ACTUADORES Definición: 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 actuador proviene de tres tres fuentes posibles: posibles: Presión neumática, presión hidráulica, y fuerza motriz eléctrica (motor eléctrico o solenoide). Dependiendo de el origen de la fuerza el actuador se denomina “neumático”, “hidráulico” o “eléctrico”. El actuador más común es el actuador manual o humano. Es decir, una persona mueve o actúa un dispositivo para promover su funcionamiento. Con el tiempo, se hizo conveniente automatizar automatizar la actuación de dispositivos, por lo que diferentes dispositivos hicieron su aparición. Actualmente hay básicamente dos tipos de actuadores. • Lineales • Rotatorios Los actuadores lineales generan generan una fuerza en línea recta, tal como haría un pistón. Los actuadores rotatorios generan una fuerza rotatoria, como lo haría un motor eléctrico. Como ya se mencionó, hay tres tipos de actuadores: • Neumáticos • Eléctricos • Hidráulicos Funcionamiento Es importante comprender el funcionamiento de los actuadores para su correcta aplicación.
Actuadores 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. Funcionamiento Actuadores Mecánicos
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 maquinas coma las lavadoras tienen programadores y las ordenes que proporcionan se llaman programas. Características actuadores mecánicos.
En el funcionamiento de los automatismos se caracteriza por tres fases: 1. Entrada de datos u órdenes.
2. Control de los datos. 3. Realización de tareas concretas. Una serie de dispositivos o periféricos de entrada envían señales a la unidad de control de procesos y esta pone en marcha y controla los dispositivos o periféricos de salida, los cuales realizan tareas concretas. Modos de comunicación actuadores mecánicos
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 cuanta más pequeña sea la superficie mayor será la presión. Tipos de actuadores mecánicos ACTUADORES HIDRAULICOS Los actuadores hidráulicos son 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 cual es presentan mayor velocidad y mayor resistencia mecánica. ` ACTUADORES NEUMATICOS En los actuadores neumáticos 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. Selección de actuadores mecánicos La selección se basa en la coincidencia de características de funcionamiento del actuador, tales como la fuerza y el desplazamiento, a las exigencias de la tarea asignada. ` Las características de rendimiento se estiman a partir de datos de fabricantes y de los modelos simples de la limitación de rendimiento, tales como la generación de calor y la resonancia. Las características son presentadas en forma gráfica de manera que se pueda comparar directa y sistemáticamente los sistemas y sus distintos modos de actuación. Los actuadores mecánicos y su campo de aplicación.
Los actuadores mecánicos suelen convertir un movimiento rotativo de un mando de control en desplazamiento lineal a través de tornillos y / o equipos. ` Un tornillo gato o la gata del coche es un actuador mecánico familiar. Otra familia de actuadores se basa en el eje segmentado. La rotación de la manija de la gata se convierte mecánicamente en el movimiento lineal de la cabeza de la gata.
` Los actuadores mecánicos también son utilizados con frecuencia en el campo de los láseres y la óptica para manipular la posición de etapas lineales, rotativas, espejo de montes, goniómetros y otros instrumentos de posicionamiento. ` Para la colocación exacta y repetible, las marcas de índice puede ser utilizado en las perillas de control. Algunos incluso incluyen un codificador y lectura digital de posición.
Actuadores eléctricos 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 poder. 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 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. Utilización de un pistón eléctrico para el accionamiento de una válvula pequeña. La forma más sencilla para el accionamiento con un pistón, seria 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. Existen Alambres Musculares®, los cuales permiten realizar movimientos silenciosos sin motores. Es la tecnología más innovadora para robótica y automática, como así también para la implementación de pequeños actuadores. Actuadores eléctricos. Dentro de los actuadores eléctricos pueden distinguirse tres tipos diferentes: Motores de corriente continua (DC): Controlados por inducción Controlados por excitación Motores de corriente alterna (AC): Síncronos Asíncronos Motores pasó a paso.
Motores de corriente continua. Son los más usados en la actuali dad 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. Para que se pueda dar la conversión de energía eléctrica en energía mecánica de forma continua es necesario que los campos magnéticos de estator y del rotor permanezcan estáticos entre sí. Esta transformación es máxima cuando se encuentran en cuadratura. El cole ctor de delgas es una conmutadora sincronizada 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
Partes de un actuador 1. 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. 2. 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). 3. 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). 4. 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. 5. 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. 6. 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. 7. Ceramigard: Superficie fuerte, resistente a la corrosión, parecida a cerámica. Protege todas las partes del actuador contra desgaste y corrosión. 8. Revestimiento: Un revestimiento doble, para proveer extra protección contra ambientes agresivos. 9. Acople: Acople o desacople de módulos de reposición por resorte, o de seguridad en caso de falla de presión de aire. 10. 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. 11. Muñoneras radiales y de carga del piñón: Muñoneras reemplazables que protegen contra cargas verticales. Muñoneras radiales soportan toda carga radial. 12. Sellos del piñón - superior e inferior: Los sellos del piñón están posicionados para minimizar todo hueco posible, para proteger contra la corrosión. 13. 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.
Actuador de engranaje
Tipo rotatorio motor de veleta Motor de hélice Motor hidráulico Motor de leva excéntrica Pistón axial Tipo oscilante Motor con eje inclinado Motor de engranaje 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.
Actuadores 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. Existen tres grandes grupos:
cilindro hidráulico motor hidráulico motor hidráulico de oscilación
Cilindro hidráulico
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 contr aer. El segundo tipo se emplea la fuerza hidráulica para efectuar ambas acciones. El control de dirección se lleva a cabo mediante un solenoide que se muestra a continuación 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. Ci lindr o de presión di námi ca
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. Cilin dro 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. Cilin dro 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 Cilin dro 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
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 engranajes 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. A continuación se muestra la clasificación de este tipo de motores M otor de engr anaje
Tipo rotatorio motor de veleta Motor de hélice Motor hidráulico Motor de leva excéntrica Pistón axial
Tipo oscilante Motor con eje inclinado Motor de engranaje 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. 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
Actuador Rotatorio Neumático
Para hacer funcionar el actuador neumático, se conecta aire comprimido a uno de los lados del émbolo o veleta (en adelante, solo “émbolo”) generando una fuerza en sentido de la expansión del espacio entre el émbolo y la pared del cilindro o el cuerpo.
Mediante un dispositivo mecánico que puede ser el conjunto piñón y cremallera, yugo escocés, o una simple veleta, el movimiento se transforma en rotatorio. Para mover el actuador en sentido contrario es necesario introducir aire comprimido en el lado opuesto del émbolo. El torque que genera el actuador es directamente proporcional a la presión del aire comprimido, pero dependiendo de su diseño puede ser variable de acuerdo a la posición actual del actuador. Es decir, supongamos que el movimiento del actuador rotatorio está definido en el rango de 0% a 100% de su movimiento. El torque de salida en 0% es en algunos casos diferente al torque de salida cuando está en la posición 50%. A mayor abundamiento, en realidad lo que se tiene es una curva de torques en f unción de la posición del actuador. ¿Es esto una desventaja? No necesariamente, esta variabilidad de hecho es beneficiosa para la mayaría de las válvulas, ya que permite ajustar más el
tamaño del actuador, pudiendo incluso bajar un modelo o dos al seleccionado originalmente. Hoy existen 3 tipos de actuadores neumáticos • Piñón y cremallera • Yugo Escocés • Veleta
Actuador Hidráulico Rotatorio
Para hacer funcionar el actuador hidráulico, se conecta la presión hidráulica a uno de los lados del émbolo o veleta (en adelante, solo “émbolo”) generando una fuerza en sentido de la expansión del espacio entre el émbolo y la pared del cilindro o el cuerpo. Mediante un dispositivo mecánico que puede ser el conjunto piñón y cremallera, yugo escocés, o una simple veleta, el movimiento se transforma en rotatorio. Para mover el actuador en sentido contrario es necesario introducir aire comprimido en el lado opuesto del émbolo. El torque que genera el actuador es directamente proporcional a la presión de aceite hidráulico, pero puede ser variable de acuerdo a la posición actual del actuador, si el actuador es de Yugo Escocés.
Actuador de Veleta Rotatoria doble
Dimensionamiento de un actuador Rotatorio Hidráulico • Básicamente son los mismos pasos a seguir que para el actuador neumático.
• Considerar que la presión hidráulica es mucho más alta que la presión de aire, por lo que los pistones o veletas asociados a un actuador hidráulico son mucho mas pequeños. • Considerar la adquisición de una central hidráulica si el cliente no posee actualmente presión hidráulica disponible. • Establecer los controles que gobernarán al actuador: Posicionador, válvulas solenoides, interruptores de carrera, transmisores de posición, etc. Actuador Rotatorio Eléctrico Para hacer funcionar el actuador eléctrico, se debe energizar los bornes correspondientes para que el motor actúe en la dirección apropiada. Usualmente vienen con un controlador local o botonera que hace este proceso más sencillo. Sin embargo para la automatización remota del actuador, se debe considerar el diagrama de cableado que viene con el actuador. Las conexiones deben considerar fuerza, señales de límites de carrera y torque, señales análogas o digitales de posición y torque, etc. El torque generado por el motor eléctrico es aumentado por un reductor interno o externo para dar salida al torque final en el tiempo seleccionado. Esta es la razón por la que los actuadores eléctricos toman más tiempo en recorrer la carrera que los neumáticos o hidráulicos. Dimensionamiento de un actuador Rotatorio Eléctrico • Primero se debe determinar el torque que se necesita para generar el movimiento rotatorio. Este torque puede ser expresada en N-m, lb-in, lb-ft, etc. (Newton metros, libras-pulgadas o libras-pié, etc.). El fabricante de la válvula debe suministrar este dato. Usualmente está publicado en su sitio web. • O bien, se debe determinar la fuerza de tiro que deberá soportar el actuador, si la aplicación es multivueltas. Obtener el diámetro externo del tornillo. • No olvidar considerar la presión de la línea, que muy posiblemente lucha en contra del actuador. • Establecer el porcentaje de sobredimensionamiento. Usualmente y dependiendo del tamaño y diseño de la válvula, entre 10% y 50% de sobredimensionamiento. • Segundo, debe establecerse la carrera angular del actuador (¿90º, 180º, multivuelta?). • Tercero, si es multivuelta, determinar el número de vueltas necesarias para cubrir el total de la carrera de la válvula. • Obtener la disponibilidad de energía en el punto de instalación. Voltaje, frecuencia, número de fases. • Cuarto, con los torques ya determinados, y recurriendo a las tablas de torque de los diferentes modelos, se puede escoger un modelo adecuado para la aplicación. Es importante determinar el factor final de sobredimensionamiento que se calcula dividiendo el torque del actuador por el torque original requerido por la válvula. Por ejemplo, si el torque original requerido de una válvula es de 3600 lb-in y se utiliza un porcentaje de 30%, es decir multiplicamos por 1,30 encontramos que se requiere un actuador de 4680 lb-in; que entrega 3547 lb-in que no es suficiente; el siguiente tamaño entrega 6028 lb-in que es más que suficiente. Sin embargo, el factor ya no es 1,30, si no que 1,67. Es importante tenerlo en cuenta para no perder de vista cuanto torque realmente estamos entregando a la válvula, sobre todo cuando el cliente o el ingeniero suministran el torque máximo admisible para el vástago de la válvula. • Verificar el torque máximo admisible para el vástago de la válvula. • Al escoger el actuador con su motor, tomar los datos de consumo y factor de
potencia. Los actuadores eléctricos tienen tiempos de funcionamiento más largos que los actuadores neumáticos, por lo que es un dato a considerar. Dependiendo del tamaño de la válvula, estos tiempos fluctúan normalmente entre 20 segundos hasta 90 segundos o más. • Establecer los controles que gobernarán al actuador: Posicionador, válvulas solenoides, interruptores de carrera, transmisores de posición, etc. Actuadores Rotatorios con Posición de Falla Hasta ahora hemos hablado de actuadores que se denominan de “doble efecto” o de posición de falla “última posición”. A veces es conveniente que la válvula vuelva por sí sola a una cierta posición si es que la energía falla. A estos actuadores se les denomina de “simple efecto” o “Falla Cierre” o “Falla Abre”, FC o FA respectivamente (FC y FO en inglés), o bien de “vuelta por resorte”. Efectivamente, un resorte acumula energía para liberarla en la presencia de alguna falla, o cuando se libere el actuador para que vuelva a su posición de falla. Esta es la solución más robusta desde el punto de vista industrial. Hay otras alternativas para acumular energía para un actuador, pero el resorte es lo más confiable. Algo para tomar en cuenta es que los actuadores de vuelta por resorte son entre 2 y 3 veces más grandes que los de doble efecto, porque se necesita el torque de la válvula para moverlo en un sentido, y, el torque de la válvula + el torque del resorte para moverlo en el sentido opuesto. Esto por si solo hace que el costo del actuador de simple efecto sea entre 2 y hasta 5 veces más caro que uno de doble efecto. Aparte del problema económico, está el problema del espacio. Para ciertos tipos de válvulas el actuador de simple efecto se hace realmente enorme. Otra cosa a considerar es que la mayoría de los actuadores eléctricos no poseen vuelta por resorte, y los que lo poseen son de tamaño limitado. Mi recomendación es no especificar actuadores de simple efecto a diestra y siniestra, a menos que realmente se necesite una posición de falla. Para dimensionar los actuadores de simple efecto, hay que tomar en cuenta primero el torque que puede generar el resorte, y luego fijarse en el torque que genera la presión de aire o fluido. Curvas de comportamiento de Torque Todas las válvulas tienen un torque inherente a su porcentaje de apertura. Por ejemplo, las válvulas mariposa de bajo rendimiento tienen su más alto torque en la posición cerrada, y si mínimo torque en la posición totalmente abierta. Si se quiere tomar ventaja de esta particularidad, es importante hacer calzar las torques de la válvula en sus diferentes posiciones, con los torques que es capaz de generar el actuador, de otra forma puede terminar con un actuador que es el triple de lo que realmente necesita. En general se debe tener los puntos de torque de mas interés. Si una válvula se ha asentado en su posición por largo tiempo, el torque requerido para sacarla de su posición de reposo va a ser más alto. Si se sospecha que la velocidad de flujo va a contribuir a una variación de torque en la válvula, es algo que debe considerarse.
