Unidad 2. Actuadores

Introducción.

En el siguiente trabajo se hablara de los tipos de actuadores que hoy en día existen y de la importancia de cada uno, sus ventajas y desventajas y cada papel que juega cada uno. Con este trabajo se pretende tener más en claro los características de un actuador y las partes que lo componen dependiendo de qué actuador sea y el tipo.

Los actuadores en tiempo atrás eran solo un dispositivo que el hombre le proporcionaba movimiento a este, se le llamaba actuador “Humano”, con el tiempo fue muy tedioso su comprensión hasta que el hombre decidió automatizarlos. A continuación hablaremos más de los actuadores, ya que estos actuadores tienen como misión generar el movimiento de los elementos del robot u otros dispositivos con las que sean integradas según las órdenes dadas por la unidad de control. Se clasifican en tres grandes grupos, según la energía que utilizan.

2.1 Eléctricos.

Los actuadores electrónicos también son muy utilizados en los aparatos mecatrónicos, como por ejemplo, en los robots de tamaño mediano, pues éstos no requieren de tanta velocidad ni potencia como los robots diseñados para funcionar con actuadores hidráulicos. Los robots que usan la energía eléctrica se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad. Los servomotores CA sin escobillas se utilizaran en el futuro como actuadores de posicionamiento preciso debido a la demanda de funcionamiento sin tantas horas de mantenimiento.

                         

2.1.1 Tipos.

- Motores de corriente continua (DC):

Son los más usados en la actualidad debido a su facilidad de control. En este caso, se utiliza en el propio motor un sensor de posición (Encoder) para poder realizar su control.

Los motores de DC están constituidos por dos devanados internos, inductor e inducido, que se alimentan con corriente continua:

El inducido, también denominado devanado de excitación, está situado en el estator y crea un campo magnético de dirección fija, denominado excitación.

El inducido, situado en el rotor, hace girar al mismo debido a la fuerza de Lorentz que aparece como combinación de la corriente circulante por él y del campo magnético de excitación. Recibe la corriente del exterior a través del colector de delgas, en el que se apoyan unas escobillas de grafito.

Para que se pueda dar la conversión de energía eléctrica en energía mecánica de forma continua es necesario que los campos magnéticos del estator y del rotor permanezcan estáticos entre sí. Esta transformación es máxima cuando ambos campos se encuentran en cuadratura. El colector de delgas es un conmutador sincronizado con el rotor encargado de que se mantenga el ángulo relativo entre el campo del estator y el creado por las corrientes rotoricas. De esta forma se consigue transformar automáticamente, en función de la velocidad de la máquina, la corriente continua que alimenta al motor en corriente alterna de frecuencia variable en el inducido. Este tipo de funcionamiento se conoce con el nombre de autopilotado.

Al aumentar la tensión del inducido aumenta la velocidad de la máquina. Si el motor esta alimentado a tensión constante, se puede aumentar la velocidad disminuyendo el flujo de excitación. Pero cuanto más débil sea el flujo, menor será el par motor que se puede desarrollar para una intensidad de inducido constante, mientras que la tensión del inducido se utiliza para controlar la velocidad de giro.

En los controlados por excitación se actúa al contrario. Además, en los motores controlados por inducido se produce un efecto estabilizador de la velocidad de giro originado por la realimentación intrínseca que posee a través de la fuerza contraelectromotriz. Por estos motivos, de los dos tipos de motores DC es el controlado por inducido el que se usa en el accionamiento con robots.

Para mejorar el comportamiento de este tipo de motores, el campo de excitación se genera mediante imanes permanentes, con lo que se evalúan fluctuaciones del mismo. Estos imanes son de aleaciones especiales como sumario-cobalto. Además, para disminuir la inercia que poseería un rotor bobinado, que es el inducido, se construye este mediante una serie de espiras serigrafiadas en un disco plano, este tipo de rotor no posee apenas masa térmica lo que aumenta los problemas de calentamiento por sobrecarga.

Las velocidades de rotación que se consiguen con estos motores son del orden de 1000 a 3000 rpm con un comportamiento muy lineal y bajas constantes de tiempo. Las potencias que pueden manejar pueden llegar a los 10KW.

Como se ha indicado, los motores DC son controlados mediante referencias de velocidad. Estas normalmente son seguidas mediante un bucle de retroalimentación de velocidad analógica que se cierra mediante una electrónica específica (accionador del motor).

- Motores de corriente alterna (AC):

Sincronos.

Asíncronos.

- Motores paso a paso: 

Los motores paso a paso generalmente no han sido considerados dentro de los accionamientos industriales, debido principalmente a que los pares para los que estaban disponibles eran muy pequeños y los pasos entre posiciones consecutivas eran grandes. En los últimos años se han mejorado notablemente sus características técnicas, especialmente en lo relativo a su control, lo que ha permitido fabricar motores paso a paso capaces de desarrollar suficientes en pequeños pasos para su uso como accionamientos industriales. Existen tres tipos de motores paso a paso:

· De imanes permanentes.

· De reluctancia variable.

· Híbridos.

2.1.2 Funcionamiento.

Como se utilizan cables eléctricos para transmitir electricidad y las señales, es altamente versátil y prácticamente no hay restricciones respecto a la distancia entra la fuente de poder y el actuador. Existe una gran cantidad de modelos y es fácil utilizarlos con motores eléctricos estandarizados según la aplicación. En la mayoría de los casos es necesario utilizar reductores, debido a que los motores son de operación continua.

2.1.3 Características.

Las características de control, sencillez y precisión de los accionamientos eléctricos han hecho que sean los más usados en los robots industriales actuales, como por ejemplo el uso de un robot en fabrica de autos en el pintado.

                                                                             

2.1.4 Modo de comunicación.

Los actuadores eléctricos se comunican mediante el funcionamiento de los mismos, ya que si una parte llega a fallar no se puede realizar la acción que se requiere para llevar a cabo su movimiento.

- 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.

- Revestimiento: 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 sujeta todo resorte; para una verdadera confianza en caso de falla en el suministro de aire.

2.2 Mecánicos.

Los Actuadores Mecánicos son dispositivos que utilizan energía mecánica para su funcionamiento. En función de la fuente de energía utilizada pueden ser neumáticos o hidráulicos, es decir, los actuadores mecánicos son dispositivos que transforman el movimiento rotativo a la entrada, en un movimiento lineal en la salida. Los actuadores mecánicos aplicables para los campos donde se requiera movimientos lineales tales como: elevación, traslación y posicionamiento lineal.

Tipos de Automatizado

- Hidraulicos: son aquellos que se transmiten a través de líquidos cuando son presionados. Por ejemplo una grúa o un volquete de carga pesada:

- Neumaticos: son aquellos que funcionan mediante la fuerza de aire comprimido. Ej: lavacoches.

                                   

                                                                    Maquina lavacoches

                                      

Mecanismos de funcionamiento por presión, Lavar y vuelco seco que comprende 4 cepillos verticales y 1 cepillo horizontal controlados por transductores de potencia.

2.2.2 Funcionamiento.

Cuando un proceso de automatización se realiza sin la intervención humana decimos que se trata de un proceso automatizado. La automatización permite la eliminación “total” o parcial de la intervención del hombre. Los automatismos son dispositivos de realizar tareas sin la intervención humana. Algunas máquinas coma las lavadoras tienen programadores y las ordenes que proporcionan se llaman programas.

2.2.3 Características.

Alta fiabilidad, simplicidad de utilización, mínima manutención, seguridad y precisión de posicionamiento; irreversibilidad según el modelo de aplicación, sincronismo de movimiento. En el funcionamiento de los automatismos se caracteriza por tres fases:

· Entrada de datos u órdenes.

· Control de los datos.

· Realización de tareas concretas.

2.2.4 Modo de comunicación.

Cuando aplicamos una fuerza sobre una superficie determinada decimos que ejercemos presión. Cuando más grande sea la superficie sobre la cual aplicamos la fuerza más pequeña será la presión que ejercemos encima, y cuanto más pequeña sea la superficie mayor será la presión.

En el SI la fuerza se mide en Newtones y la superficie en m². El cociente entre estas unidades nos da la unidad de presión, los Pascales. Pa= F/S.

En neumática el pascal resulta una unidad muy pequeña, por eso se utiliza un Bar que es igual a 105 pascales. Otras unidades que se utilizan para medir la presión son: atmósferas que equivalen a la presión atmosférica nivel del mar.

2.3 Hidráulicos.

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.

2.3.1 Tipos.

- Cilindro hidráulico: De acuerdo con su función podemos clasificar a los cilindros hidráulicos en 2 tipos: 

Efecto simple: se utiliza fuerza hidráulica para empujar y una fuerza externa, diferente, para contraer.

                              

Acción u efecto doble: Se emplea la fuerza hidráulica para efectuar ambas acciones.

                             

- Motor hidráulico: En los motores hidráulicos el movimiento rotatorio es generado por la presión. Estos motores los podemos clasificar en dos grandes grupos: El primero es uno de tipo rotatorio en el que los engranes son accionados directamente por aceite a presión, y el segundo, de tipo oscilante, el movimiento rotatorio es generado por la acción oscilatoria de un pistón o percutor; este tipo tiene mayor demanda debido a su mayor eficiencia.

- Motor hidráulico de oscilación: Tiene como función, el absorber un determinado volumen de fluido a presión y devolverlo al circuito en el momento que éste lo precise.

2.3.2 Funcionamiento.

La misión de los actuadores es generar o transmitir movimiento a piezas o elementos, previas órdenes dadas por la unidad de control y mando. Los actuadores hidráulicos utilizan como energía aceites minerales, que trabajan a presión entre 50 y 100 bares y que en ocasiones pueden superar los 300 bares.

2.3.3 Características.

Las bombas hidráulicas son los elementos encargados de impulsar el aceite o líquido hidráulico, transformando la energía mecánica rotatoria en energía hidráulica.

2.3.4 Modo de comunicación.

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.

                          

                                   Práctica de la unidad 2. Actuadores

Obejetivos:

Crear un actuador con materiales de un vibrador de telefono y dos baterías de 3 voltios la cual proporcionará energía suficiente para hacer que el vibrador actue de manera que esta empuje hacia una direccion un cepillo dental, siendo esta el ejemplo de un actuador de la unidad 2 de sistemas programables.

Materiales:

 

- 1 cepillo dental. 

- 1 vibrador de celular.

- 2 baterías de 3 voltios c/u.

- 10 cm de cable utp.

- Cautín y Grasa.

- Cinta de doble pegado.

PROCEDIMIENTOS:

PASO1: quitarle la Cabeza al cepillo dental.

PASO 2: destrenzar el cable Utp.

PASO 3: soldar un pedazo del cable Utp destrenzado a uno de los extremos del vibrador.

PASO 4: pegar con la cinta de doble pegado las baterías y el vibrador a la cabeza del cepillo de dientes.

PASO 5: con el cable soldado en el extremo del vibrador unirlo con cinta a las baterías las cuales se encuentran apiladas.

Paso 6: Cucaracha Robot Finalizada.

                            Imagenes.

                                  

                                 

     

    

    

    

Video sobre el actuador funcional:

                                               

Conclusión:

Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y de gas. Los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, pero es muy costosa. Los actuadores eléctricos también son muy utilizados en los aparatos mecánicos y electrónicos. Los actuadores neumáticos, los más usados en las industrias son actuadores de posicionamiento, es decir: posicionar objetos.

En esta practica fue un claro ejemplo de como pueden ser usados o aplicados los actuadores haciendolos funcionar con otros materiales integrados, por ejemplo el vibrador del celular fue soldado con cables en la cual se unio con dos baterias la cual le proporcionaba ejergia y mediante esa energia aplicada se podia hacer mover los dientes del cepillo dental hacia diferentes direcciones, siendo asi un actuador funcional.

                       Practica II. Actuador con sensor ultrasónico integrado.

El alumno debera conocer todos los tipos de sensores que existen, como también estudiarlos en su, Definición, Características, Funcionamientos.

Aplicacion: hacer un actuador que avise y encienda un aparato electrónico por medio de la distancia.

                                  

                                                                Materiales:

1 Arduino mega

1 un sensor ultrasonico

1 fuente de voltaje de 5 v. DC

1 led rojo

1 led verde

1 Bloque de relevadores x4 

10 cm de cable utp.

Cautín y Grasa. 

PROCEDIMIENTO:

PASO 1: destrenzar el cable Utp.

PASO 2: Conectar los led rojo, verde y el bloque de relevadores al negativo

PASO 3: conectar el sensor al arduino en los pines 7 al positivo del sensor,pin 6 al pin hecho del sensor ,pin 5 al pin request del sensor y pin  4 al negativo del sensor.

PASO 4: Conectar el pin 8 al led rojo, el pin 9 al led verde y pin 10 al pin sin de un relevador del grupo, de igual forma conectar el grupo de relevador  al alimentador del arduino.

PASO 5: crear el programa, para el arduino configurando la calibración de tiempo de respuesta , retrasmisión y calculo de distancia. Fijando la distancia superior a 10 cm como segura (led verde on) y su distancia inferior como insegura(led rojo on y activar relevador)

PASO 6: Compilar el programa y cargarlo en el arduino.

PASO 7: Reiniciar el arduino para que entre en ejecución el nuevo grupo de instrucciones.

Video sobre el sensor funcional:

                                           

Conclusiones:

Mediante las recopilaciones de informaciones de sensores y actuadores, con la finalización del informe y mediante la práctica “realizando un proyecto con sensores” y "Realizacion de un actuador" , se pudo asimilar el concepto “definición, características, tipos, aplicaciones” de las mismas, sus reacciones, comportamiento de los distintos tipos de sensores y actuadores con los que se trabajo y estudiado en esta unidad 1 y 2 de sistemas programables, obteniendo así los conocimientos claros y precisos del funcionamiento y aplicaciones en la vida diaria de los sensores, por lo que, es de gran utilidad conocer los varios tipos de sensores y sus características para diseñar sistemas de clasificación y reconocimiento de patrones para que operen dentro de las normas y restricciones del mecanismo en el que se está trabajando. 

En la actualidad los sensores se han convertido en dispositivos fundamentales para la realización de instrumentos y herramientas en las actividades del hombre en las industrias de la misma manera que los actuadores aaplicados en maquinarias pesadas como elevacion de carga de un volquete, ya sea para sus necesidades como ser, protección, prevención, comodidad, seguridad, etc. o para fuentes económico como ser, ventas, negocios, etc.


Blibliografía:

http://www.pmzcomatrans.com/transmision/actuadores-mecanicos/

http://www.info-ab.uclm.es/labelec/Solar/electronica/elementos/Electricos.htm

https://es.wikipedia.org/wiki/Actuador