tópicos - laboratório livre · uma apostila para a nova disciplina “comandos industriais”....
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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO
TECNOLÓGICA DE GOIÁS - CEFET/GO
Disciplinas:
ELEMENTOS DE MÁQUINAS E
COMANDOS INDUSTRIAIS
Tópicos:
ACIONAMENTOS PNEUMÁTICOS
E
ELETROPNEUMÁTICOS
“Notas e Apontamentos de Aula”
Prof. Luís Fernando Pagotti
Agosto de 1999
Sumário
Parte I – Elementos Pneumáticos 1 – Introdução . . . . . . . . . . 003 2 – Características do Ar Comprimido . . . . . . 003 3 – Obtenção e Produção de Ar Comprimido . . . . . 006 4 – Elementos Pneumáticos de Trabalho . . . . . . 016 5 – Válvulas . . . . . . . . . . 025 6 – Comandos Seqüenciais . . . . . . . . 7 – Comandos Pneumáticos e Eletropneumáticos . . . . Parte II – Elementos Eletropneumáticos 8 – Elementos Elétricos e Eletropneumáticos . . . . . 040 9 – Conversores Pneumáticos - Elétricos . . . . . 10 – Comparação entre Circuitos Pneumáticos e Eletropneumáticos . 11 – Resolução de Circuitos Eletropneumáticos . . . . Parte III – Automação de Elementos Eletropneumáticos 12 – Introdução ao C.L.P. . . . . . . . . 13 – Soluções através de C.L.P. . . . . . . . 14 – Comandos Básicos . . . . . . . .
Prefácio
Aos Alunos do Curso de Eletrotécnica
do
Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás - CEFET / GO
A nossa disciplina de “Elementos de Máquinas” sofreu modificações
consideráveis nestes últimos dois anos. Como todos nós podemos observar, os setores
industriais e comerciais também vêm apresentando mudanças significativas no campo da
“Automação”. Todas estas implementações tecnológicas são fundamentais para o
desenvolvimento de nosso País, neste Mundo Globalizado. Desse modo, todos os
avanços tecnológicos necessitam, cada vez mais, de mão-de-obra técnica especializada.
Com o intuito de preencher as lacunas na formação técnica destes futuros
profissionais, e prepará-los para enfrentar este rigoroso e emergente mercado de
trabalho, nossa disciplina passa a abordar os fundamentos dos “Acionamentos
Pneumáticos e Eletropneumáticos”, amplamente utilizados nos processos de Automação
Industrial e Comercial.
Dessa forma, este “Apontamentos de Aula” procura apresentar os fundamentos
básicos desta área da Eletrotécnica, e num futuro próximo, poderemos transformá-la em
uma apostila para a nova disciplina “Comandos Industriais”.
Assim, é de fundamental importância a participação dos alunos de “Elementos
de Máquinas” na elaboração de críticas sobre este material.
Aguardamos ansiosos suas colaborações !
Prof. Luís Fernando Pagotti
Coordenador de Produção e Pesquisa do CEFET-GO
Referências Bibliográficas
1 – “Automação Pneumática”; Centro Didático de Automação, Scharader
Bellows / Parker Pneumatic.
2 – “Técnicas de Automação Industrial – Parte I”; Festo Didatic,
FESTO.
3 – “Técnicas de Automação Industrial – Parte II”; Festo Didatic,
FESTO.
4 – “Técnicas de Automação Industrial – Parte III”; Festo Didatic,
FESTO.
5 – “Manual Prático de Hidráulica e Pneumática”; Associação Brasileira
de Hidráulica e Pneumática, Artmarketing Empresa Jornalística.
6 – “Especialização em Projetos de Sistemas Pneumáticos” ; Festo
Didatic, FESTO, 1988.
7 – “Automação Eletropneumática” ; Bonacorso, Nelson G.; Noll, Valdir;
Editora Érica, São Paulo, 1997
8 – “Fundamentos de Automação Industrial Pneutrônica - Projeto de
Comandos Binários Eletropneumáticos” ; Bollmann, Arno;
editado pela ABHP (Associação Brasileira de Hidráulica e Pneumática) -
1997
9 – “Método Seqüencial para Automatização Eletropneumática”
Novais, José; Fundação Calouste Gulbenkian - 1983, Lisboa / Portugal
Apostila de Comandos Eletropneumáticos Parte I - Elementos Pneumáticos
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PARTE I
Elementos Pneumáticos
palavra “Automação” é freqüentemente utilizada no linguajar de
Engenheiros e Técnicos responsáveis pelos setores de produção e manutenção das
plantas industriais. A bem da verdade, a preocupação com a produtividade tem sido um
agente acelerador do desenvolvimento tecnológico e alavancou a automatização dos
processos industriais. A busca incansável pelo aumento qualitativo e quantitativo da
produção e conseqüente redução do custo final, é a artéria principal que sustenta a
sobrevivência das empresas neste mundo globalizado.
Além de possibilitar a criação de máquinas que substituem a força muscular
humana, os processos automatizados têm a possibilidade de serem autocontrolados,
sendo capazes de corrigir seus próprios erros. Desse modo, a automação ganha espaço
nestes ambientes, e coloca-nos novamente à condição de aprendizes, para explorarmos
as vantagens que nos oferece :
• Substituição do homem em trabalhos insalubres, de alta periculosidade e
repetitivos;
• Garantia de qualidade da produção em serviços de precisão;
• Flexibilidade na alteração das formas de produção, a ex. via software;
Sem dúvida, a automação trouxe transformações no mercado de trabalho e,
portanto, a mão-de-obra deve ser treinada e qualificada para desempenhar novas
atividades de maior responsabilidade e complexidade. O avanço tecnológico deve
sempre contribuir para a melhoria das condições de trabalho e do nível de vida da
sociedade, ao contrário do que aparenta : desilusão e desemprego. O prejuízo de se
interromper a automatização será maior do que o seu advento.
A
Apostila de Comandos Eletropneumáticos Parte I - Elementos Pneumáticos
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Face aos desenvolvimentos tecnológicos, a automatização dos processos de
produção tem um caráter multidisciplinar. Sendo assim, nenhum profissional, seja ele da
área elétrica, mecânica ou química, pode-se considerar completamente apto a
desenvolver tais atividades.
A partir das características multidisciplinares da automação, este trabalho tem por
objetivo oferecer os subsídios básicos da automação dos processos pneumáticos aos
profissionais da área eletromecânica. Assim, esta primeira parte abordará as
características gerais das máquinas pneumáticas, cujo processo de automação poderá ser
estendido de forma análoga às máquinas hidráulicas. Na segunda parte, serão abordados
os processos da automação eletropneumática, a partir da elaboração de diagramas de
comandos elétricos. Finalmente, a terceira parte concluirá o processo de automação,
através da utilização dos controladores lógicos programáveis (CLP’s) no controle das
máquinas pneumáticas.
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1 – INTRODUÇÃO
termo Pneumática é derivado do grego Pneumos ou Pneuma (respiração,
sopro) e é definida como parte da Física responsável pelo estudo da Dinâmica e dos
Fenômenos Físicos relacionados com os Gases e os Vácuos. Além disso, estuda a
conversão de Energia Pneumática em Energia Mecânica.
2 – CARACTERÍSTICAS DO AR COMPRIMIDO
Ar, apesar de insípido, inodoro e incolor, pode ser facilmente percebido
através dos ventos e dos pássaros que nele flutuam e se movimentam. Apresenta
algumas propriedades importantes, as quais podem favorecer ou limitar sua aplicação
nos ambientes industriais.
COMPRESSIBILIDADE : O ar, assim como todos os gases, tem a propriedade de
ocupar todo o volume de qualquer recipiente que o contenha. Desse modo, ao encerrá-lo
em um recipiente seu volume pode ser reduzido pela ação de uma força externa.
ELASTICIDADE : Uma vez, tido seu volume reduzido pela aplicação de uma força
externa, este voltará ao volume inicial, quando a ação desta força cessar.
DIFUSIBILIDADE : O ar pode misturar-se homogeneamente com qualquer meio
gasoso que não esteja saturado.
O
O
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EXPANSIBILIDADE : Propriedade que possibilita o ar de ocupar totalmente o volume
de qualquer recipiente, adquirindo o seu formato.
PESO : Um litro de ar, a temperatura de 0° Celsius e ao nível do mar pesa
aproximadamente : 1,293 gramas. Em função do peso do ar e do volume da atmosfera
terrestre, todos nós sofremos a ação de uma força em todos os sentidos e direções,
estando associada a uma pressão :
Pressão = ][
][2mÁrea
NNewtonForça − [Pa (N/m2) – Pascal]
onde 1kgf = 9,8 N
A pressão pode ser mensurada em várias unidades, a saber:
Kgf/cm2 PSI Bar / Atm KPa [kN/m2] Torr [mmHG] Coluna H2O[m] (15,55°°C)
1,00000 14,22249 0,96778 98,06028 735,51258 10,00000
0,07031 1,00000 0,06805 6,89476 51,71495 0,70311
1,03329 14,69600 1,00000 101,32500 760,00000 10,33293
0,01020 0,14500 0,00987 1,00000 7,50062 0,10198
0,00136 0,01934 0,00132 0,13332 1,00000 0,01360
0,10000 1,42225 0,09678 9,80606 73,55126 1,00000
Os processos industriais utilizam diversas formas de energia para a produção de
trabalho, como a pneumática, a hidráulica e a eletricidade. A concepção das máquinas
tem como fatores principais a eficiência técnica e a redução de custos. Assim o ar
comprimido apresenta vantagens e desvantagens, das quais podem ser verificadas as
seguintes :
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Tabela 1 – Comparação entre as técnicas de automação
Pneumática Força Limitada pelo uso de baixas pressões (35.000 – 40.000 N)
Hidráulica Grandes Forças com a utilização de pressões elevadas Força Linear Elétrica Pequenas Forças, pequena eficiência, não permite sobrecarga
Pneumática Pequenos Torques , mas c/ possibilidade de travamento nos motores s/ cons. de energia adicional
Hidráulica Altos Torques , c/ possibilidade de travamento c/ alto cons. Energia Torque Elétrica Altos Torques , mas sem possibilidade de travamento
Pneumática Simples obtenção e c/ altas velocidades e acelerações. Controle de parada e velocidade com limitações.
Hidráulica Simples obtenção, velocidades menores que a pneumática e bom controle de velocidade e parada Movimentos Lineares Elétrica Obtenção direta complexa, alto custo e a partir de adaptações mecânicas para pequenas forças
Pneumática Altas velocidades de Rotação, baixa potência (<500.000 rpm)
Hidráulica Velocidades baixas, com altos torques e bom controle Movimentos Reotativos
Elétrica Larga faixa de potências com bom controle
Pneumática Força e velocidades reguláveis
Hidráulica Possibilidade de regulagens com maior precisão e boa característica de controle Regulagem Elétrica Controle preciso, com sofisticação nos circuitos de controle
Pneumática Armazenamento simples e fácil , com transporte até 1000 m
Hidráulica Armazenamento e transporte limitado Armazen. e Transp. de
Energia Elétrica Diretamente através de acumuladores, transporte a longas distâncias viável
Pneumática Suporta variações de Temperatura, não há risco de explosão
Hidráulica Sensível à variação de Temp. e risco de explosão e contaminação Influências Ambientais
Elétrica Pouca influência, risco de explosões por faiscamento
Pneumática Relativamente alto se comparados a eletricidade
Hidráulica Altos custos se comparados a eletricidade Custo da Energia Elétrica Baixo custo se comparadas às formas acima
Pneumática Simples manuseio c/ pequenos riscos
Hidráulica Risco alto, por trabalhar em alta pressão Manipulação do
Equipamento Elétrica Perigosa e necessita de pessoal especializado
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3 – OBTENÇÃO E PRODUÇÃO DO AR COMPRIMIDO
3.1 – Introdução
produção de ar comprimido é possível graças ao uso de compressores, os
quais comprimem o ar para a pressão de trabalho desejada. Na maioria dos
acionamentos e comandos pneumáticos, uma estação central é responsável pela
produção e distribuição de ar comprimido. Instalações móveis de produção de ar
comprimido também podem ser usadas, entretanto, sua aplicação é mais restrita à
industria de mineração ou máquinas móveis. No projeto destas instalações, devem ser
previstas as ampliações futuras, sobredimensionando os equipamentos, pois uma
ampliação posterior torna-se geralmente muito cara. Outro fator importante, é o índice
de pureza do ar comprimido. O ar limpo, garante uma longa vida útil à instalação.
Diversos tipos de compressores são utilizados para a produção de ar comprimido e
alguns destes são descritos na seqüência.
3.2 – Tipos de Compressores
Em função das necessidades industriais, da pressão de trabalho e do volume de ar
comprimido requerido, são utilizados compressores de diversos tipos de construção. Os
compressores podem ser de Deslocamento Positivo ou Deslocamento Dinâmico.
Compressores que operam segundo o princípio do Deslocamento Positivo, operam
de forma a obter pressão a partir da redução de volume. O ar é admitido em uma câmara
isolada do meio exterior, onde seu volume é gradualmente diminuído, processando-se a
compressão.
A
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O processo de Deslocamento Dinâmico baseia-se na obtenção de pressão a partir da
conversão da energia cinética, durante a passagem do ar através do compressor. O ar é
posto em alta velocidade por aceleradores mecânicos (impulsionado), posteriormente
seu fluxo é retardado pela ação de difusores, resultando em aumento de pressão.
Os diversos tipos de compressores podem ser melhor visualizados pelo
organograma abaixo:
Figura 1 - Tipos de Compressores
3.2.1 – Compressor de Êmbolo
Os compressores de êmbolo caracterizam-se pelo tipo mais comumente utilizado
para a obtenção de ar comprimido, e a partir de movimentos lineares é apropriado para
todo o tipo de compressão (pressões de trabalho entre 1 a 10 [bar]). Estes podem ser de
"Simples" ou "Duplo" Efeito.
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O compressor de simples efeito apresenta somente uma
câmara de compressão. Iniciado o movimento descendente, o ar
é aspirado pela válvula de admissão, preenchendo a câmara de
compressão. A compressão do ar tem início com o movimento
de subida do pistão, e após atingir um valor de pressão
suficiente para abrir a válvula de escape, o ar é expelido para o
sistema (tanque ou reservatório, ex.).
Compressor de Simples Efeito
Compressor de Duplo Efeito
Já os compressores de duplo efeito ou "Tipo cruzeta" têm
esta denominação por apresentarem duas câmaras de
compressão. As duas faces do êmbolo aspiram e comprimem o
ar alternadamente. Desse modo, 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 expulso.
Na seqüência, com o movimento oposto, a câmara que havia
realizado a admissão, efetua a compressão do ar.
Os compressores de êmbolo podem ainda se caracterizar por um ou mais estágios.
Os compressores de um único estágio, comprimem o ar à pressão final através de um
único cilindro, atingindo pressões de até 12 [bar]. Para atingir pressões mais elevadas e
com maior rendimento e eficiência, são utilizados compressores de dois ou mais
estágios. O aumento do rendimento é obtido a partir da refrigeração do ar comprimido
entre os estágios de compressão ("Intercooler") por meio de circulação de água ou ar
frio. O ar é admitido inicialmente pela câmara de baixa pressão, onde sofre a primeira
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compressão, em seguida, passa através do resfriador e é aspirado pela câmara de alta
pressão, onde é submetido a nova compressão.
Com Êmbolo de Simples Efeito
Compressor de Dois Estágios com refrigeração interna (Intercooler)
Com Êmbolo de Duplo Efeito
Para pressões mais elevadas são utilizados múltiplos estágios, a exemplo :
N° de Estágios Pressão de Trabalho Pressão c/ baixo Rendimento 1 estágio 400 [kPa] - 4 [bar] 1200 [kPa] - 12 [bar] 2 estágios 1500 [kPa] - 15 [bar] 3000 [kPa] - 30 [bar]
3 ou mais estágios Acima de 1500 [kPa] Acima de 22000 [kPa]
3.2.2 – Compressores Rotativos
Os compressores rotativos operam sobre o princípio de redução de volume, onde
este é obtido através de rotação (movimento circular). Podem ser classificados em :
i) Compressor de Palhetas;
ii) Compressor Parafuso;
iii) Compressor Roots;
iv) Compressor de Anel Líquido.
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3.2.2.1 – Compressor Rotativo Multicelular ou de Palhetas
É constituído de uma carcaça, na qual gira excentricamente, um rotor cilíndrico.
Este rotor é dotado de ranhuras, onde se alojam palhetas, possibilitando que estas se
movimentem radialmente em seu interior.
Quando o rotor gira, as palhetas por ação de força
centrífuga acompanham as paredes da carcaça,
formando-se câmaras ou células. No setor onde o
volume aumenta, o ar é aspirado para o interior das
células e é comprimido ao longo do caminho, até ser
expelido pela outra extremidade sob pressão
Nestes compressores, o ar comprimido é
produzido de forma mais contínua e sem pulsações. Compressor de Palhetas
O campo mais usual de aplicação deste compressor está entre 6 a 85 m3 / mim de
vazão, e pressões da ordem de 0,5 a 10,5 kgf / cm2.
3.2.2.2 – Compressor Rotativo Duplo Parafuso
Este compressor é caracterizado por uma câmara em forma de "oito" onde giram
dois rotores helicoidais em sentidos contrários.
Compressor Rotativo Duplo Parafuso
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Um dos rotores possui lóbulos convexos, enquanto seu par apresenta depressões
côncavas e são denominados de rotor macho e fêmea, respectivamente.
Nas extremidades da câmara existem aberturas para a admissão e descarga do ar. O
ar á pressão atmosférica é aprisionado entre os parafusos e a carcaça, e conduzido a
outra extremidade onde sofre gradualmente uma redução de volume. O ar comprimido é
descarregado continuamente e livre de pulsações.
As pressões de trbalho variam de 0,3 kgf / cm2 a 17 kgf / cm2 normalmente, com
produção de 18 a 600 m3 / mim.
3.2.2.3 – Compressor de Lóbulos ou Roots
São compressores basicamente constituídos de dois
rotores entrelaçados em uma câmara duplamente
cilíndrica. O ar admitido é descarregado radialmente sem
compressão interna. O movimento de rotação é feito por
engrenagens de sincronização, não existindo contato
entre os rotores e a carcaça. Desta forma, o ar
comprimido produzido é isento de óleo.
Compressor Roots
Seu campo de aplicação está entre pressões de 0,1 a 1,0 kgf / cm2, e deslocamento de 3 a 300 m3 / mim.
3.2.3 – Turbocompressores
Estes tipos operam segundo o princípio de fluxo e são adequados para a obtenção
de grandes vazões. Os turbo compressores são caracterizados por : Turbocompressores
Radias e Axiais.
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Em ambos os equipamentos, o ar comprimido é produzido a partir do seu
movimento por turbinas. A compressão processa-se pela aceleração do ar aspirado.
3.2.3.1 – Turbocompressor Axial
O sentido de aceleração do ar processa-se
axialmente ao eixo de rotação da turbina ou de lâminas
rotativas. As vazões mínimas obtidas são de 900 m3 /
mim.
Turbocompressor Axial
3.2.3.2 – Turbocompressor Radial
Turbo Compressor Radial de 5 estágios
O ar é acelerado a partir do centro de
rotação, em direção à periferia, ou seja, é
admitido pela primeira hélice axialmente, e
é acelerado radialmente pelos vários
estágios contidos no interior da carcaça.
Utilizado em aplicações onde são
necessárias grandes vazões de ar.
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3.3 – Condicionamento e Regulação do Ar comprimido
O ar comprimido produzido pelos compressores não deve ser utilizado
diretamente pelas máquinas pneumáticas. Após a compressão do ar, gotículas de óleo
lubrificante e partículas sólidas encontram-se dispersas juntamente com água
condensada. Estas impurezas devem ser retiradas e a pressão do ar comprimido regulada
para os níveis adequados de operação das máquinas. Desse modo, antes de ser utilizado,
o ar comprimido deve ser preparado por um conjunto denominado de condicionador de
ar.
O Condicionador é composto de Filtro de Ar, Regulador de Pressão e
Lubrificador.
3.3.1 – Filtro de Ar Comprimido
A função do Filtro é de reter as
partículas sólidas e impurezas como o
óleo e a água condensada. O processo
consiste em centrifugar e filtrar o ar
comprimido, durante a sua passagem
pelo elemento, separando os materiais
mais densos. Estas impurezas são
depositadas na parte inferior de um
reservatório (copo coletor) e
posteriormente drenadas após atingir o
nível máximo permissível.
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3.3.2 – Regulador de Pressão
Em geral, um sistema de ar
comprimido atende a demanda de
vários equipamentos pneumáticos,
onde, freqüentemente, não são
utilizados os mesmos níveis de
pressão.
Nestes casos, são utilizados
os reguladores de pressão que tem
por função:
• Compensar automaticamente o volume de ar requerido;
• Manter constante a pressão de
trabalho, independente das flutuações de pressão na entrada;
• Operar como válvula de
Segurança
A pressão de saída é alterada pela atuação sobre a manopla de regulagem. O
sentido de giro que acarreta em aumento da compressão da força de mola, resulta em
aumento na pressão de saída e vice versa.
A pressão é regulada por meio de um diafragma. Uma das faces do diafragma é
submetida à pressão de trabalho, enquanto a outra é pressionada por uma mola cuja
pressão é ajustável por meio de um parafuso de regulagem. Com o aumento da pressão
de trabalho, o diafragma movimenta-se contra a força da mola. Com isso a secção
nominal de passagem na sede do escape diminui até o fechamento completo. Isto
significa que a pressão é regulada pela vazão.
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3.3.3 – Lubrificador de Ar Comprimido
Os sistemas pneumáticos e seus componentes são constituídos de partes móveis,
estando portanto, sujeitas a desgastes e redução de vida útil. Afim de reduzir estes
efeitos e diminuir as forças de atrito dos movimentos, os equipamentos devem ser
lubrificados convenientemente, a partir do próprio ar comprimido.
A lubrificação consiste em
mesclar ao ar comprimido utilizado
pela máquina, uma quantidade ideal
e suficiente de óleo lubrificante
específico. Esta lubrificação é feita
pela lubrificador por meio da
suspensão das partículas de óleo no
ar (nebulização).
A partir de uma demanda de
ar, uma parcela é desviada para um
tubo de venturi, onde acarreta uma
subpressão no Tubo de Elevação
(acima do venturi). Assim, o óleo é
sugado pelo Tubo Pescador e
obrigado a gotejar no venturi,
seguindo-se a imediata nebulização.
O óleo pulverizado mescla-se com o restante do fluxo de ar e é transferido para a
saída.
Este equipamento permite o abastecimento do óleo, mesmo durante a operação do
sistema. A retirada do bujão possibilita a reposição do óleo, graças a uma válvula de
retenção.
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4 – ELEMENTOS PNEUMÁTICOS DE TRABALHO
energia armazenada na forma de pressão através do ar comprimido, é
transformada em trabalho (movimentos lineares e circulares) pela ação de elementos
denominados de atuadores. Estes elementos são conhecidos por cilindros e podem ser
divididos em dois grupos principais : Cilindros de Movimento Retilíneo e Cilindros de
Movimento Giratório.
• Cilindros de Movimento Retilíneo ou Lineares : São constituídos de elementos que convertem
energia pneumática ou hidráulica em movimento angular ou linear. São representados pelos
cilindros pneumáticos e em função das características da aplicação (força e velocidade) devem
ser dimensionados adequadamente.
• Cilindros de Movimento Giratório ou Rotativos : Convertem a energia pneumática ou hidráulica
em movimento giratório contínuo (motores pneumáticos) ou limitado ( cilindros giratórios).
Em geral, os Cilindros de Movimento Retilíneo são os mais utilizados na
automação de máquinas e dispositivos, e suas características principais são abordadas na
seqüência.
4.1 – Tipos de Cilindros Pneumáticos Os diversos tipos de cilindros diferenciam-se entre si por detalhes construtivos,
em função de suas características de operação e utilização. Basicamente, os cilindros
podem ser:
• Cilindros de Simples Efeito ou Simples Ação; • Cilindros de Duplo Efeito ou Dupla Ação, dentre os quais :
• Cilindros de haste dupla; • Cilindros Duplex; • Cilindros Giratórios; • Cilindros sem Haste • Cilindros Telescópicos;
A
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4.1.1 – Cilindros Pneumáticos de Simples Ação ou Simples Efeito
Estes cilindros têm a
característica de produzir trabalho em
um único sentido de movimento, seja
para avanço ou retorno.
Cilindros de simples ação
possuem somente um orifício por
onde o ar comprimido entra e sai da
câmara de compressão, controlado
pela ação de uma válvula. Na
extremidade oposta, um pequeno
orifício é responsável pelo "respiro",
visando impedir o surgimento de uma
contrapressão internamente. O retorno
do pistão à posição inicial é efetuado
por ação de uma Mola, no momento
em que o ar comprimido é retirado do
orifício de entrada.
Diagrama esquemático de um cilindro de Simples Ação
O comprimento destes cilindros (curso de êmbolo) é limitado pelo tamanho da
mola, assim, por esta razão, fabricam-se cilindros com comprimento de curso de até 10
[cm].
Os cilindros de simples ação são muito utilizados em operações de fixação,
marcação, rotulação, expulsão de peças e alimentação de dispositivos. Alguns cilindros
com retorno por ar comprimido a avanço por mola, são freqüentemente empregados em
alguns sistemas de freios, segurança e posições de travamento e bloqueio.
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4.1.2 – Cilindros Pneumáticos de Dupla Ação ou Duplo Efeito
Os cilindros de dupla ação utilizam o ar comprimido para produzir trabalho em
ambos sentidos de movimento. São o tipo mais comum de aplicação de atuadores.
Entretanto, devido a detalhes construtivos, apresentam diferenças entre os esforços
desenvolvidos no avanço e retorno da haste. Isto ocorre devido à variação da área efetiva
entre as câmaras traseira e dianteira. A área de atuação da pressão na câmara traseira é
ligeiramente maior que a superfície dianteira, devido a presença da haste.
O ar comprimido deve ser
admitido e liberado
alternadamente entre dois
orifícios presentes nos cabeçotes,
localizados na parte traseira e
dianteira do cilindro. Assim,
quando uma câmara admitir ar
comprimido, a outra deverá estar
em conexão com a atmosfera.
Estrutura interna de um Cilindro de Dupla Ação
CILINDROS COM AMORTECIMENTO
Ao final de cada curso de avanço ou recuo, o choque freqüente entre êmbolo e
cabeçotes, algumas vezes agravado pelo deslocamento de grandes massas, pode
provocar um desgaste excessivo e reduzir a vida útil do cilindro. Desse modo, são
utilizados amortecimentos de fim de curso em cilindros de diâmetros superiores a 30
mm e cursos acima de 50 mm.
O amortecimento é obtido através do aprisionamento de certa parcela de ar ao
final do movimento da haste. Isto ocorre pelo acoplamento de um colar, sobre a haste, e
uma guarnição no cabeçote. O ar aprisionado, impossibilitado de fluir pelo orifício
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principal, escapa com uma vazão menor através de uma restrição fixa ou variável. Este
processo provoca uma desaceleração gradativa na velocidade da haste, reduzindo o
esforço do choque.
CILINDROS NORMALIZADOS
Para possibilitar um intercâmbio mundial entre equipamentos pneumáticos, a
tendência mundial dos fabricantes é de produzir componentes que atendam a normas
técnicas internacionais ( ISO 6431 e DIN 24335), abrangendo desde o material
construtivo até suas dimensões.
CILINDROS DERIVADOS
Embora apresentem o mesmo
princípio de operação, os cilindros de
dupla ação podem diferenciar-se em suas
formas e dimensões em função de uma
variada gama de aplicações.
Desse modo, destacaremos alguns dos tipos mais comuns de cilindros de Dupla
Ação:
CILINDROS DE DUPLA HASTE
Este cilindro possui duas hastes
unidas ao mesmo êmbolo. Desse modo,
enquanto uma haste realiza trabalho, a
outra pode ser utilizada para o comando de
fins de curso ou dispositivos de regulagem
do curso de avanço.
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CILINDROS DUPLEX CONTÍNUOS OU CILINDRO TANDEM
Dotado de dois êmbolos (com
orifícios independentes) unidos por uma
única haste, estes cilindros permitem
dispor de maior força em ambos os
movimentos.
São utilizados em aplicações que necessitam de grandes forças, entretanto, em
locais onde cilindros de maior diâmetro não seriam possíveis, ou ainda com a
impossibilidade de aplicar pressões mais elevadas.
CILINDROS DUPLEX GEMINADOS OU MULTIPOSICIONAIS
Constituem-se de dois ou mais cilindros de
dupla ação unidos entre si. Cada um possui
orifícios de entrada e saída de ar
independentes. Esta estrutura possibilita a
obtenção de três, quatro ou mais posições
diferentes.
São aplicados em dispositivos de
seleção, distribuição e posicionamento de
peças.
Apostila de Comandos Eletropneumáticos Parte I - Elementos Pneumáticos
CEFET / GO - Goiânia , 1999 Página 21
CILINDROS GIRATÓRIOS OU ROTATIVOS
Basicamente, a atuação dos cilindros pneumáticos consiste em proporcionar
movimentos retilíneos do tipo "vaivém". Entretanto, variações do seu aspecto
construtivo ou adaptações, possibilitam a obtenção de torques. Existem dois tipos
principais destes cilindros: Cilindro de Aleta Giratória ou Cilindro Rotativo e Atuador
Rotativo.
O cilindro de aleta giratória tem sua aplicação em movimentos rotativos de
pequeno torque e giros de até 300°. Apresentam um dispositivo para ajuste mecânico do
ângulo de giro. São pequenos e robustos.
Cilindro de Aleta
Giratória
Utilizados em equipamentos
de manipulação de peças, de testes
de duração e resistência, e em
abertura e fechamento de pequenas
portas e válvulas.
Os Atuadores Rotativos são constituídos por cilindros lineares de haste dentada.
Esta haste aciona uma engrenagem.
Este dispositivo apresenta
torque mais elevado, em função da
dimensão do cilindro e das pressões
envolvidas. Pode apresentar giros
superiores a 360°.
São utilizados para girar grandes peças, curvar tubos, e acionar dispositivos de
engrenagens.
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CILINDROS SEM HASTE
Os cilindros sem haste são constituídos apenas de um êmbolo que desloca-se
internamente à câmara de compressão. Sem haste, o acoplamento entre êmbolo e
exterior, para a realização de trabalho, pode ser realizado da seguinte forma:
• Acoplamento Magnético:
internamente, o êmbolo magnético
acopla-se ao dispositivo de fixação da
carga (externo). São utilizados para
forças pequenas (<400 [N]).
• Tração por cabos : Para aplicações
onde necessita-se de cursos longos e
economia de espaço, a haste dos
cilindros foi substituída por cabos de
aço ou tiras de aço revestidas.
• Fixação por Tiras e Seção Oval :
Neste tipo, as roldanas encontram-se
dispostas internamente ao cilindro e a
seção é oval, anti-giro. O atrito neste
tipo moderno de cilindro é pequeno e o
coloca como boa opção para servo
posicionamentos.
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CILINDROS TELESCÓPICOS
São raramente utilizados em ar comprimido devido ao custo elevado, entretanto,
com fluídos hidráulicos é largamente empregado. Basicamente, são constituídos de
vários cilindros embutidos entre si, sendo comuns apresentarem de 2 a 6 estágios. Seu
emprego reside no fato de que ocupam pouco espaço, relativo ao curso de trabalho.
Apostila de Comandos Eletropneumáticos Parte I - Elementos Pneumáticos
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SIMBOLOGIA DE CILINDROS PNEUMÁTICOS
Em função da variedade de formas e aplicações dos cilindros pneumáticos, sua representação é normalizada. Desse modo, a tabela abaixo ilustra as representações dos diversos tipos de cilindros pneumáticos.
Descrição Simbologia
Cilindros de Simples Ação ou Efeito
Retorno por Mola
Retorno por Força não definida
Avanço por Mola
Cilindros de Dupla Ação ou Efeito
Com Haste Simples
Com Amortecimento no retorno, fixo
Com Amortecimento no avanço, fixo
Com Duplo Amortecimento, fixo
Com Duplo Amortecimento, variável
Com Dupla Haste
Cilindros de Dupla Ação ou Efeito Derivados
Cilindro Duplex Contínuo ou Tandem
Cilindro Duplex Geminado ou Múltiplas Posições
Cilindro Telescópico de Simples Efeito ou Ação
Apostila de Comandos Eletropneumáticos Parte I - Elementos Pneumáticos
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5 – Elementos de Comando e Controle Pneumáticos - VÁLVULAS
acordo com o que foi exposto no capítulo anterior, a energia
armazenada na forma de pressão através do ar comprimido, é transformada em trabalho
(movimentos lineares e circulares) pela ação de elementos pneumáticos de trabalho - Os
cilindros, por exemplo. Entretanto, a obtenção destes movimentos de forma ordenada e
controlada, só é possível através da utilização de Válvulas.
As válvulas são utilizadas para a partida, parada, direção e regulagem dos
atuadores. Simultaneamente, comandam a pressão e a vazão do ar armazenado nos
reservatórios. Devido a variada gama de funções, as válvulas podem ser classificadas em
cinco grupos principais:
1. Válvulas Direcionais;
2. Válvulas de Bloqueio
3. Válvulas de Fluxo ou Vazão;
4. Válvulas de Pressão;
5. Combinações de Válvulas
5.1 – Válvulas Direcionais As válvulas direcionais atuam diretamente na trajetória do fluxo de ar
comprimido, nas partidas e paradas dos atuadores.
Para a representação destas e das demais válvulas nos diagramas de comando
pneumático, são utilizados símbolos, de forma análoga aos cilindros. Sendo assim, estes
símbolos não representam exatamente a construção interna das válvulas, mas ilustram de
forma simplificada a função desempenhada por elas.
De
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5.1.1 – Simbologia das Válvulas Direcionais
As válvulas direcionais são classificadas e simbolizadas segundo o número de vias
(conexões - entradas e saídas de ar comprimido) e de posições (normalmente
abertas/fechadas).
Uma válvula direcional geralmente apresenta uma posição de repouso, onde os
elementos móveis encontram-se inicialmente posicionados, sem a ação de um elemento
externo. Já a posição inicial ou de partida representa a posição em que encontram-se
os elementos móveis, após a instalação ou aplicação de pressão na montagem do circuito
pneumático.
A posição das válvulas é representada por um quadrado, e o número de posições
por um número igual de quadrados dispostos lado a lado. Em cada quadrado são
ilustradas uma ou mais setas, representativas das direções dos fluxos de ar comprimido
ou exaustão. Os bloqueios à passagem do fluxo de ar são representados por pequenos
"tes - T" .
A identificação das conexões ou vias , por onde ocorrerão as ligações com os
atuadores e reservatórios de ar comprimido, dar-se-á por pequenos traços externos a uma
dada posição da válvula. O número de traços externos representará o número de vias ou
conexões disponíveis na válvula. Para a identificação da função desenvolvida pelas vias,
é utilizado um sistema de numeração, de acordo com a norma DIN ISO 5599 :
Conexão Representação DIN/ISO 5599
Representação por Letras
Pressão 1 P Exaustão 3, 5, 7 - ímpares R, S, T Acionamento 2, 4, 6 - pares A, B,C Piloto de 1 para 2 12 Z, Y Piloto de 1 para 4 14 Z, Y
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Em função destas nomenclaturas a identificação de uma válvula direcional
dependerá do número de vias e de posições. Sempre, a primeira identificação
corresponderá ao número de vias e posteriormente o número de posições:
Número de Vias / Posições Simbologia
2/2 vias / posições
3 / 2 - NF
vias / posições
3 / 2 - NA
vias / posições
5 / 2 vias / posições
5 / 3 vias / posições
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As válvulas direcionais podem ser acionadas de variadas formas: manual (botão,
alavanca, pedal, etc.), ar comprimido (piloto e vácuo) e eletricidade (solenóides). De
maneira análoga à simbologia das válvulas direcionais, os diversos tipos de
acionamentos também são representados por símbolos. Os símbolos dos elementos de
acionamento são desenhados horizontalmente às posições (quadrados) das válvulas,
conforme a ilustração a seguir:
Tipo de Acionamento Símbolo 1 - Mecânico
Geral
Botão
Alavanca
Alavanca c/ trava
Pedal
Retorno por Molas
Centragem por Molas Rolete Rolete Escamoteável
2 - Pneumática
Piloto Direto
Piloto Indireto Servo - piloto
Decréscimo de Pressão 3 - Elétrico
Simples Solenóide
Duplo Solenóide 4 - Combinados
Duplo Solenóide c/ atuação manual auxiliar
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5.1.2 – Tipos de Válvulas Direcionais e as suas Características de Construção
As características de construção das válvulas pneumáticas determinam a sua vida
útil, força de acionamento, possibilidades de ligação e tamanhos nominais.
Segundo o princípio de construção, as válvulas direcionais distinguem-se pelos
seguintes tipos:
i) Válvulas de Assento
Ä Com Sede Esférica,
Ä Com Sede tipo Prato;
ii) Válvulas Corrediças
Ä De tipo Longitudinal,
Ä De tipo Giratória;
i) Válvulas de Assento
As válvulas de assento são abertas por intermédio de esferas, cones ou pratos. A
vedação das sedes das válvulas é realizada de maneira muito simples, geralmente com
elemento elástico de vedação. Estas válvulas possuem poucas peças de desgaste e têm
uma longa vida útil. São robustas e insensíveis à sujeira.
Necessitam de uma força de acionamento relativamente alta, sendo necessário
vencer a força da mola de reposição e a força ocasionada pela presença de ar
comprimido.
Apostila de Comandos Eletropneumáticos Parte I - Elementos Pneumáticos
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A construção
das válvulas de sede
esférica é muito
simples, e apresentam
custo vantajoso. Estas
válvulas caracterizam
-se por possibilitarem
dimensões reduzidas.
Ø Válvula 2/2 vias
Ao contrário das de sede esférica ou cônicas, as válvulas de sede tipo Prato
apresentam um tempo de comutação curto.
Um simples
movimento do prato,
libera uma grande
área para a passagem
do fluxo de ar. Têm
uma vedação simples
e boa.
Ø Válvula 2/2 vias
Apostila de Comandos Eletropneumáticos Parte I - Elementos Pneumáticos
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Ø Válvula 3/2 vias
de Assento
tipo Cone
Ø Válvula 3/2 vias
de Assento
tipo Esfera
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Ø Válvula 3/2 vias
de Assento
tipo Disco ou Prato
ii) Válvulas Corrediças
As interligações do fluxo de ar comprimido entre as vias das válvulas corrediças
serão realizados por intermédio de carretéis corrediços, ao invés de esferas, pratos ou
cones, conforme foi observado anteriormente.
O elemento central deste tipo de válvula é um pistão (carretel), o qual seleciona a
passagem do fluxo de ar mediante seu movimento. A força de acionamento é pequena,
uma vez que, não é necessário suplantar a força exercida pela pressão do ar ou de molas.
Este tipo de válvula possibilita o acoplamento de qualquer tipo de acionamento.
Entretanto, o curso de acionamento e o tempo de comutação são superiores aos das
válvulas de assento.
Ø Válvula 2/2 vias
Corrediça
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Ø Válvula 3/2 vias
Corrediça
Ø Válvula 5/2 vias
Corrediça
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5.2 – Válvulas de Bloqueio
As válvulas de bloqueio têm por função interromper a passagem do fluxo de ar,
geralmente em um determinado sentido. A pressão em uma das vias atua sobre um
elemento vedante. As válvulas de bloqueio atuam de forma "digital" (com ou sem
fluxo), e são utilizadas como elementos lógicos em circuitos de ar comprimido, podendo
ser de três tipos principais:
1. Válvulas de Retenção;
2. Válvulas Alternadoras;
3. Válvulas de Simultaneidade;
5.2.1 – Válvulas de Retenção Simbologia
Atuam de modo a
impossibilitar o fluxo de ar em
uma dada direção. Em direção
contrária, o fluxo de ar deve
fluir com a mínima queda de
pressão. A vedação em um
determinado sentido pode ser
realizada por uma esfera, cone
ou membrana.
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5.2.2 – Válvulas Alternadoras
Simbologia
Esta válvula desempenha uma função lógica do tipo "OU". Apresenta duas
entradas denominadas de "X" ou "P1" e "Y" ou "P2", e uma saída "A".
Num dado instante, o ar
comprimido presente em uma
das entradas pressiona e esfera
contra o orifício oposto,
vedando a sua passagem pela
via. Simultaneamente, encontra
caminho livre para o fluxo de ar
através do acionamento "A".
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5.2.3 – Válvulas de Simultaneidade
Simbologia
Esta válvula desempenha uma função lógica do tipo "E" ou "AND". Apresenta
duas entradas denominadas de "X" ou "P1" e "Y" ou "P2", e uma saída "A".
Neste tipo de válvula o fluxo de ar
comprimido será transferido ao acionamento
"A", quando ambas as entradas "X" e "Y"
apresentarem simultaneamente pressões. O
primeiro fluxo de ar bloqueia seu próprio
caminho, assim, somente o fluxo de ar
posterior é transferido para o acionamento.
5.3 – Válvulas de Fluxo ou Vazão As válvulas de fluxo interferem
na vazão do ar comprimido que flui por
uma tubulação. A vazão poderá ser
regulada em ambas ou em uma única
direção do fluxo de ar. Estas válvulas
são conhecidas como "reguladoras de
velocidade" ou "reguladoras de fluxo
unidirecional".
Válvula Reguladora de Fluxo
Atuam de forma a reduzir ou aumentar a área da seção transversal interna da
válvula. Desse modo, controlam a vazão do fluxo de ar.
Apostila de Comandos Eletropneumáticos Parte I - Elementos Pneumáticos
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Em algumas aplicações, como o
controle de velocidade no avanço ou
retorno de cilindros pneumáticos, é
necessário apenas o controle em um dos
sentidos de movimentos. Desse modo, é
utilizada a válvula reguladora de fluxo
Unidirecional. Nesta válvula, a
regulagem do fluxo é obtida em apenas
uma direção. Uma válvula de retenção
permite a passagem do ar comprimido
no sentido oposto.
Válvula Reguladora de Fluxo Unidirecional
No emprego deste tipo de válvula para a regulação do movimento de cilindros de
dupla ação, deve ser preferencialmente realizado pelo controle da saída do ar
comprimido, ao invés da inclusão sobre o orifício de entrada do cilindro. Assim, o
êmbolo fica submetido a duas pressões de ar, apresentando uma melhor característica no
movimento do cilindro.
5.4 – Válvulas Reguladoras de Pressão Estas válvulas mantém constante a
pressão em circuitos pneumáticos de trabalho. A
pressão de entrada mínima deve ser sempre
superior ao valor de ajuste. O acréscimo da
pressão de entrada é expelido por orifícios de
escape automaticamente. A regulagem da
pressão é obtida por um ajuste sobre a força de
uma mola e um diafragma de vedação.
Apostila de Comandos Eletropneumáticos Parte I - Elementos Pneumáticos
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5.5 – Combinações de Válvulas
Diferentes grupos de válvulas podem ser combinadas para realizarem funções
mais complexas. Válvulas deste tipo são representadas pelos símbolos das válvulas
utilizadas, envoltos por um bloco pontilhado.
5.5.1 – Válvulas de Tempo ou Temporizadas
São componentes pneumáticos onde o tempo de acionamento das válvulas pode
ser controlado. Estas válvulas são constituídas de uma válvula direcional de 3/2 vias,
válvula de retenção e um reservatório de ar.
Geralmente, a variação do tempo de
acionamento pode ocorrer entre 0 e 30
segundos. É realizado pelo ajuste no
controle de fluxo de ar que preenche o
reservatório. A medida que o reservatório é
ocupado pelo ar comprimido, ocorre o
aumento da pressão, e esta é aplicada ao
acionamento tipo piloto da válvula de 3/2
vias.
A ação de temporização ocorre no momento em que a pressão aplicada ao piloto,
for suficiente para acionar a válvula. Para o rearme da válvula, é necessária a retirada do
ar comprimido da entrada de comando da válvula temporizada.
Apostila de Comandos Eletropneumáticos Parte I - Elementos Pneumáticos
CEFET / GO - Goiânia , 1999 Página 39
5.5.2 – Válvulas Binárias ( tipo FLIP-FLOP)
Caracterizado também como uma válvula 3/2 vias,
adicionalmente a um êmbolo, uma haste e um came. Com a
ausência de pressão no orifício do piloto, a haste encontra-se
distanciada do came e a válvula 3/2 permanece fechada. Ao
aplicar-se pressão ao piloto Z, o conjunto êmbolo e haste giram
o came, acionando a válvula. Retirando-se a pressão do piloto
Z, a válvula permanecerá aberta, e somente voltará a posição
inicial, após uma nova aplicação de pressão no piloto Z.
Esta válvula é utilizada para promover movimentos alternados
de retorno e avanço em cilindros de dupla ação. Como retém a
válvula 3/2 vias acionada após um pulso de pressão em Z,
também pode ser utilizada como um elemento digital
(memória) em circuitos pneumáticos complexos.
Apostila de Comandos Eletropneumáticos Parte II - Elementos Eletropneumáticos
CEFET / GO - Goiânia , 1999 Página 40
PARTE II
Elementos Eletropneumáticos
energia elétrica apresenta-se como uma alternativa vantajosa no projeto de
circuitos pneumáticos no tocante a parte de comando, face as vantagens de ótima
velocidade de operação, baixo custo dos equipamentos elétricos e a redução de volume
dos componentes, em relação aos dispositivos tradicionais.
Dentre os expoentes dessa modernização dos circuitos pneumáticos,
responsáveis pela possibilidade de automatizar as máquinas acionadas por ar
comprimido, destacam-se :
i) Os Solenóides;
ii) As Eletroválvulas;
iii) Os Relês e Contatores;
iv) Os Sensores;
A introdução destes elementos nos circuitos pneumáticos é sem dúvida uma ação
irrevogável e irreversível.
A
Apostila de Comandos Eletropneumáticos Parte II - Elementos Eletropneumáticos
CEFET / GO - Goiânia , 1999 Página 41
1 – SOLENÓIDES
solenóides são utilizados como elementos de acionamentos, tanto em
válvulas como também tradicionalmente em relês, contatores ou outros tipos de chaves
magnéticas. Caracterizam-se simplesmente uma bobina e um núcleo magnético, o qual é
atraído para o interior da bobina, quando da sua energização.
Os solenóides podem ser acionados por corrente contínua ou alternada, e
apresentam-se comercialmente disponíveis nas seguintes tensões:
• 220 Vcc / Vca
• 120 Vcc / Vca
• 48 Vcc / Vca
• 24 Vcc / Vca
Solenóides de Corrente Contínua : Apresentam elevada resistência elétrica e
núcleo maciço. Têm baixo nível de ruído;
Solenóides de Corrente Alternada : Devido ao efeito da reatância apresentam
baixa resistência elétrica, entretanto, necessita de um núcleo laminado.
Apresentam um certo nível de ruído, característico de circuitos de corrente
alternada.
Os
Apostila de Comandos Eletropneumáticos Parte II - Elementos Eletropneumáticos
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2 – ELETROVÁLVULAS
tradicionais válvulas direcionais passam a ser comandadas por solenóides,
em substituição aos acionamentos do tipo piloto ou mecânico. Desse modo, todo o
circuito de comando pneumático pode ser substituído por relês, botões e sensores
eletrônicos, possibilitando a automação dos processos.
Na seqüência, podemos observar as ilustrações de válvulas direcionais acionadas
por solenóides.
Válvula 2/2 vias - Acionamento Direto
Válvula direcional 2/2 vias acionada por solenóide
Observando a figura acima, pode-se verificar que ao energizar o solenóide, o
núcleo é atraído para o seu interior e permitindo a passagem do ar entre as vias "P" e
"A".
As
Apostila de Comandos Eletropneumáticos Parte II - Elementos Eletropneumáticos
CEFET / GO - Goiânia , 1999 Página 43
Válvula 3/2 vias - Acionamento Direto
Válvula direcional 3/2 vias acionada por solenóide
Os solenóides são elementos elétricos que não dispõem de uma força mecânica
compatível com a exigência de acionamento da maioria das válvulas. Assim, quase a
totalidade das eletroválvulas são servo-acionadas por solenóides. Entretanto, este servo-
acionamento encontra-se implícito nas eletroválvulas. A atenção especial deve ser
dedicada a casos em que pretende-se acoplar um solenóide a uma válvula preexistente.
A seguir podemos visualizar as ilustrações de algumas válvulas direcionais
servo-acionadas por solenóides:
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Válvula 3/2 vias - Acionamento Indireto
Válvula direcional 3/2 vias servo-acionada por solenóide
Válvula 5/2 vias - Acionamento Indireto
Válvula direcional 3/2 vias servo-acionada por solenóide
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Válvulas Proporcionais
As válvulas direcionais em geral apresentam dois estados de operação: acionada
(passagem de ar livre) ou desacionada (passagem de ar bloqueada). Assim sendo, ha
apenas a alternativa de energizar ou isolar os solenóides.
Já as válvulas proporcionais possibilitam o controle da vazão ou da pressão do ar
comprimido que flui por elas. Isto é possível, a partir da utilização de uma válvula e um
solenóide especial. O solenóide é denominado de solenóide proporcional. O conjunto é
controlado por um dado valor de tensão e/ou corrente elétrica.
• Vazão
As válvulas proporcionais de vazão são utilizadas para a obtenção precisa de
posicionamento de atuadores e controle de velocidade de motores pneumáticos, e são
ilustradas pela figura abaixo:
Ilustração de uma Válvula proporcional de vazão de 5/3 vias
Apostila de Comandos Eletropneumáticos Parte II - Elementos Eletropneumáticos
CEFET / GO - Goiânia , 1999 Página 46
• Pressão
Para o controle da força de atuação de cilindros e do torque em motores
pneumáticos são utilizadas válvulas proporcionais de pressão. A figura abaixo ilustra
este tipo de válvula.
Válvula proporcional de pressão 3/2 vias
3 – SENSORES
São elementos de sinal responsáveis pela indicação de estados e posições das
máquinas pneumáticas e hidráulicas.
Neste trabalho serão enfocados os sensores eletrônicos, uma vez que tendem a
ocupar integralmente as funções dos tradicionais elementos mecânicos - "micro-
switches" e fins de curso.
Os elementos de sinal eletrônicos convertem as grandezas físicas em sinais
elétricos proporcionais ou do tipo "on-off". Apresentam a vantagem de serem rápidos,
não produzem faiscamento e não necessitam de estabelecer contato físico com o objeto
alvo.
Apostila de Comandos Eletropneumáticos Parte II - Elementos Eletropneumáticos
CEFET / GO - Goiânia , 1999 Página 47
Os principais sensores utilizados em automação pneumática podem ser
classificados na seguinte ordem :
i) Sensores Magnéticos;
ii) Sensores Indutivos;
iii) Sensores Capacitivos;
iv) Sensores Ópticos;
v) Sensores de Pressão;
A seleção destes elementos, a partir da sua variedade, é determinada pelas
características dos objetos a serem monitorados, pela distância de observação e pela
precisão dos resultados.
3.1 - Sensores Magnéticos
Constituem-se por elementos sensíveis a presença de campo magnético. Dentre os
mais utilizados destacam-se os sensores de efeito "Hall" e os sensores tipo "Reed".
Ambos têm a vantagem de ocuparem pequenos volumes e apresentarem elevada vida
útil. Em função da amplitude do campo magnético a ser detectado, geralmente devem
estar fixados próximos ao alvo.
• Sensor Hall
O efeito Hall pode ser melhor entendido a partir da ilustração abaixo, onde a
passagem de corrente elétrica por um condutor, sofre a ação de um campo magnético
externo, provocando uma distribuição desigual da corrente no interior do condutor.
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CEFET / GO - Goiânia , 1999 Página 48
Ilustração do fenômeno de Efeito Hall
A distribuição desigual ou variação na densidade de corrente provoca o
aparecimento de uma diferença de potencial elétrico na direção perpendicular ao campo
magnético e ao sentido da corrente elétrica.
Sensores Eletrônicos de Efeito Hall
A vantagem da aplicação de um sensor do tipo Hall é a possibilidade de utilizar
sinais proporcionais.
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• Sensor Reed
O sensor tipo Reed constitui-se de uma ampola de vidro, onde encontram-se dois
contatos elétricos imersos em um meio inerte. A aproximação de um campo magnético
provoca a atração dos contatos elétricos.
Ilustração de um sensor magnético tipo Reed
Sensores Magnéticos tipo Reed
Ao remover o campo magnético das proximidades do sensor, as lâminas separam-
se novamente, interrompendo o contato elétrico.
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CEFET / GO - Goiânia , 1999 Página 50
3.2 - Sensores Indutivos
Os sensores indutivos apresentam a característica de sensibilizarem-se com
elementos metálicos e/ou condutores de eletricidade. Estes elementos eletrônicos
produzem um campo magnético, e com a aproximação de um objeto metálico são
induzidas correntes elétricas no mesmo. Este fenômeno provoca um acoplamento
magnético entre sensor e alvo, proporcionando assim, a detecção. Basicamente são
constituídos de um circuito oscilador, um disparador do tipo "schimidt trigger" e um
amplificador.
Diagrama em blocos de um sensor Indutivo
Sensores Eletrônicos do tipo Indutivos
A distância de acionamento para este tipo de sensor é pequena e devem ser
observados o tipo de material a ser monitorado e a distância necessária. Estes sensores
podem alcançar distâncias mais elevadas em função de uma maior área sensora. A área
sensora geralmente é a seção transversal do elemento eletrônico (a maioria destes
sensores tem formato cilíndrico).
Apostila de Comandos Eletropneumáticos Parte II - Elementos Eletropneumáticos
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3.3 - Sensores Capacitivos
De forma similar aos sensores indutivos, os elementos capacitivos apresentam a
característica de sensibilizarem-se com a presença de matéria ou material dielétrico.
Estes elementos eletrônicos produzem um campo elétrico ao redor do sensor, e com a
aproximação de qualquer tipo de objeto são induzidas cargas elétricas neste material.
Este fenômeno provoca o incremento de uma capacitância equivalente entre sensor e
alvo, proporcionando assim, a detecção. Os sensores Capacitivos também são
constituídos de um circuito oscilador, um disparador do tipo "schimidt trigger" e um
amplificador.
Diagrama em blocos de um sensor Capacitivo
De forma análoga, distância de
acionamento para este tipo de sensor é
pequena, e deve ser dada atenção especial
ao acúmulo de material ou pó nas
proximidades do sensor de forma a evitar o
acionamento por engano.
Apostila de Comandos Eletropneumáticos Parte II - Elementos Eletropneumáticos
CEFET / GO - Goiânia , 1999 Página 52
3.4 - Sensores Ópticos
Os sensores Ópticos têm a característica de detectar qualquer material a distâncias
elevadas, sem a necessidade de estarem em contato mecânico com as partes envolvidas.
Tipos de Sensores Ópticos disponíveis comercialmente
O princípio de
funcionamento de um
sensor Óptico está funda-
mentado na presença de
um emissor e um
receptor. A luz gerada
pelo emissor deverá
atingir ou iluminar o
receptor em intensidade suficiente, para possibilitar a detecção. Com o intuito de
impedir acionamentos indesejáveis por outras fontes de luz de mesmo espectro, os
sensores ópticos emitem luz de forma modulada. Assim, somente seu receptor estará
apto a reconhecer a sua luz emitida. A ilustração abaixo, em diagrama de blocos, pode
representar de uma forma geral o princípio de operação dos sensores ópticos.
Diagrama em blocos de um sensor óptico
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Dentre os diversos tipos de sensores eletrônicos, os ópticos apresentam a maior
variedade. Para cada tipo de aplicação encontra-se um elemento adequado. Os diversos
tipos de sensores ópticos podem ser divididos em categorias a saber :
• Sensores Ópticos de Reflexão Difusa;
• Sensores Ópticos de Retro - reflexão;
• Sensores Ópticos de Barreira;
• Sensores Ópticos de Fibra Óptica;
• Sensores Ópticos de Reflexão Difusa
Os sensores ópticos de reflexão difusa possuem o emissor e o receptor instalados
no mesmo corpo. Desse modo, a luz produzida pelo emissor determina uma região
iluminada onde a eventual presença de um objeto, provoca a reflexão de forma difusa da
luz incidente, iluminando o próprio receptor e ativando o sensor. A ilustração abaixo,
representa o princípio de operação deste sensor.
Princípio de operação de um sensor óptico de reflexão difusa
Em função de sua potência e características construtivas, estes sensores podem
detectar materiais a até 60 cm de distância. Este alcance pode variar em função das cores
e do tipo de material que compõe o objeto monitorado. Por apresentar emissor e receptor
inseridos em uma única estrutura, apresentam tamanho reduzido e simplicidade de
operação.
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• Sensores Ópticos de Retro - Reflexão
Semelhante ao sensor de reflexão difusa, o retro- reflexivo também apresenta
instalados em um único corpo o emissor e o receptor de luz. Entretanto, a luz produzida
pelo emissor deve refletir em um espelho e retornar ao receptor, como ilustra a figura
abaixo.
Princípio de operação de um sensor óptico de retro- reflexão
Devido a utilização de um espelho refletor este tipo de sensor pode ser utilizado
para distâncias de até 2 metros. Apresenta ainda tamanho reduzido, todavia, devem ser
tomados cuidados na instalação do refletor em relação ao foco de operação.
• Sensores Ópticos de Barreira de Luz
Este tipo de sensor apresenta o emissor e o receptor instalados em corpos
separados . Estes dois elementos, após serem alinhados criam entre si um feixe ou
barreira de luz. A presença de qualquer objeto que bloqueie o feixe de luz provocará o
acionamento do sensor, conforme ilustra a figura abaixo.
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Princípio de operação de um sensor óptico de Barreira
Os sensores ópticos do tipo barreira de luz apresentam um feixe luminoso
bastante direcionado, possibilitando a utilização em distâncias de até 6 metros. Tem a
capacidade de detectar pequenos objetos, mas necessita de muito cuidado na instalação
para o ajuste do foco.
• Sensores Ópticos de Cabos de Fibra Óptica
Os sensores de cabos de fibras ópticas formam o conjunto mais complexo desta
categoria. Os cabos de fibra óptica são um acessório do sensor óptico. O sensor deve ser
apropriado para possibilitar o acoplamento das fibras e o emissor de luz deve ser
preferencialmente do tipo "laser". O princípio de operação é semelhante aos demais
sensores, onde há a possibilidade de utilizar os cabos de fibra óptica com reflexão difusa
até distâncias de 12 cm, e como barreira de luz até 40 cm.
A facilidade de instalação em curvas de raio reduzido e o pequeno tamanho
dos cabos de fibra óptica proporcionam uma gama de aplicações bastante variada.
Entretanto, os sensores de fibra óptica ainda apresentam custos relativamente
altos, e a instalação deve ser realizada com o cuidado no ajuste do foco.
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3.5 - Sensores de Pressão
Os elementos eletrônicos para a monitoração de pressões constituem-se dos
pressostatos tradicionais, elementos tipo "on-off". Todavia, com o advento das válvulas
proporcionais e o constante aumento da automatização das máquinas pneumáticas,
torna-se necessário a monitoração de pressão de forma linear ou analógica. Os sensores
que realizam tal tarefa também são denominados de "Transmissores Eletrônicos de
Pressão", e neste trabalho designaremos apenas por sensores.
Os sensores de pressão baseiam-se em sua maioria na tecnologia piezoresistiva.
Seu princípio de construção consiste em instalar um "strain gauges" (medição de
deformação) em uma pastilha de silício muito fina (0,4 mm de espessura).
Com a aplicação de pressão sobre a pastilha, esta deforma-se proporcionalmente
ao valor da pressão, alterando a resistência elétrica do "strain gauges". Um circuito
eletrônico em ponte, mede esta variação e converte para um valor de tensão ou corrente
proporcional, conforme ilustra a figura abaixo.
Princípio de operação de um sensor de Pressão Eletrônico
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3.6 - Conexão dos Sensores Eletrônicos
Quanto à característica de suprimento elétrico, os sensores eletrônicos podem ser
utilizados de duas formas : Corrente Contínua e Corrente Alternada.
Sensores de Corrente Contínua apresentam duas formas de ligações distintas em
função dos circuitos amplificadores que os compõem : Ligações tipo NPN e PNP. Já os
sensores em corrente alternada têm suas ligações do tipo TRIAC.
• Sensores que operam em Corrente Contínua - CC
Os sensores de corrente contínua têm suas saídas configuradas a partir de
transistores do tipo NPN e PNP. Esta diferença é fundamental no momento da conexão
com o circuito elétrico de comando ou com um cartão de entrada de um CLP.
Sensores de corrente contínua apresentam comumente três fios de ligação. Sendo
eles: Alimentação (+), Carga e Neutro (-).
As ligações envolvendo sensores do tipo NPN devem ser realizadas, considerando
a carga conectada aos terminais : Alimentação (+) e Carga. Para os sensores do tipo
PNP, as conexões da carga devem estar entre os terminais: Carga e Neutro (-), conforme
ilustra a figura abaixo.
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• Sensores que operam em Corrente Alternada - CA
Os sensores de corrente alternada apresentam geralmente dois fios de conexão :
fase (F) e neutro (N). Por se tratarem de elementos eletrônicos, seu circuito amplificador
de saída é composto por um TRIAC. Assim, sua ligação com a carga do circuito de
comando ou com um cartão de entrada de um CLP, é do tipo série; conforme ilustra a
figura abaixo.
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3.7 - Simbologia dos Sensores Eletrônicos
De forma análoga aos elementos pneumáticos como as válvulas e os cilindros, os
sensores também apresentam uma simbologia específica. Abaixo, são ilustradas as
principais simbologias de sensores eletrônicos :