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Automazione pneumatica: dai principi di base alle tecniche pratiche

04.05.20
Formazione
di lettura

Camozzi Automation progetta e realizza componenti e sistemi innovativi che integrano pneumatica, meccanica ed elettronica. 

Per condividere la conoscenza acquisita nell’automazione dei processi in vari settori industriali abbiamo realizzato una guida di 215 pagine che puoi scaricare a questo link.

La fisica

Le molecole dell’aria, se soggette a un’azione di compressione, sono costrette a posizionarsi in uno spazio sempre inferiore. Diminuendo il volume le molecole gassose si avvicinano, aumentano la velocità e il numero degli urti causando l’aumento della temperatura.

Si hanno due tipi di pressione: la pressione assoluta che comprende oltre alla pressione che generiamo, ad esempio attraverso una pompa, la pressione atmosferica; la pressione relativa che generiamo attraverso una pompa.  Per misurare la pressione atmosferica si utilizza il barometro, mentre per misurare la pressione di un gas racchiuso in un recipiente si utilizza il manometro.

Legge di Boyle

Lo stato di un gas è descritto da tre grandezze: Volume, Pressione e Temperatura. Una particolare caratteristica dei gas è la capacità di espandersi e di occupare il massimo volume disponibile.

Secondo la legge di Boyle il volume occupato da una data massa di gas, tenuta a temperatura costante, è inversamente proporzionale alla pressione a cui è sottoposta (al raddoppiare della pressione il volume si dimezza; se la pressione diventa un terzo, il volume della massa gassosa triplica).

Quando un gas è riscaldato e ha la possibilità di espandere il suo volume, la pressione non subisce variazioni; quando un gas è riscaldato, ma non ha la possibilità di espandersi, subisce un aumento di pressione.

Leggi di Gay-Lussac

La prima legge di Gay-Lussac afferma che a pressione costante il volume di un gas aumenta linearmente con la temperatura. Un gas, se soggetto ad abbassamenti di temperatura, passa dallo stato gassoso a quello liquido. Questo valore di temperatura corrisponde allo zero assoluto, aumentando la temperatura il gas torna ad espandersi.

Le due grandezze fondamentali della pneumatica sono: la pressione e la portata.

La portata esprime il volume di liquido che attraversa la sezione di un condotto nell’unità di tempo.  La portata è definita dal rapporto tra il volume ΔV di liquido che attraversa il condotto e l’intervallo di tempo Δt impiegato a percorrerlo, oppure, avendo note la velocità del fluido e la sezione di passaggio, dal loro prodotto. La portata di una valvola è influenzata da due fattori: la sezione di passaggio e il peso della colonna di liquido che agisce sulla valvola.

A parità di pressione la portata dipende dalla difficoltà o meno che il fluido incontra nell’attraversare una tubazione o una valvola, ossia dalla sezione di passaggio (maggiore è la sezione, più facilmente il fluido la attraverserà). A parità di sezione, una diminuzione del valore di pressione porta a una diminuzione della portata, cioè ad una minor quantità di fluido in movimento nell’unità di tempo.

Produzione di aria

Le macchine che comprimono l’aria sono definite compressori volumetrici. Il tipo di costruzione dell’organo meccanico che determina la progressiva riduzione del volume dell’aria aspirata, ne consente la classificazione come alternativi o rotativi.

Funzionamento del compressore alternativo

Il movimento di alcuni organi interni è simile a quello di un motore a due tempi con la differenza che nel compressore il meccanismo “biella/manovella” riceve il movimento da un’altra macchina rotante, normalmente un motore elettrico. La temperatura finale può essere contenuta utilizzando compressori a più stadi: nel primo stadio, l’aria è aspirata e compressa a una pressione intermedia; nello stadio intermedio si ha un’azione di raffreddamento; nel secondo stadio è compressa sino al valore finale.

Funzionamento del compressore rotativo a palette

Delle palette, libere di muoversi radialmente, sono inserite in delle scanalature ricavate in un corpo cilindrico. Questo corpo ruota all’interno di una sede circolare, l’asse di rotazione del corpo è spostato lateralmente rispetto all’asse teorico della sede circolare, in questo modo, si crea uno spazio in cui le palette creano dei settori al cui interno vi è aria.  A differenza del compressore alternativo, la produzione di aria compressa non ha fasi alterne, ma è a flusso continuo. Il raffreddamento dell’aria può avvenire mediante l’iniezione di olio che deve poi essere recuperato, raffreddato e riciclato.

compressore rotativo a palette 

Funzionamento del compressore dinamico

Questi compressori sono utilizzati per comprimere grandi quantità d’aria, il principio di funzionamento è basato sul movimento dell’aria per mezzo di giranti. L’energia di movimento che l’aria acquista è trasformata in energia di pressione prima dell’uscita dal compressore. In base alla forma della girante il compressore è classificato come radiale o assiale.

Scelta del compressore

Il dato più importante da definire è la quantità di aria necessaria calcolata in Nm³/h. Essa corrisponde alla somma dei consumi d’aria di tutte le utenze collegate. Il consumo può essere continuo, oppure intermittente (come nel caso di trapani, smerigliatrici, avvitatori e simili).

Il costruttore di quest’ultima tipologia di elementi fornisce il consumo di aria in funzione della pressione e del tempo. In genere è normale scegliere un compressore in grado di fornire una quantità d’aria superiore del 50% rispetto a quella richiesta e di collegare un serbatoio a valle del compressore stesso.

L’aria aspirata dal compressore prima di arrivare al serbatoio dove è immagazzinata deve passare attraverso diversi elementi intermedi:

  • Filtro di aspirazione: ha la funzione di trattenere le parti solide di una certa dimensione e la maggior parte di impurità presenti nell’aria aspirata
  • Refrigeratore: con la compressione l’aria può raggiungere anche i 200° C, il refrigeratore raffreddando l’aria, trasforma il vapore acqueo in essa contenuto in acqua
  • Serbatoio: deve essere certificato, sottoposto a periodiche verifiche da parte di enti preposti e dotato di valvola di sicurezza (che scarica automaticamente l’aria al di sopra di una certa pressione).

Lungo la linea di distribuzione dell’aria compressa (A/C) si trovano anche i raccoglitori di condensa, un recipiente di dimensioni ridotte con lo scopo di raccogliere la condensa che si forma lungo la linea di distribuzione.

Cilindri

Il cilindro pneumatico è un “motore” capace di generare una forza utilizzando l’aria compressa  come propellente.  Nel cilindro è la pressione dell’A/C che, agendo sulla superficie del pistone, genera una forza che lo mette in movimento, a condizione che l’aria contenuta nella camera opposta possa scaricarsi. Il cilindro trasforma l’energia dell’A/C in energia meccanica. La Forza sviluppata da un cilindro dipende dalla pressione e dal diametro del pistone.

  • Camera positiva: è lo spazio compreso fra il pistone e la testata posteriore. Il suo volume varia dal valore minimo dello spazio nocivo al valore massimo determinato dalla corsa del pistone.
  • Camera negativa: è lo spazio compreso fra il pistone e la testata anteriore. Il suo volume varia dal valore minimo dello spazio nocivo al valore massimo determinato dalla corsa del pistone. La camera positiva e quella negativa sono pneumaticamente indipendenti;  la camera opposta al senso di movimento del pistone deve essere in scarico.
  • Il Cilindro a Semplice Effetto (SE) è realizzato in modo che il rientro del gruppo stelo/pistone avvenga tramite una molla interna. L’A/C agisce su una sola superficie del pistone, sull’altra si ha la molla e l’azione della pressione atmosferica. La presenza della molla di ritorno oppone una resistenza al senso di marcia, la Forza utile nella direzione di lavoro, è minore rispetto a quella di un cilindro a Doppio Effetto (DE).
  • Il Cilindro a Doppio Effetto (DE) è realizzato in modo che la pressione agisca alternativamente sulle due superfici del pistone. Si ottengono così due direzioni di moto con la possibilità di sfruttare in entrambi i sensi di marcia la forza del cilindro.

cilindro Camozzi automation

Energia Cinetica: è l’energia che il carico applicato al cilindro acquisisce durante il suo movimento e deve essere ridotta prima che termini la corsa per evitare impatti contro la testata. Al fine di ridurre l’entità di questa energia, alcuni cilindri sono dotati di dispositivi regolabili di ammortizzo che riducono la velocità nel tratto finale della corsa.

Esistono diverse tipologie di cilindri pneumatici, le più comuni sono:

  • con testate cianfrinate
  • con testate fissate al tubo tramite tiranti
  • con testate fissate al profilo tramite viti
  • con testate integrate nel corpo cilindro e fissate tramite anelli seeger
  • con testate avvitate.

I cilindri di tipo magnetico permettono di rilevare la posizione del pistone. Nei circuiti pneumatici, un cilindro è quasi sempre corredato da dispositivi che hanno lo scopo di rilevare la posizione di finecorsa del gruppo stelo/pistone. 

La funzione del cilindro non è limitata ad essere quella di movimentare un oggetto, può svolgere numerose attività, ad esempio come dispositivo di bloccaggio.

Quando la Forza richiesta è elevata e non si ha la possibilità di aumentare il diametro del pistone è possibile utilizzare i cilindri in tandem. Sono costituiti da un unico cilindro con doppie camere e doppi pistoni dove lo stelo del primo pistone è collegato meccanicamente al secondo pistone. La Forza di spinta risultante è data, leggermente ridotta per gli attriti, dalla somma delle aree dei due pistoni per la pressione che agisce su di esse. I cilindri tandem possono avere più pistoni in serie e sono definiti a due, tre, quattro stadi in base al numero di pistoni.

Considerando che il movimento di un cilindro è di tipo rettilineo, il moto che ci interessa è da rettilineo a circolare. L’insieme di ingranaggi capace di trasformare il moto rettilineo in circolare è normalmente definito “pignone-cremagliera”.

Fra le varie tipologie si hanno cilindri che rispettano le Normative Internazionali per quanto riguarda le dimensioni generali e l’interasse dei fori di fissaggio, ad esempio:

  • DIN/ISO 6432 per diametri da 8 a 25 mm
  • ISO15552 sostituisce DIN/ISO 6431 / VDMA 24562 per diametri da 32 a 320 mm
  • ISO 21287 per modelli compatti e diametri da 20 a 100 mm.

Valvole

In campo pneumatico, le valvole posso essere:

  • Di distribuzione (hanno lo scopo di aprire, chiudere o deviare il flusso di A/C facendo assumere al cilindro una posizione diversa da quella di riposo).
  • Di regolazione (modificano le caratteristiche fisiche dell’A/C). La regolazione può essere effettuata sia sulla pressione con “valvole regolatrici di pressione”, sia sul flusso con “valvole regolatrici di flusso”. Per regolare la velocità di una o entrambe le corse del cilindro, occorre inserire la valvola di regolazione di flusso tra la valvola di distribuzione e il cilindro.
  • Di intercettazione (bloccano e/o modificano il percorso dell’A/C). La valvola potrebbe impedire il passaggio dell’A/C mantenendola bloccata all’interno delle camere, o deviarne il percorso consentendo una via più veloce allo scarico.

Classificazione delle valvole

La scelta di una valvola dipende da diversi parametri fra questi, il numero di posizioni, di vie e dal tipo di pilotaggio. Alcuni numeri nella classificazione delle valvole identificano il numero di vie e posizioni. Ad esempio, la dicitura 3/2 indica una valvola con 3 vie e 2 posizioni. La prima cifra indica sempre il numero di vie, generalmente 2, 3 o 5, la seconda indica il numero delle posizioni, generalmente 2 o 3.

Le vie possono essere: 2, 3, 4, 5. Le posizioni possono essere: 2 o 3, esistono valvole con un numero di posizioni superiori, ma hanno un utilizzo molto limitato.

Il principio costruttivo delle valvole pneumatiche non è in funzione del numero di vie o del numero di posizioni, ma dipende da parametri come il settore di utilizzo, la portata, le dimensioni ecc.

Per modificare la posizione di una valvola è necessario che essa riceva un comando. Per fornire il comando serve un apposito elemento da installare sulla valvola definito “dispositivo di azionamento”.

Il  comando può essere di diverse tipologie: meccanico, manuale, elettrico o pneumatico. Per comando manuale si intende un comando determinato dall’azione di un operatore. Per comando meccanico si intende un comando determinato dal movimento di qualche organo meccanico.

I dispositivi di azionamento possono essere a comando diretto (è il tipo di comando manuale, meccanico o altro che agisce in modo diretto sul movimento della spola od otturatore della valvola) o  indiretto (è l’A/C a realizzare il movimento della parte interna della valvola). Nel caso delle valvole ad azionamento pneumatico, il pilotaggio è di tipo indiretto ossia è fornito da un elemento esterno che apre o chiude un passaggio di A/C.

Le valvole possono essere commutate anche con segnali elettrici; tuttavia, per poter essere utilizzato, il segnale elettrico deve essere trasformato in un pilotaggio pneumatico. Questa operazione la svolge l’elettropilota, costituito da una parte elettrica, il solenoide e da una parte meccanica, il nucleo fisso e il nucleo mobile.

Per arrestare il movimento di un cilindro o per mantenerne la posizione anche in assenza di alimentazione pneumatica, possono essere utilizzate sia delle valvole di blocco sia le valvole 5/3 CC. Le valvole di blocco sono preferibili alle 5/3 perché offrono maggiore sicurezza.

Le “valvole logiche” o “funzioni logiche” sono valvole a comando pneumatico con dimensioni e portate ridotte. Normalmente per il pilotaggio sono sufficienti segnali in bassa pressione. Si prestano in particolare per l’elaborazione dei segnali al fine di realizzare una sequenza di lavoro.

Le valvole di intercettazione bloccano il passaggio di A/C nella direzione non desiderata. Per il fenomeno dell’espandibilità dei gas, la direzione del flusso è sempre rivolta verso il volume a pressione minore. L’A/C contenuta in due capacità collegate tra loro, qualunque sia il loro volume e la loro distanza, se non intercettata, si distribuisce in modo uniforme equilibrando la pressione.

Le valvole regolatrici di flusso (o di portata) controllano, tramite la variazione della loro sezione interna il passaggio di A/C. Il controllo del flusso consente di regolare la velocità di traslazione dei pistoni nei cilindri pneumatici. I regolatori di flusso maggiormente utilizzati sono quelli unidirezionali.

Per consentire a un impianto di funzionare in modo adeguato è necessario che il valore della pressione raggiunga un livello adeguato alle esigenze e solo in questa condizione si ha un consenso alla partenza del ciclo. Per controllare che questo valore resti entro i termini consentiti si utilizzano i pressostati.

Tecnica dei circuiti

Gli ultimi due capitoli del manuale indicano i simboli dei componenti e illustrano come disegnarli e collegarli tra loro per realizzare uno schema.

Uno schema, indipendentemente che sia pneumatico elettrico o altro, è un insieme convenzionale di linee e simboli mediante i quali è possibile rappresentare le funzioni presenti, i loro collegamenti e lo stato dei comandi nella posizione di fine ciclo.

  • I cilindri sono rappresentati da un rettangolo all’interno del quale si trova il gruppo stelo/pistone. La posizione del gruppo identifica se lo stelo è retratto o meno. Il ciclo di un cilindro è la successione dei movimenti positivo (+) e negativo (–) del gruppo stelo/pistone e si rappresenta generando un diagramma di sequenza con indicazioni letterali e grafiche.
  • Le valvole sono rappresentate da dei quadratini affiancati che definiscono le posizioni che la valvola può assumere. Delle frecce all’interno dei quadratini, indicano la direzione del flusso di A/C.

Con il termine circuiti elementari si intendono quei circuiti semplici come quelli per il comando di un solo cilindro.

  • Comando di un cilindro a semplice effetto: dovendo alimentare una sola camera del cilindro si utilizza una valvola 3 vie e 2 posizioni.
  • Comando di un cilindro a doppio effetto: in un cilindro a doppio effetto l’A/C deve essere fornita sia per la corsa positiva sia per la corsa negativa. Per questa ragione la valvola di distribuzione deve avere due utilizzi indipendenti, ossia una valvola a 5 vie 2 posizioni.

Nei circuiti gli attuatori si muovono in tempi diversi secondo una logica definita da una sequenza. Le varie fasi che compongono la sequenza si svolgono a seguito di conferme sui movimenti avvenuti. Queste conferme sono fornite da valvole con dispositivi di azionamento di tipo meccanico commutate direttamente dagli attuatori o dalle parti meccaniche ad essi collegati. Potendole posizionare a piacere lungo la corsa possono essere azionate nel momento desiderato.

Principi della logica

In una qualsiasi automazione pneumatica oltre alla definizione di quella che sarà la sequenza bisogna implementare tutte le informazioni che ne consentano lo svolgimento. Le regole della logica che prevedono una condizione di stato 1 o 0 si adattano molto bene alle valvole ad azionamento pneumatico. Le principali funzioni logiche realizzabili pneumaticamente sono: YES, NOT, AND, OR.

In alcune tipologie di circuito, la brevità anche di un solo segnale, può impedire il corretto funzionamento del ciclo, da ciò la necessità di una successiva valvola che “memorizzi” l’informazione anche al suo cessare. La valvola di memoria è una normale valvola di distribuzione 3/2 o 5/2 bistabile ad azionamento pneumatico. Le memorie in un circuito possono essere utilizzate per gestire i segnali di breve durata ma anche quelli continui definiti bloccanti. La funzione del temporizzatore è quella di regolare la durata di un segnale.

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