•Oselementosdetrabalhoconstituemaspartesterminaisdeumcomandoautomático,utilizamenergiapotencialdoarcomprimidopararealizarmovimentosretos(atuadoreslineares)oumovimentosrotativos(motorespneumáticos).•Osatuadoreslinearesgeralmentechamadosdecilindrospneumátic

(1)

• Os elementos de trabalho constituem as partes terminais de um comando automático, utilizam energia potencial do ar comprimido para realizar movimentos retos (atuadores lineares) ou movimentos rotativos (motores pneumáticos).

• Os atuadores lineares geralmente chamados de cilindros pneumáticos, são dispositivos que alimentados por ar comprimido , fornecem energia mecânica por meio da expansão do fluido.

• Possuem grande utilização devido principalmente ao custo elevado dos motores retilíneos (elementos mecânicos acionados por motores elétricos).

• As aplicações de movimentos lineares são varias, por exemplo, empurrar, prensar, levantar, etc.

Atuadores Pneumáticos

(2)

Atuadores Pneumáticos

(3)

Atuadores Pneumáticos

Elementos de um Cilindro Pneumático

• Tampa traseira (1) e dianteira(2): fecham a câmara de ar e podem ser fixadas por parafusos, construídas geralmente de alumínio, possuem normalmente as conexões de alimentação e exaustão de ar.

• Câmara Frontal (5): É constituída de uma câmara de aço ou alumínio

• Pistão ou embolo (4): É instalada uma vedação em neoprene ou teflon para fechar hermeticamente a câmara frontal

• Haste (3): Normalmente fabricada em aço temperado

Podem ser classificados de varias formas, com base em:

• Tipo de emprego

• Diâmetro do cilindro

• Tipo de curso

• Funcionamento

• Característica de construção

(4)

Atuadores Pneumáticos

Podem ser classificados de varias formas, com base em:

• Tipo de emprego

• Cilindro Leve

• Cilindro Industrial

• Cilindro Pesado

• Diâmetro do cilindro

• Miniaturizado

• Médio

• Grande

• Tipo de curso

• Curso breve

• Funcionamento

• Simples efeito

• Duplo efeito

• Característica de construção

• Cilindros com pistão

• Cilindros com haste passante

• Cilindros duplex contínuos

• Cilindros duplex geminados

(5)

Atuadores Pneumáticos

Cilindros de Simples efeito

Só fornecem movimento linear em um único sentido (avanço) o retorno (recuo) é feito por uma mola.

A haste e curso são limitados por influencia do comprimento da mola.

Os cilindros são fabricados para cursos breves ou normais.

Para curso breves são aptos a operações de

bloqueio, a força de empurrar é muito elevada em

relação ao tamanho do cilindro.

(6)

Atuadores Pneumáticos

Cilindros de Duplo efeito

Fornecem movimento linear em dois sentidos, avanço e recuo.

As forças de avanço e retorno não são iguais, a presença da haste diminui a área do lado da câmara anterior

• O curso da haste é limitado com o comprimento

em função do tipo de carga e a força de avanço

(7)

Atuadores Pneumáticos

Diâmetros comerciais de Cilindros

Os diâmetros são normalizados de acordo com a norma CETOP ( Comitê Europeu de Transmissão Óleo – Hidráulica e Pneumática), segundo um progressão geométrica, os diâmetros tem os seguintes valores:

8, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 320, 400, 500.

Os cilindros de 8 a 25 mm são chamados de micro cilindros e a

construção é de acordo com a norma ISO 6432.

(8)

Atuadores Pneumáticos

Cilindros Especializados

Em função da demanda do setor de automação industrial, surgiu toda uma serie de cilindros denominados de “especializados” para as mais variadas aplicações, temos então:

• Cilindro de haste passante

• Cilindro linear duplex

• Cilindro duplex geminado

• Cilindros rotativos

• Cilindros sem haste

(9)

Atuadores Pneumáticos

Cilindro de haste passante

É um cilindro de duplo efeito com duas hastes contrapostas separadas pelo embolo, as áreas de avanço e retorno são iguais, logo as forças no avanço e retorno também são iguais.

É utilizado quando necessitamos de uma melhor guia da haste

(10)

Atuadores Pneumáticos

Cilindro linear duplex continuo ou Tandem

Dois cilindros de duplo efeito são montados em serie, com a haste e o embolo anterior acoplados a haste e ao embolo sucessivo.

A força de avanço é multiplicada pelo numero de cilindros.

Na situação de repouso, com a haste em posição de recuo, o ar comprimido entra no orifício (1), enquanto os orifícios indicados por (2) estão na fase de exaustão de ar, para avançar basta inverter as conexões de alimentação e descarga.

A aplicação mais comum é para prensas pneumáticas

(11)

Atuadores Pneumáticos Cilindro duplex geminado

São dois cilindros de duplo efeito de mesmo diâmetro que são montados de costas um para o outro.

Os cilindros podem ser comandados

independentemente,

permitindo diferentes posições.

Ligando dois cilindros de curso igual obtemos três posições.

Ligando dois cilindros de cursos

diferentes obtemos quatro

(12)

Atuadores Pneumáticos Cilindro rotativos

São utilizados quando há necessidade de efetuar movimentos rotativo alternativo.

São constituídos por cilindro de duplo efeito no qual parte da

haste usina-se uma

cremalheira, a qual se engrena com uma engrenagem que é solidaria ao eixo de saída.

Podemos obter giros de 0 a 300

graus.

(13)

Atuadores Pneumáticos

Cilindro sem haste

É um atuador linear sem haste, o movimento é transmitido por meio de um sistema mecânico constituído de corda e roldana.

Nos cilindros com corda, a haste é a corda ou cabo enrolados sobre uma roldana, montados em uma extremidade do cilindro.

São normalmente de grande porte.

Tem como desvantagens o forte desgaste e elevado custo.

São empregados no caso de curso

elevado, por exemplo,

acionamento de portão industrial

(14)

Atuadores Pneumáticos Cilindro com acoplador

geométrico

Nestes cilindros a força de avanço do embolo é transmitida a carga por meio de um suporte que se desloca em uma fenda longitudinal sobre o cilindro e sobre a qual podem ser fixados dispositivos, cargas, etc.

São cilindros particulares

e muito caros

(15)

Atuadores Pneumáticos Cilindro magnéticos

Nestes cilindros o embolo comporta um magneto permanente que, por meio e seu campo, transmite a força de avanço a um anel externo, deslocando-o.

A força de avanço e

recuo é limitada

(16)

Atuadores Pneumáticos

Eixos lineares

São cilindros com duas hastes em paralelo, ligadas por um cabeçote que garante a máxima precisão no posicionamento e transporte de peças.

O principio do duplo pistão

assegura uma força de avanço

dobrada

(17)

Atuadores Pneumáticos

Eixos lineares

Combinando diferentes eixos lineares, com tipos particulares de adaptadores, é possível

construir manipuladores do tipo pick-and-place (escolha e coloque) inteiramente

pneumáticos

(18)

Atuadores Pneumáticos

Dimensionamento de cilindros

As variáveis envolvidas no dimensionamento de cilindros pneumáticos são:

• Pressão de regime, p [bar]

• Diâmetro do pistão, D [mm]

• Diâmetro da haste, d [mm]

• Resistencia de atrito do ar e da vedação, Fra [N]

• Área do pistão, A1 ou Ap [mm2]

• Área da haste, A3 ou Ah [mm2]

• Área da coroa, A2 ou Ac [mm2]

• Força de avanço, Fa [N]

• Força de retorno, Fr [N]

(19)

Atuadores Pneumáticos

Dimensionamento de cilindros de duplo efeito O calculo da força de avanço é feito por:

O calculo da força de retorno é feito por:

A força de resistência de atrito do ar e vedação é feita por:

(20)

Atuadores Pneumáticos

Dimensionamento de cilindros de simples efeito

O calculo da força de avanço é feito por:

(21)

Atuadores Pneumáticos

Fra igual a 10%

de Fa

(22)

Atuadores Pneumáticos

Campo de aplicação dos atuadores pneumáticos H Hidráulica

(100 a 10.000 N,

100 t a 10.000 mm/s)

M Combinação motor e fuso

(0.5 a 2.000 N)

P Pneumatica

(0.1 a 5.000 N,

10 a 15.000 mm/s)

S Motor de passo

(23)

Atuadores Pneumáticos

Exercício 1

Calcule a força de avanço e retorno de um cilindro de duplo efeito com os seguintes parâmetros:

• Diâmetro do pistão, 50 mm;

• Diâmetro da haste, 10 mm;

• Pressão de regime, 6 bar;

• Supor força de resistência do ar e vedação igual a

10% da força ideal

(24)

Atuadores Pneumáticos

Exercício 2

Calcule o diâmetro de um cilindro de duplo efeito com os seguintes parâmetros:

• Pressão de regime, 8 bar;

• Força de avanço, 2000 N;

• Supor força de resistência do ar e vedação igual a

10% da força ideal

(25)

Atuadores Pneumáticos

Exercício 3

Calcule a força de avanço e retorno de um cilindro de duplo efeito com os seguintes parâmetros:

• Diâmetro do pistão, 160 mm;

• Diâmetro da haste, 40 mm;

• Pressão de regime, 8 bar;

• Supor força de resistência do ar e vedação igual a

10% da força ideal

(26)

Atuadores Pneumáticos

Exercício 4

Calcule o diâmetro de um cilindro de duplo efeito com os seguintes parâmetros:

• Pressão de regime, 7 bar;

• Força de avanço, 11000 N;

• Supor força de resistência do ar e vedação igual a

10% da força ideal

(27)

Atuadores Pneumáticos

Consumo de ar de cilindros

Para projetar uma instalação pneumática necessitamos saber o consumo de ar comprimido, grande parte do consumo de ar se deve a cilindros e atuadores pneumáticos em geral.

Podemos considerar os cilindros pequenos

reservatórios em que ocorre o processo de

enchimento e esvaziamento um certo numero de

vezes por minuto.

(28)

Atuadores Pneumáticos

Consumo de ar dos Cilindros pneumáticos

As variáveis envolvidas no calculo do consumo de ar são:

• Pressão relativa de regime, pr [MPa] – (0,1 Mpa = 1 bar)

• Pressão absoluta de regime, pa [MPa] – (pa = pr + 0,1)

• Pressão absoluta de regime da câmara do lado da haste, pan [Mpa]

• Diâmetro do pistão, D [mm]

• Diâmetro da haste, d [mm]

• Curso do cilindro, c [mm]

• Área do pistão, A1 ou Ap [mm2]

• Área da haste, A3 ou Ah [mm2]

• Área da coroa, A2 ou Ac [mm2]

• Frequência do movimento do cilindro (avanço e recuo), n [min-1]

(29)

Atuadores Pneumáticos

Consumo de ar dos Cilindros de simples efeito

A partir da equação dos gases perfeitos e considerando a temperatura constante, as variáveis de índice são relativas a pressão atmosférica e as variáveis de índice 2 são relativas ao regime, temos:

Alterando a unidade de V de mm3 para litros e substituindo o valor da pa1 = 0,1 MPa, temos:

Introduzindo a frequência do movimento de avanço e recuo por minuto, temos:

(30)

Atuadores Pneumáticos

Consumo de ar dos Cilindros de duplo efeito efeito

Quando o cilindro é de duplo efeito devemos adicionar ao consumo da câmara positiva o consumo da câmara negativa.

• Com duas câmaras de igual pressão

=

• Com duas câmaras a pressões diferentes

(31)

Atuadores Pneumáticos

Consumo de ar dos Cilindros de duplo efeito efeito

Nas equações anteriores não consideramos o espaço de ambas as câmaras que ficam inutilizado.

Para considerar o espaço inutilizado, podemos fazer uso das equações simplificadas

• Esta é a equação mais utilizada

(32)

Atuadores Pneumáticos

Exercício 5

Calcule o consumo de ar utilizando a formula completa e simplificada para um cilindro de duplo efeito com os seguintes parâmetros:

• Diâmetro do cilindro, 80 mm;

• Diâmetro da haste, 25 mm;

• Curso do cilindro, 400 mm;

• Pressão relativa de regime nas duas câmaras, 6 bar;

• Numero de ciclos por minuto igual a 1.

(33)

Atuadores Pneumáticos

Exercício 6

Calcule o consumo de ar utilizando a formula completa e simplificada para um cilindro de duplo efeito com os seguintes parâmetros:

• Diâmetro do cilindro, 160 mm;

• Diâmetro da haste, 40 mm;

• Curso do cilindro, 600 mm;

• Pressão relativa de regime no cilindro, 8 bar;

• Pressão relativa de regime na coroa, 6 bar;

• Numero de ciclos por minuto igual a 1.

(34)

Atuadores Pneumáticos

Dimensionamento da haste do cilindro

O diâmetro da haste depende do comprimento da haste, do tipo de vinculo e da carga de ponta que atua na haste.

Na figura temos uma haste que é pressionada com uma força em uma extremidade, com o aumento da força temos a flexão da haste, aumentando a força teremos a ruptura da mesma.

Se repetirmos o processo de carregamento para uma das partes quebradas verificamos que teremos uma maior dificuldade em repetir a operação.

Chamamos de comprimento critico o máximo comprimento admissível antes que a haste flexione

(35)

Atuadores Pneumáticos

Exemplo:

Supondo uma carga aplicada de 800 N, curso de 800 mm e diâmetro do pistão de 50 mm, determinar o diâmetro da haste.

Solução:

Partindo do eixo da

força de avanço de, F =

800 N, cruzamos com o

valor do curso = 800

mm, verificamos que o

diagrama indica um

diâmetro de haste

maior que 16mm,

(36)

Atuadores Pneumáticos

A relação entre a carga critica ₎ que provoca a flambagem da haste na compressão é denominada tensão critica de flambagem ₎

Normalmente utilizamos um fator de segurança, (k) que varia entre 4 a 6.

Podemos agora definir como a carga unitária admitida ( ₎ como:

A partir da equação acima podemos calcular o diâmetro da haste, d, que devera obedecer a seguinte recomendação pratica (considerada nos catálogos e ábacos dos fabricantes):

Se a relação acima for obedecida o dimensionamento esta correto, caso contrario

será necessário empregar o equação de Euler para efetuar o dimensionamento da

(37)

Atuadores Pneumáticos

Formula de Euler para colunas biarticuladas

(38)

Atuadores Pneumáticos

Dimensionamento da haste do cilindro

O comprimento critico depende do vinculo mecânico entre a carga e a haste, na figura

temos os diversos tipos de vínculos.

(39)

Atuadores Pneumáticos

Equação de Euler para diferentes vínculos de extremidade.

Onde:

E = Modulo de Elasticidade, [MPa]

I = Momento de Inercia, [mm4]

Le= Comprimento equivalente, [mm]

r = raio de giração, [mm]

A = área da haste do cilindro, [mm]

 = Índice de esbeltes

= Carga critica de flambagem, [N]

= Tensão critica de flambagem, [MPa]

(40)

Atuadores Pneumáticos

Equação de Euler para diferentes vínculos de extremidade.

(41)

Atuadores Pneumáticos

Equação de Euler para diferentes vínculos de extremidade.

, ,

(42)

Atuadores Pneumáticos

Diferentes vínculos de extremidade para cilindros pneumáticos

As equações mostradas nas figuras já consideram a relação entre “Le” e “L”,

(𝑃 𝑜𝑢 𝐹 ₎

(43)

Atuadores Pneumáticos

Exercício 7

Dado um cilindro com força de avanço de 52000 N, comprimento livre de 250 mm, tendo um lado engastado e o outro livre (caso 1) e a tensão critica igual a 600 Mpa e considerando um fator de segurança igual a 5, pede-se determinar o diâmetro da haste. Dados: E = 220 GPa

Efetuar a verificação do comprimento livre, L = 250

mm é menor que 10.d, onde d é o diâmetro da haste

calculado

(44)

Atuadores Pneumáticos

Exercício 7

Dado um cilindro com força de avanço de 52000 N, comprimento livre de 250 mm, tendo um lado engastado e o outro livre (caso 1) e a tensão critica igual a 600 Mpa e considerando um fator de segurança igual a 5, pede-se determinar o diâmetro da haste.

𝜎 = 𝜎

𝑘 = 600

5 = 120 𝑀𝑃𝑎 → 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑠𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑎𝑚𝑏𝑎𝑔𝑒𝑚

𝜎 = 𝑃

𝐴 → 𝐴 = 𝑃

𝜎 = 52000

120 = 433 𝑚𝑚

𝐴 = 𝜋. 𝑑

4 → 𝑑 = 4. 𝐴

𝜋 = 4.433

𝜋 = 23,47 𝑚𝑚

Como o comprimento livre L = 250 mm é maior que 10.d = 234,7 devemos efetuar a verificação

da carga de ponta utilizando a equação de Euler

(45)

Atuadores Pneumáticos

Exercício 7

𝑃 = 𝑘. 𝐹 = 5.52000 = 260000𝑁 → 𝑒 𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑎𝑚𝑏𝑎𝑔𝑒𝑚

. . .( . )

. = ^{.( .} _. ⁾ =29936

Ou seja a haste do cilindro deve possuir um diâmetro maior ou igual a

27,95 mm

(46)

Atuadores Pneumáticos

Exercício 8

Um cilindro pneumático tem força de avanço máxima de 15000 N, comprimento virtual livre de 2120 mm, com as duas extremidades articuladas, diâmetro da haste de 34 mm, considerando um fator de segurança igual a 4.

Verificar se com o tipo de fixação prevista, duas extremidades articuladas, ele pode ser empregado sem problemas de flambagem. Em caso contrario, substituir o cilindro, tendo em conta que a pressão de trabalho é 50 bar.

Dados:

(47)

Atuadores Pneumáticos

Exercício 8

Um cilindro pneumático tem força de avanço máxima de 15000 N, comprimento virtual livre de 2120 mm, com as duas extremidades articuladas, diâmetro da haste de 34 mm, considerando um fator de segurança igual a 4.

Verificar se com o tipo de fixação prevista, duas extremidades articuladas, ele pode ser empregado sem problemas de flambagem. Em caso contrario, substituir o cilindro, tendo em conta que a pressão de trabalho é 50 bar.

Dados: E = 220 Gpa

𝑃 = 𝑘. 𝐹 = 4.15000 = 60000𝑁 → 𝑒 𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑎𝑚𝑏𝑎𝑔𝑒𝑚

𝐼 = 𝜋. 𝑑

64 = 𝜋. 34

64 = 65597𝑚𝑚

𝑃 = ^{. .} = ^. ^. =31690N→ 𝑒𝑠𝑡𝑎 é 𝑎 𝑚𝑎𝑖𝑜𝑟 carga critica possível no cilindro

Como 31690 N é menor que 60000 No cilindro não pode ser utilizado para esta tarefa, pois

há o perigo de flambagem.

(48)

Atuadores Pneumáticos

Exercício 8

Iremos calcular o diâmetro da haste necessário para este cilindro

𝑃 = 𝑘. 𝐹 = 4.15000 = 60000𝑁 → 𝑒 𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑎𝑚𝑏𝑎𝑔𝑒𝑚

. . .

. = ^.( ⁾

. =

Ou seja a haste do cilindro deve possuir um diâmetro maior ou igual a 40 mm

(49)

Atuadores Pneumáticos

Exercício 9

Dado um cilindro com força de avanço de 12000 N, comprimento livre de 400 mm, tendo um lado engastado e o outro articulado (caso 3) e a tensão critica igual a 600 Mpa e considerando um fator de segurança igual a 4, pede-se determinar o diâmetro da haste. Dados: E = 210 GPa

Efetuar a verificação do comprimento livre, L = 500

mm é menor que 10.d, onde d é o diâmetro da haste

calculado

(50)

Atuadores Pneumáticos

Exercício 10

Um cilindro pneumático tem força de avanço máxima de 25000 N, comprimento virtual livre de 1500 mm, com as duas extremidades engastadas, diâmetro da haste de 20 mm, considerando um fator de segurança igual a 4.

Verificar se com o tipo de fixação prevista, duas extremidades engastadas, ele pode ser empregado sem problemas de flambagem. Em caso contrario, substituir o cilindro, tendo em conta que a pressão de trabalho é 10 bar.

Dados: