Diseño de un sistema neumático más eficiente para el envasado automatizado

En una máquina de envasado de alto rendimiento, el rendimiento neumático no depende únicamente de seleccionar un cilindro con suficiente fuerza teórica. El cilindro, la isla de válvulas, los tubos, el suministro de aire comprimido y la estrategia de control deben funcionar como un sistema completo para que la máquina alcance de forma constante el tiempo de ciclo requerido sin consumir más aire comprimido del necesario.

Ese era el reto de ingeniería detrás de una nueva aplicación de envasado automatizado desarrollada por BEUMER. El sistema requería movimientos neumáticos compactos y repetibles y, al mismo tiempo, debía facilitar un montaje y una puesta en marcha eficientes de la máquina.

Colaboramos con BEUMER desde las primeras fases del desarrollo del circuito neumático hasta las pruebas en sus instalaciones. Juntos revisamos el sistema neumático completo, incluidos el dimensionamiento de los cilindros, la configuración de la isla de válvulas, las dimensiones de los tubos, el suministro de aire comprimido y los requisitos de control.

Por qué es importante el diseño neumático a nivel de sistema

Un circuito neumático puede contener componentes individuales correctamente especificados y, aun así, ofrecer un rendimiento deficiente como sistema completo.

Por ejemplo, un cilindro puede proporcionar suficiente fuerza teórica, pero un caudal de válvula limitado, tramos de tubo largos o una caída de presión durante los picos de demanda pueden impedir que complete su carrera en el tiempo requerido. Por el contrario, aumentar el tamaño de todos los componentes para crear un margen de diseño adicional puede incrementar el coste, el espacio de instalación y la demanda de aire comprimido sin resolver la limitación subyacente.

Por ello, en la aplicación de BEUMER consideramos el recorrido neumático completo, en lugar de tratar los cilindros, las válvulas y los tubos como tareas de especificación independientes.

Partir del movimiento y la carga requeridos

La selección del cilindro debe empezar por la tarea que debe realizar el mecanismo. Esto incluye la carga que se va a mover, la carrera requerida, la orientación de montaje y el tiempo disponible para completar cada movimiento.

El cálculo también debe tener en cuenta la presión disponible en el actuador, no solo la presión nominal del sistema. La fricción, la aceleración, la resistencia externa, la alineación mecánica y la amortiguación de final de carrera pueden influir en el rendimiento real.

Junto con BEUMER, apoyamos la selección de los cilindros a partir de los requisitos de carga y fuerza de la aplicación. También tuvimos en cuenta el tiempo de ciclo necesario y cómo debía responder el mecanismo si se interrumpía la alimentación eléctrica o el aire comprimido.

Este enfoque basado en la aplicación ayuda a evitar dos problemas de especificación habituales: seleccionar un cilindro que no rinde bien en condiciones dinámicas o sobredimensionar el actuador y consumir más aire comprimido del que requiere el movimiento.

Adaptar la capacidad de caudal de las válvulas a la demanda real

La isla de válvulas debe proporcionar un caudal suficiente cuando la máquina lo necesita. Esto es especialmente importante cuando varios actuadores funcionan al mismo tiempo.

Los datos nominales de caudal de las válvulas son un punto de partida útil, pero no siempre reflejan la presión disponible en cada actuador durante un pico de demanda. El número de posiciones de válvula alimentadas a través de una entrada, la secuencia de funcionamiento y la demanda de caudal combinada pueden afectar a la respuesta del sistema.

Junto con BEUMER, definimos la configuración de la isla de válvulas, dimensionamos las válvulas y determinamos cómo debía distribuirse la alimentación neumática en el sistema.

Esto nos permitió equilibrar dos requisitos: proporcionar un caudal suficiente para una respuesta constante de los actuadores y evitar una capacidad innecesaria que aumentaría el tamaño, el coste o la complejidad.

Agrupar varias funciones de válvula en una isla de válvulas configurada también crea una arquitectura neumática más ordenada, lo que reduce la cantidad de tuberías independientes y de cableado necesarios en la máquina.

Dimensionar los tubos según el caudal, la distancia y el volumen de aire

Los tubos son una parte importante del circuito neumático, pero a menudo se tratan como una decisión secundaria.

Unos tubos demasiado restrictivos pueden provocar una caída de presión y limitar la velocidad del actuador. Sin embargo, aumentar el diámetro del tubo no siempre es la solución. Unos tubos más grandes o innecesariamente largos aumentan el volumen interno que debe presurizarse y evacuarse en cada ciclo.

La elección correcta depende del caudal requerido por el actuador, la distancia entre la válvula y el actuador, la presión de trabajo, las restricciones de los racores y conexiones, el tiempo de movimiento requerido y el volumen de aire utilizado en cada ciclo.

Revisamos con BEUMER las dimensiones de los tubos y las vías de caudal en lugar de aplicar una regla general de sobredimensionamiento. El objetivo era proporcionar la respuesta requerida de los actuadores y, al mismo tiempo, controlar el volumen innecesario de aire comprimido.

Siempre que sea posible, situar las válvulas más cerca de los actuadores también puede reducir el volumen de los tubos y la caída de presión. No obstante, la accesibilidad, las condiciones ambientales y los requisitos de mantenimiento deben tenerse en cuenta junto con la eficiencia neumática.

Tener en cuenta el suministro completo de aire comprimido

Un funcionamiento neumático fiable depende de la presión, la calidad y el estado del suministro de aire comprimido.

Aunque los componentes individuales estén correctamente dimensionados, las restricciones o fluctuaciones de presión en otras partes del sistema pueden afectar al rendimiento de la máquina. Por ello, la preparación de aire, la capacidad de las líneas de suministro, el aislamiento, el drenaje y el trazado de las tuberías deben considerarse parte del diseño global de la máquina.

Como parte de nuestro trabajo con BEUMER, asesoramos sobre la disposición del suministro de aire comprimido y de las líneas neumáticas, incluida la gestión del condensado en el sistema.

Entre los aspectos de diseño importantes se incluyen la presión disponible durante los periodos de máxima demanda, una filtración adecuada a la aplicación, los posibles puntos bajos donde podría acumularse condensado, la previsión de drenaje, el trazado de tuberías y mangueras, el aislamiento y la despresurización, y el acceso para inspección y mantenimiento.

Abordar estas cuestiones desde el principio puede ayudar a proteger los componentes neumáticos, reducir las caídas de presión evitables y facilitar el mantenimiento del sistema final.

Definir el comportamiento ante fallos durante el diseño del circuito

La pérdida de alimentación eléctrica o de aire comprimido debe tenerse en cuenta desde el primer desarrollo del circuito neumático, no después de montar la máquina.

La respuesta requerida dependerá del mecanismo y de la evaluación de riesgos de la máquina. Un actuador puede necesitar detenerse, retraerse, extenderse o mantener una posición definida. Cuando la gravedad, una carga externa o la energía neumática almacenada puedan provocar un movimiento, pueden ser necesarias medidas de control adicionales.

Durante el proceso de diseño con BEUMER, analizamos cómo debía responder el circuito neumático si se interrumpía el suministro eléctrico o el suministro de aire comprimido.

En esta fase, es importante establecer la posición que debe adoptar cada actuador, si una carga podría moverse al perderse la presión, si la energía neumática almacenada debe aislarse o evacuarse, qué debe ocurrir cuando se restablezca la presión o la alimentación eléctrica, y cómo aislará el personal de mantenimiento el sistema y verificará su estado.

Definir estos requisitos desde el principio ayuda a garantizar que la arquitectura del circuito respalde el comportamiento previsto de la máquina desde el primer momento.

Probar el recorrido neumático completo

Los cálculos y los datos de los componentes constituyen la base de un diseño, pero el sistema neumático completo debe evaluarse igualmente en condiciones de funcionamiento representativas.

Visitamos las instalaciones de BEUMER para revisar la instalación montada y confirmar que el sistema seguía el diseño neumático acordado. Juntos examinamos el layout, las vías de caudal y los parámetros de control, e introdujimos ajustes para favorecer un funcionamiento constante.

Una prueba neumática práctica debe tener en cuenta la presión de suministro en reposo y durante el caudal máximo, el movimiento de los actuadores y el tiempo de ciclo, la repetibilidad en ciclos consecutivos, la demanda simultánea de los actuadores, la amortiguación y el comportamiento al final de carrera, las fugas, la respuesta ante la pérdida de alimentación eléctrica o de aire comprimido, y el comportamiento en el rearranque.

Probar la máquina completa puede revelar problemas difíciles de detectar solo a partir de los datos de los componentes. El trazado de los tubos, las restricciones de los racores, las condiciones de escape y los parámetros de control pueden influir en el comportamiento del sistema neumático en servicio.

Apoyo a BEUMER desde el diseño hasta las pruebas

Gracias a nuestra colaboración con BEUMER, desarrollamos un sistema neumático en torno a los requisitos de la aplicación de envasado automatizado, en lugar de partir de una lista de componentes predeterminada.

Nuestro trabajo incluyó la revisión del circuito neumático, el apoyo en el dimensionamiento de actuadores y válvulas, la configuración de la arquitectura de la isla de válvulas, la evaluación de las dimensiones de los tubos y las vías de caudal, el asesoramiento sobre el suministro de aire comprimido y la gestión del condensado, el análisis de la respuesta del sistema ante interrupciones de la alimentación eléctrica o del aire, y el apoyo a las pruebas en las instalaciones de BEUMER.

Este enfoque integrado permitió considerar conjuntamente el diseño mecánico, la arquitectura neumática y los requisitos de control.

Lecciones prácticas para diseñadores de máquinas de envasado

El proyecto pone de relieve cinco principios que pueden aplicarse a otros sistemas de envasado automatizado.

Especificar el movimiento antes de seleccionar el componente

Defina la carga, la carrera, la orientación, el tiempo de movimiento requerido y el comportamiento previsto ante fallos antes de elegir el actuador.

Comprobar las condiciones de funcionamiento dinámicas

Evalúe la presión y el caudal disponibles durante los picos de demanda, no solo la presión de suministro estática.

Tratar los tubos como parte del circuito neumático

El diámetro, la longitud, los racores y el volumen interno de los tubos influyen en la respuesta del actuador y en el consumo de aire comprimido.

Definir los criterios de prueba con antelación

Acuerde cómo se evaluarán el tiempo de ciclo, la repetibilidad, el consumo de aire y el comportamiento del sistema antes de la puesta en marcha final.

Revisar la máquina montada

Los detalles de instalación y los parámetros de control pueden afectar al rendimiento real, incluso cuando los cálculos originales y la selección de componentes son correctos.

Hable con nosotros sobre su aplicación de máquina de envasado

Si está diseñando o actualizando un sistema neumático para equipos de envasado o de manipulación de materiales, hable con nosotros sobre su carga, perfil de movimiento, tiempo de ciclo, presión disponible, limitaciones de instalación y el comportamiento requerido de la máquina.

Podemos ayudarle a evaluar el recorrido neumático completo y a identificar cómo el dimensionamiento de los actuadores, la configuración de las válvulas, la selección de los tubos y las pruebas del sistema pueden contribuir a un diseño de máquina más eficiente y constante.