Aula 4 - Atuadores
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HIDRULICA E PNEUMTICA
Profa. Danielle Alves [email protected] IFCE Campus Fortaleza
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1. ATUADORES PNEUMTICOS
So os responsveis pela transformao da energia de
presso em energia mecnica de translao (cilindros) e
rotao (motores).
Atuadores pneumticos incluem cilindros lineares e atuadores rotativos.
So dispositivos que proporcionam fora e movimento para sistemas automatizados, mquinas e processos.
O cilindro pneumtico um dispositivo simples, de baixo custo e fcil de instalar, sendo ideal para produzir fora em
movimento linear.
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A velocidade pode ser ajustada em uma ampla faixa.
O curso do cilindro pode ser bloqueado sem danos.
Condies adversas so toleradas, tais como: umidade, ambientes secos e poeirentos e limpeza por jatos de gua.
O dimetro do cilindro determina a fora mxima que ele pode exercer.
O curso do cilindro determina o mximo movimento linear que ele pode produzir.
A presso mxima de trabalho depende do projeto do cilindro. Cilindros padro VDMA trabalham com at 16 bar.
A fora controlada atravs de um regulador de presso.
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Os atuadores pneumticos so fabricados em uma ampla
variedade de tamanhos, estilos e tipos que incluem:
Simples ao
Dupla ao Sem amortecimento ou amortecimento fixo
Amortecimento ajustvel
Com mbolo magntico
Cilindros sem haste
Atuador rotativo
Cilindros de fixao
Atuador tipo fole
Tipos
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simples efeito
Simples ao - retorno por mola
O fluido executa apenas um dos movimentos, enquanto o outro se d, geralmente, atravs de uma mola. Utilizam
vlvula direcional de 3 vias.
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Simples ao - sem mola
A gravidade ou outras foras externas retornam a haste.
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Dupla ao
Cilindros de dupla ao usam ar comprimido para exercerem
fora em ambos os sentidos.
Controle de velocidade superior. Existem:
Modelos sem amortecedor Modelos com amortecedor fixo Modelos com amortecedor ajustvel
O fluido executa agora tanto o movimento de avano como o
de recuo do cilindro . Utilizam vlvulas de controle direcional de
4 ou 5 vias.
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Dupla ao - sem amortecedor
Cilindros sem amortecedor so adequados para cursos completos com baixa velocidade.
Alta velocidade com amortecimento externo.
duplo efeito
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Dupla ao - amortecedor fixo
Pequenos dimetros para servios leves tm amortecedor fixo.
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D/A amortecedor ajustvel
Neste tipo de atuador podemos reduzir o choque entre o embolo e as tampas do cilindro atravs de amortecedores
pneumticos devidamente instalados nas cmaras dianteira
e/ou traseira, reduzindo assim o rudo
Com amortecimento varivel
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Dupla ao magntico
Uma cinta magntica em volta do mbolo opera um sensor tipo reed para indicar a posio do curso.
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Haste dupla
Utiliza as duas extremidades da haste na execuo de trabalhos, permitindo assim o uso de todo o curso do embolo,
como tambm de ter iguais foras de avano e recuo. Utilizam
vlvulas de controle direcional de 4 ou 5 vias.
haste dupla
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Duplex geminado
Tem como principal vantagem o fato de dispormos de dois cilindros opostos em uma mesma camisa, possibilitando
assim que a ponta de uma das hastes possa alcanar
diversas posies, bastando para isto que se mantenha presa
a outra haste.
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Duplex contnuo
Este tipo de cilindro tem como principal vantagem o fato de dispormos de dois cilindros em srie, em uma mesma camisa,
possibilitando assim uma maior fora til, sem aumento do
dimetro do cilindro.
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Cilindros sem haste
Possui cilindro (geralmente de alumnio), uma luva de material ferroso com uma fita magntica. Tem como limitao
a fora da ao magntica sobre a luva, da ordem de 400 N.
sem haste
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Cilindros Telescpico
empregado quando se faz necessrio um grande curso, como por exemplo em pequenos elevadores, empilhadeiras
ou mquinas de terraplenagem de carga, sendo usado
preferencialmente na posio vertical.
simples efeito Duplo efeito
Telescpico
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Cilindro de impacto
Utilizado em pequenas prensas. Para se obter grande energia cintica, as duas cmaras so pressurizadas ao
mesmo tempo, o que impede o avano devido a diferena
entre as reas. Quando a cmara dianteira despressurizada
o mbolo avana fazendo com que a rea de atuao do ar
seja a do cilindro. Com o rpido aumento da rea traseira, o
mbolo arremessado com grande velocidade (cerca de 8
m/s), o que se traduz em um forte impacto que objetiva cortar,
dobrar, rebitar ou outra operao tpica de uma prensa de
impacto.
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Atuadores Semi-Rotativos
Utilizados para girar componentes, operar vlvulas de
controle de processos, executar movimentos de pulso em aplicaes robticas
Proporciona rotao de at 360 Atuador tipo palheta Atuador tipo pinho e cremalheira
Atuador rotativo de palheta
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Atuador rotativo - Pinho e
Cremalheira
duplo torque
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Motores
So os responsveis pela energia mecnica de rotao. Utilizados principalmente como acionadores de ferramentas
manuais.
com um
sentido
de
rotao
fluxo fixo
com dois
sentidos
de
rotao
fluxo fixo
com um
sentido
de
rotao
fluxo
varivel
com dois
sentidos
de
rotao
fluxo
varivel
Turbina, palhetas. Engrenagens, pistes radiais, pistes axiais
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Cilindros de Fixao
Para uso em espaos confinados onde um pequeno curso requerido.
Pequeno comprimento em relao ao dimetro.
Geralmente usado em aplicaes leves.
A verso Simples ao a mais usada, mas existem tambm de Dupla ao com haste dupla.
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Retorno por mola. Dupla ao haste dupla.
Fole
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Amortecimento
O amortecimento protege o cilindro e a carga pela absoro da energia no final do curso. Este resulta numa
desacelerao progressiva e em um contato suave entre o
mbolo e o cabeote.
Amortecimento fixo
Discos de material macio montados nos cabeote absorvem o impacto do mbolo.
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Amortecimento ajustvel
O mbolo se move para a esquerda com alta velocidade. A exausto do ar dada pelo centro da vedao.
A vedao empurrada para a esquerda vedando no fundo do alojamento e pelo dimetro interno.
O ar s pode escapar pelo parafuso de ajuste. A presso cresce e amortece o mbolo.
O parafuso ajustado para proporcionar um contato suave do mbolo e da carga com o cabeote.
A vlvula direcional invertida para o cilindro avanar. A vedao do amortecedor empurrada para a direita. Canais do lado direito e o lado externo da vedao permitem
a livre passagem do ar.
O mbolo inicia o movimento para a direita sem a restrio do parafuso de ajuste.
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Consumo de ar
Cilindro de simples efeito
ccsf
RNLAC
...
C consumo de ar em litros/min; A rea do cilindro em cm2; L curso do pisto em cm; Nc nmero de ciclos/min Rc razo de compresso T tempo para um nico ciclo em segundos
Patm
PatmPtRc
Pt presso de trabalho Patm presso atmosfrica
T
RLAC csf
..
Dimensionamento do cilindro
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Cilindro de duplo efeito
ccdf
RNLaAC
..).(
C consumo de ar em litros/min; A rea do cilindro em cm2; a - rea da coroa circular do cilindro
em cm2;
L curso do pisto em cm; Nc nmero de ciclos/min Rc razo de compresso T tempo para um nico ciclo em segundos
T
RLaAC csf
.).(
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Cilindro de haste dupla
cchd
RNLaC
..).2(
C consumo de ar em litros/min; A rea do cilindro em cm2; a - rea da coroa circular do cilindro
em cm2;
L curso do pisto em cm; Nc nmero de ciclos/min Rc razo de compresso T tempo para um nico ciclo em segundos
T
RLaC chd
.).2(
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Calcular o consumo e o fluxo de ar para um cilindro de
simples ao com 100mm de dimetro e 1m de curso.
Sabe-se que a presso de trabalho 6 bar e o nmero e
tempo de ciclo 1/8 ciclos por segundo.
Exemplo
ccsf RNLAC ...
013,1
013,16.
8
1.100.
4
)10( 2 bar
segundos
cicloscm
cmCsf
92,6.min
5,7.7850 3ciclos
cmCsf
min1000
407415
min
cm407415
33 dmCsf
segundos
litros8,6
min
dm407,415
3
sfC
-
TRLAC csf
..
sCsf
8
92,6.100.4
)10( 2
s
cmCsf
8
92,6.100.78,5cm2
sCsf
8
92,6.7850cm3
1000
s
cm 6790,25
8
54322cm
3
3
s
Csf
segundos
litrosCsf 8,6
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min3,26litros
Csf
Qual o consumo de ar de um cilindro de dupla ao com
dimetro de 50 mm, dimetro da haste de 12 mm e 100 mm
de curso? O cilindro faz 10 ciclos / min. A presso de
trabalho de 6 bar.
Exerccio
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Clculo de foras
simples efeito
Fu A
ru FAPF ).(
)(_ kgfresistenteforaFF mr
Fu fora til em kgf; Fm fora da mola em kgf; P presso de trabalho em kgf/cm2;
Fat fora de atrito em kgf; A = rea do cilindro em cm2;
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duplo efeito de haste simples
A ah
a
Fu
FatAPFau ).( FataPFru ).(
Fu fora til em kgf; Fm fora da mola em kgf; P presso de trabalho em kgf/cm2;
Fat fora de atrito em kgf; A = rea do cilindro em cm2;
a - rea da coroa circular do cilindro
em cm2;
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Atuador de Alto Impacto
Clculo de fora
Da mecnica dos fluidos, o fluxo de massa de um
fluido, seja ele incompressvel ou compressvel,
permanece sempre constante ao longo de uma
tubulao pela qual escoe, independente de
quaisquer variao em sua seco transversal.
21 mxmx mm
Avmmx ..1
massa especfica do fluido kg/m3
v velocidade de escoamento (m/s)
A rea da seco transversal do duto (m2)
-
2211 .... AvAv
2211 .. AvAv
0
1
2
.
A
Avv
p
A0
Ap
)(
)(1
st
mLv
a
2
2
1mvEC
0
2)(
).(
Ast
AmLv
a
p
2
0)(
).(
2
1
Ast
AmLmEC
a
p
2
)(
)(
2
1
st
mLmEC
a
Atuador de Alto Impacto
Atuador normal
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Calcular a velocidade de avano, fora de
avano, energia cintica dissipada do cilindro
pneumtico cujas dimenses so:
Exemplo
Dp=200mm
L=150mm
M=2,5 kg
ta=1,5s
P=6bar
FatAPFau ).(
222
3144
400.14,3
4
)20.(14,3
4
.cm
DA
p
2
2 6.314cm
kgfcmFa
%10 au FF1884kgfaF 1695,6kgfuF
-
22
)(5,1
)(15,05,2.
2
1
)(
)(.
2
1
s
mkg
st
mLmEC
a
Jouless
mkgEC 0125,0
.0125,0
2
2
s
m
s
mm
s
mm
st
mLv
a
1,01005,1
150
)(
)(1
-
Calcular a energia cintica dissipada e a
velocidade do cilindro pneumtico de alto
impacto cujas dimenses so:
Exemplo
Dp=200mm
Do=40mm
L=150mm
M=2,5 kg
ta=1,5s
P=6bar
2
0)(
).(
2
1
Ast
AmLmEC
a
p
2222
01,01004
400.
4
)20.(
4
.mcm
DA
p
p
2222
0004,044
16.
4
)4.(
4
.mcm
DA oo
-
22
2
0004,0.5,1
01,0.15,0.5,2.
2
1
ms
mmC
2
2
3
.0,0006
0,0015.5,2.
2
1
ms
mEC
2
5,2.5,2.2
1
s
mEC
2
6,25.5,2.2
1
s
mEC
es7,8125Joul7,8125
2
s
mEC
Jouless
mkgEC 0125,0
.0125,0
2
2
cilindro pneumtico de alto impacto
cilindro pneumtico simples
-
sm
s
m
m
m
s
m
st
mLv
a
2,525.1,00004,0
01,0.
5,1
15,0
)(
)(2
2
2
cilindro pneumtico de alto impacto
s
m
s
mm
s
mm
st
mLv
a
1,01005,1
150
)(
)(1
cilindro pneumtico simples
-
Dimensionamento da haste
Em situaes em que h possibilidade de
alternncia da carga, com variaes para valores
ligeiramente maiores durante o deslocamento da
haste do atuador e que ela tenha L (comprimento)
igual ou maior que 500mm. Os fabricantes
disponibilizam dois ou mais dimetros de hastes
para atuadores a partir de 2.
Critrio de Euler
2
2 ..
JEK
K Carga de Flambagem E Mdulo de elasticidade do ao
J Momento de inrcia para seco circular (cm4)
- Comprimento livre de flambagem (cm)
-
22 ..
JEK
Jdh
dhJ
.64
64
. 44
E
SFaJ
JESFaK
S
KKFa
.
.....
2
2
2
2
43
2
3
22
2
4
.
...64
.
...64.
...64
E
SFa
E
SFaE
SFa
dh
-
Um dispositivo perfaz um deslocamento de
100cm de uma mesa, conforme a figura abaixo.
Dimensionar comercialmente o atuador
pneumtico. Considere a fora peso da mesa
150 kp e a presso de trabalho 6kp/cm2.
Exemplo
mesa
mmcm
cm
kp
kp
Pt
FpDp 699,6
6.
5,1.150.2
.
..2
2