actuadores en la industria

7/24/2019 Actuadores en la Industria

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4. ACTUADORES4.1. Actuadores neumticos e hidrulicos.

Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de lquidos,de energa elctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador ocontrolador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de controlcomo lo son las vlvulas. Pueden ser hidrulicos, neumticos o elctricos.

Los actuadores hidrulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y losneumticos son simples posicionamientos. in embargo, los hidrulicos requierendemasiado equipo para suministro de energa, as como de mantenimientoperi!dico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumticos tambin sonlimitadas desde el punto de vista de precisi!n y mantenimiento.

El traba"o realizado por un actuador neumtico puede ser lineal o rotativo. Elmovimiento lineal se obtiene por cilindros de mbolo #stos tambin proporcionanmovimiento rotativo con variedad de ngulos por medio de actuadores del tipo pi$!n%cremallera&. 'ambin encontramos actuadores neumticos de rotaci!n continua#motores neumticos&, movimientos combinados e incluso alguna transformaci!n

mecnica de movimiento que lo hace parecer de un tipo especial.

Los actuadores elctricos tambin son muy utilizados en los aparatos mecatr!nicos,como por e"emplo, en los robots. Los servomotores () sin escobillas se utilizaranen el futuro como actuadores de posicionamiento preciso debido a la demanda defuncionamiento sin tantas horas de mantenimiento

Los actuadores se dividen en * grande grupos+ cilindros y motores.

4.1.1. Clasificacin

)unque en esencia los actuadores neumticos e hidrulicos son idnticos, los

neumticos tienen un mayor rango de compresi!n y adems eistendiferencias en cuanto al uso y estructura.

e clasifican en actuadores lineales y giratorios.

1)('-)/0E 1E-23'4(/ L41E)LE

El cilindro neumtico consiste en un cilindro cerrado con un pist!n en su interiorque desliza y que transmite su movimiento al eterior mediante un vstago. ecompone de las tapas trasera y delantera, de la camisa donde se mueve elpist!n, del propio pist!n, de las "untas estticas y dinmicas del pist!n y delanillo rascador que limpia el vstago de la suciedad.Los cilindros neumticos independientemente de su forma constructiva,representan los actuadores ms comunes que se utilizan en loscircuitos neumticos. Eisten dos tipos fundamentales de los cualesderivan construcciones especiales.

1- (ilindros de simple efecto, con una entrada de aire para producir una carrera detraba"o en un sentido.


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1- (ilindros de doble efecto, con dos entradas de aire para producir carrerasde traba"o de salida y retroceso.

(ilindros de simple efecto-n cilindro de simple efecto desarrolla un traba"o s!lo en un sentido. El mbolo

se hace retornar por medio de un resorte interno o por alg5n otro medioeterno como cargas, movimientos mecnicos, etc. Puede ser de tipo6normalmente dentro7 o 6normalmente fuera7.Los cilindros de simple efecto se utilizan para su"etar, marcar, epulsar, etc.'ienen un consumo de aire algo ms ba"o que un cilindro de doble efecto de igualtama$o. in embargo, hay una reducci!n de impulso debida a la fuerza contrariadel resorte, as que puede ser necesario un dimetro interno algo ms grandepara conseguir una misma fuerza. 'ambin la adecuaci!n del resorte tiene comoconsecuencia una longitud global ms larga y una longitud de carrera limitada,debido a un espacio muerto.

'ipos de cilindros de simple efecto+

(ilindros de mbolo, cilindros de membrana, cilindros de membranaenrollable. (ilindros de mbolo+

(ilindros de doble efecto

Los cilindros de doble efecto son aquellos que realizan tanto su carrera deavance como la de retroceso por acci!n del aire comprimido. u denominaci!nse debe a que emplean las dos caras del mbolo #aire en ambas cmaras&, porlo que estos componentes s pueden realizar traba"o en ambos sentidos. uscomponentes internos son prcticamente iguales a los de simple efecto, conpeque$as variaciones en su construcci!n. )lgunas de las ms notables lasencontramos en la culata anterior, que ahora ha de tener un orificio roscado parapoder realizar la inyecci!n de aire comprimido #en la disposici!n de simple efectoeste orificio no suele prestarse a ser coneionado, siendo su funci!n la


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comunicaci!n con la atm!sfera con el fin de que no se produzcancontrapresiones en el interior de la cmara&.


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El campo de aplicaci!n de los cilindros de doble efecto es mucho ms etensoque el de los de simple, incluso cuando no es necesaria la realizaci!n deesfuerzo en ambos sentidos. Esto es debido a que, por norma general #enfunci!n del tipo de vlvula empleada para el control&, los cilindros de doble

efecto siempre contienen aire en una de sus dos cmaras, por lo que se asegurael posicionamiento.Para poder realizar un determinado movimiento #avance o retroceso& en unactuador de doble efecto, es preciso que entre las cmaras eista una diferenciade presi!n. Por norma general, cuando una de las cmaras recibe aire apresi!n, la otra est comunicada con la atm!sfera, y viceversa. Este proceso deconmutaci!n de aire entre cmaras nos ha de preocupar poco, puesto que esrealizado automticamente por la vlvula de control asociada.

En definitiva, podemos afirmar que los actuadores lineales de doble efecto son loscomponentes ms habituales en el control neumtico. Esto es debido a que+

1- e tiene la posibilidad de realizar traba"o en ambos sentidos#carreras de avance y retroceso&.2- 1o se pierde fuerza en el accionamiento debido a la ineistencia demuelle en oposici!n.3- Para una misma longitud de cilindro, la carrera en doble efecto es mayorque en disposici!n de simple, al no eistir volumen de alo"amiento.

/tros tipos de cilindros+

(ilindro neumtico de fuelle.'ambin conocido como motor neumtico de fuelle, incorpora un cilindro dedoble efecto, un sistema de accionamiento de vlvula de control direccional ydos tornillos de regulaci!n de velocidad de avance y retroceso.

(ilindro neumtico de impactoEl vstago de este cilindro se mueve a una velocidad elevada del orden de los 89m:s y esta energa se emplea para realizar traba"os de marcado de bancadas delmotor, de perfiles de madera, de componentes electromecnicos y traba"os enpresas de tiempo embutici!n, estampado, remachado, doblado, etc.

(ilindro neumtico sin vstago


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(uando el espacio disponible para el cilindro es limitado, el cilindro neumticosin vstago es la elecci!n. Puede tener una carrera relativamente larga de unos;99 mm y mayor.

(ilindro neumtico guiado

-no de los problemas que presentan los cilindros convencionales es elmovimiento de giro que puede sufrir el vstago, ya que el pist!n, el vstago yla camisa del cilindro son de secci!n circular, por lo que ninguno de ellos evitala rotaci!n. En algunas aplicaciones la rotaci!n libre no es tolerable por lo quees necesario alg5n sistema anti giro.-no de los sistemas que aparte de la funci!n anti giro tiene otras venta"as es elcilindro neumtico guiado que contiene dos o ms pistones con sus vstagos,lo que da lugar a una fuerza doble de la de los cilindros convencionales.

(ilindros de doble efecto multiposici!n.(onsisten en dos o ms cilindros de doble efecto acoplados en serie. oscilindros con carreras diferentes permiten obtener cuatro posicionesdiferentes del vstago.

(ilindros tndemEst constituido por dos cilindros de doble efecto que forman una unidad.


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movimiento angular limitado. 'al y como podemos apreciar en la figura, elfuncionamiento es similar al de los actuadores lineales de doble efecto. )l aplicaraire comprimido a una de sus cmaras, la paleta tiende a girar sobre el e"e,siempre y cuando eista diferencia de presi!n con respecto a la cmaracontraria #generalmente comunicada con la atm!sfera&. i la posici!n es inversa,

se consigue un movimiento de giro en sentido contrario.Estos componentes presentan venta"as propias de los componentes de 5ltimageneraci!n, tal y como amortiguaci!n en final de recorrido, posibilidad dedetecci!n magntica de la posici!n #mecnica o magntica&, etc. La detecci!nmecnica se e"ecuta mediante elementos m!viles eteriores a"ustables engrado mediante nonio graduado.

Los cilindros que funcionan como actuadores giratorios, de giro limitado, son elcilindro giratorio de pistn-cremallera-pin en el que el movimiento lineal despist!n es transformado en un movimiento giratorio mediante un con"unto depi$!n y cremallera y el Cilindro de aletas giratorias de doble efectopara ngulosentre 9B y *A9B. En la siguiente figura el cilindro pist!n%cremallera%pi$!n+


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2otor de engrana"esEn estos motores, el par de rotaci!n es generado por la presi!n que e"erce el airesobre los flancos de los dientes de los pi$ones engranados, uno de los pi$oneses solidario con el e"e del motor.

Estos motores se utilizan generalmente en mquinas propulsores degran potencia, su sentido de rotaci!n es reversible.

1)('-)/0E D403-L4(/ L41E)LELos cilindros hidrulicos de movimiento lineal son utilizados com5nmente enaplicaciones donde la fuerza de empu"e del pist!n y su desplazamiento sonelevados.Los cilindros hidrulicos pueden ser de simple efecto, de doble efecto ytelesc!picos.

% En el primer tipo, el fluido hidrulico empu"a en un sentido el pist!n del cilindro yuna fuerza eterna #resorte o gravedad& lo retrae en sentido contrario. El cuerpo

del cilindro es la ca"a eterna tubular y contiene el pist!n, el sello del pist!n y elvstago. 6(alibre7 es el trmino usado para indicar el dimetro del pist!n. Eletremo del pist!n del cilindro #algunas veces llamado 6etremo ciego7& se conocecomo el etremo de la cabeza. El etremo desde el cual el vstago se etiende yse retrae se conoce como el etremo del vstago.


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% El cilindro de acci!n doble utiliza la fuerza generada por el fluido hidrulico paramover el pist!n en los dos sentidos, mediante una vlvula de solenoide.El cilindro de acci!n doble es el accionador hidrulico ms com5n utilizadoactualmente y se usa en los sistemas del implemento, la direcci!n y otros

sistemas donde se requiera que el cilindro funcione en ambas direcciones.Puesto que los cilindros con vstago de acoplamiento son los cilindros de acci!ndoble ms comunes, se tiene en cuenta las pautas de la 1ational luid PoFer

)ssociation #1P)& para fi"ar las normas de calibre, tipo de monta"e ydimensiones generales del cilindro. Esto permite usar los cilindros con vstagode acoplamiento de diferentes fabricantes, si tienen la misma descripci!n dedise$o. in embargo, recuerde que aunque los cilindros pueden tener el mismocalibre, su calidad puede ser diferente.

El calibre del cilindro es el trmino que indica el dimetro interno del cilindro. -ncilindro de calibre grande produce un mayor volumen por unidad de longitudque un cilindro de calibre peque$o. Para mover un pist!n la misma distancia, uncilindro de calibre grande necesita ms aceite que un cilindro de calibre menor.Por tanto, para un rgimen de flu"o dado, un cilindro de calibre grande se muevems lentamente que un cilindro de calibre peque$o.El rea efectiva de un cilindro es el rea del pist!n y de sello de pist!n sobre lacual act5a el aceite. ebido a que uno de los etremos del vstago est unidoal pist!n y el etremo opuesto se etiende fuera del cilindro, el rea efectiva deletremo del vstago es menor que el rea efectiva del etremo de la cabeza. Elaceite no act5a contra el rea del pist!n cubierta por la uni!n del vstago.El volumen de aceite necesario para llenar el etremo del vstago del cilindro esmenor que el volumen de aceite necesario para cubrir el etremo de la cabezadel cilindro. Por tanto, para un rgimen de flu"o dado, el vstago del cilindro seretrae ms rpido que el tiempo que tarda en etenderse.

% El cilindro telesc!pico contiene otros de menos dimetro en su interior y seepanden en etapas, son muy utilizados en gr5as. Est constituido por los tuboscilndricos y vstago de mbolo. En el avance sale primero el mbolo interior,siguiendo desde dentro hacia fuera los siguientes vstagos o tubos. Lareposici!n de las barras telesc!picas se realiza por fuerzas eternas. La fuerzade aplicaci!n est determinada por la superficie del mbolo menor.


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1- /tros elementos en los cilindros son+

ellos

Los sellos se usan en diferentes partes del cilindro, como se muestra en lafigura. El sello del pist!n se usa entre el pist!n y la pared del cilindro.

u dise$o permite que la presi!n de aceite etienda el sello contra la pareddel cilindro, de manera que, a mayor presi!n, mayor fuerza sellante.El sello del etremo de la cabeza #sello anular& evita que el aceite escapepor entre el cuello del vstago y la pared del cilindro.El sello de vstago es un sello en forma de 6-7 que limpia el aceite del vstagoa medida que el vstago se etiende por el cilindro.El sello de labio se a"usta al cilindro e impide que la suciedad o el polvo entrenal cilindro cuando se retrae el vstago del cilindro.Los sellos se fabrican en poliuretano, nitrilo o vit!n. El material debeser compatible con los fluidos usados y las condiciones de operaci!n.

)mortiguadoresLa figura muestra un cilindro con amortiguadores.


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(uando un cilindro en movimiento llega a un etremo muerto #como sucede alfinal de la carrera del cilindro&, la acci!n que eperimenta se conoce como 6cargade choque7. (uando un cilindro est su"eto a una carga de choque, se usanamortiguadores para minimizar el efecto.

(uando el pist!n se aproima al final de la carrera, el amortiguador se muevedentro del conducto de aceite de retorno y restringe el flu"o de aceite de retornodel cilindro. La restricci!n produce un aumento de la presi!n de aceite deretorno entre el conducto del aceite de retorno y el pist!n. El aumento de lapresi!n de aceite produce un 6efecto de amortiguaci!n7 que reduce elmovimiento del pist!n y minimiza el choque que ocurre al final de la carrera.

)lgunos cilindros pueden requerir un amortiguador en el etremo de la cabeza,mientras otros pueden requerir amortiguadores tanto en el etremo de lacabeza como en el etremo del vstago.

1)('-)/0E D403-L4(/ 0/')'4G/

2otor hidrulico

El motor hidrulico convierte la energa hidrulica en energa mecnica. El motorhidrulico usa el flu"o de aceite enviado por la bomba y lo convierte en unmovimiento rotatorio para impulsar otro dispositivo #por e"emplo, mandos finales,diferencial, transmisi!n, rueda, ventilador, otra bomba, etc.&.Garios tipos de motores hidrulicos se usan en la industria. Proporcionan unavelocidad determinada relativamente constante a travs de su variada gamade presiones. (uando alcanzan su mimo par, su velocidad cae rpidamentedebido a que el fluido hidrulico se escapa a travs de una vlvula de aliviode"ando el motor sin alimentar. Entre los tipos de motores hidrulicos seencuentran+ los motores de paletas, de pist!n aial o radial, de engrana"es ygerotor.

4.1.2. Partes principales

El cilindro actuador se compone de las tapas trasera y delantera, de la camisadonde se mueve el pist!n, del propio pist!n, de las "untas estticas ydinmicas del pist!n y del anillo rascador que limpia el vstago de la suciedad.


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4.1.3. Materiales de construccin.(ilindros+8.% 'ubo+ se fabrica de tubo de acero embutido sin costuras.

* y @.% 'apa anterior y:o posterior+ en ambas para su fabricaci!n se empleapreferentemente material de fundici!n o maleables, como por e"emplo el

aluminio.

H.% Gstago+ se fabrica preferentemente de acero bonificado, conteniendo undeterminado porcenta"e de cromo, para protegerlo de la corrosi!n.

I.% (ollarn obturador+ se emplea para hermetizar el vstago

J.% (asquillo de co"inete+ puede ser de bronce o metlico revestido. u misi!n esservir de gua al vstago de plstico.

A.% )nillo rascador+ impide que entren partculas de polvo y suciedad en el interiordel cilindro se encuentra situado delante del casquillo #J&.

;.% 2ango doble de copa+ su misi!n es hermetizar la cmara del cilindro, sefabrican de diferentes materiales dependiendo de la temperatura. #Git!n paratemperaturas de %*9 c y K;9 c, tefl!n para temperaturas de %;9 c y K*99c&

4.2. Clculo de de las dimensiones principales del cilindro.Las principales dimensiones de un cilindro son+

1- El dimetro2- La carrera

4.2 . Clculo del dimetro del cilindro ! su carrera.imetro internoLa selecci!n del rea interior o dimetro interno del cilindro depende de+

1) La fuerza requerida del cilindro

2) La presi!n suministrada al

cilindro abemos que+

[ ] [ ]2 = [ ]

e donde+

[ ]

[ ]2 =[ ]


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)dems+

[ ]2 =2

4

Por lo tanto+

2 4 [ ]

[ ] =

[ ]

El dimetro del cilindro hidrulico se calcula con la siguiente f!rmula+

[ ] =2 4 [ ]

0,9 [ ]

onde+P presi!n de operaci!n.

(arreraEisten algunas desventa"as en el uso del muelle interno+

1) En la posici!n comprimida, el muelle ocupa una parte de la longitud del cilindropor lo que este ha de construirse ms largo de lo que sera necesario por su

carrera real.2) (uanto ms larga es la carrera, ms largo debe de ser el muelle, con lo que

se aumenta la probabilidad de que este se hunda enganchndose alrededordel vstago.2ientras que la longitud de otras partes #cilindro, vstago y tirantes& puedeadecuarse fcilmente a la longitud deseada, la desventa"a del muellemencionada en b limita grandemente la carrera. En trminos generales, puededecirse que lo que fi"a el lmite de la longitud del muelle es la proporci!n entre sulongitud y el dimetro de sus espiras.

La carrera mima de los cilindros con muelle interior varia de J9 MmmN paracilindros con un dimetro de hasta *9 MmmN, a @99 MmmN para cilindros con

un dimetro de hasta unos @99 MmmN.i la acci!n del muelle interior puede sustituirse pore"emplo+ a& muelles eterno, o


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2) una carga eterna sobre el vstago,La mima longitud del cilindro viene determinada por factores similares aaquellos que se aplicaran a los cilindros de doble efecto.

4.2.2 Clculo del dimetro del "sta#oEl dimetro del vstago hidrulico se puede calcular de la siguiente manera+

[ ] =22

4

[ ]0,9 [ ]

onde+ dimetro del cilindro.

$.%. Determinacin de la potencia ! rendimiento en motores hidrulicos !

neumticos.ELE((4O1 EL 2/'/0 1E-23'4(/Para calcular un motor de aire se precisan dos datos de los tres siguientes+

8% Potencia requerida*% Gelocidad en 0P2 necesaria para arrastrar la carga determinada3- Par de traba"o epresado en 1eFton metro M1mN

)simismo, deben considerarse los siguientes factores+8% Presi!n del aire en bar #o psig&. (omo la presi!n del sistema de alimentaci!n de aire

puede variar durante el da debido a consumos intermitentes de otros puntos, losclculos deben hacerse con la presi!n ms ba"a prevista y asegurar la alimentaci!ndel motor con un regulador de presi!n, cuya presi!n de salida es la presi!n que setomara.

*% )limentaci!n de aire suficiente para el motor, es decir, mnima prdida de carga en latubera de alimentaci!n.

La potencia requerida viene determinada por la formula+

=

=0,1046

30 1.000

-na vez calculada la potencia, se consultan las curvas de rendimiento de cada motor

y se selecciona el motor cuya potencia de salida esta pr!ima al punto de traba"o.()L(-L/ E L) P/'E1(4) E L/ 2/'/0E D403-L4(/


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Las variables que permiten calcular cuales han de ser las caractersticas del motorson+

1- Par. Par de rotaci!n generado por el motor para convertir la potencia del motor enfuerza mecnica por medio de la rotaci!n del e"e.

2- esplazamiento. (audal del fluido necesario para alcanzar una determinadavelocidad de rotaci!n.

3- Presi!n de operaci!n. Presi!n a la que traba"a el motor.4- Gelocidad de operaci!n. Gelocidad a la que giran los componentes del motor.

5- 'emperatura de operaci!n. 'emperatura a la cual el motor traba"a en forma segura yeficiente.

6- Giscosidad del fluido. Giscosidad del fluido de traba"o utilizado en el motor.

El volumen del fluido que es bombeado en cada revoluci!n viene calculado por lageometra de las cmaras que transportan el aceite. -na bomba nunca desarrolla elvolumen calculado o te!rico del fluido. e modo que se usa un factor llamadorendimiento volumtrico que es la relaci!n entre el caudal calculado con relaci!n al

real. Este rendimiento vara con la velocidad, la presi!n y la forma de construcci!n dela bomba.

)simismo, el rendimiento mecnico tampoco es del 899 debido bsicamente a laenerga gastada en los rozamientos. e modo que se considera que elrendimiento global de una bomba hidrulica es el producto de su rendimientovolumtrico y el rendimiento mecnico.

ormulas+

=

1.714

= /

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