Actuadores Electromecánicos

5/9/2018 Actuadores Electromecánicos - slidepdf.com

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INSTITUTO TECNOLOGICO DE ZACATECAS INGENIERIA ELECTROMECÁNICA

ROBOTICA YAIR CASAS FLORES 1

ACTUADORES ELECTRICOS

· Motores de corriente continúa

Son los más utilizados debido a su facilidad de control. Se componen de dos devanados internos:

- Inductor.- situado en el estator, es el encargado de crear un campo magnético de excitación.

- Inducido.- situado en el rotor, hace girar al mismo debido a la corriente que circula por él y del

campo magnético de excitación. Recibe corriente del exterior a través del colector de delgas.

Para poder transformar la energía eléctrica en mecánica de forma continua es necesario que los

campos magnéticos del estator y el rotor permanezcan estáticos entre sí (campos en cuadratura).

Tipos:

- Controlado por inducido.- al aumentar la tensión del inducido se aumenta la velocidad de la

máquina, permaneciendo la intensidad del inductor constante.

- Controlado por excitación.- tensión de la inducida constante variando corriente de excitación. Es

menos estable.

Para mejorar el comportamiento de este tipo de motores, el campo de excitación se genera mediante

imanes permanentes que evitan fluctuaciones del mismo, aumentando los problemas de

calentamiento por sobrecarga. Los motores DC son controlados mediante referencias de velocidad

generadas por una unidad de control y electrónica específica.

Presentan el inconveniente del mantenimiento de escobillas, para evitarlo se han desarrollado unos

motores sin escobillas: brushless.

· Motores paso a paso

Existen tres tipos:

- De imanes permanentes.- poseen una polarización magnética constante. El rotor gira para orientar

sus polos respecto al estator.





- De reluctancia variable.- el rotor está formado por un material ferromagnético que tiende a

orientarse con el campo generado por el estator.

- Híbridos.- combinan los dos anteriores.

La señal de control son los trenes de pulsos que van actuando rotativamente sobre una serie de

electroimanes dispuestos en el estator, por cada pulso recibido el rotor del motor gira un número

determinado de grados. Para conseguir el giro del motor un número determinado de grados, las

bobinas del estator deben ser excitadas secuencialmente a una frecuencia que determina la velocidad

de giro.

Ventajas :

- Funcionamiento simple y exacto

- Pueden girar de forma continua y velocidad variable

- Ligeros fiables y fáciles de controlar

Inconvenientes:

- El funcionamiento a bajas revoluciones no es suave

- Sobrecalentamiento a velocidades elevadas

- Potencia nominal baja

· Motores de corriente alterna

Presentan una mayor dificultad de control que los motores DC. Sin embargo las mejoras introducidas

en las máquinas síncronas hacen que se presenten como un claro competidor del los DC debido a:

- No tienen escobillas

- Usan convertidores estáticos que permiten variar la frecuencia con facilidad y precisión

- Emplean microelectrónica que permite una gran capacidad de control

El inductor se sitúa en el rotor y está constituido por imanes permanentes, mientras que el inducido,

situado en el estator, está formado por tres devanados iguales desfasados 120º eléctricos, y se

alimenta de tensión trifásica.





La velocidad de giro depende de la frecuencia de la tensión que alimenta el inducido, ésta frecuencia

se controla a través de un convertidor de frecuencia. Dispone de unos sensores de posición para

evitar la pérdida de sincronismo, manteniendo en todo momento el ángulo entre rotor y estator

(autopilotados).

Ventajas sobre los DC:

- No presentan problemas de mantenimiento por no tener escobillas

- Tienen una gran evacuación del calor por estar el bobinado pegado a la carcasa desarrollan

potencias mayores

Inconvenientes :

- Presentan una mayor dificultad de control que los motores DC.

Solenoide

Un solenoide es definido como una bobina de forma cilíndrica que cuenta con un hilo de material

conductor enrollada sobre si a fin de que, con el paso de la corriente eléctrica, se genere un intenso

campo eléctrico. Cuando este campo magnético aparece comienza a operar como un imán.

La función principal de un solenoide es activar una válvula que lleva su mismo nombre, la válvulasolenoide. Esta válvula opera de acuerdo a los pulsos eléctricos de su apertura y de su cierre.

Por lo general, este tipo de dispositivo se puede programar según ciertos horarios y dentro de sus

usos más comunes se encuentran los sistemas de regulación hidráulica y neumática. Dentro de este

último campo, es frecuente utilizarlo para permitir el flujo o realizar la detención de corrientes de alto

amperaje en los motores de arranque. Debido a su funcionamiento, es posible encontrar solenoides

en varias partes de un motor, no sólo en el motor de arranque.

Para hacer que uno de estos dispositivos cumpla sus funciones, es necesario aplica corriente positivaa uno de sus terminales. Se aplican cargas positivas y no negativas ya que esta última está aplicada en

el momento en que se instala, en la tierra. En el único caso en que este principio no es aplicable, es

para los motores de arranque. Estos motores son controlados por un interruptor, o switch, que

impide que el vehículo comience a movilizarse a menos que éste se encuentre en neutro o en parking.





Este interruptor está ubicado en la transmisión del vehículo y está conectado eléctricamente a fin de

que se mueva junto al movimiento de la palanca de cambios.

Es importante mencionar que existen varios tipos de solenoide, por lo que es lógico que su instalación

y conexión también varíe. No obstante, ya se trate de un solenoide u otro, y se le den usos diferentes,

todos ellos operan bajo el mismo principio explicado con anterioridad.

Hay dos categorías principales de solenoides:

Solenoides giratorios

Proporcionan una carrera rotacional que se mide en grados. Algunos son unidireccionales y otros son

bidireccionales. La mayor parte tienen un retorno a resorte para devolver la armadura (parte móvil) a

la posición inicial. Los solenoides giratorios con frecuencia se usan cuando el tamaño paquete es de la

mayor importancia y el trabajo que desempeñan se distribuye de manera más eficaz en toda su

carrera. Los solenoides giratorios tienen un fuerza/par de arranque mayor que la de los solenoides

lineales. Son más resistentes al impacto. Los solenoides giratorios también ofrecen vida útil más larga

(en número de actuaciones) que los solenoides lineales. Una de las aplicaciones más comunes que

ayuda a ilustrar la función de un solenoide giratorio es abrir y cerrar un obturador láser.

Los solenoides giratorios tienen aplicaciones en máquinas herramientas, rayos láser, procesamiento

fotográfico, almacenamiento de medios, aparatos médicos, clasificadores, cierres de puertas contra

incendios, y máquinas postales, etc.

Solenoides lineales

Proporcionan una carrera lineal normalmente menor de una pulgada en cualquier dirección. Al igual

que los giratorios, algunos solenoides lineales son unidireccionales y algunos son bidireccionales. Los





solenoides lineales normalmente se clasifican como de tirar (la ruta electromagnética tira de un

émbolo hacia el cuerpo del solenoide) o de tipo de empujar en el cual el émbolo / eje se empuja hacia

afuera de la caja. Muchos tienen un retorno a resorte para devolver el émbolo o émbolo y eje a la

posición inicial. Los solenoides lineales son dispositivos menos complejos y son significativamente

menos costosos que los productos giratorios. También ofrecen menos ciclos de vida útil y a veces

tienden a ser más grandes.

Los solenoides lineales tienen aplicaciones en electrodomésticos, máquinas vendedoras, seguros de

puerta, cambiadores de monedas, disyuntores de circuito, bombas, aparatos médicos, transmisiones

automotrices y máquinas postales, por nombrar sólo unas cuantas.

Actuadores electro neumáticos

A los mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico se les

denomina actuadores neumáticos. Aunque en esencia son idénticos a los actuadores hidráulicos, el

rango de compresión es mayor en este caso, además de que hay una pequeña diferencia en cuanto al

uso y en lo que se refiere a la estructura, debido a que estos tienen poca viscosidad. En esta

clasificación aparecen los fuelles y diafragmas, que utilizan aire comprimido y también los músculos

artificiales de hule, que últimamente han recibido mucha atención.

y De Efecto simple

y Cilindro Neumático

y Actuador Neumático De efecto Doble

y Con engranaje

y Motor Neumático Con Veleta

y Con pistón

y Con una veleta a la vez

y Multiveleta

y Motor Rotatorio Con pistón

y De ranura Vertical

y De émbolo

y Fuelles, Diafragma y músculo artificial





Cremallera

Transforman un movimiento lineal en un movimiento rotacional y no superan los 360°

Rotativos de Paletas

Son elementos motrices destinados a proporcionar un giro limitado en un eje de salida. La presión del

aire actúa directamente sobre una o dos palas imprimiendo un movimiento de giro. Estos no superan

los 270° y los de paleta doble no superan los 90°.

Partes de un Actuador

SISTEMA DE "LLAVE DE SEGURIDAD": Este método de llave de seguridad para la retención de las tapas

del actuador, usa una cinta cilíndrica flexible de acero inoxidable en una ranura de deslizamiento

labrada a máquina. Esto elimina la concentración de esfuerzos causados por cargas centradas en los

tornillos de las tapas y helicoils. Las Llaves de Seguridad incrementan de gran forma la fuerza del

ensamblado del actuador y proveen un cierre de seguridad contra desacoplamientos peligrosos.

PIÑÓN CON RANURA: Esta ranura en la parte superior del piñón provee una transmisión

autocentrante, directa para indicadores de posición e interruptores de posición, eliminando el uso de

bridas de acoplamiento. (Bajo la norma Namur).

COJINETES DE EMPALME: Estos cojinetes de empalme barrenados y enroscados sirven para simplificar

el acoplamiento de accesorios a montar en la parte superior. (Bajo normas ISO 5211 Y VDI).

PASE DE AIRE GRANDE: Los conductos internos para el pasaje de aire extra grandes permiten una

operación rápida y evita el bloqueo de los mismos.

MUÑONERAS: Una muñonera de nuevo diseño y de máxima duración, permanentemente lubricada,

resistente a la corrosión y de fácil reemplazo, extiende la vida del actuador en las aplicaciones más

severas.





CONSTRUCCIÓN: Se debe proveer fuerza máxima contra abolladuras, choques y fatiga. Su piñón y

cremallera debe ser de gran calibre, debe ser labrado con maquinaria de alta precisión, y elimina el

juego para poder obtener posiciones precisas.

CERAMIGARD: Superficie fuerte, resistente a la corrosión, parecida a cerámica. Protege todas las

partes del actuador contra desgaste y corrosión.

REVESTIMENTO: Un revestimiento doble, para proveer extra protección contra ambientes agresivos.

ACOPLE: Acople o desacople de módulos de reposición por resorte, o de seguridad en caso de falla de

presión de aire.

TORNILLOS DE AJUSTE DE CARRERA: Provee ajustes para la rotación del piñón en ambas direcciones

de viaje; lo que es esencial para toda válvula de cuarto de vuelta.

MUÑONERAS RADIALES Y DE CARGA DEL PIÑÓN: Muñoneras reemplazables que protegen contra

cargas verticales. Muñoneras radiales soportan toda carga radial.

SELLOS DEL PIÑÓN - SUPERIOR E INFERIOR: Los sellos del piñón están posicionados para minimizar

todo hueco posible, para proteger contra la corrosión.

RESORTES INDESTRUCTIBLES DE SEGURIDAD EN CASO DE FALLA: Estos resortes son diseñados y

fabricados para nunca fallar y posteriormente son protegidos contra la corrosión. Los resortes son

clasificados y asignados de forma particular para compensar la pérdida de memoria a la cual está

sujeto todo resorte; para una verdadera confianza en caso de falla en el suministro de aire.

Dentro de los actuadores electromecánicos son usados muy diversos, tanto para aplicaciones de

tracción como de compresión. Igualmente se pueden integrar de forma muy flexible en otros sistemas

de ensayo. Su campo de acción comprende desde el ensayo de materiales y componentes hasta el

ensayo de productos acabados. Asimismo, permiten la realización de ensayos durante ciertas fases de





producción, como el ensamblaje, montaje etc. y también son ideales para realizar ensayos cíclicos con

grandes recorridos.

y Disponible en seis capacidades diferentes: 1, 2, 5, 10, 20 y 30 kN.

y Altas velocidades de ensayo de hasta 30 m/min garantizan una gran eficacia.

y Cambio suave entre los modos de control por fuerza y control de posición.

y El actuador electromecánico se monta mediante una brida de unión o un pasador de fijación,

permitiendo así un uso muy flexible y cómodo.

y Para las diferentes tareas de ensayo existe una amplia gama de módulos estandar, tales como

células de carga, herramientas de ensayo, software de ensayo y la electrónica estandar

Zwick.

y Para su fácil integración en la línea de producción, existen interfaces y tarjetas adicionales.

y Fácil instalación y una gran duración aseguran una operación baja en mantenimiento.

Otros tipos de actuadores neumáticos son del siguiente tipo marca Festo utilizados en la industria

minera los actuadores empleados de este tipo son los de tipo En este sector predominan actuadores

neumáticos giratorios con pares de giro de hasta 8.800 Nm que pesan más de 150 kg. Ello no es más

que lógico, porque se trata de la manipulación de agua, desagües, substancias químicas, medios

líquidos y pastosos, gases o productos a granel, tales como arena, gravilla o cemento.

Y Festo está presente en la industria de procesos. El actuador neumático giratorio Copar DRD/DRE es

un verdadero bestseller. En poco menos de dos años se han duplicado sus ventas y esta serie de

actuadores giratorios funciona de modo fiable en todo el mundo del control de fluidos en centrales

eléctricas, instalaciones de gas natural o en sistemas de agua y desagüe. Una ejecución especial del

Copar se instala incluso en sistemas neumáticos móviles.

El actuador giratorio Sypar DAPS es un actuador tipo yugo escocés de doble giro (conocido entre los

técnicos como «scotch-yoke») para grifería con giros de 90°, lo que significa que es el complemento

ideal para el Copar. La cinemática tipo scotch-yoke permite la obtención de momentos de arranque

muy altos y su construcción es sencilla y, por lo tanto, económica. Los conjuntos de detectores DAPZ





completan la gama de conjuntos de detectores para actuadores giratorios y ofrecen una gran

variedad de alternativas de detección y diversas conexiones, pueden utilizarse en diversas

aplicaciones y, además, disponen de un buen diseño industrial.

La neumática resulta convincente. Los actuadores neumáticos son duraderos, no precisan de

mantenimiento alguno y resisten sobrecargas. Simplemente aumentando la presión de

funcionamiento es posible aumentar la fuerza y el momento de giro de un actuador neumático,

pudiéndose así superar, por ejemplo, los momentos de arranque más altos que se producen cuando

la suciedad dificulta los movimientos relacionados con el control de fluidos

Además, los actuadores neumáticos están predestinados para la utilización en zonas expuestas al

peligro de explosión, mientras que los actuadores eléctricos utilizados en esos lugares tienen que

configurarse de modo especial, lo que aumenta su costo. Tratándose de actuadores con motores

eléctricos es necesario agregar funciones de control de la temperatura, de los momentos de giro, de

la frecuencia de las conmutaciones, además de prever intervalos de servicio y mantenimiento, lo que

implica disponer de una gran cantidad de E/S con sus respectivos cables. En el caso de la neumática,

se puede prescindir de todas esas funciones. Exceptuando la detección de las posiciones finales y el

control de la alimentación de aire comprimido, utilizando actuadores neumáticos se puede prescindir

de todas las demás funciones de vigilancia y control. Por ello, el aire comprimido es el medio a elegir

en la automatización de procesos industriales.

ACTUADORES HIDRAULICOS.

Los actuadores hidráulicos, neumáticos eléctricos son usados pera manejar aparatos mecatronicos.

Por lo general, los actuadores hidráulicos 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

Los actuadores hidráulicos, que son los de mayor antigüedad, pueden ser clasificados de acuerdo con

la forma de operación, funcionan en base a fluidos a presión. Existen tres grandes grupos:

1.-cilindro hidráulico





Los cilindros hidráulicos (también llamados motores hidráulicos lineales) son actuadores mecánicos

que son usados para dar una fuerza a través de un recorrido lineal.

Los cilindros hidráulicos obtienen la energía de un fluido hidráulico presurizado, que es típicamente

algún tipo de aceite. El cilindro hidráulico consiste básicamente en dos piezas: un cilindro barril y un

pistón móvil conectado a un vástago. El cilindro barril está cerrado por los dos extremos, en uno está

el fondo y en el otro, la cabeza por donde se introduce el pistón, que tiene una perforación por donde

sale el vástago. El pistón divide el interior del cilindro en dos cámaras: la cámara inferior y la cámara

del vástago. La presión hidráulica actúa en el pistón para producir el movimiento lineal.

La fuerza máxima es función de la superficie activa del émbolo y de la presion máxima admisible,

donde:F = P * A

Esta fuerza es constante desde el inicio hasta la finalizacion de la carrera. La velocidad depende del

caudal de fluido y de la superficie del émbolo. segun la versión, el cilindro puede realizar fuerzas de

tracción y/o compresión.

2.-motor hidráulico

Un motor hidráulico es un actuador mecánico que convierte presión hidráulica y flujo en un par detorsión y un desplazamiento angular, es decir, en una rotación o giro. Su funcionamiento es pues

inverso al de las bombas hidráulicas y es el equivalente rotatorio del cilindro hidráulico. Se emplean

sobre todo porque entregan un par muy grande a velocidades de giro pequeñas en comparación con

los motores eléctricos.





Usos

Los motores Hidráulicos se usan para variadas aplicaciones como en la transmision de tornos y grúas,

motores de ruedas para vehículos militares, tornos autopropulsados, propulsión de mezcladoras y

agitadoras, laminadoras, trituradoras para coches, torres de perforación y zanjadoras. También en losúltimos años se usan en atracciones para alcanzar grandes velocidades en poco tiempo.

3.-Cilindro hidráulico El volumen de la cámara de combustión varía haciendo pivotar la culata integral

sobre la bancada por medio de un actuador hidráulico.

La culata descansa sobre este mecanismo y sobre un apoyo que actúa como una simple bisagra. Al

mover el actuador la culata bascula sobre ese apoyo un máximo de 4 grados, suficiente para que la

relación de compresión pueda pasar de 8:1 a 14:1 de forma continua.





De este modo varía la relación de compresión durante el funcionamiento normal del motor. Esto

permite no sólo tener lo mejor de dos tipos de motores, sobrealimentados y atmosféricos, sino ir aún

más lejos y llevar el valor de compresión hasta cifras que resultarían imposibles si el motor debiera

trabajar siempre con ellas

Un cilindro actuador es un dispositivo que convierte la potencia fluida a lineal, o en línea recta, fuerza

y movimiento. Puesto que el movimiento lineal es un movimiento hacia adelante y hacia atrás a lo

largo de una línea recta, este tipo de actuadores se conoce a veces como motor recíproco, o lineal. La

presión del fluido determina la fuerza de empuje de un cilindro, el caudal de ese fluido es quien

establece la velocidad de desplazamiento del mismo. La combinación de fuerza y recorrido produce

trabajo, y cuando este trabajo es realizado en un determinado tiempo produce potencia.

Ocasionalmente a los cilindros se los llama "motores lineales".

De acuerdo con su función podemos clasificar a los cilindros hidráulicos en 2 tipos: de Efecto simple y

de acción doble. En el primer tipo se utiliza fuerza hidráulica para empujar y una fuerza externa,

diferente, para contraer. El segundo tipo se emplea la fuerza hidráulica para efectuar ambas acciones.

El control de dirección se lleva a cabo mediante un solenoide.

En el interior poseen un resorte que cambia su constante elástica con el paso de la corriente. Es decir,

si circula corriente por el pistón eléctrico este puede ser extendido fácilmente.

Cilindro de presión dinámica. Lleva la carga en la base del cilindro. Los costos de fabricación por lo

general son bajos ya que no hay partes que resbalen dentro del cilindro.

Cilindro de Efecto simple. La barra esta solo en uno de los extremos del pistón, el cual se contrae

mediante resortes o por la misma gravedad. La carga puede colocarse solo en un extremo del cilindro.

Cilindro de Efecto doble. La carga puede colocarse en cualquiera de los lados del cilindro. Se genera

un impulso horizontal debido a la diferencia de presión entre los extremos del pistón





Cilindro telescópico. La barra de tipo tubo multietápico es empujada sucesivamente conforme se va

aplicando al cilindro aceite a presión. Se puede lograr una carrera relativamente en comparación con

la longitud del cilindro. El aceite a presión fluye desde la entrada que actúa sobre la cara dentada de

cada engranaje generando torque en la dirección de la flecha. La estructura del motor es simple, por

lo que es muy recomendable su uso en operaciones a alta velocidad.

Motor con pistón eje inclinado. El aceite a presión que fluye desde la entrada empuja el pistón contra

la brida y la fuerza resultante en la dirección radial hace que el eje y el bloque del cilindro giren en la

dirección de la flecha. Este tipo de motor es muy conveniente para usos a alta presión y a alta

velocidad. Es posible modificar su capacidad al cambiar el ángulo de inclinación del eje. Motor

oscilante con pistón axial

Tiene como función, el absorber un determinado volumen de fluido a presión y devolverlo al circuito

en el momento que éste lo precise

Actuador

Electromecánico Actuador Hidráulico Actuador neumático

Instalación -La instalación requiereun sistema eléctrico

simple; compatible conotros controleselectrónicos.

- Requiere instalacióncostosa, filtros, bomba

hidráulica o compresor, etc.Debe prestar atención a lacompatibilidad decomponentes.

- Requiere instalacióncostosa, filtros,

compresor, etc.

Control -Su diseño permite laoperación automáticadel movimiento

- Requiere fluidos y diseñoselectrónicos para la válvula.La presión de la fuente y loscambios de temperaturacomplican control y el

movimiento.

- La presión de la fuente ylos cambios detemperatura complicancontrol y el movimiento.

Velocidad - Hasta 50 mm/seg y sepuede controlar convariadores deFrecuencia.

- Difícil de controlar. Varíacon temperatura y desgaste.

- Bueno para los usos dealta velocidad, pero conpoca fuerza( 100 mm / seg.)





Confiabilidad -No Requieremantenimiento.

- Las fuentes de los fluidosrequieren mantenimiento.Los sellos son propensos adeteriorarse y ocasionarperdida del fluido hidráulico

-Las fuentes de airerequieren filtraciónapropiada. Son maspropensos a deteriorarsepor desgaste de sussellos.

Capacidad decarga

- Hasta 4000 N(890 Lbf)

- Fuerza ilimitada. - Hasta 5000 libras.Utilizado típicamente pordebajo de 1HP.

Ambiente -Los modelos estándaresclasificaron para -20º a160º F. Resistencondiciones extremas de

Temperatura

-Las condiciones extremas deTemperatura pueden ser unproblema grave. Los sellosson propensos a

deteriorarse.

-Las condiciones extremasdeTemperatura pueden serun problema grave.

Carga segura -Son autobloqueantes yno se acciona por ningúntipo de carga mecánica.

-Se deben utilizar dispositivosde seguridad muy complejos

- Se deben utilizardispositivos de seguridadmuy complejos.

Coste - coste inicial moderado;gastos de mantenimientobajos.

- Coste inicial moderado,pero se aumenta en lainstalación y el

mantenimiento. El costo delfluido hidráulico es alto.

- Coste inicial moderado,pero se aumenta en lainstalación y el

mantenimiento.

Actuadores Electromecánicos

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