El tiempo de respuesta de un cilindro no es un único dato de catálogo. En el caso de un eje de máquina, puede referirse al retardo desde la orden hasta el primer movimiento, al tiempo desde la orden hasta el sensor de fin de carrera o al evento completo de estabilización de la presión y la posición. El volumen muerto afecta de forma distinta a cada uno de estos límites, porque el aire debe entrar en un volumen definido o salir de él antes de que la presión pueda vencer la carga y la fricción. También influyen la conmutación de la válvula, la capacidad de caudal, la contrapresión de escape, la variación del volumen de las cámaras y los umbrales de los sensores.
Este artículo se centra en el retardo desde la orden hasta el primer movimiento. Para el ensayo más específico de la válvula, consulte la guía sobre la medición del tiempo de respuesta de una electroválvula neumática. Para analizar el recorrido una vez iniciado el movimiento, consulte por separado el cálculo de la velocidad del pistón de un cilindro neumático.
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Puntos clave
- ISO 12238:2023 mide el tiempo de conmutación de las válvulas direccionales, no el movimiento completo del cilindro.
- Un metro de tubo de 6 mm de DI contiene un volumen físico de 28,3 cm³.
- La presión debe alcanzar el umbral de arranque dependiente de la carga antes de que comience el movimiento.
- Un volumen menor solo ayuda si el resto del trayecto todavía permite el paso del caudal másico necesario.
¿Qué mide realmente el tiempo de respuesta de un cilindro?
ISO 12238:2023 especifica ensayos del tiempo de conmutación para válvulas direccionales de dos o tres posiciones accionadas eléctrica o neumáticamente. Su límite de medición es la válvula, no la carrera completa del actuador (ISO 12238, 2023). Por tanto, una especificación de respuesta de un cilindro debe indicar tanto el evento inicial como el evento final que se mide.
En automatización se utilizan habitualmente cinco límites de medición:
| Límite de medición | Qué incluye | Uso más adecuado |
|---|---|---|
| Desde la orden hasta la corriente de la bobina | controlador, etapa de salida, cableado | diagnóstico eléctrico |
| Desde la orden hasta la conmutación de la válvula | bobina, inducido o pilotaje, corredera u obturador | comparación de válvulas |
| Desde la orden hasta la presión objetivo en el puerto | válvula más volumen controlado aguas abajo | comprobación de la respuesta neumática |
| Desde la orden hasta el primer movimiento del pistón | aumento de presión, presión opuesta, carga, fricción estática | diagnóstico de la respuesta del cilindro |
| Desde la orden hasta el sensor de fin de carrera | todos los retardos anteriores más aceleración, recorrido, amortiguación y sensor | aceptación del ciclo de la máquina |
No compare dos valores a menos que utilicen el mismo límite de medición. Una válvula puede conmutar con rapidez mientras un cilindro remoto empieza a moverse tarde porque el volumen entre la válvula y el cilindro todavía necesita aire. A la inversa, un transductor de presión situado junto al cilindro puede responder antes de que la fricción estática libere el pistón.
Considere el evento como dos presupuestos de tiempo. El presupuesto previo al movimiento termina cuando la fuerza neumática neta alcanza el valor necesario para el arranque. El presupuesto de recorrido comienza cuando el pistón se mueve y los volúmenes de ambas cámaras empiezan a cambiar. Una estimación de llenado a volumen fijo puede servir como evaluación preliminar del primer presupuesto, pero por sí sola no puede predecir el segundo.
El volumen muerto, el volumen controlado y el volumen barrido son diferentes
Parker advierte que un tubo subdimensionado entre la válvula y el cilindro estrangula el caudal, mientras que un tubo sobredimensionado añade volumen muerto, consumo de aire y tiempo de llenado (guía P1D de Parker, consultada en 2026). Esta relación de compromiso solo tiene sentido si cada volumen se denomina correctamente.
El volumen de holgura del cilindro es el espacio de aire que queda en una cámara extrema cuando el pistón se encuentra en su límite mecánico. Incluye la cavidad de la tapa, el taladro del puerto, los conductos de amortiguación y cualquier holgura inevitable entre el pistón y la tapa.
El volumen controlado de la línea es el volumen del tubo, los racores, el regulador de caudal, el colector y los conductos conectados entre el asiento o el trayecto activo de la corredera de la válvula y el puerto del cilindro. Debe llenarse o vaciarse durante la conmutación, pero en la bibliografía técnica no siempre se denomina volumen muerto del cilindro.
El volumen barrido es el área del pistón multiplicada por la distancia recorrida. Empieza a cambiar una vez iniciado el movimiento. El avance y el retroceso son distintos porque, en un cilindro de vástago simple, el vástago reduce el área efectiva del lado correspondiente.
El volumen activo depende del estado de la válvula y de la disposición del circuito. Un regulador de caudal instalado directamente en el cilindro puede formar parte del volumen controlado. Una válvula de escape rápido puede acercar el límite de escape al puerto. Una válvula con posición central puede aislar, presurizar o poner a escape las cámaras de distintas maneras. Trace el trayecto activo real en lugar de sumar indiscriminadamente el volumen de todos los componentes.
Para estudiar los efectos de rigidez y estabilización del aire comprimido atrapado, consulte el análisis específico de la compresibilidad del aire en el control de cilindros neumáticos.
¿Cómo se calcula el volumen antes de que se mueva el pistón?
Un tubo de 6 mm de DI contiene 28,27 cm³ por metro, valor calculado a partir de su área circular. Las indicaciones de Parker sobre tuberías confirman que tanto la longitud como el diámetro del tubo entre la válvula y el cilindro afectan a la restricción del caudal y al tiempo de llenado (guía P1D de Parker, consultada en 2026).
El volumen del tubo se obtiene directamente de la geometría:
es el diámetro interior real del tubo y es su longitud. Utilice unidades coherentes. Si expresa el diámetro y la longitud en milímetros, divida los milímetros cúbicos entre 1.000 para obtener centímetros cúbicos.
El volumen controlado inicial de un lado es:
Incluya únicamente los conductos conectados a esa cámara en el estado de válvula ordenado. Es preferible utilizar planos del proveedor o volúmenes de cavidad medidos antes que estimaciones. Si no están publicados los volúmenes internos de los racores y la válvula, márquelos como desconocidos en lugar de asignarles un porcentaje genérico.
Ejemplo resuelto: tubo de 6 mm de DI y 2 m de longitud
Para un tubo con un DI real de 6 mm y una longitud de 2 m:
Supongamos que el puerto conectado, los racores y la holgura del extremo añaden 10,0 cm³. El volumen controlado fijo previo al movimiento es entonces de 66,55 cm³.
Supongamos que la cámara parte de 1 bar absoluto y debe alcanzar un umbral de arranque estimado de 4 bar absolutos. Conforme a una aproximación preliminar isotérmica y de volumen fijo, la adición equivalente de aire libre referida a 1 bar absoluto es:
Este ejemplo requiere unos 199,7 cm³ de aire libre equivalente. Si el caudal efectivo de aire libre se mantuviera en 300 L/min, o 5.000 cm³/s, la sencilla estimación preliminar de caudal constante daría unos 40 ms. El caudal real de los componentes cambia con la presión aguas arriba y aguas abajo, por lo que este valor no constituye un tiempo de respuesta garantizado.
El resultado pone de manifiesto un error habitual. Una tabla de referencia que indique 2,83 cm³ por metro para un tubo de 6 mm de DI se equivoca por un factor de diez. El valor correcto es 28,27 cm³ por metro.
¿Por qué no existe una regla universal de milisegundos por centímetro cúbico?
En un experimento de 2026 se midieron la posición del pistón, la velocidad, las presiones de ambas cámaras y la fricción en tres cilindros neumáticos. El estudio determinó que el movimiento surge de la interacción acoplada entre el aumento de presión, la variación del volumen de las cámaras, el área del pistón y la fricción, no únicamente del volumen (Actuators, 2026).
Con los mismos umbrales de presión y el mismo caudal másico efectivo, un volumen fijo mayor suele tardar más en presurizarse. La relación proporcional deja de cumplirse cuando cambia cualquiera de estas condiciones:
- la válvula entra en una región diferente de caudal subsónico o estrangulado;
- la presión de alimentación disminuye durante el evento;
- la cámara que se vacía conserva contrapresión;
- la fricción estática o la carga externa modifica el umbral de arranque;
- el pistón empieza a moverse y expande la cámara que se está llenando;
- la temperatura cambia lo suficiente para alterar la relación entre presión y masa;
- una amortiguación, un regulador en escape o un silenciador se convierte en la restricción dominante.
ISO 6358-1 define ensayos de caudal en régimen estacionario para componentes neumáticos con fluidos compresibles y excluye expresamente los cilindros que intercambian energía con el fluido (ISO 6358-1, 2013, modificada en 2026). Utilice sus datos de componentes para modelizar el caudal de válvulas y restricciones. No presente ese ensayo de caudal estacionario como un modelo completo del movimiento de un cilindro.
Para un volumen fijo bajo una aproximación isotérmica, la masa de aire necesaria para aumentar la presión desde el valor inicial hasta el valor de arranque es:
es la constante específica del gas y es la temperatura absoluta. El tiempo se obtiene a partir del caudal másico dependiente de la presión:
La función debe proceder de datos de caudal válidos del proveedor o de un modelo documentado de caudal compresible. ISO 6358-3 proporciona un método de sistema para componentes y tuberías cuyas características de caudal individuales se conocen, y abarca tanto el comportamiento subsónico como el estrangulado (ISO 6358-3, confirmada en 2025).
Un modelo del tiempo de respuesta debe incluir la presión de arranque
El estudio de 2026 con tres cilindros determinó que un mayor caudal de aire aceleraba el aumento de presión durante la fase de adherencia y reducía el tiempo de permanencia necesario para vencer la fricción estática, aunque el comportamiento de deslizamiento resultante seguía dependiendo de la geometría y la fricción del cilindro (Actuators, 2026). Por tanto, el primer movimiento exige que se cumpla una condición de fuerza, no solo que se llene un volumen.
Para el avance de un cilindro horizontal de vástago simple, una condición de arranque simplificada es:
y son las presiones manométricas que actúan en lados opuestos, es el área completa del pistón, es el área anular del lado del vástago y el término de la derecha contiene la carga externa resistente más la fricción estática. En aplicaciones verticales y con cargas arrastrantes, añada la gravedad u otras fuerzas con el signo correcto.
Esta condición explica por qué dos volúmenes idénticos pueden producir retardos distintos. Un cilindro con poca carga y bien alineado puede moverse con una presión de cámara menor. Un cilindro sometido a carga lateral o a baja temperatura puede necesitar más presión para arrancar. Si la cámara opuesta no puede evacuar el aire, el término también eleva la presión motriz necesaria.
Una vez iniciado el movimiento, los volúmenes de las cámaras cambian con la posición:
es la posición del pistón medida desde el extremo retraído y es la carrera. es la holgura del extremo sin vástago en la posición retraída, mientras que es la holgura del extremo del vástago en la extensión completa. Estos volúmenes variables acoplan la presión, el caudal másico, la aceleración y la fricción. Por ello, los 40 ms de la estimación previa al movimiento del ejemplo resuelto no deben sumarse sin más a un tiempo de carrera de catálogo.
El mejor estudio de sensibilidad separa dos preguntas: cuánto volumen controlado debe alcanzar la presión de arranque y cuánto caudal necesita la cámara en expansión una vez iniciado el movimiento. Reducir el primer volumen puede mejorar la respuesta inicial aunque un tubo subdimensionado siga limitando el recorrido. Aumentar el DI del tubo puede mejorar el recorrido mientras su volumen adicional retrasa el primer movimiento.
¿Cómo debe medirse el retardo desde la orden hasta el movimiento?
En el estudio experimental de 2026 se muestrearon la posición del cilindro, la presión, la velocidad y la fricción a intervalos de 1,16 ms, lo que demuestra por qué las trazas sincronizadas ofrecen más información que un cronómetro (Actuators, 2026). Un ensayo de producción puede ser más sencillo, pero todos los canales deben compartir una misma base de tiempos y tener resolución suficiente para el límite de aceptación.
Utilice al menos tres canales sincronizados:
- Orden o tensión de la bobina: establece cuándo se ordenó al circuito que cambiara.
- Presión en el puerto del cilindro: muestra con qué rapidez se presuriza o se vacía el volumen controlado.
- Posición: identifica el primer movimiento y el evento seleccionado de recorrido o de sensor de fin de carrera.
Añada la presión de la cámara opuesta cuando la contrapresión de escape pueda oponerse al pistón. Registre la presión de alimentación en el punto de uso durante el evento, no solo antes de que ocurra. Una traza de caudal puede resultar útil, pero el volumen y la restricción de su sensor no deben modificar de forma significativa el circuito que se ensaya.
Defina el primer movimiento mediante un umbral superior al ruido del sensor, por ejemplo un cambio de posición especificado respecto al valor inicial. Defina la respuesta de presión como una fracción indicada o un nivel absoluto. A continuación, repita suficientes ciclos para informar del valor mínimo, el promedio, el máximo y la variación, en lugar de presentar una única traza favorable.
Desplace el sensor de presión por etapas cuando no esté claro dónde se origina el retardo. Mida primero cerca de la válvula y después en el puerto del cilindro, manteniendo fijas las demás condiciones. La diferencia aísla los efectos del llenado y de la restricción de la línea. El intervalo posterior entre la presión del puerto y el primer movimiento corresponde a la carga, la fricción, la presión opuesta y la mecánica.
¿Qué cambios de diseño reducen el retardo sin crear un nuevo cuello de botella?
La guía de cilindros de Parker señala que un tubo demasiado pequeño estrangula la velocidad del cilindro, mientras que un tubo sobredimensionado entre la válvula y el cilindro aumenta el volumen muerto y el tiempo de llenado (guía P1D de Parker, consultada en 2026). El cambio correcto reduce el retardo medido a la vez que conserva el caudal másico necesario una vez iniciado el movimiento.
| Cambio de diseño | Posible beneficio | Límite que se debe comprobar |
|---|---|---|
| Acercar la válvula direccional | reduce el volumen controlado de la línea | temperatura, vibración, cableado, acceso para mantenimiento |
| Reducir la longitud innecesaria del tubo | disminuye el volumen y las pérdidas en las paredes | tendido del eje móvil y radio de curvatura |
| Seleccionar el DI del tubo según el caudal y el volumen | equilibra la restricción y el volumen de llenado | DI real, longitud, ambos sentidos de movimiento |
| Utilizar reguladores de caudal de montaje directo | reduce el volumen de las conexiones remotas | sentido de regulación en alimentación o en escape y acceso al ajuste |
| Añadir una válvula de escape rápido | acorta un trayecto de escape determinado | ruido, contaminación, amortiguación, estabilidad de la velocidad |
| Aumentar la conductancia de la válvula | eleva el caudal másico por el trayecto activo | tiempo de conmutación de la válvula, relación de presiones, datos de escape |
| Reducir el diámetro del cilindro cuando la fuerza lo permita | reduce el volumen de la cámara y la demanda de caudal | margen de carga, pandeo del vástago, impacto, montaje |
Una válvula de escape rápido no reduce automáticamente el retardo del lado de alimentación ni el consumo de aire. Modifica el límite de escape de la cámara conectada. En un circuito con regulación en escape también puede eliminar la contrapresión utilizada para estabilizar la velocidad. Vuelva a comprobar la amortiguación y el riesgo de la máquina antes de aceptar el movimiento más rápido.
Aumentar la presión no es la primera solución. Modifica la fuerza de arranque, la aceleración, la energía de impacto, el aire almacenado, las fugas y el consumo. Puede elevar el caudal másico a través de una restricción estrangulada, por lo que es incorrecto afirmar que las ventajas desaparecen de forma universal por encima de 6 o 7 bar. El estrangulamiento depende de la relación crítica de presiones del componente y de las presiones absolutas aguas arriba y aguas abajo. Consulte por separado el análisis de la velocidad del cilindro con caudal estrangulado cuando se sospeche que la relación de presiones constituye el límite.
Para seleccionar tubos y racores una vez definido el límite de respuesta, siga la guía de dimensionamiento de mangueras y racores. El tubo elegido debe superar tanto la comprobación del volumen de respuesta como la del caudal de trabajo.
¿Qué debe incluir una especificación del tiempo de respuesta?
ISO 12238:2023 abarca los procedimientos relativos al tiempo de conmutación de las válvulas direccionales de dos y tres posiciones, pero una especificación completa del cilindro debe añadir el volumen aguas abajo, la carga, el sensor y el límite de movimiento (ISO 12238, 2023). Sin estas condiciones, dos proveedores pueden indicar tiempos de respuesta distintos que, aun así, sean válidos conforme a sus respectivos criterios.
Registre estos campos en una solicitud de oferta o un informe de ensayo:
| Campo | Información necesaria |
|---|---|
| Evento inicial | salida del PLC, tensión del controlador o umbral de corriente de la bobina |
| Evento final | conmutación de la válvula, presión objetivo en el puerto, primer movimiento o sensor de fin de carrera |
| Umbral de presión | valor absoluto o manométrico, o porcentaje definido |
| Condición de alimentación | presión dinámica mínima durante el ensayo |
| Condición de escape | trayecto de la válvula, silenciador, escape rápido, contrapresión |
| Volumen controlado | DI y longitud del tubo, volumen de los racores y del puerto, ubicación de la válvula |
| Cilindro | diámetro, vástago, carrera, holgura, ajustes de amortiguación |
| Carga | masa, dirección, fuerza externa, fricción de las guías, gravedad |
| Sensores | modelo, ubicación, intervalo, precisión, respuesta, frecuencia de muestreo |
| Repetición | número de ciclos, mínimo, media, máximo, variación |
| Temperatura | arranque en frío, máquina a temperatura de servicio, intervalo ambiente |
Si el requisito se refiere al tiempo de carrera completo en lugar del primer movimiento, estime el recorrido por separado con la calculadora de tiempo de carrera y, a continuación, valide el circuito montado. No oculte el retardo de la válvula, el llenado de la línea, el recorrido, la amortiguación y el tiempo del sensor dentro de un único margen sin explicar.
La frase de aceptación más útil es explícita: «Desde la activación de la orden del PLC hasta los primeros 0,5 mm de avance, el cilindro deberá responder dentro del límite indicado con la presión de alimentación, la carga, la configuración del tubo, la temperatura y el ajuste de amortiguación documentados». Sustituya el umbral del ejemplo por uno que supere el ruido y la incertidumbre reales del sensor de posición.
Preguntas frecuentes sobre el tiempo de respuesta de un cilindro y el volumen muerto
ISO 12238:2023 define los ensayos de conmutación de válvulas direccionales, mientras que Parker advierte que un tubo sobredimensionado entre la válvula y el cilindro añade volumen muerto y tiempo de llenado. Estas respuestas separan el tiempo de la válvula, el aumento de presión, el primer movimiento y el recorrido completo, en lugar de indicar un único valor universal en milisegundos (ISO; Parker).
¿Cuánto retardo añade un centímetro cúbico de volumen muerto?
No existe un valor universal en milisegundos por centímetro cúbico. El retardo depende de las presiones absolutas inicial y objetivo, del caudal másico dependiente de la presión, de la presión de la cámara opuesta, de la carga de arranque, de la fricción, de la temperatura y de si el pistón empieza a moverse durante el evento. En condiciones idénticas de volumen fijo, el tiempo de respuesta suele aumentar en proporción al volumen, pero es necesario indicar dichas condiciones.
¿El volumen del tubo es lo mismo que el volumen muerto del cilindro?
No. El volumen del tubo forma parte del volumen controlado de la línea entre la válvula y el cilindro. El volumen muerto o de holgura del cilindro permanece en la cámara cuando el pistón se encuentra en una posición extrema. Ambos pueden tener que presurizarse o vaciarse, pero su ubicación y su función son diferentes. Manténgalos separados en los planos, los cálculos y los informes de aceptación.
¿Montar la válvula directamente sobre el cilindro siempre mejora la respuesta?
El montaje directo suele reducir el volumen controlado entre la válvula y el cilindro y puede acortar el aumento de presión. No garantiza un recorrido completo más rápido si los factores limitantes son la conductancia de la válvula, la capacidad de escape, la carga, la fricción o la amortiguación. Antes de cambiar la arquitectura, compruebe la exposición ambiental, la vibración, el cableado, el acceso para mantenimiento, la masa móvil y los trayectos medidos de alimentación y escape.
¿Puede una válvula de escape rápido eliminar el retardo debido al volumen muerto?
No. Una válvula de escape rápido acorta el trayecto de escape de la cámara seleccionada; no elimina la holgura del cilindro ni el volumen controlado del lado de alimentación. Puede aumentar la velocidad, el ruido y el impacto al final de la carrera, al tiempo que reduce la contrapresión estabilizadora de la regulación en escape. Antes de aceptar el cambio, confirme el sentido de movimiento, la capacidad de amortiguación, la protección frente a la contaminación y la seguridad de la máquina.
¿Qué señales deben registrarse durante un ensayo de respuesta de un cilindro?
Registre la orden eléctrica, la presión en el puerto del lado motriz del cilindro y la posición en una misma base de tiempos sincronizada. Añada la presión de la cámara opuesta cuando pueda existir contrapresión de escape y registre la presión dinámica de alimentación durante el evento. Indique la ubicación de los sensores, la frecuencia de muestreo, los umbrales, la carga, la configuración del tubo, la temperatura y las estadísticas de los ciclos repetidos.
Fuentes y referencias técnicas
- ISO 12238:2023, Transmisiones neumáticas: Válvulas distribuidoras: Medición del tiempo de conmutación, consultada el 2026-07-19.
- ISO 6358-1:2013, características de caudal de los componentes neumáticos, incluida la modificación de 2026 sobre la incertidumbre de medición, consultada el 2026-07-19.
- ISO 6358-3:2014, método de cálculo del caudal del sistema, confirmada en 2025, consultada el 2026-07-19.
- Guía P1D de Parker para la selección de cilindros neumáticos y tuberías, consultada el 2026-07-19.
- Estudio experimental y simulación a escala de sistema de las características de adherencia-deslizamiento en cilindros neumáticos, 2026, consultado el 2026-07-19.