Principi di Pneumatica La pneumatica si occupa dell’utilizzo dell’aria compressa per realizzare diverse applicazioni quali: movimentazioni, regolazioni, automatismi, azionamenti di macchine ecc. Si realizza una trasmissione di potenza. Un impianto pneumatico è sempre costituto da due parti fondamentali: − la centrale di compressione; − il circuito di utilizzazione dell’aria compressa.

A) La centrale di compressione. La centrale è costituita dai seguenti elementi (vedi schema di Fig.1): − il compressore, dotato di un efficiente filtro all’aspirazione, solitamente di tipo volumetrico,

rotativo (ad es. a palette) oppure (e molto spesso) alternativo; − il refrigeratore, costituto da uno scambiatore di calore aria/aria (con elettroventola) oppure

aria/acqua avente due funzioni fondamentali: evitare che i vapori di olio lubrificante provenienti dal compressore formino con l’aria ad

elevata temperatura una miscela esplosiva, innescabile dalla eventuale presenza di “punti caldi”;

provocare la condensazione dei vaporo di acqua ed olio, portando, dopo la separazione del condensato, il punto di rugiada a valori di circa 30°C;

− il separatore di condensa, avente lo scopo di trattenere e separare le goccioline di condensa causate dalla refrigerazione e rimaste in sospensione nell’aria; ne esistono diversi tipi (centrifughi, a filtro ceramico ecc.) in grado di separare gocce dell’ordine dei micron;

− un essiccatore d’aria, che deve essere presente in tutte le applicazioni in cui il punto di rugiada raggiunto con il refrigeratore non è sufficiente per la buona conservazione e il buon funzionamento del circuito. L’essiccamento si può realizzare praticamente in due modi: per adsorbimento in sostanze quali gel di silice o carbone attivo (punto di rugiada tra -36 °C e

-40°C). La rigenerazione si effettua mediante riscaldamento; per refrigerazione in una macchina a ciclo frigorifero, con separatore automatico di condensa.

Con tale impianto il punto di rugiada può essere adeguato alle diverse esigenze; − un serbatoio di accumulo dell’aria compressa, che ha una duplice funzione: costituisce la riserva d’aria dell’impianto per evitare al compressore un funzionamento

discontinuo; nel caso di compressori alternativi, esso costituisce lo smorzatore delle oscillazioni indotte nel

fluido dalle variazioni cicliche di portata. Se svolge solo la prima funzione, la sua capacità è inversamente proporzionale alle dimensioni dell’impianto: nei grandi impianti il consumo d’aria tende a essere mediamente costante e, d’altra parte, costituire una vera riserva comporterebbe la realizzazione di serbatoi di dimensioni eccessive. Il serbatoio conterrà aria alla pressione compresa tra il valore ammissibile per l’impianto (Pmax) e il valore nominale di funzionamento dell’impianto (Pnom, coincidente con la pressione minima nel serbatoio). Anche il serbatoio sarà dotato di un dispositivo di drenaggio della condensa;

− un gruppo FRL (Filtro, Regolatore di pressione, Lubrificatore) installato immediatamente a monte del circuito. La funzione del filtro è ovvia, mentre il regolatore di pressione la riduce dal valore del serbatoio a quello richiesto dal circuito, e la mantiene costante. Il lubrificatore immette una certa quantità di olio polverizzato nell’aria di alimentazione, ha all’incirca le dimensioni di un filtro a tazza e la polverizzazione avviene per effetto Venturi. La lubrificazione è necessaria perché gli elementi costituenti un circuito pneumatico hanno parti mobili (cilindri, valvole ecc.). L’olio lubrificante va introdotto dopo l’essiccamento per evitare l’emulsionamento (come accadrebbe con l’olio proveniente dal compressore). La polverizzazione dell’olio deve

essere molto spinta; per evitare depositi in caso di condutture molto lunghe, conviene spostare il lubrificatore a monte dell’organo da lubrificare.

A. Compressore B. Refrigeratore C. Separatore di condensa D. Essiccatore E. Separatore di condensa F. Serbatoio di accumulo

Gruppo F.R.L. (1 – filtro, 2 – regolatore di pressione, 3 – lubrificatore)

Fig. 1 – Schema di una centrale di compressione

B) Il circuito di utilizzazione dell’aria compressa Gli elementi fondamentali che costituiscono un circuito di utilizzazione dell’aria compressa sono: − cilindri pneumatici; − apparecchiature oleopneumatiche; − valvole pneumatiche di comando; − valvole di regolazione; − organi accessori. B1) Cilindri pneumatici B1.1 Il cilindro semplice. Schematicamente è costituito come illustrato in Fig.2.

Fig. 2 – Schema di un cilindro pneumatico

Il cilindro utilizza l’energia “potenziale” dell’aria compressa per trasformarla in energia cinetica dello stelo. I parametri significativi di un cilindro sono: − diametro interno: Di ; − sezione utile di spinta: 𝐴𝑆 = 𝜋𝐷𝑖

2

4 ;

− sezione utile di tiro: 𝐴𝑡 = �𝐷𝑖2−𝑑𝑠2�𝜋4

, dove ds è il diametro dello stelo; − la corsa utile; − il numero di effetti (direzioni lungo le quali si può esercitare la spinta). Uno spaccato è riportato nella Fig.3

Fig. 3 – Spaccato di un cilindro pneumatico. Il cilindro può essere vincolato alla struttura utilizzatrice in diversi modi (fissaggi a flangia, a perni, a cerniera ecc.) per realizzare il tipo di trasmissione voluto. Il consumo d’aria si calcola banalmente come prodotto del volume interno per la densità dell’aria per la frequenza delle corse, come per qualsiasi macchina volumetrica.

B1.2 Cilindri in esecuzioni speciali.

Alcuni esempi sono riportati in Fig.4. Si possono sommare le forze o le corse, realizzare sistemi a percussione, generatori di coppia per convertire il moto lineare in spostamenti angolari, realizzare spostamenti complessi e posizionamenti di precisione. I cilindri, opportunamente collegati alle macchine, consentono una molteplicità d’impieghi (come illustrato negli esempi di Fig. 5).

a stelo passante cilindri in tandem (si sommano le forze) a percussione (con serbatoio, come in figura, o a molla) per velocità di traslazione fino a 7-8 m/s generatori di coppia (lo stelo è dotato di una cremagliera in presa con un pignone collegato all’utilizzatore) (esiste anche il tipo a stelo rotante) cilindri telescopici (si sommano le corse) cilindri Duplex in linea o articolati (considerando le sole posizioni di fondo corsa, realizzano 4 diversi posizionamenti) posizionatori: mediante l’azione di contrasto di una molla (o con altri sistemi) realizzano posizionamenti proporzionali alla pressione applicata

Fig. 4 – Esempi di cilindri in esecuzioni speciali.

B2) Apparecchiature oleopneumatiche Sono apparecchiature miste aria-olio che combinano i pregi di entrambi i sistemi per realizzare: − moltiplicatori di pressione − dispositivi di controllo degli azionamenti

Fig. 5 – Esempi di applicazioni di cilindri pneumatici

B2.1 Moltiplicatori di pressione

Vediamone l’applicazione a una pressetta idraulica, Fig. 6. Detta Pa la pressione dell’aria, la forza esercitata è 𝐹 = 𝑃𝑎𝜋𝐷𝑎2/4 , cui corrisponde per l’olio una pressione Po:

𝑃0 =𝐹𝑆𝑜

= 𝑃𝑎𝜋𝐷𝑎2

44𝜋𝐷𝑜4

= 𝑃𝑎 �𝐷𝑎𝐷𝑜�2

Si ha quindi Po>>Pa (effetto del moltiplicatore di pressione). Sulla pressa si eserciterà dunque una forza:

𝐹𝑝 = 𝑃𝑜𝜋𝐷𝑝2

4= 𝑃𝑎 �

𝐷𝑎𝐷𝑜�2 𝜋𝐷𝑝2

4

Tale forza si eserciterà però solo in condizioni statiche, cioè con la pressa a contatto del pezzo da trattare. Durante la corsa di avvicinamento si ha solo flusso d’olio da A a

B, e l’operazione avviene a bassa pressione. Con pochi bar di pressione (5 o 6) si possono realizzare pressioni anche 100 volte più elevate, non realizzabili con il solo impiego d’aria, e senza ricorrere a costose apparecchiature puramente oleodinamiche. B2.2 Dispositivi di controllo degli avanzamenti Il moto dello stelo nei cilindri pneumatici non avviene a velocità costante, a causa della comprimibilità dell’aria che provoca accelerazioni e decelerazioni al variare della resistenza. In alcuni casi (a es. avanzamento degli utensili nelle macchine per lavorazioni meccaniche) ciò non è accettabile. Per uniformare il moto si adottano allora dei sistemi che realizzano una contropressione idraulica regolabile ma costante, mentre continua ad essere pneumatica la “forza motrice”. Alcuni schemi sono riportati in Fig. 7.

Fig. 7 – Esempi di applicazione dei dispositivi di controllo degli avanzamenti.

Fig. 6 – Schema di una pressetta idraulica: ‘A’ moltiplicatore di pressione, ‘B’ pressetta idraulica

B3) Valvole pneumatiche di comando Sono gli organi di distribuzione dell’aria compressa per il comando di cilindri e altri utilizzatori pneumatici. Sono, secondo la funzione, a 2, 3, 4 o più vie. La Fig. 8 riporta degli esempi con riferimento ai seguenti tipi: − valvola a due vie (aperto/chiuso); − valvola a tre vie (entrata, utilizzazione, scarico); − valvola a 4 vie (entrata, 2 utilizzazioni, 1 o 2 scarichi).

Fig. 8 – Esempi di valvole di comando.

Con entrata chiusa, si possono avere utilizzatori chiusi e scarichi bloccati, così da bloccare il pistone del cilindro pneumatico nella posizione voluta (valvola “normalmente chiusa”) oppure utilizzatori collegati con gli scarichi, così da consentire il libero movimento del pistone (valvola “normalmente aperta”). Esistono poi valvole “neutre” con possibilità di entrambe le posizioni. Le valvole possono essere di diversi tipi (a otturatore, pistone, cassetto), e possono essere comandate manualmente oppure meccanicamente o elettricamente. Dati caratteristici delle valvole sono i diametri degli attacchi e la portata con caduta di pressione di 1 bar, in condizioni controllate. B4) Valvole di regolazione Esse consentono di dare flessibilità d’uso al circuito pneumatico (che è il pregio fondamentale di questi circuiti), consentendo di variare le caratteristiche di trasmissione della potenza, agendo sui due parametri caratteristici: − pressione (regolatori di pressione); − portata (regolatori di flusso). L’utilizzo dei due elementi è chiaramente evidenziato nello schema relativo a un cilindro con movimento utile verso destra, comandato da una valvola a 4 vie, illustrato in Fig. 9.

Fig. 9 – Esempio di un circuito di azionamento di un cilindro. è evidente come l’azione combinata dei due regolatori consente di regolare la forza agente sul pistone e la sua velocità di traslazione. B4.1 Regolatori di pressione Perché ci sia flusso, l’aria deve spostare un diaframma di cedevolezza regolabile solitamente agendo sulla compressione di una molla. Rientrano in questa categoria anche i pressostati. B4.2 Regolatori di flusso Sono valvole a due vie in cui la sezione di passaggio può essere più o meno ridotta mediante l’avvitamento di un otturatore. Possono essere: − bidirezionali, in cui la regolazione avviene per entrambi i sensi di flusso;

− unidirezionali, in cui la regolazione avviene in un senso, mentre nell’altro è libero, e avviene quindi attraverso un bypass (dotato di valvolina di non ritorno). L’applicazione tipica si ha nei cilindri in cui il flusso in uscita deve essere regolato, mentre quello in ingresso deve essere libero.

B5) Organi accessori

− temporizzatore pneumatico (vedi Fig. 10);

Fig. 10 – Schema di temporizzatore pneumatico.

− tubazioni e raccordi;

− valvole di ritegno o di non ritorno;

− valvole commutatrici (sono valvole di ritegno a 3 vie che consentono 2 ingressi, Fig. 11);

Fig.11 – valvola commutatrice

− valvole di scarico rapido, per lo scaricamento dei cilindri;

− silenziatori, applicabili agli scarichi;

− filtri;

− lubrificatori.

C) Simbologia Le pagine seguenti illustrano la simbologia normalizzata introdotta per la rappresentazione dei circuiti pneumatici (e oleodinamici, per i componenti con funzioni comuni nei due sistemi).