2.2 CÁLCULO DE ACTUADORES HIDRÁULICOS Y NEUMÁTICOS
Un actuador es un dispositivo capaz de transformar energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre un proceso automatizado. Este recibe la orden de un regulador o controlador y en función a ella genera la orden para activar un elemento final de control como, por ejemplo, una válvula. Existen varios tipos de actuadores como son:
Electrónicos
Hidráulicos
Neumáticos
Eléctricos
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 HIDRÁULICOS
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. de aceite. El El cilindro cilindro hidráulico consiste básicamente en dos piezas: un cilindro barril y un pistón o émbolo 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 La presión hidráulica actúa en el pistón para producir el movimiento el movimiento lineal.
La fuerza máxima es función de la superficie activa del émbolo y de la presión máxima admisible, donde: F=P*A Esta fuerza es constante desde el inicio hasta la finalización de la carrera. La velocidad depende del caudal de fluido y de la superficie del pistón. Según la versión, el cilindro puede realizar fuerzas de tracción y/o compresión. De forma general los cilindros pueden ser clasificados en dos grupos:
de simple efecto.
de doble efecto.
Un cilindro hidráulico funciona mediante un fluido presurizado (generalmente aceite), que le da fuerza al cilindro hidráulico. La fuerza que propulsa el cilindro es el pistón, el cual está sujetado a un rodillo de pistón que se encuentra dentro del barril del cilindro. El fondo del barril está cerrado por la tapa cilíndrica y la parte superior, por la cabeza. La cabeza tiene un agujero circular que le permite al rodillo de pistón salir del barril. En el interior del barril se encuentra el aceite, y la presión hidráulica que crea el aceite actúa sobre el rodillo de pistón y hace que se mueva hacia adelante y hacia atrás de manera lineal. Un extremo del pistón está sujetado al objeto o máquina que debe mover. A medida que la presión hidráulica del aceite mueve el rodillo de pistón, este mueve el pistón, el cual, a su vez, mueve el objeto al cual está sujetado. Existen dos tipos principales de cilindros hidráulicos: el cilindro con vástagos y el cilindro soldado. El cilindro hidráulico con vástagos tiene varillas roscadas de acero sujetas a cada uno de los extremos del barril del cilindro. Estas varillas roscadas de acero son extremadamente fuertes y hacen que el cilindro con vástagos sea útil para tareas industriales pesadas. Los cilindros soldados no tienen varillas de acero. En lugar de ello, la parte superior del barril está soldada directamente al objeto que debe mover. Debido a que no tiene varillas de acero, el cilindro soldado es mucho más pequeño que un cilindro con vástagos y se utiliza en maquinaria de menor tamaño. El cilindro soldado es el principal cilindro hidráulico utilizado en maquinaria para la construcción. Existen otros tipos de cilindros hidráulicos especializados, incluido el cilindro telescópico que permite que el rodillo de pistón se repliegue hacia dentro del barril. Los cilindros hidráulicos especializados se utilizan principalmente en maquinaria a medida y en equipamiento industrial especializado.
La velocidad de desplazamiento de un cilindro hidráulico es fácil de calcular si se emplea una bomba de desplazamiento positivo. En la figura 6-5 mostramos un ejemplo típico, con un caudal de 40 litros por minuto ingresando al cilindro. El área del pistón es de 78 cm², para encontrar la velocidad de desplazamiento primero convertiremos los litros en cm³ por minuto es decir: 40 x 1000 = 40.000 cm³/min. Luego dividimos este valor por el área del pistón obteniendo la velocidad:
Tipos de cilindros. El cilindro de doble efecto. Constituye la conformación más corriente de los cilindros hidráulicos y neumáticos, sin embargo para aplicaciones especiales existen variaciones cuyo principio de funcionamiento es idéntico al que hemos descrito La figura 6-6 nos ilustra un cilindro de doble vástago. Esta configuración es deseable cuando se necesita que el desplazamiento volumétrico o la fuerza sean iguales en ambos sentidos. En muchos trabajos la producción puede incrementarse mediante el uso de estaciones de trabajo operadas alternativamente por un cilindro de doble vástago Fig.6-7. Cada estación puede realizar el mismo trabajo, o dos operaciones diferentes en una secuencia progresiva por ejemplo, diferentes operaciones en una misma pieza.
Una de los vástagos puede ser empleado para actuar sobre micro contactos o micro válvulas para establecer una secuencia. En la figura 6-8.
Cilindros de Simple efecto. Cuando es necesaria la aplicación de fuerza en un solo sentido. El fluido es aplicado en la cara delantera del cilindro y la opuesta conectada a la atmósfera como en la figura 6-9.
Después de que la carrera de retroceso se ha completado, el pistón es retornado a su posición original por la acción de un resorte interno, externo, o gravedad u otro medio mecánico. El fluido actúa sobre el área neta del pistón por lo tanto para el cálculo de fuerza debe restarse el área representada por el vástago. El resorte de retorno esta calculad exclusivamente para vencer la fricción propia del cilindro y no para manejar cargas externas. Los cilindros de simple efecto con resorte interior se emplean en carreras cortas (máximas 100 mm.) ya que el resorte necesita un espacio adicional en la construcción del cilindro, lo que hace que estos sean más largos que uno de doble efecto para la misma carrera. En la figura 6-10 vemos un cilindro de simple efecto de empuje, estos cilindros se emplean en carreras cortas y diámetros pequeños para tareas tales como sujeción de piezas. Émbolos buzo
ACTUADORES 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.
De efecto simple
Cilindro neumático
Actuador neumático De efecto doble
Con engranaje
Motor neumático Con veleta
Con pistón
Con una veleta a la vez
Multiveleta
Motor rotatorio Con pistón
De ranura vertical
De émbolo
Fuelles, diafragma y músculo artificial
Cilindro de efecto simple
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°.
Los actuadores más usuales son:
Cilindros neumáticos e hidráulicos. Realizan movimientos lineales. Motores (actuadores de giro) neumáticos e hidráulicos. Realizan movimientos de giro por medio de energía hidráulica o neumática.
Válvulas. Las hay de mando directo, motorizadas, electro neumático, etc. Se emplean para regular el caudal de gases y líquidos.
Resistencias calefactoras. Se emplean para calentar.
Motores eléctricos. Los más usados son de inducción, de continua, sin escobillas y paso a paso.
Bombas, compresores y ventiladores. Movidos generalmente por motores eléctricos de inducción.
