo para abastecimento do reservatório. Somente com o reservatório completamente abastecido é que ocorre o comando da válvual de 3/2 vias. Fig. 2.24 – Válvula temporizadora e sua simbologia. Fonte: Festo Pneumatic. A Figura 2.25 mostra a simbologia da válvula temporizadora de 3/2 vias do tipo normalmente aberta – NA. Fig. 2.25 – Simbologia da válvula temporizadora normalmente aberta - NA. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 31 CAPÍTULO 3 Atuadores Pneumáticos 3.1 Introdução Assim como os motores elétricos transformam a energia elétrica em energia cinética (mecânica), com movimentos rotativos, angulares ou retilíneos, os atuadores pneumáticos são os elementos responsáveis, na pneumática ou hidráulica, pela transformação da energia acumulada no ar comprimido em trabalho, tais como, movimentos lineares, angulares ou rotativos. São comumente chamados de cilindros, uma vez que a montagem mais difundida desses dispositivos é num formato cilíndrico. A seguir, são estudados alguns tipos de atuadores de movimento retilíneo (atuadores lineares) e de movimento giratório. 3.2 Atuadores Pneumáticos Lineares São constituídos de componentes que convertem a energia pneumática em movimento linear ou angular. São representados pelos cilindros pneumáticos e diferenciam entre si por detalhes construtivos, em função de suas características de funcionamento e utilização. Normalmente, são classiicados em dois grupos: Cilindros de Simples Efeito ou Simples Ação; e Cilindros de Duplo Efeito ou Dupla Ação, com e sem amortecimento. Algumas derivações desses grupos são encontradas, principalmente para os cilindros de duplo efeito. A norma DIN/ISO 1929, de agosto de 1978, é uma das mais comuns na regulamentação dos atuadores pneumáticos. 3.2.1 Atuadores Pneumáticos Lineares de Simples Ação São assim chamados por utiliza ar comprimido para conduzir trabalho em um único sentido de movimento, seja para avanço ou retorno. Este tipo de cilindro possui somente um orifício por onde o ar entra e sai do seu interior, comandado por uma válvula. Na extremidade oposta à de entrada, é dotado de um pequeno orifício que serve de respiro, visando impedir a formação de contra-pressão internamente, causada pelo ar residual de montagem. O retorno, em geral, é efetuado por ação de mola e força externa. Na figura 3.1, são mostradas as simbologias de alguns cilindros de simples ação. Cilindro de simples ação com avanço por mola interna. Cilindro de simples ação com retorno por mola interna. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 32 Fig. 3.1 – Simbologias de cilindros de simples ação. A Figura 3.2 mostra um cilindro comercial de simples ação com retorno por mola interna. Fig. 3.2 – Cilindro comercial de simples ação (retorno por mola) e sua simbologia. Fonte: Festo Pneumatic. 3.2.2Atuadores Pneumáticos Lineares de Dupla Ação Quando um cilindro pneumático utiliza ar comprimido para produzir trabalho em ambos os sentidos de movimento (avanço e retorno), diz-se que é um cilindro de dupla ação. O ar comprimido é admitido e liberado alternadamente por dois orifícios existentes nos cabeçotes, um no traseiro e outro no dianteiro que, agindo sobre o êmbolo, provoca os movimentos de avanço e retorno. Quando uma câmara está admitindo ar a outra está em comunicação com a atmosfera. Na figura 3.3, são mostradas as simbologias de alguns cilindros de dupla ação. Fig. 3.3 – Simbologias de cilindros de dupla ação. Cilindro de simples ação com retorno por força externa. Cilindro de dupla ação. Cilindro de dupla ação do tipo Tandem. Cilindro de dupla ação sem haste, com amortecimento regulável no avanço e no recuo e com acoplamento magnético. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 33 A Figura 3.4 mostra um cilindro comercial de dupla ação com êmbolo magnético para detecção por sensores sem contato físico, came de acionamento em alumínio, montada na ponta da haste, e amortecimento regulável nas posições finais de curso. Fig. 3.4 – Cilindro comercial de dupla ação e sua simbologia. Fonte: Festo Pneumatic. 3.3 Atuadores Pneumáticos de Movimento Angular São empregados para suprir a incapacidade dos atuadores lineares em realizar grandes movimentos agulares (superiores a 120). No atuador angular, a haste do êmbolo tem um perfil dentado e é acoplado a uma engrenagem. Quando a haste do êmbolo se desloca por ação do ar comprimido, a engrenagem gira produzindo movimento angular, no sentido horário ou antihorário, conforme o sentido do deslocamento do êmbolo (avanço ou recuo). A Figura 3.5 mostra um cilindro comercial de movimento angular. Observe também que acoplado ao eixo oscilante, tem-se uma ventosa para produção de vácuo (usado no transporte de peças). Fig. 3.5 – Cilindro comercial de movimento angular e sua simbologia. Fonte: Festo Pneumatic. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 34 3.4 Atuadores Pneumáticos de Movimento Rotativo Tratam-se dos motores a ar comprimido. São usados para transformar a energia pneumática em energia mecânica de rotação. Existem diversos tipos de motores pneumáticos, dentre eles, motores de pistão, motores de engrenagem e motores de palhetas. Esse último é o mais difundido. Na Figura 3.6, observa-se a representação de um motor a palhetas. O ar entra por um orifíco, impulsiona as palhetas e, consequentemente, o rotor do motor, fazendo-o girar. O escape ocorre via o outro orifício. Invertendo-se entrada e saída de ar, pode-se inverter o sentido de giro do motor. Fig. 3.6 – Representação de um motor de palhetas. Fonte: Kazi Pneumáticos. Na Figura 3.7, é mostrada as simbologias de motores pneumáticos. Fig. 3.7 – Simbologias de um motor pneumáticos. Motor pneumático com velocidade constante e um sentido de rotação. Motor pneumático com velocidade constante e duplo sentido de rotação. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 35 CAPÍTULO 4 Projetos de Circuitos Pneumáticos pelo Método Intuitivo 4.1 Introdução Esse método de projeto de circuitos pneumáticos está limitado a circuitos de pequema complexidade. É a experiência do projetista que permite, de forma intuitiva, a interligação de válvulas e atuadores. Para circuitos mais complexos, essa metodologia costuma não gerar circuitos otimizados. Neste Capítulo, serão mostrados alguns exemplos básicos de acionamentos pneumáticos e, acumulativamente, os exemplos vão evoluindo em complexidade e formando os conhecimentos indispensáveis nesse método de projeto. Nos circuitos estudados neste material, adotam-se as seguintes representações para as linhas de pressão: 4.2 Circuitos Pneumáticos Elementares – Comando Direto Nos circuitos com comando direto, o atuador é acionado diretamente por uma única válvula. Vários mecanismos de acionamento de válvulas já foram apresentados no Capítulo 2. Assim, será omitido o tipo de acionamento nos exemplos a seguir. 4.2.1 Acionamento de um Cilindro de Simples Ação Como o cilindro de simples ação possui somente uma entrada de ar, pode-se usar válvulas com uma única saída de consumo para fazer o acionamento desse atuador. Também é preciso garantir a saída de ar da câmara do cilindro. Observe a Figura 4.1. Uma válula 3/2 vias é usada para comandar o avanço do cilindro. Quando a válvula está na sua posição de repouso, o cilindro está recuado (ação da mola). Quando a válvula é ativada, o cilindro avança. Observe que existe um caminho para o ar escapar da câmara do cilindro quando a válvula é desacionada. Uma válvula 2/2 vias não seria adequada para tal propósito, pois o cilindro, uma vez avançado, não retornaria, já que o ar não teria caminho para escapar para a atmosfera. Essa válvula não possui caminho para escape. LINHA PRESSURIZADA LINHA NÃO PRESSURIZADA LINHA DE PILOTAGEM Apostila de Pneumática e Eletropneumática 36 (a) (b) Fig. 4.1 – Circuito para aciomanento de um cilindro de simples ação. (a) Válvula não acionada; (b) Válvula acionada. 4.2.2 Acionamento de um Cilindro de Dupla Ação O cilindro de dupla ação possui duas entradas de ar, uma para executar o comando avançar e outra para recuar, sendo necessário a utilização de válvulas com duas saídas alimentadoras. Válvulas 4/2 vias ou 5/2 vias podem ser utilizadas para comandar esse tipo de cilindro. Na Figura 4.2, observa-se como uma válvula 4/2 vias comanda um cilindro de dupla ação. Já a Figura 4.3 mostra o circuito para o uso de uma válvula 5/2 vias. (a) (b) Fig. 4.2 – Circuito para aciomanento de um cilindro de dupla ação com válvula 4/2 vias. (a) Válvula não acionada; (b) Válvula acionada. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 37 (a) (b) Fig. 4.3 – Circuito para aciomanento de um cilindro de dupla ação com válvula 5/2 vias. (a) Válvula não acionada; (b) Válvula acionada. 4.3 Circuitos Pneumáticos Elementares – Comando Indireto No comando indireto, usa-se uma sequência de válvulas para comandar o cilindro. A válvula que aciona o cilindro é comandada por pressão proveniente de outra válvula. 4.3.1 Acionamento de um Cilindro de Dupla Ação por Comando Indireto. Os exemplos a seguir, ilustram o acionamento de um cilindro de dupla ação via comando indireto. A válvula de controle do cilindro é do tipo 5/2 vias com duplo piloto positivo. Exemplo 4.1) Duas vávulas de 3/2 vias comandam, indiretemente,o avanço e o retorno de um cilindro de dupla ação. Circuito pneumático: As vávulas de 3/2 vias comandam, alternadamente, o avanço e o recuo do cilindro de dupla ação, via a válvula de 5/2 vias. Observe a Figura 4.4. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 38 Fig. 4.4 – Circuito para aciomanento de um cilindro de dupla ação com comando indireto. Funcionamento: a) Circuito pressurizado e em repouso. Situação inicial. Fig. 4.5 – Circuito pressurizado e em repouso. Cilindro recuado. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 39 b) Válvula que comanda o avanço do cilindro é acionada. Fig. 4.6 – Válvula que comanda o avanço é acionada. O cilindro avança. c) Válvula que comanda o avanço do cilindro é liberada. Fig. 4.7 – A válvula do comando de avanço é liberada. Cilindro continua avançado. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 40 d) Válvula que comanda o recuo é acionada, fazendo o cilindro recuar. Fig. 4.8 – Válvula que comanda o recuo é acionada. O cilindro retorna a posição incial. Ao final desta etapa, quando o válvula de recuo é liberada, o circuito retorna a situação inicial. Exemplo 4.2) Duas vávulas de 3/2 vias comandam, indiretemente, o avanço e o retorno de um cilindro de dupla ação. A válvula 3/2 vias acionada por rolete (fim de curso) faz o retorno automático do cilindro. Circuito pneumático: Fig. 4.9 – Circuito para aciomanento de um cilindro de dupla ação com comando indireto. Retorno automático. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 41 a) Válvula que comanda o avanço é acionada. O cilindro inicia seu avanço. Fig. 4.10 – Válvula que comanda o avanço é acionada. O cilindro avança. b) Quando o cilindro chega ao seu fim de curso, a válvula roletada é acionada. Então, o cilindro inicia o seu recuo. Fig. 4.11 – Comando de recuo do cilindro via válvula roletada. Neste último caso, quando o cilindro (atuador) chegar ao final de seu curso, irá acionar mecanicamente o rolete S1, da válvula 3/2 vias rolete/mola, não havendo necessidade da intervenção do operador para o retorno do cilindro. Essa válvula pilotará o lado direito da válvula 5/2 vias, de modo que cesse a alimentação de ar para o cilindro. Esse circuito é bem comum, já que faz um ciclo inteiro sem a necessidade de intervenção do operador, ou seja, o retorno do cilindro após atingir o final de seu curso é realizado automaticamente por algum componente no próprio circuito. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 42 4.4 Circuitos Pneumáticos Elementares - Miscelânea Os exemplos seguintes são um apanhado de vários circuitos pneumáticos. Contribuem para o aperfeiçoamento da prática de projetos pelo Método Intuitivo. Exemplo 4.3) Comando de um cilindro de dupla ação de dois locais distintos. O avanço de um cilindro de dupla ação pode ser comandado de dois lugares diferentes, ou seja, dois botões-pulso podem ser posicionados em câmaras distintas e efetuarem a mesma operação, conforme ilustra a Figura 4.12. Para tanto se utiliza uma válvula “OU”. O retorno deverá ser feito por meio de uma válvula 3/2 vias botão/mola. O comando do atuador da Figura 4.12 é do tipo direto, porque o ar é enviado do botão pulso diretamente para as câmaras do cilindro, sem a necessidade das válvulas direcionais. Fig. 4.12 – Comando de um cilindro de dupla ação de dois locais distintos. Comando Direto. a) A válvula de um dos dois locais de comando é acionada. O cilindro faz o avanço. Fig. 4.13 – Comando de um cilindro de dupla ação de dois locais direntes. Avanço via primeiro local. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 43 b) A válvula de comando de recuo é acionada. O cilindro recua. Fig. 4.14 – Comando de um cilindro de dupla ação de dois locais direntes. Comando para recuo do cilindro. c) A outra válvula de comando de avanço é acionada, fazendo o cilindro avançar novamente. Fig. 4.15 – Comando de um cilindro de dupla ação de dois locais direntes. Avanço via segundo local. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 44 Exemplo 4.4) O problema da contrapressão. No circuito da Figura 4.16, o cilindro não realizará um ciclo contínuo ilimitado. Ao pressionarmos o botão trava da válvula 1S1, ela pilotará a válvula direcional 5/2 vias, que fará com que o atuador avance. Ao chegar ao final de seu ciclo, pressionará a válvula 1S2, que enviará ar para o retorno da válvula direcional (5/2 vias) . Entretanto, a válvula 1S1 ainda está acionada, enviando ar no sentido contrário, o que faz com que a válvula 5/2 vias permaneça parada e conseqüentemente com que o cilindro não retorne. É necessário, portanto, que seja adicionado um componente, que retire o ar que pilote a válvula direcional 5/2 vias pela esquerda quando o cilindro chegar ao fim de seu curso e acionar a 5/2 vias, para evitar o que chamamos de contrapressão. Fig. 4.16 – Diagrama incorreto de um atuador de dupla ação realizando ciclo contínuo. Verifique isso na simulação mostrada na Figuras 4.17. Fig. 4.17 – Contrapressão observada na simulação do circuito. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 45 Exemplo 4.5) Uma solução para o problema da contrapressão do Exemplo 4.4. No circuito da Figura 4.18, a válvula 3/2 vias rolete/mola 1S3, responsável pelo avanço do cilindro está em contato com o atuador, como pode ser visto pela área hachurada do lado do rolete, o que permite a passagem de ar quando for pressionado o botão trava da válvula 3/2 vias 1S1, pilotando desta forma a válvula direcional e permitindo o avanço do atuador. Assim que o cilindro partir, a válvula 1S3 não estará mais em contato com o cabeçote do cilindro, retornando, portanto, à sua posição original (que é Normalmente Fechada – NF). Fig. 4.18 – Ciclo contínuo ilimitado de um cilindro de dupla ação. De acordo com a Figura 4.18, quando o cilindro atingir a válvula 1S2, liberando o ar para a pilotagem direita da válvula direcional 5/2 vias, não haverá mais ar pilotando o lado esquerdo da válvula, permitindo que a válvula direcional retorne à sua posição original e que o cilindro recue, completando o ciclo. O ciclo será reiniciado automaticamente quando o atuador recuar completamente, pressionado o rolete da válvula 1S3, permitindo novamente a pilotagem esquerda da válvula direcional, formando o ciclo contínuo. Exemplo 4.6) O acionamento de um cilindro de simples ação por meio de dois botões, simultaneamente. Comando direto. Para acionar um atuador de dois locais distintos, simultaneamente, deve-se utilizar uma válvula de simultaneneidade. A Figura 4.19 mostra o circuito pneumático utilizado. Veja na Figura 4.20, que o ar flui para o cilindrosomente quando as duas válvulas de 3/2 vias forem acionadas juntas. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 46 Fig. 4.19 – Circuito de acionamento de um cilindro de simples ação com válvula de simultaneidade. Fig. 4.20 – Avanço do cilindro de simples ação quando ambas as válvulas de 3/2 vias são acionadas. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 47 Exemplo 4.7) Acionamento de um cilindro de dupla ação com avanço rápido e retorno lento. Comando indireto. Uma boa prática é não interferir no ar que entra no cilindro e sim naquele que está escapando do atuador. Pode-se utilizar uma válvula reguladora de fluxo unidirecional em conjunto com uma válvula de escape rápido para construir o circuito. Como o comando é indireto, usa-se uma válula de 5/2 vias, com duplo piloto positivo, para rereber os sinais de avanço e retorno proveniente de válvulas de 3/2 vias, do tipo botão com retorno por mola. A Figura 4.21 ilustra o circuito pneumático em questão. Fig. 4.21 – Acionamento de um cilindro de dupla ação com avanço rápido e retorno lento. Quando o comando de avanço é dado, através da válvula 3/2 vias, a válvula de 5/2 vias comuta e o ar é enviado para a câmara traseira do cilindro passando sem restrição pela válvula reguladora de fluxo. O ar contido na câmara dianteira do cilindro escapa, para a atmosfera, pela válvula de escape rápido. Assim, ocorre o avanço rápido do atuador. Observe a Figura 4.22. Já quando o camando de recuo é efetuado, o ar segue para a câmara dianteira passando pela válvula de escape rápido, cujo escape está fechado nesse momento. O ar armazenado na câmara traseira do cilindro sofre restrição para escapar, pois a válvula controladora de fluxo limita a velocidade de passagem nessa fase. Dessa forma, o retorno do atuador a sua posição recuada ocorre de maneira lenta, regulado pela posição de limite da válvula controladora de fluxo (ajustada em 40%, no exemplo). Isso pode se verificado na simulção mostrada na Figura 4.23. Um sistema com avanço lento e retorno rápido pode ser também implementado com um rearanjo das válvulas de controle de fluxo e de escape rápido. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 48 Fig. 4.22 – Simulação do avanço rápido do cilindro de dupla ação. Fig. 4.23 – Simulação do recuo lento do cilindro de dupla ação. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 49 Exemplo 4.8) Acionamento de um cilindro de dupla ação com avanço via pulso pneumático e retorno automático via válvula de retardo. Comando indireto. A Figura 4.24 mostra o circuito do Exemplo. O acionamento da válvula 3/2 vias, comandada por botão, gera um pulso pneumático que comutará a válvula 5/2 vias. Esta quando comutada, possibilita o avanço do cilindro, além de simultaneamente alimentar a válvula de retardo. Decorrido um certo tempo, com o reservatório completamente cheio, a válvula de retardo comutará. Neste momento, a válvula 5/2 vias recebe um pulso pneumático proveniente da válvula de retardo e comuta. Assim, o cilindro recebe ar na sua câmara dianteira, retorna a sua posição recuada e um novo ciclo pode ser iniciado. Fig. 4.24 – Circuito pneumático usando válvula de retardo. As Figuras 4.25 e 4.26 mostram as etapas de funcionamento do circuito. A válvula controladora de fluxo, interna à válvula de retardo, está regulada em 50% do seu fluxo máximo. Isso permite ajustar o tempo que o reservatório leva para ficar cheio. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 50 Fig. 4.25 – Comando para o avanço do cilindro. Fig. 4.26 – Comando automático, via válvula de retardo, para o recuo do cilindro. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 51 Exemplo 4.9) Acionamento de um cilindro de dupla ação com avanço e retorno automático e botão de parada de EMERGÊNCIA. Comando indireto. Este exemplo, mostrado na Figura 4.27, é um complemento do Exemplo 4.5. Foi inserido no ciclo contínuo um botão de emergência, que faz com que o cilindro retorne imediatamente, não importa qual sua posição. E após este retorno, não é possível que se reinicie o ciclo, a menos que o botão de emergência seja pressionado novamente, liberando a válvula direcional para ser pilotada na via esquerda. Fig. 4.27 – Comando automático para avanço e recuo do cilindro e uso da válvula de emergência. Tanto a válvula 1S2 quanto a válvula de emergência podem comandar a válvula de 5/2 vias através da válvula “OU” e promover o retorno do cilindro. Na Figura 4.28, observa-se na simulação o avanço do cilindro quando 1S1 é ativada. Na sequência do ciclo, o cilindro recua por ação da válvula 1S2. Já a Figura 4.29 mostra o bloqueio total do circuito quando a válvula de emergência é acionada. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 52 Fig. 4.28 – Válvula 1S1 é acionada e o cilindro inicia o avanço. Fig. 4.29 – Válvula de emergência é acionada fazendo o cilindro recuar e também gerando o bloqueio total do circuito. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 53 CAPÍTULO 5 Diagrama Trajeto-Passo 5.1 Introdução Nos circuitos pneumáticos estudados no Capítulo anterior, os circuitos envolviam um único atuador e a complexidade não era elevada. Quando o números de atuadores aumenta e, consequentemente, o total de sequências realizadas pelo circuito, o Método Intuitivo torna-se muito limitado, embora ainda podendo ser empregado. Para facilitar os projetos de circuitos pneumáticos de maiores complexidades, foram desenvolvidas representações gráficas das sequências realizadas pelos atuadores, também conhecidas como Represntações Gráficas de Comandos Sequenciais. Existem cinco representações gráficas possíveis, porém, das cincos, duas são mais exploradas, e dessas duas, uma grande maioria dos projetistas e técnicos acaba por utilizar somente a que mais se popularizou (o Diagrama Trajeto-Passo). As representações gráficas são as seguintes: 1. Diagrama Trajeto-Passo; 2. Diagrama de posicionamento dos atuadores; 3. Diagrama de atuação dos sensores; 4. Diagrama de comando dos atuadores; 5. Diagrama Funcional. Neste Capítulo, será estudado o Diagrama Trajeto-Passo e algumas aplicações. 5.2 O Diagrama Trajeto-Passo No Diagrama Trajeto-Passo, os passos, que são mudanças de estado dos elementos de trabalho, são representados por linhas horizontais e equidistantes. O trajeto é desenhado, sem escala, na vertical e igual para todos os atuadores. Cada elemento de trabalho pode assumir apenas duas posiçoes: Posição 0 atuador recuado ou desacionado Posição 1 atuador avançado ou acionadoA Figura 5.1 mostra um exemplo de Diagrama Trajeto-Passo com dois atuadores, denominados A e B. 1 2 3 4 5=1 1 0 1 0 Cil. A Cil. B A+ B+ A- B- Fig. 5.1 – Exemplo de Diagrama Trajeto-Passo com dois atuadores. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 54 No exemplo, os cilindros se movimentarão da seguinte maneira: A avança, em seguida, ao chegar ao fim de seu curso, provoca o avanço de B. Ao chegar ao fim de seu curso, B comanda o retorno de A. Assim que A estiver totalmente retornado, inicia-se o retorno de B, fechando-se assim o ciclo de movimentos dos cilindros. Por fim, a maneira mais simplificada e utilizada de representar movimentos de cilindros pneumáticos é a abreviada. Nesta forma, o sinal “+” significa avanço e o sinal “-“ retorno. Desta maneira, a mesma sequência apresentada na Figura 5.1 pode ser representada assim: A+B+A-B- Chamamos sesta sequência de direta, pois se a dividirmos ao meio e compararmos os lados direito e esquerdo, desconsiderando-se os sinais, eles são exatamente iguais: A+B+ | A-B- AB = AB Caso isso não aconteça, chamamos a sequência de indireta. As sequências diretas têm resolução mais simples pelo Método Intuitivo (aquele que não obedece a uma regra específica, dependendo somente do raciocínio de quem confecciona o circuito), pois nelas não ocorre o problema da contrapressão (sobreposição de sinais). A Figura 5.2 traz a solução da sequência A+B+A-B- por meio do Método Intuitivo. Fig. 5.2 – Diagrama pneumático da sequência A+B+A-B-. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 55 Se tentarmos utilizar o mesmo raciocínio para resolver uma sequência indireta, 1A+2A+2A-1A-, mostrada no Diagrama Trajeto-Passo da Figura 5.3, vai ocorrer, em um ou vários pontos do diagrama, uma sobreposição de sinais. 1 2 3 4 5=1 1 0 1 0 1A 2A 1A+ 2A+ 2A- 1A- Fig. 5.3 – Exemplo de Diagrama Trajeto-Passo com dois atuadores. 1A+2A+|2A-1A- 1A2A ≠ 2A1A A sequência 1A+2A+2A-1A- é indireta, pois o lado direito é diferente do lado esquerdo. A Figura 5.4 traz a solução errada deste problema, resolvida pelo Método Intuitivo. Como pode ser observado, há sobreposição de sinais. Fig. 5.4 – Diagrama pneumático da sequência 1A+2A+2A-1A- (solução incorreta). Apostila de Pneumática e Eletropneumática 56 Na Figura 5.4, podemos perceber que, ao ligarmos o compressor, haverá ar sendo enviado para o lado direito da primeira válvula direcional 5/2 vias 1V1, responsável pelo avanço do cilindro 1A. Então, ao pressionarmos o botão pulso 1S1, enviando ar para o lado esquerdo da válvula 1V1, a mesma não será pilotada, pois acontecerá o que chamamos de contrapressão. Há uma pressão de igual valor em ambos os lados da válvula, o que faz com que a mesma não se mova. Portanto, o cilindro 1A nem chega a avançar, impossibilitando o início do ciclo. Para que o ciclo se inicie, ao ligarmos o compressor, a válvula 3/2 vias 2S1 não poderá estar enviando ar para a válvula direcional 1V1. Podemos começar resolvendo o problema inserindo uma outra válvula 5/2 vias. Sua primeira função é retirar a pressão da válvula 2S1 quando o compressor for ligado. A Figura 5.5 ilustra o primeiro passo desta solução. Fig. 5.5 – Início da solução da sequência 1A+2A+2A-1A- pelo Método Intuitivo. Na Figura 5.5, a válvula 5/2 vias inserida não libera inicialmente o ar para a 3/2 vias 2S1, a não ser quando o seu lado esquerdo for pilotado. Quando será necessário que seja liberado o ar para a válvula 2S1? Quando for preciso fazer o retorno do cilindro A. Este retorno é realizado após o avanço de B, segundo a sequência 1A+2A+2A-1A-. Utilizaremos então o fim- de-curso do cilindro B, 1S3 para a pilotagem direita desta válvula 5/2 vias. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 57 Assim, o ciclo já funcionaria e efetuaria a sequência, mas a válvula 5/2 vias inserida é uma válvula memória, de modo que, para reiniciar o ciclo, quando for pressionado o botão pulso que dá início à sequência, é necessária a pilotagem esquerda desta válvula. Assim, a solução correta e completa pode ser vista na Figura 5.6. Fig. 5.6 – Diagrama pneumático da sequência 1A+2A+2A-1A- pelo Método Intuitivo. Desta maneira, praticamente todas as sequências podem ser confeccionadas utilizando- se o Método Intuitivo. Evidentemente, o grau de dificuldade vai aumentando à medida que as sequências sejam mais compridas. Para simplificar a resolução de sequências indiretas, foram criados dois métodos, que obedecem a regras rígidas de construção de circuitos: o Método Cascata e o Método Passo a Passo. Como último circuito feito pelo Método Intuitivo, daremos o exemplo de um circuito com movimento simultâneo, isto é, dois cilindros realizam movimentos ao mesmo tempo. Seja a sequência 1A+(2A+3A+)2A-(1A-3A-), apresentada também no Diagrama Trajeto-Passo da Figura 5.7. Como solução, temos o circuito pneumático da Figura 5.8. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 58 1 2 3 4 5=1 1 0 1 0 1A 2A 1A+ 2A+ 2A- 1A- 1 0 3A 3A+ 3A- Fig. 5.7 – Exemplo de Diagrama Trajeto-Passo com três atuadores. Sequência 1A+(2A+3A+)2A-(1A-3A-). Fig. 5.8 – Diagrama da sequência 1A+(2A+3A+)2A-(1A-3A-) pelo Método Intuitivo. No circuito da Figura 5.8, os cilindros 2A e 3A possuem somente um fim-de-curso, o que se deve pelo fato de que há nesta sequência movimentos simultâneos. Apostila de Pneumática e Eletropneumática 59 CAPÍTULO 6 Projetos de Circuitos Pneumáticos pelo Método Cascata 6.1 Introdução Neste Capítulo, o método Cascata é apresentado como uma solução segura para projetos de circuitos pneumáticos. Os problemas característicos do Método Intuitivo são evitados com esse método, poupando esforços e dispositivos. Partindo do Diagrama Trajeto-Passo, são apresentadas algumas regra para utilização do Método Cascata e exemplos são resolvidos. 6.2 Método Cascata O Método Cascata foi criado para evitar o problema da sobreposição de sinais e pode resolver tanto sequências diretas como indiretas. A contrapressão é evitada porque dividimos a sequência em setores (ou grupos) e cada setor pode conter somente um movimento de cada cilindro pneumático. O primeiro passo para a construção de um circuito pneumático é a divisão da sequência em setores: Resolvendo o diagrama 1A+2A+2A-1A- pelo Método Cascata, temos: 1A+2A+|2A-1A- Setor I | Setor II A divisão de setores obedece a seguinte regra: i) Quando uma letra se repetir, inicia-se um novo setor. Os setores são identificados por algarismos romanos. Não podem permanecer no mesmo grupo os movimentos de avanço e recuo do mesmo cilindro. A partir daí determina-se o número de linhas pneumáticas que controlam a mudança destes setores: ii) Cada setor tem que possuir uma linha pneumática. O número de vávulas cascata que irão fornecer ar comprimido para as linhas pneumáticas segue a segiunte regra: iii) O número de válvulas 5/2 vias
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