Neumática 4.º ESO: sistemas neumáticos explicados con simulador

¿Qué es la neumática?

La neumática es la técnica que usa el aire comprimido para producir movimiento y fuerza. Un compresor aprieta el aire de la atmósfera, y ese aire, conducido por tubos y dirigido por válvulas, empuja el émbolo de un cilindro. El cilindro es el que hace el trabajo: sale, empuja, sujeta o levanta.

Está en muchos más sitios de los que parece: en las puertas de los autobuses y los trenes, en los frenos de los camiones, en las pistolas y llaves de impacto del taller, en la fresa del dentista, en las líneas de envasado de alimentos y en las pinzas y ventosas de los robots industriales. Su prima es la hidráulica, que hace lo mismo con aceite en lugar de aire.

La instalación: del compresor al cilindro

Antes de llegar al cilindro, el aire recorre siempre el mismo camino. El compresor lo aspira y lo aprieta; el depósito lo guarda para que no falte aunque se gaste de golpe; la unidad de mantenimiento lo prepara; las tuberías lo llevan; y las válvulas deciden cuándo y por dónde entra en el cilindro.

La unidad de mantenimiento son tres piezas seguidas, y su orden tiene sentido: primero el filtro limpia el polvo y el agua, después el regulador baja la presión hasta la de trabajo y la mantiene —su manómetro la enseña—, y al final el lubricador añade una niebla de aceite que engrasa las juntas. La presión de trabajo típica es de 6 bar: es lo que marca el manómetro, lo que el aire empuja por encima de la presión de la atmósfera.

Cilindros de simple y doble efecto

Un cilindro es un tubo cerrado —la camisa— con un disco dentro, el émbolo, unido a una barra que sale por una de las tapas, el vástago. Las juntas impiden que el aire pase de un lado al otro. Cuando el vástago sale se dice que el cilindro avanza (A+), y cuando entra, que retrocede (A−).

El de simple efecto tiene una sola toma: el aire lo hace salir y un muelle lo devuelve. Es sencillo y gasta poco aire, pero solo hace fuerza en un sentido. El de doble efecto tiene dos tomas y hace fuerza al salir y al entrar. Eso sí, retrocede con menos fuerza, porque en la cámara delantera el vástago ocupa sitio y el aire solo empuja sobre un anillo.

Válvulas: cómo se lee un símbolo

Las válvulas que dirigen el aire se llaman distribuidoras y se nombran con dos números: una 3/2 tiene 3 vías (bocas) y 2 posiciones; una 5/2, 5 vías y 2 posiciones. En el símbolo, cada casilla es una posición, y dentro de cada casilla las flechas dicen por dónde pasa el aire y las «T», qué boca está cerrada. El reposo es la casilla a la que llegan los tubos.

Las bocas llevan números fijos, los de la norma ISO: 1 es la presión, que viene del compresor; 2 y 4 van al cilindro; 3 y 5 son los escapes; y 12 y 14, las órdenes de pilotaje. La 5/2 de arriba es monoestable: el aire que llega por 14 la cambia de posición, y el muelle la devuelve en cuanto se acaba la orden. Una biestable no tiene muelle, sino un pilotaje a cada lado, y se queda en la última posición: tiene memoria.

Una 3/2 puede ser normalmente cerrada (NC: en reposo corta el aire) o normalmente abierta (NA: en reposo lo deja pasar). A la izquierda se dibuja lo que la acciona —pulsador, pedal, palanca, rodillo o pilotaje—, y a la derecha lo que la devuelve, casi siempre un muelle.

Simbología neumática: la tabla completa

La simbología neumática es la misma en cualquier libro y en cualquier fábrica: la fija la norma ISO 1219. Estos son todos los símbolos de 4.º de ESO, con lo que hace cada uno. Son los mismos dibujos que usa el simulador de la unidad, así que lo que aprendes aquí lo reconoces allí.

Dos reglas que valen para todos: el esquema se dibuja siempre en reposo, como está antes de pulsar nada, y se lee de abajo arriba, siguiendo el camino del aire.

Circuitos básicos

Un esquema neumático se ordena por pisos, de abajo arriba: abajo la energía (compresor y unidad de mantenimiento), después las señales (pulsadores y finales de carrera), las válvulas que combinan órdenes, la válvula que mueve el cilindro y, arriba del todo, los cilindros. Cada pieza lleva el nombre de los libros: A es un cilindro, V1 la válvula que lo mueve, P1 un pulsador, y a0 y a1 los finales de carrera del vástago dentro y fuera.

En el mando directo, la válvula que tocas manda el aire al cilindro. Es lo más sencillo, pero solo vale para cilindros pequeños. En el mando indirecto, el pulsador solo da una orden de aire al pilotaje de una válvula grande, la 5/2, y es ella la que mueve el cilindro. Así el cilindro puede ser tan grande como haga falta y el mando estar lejos; por eso casi todos los circuitos de una fábrica son indirectos.

Con dos pulsadores se puede mandar desde dos puntos (una puerta que se abre desde dentro o desde fuera) con una selectora, la función O. O exigir las dos manos a la vez, como en una prensa, con una simultaneidad, la función Y: si el operario suelta una mano, la válvula vuelve y el punzón sube. Y para que el cilindro no vaya como un rayo se pone una antirretorno estrangulada que frena el aire que sale de una cámara y deja entrar libre el que llega.

Automatizar: finales de carrera y temporizador

Para que una máquina trabaje sola, el cilindro tiene que avisar de dónde está. Lo hacen los finales de carrera: válvulas 3/2 de rodillo que el vástago pisa al llegar. a0 está pisado cuando el vástago está dentro, y a1 cuando está fuera.

Con ellos se monta el ciclo continuo A+ A−. Una palanca de Marcha da aire a a0; con el vástago dentro, a0 pilota el 14 de una 5/2 y el cilindro sale. Al llegar fuera pisa a1, que pilota el 12, y el cilindro vuelve. Al llegar dentro pisa a0 otra vez, y vuelta a empezar. La 5/2 tiene que ser biestable: la orden de un final de carrera dura muy poco —en cuanto el vástago se aleja, deja de pisarlo— y la válvula tiene que recordarla.

El temporizador es una 3/2 que tarda un tiempo en conmutar después de recibir la orden: una estranguladora va llenando un depósito pequeño y, cuando está lleno, la válvula cambia. Sirve, por ejemplo, para que una prensa espere apretando unos segundos antes de subir.

Y así llega la neumática a los robots: un manipulador que coge y deja piezas es una secuencia de cilindros —baja, cierra la pinza, sube, gira—, y sus dos «manos» son la pinza, que cierra unos dedos con un cilindro, y la ventosa, que sujeta con vacío. Cuando la orden viene de un ordenador o de un Arduino, la válvula se cambia con un electroimán: es una electroválvula, el puente con la electrónica y la robótica.

¿Qué falla aquí? El método en cinco pasos

Cuando un circuito no funciona, cambiar piezas a ciegas es la forma más lenta de arreglarlo. El técnico de mantenimiento sigue siempre el mismo método:

1. Leer el esquema: qué debería pasar al pulsar.
2. Probarlo y describir el síntoma: qué pasa de verdad.
3. Seguir el aire desde el compresor, tubo a tubo, hasta ver dónde deja de llegar.
4. Sospechar de la pieza donde el aire se pierde.
5. Cambiar una sola cosa y volver a probar. Si cambias tres a la vez y funciona, no sabrás cuál era la avería.

El simulador de la unidad trae cinco circuitos averiados para practicarlo, cada uno con su síntoma: «Pulso y no pasa nada», «Sale nada más empezar», «Sale, pero no vuelve», «Pulso y no se mueve» y «Sale y se queda fuera». Los tubos con aire se ven en azul, la pieza que falla se pone en rojo mientras el fallo ocurre, y se reparan en el propio editor.

Pruébalo en el simulador de circuitos neumáticos

Todo lo anterior se entiende de verdad cuando se ve moverse. El simulador de la unidad dibuja los circuitos con los símbolos ISO de esta página y deja ver circular el aire: en azul el que está a presión, en gris el que escapa. Tiene doce circuitos montados —mando directo e indirecto, bimanual, desde dos puntos, regulación, ciclo continuo, temporizador y los cinco averiados—, una cámara lenta para seguir cada paso y un panel que calcula la fuerza y el consumo del cilindro.

Cómo usarlo

En ▶ Probar se pulsan los mandos y se mira qué pasa; con «🔒 retener» se deja pulsado uno para pulsar otro, que con un ratón no se pueden pulsar dos a la vez. En ✏️ Montar se colocan piezas desde la paleta y se unen sus bocas con tubos, y con 🔗 Copiar enlace el circuito se comparte o se entrega sin cuentas ni servidor. En clase, lo que mejor funciona es montar el mando indirecto antes de verlo funcionar: casi todos se equivocan de pilotaje la primera vez, el simulador les dice qué falla, y a la segunda ya lo entienden. También puedes abrir la página del simulador a pantalla completa.

⊕ Cálculos de neumática para 2.º de Bachillerato

En 2.º de Bachillerato (Tecnología e Ingeniería II) y en la PAU se pide calcular cuánto empuja un cilindro y cuánto aire gasta. Con las medidas en milímetros, las áreas salen en mm² y las fuerzas en newtons, si la presión se pasa a N/mm²: 1 bar = 0,1 N/mm², así que 6 bar son 0,6 N/mm². Y para el consumo, 1 litro = 1 000 000 mm³.

La fuerza teórica es la presión por el área, F = p · A. Pero las juntas rozan, y el cilindro da algo menos: la fuerza nominal se obtiene multiplicando por el rendimiento η, entre 0,85 y 0,95. Al retroceder se usa el área anular. El consumo por ciclo, a la presión de trabajo, es el volumen que se llena: el círculo en la ida y el anillo en la vuelta, V = (A + A_anular) · c, donde c es la carrera; y por minuto, ese volumen por los ciclos que hace.

Ejemplo resuelto: el cilindro del simulador

Un cilindro de doble efecto de Ø 32 mm, vástago de Ø 12 mm y 100 mm de carrera, a 6 bar y con η = 0,9:

1. Las áreas: A = π · 32²4 = 804,25 mm², y A_anular = π · (32² − 12²)4 = 691,15 mm².
2. La fuerza de avance: teórica, 0,6 · 804,25 = 482,5 N; nominal, 482,5 · 0,9 = 434,3 N.
3. La fuerza de retroceso: 0,6 · 691,15 · 0,9 = 373,2 N, menos que al avanzar.
4. El consumo por ciclo: (804,25 + 691,15) · 100 = 149 540 mm³ = 0,150 litros.

Son exactamente las cifras que da el panel de cálculos del simulador para su cilindro, así que cualquier cuenta se puede comprobar allí cambiando el diámetro, el vástago o la carrera.

Ojo con qué litros son: esos 0,150 l son aire ya comprimido, el que llena el cilindro a 6 bar. El compresor tiene que aspirar más aire libre, a la presión de la atmósfera, que es 1,013 bar: a 6 bar, casi siete veces más, porque la presión absoluta es 6 + 1,013 = 7,013 bar. Con el volumen sin redondear, V_libre = 0,1495 l · 7,0131,013 = 1,035 litros por ciclo, la cifra que da el simulador en su apartado «para ampliar».

El proyecto: la máquina de jeringuillas

La unidad termina construyendo una máquina de verdad movida por aire, con material de casa: dos jeringuillas sin aguja y un tubo de gotero. Se elige una de tres —una barrera de aparcamiento, un elevador o una pinza—, se diseña antes su circuito en el simulador y se entrega el enlace.

Lo mejor llega al probarla con aire y con agua. Con aire, la máquina va «blanda»: hay que empujar un poco antes de que se mueva y cede si le pones peso. Con agua va firme. Es la diferencia entre neumática e hidráulica, notada con las manos: el aire se comprime y el agua, casi nada. Es la misma idea que el cilindro y la biela de los mecanismos, pero moviendo fluidos en vez de piezas.

Dudas frecuentes