Capítulo 1

Automatismos mecánicos, eléctricos, hidráulicos y neumáticos

1. Introducción

Hoy en día, la destreza manual del hombre en los procesos industriales ha quedado relegada a un segundo papel. También ha cambiado la concepción tradicional de las máquinas y los procesos industriales debido al adelanto tecnológico. Actualmente, además de tecnología estrictamente mecánica, se incluye tecnología electrónica, eléctrica, hidráulica, neumática, etc.

La automatización es el uso de un sistema de control formado por sensores, aparatos de control, equipos de transmisión y aplicaciones informáticas que permiten verificar las operaciones industriales reduciendo el esfuerzo del ser humano.

En la industria actual, el vertiginoso desarrollo de las tecnologías, el incremento de producción de los bienes de consumo, el aumento de los estándares de calidad y la exigencia por parte de los mercados, unidos al incremento del valor de la mano de obra, han repercutido en la concepción de una industria cada vez más automatizada.

La inmensa mayoría de los procesos industriales son susceptibles de automatizar.

2. Identificación de automatismos

A continuación se van a describir con detalle los significados de automatismo, automatizar y automatización. Además se mostrarán los elementos de una instalación automatizada, concretando los automatismos semiautomáticos y automáticos.

2.1. Automatismos, automatizar y automatización industrial

Los automatismos son máquinas o dispositivos capaces de funcionar de forma autónoma, eliminándose por tanto, parcial o totalmente, la acción humana.

La automatización industrial es la utilización de técnicas y dispositivos para controlar procesos industriales de forma que reduzca la interacción humana al tiempo que son capaces de repetir ciclos indefinidamente. Esencialmente se incluyen sensores, transmisores, sistemas de control y aplicaciones software.

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Ejemplo de automatización industrial

2.2. Elementos de una instalación automatizada

Una instalación que haya sido automatizada se compone, como mínimo, de las siguientes partes:

  1. Máquinas: son los dispositivos que se pretende controlar o gobernar.
  2. Accionadores: son dispositivos que actúan sobre las máquinas para gobernarlas físicamente. Pueden ser de tipo mecánico, eléctrico o electromecánico, neumático, hidráulico o electrónico.
  3. Captadores: son los sensores y transmisores encargados de recoger las señales necesarias para conocer el estado del proceso, para luego enviarlas a la unidad de control.
  4. Unidad de control: es el elemento de cálculo y verificación que gobierna el proceso. Se denomina autómata y conforma el cerebro de la instalación automatizada.

2.3. Automatismos semiautomáticos (electro-neumo-hidráulicos)

A continuación, se van a describir con detalle cada uno de los automatismos semiautomáticos.

Automatismos semiautomáticos mecánicos

Son los sistemas más complejos por la variedad de mecanismos existentes y por su rigidez, o su poca maleabilidad en el momento del diseño o instalación. Por el contrario, no necesitan personal altamente cualificado, lo que se traduce en montajes y mantenimientos más económicos. Están constituidos por los siguientes elementos:

  1. Ruedas dentadas.
  2. Poleas.
  3. Mecanismos biela-manivela.
  4. Piñón y cremallera.
  5. Levas y palancas.
  6. Trinquetes.

Automatismos semiautomáticos eléctricos y electromecánicos

Se trata de dispositivos o elementos eléctricos o electromecánicos como relés, contactores, etc. Permiten controlar la corriente eléctrica que alimenta a cualquier máquina o sistema gobernando sus movimientos o protegiéndolos de sobretensiones, cortocircuitos, calentamientos, etc., además de salvaguardar a las personas de cualquier riesgo eléctrico.

Cuando se alimenta eléctricamente cualquier máquina, el circuito eléctrico se divide en dos: el principal o de potencia y el secundario o de mando o gobierno.

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Nota

El circuito de mando o gobierno normalmente es monofásico con tensiones no superiores a 220 V, ofreciendo por tanto garantías al independizar el circuito de potencia (con altas tensiones e intensidades) del contacto humano.

En automatización eléctrica se cuenta con multitud de dispositivos utilizados para circuitos de mando, potencia, protección o señalización, como por ejemplo:

  1. Pulsadores e interruptores.
  2. Contactor.
  3. Relé térmico.
  4. Fusible.
  5. Seccionador.
  6. Interruptor magnetotérmico.
  7. Interruptor diferencial.

Automatismos semiautomáticos neumáticos

Son dispositivos que generan movimiento por la acción del aire comprimido producido por un compresor. Deberá existir por tanto, un compresor, una instalación de conductos para hacer llegar el aire comprimido y otros dispositivos como filtros para eliminar impurezas, o reguladores de presión del circuito.

Los accionadores de los automatismos neumáticos, según el tipo de movimiento que generen, se dividen en dos grandes grupos: cilindros generadores de movimiento rectilíneo y motores generadores de movimiento circular. Los más usuales son:

  1. Cilindro de simple efecto.
  2. Cilindro de doble efecto.
  3. Motores.
  4. Cilindro basculante.

Automatismos semiautomáticos hidráulicos

Son, al igual que los automatismos neumáticos, dispositivos que generan movimiento, pero en este caso el fluido es aceite en vez de aire.

Los sistemas hidráulicos tienen la ventaja de poder transmitir fuerzas mayores debido a la incompresibilidad del aceite. También son capaces de realizar movimientos con más precisión, velocidades más controladas y cambios de sentido más bruscos sin ocasionar problemas en la instalación.

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Ejemplo de un automatismo hidráulico. Sistema hidráulico completo instalado en una máquina excavadora

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Nota

Los sistemas hidráulicos son más costosos que los neumáticos debido al mantenimiento de sus elementos.

Pero por otro lado, el fluido es más caro, se contamina con partículas o se degrada, y su mantenimiento también es más costoso. Los más importantes son los cilindros.

Automatismos semiautomáticos electrónicos

Con los elementos de los automatismos eléctricos se podía automatizar un sistema, pero presentaba un problema debido al gran espacio que los componentes ocupaban. Posteriormente, y a medida que la tecnología avanzaba se introdujeron nuevos componentes electrónicos de dimensiones mucho más reducidas (diodos, resistencias, transistores, etc.), para controlar los automatismos. A esta técnica se le denominó lógica cableada.

Actualmente, la lógica cableada ha sido sustituida por los microprocesadores, capaces de ser programados con las funciones a realizar. Estos reducen el espacio notablemente, aunque con el inconveniente de tener que elaborar un nuevo circuito impreso para cualquier modificación. Esta técnica se denomina lógica programable.

Finalmente, para resolver los problemas de espacio y también los de programabilidad y posterior modificación, aparecen los autómatas programables o PLC (Programable Logic Controller).

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Ejemplo de un autómata programable

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Nota

Un PLC es un dispositivo electrónico capaz de ser programado para realizar procesos industriales automatizados en tiempo real.

2.4. Automatismos automáticos (manipuladores, robots)

A continuación se detallan cada uno de estos automatismos.

Manipuladores

Se llama manipulador al conjunto de elementos mecánicos que articulados entre sí son capaces de coger o desplazar objetos. Un manipulador puede ser controlado directamente por la acción humana o mediante dispositivos lógicos programables.

Normalmente combinan automatismos eléctricos, mecánicos, neumáticos, etc. Existen infinidad de manipuladores destinados a uso industrial, textil, madera, etc.

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Ejemplo de un manipulador operado por un hombre. Gracias al manipulador se puede mover la carga sin esfuerzo humano.

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Ejemplo de un manipulador operado por un hombre. Gracias al manipulador se puede mover la carga sin esfuerzo humano.

Según el sistema de gobierno, los manipuladores se clasifican en:

  1. Manual: cuando es un operario el que ejecuta la acción sobre el manipulador.
  2. De secuencia fija: cuando el manipulador repite una orden cíclicamente.
  3. De secuencia variable: cuando el ciclo de trabajo permite modificaciones en sus repeticiones.

Robots

Se entiende por robot a un manipulador automático o máquina programable capaz de coger y desplazar objetos siguiendo los movimientos ordenados para ejecutar tareas de forma cíclica.

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Sabía que...

En medicina, un cirujano puede operar a un paciente a miles de kilómetros de distancia con ayuda de un robot cirujano. El robot de alta sensibilidad es gobernado por el profesional médico.

Un robot tiene más fuerza que un ser humano, puede trabajar en un entorno peligroso, no presenta fatiga por largos periodos de trabajo o por tareas repetitivas. Estas junto a otras cualidades hacen al robot industrial un elemento imprescindible en las grandes fábricas.

Los robots más comunes pueden englobarse en la siguiente clasificación:

  1. Androides: son robots de apariencia humana.
  2. Robots móviles: tienen mecanismos que les permiten desplazarse sobre todo tipo de superficies, como por ejemplo robots bípedos, cuadrúpedos, etc.
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Ejemplo de un robot bípedo

  1. Industriales: son manipuladores automáticos o máquinas programables capaces de coger y desplazar objetos siguiendo los movimientos ordenados para ejecutar tareas industriales de forma cíclica.
  2. Telemanipulados: cuando las acciones del robot son ordenadas por un ser humano a distancia.

Las aplicaciones más usuales de la robótica en la industria son:

  1. Almacenamiento, paletización de cargas y transporte.
  2. Mecanización de piezas, pintura, soldadura, montaje, etc.
  3. Manipulación de residuos tóxicos o peligrosos.
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Ejemplo de un robot industrial utilizado en soldadura de piezas automovilísticas

3. Estructuras internas de automatismos

En esta sección se detallan en profundidad los actuadores más comunes de automatismos industriales. Para ello se comenzará por los mecánicos, por ser los más intuitivos y fáciles de comprender.

3.1. Automatismos mecánicos. Mecánica

La estructura de los automatismos mecánicos se compone de los siguientes elementos:

Ruedas dentadas y poleas

Son usadas para la transmisión de movimiento circular o de potencia.

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Ejemplo de un automatismo mecánico. Engranajes

Mecanismos de biela-manivela

Empleados para la transformación de un movimiento circular en rectilíneo.

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Piñón-cremallera

Este elemento, además de transformar elementos circulares en rectilíneos, también es capaz de transformar el movimiento rectilíneo en circular.

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Levas y palancas

Se utiliza para la obtención de trayectorias, movimientos o recorridos controlados.

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Trinquete

Usados para movimientos intermitentes.

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3.2. Automatismos eléctricos y electromecánicos. Electrónica

A continuación se muestra de forma detallada la estructura de los automatismos eléctricos.

Pulsador

Se utiliza para establecer el paso de la corriente a voluntad, es decir, pulsándolo se activa el paso de la corriente a través de él. Dejando de presionar se abre el circuito.

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Ejemplo de un accionador. Pulsador

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Nota

Si no es necesario seguir manteniendo presionado dicho dispositivo se puede utilizar un interruptor.

Contactor

Se emplea para establecer o interrumpir el paso de la corriente en los circuitos eléctricos de potencia.

Consta de tres partes:

  1. Contactos principales o de fuerza. Son los encargados de abrir o cerrar el circuito de fuerza.
  2. Contactos auxiliares. Son los contactos donde se conecta el circuito de mando o control.
  3. Electroimán.
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Al elegir un contactor se deben tener en cuenta las siguientes características:

  1. Tipo de corriente. Puede ser de corriente alterna o continua.
  2. Frecuencia de uso. Un contactor que dé servicio a un motor con pocos arranques diarios se deteriorará mucho menos que el que lo hace continuamente.
  3. Intensidad de corriente. Dependerá del motor al que alimente.
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Ejemplo de un accionador electromecánico. Contactor

Relé térmico

Son los dispositivos utilizados para proteger a los motores de sobreintensidades de pequeño valor. Sin embargo, una duración prolongada puede quemarlos.

Está compuesto de tres láminas bimetales con diferente coeficiente de dilatación rodeadas de tres bobinas conectadas a cada una de las fases de corriente. Cuando el consumo de corriente eléctrica es elevado durante un tiempo determinado, las láminas se calientan por efecto Joule curvándose y empujando al sistema de disparo que a su vez manda la señal a la bobina del contactor. El rearme de un relé solo es posible cuando sus láminas bimetales están frías y recuperan su forma original.

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Nota

Durante el arranque del motor se produce un consumo alto de intensidad pero no afecta al relé térmico por ser de corta duración.

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Ejemplo de un accionador electromecánico. Relé

Fusible

Se utiliza para garantizar la seguridad de las instalaciones eléctricas en caso de sobrecalentamiento. Cuando la intensidad que circula por él supera el valor nominal del fusible se funde cortando el paso de la corriente.

Los fusibles pueden ser cilíndricos, de cartucho, de cuchilla, etc.

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Ejemplo de un accionador electromecánico. Fusible cilíndrico

Seccionador

Permite aislar eléctricamente cualquier instalación o máquina para su manipulación en condiciones seguras.

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Ejemplo de un accionador electromecánico. Seccionador

Interruptor magnetotérmico

Permite interrumpir de forma automática la corriente eléctrica para proteger un aparato, cuando la intensidad que circula por él es superior a un valor determinado durante un periodo de tiempo, o por un cortocircuito.

Básicamente un interruptor magnetotérmico dispone de dos sistemas de disparo:

  1. Disparo por sobreintensidad. Cuando un aparato a proteger consume una intensidad superior a la especificada se produce una sobreintensidad. Un magnetotérmico dispone de un bimetal calibrado para que se curve por efecto Joule al paso de una corriente especificada haciendo abrir sus contactos.
  2. Disparo por cortocircuito. Cuando existe un cortocircuito eléctrico, la intensidad que circula por el cable es extremadamente alta. El magnetotérmico dispone de una bobina que se excita con estos niveles de intensidad, haciendo abrir igualmente los contactos.
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Para elegir un interruptor magnetotérmico se debe seleccionar previamente:

  1. Su calibre: de tal forma que su valor quede por encima de la intensidad que consuma el aparato que se quiere proteger y por debajo de la que soporta el cable de dicha instalación.
  2. Su poder de corte: significa que el magnetotérmico debe tener un poder de corte (KA) normalizado, superior a la máxima corriente de cortocircuito que pueda pasar por él, para asegurar que corta el paso de la corriente antes de destruirse.
  3. Número de polos: puede ser unipolar, bipolar, tripolar o tetrapolar. Bipolar para instalaciones eléctricas monofásicas y tetrapolar o tripolar para instalaciones trifásicas con o sin neutro respectivamente.
  4. Curva de disparo: según sean los límites que posea la curva característica de un magnetotérmico, así será su comportamiento. Es por ello que esta se debe elegir en función de la instalación a proteger. En España está en vigor la norma UNE que especifica una serie de curvas características para los magnetotérmicos: la curva B permite la protección de las personas. La curva C se aplica para evitar los disparos indeseados en el caso de la protección de receptores que presentan, una vez en servicio, puntas de corriente de cierta consideración y la curva D es adecuada para instalaciones que alimentan receptores con fuertes puntas de arranque.
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Ejemplo de un accionador electromecánico. Interruptor magnetotérmico

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Importante

El calibre de un interruptor magnetotérmico debe ser superior a la intensidad que consume la máquina conectada e inferior a la intensidad que soporta el cable.

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Aplicación práctica

Usted debe proteger mediante un interruptor magnetotérmico una sierra monofásica de corte por cinta para metales. ¿Cuáles deben ser las características del interruptor?

SOLUCIÓN

Para elegir correctamente un interruptor magnetotérmico, primero se debe conocer el amperaje que consumirá la sierra de cinta. En este caso se sabe que es monofásica pero no se conoce el valor de la potencia o intensidad consumida.

Si se observa la placa de datos técnicos de la sierra de cinta se puede observar el valor de la intensidad consumida. Este valor debe ser inferior al del calibre del magnetotérmico y a la intensidad máxima admisible que el cable de alimentación es capaz de soportar. Este último valor se podrá obtener en el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (REBT) o en tablas de fabricantes.

Se sabe también que el interruptor magnetotérmico debe ser bipolar, ya que tiene que cortar la fase y el neutro simultáneamente.

Y por último se elegirá la curva de disparo, que para el caso de un motor, debe ser de tipo D (según el REBT).

Interruptor diferencial

Realiza el corte del paso de la corriente eléctrica automáticamente cuando detecta fallos de aislamiento, como por ejemplo, una derivación a tierra o un contacto con una persona.

El interruptor diferencial consta básicamente de un núcleo toroidal en forma de anillo y sobre él, tres bobinas. La primera conectada a la fase, la segunda al neutro y la tercera al mecanismo de apertura. Si hubiera una derivación a tierra o por contacto humano, las intensidades de corriente que circularían por cada una de las dos primeras bobinas serían distintas, induciendo, por flujo magnético, una corriente en la tercera bobina capaz de hacer disparar el mecanismo de apertura.

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Para elegir adecuadamente un interruptor diferencial se deben observar las siguientes características:

  1. Calibre o amperaje. Intensidad máxima que es capaz de soportar el elemento.
  2. Número de polos. Bipolar, tripolar o tetrapolar, para instalaciones monfásicas o trifásicas con o sin neutro.
  3. Sensibilidad. Hace referencia a la máxima cantidad de corriente de fuga o derivada que es capaz de permitir un circuito eléctrico. Por encima de esta se activará el sistema de disparo. Las diferentes clases de sensibilidades son: muy alta sensibilidad 10 mA, alta sensibilidad 30 mA y sensibilidad normal: 100 y 300 mA.
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Ejemplo de un accionador electromecánico. Interruptor diferencial

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Importante

Recuerde elegir, además de la sensibilidad del interruptor diferencial, el amperaje que es capaz de soportar.

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Ejemplo

Para proteger un motor la sensibilidad del interruptor diferencial debe ser más permisiva, unos 300 mA, que para proteger el circuito eléctrico de una vivienda, 30 mA con carácter general.

3.3. Automatismos neumáticos

A continuación se muestra con detalle la estructura de los automatismos neumáticos.

Cilindro de simple efecto

En este accionador de un automatismo neumático, la acción del aire genera una fuerza sobre el vástago que hace que este sobresalga de su posición de reposo, la vuelta a esta posición se produce bien por un muelle o por acciones exteriores.

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Cilindro de doble efecto

Al igual que en el cilindro de simple efecto se produce un movimiento rectilíneo por la acción de la fuerza que provoca el aire comprimido. La diferencia estriba en que el pistón es controlado en ambas direcciones debido a la doble entrada-salida de aire que posee.

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Motor de paletas

Producen el movimiento circular debido a un rotor con ranuras, encerrado en una carcasa. En cada una de las ranuras existe una paleta que se mantiene siempre en contacto con la carcasa. El par motor se provoca por la acción del aire a presión sobre las paletas.

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Cilindro basculante

Produce un movimiento circular. Suelen abarcar un sector de giro determinado aunque regulable.

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Compresores

Los compresores son los encargados de proporcionar el aire a presión en una instalación neumática. Las características más importantes a tener en cuenta en este elemento son el caudal que proporciona y la relación de compresión o presión máxima que es capaz de alcanzar.

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Nota

No es propiamente un actuador pero es significativo en las instalaciones automatizadas neumáticas.

Los compresores más comunes suelen ser:

  1. Compresores alternativos de pistón.
  2. Compresores centrífugos.
  3. Compresores de tornillo.

Depósitos

Como parte de una instalación sirven de almacenamiento de aire comprimido para amortiguar las demandas de aire, haciendo que los compresores reduzcan su trabajo. Existen de diversas formas y tamaños, siendo las necesidades de la instalación las que determinen estas características.

Válvulas

Son los dispositivos de control para los actuadores o automatismos neumáticos. Son capaces de controlar el sentido, la presión y el caudal del aire que las atraviesa.

Las válvulas se clasifican según su función en:

  1. Válvulas distribuidoras: encargadas de abrir o cerrar un circuito, cambiar el sentido del flujo, etc.
  2. Válvulas antirretorno: encargadas de permitir en un único sentido el paso del fluido.
  3. Válvulas reguladoras de la presión: regulan la presión del fluido en una instalación neumática.
  4. Válvulas reguladoras de caudal: regulan el caudal que pueda necesitar, por ejemplo, un actuador.

Designación de las válvulas

Las válvulas son designadas por las siguientes características:

  1. Número de vías: se llama vía a una entrada o salida de aire.
  2. Número de posiciones: son las distintas posiciones que la válvula puede adoptar.
  3. Tipo de accionamiento: pulsador, pedal, palanca, rodillo, bobina, neumático, etc.
  4. Modo de retroceso: muelle o acción exterior.

Posiciones de las válvulas

Las válvulas pueden tener varias posiciones, cada una de ellas se representa simbólicamente mediante un recuadro.

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Representación de paso abierto y cerrado en válvulas

Sea una posición cualquiera de una válvula, el paso del fluido se representa con una flecha que atraviesa dicha posición. Si no existiera dicho paso se considerará posición de bloqueo.

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Ejemplo

La designación simbólica de una válvula 2/2 normalmente cerrada es la que se aprecia el la siguiente figura. En el cuadro de la izquierda se observa una flecha que indica el sentido del flujo que atravesará la válvula. En el segundo cuadro, la válvula tiene sus conductos cerrados o bloqueados. Observe que la posición por defecto es la que se indica al principio, normalmente cerrada.

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Ejemplo

La designación válvula 3/2 rodillo/muelle hace referencia a una válvula distribuidora de tres vías y dos posiciones por accionamiento por rodillo y retroceso por muelle.

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Ejemplo de un accionador neumático. Válvula distribuidora 3/2 rodillo/muelle

Otras válvulas y dispositivos

Existen una gran variedad de válvulas: válvula reductora de presión, reguladora de caudal, filtros, lubricadores, secadores, etc. A continuación se muestran algunos de los más utilizados:

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Válvula antirretorno. Solo permite la circulación del aire en un solo sentido.

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Válvula reductora de la presión

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Válvula reguladora de caudal

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El lubricador. En una instalación neumática, es el encargado de lubricar los elementos de dicha instalación.

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El secador es el encargado de reducir el agua o aceite que pueda transportar el aire a presión. El aire al salir del compresor a alta temperatura es enfriado provocando el condensado de agua y aceite.

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Aplicación práctica

Se observa pérdida de presión y caudal de aire en una instalación neumática de una fabrica. ¿A qué es debido? ¿Cómo se puede reparar y mejorar la instalación?

SOLUCIÓN

Esto es debido a que el aire transporta partículas sólidas, agua y aceite. Estas partículas en suspensión provocan en la instalación pérdida de potencia debido a fugas, aumento del consumo del aire y por tanto, frecuencia de trabajo del compresor, oxidación de elementos de válvulas y conductos, desgaste de cilindros, juntas, etc.

Una vez deteriorados estos elementos deberán ser sustituidos con la mayor celeridad, de lo contrario podrían seguir aumentando los desperfectos en la instalación.

No obstante, se deben realizar observaciones periódicas en la instalación a modo de mantenimiento, en el refrigerador (purgando el aire condensado por enfriamiento de este a la salida del compresor), en los filtros (donde igualmente se condensa aire y aceite) y en los lubricadores, según las directrices del fabricante.

Simbología

A continuación se presenta la distinta simbología neumática que se puede encontrar en una instalación.

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Ejemplo

Un cilindro de doble efecto debe moverse a consecuencia de una válvula 5/2 de potencia pilotada por aire y retorno por muelle con el accionamiento de una segunda válvula 3/2 accionada por pulsador que dará la señal correspondiente para activar la válvula que moverá el cilindro. El cilindro saldrá al apretar el pulsador y entrará al dejar de pulsarlo.

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Al presionar sobre el pulsador “M” de la válvula 3/2 se activa la válvula pilotada 5/2. Esta a su vez envía fluido al cilindro de doble efecto. Al cesar la presión sobre “M” el muelle de dicha válvula la retorna a su posición por defecto, al igual que la válvula 5/2. Esto permite que el vástago del cilindro vuelva a entrar en el cilindro.

Aplicación práctica

Usted debe fabricar una pieza en grandes cantidades. La pieza encargada es un casquillo común. Usted debe automatizar el proceso de fabricación de dicho casquillo para aumentar la productividad. ¿Puede diseñar un sistema que cumpla con los requisitos?

Solución

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El sistema adoptado podría ser neumático. Constaría de:

  1. Cilindro lineal.
  2. Actuador.
  3. Cilindro.
  4. Pinza.
  5. Plato divisor neumático.
  6. Alimentador de piezas.
  7. Bandeja salida piezas acabadas.
  8. Cilindro lineal más motor rotatorio.
  9. Carro de desplazamiento.
  10. Pieza.
  11. Cilindro lineal más motor rotatorio.

El conjunto 1-3-4 sería el encargado de montar la primera pieza en el plato divisor neumático. Este plato, bastante preciso en su movimiento, giraría 180º para montar la segunda pieza. Tras esta operación volvería a girar 90º para colocar las dos piezas en posición horizontal. En este momento los dos cilindros con motor acoplado saldrían de su posición taladrando ambas piezas. De nuevo el plato divisor giraría 90º y 180º para que las piezas sean retiradas. Este ciclo se repetiría tantas veces como fuera necesario.

3.4. Automatismos hidráulicos

Los automatismos en hidráulica son bastante parecidos a los usados en neumática. Se mantiene por tanto la misma clasificación realizada para estos actuadores, a saber, cilindros y motores.

Cilindros

Son los actuadores de la instalación y transmiten un movimiento rectilíneo. El aceite entra por uno de los orificios del cilindro y cuando el vástago llega al final de carrera, el aceite sale de la cavidad interna por el mismo orificio por donde accedió gracias a la presión que ejerce el aceite que entra por el segundo orificio del cilindro.

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Ejemplo de un accionador hidráulico. Cilindro

Al igual que en neumática se necesita de otros elementos para que la instalación funcione adecuadamente. Estos elementos son los que se detallan a continuación.

Tanque

Es el encargado de almacenar el aceite usado en el sistema hidráulico, aunque el aceite es retornado al tanque, este debe tener capacidad suficiente para no agotarse ya que provocaría falta de fluido en la bomba ocurriendo el fenómeno de cavitación.

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Ejemplo de un tanque para almacenar aceite hidráulico

Bomba hidráulica

Es la encargada de suministrar la presión al sistema. Pueden ser de engranajes, de paletas, etc.

No debe faltarle aceite para que no ocurra el fenómeno de cavitación.

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Nota

Además, este debe estar limpio de impurezas o pequeñas partículas, ya que de lo contrario, podría deteriorar la bomba disminuyendo el periodo de vida útil.

Válvulas distribuidoras

Permiten distribuir el fluido en el sentido deseado en una instalación. Pueden ser accionadas mediante palanca, eléctricamente, etc.

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Ejemplo de una válvula hidráulica por acción de palancas

Válvulas de seguridad

Permiten relajar o aliviar la presión con retorno del aceite al tanque.

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Ejemplo de una válvula de alivio o seguridad

Otras válvulas y dispositivos

Existen una gran cantidad de válvulas hidráulicas: válvula reductora de presión, reguladora de flujo, de alivio controlado, filtros, etc. que se deben tener en cuenta dentro de estos sistemas.

3.5. Automatismos electrónicos

Como ya se sabe, un PLC es un dispositivo electrónico capaz de ser programado para realizar procesos industriales automatizados en tiempo real.

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Nota

La lógica programable es más usada en la industria que la cableada.

Un PLC dispone de tres partes fundamentales:

  1. Unidad de memoria.
  2. Unidad de control.
  3. Elementos de entrada y salida.

Unidad de memoria

La memoria de un autómata programable almacena datos del proceso y también el programa.

Existen varios tipos de memoria:

  1. RAM, o memoria de acceso aleatorio. Esta se puede leer, escribir o borrar. Tiene el inconveniente de perder la información cuando falla la alimentación eléctrica.
  2. ROM, o memoria de lectura. Puede ser leída, pero no escrita ni borrada por el programa. No pierde la información al faltarle alimentación eléctrica.
  3. EPROM, o ROM programable. Puede ser programada en cualquier momento pero solo una vez. No pierde la información al faltarle alimentación eléctrica.

Unidad de control

Es el cerebro del autómata. Se llama CPU, Central Processing Unit (Unidad Central de Proceso). La parte más importante es el microprocesador. La CPU se encarga de leer los procesos del programa y los datos de entrada, así como de escribir los datos de salida.

Elementos de entrada y salida

Son los elementos que sirven de comunicación entre el autómata y el exterior. En un ordenador personal, los elementos de entrada son el teclado, el ratón, etc. y los de salida la pantalla, impresora, etc. Igualmente ocurre con un autómata programable. Las entradas pueden ser mediciones que se realizan sobre el proceso a controlar como posiciones, temperaturas, etc., y las salidas las señales que se mandan a los actuadores como motores, cilindros, etc.

Tanto los elementos de entrada como los de salida pueden ser de tipo digital o analógico. Un final de carrera, por ejemplo, dará una señal de entrada que será de tipo digital (todo-nada o abierto-cerrado). En cambio, una señal analógica se daría en el caso de señales eléctricas que oscilan entre dos parámetros haciendo funcionar un variador de velocidad.

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Importante

Por la propia naturaleza del proceso se debe trabajar tanto con señales analógicas como con digitales. Para ello existen dispositivos que transforman a nuestra voluntad estas señales.

Un autómata programable es capaz de conectarse a un PC ordinario pudiéndose programar desde él. El software usado se puede configurar fácilmente y todo bajo entorno de Windows.

Funcionamiento de un autómata programable

Se puede decir que un autómata programable funciona al pasar por tres etapas bien diferenciadas:

  1. Etapa primera: el autómata lee las entradas y las memoriza en su memoria de datos.
  2. Etapa segunda: se produce la lectura del programa.
  3. Etapa tercera: el autómata manda los datos de salida.

Programa de un autómata programable

Un programa es una secuencia de órdenes o instrucciones. Cuando un autómata lo interpreta va leyendo dicha secuencia. Esto es lo que se llama barrido del programa.

Los lenguajes más usuales en programación de autómatas son:

  1. Lista de instrucciones.
  2. Diagrama de contactos.
  3. Grafcet.
  4. Texto estructurado.

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Nota

Un programa se realiza bajo un lenguaje de programación que el diseñador debe conocer en profundidad. La comunicación hombrePLC se hará mediante este lenguaje.

4. Instrumentos y procedimientos de medición

En automatización, los sistemas de medición son dispositivos o instrumentos que cuantifican alguna variable física. Estos dispositivos son los sensores y los transductores.

La diferencia entre ambos es que el primero está siempre en contacto con la variable a medir.

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Definición

Sensor

Dispositivo capaz de transformar magnitudes físicas o químicas en magnitudes eléctricas. Dependiendo del tipo de sensor, estos pueden apreciar una intensidad lumínica, una distancia, un desplazamiento, una fuerza, etc.

Transductor

Dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra diferente de salida. Estos dispositivos son usados en industria, robótica, medicina, etc.

4.1. Sensores

A continuación se describen con detalle los sensores resistivos, sensores de luz, sensores de humedad, sensores de temperatura, sensores capacitivos sensores inductivos, manómetros y barómetros, caudalímetro, medidores de vibración y cronómetros industriales.

Sensores resistivos

Gracias al cambio de resistencia que ofrece el material del que son construidos son capaces de medir una señal. La resistencia de estos dispositivos se ve afectada por muchas propiedades físicas como la temperatura, la química, óptica, etc.

Según su aplicación se pueden encontrar:

  1. Potenciómetros de mando: son adecuados para su uso como elemento de control en los aparatos electrónicos. El usuario acciona sobre ellos, para variar los parámetros normales de funcionamiento. Por ejemplo, el volumen de una radio.
  2. Potenciómetros de ajuste: controlan parámetros preajustados normalmente en fábrica. No suelen ser accesibles desde el exterior. Habitualmente se encuentran encapsulados en plástico, pero también los hay sin cápsula. Se suelen distinguir potenciómetros de ajuste vertical, cuyo eje de giro es vertical, y potenciómetros de ajuste horizontal, con el eje de giro paralelo al circuito impreso.

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Definición

Potenciómetro

Resistencia de valor variable y regulable a voluntad. Conectado en serie regula la tensión del circuito y conectado en paralelo la intensidad.

Según su construcción, pueden ser:

  1. Potenciómetros de mando rotativo.
  2. Potenciómetros de mando deslizante.

La ley que regula su resistividad puede ser lineal, logarítmica, exponencial, etc.

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Ejemplo de un sensor resistivo, potenciómetro

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Sensores de luz

Son sensores que cambian su resistencia en función de la incidencia de luz al que estén sometidos.

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Ejemplo de sensores fotoresistivos. Sensor de luz

Sensores de humedad

Se llaman higrómetros resistivos y hacen variar su resistencia en función del vapor de agua al que estén expuestos.

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Ejemplo de un sensor de humedad. Higrómetro

Sensor de temperatura

Son sensores que varían su resistencia eléctrica en función de la temperatura a la que están expuestos. Cabe destacar los termistores y las termoresistencias.

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Ejemplo de sensores de temperatura. Termistor

Sensores capacitivos

Los sensores capacitivos se comportan como un condensador. Un condensador adquiere una determinada carga eléctrica cuando se le somete a una diferencia de potencial.

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Nota

Al almacenamiento de esta carga eléctrica se le llama capacidad.

Estos sensores son capaces de hacer variar su capacidad al acercarse a algún material como plástico, papel, o madera, gracias a lo que son utilizados para el conteo de objetos, para controles de niveles y detectores de humedad o de posición.

Cabe destacar que los sensores capacitivos tienen una distancia de detección corta que varía según la constante dieléctrica del material que deba detectar, y al mismo tiempo son extremadamente sensibles a los factores ambientales.

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Ejemplo de sensores capacitivos

Sensores inductivos

Los sensores inductivos trabajan como las bobinas. Al pasar una corriente eléctrica por una bobina, esta almacena la energía en forma de campo magnético. Gracias a ello es muy usado en la detección de materiales férricos, como detectores de proximidad, posicionamiento, etc.

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Ejemplo de sensores inductivos

Manómetros y barómetros

Son instrumentos capaces de medir la presión absoluta y la presión diferencial con respecto a la atmósfera y el vacío. Hay barómetros que disponen de un registrador de datos integrado, de un puerto de conexión y de una salida analógica de 0 a 1 voltios para su conexión con sistemas de control.

Caudalímetros

También llamados flujómetros son instrumentos usados para la medición de la velocidad del aire y del caudal o gasto volumétrico. Según el tipo de aplicación, los caudalímetros pueden ser de hilo caliente, de rueda alada o ultrasónico de molino, de paleta, etc. Todos ellos posibilitan medir la fuerza eólica y la velocidad de circulación del aire.

Medidores de vibración

Los medidores de vibración se emplean para medir vibraciones y oscilaciones en muchas máquinas e instalaciones, así como para el desarrollo de componentes mecánicos o herramientas.

Este instrumento es capaz de proporcionar la aceleración, la velocidad y la variación de vibración. De este modo se caracterizan las vibraciones con precisión.

Cronómetros industriales

Son dispositivos usados para el control de tiempos en procesos industriales. Se determinan por su precisión, o el valor más pequeño capaz de medir.

5. Aplicación de los sistemas de automatización

No siempre queda justificada la utilización de sistemas de automatización. Los principales elementos a tener en cuenta para su aplicación son:

  1. Aumento de la producción y/o bajada de costes de producción.
  2. Incrementar la mejora del producto.
  3. Necesidad de mejorar el entorno laboral.

Un sistema automatizado debe cumplir una serie de requisitos para que su funcionamiento sea fructífero, estos son:

  1. Debe ser compatible con la industria a automatizar. En una industria existen motores que crean ruidos que no deben perturbar la labor del sistema.
  2. Fácilmente ampliable. Si en el futuro existen ampliaciones de la instalación, el sistema debe poder adaptarse.
  3. Soporte técnico. Los sistemas de automatización de grandes industrias cuentan con soporte técnico ofrecido por empresas especializas en este sector.
  4. Compatible con otros elementos. Los elementos del sistema deben ser intercambiables entre los distintos fabricantes.

Las aplicaciones de los sistemas de automatización en la actualidad son innumerables. A continuación se detalla el uso industrial de estos sistemas, y más concretamente, el mecanizado.

5.1. Aplicación de los sistemas de automatización en el mecanizado y conformado de piezas

En el procesado o mecanizado de piezas siempre se ha requerido de la automatización de algunos procesos, como por ejemplo la fabricación de grandes series de piezas. Para atender a estas necesidades nacieron máquinas automáticas muy sencillas con sistemas de automatización fundamentalmente mecánicos, neumáticos e hidráulicos.

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Nota

El avance tecnológico, la incorporación de la electrónica y la informática han revolucionado la automatización de las máquinas, cubriendo todas las necesidades industriales.

Un claro ejemplo de lo expuesto es el torno automático. Este torno es capaz de realizar operaciones automáticas gracias a elementos mecánicos como levas. Algunos modelos incorporan incluso un alimentador de barras automático.

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Ejemplo de un torno automático por sistemas mecánicos

Otro ejemplo es el corte por láser. Se emplea una máquina de corte automatizada capaz de realizar una trayectoria sobre la chapa a cortar gracias a la precisión del movimiento de su brazo robótico.

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Ejemplo de una máquina de corte por láser

No menos importante ha sido la aplicación de los sistemas automáticos a las máquinas herramientas convencionales como el torno o la fresadora. Con la aparición del torno de control numérico o el centro de mecanizado se ha conseguido, por nombrar alguna de las mejoras industriales, la disminución de la mano de obra, el aumento de la productividad o la uniformidad en grandes series.

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Ejemplo de una máquina automatizada. Centro de mecanizado por control numérico

5.2. Aplicación de los sistemas en el ensamblado de piezas mecánicas

Existen diversos sistemas automatizados para realizar operaciones de ensamblado de piezas. Entre ellos destacan las máquinas especializadas y los sistemas automatizados programables.

Las máquinas especializadas consisten en la automatización de una máquina que va a realizar operaciones fijas y determinadas, por lo general poco flexibles, de ensamblado de piezas. Operan en unidades en estaciones de trabajo bien delimitadas.

Los sistemas de ensamble programables se utilizan para generar distintos ensambles gracias a la utilización de la robótica.

Métodos de ensamblado usados en la industria

Para el ensamble de piezas se usa el método BOTTOM-UP, en donde cada pieza se une con otra formando subconjuntos y estos a su vez los conjuntos o ensambles completos. Unos robots dispuestos de pinzas son los encargados de hacer estas operaciones, previa programación.

Otro método de ensamble es la soldadura que es un proceso de unión de materiales por medio de la fusión de estos.

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Ejemplo

La soldadura por puntos es un tipo de soldadura por fusión donde el calor se obtiene por la resistencia eléctrica que ofrece la unión que se va a soldar. En la industria automovilística este tipo de ensambladura es muy usada para el engarce de la carrocería de los vehículos.

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Ejemplo de un robot de soldadura por puntos en la industria automovilística

5.3. Aplicación de los sistemas en el transporte y almacenamiento

Son varios los métodos que se utilizan para el transporte de materiales, piezas, etc., en una industria, pero sin duda el más común es el de cinta transportadora.

Las características más importantes de las cintas transportadoras son:

  1. Se pueden automatizar fácilmente.
  2. Pueden montarse en techo, sobre suelo o debajo de este.
  3. Sirven para cargas pequeñas o grandes.
  4. Pueden combinarse con otros sistemas automatizados de almacenamiento, procesado, etc.

Las diferentes tipologías de cintas transportadoras son:

  1. Cinta transportadora de rodillos. Constituidas por un armazón fijo sobre el que se montan cilindros que giran generando movimiento de avance a los objetos a transportar.
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Ejemplo de una cinta transportadora de rodillos

  1. Cinta transportadora de ruedas. Muy similar a la de rodillos, con la salvedad de incorporar ruedas montadas en los cilindros.
  2. Cinta transportadora plana. Por lo general se utiliza para trasportar materiales a granel. La cinta forma un anillo cerrado y es impulsada por uno o más motores. Una aplicación muy común en las fábricas de mecanizado es en el transporte de la viruta resultante del procesado de piezas.
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Ejemplo de una cinta transportadora plana

  1. Cinta transportadora de cadena. Similar a la plana.
  2. Cinta transportadora de carros. Sistema compuesto por un cable del que cuelga un carro que se desplaza gracias a unas ruedas. Es un sistema muy usado en el trasporte de grandes elementos o ensambles mecánicos.
  3. Cinta transportadora de cable enterrado. Es similar al anterior, pero en este caso, el cable está bajo tierra. Los carros son propulsados por la acción del cable.
  4. Carro sobre raíles. Caso especial de cinta trasportadora. El carro es transportado por la acción giratoria de un eje situado debajo de él. El eje genera movimiento que hace avanzar el carro. Es un sistema muy utilizado para el posicionamiento de grandes piezas para mecanizado.

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Aplicación práctica

Usted es dueño de una pequeña fábrica de mecanizado y se encuentra con el problema que entraña el traslado de la viruta de las cinco máquinas CNC que posee hasta el contenedor destinado a su almacenamiento. No obstante, cabe la posibilidad de automatizar dicho proceso aliviando a sus operarios de esta tarea, además del aumento productivo que experimentaría su fábrica. ¿Qué tipo de instalación diseñaría?

SOLUCIÓN

Para este caso se diseñaría una instalación de transporte de virutas mediante cintas transportadoras, de forma que, recogiera de cada máquina CNC la viruta que expulsara y la transportara hasta una máquina compresora y separadora de viruta-taladrina.

Esta segunda máquina separaría ambos elementos y comprimiría la viruta en discos de poco tamaño. Almacenada cierta cantidad, el sistema avisaría para la oportuna recogida de estos discos.

Téngase en cuenta que el sistema de automatización contendrá actuadores neumáticos por aprovechar esta fuente de energía consumida por las máquinas CNC.

Se necesitaría igualmente sensores-detectores de posición, de presencia, etc. Además, todo el sistema estaría controlado por un autómata programable.

Aplicación práctica

Usted desea encontrar la manera de dar movimiento, tensar y guiar una cinta transportadora para transportar las piezas ya mecanizadas a un centro de lavado y desengrasado. ¿Puede diseñar un sistema que cumpla con las exigencias del proceso?

Solución

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El sistema adoptado podría ser mecánico y neumático y constaría de:

  1. Cinta transportadora elastomérica.
  2. Rodillo de transmisión.
  3. Tornillo sin fin.
  4. Motor neumático.
  5. Eje.
  6. Cilindro lineal neumático.
  7. Mecanismo de tensado.

La figura a establece la forma en la que el motor 4 imprime movimiento a la cinta transportadora. Una válvula reguladora de caudal sería la encargada de hacer variar la velocidad de avance de la cinta.

En la figura b se puede apreciar el sistema mecánico para tensar la cinta. Además, gracias a la fuerza que ejerce el cilindro mantendrá la cinta tensa en función de la carga que transporte.

En las figuras c y d puede observarse distintas maneras de guiar la cinta.

En cuanto al almacenaje se puede incorporar un sistema de almacenamiento bajo pedido de herramientas, de tal manera que, cuando un operario necesite alguna de ellas, recurra a un panel de control donde la selecciona. Trascurrido un corto periodo de tiempo, el automatismo ofrece la herramienta seleccionada al operario. Otra variedad, es combinar este almacén automatizado con un centro de mecanizado. El robot coloca los útiles en el husillo portafresas del centro de mecanizado, y en el mismo ciclo de cada colocación, recoge el útil usado del correspondiente husillo, devolviéndolo al almacén.

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Ejemplo de un robot que controla el almacén de herramientas de un centro de mecanizado.

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Aplicación práctica

Usted debe esbozar un sistema automatizado que sea capaz de transportar chapas de acero de 2 × 1 m desde una zona de espera hasta la mesa de trabajo de una punzonadora automática. ¿Qué sistema adoptaría?

SOLUCIÓN

El sistema a adoptar podría ser un brazo robotizado dispuesto en la terminal de una ventosa de absorción. La punzonadora, acabado su ciclo de trabajo, mandaría la señal al control del brazo robotizado, este iniciaría su ciclo acercando la ventosa a la chapa, consiguiendo fijarla para transportarla hasta la zona de trabajo de la punzonadora. El control debe ser capaz de actualizar cíclicamente el gasto de chapas así como la altura a la que se encuentra y colocarla en una posición correcta.

5.4. Aplicación de los sistemas al control de calidad

Los controles de calidad en una industria son igualmente gobernados por sistemas automatizados. Por ejemplo, una planta embotelladora necesita controlar los niveles de llenado de sus envases, si el sistema detecta que hay falta de líquido hará saltar una alarma.

Existen también máquinas de medición de coordenadas (MMC) 3D de tipo pórtico y puente. Sus puntos fuertes son particularmente evidentes cuando se utilizan para mediciones tridimensionales de componentes y ensamblajes de gran volumen en la industria aeroespacial, la industria armamentística, la construcción naviera y la generación de energía. Ideal cuando se desea medir un elemento de gran dimensión.

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Ejemplo de una máquina automatizada para el control de calidad en las piezas

Esta máquina es capaz de detectar errores dimensionales encontrados por comparación respecto de un patrón informatizado previamente. Esto se consigue programando los movimientos que la máquina debe realizar: un pequeño detector en forma de cilindro dispuesto verticalmente en la máquina va rozando las superficies a comprobar, corroborando que efectivamente se encuentra a la medida programada.

6. Resumen

Los automatismos son máquinas o dispositivos capaces de funcionar de forma autónoma. Automatizar es hacer un proceso autónomo, mientras automatización industrial es un término más amplio que engloba técnicas, conocimientos y dispositivos para automatizar procesos industriales.

Las partes principales de una instalación automatizada son: máquinas, accionadores, captadores y unidad de control.

Los accionadores semiautomáticos se clasifican en mecánicos, eléctricos, electromecánicos, neumáticos, hidráulicos y electrónicos.

En cuanto a los captadores se han estudiado diferentes tipos de sensores y transductores capaces de ofrecer información a la unidad de control.

La unidad de control es el cerebro de la instalación automatizada, es al igual que el microprocesador de un ordenador, la encargada de hacer todas las operaciones y cálculos necesarios para el gobierno del sistema.

Las aplicaciones más importantes de los sistemas automatizados en industrias de fabricación mecánica son:

  1. Mecanizado y conformado de piezas propiamente dicho.
  2. Ensamblaje de piezas y conjuntos.
  3. Embalaje transporte y almacenamiento.
  4. Sistemas de calidad.

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Ejercicios de repaso y autoevaluación

1.  Complete la siguiente frase.

La automatización industrial es la utilización de _____________ y __________________ para controlar __________________ industriales, de forma que __________________ la interacción humana, al tiempo que son capaces de__________________ciclos indefinidamente.

2.  Enumere las partes principales de una instalación automatizada.

3.  Relacione las clases de automatismos (mecánicos, eléctricos, neumáticos, hidráulicos o electrónicos) con los siguientes elementos.

Sistema biela-manivela

PLC

Cilindro basculante

Interruptor magnetotérmico

Relé térmico

4.  Un interruptor magnetotérmico...

  1. ... interrumpe el paso de corriente eléctrica por una subida de tensión.
  2. ... es un dispositivo que protege a las personas de un contacto eléctrico.
  3. ... interrumpe la corriente eléctrica por una sobreintensidad o por un cortocircuito.
  4. ... interrumpe la corriente eléctrica por una sobreintensidad.

5.  Un interruptor diferencial...

  1. ... interrumpe el paso de la corriente eléctrica por una derivación a tierra.
  2. ... interrumpe el paso de la corriente eléctrica por calentamiento.
  3. ... protege los aparatos de sobretensiones.
  4. ... protege los aparatos de sobreintensidades.

6.  Para elegir un interruptor magnetotérmico se debe tener en cuenta el...

  1. ... calibre y la sensibilidad.
  2. ... calibre y el número de polos.
  3. ... calibre, número de polos, poder de corte y curva de disparo.
  4. ... calibre, número de polos, poder de corte, curva de disparo y sensibilidad.

7.  ¿Qué significa en una válvula la nomenclatura “válvula 5/2 palanca/muelle”?

  1. Que tiene cinco vías y dos posiciones accionada por muelle y palanca.
  2. Que tiene cinco palancas y dos muelles.
  3. Que tiene cinco orificios de entrada de fluido y dos de salida.
  4. Que es accionada por palanca y retroceso por muelle.

8.  Enumere las partes principales de un PLC.

9.  Una memoria RAM...

  1. ... se puede leer, escribir o borrar.
  2. ... no se pude escribir.
  3. ... no se puede borrar.
  4. ... no se puede ni escribir ni borrar.

10.  Enumere los requisitos que debe cumplir una instalación automatizada.