INSTITUTO TECNOLOGICO COMPUS VILLAHERMOSA ING. EN SISTEMAS COMPUTACIONALES MATERIA: SISTEMAS PROGRAMABLES UNIDAD:2. ACTUADORES ACTIVIDAD. INVESTIGACION PROFESOR. MANUEL ANTONIO RODRIGUEZ MAGAÑA ALUMNO: JONATHAN DE JESUS ALVAREZ MORENO NUMERO CONTROL. 15300921 VILLAHERMOSA TABASCO A 2 DE OCTUBRE DEL 2020 Contenido Introducción..................................................................................................................................................... 3 Actuadores. ....................................................................................................................................................... 4 2.1Eléctricos. ................................................................................................................................................. 5 2.2 Tipos ........................................................................................................................................................ 5 Corriente directa. ............................................................................................................................................... 6 2.1.2 Funcionamiento ................................................................................................................................... 7 2.1.3 Características .................................................................................................................................... 7 2.1.4 Modo de comunicación........................................................................................................................ 8 MECANICOS ..................................................................................................................................................... 9 2.2.1 TIPOS....................................................................................................................................................... 9 Actuadores Mecánicos Hidráulicos: ............................................................................................................. 10 2.2.2 FUNCIONAMIENTO .......................................................................................................................... 10 2.2.3 CARACTERISTICAS ......................................................................................................................... 11 2.2.4 MODO DE COMUNICACIÓN ............................................................................................................ 12 2.3 Hidráulicos. ...................................................................................................................................... 13 2.3.1 Tipos ............................................................................................................................................. 13 Motor hidráulico ............................................................................................................................................... 14 2.3.2 Funcionamiento ............................................................................................................................. 14 2.3.3 Características ............................................................................................................................... 15 2.3.4 Modo de comunicación. ................................................................................................................. 15 Conclusión....................................................................................................................................................... 16 Bibliografía ...................................................................................................................................................... 17 Introducción Un actuador es un dispositivo inherentemente mecánico cuya función es proporcionar fuerza para mover o “actuar” otro dispositivo mecánico. La fuerza que provoca el actuador proviene de tres fuentes posibles: Presión neumática, presión hidráulica, y fuerza motriz eléctrica (motor eléctrico o solenoide). Actuador automático: se requiere una fuente de fuerza para su automatización o funcionamiento automático de una válvula de control. Actuadores de potencia sobre todo el uso de válvulas de control de tuberías que se encuentran en zonas remotas o distantes, o son uso en válvulas que funcionan continuamente y también utilizar en válvulas grandes, que son muy difíciles o imposibles de controlar manualmente debido a la exigencia de grandes caballos de fuerza. Dependiendo del origen de la fuerza el actuador se denomina “neumático”, “hidráulico” o “eléctrico”, a su vez existen dos tipos de actuadores según su tipo de movimiento, los lineales y los rotatorios. Los actuadores lineales generan una fuerza en línea recta, tal como haría un pistón. Los actuadores rotatorios generan una fuerza rotatoria, como lo haría un motor eléctrico. Es importante comprender el funcionamiento de los actuadores para su correcta aplicación. Los actuadores hidráulicos, neumáticos y eléctricos son usados para manejar aparatos mecatrónicos. 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 mucho 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. Actuadores. Según en la segunda edición del libro Sensores y Actuadores escrito por Leonel G. Corona Ramírez, Griselda S. Abarca Jiménez y Jesús Mares Carreño los actuadores es un dispositivo con la capacidad de generar una fuerza que ejerce un cambio de posición, velocidad o estado de algún tipo sobre un elemento mecánico, a partir de la transformación de energía siendo esto citado en la página 25 del libro ya mencionado en donde también se identifica la clasificación de dos tipos de actuadores. 1. Por el tipo de energía utilizada: Actuadores neumático, hidráulico y eléctrico. 2. Por el tipo de movimiento que generan: Actuador lineal y rotario. CLASIFICACION DE LOS ACTUADORES Recalcando que cualquier dispositivo que tenga como entrada una señal eléctrica (generalmente de potencia) y como salida una variable mecánica (posición, velocidad) se le conoce con el nombre de actuador. No es necesario que esta relación sea lineal. Estrictamente hablando podemos considerar a lo actuadores como una subfamilia de los transductores, aunque más bien son conocidos como un grupo independiente. 2.1Eléctricos. Escrito en el libro Sensores y Actuadores "APLICACIONES CON AURDUINO" nos dice que son dispositivos que llevan incorporado un motor eléctrico y un reductor que permite accionar cualquier dispositivo para llevar a cabo determinado movimiento u acción. Por ejemplo, se emplean en la industria para accionar compuertas, válvulas y en general diferentes elementos que ponen en comunicación un proceso con otro o un estado de un proceso con otro. El actuador eléctrico es el que almacena los datos de válvulas y carrera y posteriormente dicha información es procesada por la parte de control que es precisamente la que se encarga de conectarlo y desconectarlo según las necesidades. Así pues, un actuador en general es un dispositivo que puede transformar un tipo de energía en un proceso que se activa a raíz de ella. De ahí precisamente viene su nombre. Su objetivo es conseguir dicho efecto sobre el proceso de automatizado. El controlador recibe la orden del actuador y a partir de ella genera una respuesta para activar un elemento final como podría ser una compuerta. Podemos decir que en el caso específico de los actuadores eléctricos la fuente que inicia dicho proceso es una fuente eléctrica. Por ello es por lo que precisamente su estructura suele ser más simple que la de los actuadores neumáticos o hidráulicos. 2.2 Tipos Por lo general los actuadores eléctricos se clasifican de acuerdo con el tipo de energía eléctrica con la que son alimentados, por el tipo de movimiento que generan y por la forma de extracción entre otros aspectos. Calificación de los actuadores por el tipo de energía de alimentación. 1. 2. 3. Corriente directa. (DC) Corriente alterna. Paso a paso Corriente directa. Estos están compuestos por dos devanados internos, inductor e inducido, que se alimentan con Corriente continua. El inducido 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. Corriente alternar. Este tipo de actuador eléctrico no ha tenido aplicación en robótica hasta hace unos años, debido fundamentalmente a la dificultad de su control. Sin embargo, las mejoras que se han introducido en las máquinas síncronas hacen que se presenten como un claro competidor de los motores de corriente continua. Paso a paso. La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°. Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas están energizadas, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas. El motor paso a paso está constituido esencialmente por dos partes: a) Una fija llamada "estator", construida a base de cavidades en las que van depositadas las bobinas que excitadas convenientemente formarán los polos norte-sur de forma que se cree un campo magnético giratorio. b) Una móvil, llamada "rotor" construida mediante un imán permanente, con el mismo número de pares de polos, que el contenido en una sección de la bobina del estator; este conjunto va montado sobre un eje soportado por dos cojinetes que le permiten girar libremente. Vista en una sección de un motor paso a paso de imán permanente. 2.1.2 Funcionamiento Como hemos dicho, un actuador eléctrico está involucrado en numerosos procesos industriales. Aquí te detallamos algunas de sus funciones: ● Sistemas de visión y corrección remota de posiciones ● Movimiento de brazos articulados para líneas de producción automatizadas ● Encolado y fresado ● Manipulación automática de objetos, por ejemplo, en laboratorios, con gran precisión y rapidez en sistemas de pick and place ● Elevadores verticales ● Desplazamiento de cargas a gran precisión y velocidad En Instrumentación Digital queremos ofrecerte siempre lo mejor. Por ello, queremos invitarte a descubrir el amplio catálogo que hemos puesto tu disposición de diferentes dispositivos para el control y análisis de redes eléctricas. Consulta otros artículos para saber más sobre otros componentes fundamentales en las instalaciones industriales y particulares. 2.1.3 Características La estructura de un actuador eléctrico es simple en comparación con la de los actuadores hidráulicos y neumáticos, ya que sólo requieren de energía eléctrica como fuente de energía. Como se utilizan cables eléctricos para transmitir electricidad y las señales, es altamente versátil y prácticamente no hay restricciones respecto a la distancia entre la fuente de energía 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. La forma más sencilla para el accionamiento con un pistón, sería la instalación de una palanca solidaria a una bisagra adherida a una superficie paralela al eje del pistón de accionamiento y a las entradas roscadas. 2.1.4 Modo de comunicación. El actuador eléctrico puede ser controlado bien localmente desde el propio actuador o bien remotamente desde un control externo. El modo de operación se selecciona mediante un SELECTOR (LOCAL/OFF/REMOTO) ubicado en el frontal de la unidad centronik. Modo OFF. En este estado, el actuador no obedece a las órdenes que se le puedan indicar desde el teclado frontal (modo LOCAL) ó desde modo REMOTO. El teclado frontal indica únicamente el estado de la tensión de alimentación (Led 5). Modo LOCAL. El actuador se maniobra a través de los pulsadores o botones ABRIR, CERRAR, STOP localizados en el frontal de la unidad centronik. Dicho frontal presenta 5 lámparas LED que proporcionan una indicación LOCAL Los pulsadores ABRIR, CERRAR y STOP son del tipo “pulsante”, basta con pulsar una vez para que la orden, por ejemplo apertura, se ejecute. No es necesario mantener pulsado el botón para mantener la orden. Modo programación Modo sólo válido para las unidades centronik Todo/Nada con visualización y regulación. Este modo permite realizar los ajustes, configuraciones y calibraciones de los parámetros de la unidad centronik. Se accede a este modo, desde el teclado frontal de la unidad centronik, estando situado el selector en modo LOCAL, e introduciendo el password correcto. MECANICOS IMAGEN 7 Y 8 PRESENTADA EN EL LIBRO: SENSORES Y ACTUDADORES: APLICACIONES CON ARDUINO, GRUPO EDITORIAL PATRIA, S.A. DE C.V. 2014 Los actuadores mecánicos son dispositivos que transforman el movimiento rotativo a la entrada, en un movimiento lineal en la salida. Son dispositivos que transforman el movimiento rotativo a la entrada, en un movimiento lineal en la salida. Los actuadores mecánicos son aplicables para los campos donde se requiera movimientos lineales tales como: elevación, traslación y posicionamiento lineal. Algunas de las ventajas que nos ofrecen los actuadores mecánicos son: Alta fiabilidad, simplicidad de utilización, mínima manutención, seguridad y precisión de posicionamiento; irreversibilidad según el modelo de aplicación, sincronismo de movimiento. Los actuadores mecánicos aplicables para los campos donde se requiera movimientos lineales tales como: elevación, traslación y posicionamiento lineal. Algunas de las ventajas que nos ofrecen los actuadores mecánicos son: Alta fiabilidad, simplicidad de utilización, mínima manutención, seguridad y precisión de posicionamiento; irreversibilidad según el modelo de aplicación, sincronismo de movimiento. 2.2.1 TIPOS La operatividad de los actuadores dependerá del campo de acción bajo el cual se encuentren, cabe destacar que los actuadores mecánicos a través de la transformación de movimientos, establecen acciones especificas en cuanto a sus propiedades. De tal manera es posible encontrar características que permitan establecer otros tipos de actuadores mecánicos, en función de la fuente de energía utilizada pueden ser neumáticos o hidráulicos: Actuadores Mecánicos Hidráulicos: En base a fluidos (Aceite o Grasa). IMAGEN 4 PRESENTADA EN EL LIBRO: SENSORES Y ACTUDADORES: APLICACIONES CON ARDUINO, GRUPO EDITORIAL PATRIA, S.A. DE C.V. 2014 Los que han de utilizar un fluido a presión, generalmente un tipo de aceite, para que el robot pueda movilizar sus mecanismos. Los actuadores hidráulicos se utilizan para robots grandes, los cuales presentan mayor velocidad y mayor resistencia mecánica. Actuadores Mecánicos Neumáticos: En base a aire. IMAGEN 5 PRESENTADA EN EL LIBRO: SENSORES Y ACTUDADORES: APLICACIONES CON ARDUINO, GRUPO EDITORIAL PATRIA, S.A. DE C.V. 2014 Se comprime el aire abastecido por un compresor, el cual viaja a través de mangueras. Los robots pequeños están diseñados para funcionar por medio de actuadores neumáticos 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 coman las lavadoras tienen programadores y las ordenes que proporcionan se llaman programas. En función de las características, ventajas y componentes de los actuadores mecánicos, es posible establecer condiciones para el funcionamiento adecuado de estos actuadores, respecto al resto de dispositivos que interactúan en la automatización de procesos industriales. Por tal razón se hace necesaria la integración adecuada a los procesos, para así garantizar la armonía y equilibrio en la ejecución de sus funciones. Existen diversos tipos de aplicaciones y usos para los actuadores mecánicos, a su vez integrados en procesos manuales, por ejemplo, los actuadores pueden ser usados como complemento para interruptores y sistemas de seguridad, es decir, que por sus funciones y simplicidad de algunos modelos permite encontrar rápidamente la solución idónea para casi cualquier aplicación. Las bases para la integración de los actuadores mecánicos en los sistemas de control, se fundamentan en la necesidad de establecer lineamientos bajo los cuales se logre el comportamiento de los sistemas. En este caso la automatización dependerá de los parámetros que se obtengan cuando se logre el control de los procesos y las diferentes funciones que se puedan establecer con los dispositivos de control. 2.2.3 CARACTERISTICAS Están ligadas al funcionamiento de estos, ya que utilizan principios de transformación de energía mecánica, para así lograr las actividades respectivas dependiendo del movimiento lineal que se quiera ejecutar: elevación, traslación y posicionamiento lineal, es decir, que dependerá directamente de los componentes que conformen el actuador, aplicados al campo de acción en cual se quieran integrar, se observará que cuando se aplica una fuerza sobre una superficie determinada se dice que se ejerce presión, por lo tanto cuando más grande sea la superficie sobre la cual aplicará la fuerza más pequeña será la presión que se ejerza encima y cuanto más pequeña sea la superficie mayor será la presión. 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. Sus ventajas están definidas por el sistema que se quiera controlar, de acuerdo a las capacidades, cualidades y funcionamiento, se pueden considerar las siguientes: alta fiabilidad, simplicidad de utilización, mínima manutención, seguridad y precisión de posicionamiento; irreversibilidad según el modelo de aplicación, sincronismo de movimiento. 2.2.4 MODO DE COMUNICACIÓN Transforman el movimiento rotativo de la entrada, en un movimiento lineal en la salida. los actuadores mecánicos aplicables para los campos donde se requiera movimientos lineales, están definidos por la capacidad para la transformación de los movimientos, donde permiten cumplir con las condiciones básicas del actuador, así este es capaz de generar una acción que active el funcionamiento del dispositivo de control final. Su aplicación o funcionamiento se define por el campo de acción inmediato respecto al movimiento a transformar: ▪ Elevación. ▪ Traslación. ▪ Posicionamiento lineal. Los componentes que integran a un actuador mecánico, puntualmente son los que contribuyen con la transformación del movimiento, en la acción que es especificada por el controlador. Se trata de engranajes, rieles, poleas, cadenas y otros componentes que integrados permiten la operatividad. El conocimiento de la información mencionada es esencial para lograr la selección de los componentes correctos que integren el actuador mecánico Los actuadores se utilizan con frecuencia como mecanismos para introducir movimiento, o para sujetar un objeto a fin de impedir el movimiento. La conversión entre el movimiento circular y lineal se hace comúnmente a través de unos simples de mecanismo, incluyendo: Tornillo: tornillo de gato, tornillo de bola y actuadores de tornillo de rodillos funcionan todos ellos en el principio de la simple máquina conocida como el tornillo. Al girar la tuerca del actuador, el eje del tornillo se mueve en una línea. Al mover el eje del tornillo, la tuerca gira. Rueda y eje: torno, de piñón y cremallera, transmisión por cadena, correa, cadena rígida y actuadores cinturones rígidos funcionan según el principio de la rueda y el eje. Al girar la rueda/eje lineal a movimientos miembros. Al mover el miembro lineal, la rueda/eje gira. En parte teórica 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. En el capítulo tres del libro Neumática e Hidráulica, de Antonio Creus Solé en su segunda edición nos dice que la hidráulica como tal, se encarga del estudio de las propiedades mecánicas de los fluidos y se aplica en dispositivos que funcionan con líquidos. Entrando en el tema de los actuadores hidráulicos se nos menciona que los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia. Sin embargo, también se menciona que los actuadores hidráulicos requieren demasiado equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. 2.3.1 Tipos Estos se clasifican en Actuadores Lineales, llamados Cilindros. Y actuadores rotativos en general denominados motores hidráulicos. Los actuadores son alimentados con fluido a presión y se obtiene un movimiento con una determinada velocidad, fuerza, o bien velocidad angular y momento a partir de la perdida de presión de un determinado caudal del fluido en cuestión. Potencia de Entrada = Presión x Caudal Potencia Entregada en el Actuador = Variación de Presión x Caudal. Esta variación de presión deberá computarse entre la entrada y la salida del actuador. En estas expresiones no consideramos las pérdidas por rozamiento que existen y no se debe dejar de tenerlas en cuenta para las realizaciones prácticas. La potencia mecánica de salida estará dada en los actuadores lineales por: Potencia de Salida = Fuerza x Velocidad Y en los actuadores rotativos por: Potencia de Salida = Momento Motor (Torque) x velocidad Angular es evidente que las perdidas entre la potencia de entrada y salida serán las pérdidas por rozamiento. Cilindros. 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. El cilindro 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. Puesto que los cilindros con vástago de acoplamiento son los cilindros de acción doble más comunes, se tiene en cuenta las pautas de la Nacional Fluid Power Association (NFPA) para fijar las normas de calibre, tipo de montaje y dimensiones generales del cilindro. Esto permite usar los cilindros con vástago de acoplamiento de diferentes fabricantes, si tienen la misma descripción de diseño. Sin embargo, recuerde que, aunque los cilindros pueden tener el mismo calibre, su calidad puede ser diferente. EJEMPLO DE CILINDRO HIDRAULICO 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. 2.3.2 Funcionamiento El autor nos interpreta que la misión de los actuadores es generar o transmitir movimiento a piezas o elementos, previas órdenes dadas por la unidad de control y mando. También se nos dice que la función como tal de esto es utilizar un fluido a presión, generalmente un tipo de aceite. 2.3.3 Características son aquellos que a través de líquidos son presionados. La presión obtenida es mayor que la de los actuadores neumáticos. Permite desarrollar elevadas fuerzas y pares. Estabilidad frente a cargas estáticas. Elevada capacidad de carga y relación potencia peso. Auto lubricación y robustez. 2.3.4 Modo de comunicación. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia. 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. Conclusión. Conociendo los tipos de Actuadores podemos comprender cual se utilizará en cada momento que se necesite dependiendo de la fuerza que se esté ejerciendo. Con esto podemos saber que fuerza es si es Hidráulica, Neumática o Eléctrica. Cada uno de los actuadores tiene sus ventajas y son necesarios, de igual manera cada uno puede depender de todos. Estos pueden trabajar de la mano de igual manera, por ejemplo, en un Actuador para levantar los carros se puede utilizar los actuadores mencionados. De manera global los actuadores tienen un énfasis notorio nivel industrial han permitido el desarrollo de nuevos procesos, gracias a las características de sus componentes, facilitan la aplicación para la activación de los mecanismos finales de control. Garantizando procesos estables que han sido regulados o controlados, para así cumplir con las necesidades del sistema. • Un ejemplo de un actuador Neumático seria lo que es un camión de Diesel. • En un actuador Eléctrico lo que es un carro de Gasolina. De igual manera podemos diferenciar de lo que es un actuador lineal o uno rotatorio, sabemos que los actuadores que mencionamos los Hidráulicos, Neumáticos, Eléctricos y Mecánicos pueden ser lineales o Rotatorios dependiendo del caso en que se vallan a utilizar. Cada energía que utiliza un actuador es importante y se usa de una forma considerable. Bibliografía Leonel G. Corona Ramírez, Griselda S. Abarca Jiménez y Jesús Mares Carreño. (2014). SENSORES Y ACTUADORES “Aplicaciones arduino”. Azcapotzalco, México, D.F.: Grupo editorial PATRIA., PAGINAS; 25-45 SUBTEMA “ACTUADORES” ANTONIO CREUS SOLÉ... (ENERO 2011). NEUMATICA E HIDRAULICA. BARCELONA, ESPAÑA.: Editorial MOROCOMBO, S.A. PAGINAS; CAPITULO 3. ACTUADORES HIDRAULICOS Y CAPITULO 4 ACTUOADORES ELECTRICOS. JUAN CARLO MARTIN CASTILLO. (2010). INSTALACIONES DOMATICAS. MEXICO: EDITEX. PAGINAS; UNIDAD 3 “ACTUADORES Y SUS APLICACIONES.”
