Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental

Bogotá Colombia

2015-1

Trabajo Sobre Actuadores

Carlos Eduardo Mosquera Noguera; Daniel Ochoa Castro; Luis Mauricio Contreras; María

Camila Fajardo; Emily Moreno

Resumen: El actuador es un dispositivo cuya función es proporcionar fuerza para mover o “actuar” otro

dispositivo. Existen tres tipos de actuadores: Hidráulicos, Neumáticos y Eléctricos. Los actuadores hidráulicos,

neumáticos eléctricos son usados para manejar aparatos mecatrónicos. Por lo general, los primeros se emplean

cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los

hidráulicos requieren demasiado equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por

otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión

y mantenimiento.

INTRODUCCIÓN

Definición. El actuador es un dispositivo cuya función es proporcionar fuerza para mover o

“actuar” otro dispositivo. De forma general, son dispositivos capaces de generar

una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y gaseosa (Ogata, 2003). Estos reciben

la orden de un regulador o controlador y dan una salida necesaria para activar a un

elemento final de control como lo son las válvulas, según las órdenes dadas por la unidad

de control.

Elementos de un actuador

Accionamiento. Elemento que produce el movimiento.

Control. La unidad de control se encarga de dar las ordenes necesarias al actuador

para que este realice un determinado movimiento

Transistores. Se encargan de transmitir el movimiento del actuador o las

articulaciones

Reductores. Estos elementos se encargan de adecuar el par y la velocidad del actuador

a los valores requeridos para el movimiento de los distintos dispositivos.

Clasificación

1. Por el tipo de movimiento a la salida del actuador ROTATORIOS: Generan una fuerza rotatoria. La variable básica a tomar en

cuenta en un actuador de este tipo es el torque o momento. Así, su objetivo es

generar un movimiento giratorio. El movimiento debe estar limitado a un

ángulo máximo de rotación que puede ser:

- Actuadores de ¼ de vuelta (90°)

- De fracción de vuelta (90°)

- Actuadores multivuelta (Movimiento similar al del tornillo).

LINEALES. Los actuadores lineales generan una fuerza en línea recta, tal como

haría un pistón. El cilindro neumático consiste en un cilindro cerrado con un

pistón en su interior que desliza y que transmite su movimiento al exterior

mediante un vástago. Se compone de las tapas trasera y delantera, de la camisa

donde se mueve el pistón, del propio pistón, de las juntas estáticas y dinámicas

del pistón y del anillo rascador que limpia el vástago de la suciedad.

2. Según el tipo de energía empleada

NEUMÁTICOS: la fuente de energía es el aire. Entre este tipo de actuadores

destacan los cilindros neumáticos, que puede ser del simple o doble efecto, los

motores neumáticos, formados por paletas rotativas o pistones axiales y las

válvulas neumáticas y electro neumáticas. Los actuadores neumáticos presentan

las ventajas de que son baratos, rápidos, sencillos y muy robustos; pero

requieres instalaciones especiales, son muy ruidosos y difíciles de controlar

(Ogata, 2003).

HIDRÁULICOS. La fuente de energía es un fluido, normalmente algún tipo de

aceite mineral. En ellos la fuente de energía es aire a presión entre 5 y 10 bar.

Existen dos tipos de actuadores neumáticos de Cilindros neumáticos de simple o

doble efecto y Motores neumáticos (de aletas rotativas o de pistones axiales)

(Ogata, 2003).

ELÉCTRICOS. La fuente de energía es la electricidad, hay tres grandes grupos

de actuadores eléctricos. Los motores de corriente continua, controlados por

inducido o controlados por excitación, los motores de corriente alterna

(síncronos y asíncronos) y los motores paso a paso, entre los que destacan los

motores de imanes permanente, de reluctancia variable o hibrido. Los

actuadores eléctricos son muy precisos y fiables, son silenciosos, su control es

sencillo y son de fácil instalación, su mayor inconveniente es que son de

potencia limitada (Ogata, 2003).

3. Tipo de actuación. La actuación de abrir y cerrar en un actuador eléctrico o manual

es siempre reversible. En los motores eléctricos la conmutación del sentido de la

corriente determina el sentido de giro de la actuador, y en los actuadores manuales

basta revertir el sentido de la fuerza que se aplica (Ogata, 2003). En los actuadores

neumáticos o hidráulicos la reversibilidad del sentido del movimiento se define

según actuadores de:

SIMPLE EFECTO: La actuación hacia un sentido se realiza mediante la

presión del fluido, y la vuelta mediante otro dispositivo, generalmente un

muelle. En este caso, la fuerza de la presión además de provocar el movimiento

en un sentido, vence la fuerza del muelle, y el retorno lo realiza la fuerza de este

muelle una vez que la presión deja de aplicarse. En aplicaciones donde la fuerza

de actuación es demasiado grande como para usar muelles, puede recurrirse a

un contrapeso, que por efecto de la gravedad actúa sobre el actuador (Vildósola,

2013).

DOBLE EFECTO: La actuación se consigue para cualquier sentido, aplicando

debidamente la presión en el lado correspondiente

ACTUADORES NEUMÁTICOS

Lineales. El movimiento lineal se obtiene por cilindros de émbolo. El cilindro neumático

consiste en un cilindro cerrado con un pistón en su interior que desliza y que transmite su

movimiento al exterior mediante un vástago. Los cilindros neumáticos independientemente

de su forma constructiva, representan los actuadores más comunes que se utilizan en los

circuitos neumáticos. Existen dos tipos fundamentales de los cuales derivan construcciones

especiales.

Cilindros de simple efecto: con una entrada de aire para producir una carrera de

trabajo en un sentido

Figura 1. Cilindro de Simple Efecto (Vildósola, 2013)

Cilindros de doble efecto: con dos entradas de aire para producir carreras de trabajo

de salida y retroceso.

Figura 2. Cilindro de Doble Efecto (Vildósola, 2013)

Rotatorios. Son aquellos que proporcionan movimiento de giro pero no llegan a producir

una revolución (exceptuando alguna mecánica particular como por ejemplo piñón –

cremallera). Existen disposiciones de simple y doble efecto para ángulos de giro de 90º,

180º..., hasta un valor máximo de unos 300º (aproximadamente). Los motores neumáticos

proporcionan un movimiento rotatorio constante, como se observa en la Figura 3. Se

caracterizan por proporcionar un elevado número de revoluciones por minuto

Figura 3. Actuador neumático rotatorio

Existen 3 tipos de actuadores neumáticos, como se evidencia en la Tabla 1

Tabla 1. Principales características de los actuadores rotativos

ACTUADORES ELÉCTRICOS

Transforman la energía eléctrica en energía mecánica. Los motores eléctricos encargados

de suministrar dicha energía constan principalmente de dos partes: una fija (estator) y una

móvil (rotor) como se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Partes básicas de un motor eléctrico (Vaello, 2015).

Existen principalmente tres grupos de actuadores eléctricos:

Los motores de corriente continua, controlados por inducido o excitación.

Están compuestos por una excitación situada en el estator del motor, dicha excitación

es la encargada de crear el campo magnético y por el inducido, que está situado en el

rotor. El rotor gira debido a la interacción entre el campo magnético producido por la

excitación y las corrientes atraviesan el inducido. El colector de delgas que es un

conmutador sincronizado con el rotor que permite que los campos magnéticos del

estator y el rotor permanezcan estáticos entre sí.

Son los más usados debido a su facilidad de control.

Los motores de corriente alterna, entre los cuales están los motores síncronos y

asíncronos.

- Motores síncronos. Están compuestos por el inductor, situado en el rotor y

construido con imanes permanentes, y por el inducido, situado en el estator y

formado por tres devanados desfasados de 120° eléctricos y alimentado por un

sistema trifásico de tensiones. Al aplicar tres tensiones al estator se generan tres

corrientes que inducen un campo magnético en el entrehierro del motor. Dicho

campo magnético es de amplitud constante y gira a una frecuencia igual a la de

red.

- Motores asíncronos. El rotor está constituido por varias barras conductoras

dispuestas paralelamente al eje del motor y por dos anillos conductores en los

extremos. El estator consta de un conjunto de bobinas, de modo que cuando la

corriente alterna trifásica las atraviesa, se forma un campo magnético rotatrio en

las proximidades del estator. Esto induce corriente en el rotor, que crea su propio

campo magnético. La interacción entre ambos campos produce un par en el rotor.

No existe conexión eléctrica directa entre el estator y el rotor.

Los motores paso a paso, existen tres tipos de motores:

- De imanes permanentes, en éstos el rotor posee una polarización magnética

constante, gira para orientar sus polos de acuerdo al campo magnético creado por

las fases del estator.

- De reluctancia variable, el rotor está formado por un material de ferro-magnético

que tiende a orientarse de modo que facilite el camino de las líneas de fuerza del

campo magnético generado por las bobinas del estator. No contiene imanes

permanentes. La reluctancia de un circuito magnético es el equivalente magnético

a la resistencia de un circuito eléctrico.

- Híbridos, que combinan el funcionamiento de los motores de imanes permanentes

y reluctancia variable.

Los actuadores eléctricos son en general muy preciso y fiable, silencioso, de fácil control e

instalación. Su mayor inconveniente es que son de potencia limitada.

En su dimensionamiento se destaca:

1. Determinar el torque o la fuerza de giro que se requiere para generar un movimiento

rotatorio, esta información es reportada por los fabricantes de la válvula.

2. Diámetro externo del tornillo.

3. Tener presente la presión interna de la línea, ya que probablemente va a luchar contra

el actuador.

4. Establecer porcentaje de sobredimensionamiento, que dependiendo del tipo y tamaño

de la válvula puede estar entre el 10 – 50%.

5. Establecer carrera angular del actuador (90°, 180°, multivueltas).

6. Obtener la disponibilidad de energía en el punto de instalación (voltaje, frecuencia,

#de fases).

7. Con torques ya determinados y las tablas suministradas por los proveedores escoger

el modelo adecuado.

8. Verificar el máximo torque admisible.

9. Tomar datos de consumo y factor de potencia.

ACTUADORES HIDRÁULICOS

Se utilizan aceites minerales a una presión comprendida normalmente entre los 50 y 100 bar,

llegándose en ocasiones a superar los 300 bar. Sin embargo, el grado de compresibilidad de los aceites

usados es considerablemente menor al del aire, por lo que la precisión obtenida en este caso es mayor

(Ogata, 2003). Los actuadores hidráulicos presentan las ventajas de que son rápidos, tienen una alta

relación potencia/peso, son auto lubricantes, tiene alta capacidad de carga y presentan estabilidad

frente a cargas estáticas. Igualmente, es más fácil en ellos realizar un control continuo, pudiendo

posicionar su eje en todo un intervalo de valores (haciendo uso del servocontrol) con notable

precisión. Además, las elevadas presiones de trabajo permiten desarrollar elevadas fuerzas y pares

(Castillo Jiménez, 2011).

Por otra parte, las elevadas presiones a las que se trabaja propician la existencia de fugas de aceite a

lo largo de la instalación. Son de difícil mantenimiento y resultan poco económicos. Asimismo, esta

instalación es más complicada que la necesaria para los actuadores neumáticos y mucho más que para

los eléctricos, necesitando de equipos de filtrado de partículas, eliminación de aire, sistemas de

refrigeración y unidades de control de distribución. Los accionamientos hidráulicos se usan con

frecuencia en aquellos dispositivos que deben manejar grandes cargas (de 70 a 205kg) (Ogata, 2003).

LINEALES. Los cilindros hidráulicos de movimiento lineal son utilizados comúnmente en

aplicaciones donde la fuerza de empuje del pistón y su desplazamiento son elevados.

Los cilindros hidráulicos pueden ser de simple efecto, de doble efecto y telescópicos (Castillo

Jiménez, 2011).

Simple efecto. El fluido hidráulico empuja en un sentido el pistón del cilindro y una fuerza

externa (resorte o gravedad) lo retrae en sentido contrario, como se observa en la figura 5.

Figura 5. Actuador neumático lineal de efecto simple (Vildósola, 2013)

De acción doble. Utiliza la fuerza generada por el fluido hidráulico para mover el pistón en

los dos sentidos, mediante una válvula de solenoide. El cilindro de acción doble es el

accionador hidráulico más común utilizado actualmente y se usa en los sistemas del

implemento, la dirección y otros sistemas donde se requiera que el cilindro funcione en

ambas direcciones (Castillo Jiménez, 2011).

Figura 6. Actuador hidráulico lineal de efecto doble (Vildósola, 2013)

Cilindro telescópico. Contiene otros de menos diámetro en su interior y se expanden en

etapas, son muy utilizados en grúas. Está constituido por los tubos cilíndricos y vástago de

émbolo.

ROTATIVOS. El motor hidráulico convierte la energía hidráulica en energía mecánica. El motor

hidráulico usa el flujo de aceite enviado por la bomba y lo convierte en un movimiento rotatorio

para impulsar otro dispositivo (por ejemplo, mandos finales, diferencial, transmisión, rueda,

ventilador, otra bomba, etc.). Existen varios tipos en la industria que proporcionan una velocidad

determinada relativamente constante a través de su variada gama de presiones. Entre ellos se

encuentran los motores de paletas, de pistón axial o radial, de engranajes y gerotor (Castillo

Jiménez, 2011).

TABLA COMPARATIVA

Tabla 2. Características de los distintos tipos de actuadores (Vildósola, 2013)

Neumáticos Hidráulicos Eléctricos

Energía Aire a presión

(5 - 10 bar)

Aceite mineral

(50 – 100 bar) Corriente eléctrica

Opciones

Cilindros

Motor de paletas

Motor de pistón

Cilindros

Motor de paletas

Motor de pistón

Axiales

Corriente continua

Corriente alterna

Motor paso a paso

Servomotor

Ventajas

Baratos

Rápidos

Sencillos

Robustos

Rápidos

Alta relación potencia – peso

Auto lubricantes

Alta capacidad de carga

Estabilidad frente a cargas

estáticas

Precios

Fiables

Fácil control

Sencilla instalación

Silencioso

Desventajas

Dificultad de control

continuo Instalación

especial (compresor,

filtros)

Ruidoso

Difícil mantenimiento

Instalación especial (filtros,

eliminación aire)

Frecuentes fugas

Caros

Potencia limitada

Bibliografía Castillo Jiménez, R. (2011). Montaje y Reaparación de Sistemas Neumáticos e Hidráulicos, bienes

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Vaello, J. (09 de 03 de 2015). Automatismo Insdustrial. Obtenido de

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