Actuador lineal - Linear actuator
Un actuador lineal es un actuador que crea movimiento en línea recta, en contraste con el movimiento circular de un motor eléctrico convencional . Los actuadores lineales se utilizan en máquinas herramienta y maquinaria industrial, en periféricos de computadora como unidades de disco e impresoras, en válvulas y amortiguadores , y en muchos otros lugares donde se requiere movimiento lineal. Los cilindros hidráulicos o neumáticos producen inherentemente un movimiento lineal. Se utilizan muchos otros mecanismos para generar movimiento lineal a partir de un motor giratorio.
Tipos
Actuadores mecánicos
Los actuadores lineales mecánicos normalmente operan mediante la conversión de movimiento giratorio en movimiento lineal. La conversión se realiza comúnmente a través de algunos tipos simples de mecanismos:
- Tornillo : tornillo de avance , gato de tornillo , tornillo de bolas y husillo de rodillos accionadores todos funcionan sobre el principio de la máquina simple conocido como el tornillo. Al girar la tuerca del actuador, el eje del tornillo se mueve en línea.
- Rueda y el eje : Polipasto , cabrestante , cremallera y piñón , transmisión por cadena , accionamiento por correa , cadena rígida y cinturón rígido accionadores funcionan en el principio de la rueda y el eje. Una rueda giratoria mueve un cable, cremallera, cadena o correa para producir un movimiento lineal.
- Leva : Los actuadores de leva funcionan según un principio similar al de la cuña , pero proporcionan un recorrido relativamente limitado. A medida que gira una leva en forma de rueda, su forma excéntrica proporciona empuje en la base de un eje.
Algunos actuadores lineales mecánicos solo tiran, como los polipastos, la transmisión por cadena y la transmisión por correa. Otros solo empujan (como un actuador de leva ). Los cilindros neumáticos e hidráulicos o los tornillos de avance pueden diseñarse para generar fuerza en ambas direcciones.
Los actuadores mecánicos típicamente convierten el movimiento giratorio de una perilla de control o manija en un desplazamiento lineal mediante tornillos y / o engranajes a los que se fija la perilla o manija. Un tornillo de gato o un gato para automóvil es un actuador mecánico familiar. Otra familia de actuadores se basa en el husillo segmentado . La rotación de la manija del gato se convierte mecánicamente en el movimiento lineal de la cabeza del gato. Los actuadores mecánicos también se utilizan con frecuencia en el campo de los láseres y la óptica para manipular la posición de etapas lineales , etapas giratorias , montajes de espejos , goniómetros y otros instrumentos de posicionamiento. Para un posicionamiento preciso y repetible, se pueden usar marcas de índice en las perillas de control. Algunos actuadores incluyen un codificador y lectura de posición digital. Son similares a las perillas de ajuste que se usan en los micrómetros, excepto que su propósito es el ajuste de la posición en lugar de la medición de la posición.
Actuadores hidraulicos
Los actuadores hidráulicos o cilindros hidráulicos implican típicamente un cilindro hueco que tiene un pistón insertado en él. Una presión desequilibrada aplicada al pistón genera una fuerza que puede mover un objeto externo. Dado que los líquidos son casi incompresibles, un cilindro hidráulico puede proporcionar un desplazamiento lineal preciso controlado del pistón. El desplazamiento es solo a lo largo del eje del pistón. Un ejemplo familiar de un actuador hidráulico operado manualmente es un gato hidráulico para automóvil . Sin embargo, normalmente, el término "actuador hidráulico" se refiere a un dispositivo controlado por una bomba hidráulica .
Actuadores neumaticos
Los actuadores neumáticos , o cilindros neumáticos , son similares a los actuadores hidráulicos, excepto que utilizan aire comprimido para generar fuerza en lugar de un líquido. Funcionan de manera similar a un pistón en el que se bombea aire dentro de una cámara y se expulsa del otro lado de la cámara. Los actuadores neumáticos no se utilizan necesariamente para maquinaria pesada y en casos en los que se encuentran presentes grandes cantidades de peso. Una de las razones por las que se prefieren los actuadores lineales neumáticos a otros tipos es el hecho de que la fuente de alimentación es simplemente un compresor de aire. Dado que el aire es la fuente de entrada, los actuadores neumáticos pueden utilizarse en muchos lugares de actividad mecánica. La desventaja es que la mayoría de los compresores de aire son grandes, voluminosos y ruidosos. Son difíciles de transportar a otras áreas una vez instaladas. Es probable que los actuadores lineales neumáticos presenten fugas y esto los hace menos eficientes que los actuadores lineales mecánicos.
Actuadores piezoeléctricos
El efecto piezoeléctrico es una propiedad de ciertos materiales en los que la aplicación de un voltaje al material hace que se expanda. Los voltajes muy altos corresponden solo a pequeñas expansiones. Como resultado, los actuadores piezoeléctricos pueden lograr una resolución de posicionamiento extremadamente fina, pero también tienen un rango de movimiento muy corto. Además, los materiales piezoeléctricos exhiben histéresis lo que dificulta el control de su expansión de manera repetible.
Actuadores electromecánicos
Los actuadores electromecánicos son similares a los actuadores mecánicos excepto que la perilla o manija de control se reemplaza por un motor eléctrico . El movimiento giratorio del motor se convierte en desplazamiento lineal. Los actuadores electromecánicos también se pueden utilizar para impulsar un motor que convierte la energía eléctrica en un par mecánico . Hay muchos diseños de actuadores lineales modernos y cada empresa que los fabrica tiende a tener un método patentado. La siguiente es una descripción generalizada de un actuador lineal electromecánico muy simple.
Diseño simplificado
Normalmente, un motor eléctrico está conectado mecánicamente para hacer girar un tornillo de avance . Un tornillo de avance tiene una rosca helicoidal continua mecanizada en su circunferencia a lo largo de la longitud (similar a la rosca de un perno ). Enroscado en el tornillo de avance hay una tuerca de avance o una tuerca de bola con las roscas helicoidales correspondientes. Se evita que la tuerca gire con el tornillo de avance (normalmente la tuerca se enclava con una parte no giratoria del cuerpo del actuador). Cuando se gira el tornillo de avance, la tuerca se conducirá a lo largo de las roscas. La dirección de movimiento de la tuerca depende de la dirección de rotación del tornillo de avance. Al conectar los eslabones a la tuerca, el movimiento se puede convertir en un desplazamiento lineal utilizable. La mayoría de los actuadores actuales están diseñados para alta velocidad, alta fuerza o un compromiso entre los dos. Cuando se considera un actuador para una aplicación en particular, las especificaciones más importantes suelen ser el recorrido, la velocidad, la fuerza, la precisión y la vida útil. La mayoría de las variedades se montan en amortiguadores o válvulas de mariposa.
Hay muchos tipos de motores que se pueden utilizar en un sistema de actuador lineal. Estos incluyen dc brush, dc brushless, stepper o, en algunos casos, incluso motores de inducción. Todo depende de los requisitos de la aplicación y las cargas que el actuador está diseñado para mover. Por ejemplo, un actuador lineal que usa un motor de inducción de CA de caballos de fuerza integral que acciona un tornillo de avance se puede usar para operar una válvula grande en una refinería. En este caso, no se necesitan precisión y alta resolución de movimiento, pero sí una alta fuerza y velocidad. Para los actuadores lineales electromecánicos utilizados en robótica de instrumentación de laboratorio, equipos ópticos y láser, o tablas XY, la resolución fina en el rango de micrones y la alta precisión pueden requerir el uso de un actuador lineal de motor paso a paso de caballos de fuerza fraccional con un tornillo de avance de paso fino. Existen muchas variaciones en el sistema de actuador lineal electromecánico. Es fundamental comprender los requisitos de diseño y las limitaciones de la aplicación para saber cuál sería el mejor.
Construcción estándar vs compacta
Un actuador lineal que usa motores estándar comúnmente tendrá el motor como un cilindro separado conectado al lado del actuador, ya sea en paralelo con el actuador o perpendicular al actuador. El motor se puede conectar al extremo del actuador. El motor de accionamiento es de construcción típica con un eje de accionamiento sólido que está engranado con la tuerca de accionamiento o el tornillo de accionamiento del actuador.
Los actuadores lineales compactos utilizan motores especialmente diseñados que intentan ajustar el motor y el actuador en la forma más pequeña posible.
- El diámetro interior del eje del motor se puede ampliar, de modo que el eje de transmisión pueda ser hueco. Por lo tanto, el tornillo y la tuerca de accionamiento pueden ocupar el centro del motor, sin necesidad de engranajes adicionales entre el motor y el tornillo de accionamiento.
- De manera similar, se puede hacer que el motor tenga un diámetro exterior muy pequeño, pero en cambio, las caras de los polos se estiran a lo largo para que el motor aún pueda tener un par muy alto mientras se ajusta en un espacio de diámetro pequeño.
Principios
En la mayoría de los diseños de actuadores lineales, el principio básico de funcionamiento es el de un plano inclinado . Las roscas de un tornillo de avance actúan como una rampa continua que permite utilizar una pequeña fuerza de rotación en una distancia larga para lograr el movimiento de una carga grande en una distancia corta. La fuente de alimentación es de un motor de CC o CA. El motor típico es de 12 V CC, pero hay otros voltajes disponibles. Los actuadores tienen un interruptor para invertir la polaridad del motor, lo que hace que el actuador cambie su movimiento.
La velocidad y la fuerza de un actuador dependen de su caja de cambios. La cantidad de fuerza depende de la velocidad del actuador. Las velocidades más bajas proporcionan una mayor fuerza porque la velocidad y la fuerza del motor son constantes.
Una de las diferencias básicas entre los actuadores es su carrera, que se define por la longitud del tornillo y el eje. La velocidad depende de los engranajes que conectan el motor al tornillo.
El mecanismo para detener la carrera de un actuador es un límite o microinterruptor, que se puede ver en la imagen de abajo. Los microinterruptores están ubicados en la parte superior e inferior del eje y se activan con el movimiento hacia arriba y hacia abajo del tornillo.
Variaciones
Se han creado muchas variaciones del diseño básico. La mayoría se enfoca en proporcionar mejoras generales, como una mayor eficiencia mecánica, velocidad o capacidad de carga. También hay un gran movimiento de ingeniería hacia la miniaturización de actuadores.
La mayoría de los diseños electromecánicos incorporan un tornillo de avance y una tuerca de avance. Algunos usan un tornillo de bola y una tuerca de bola. En cualquier caso, el tornillo puede conectarse a un motor o una perilla de control manual, ya sea directamente o mediante una serie de engranajes. Los engranajes se usan típicamente para permitir que un motor más pequeño (y más débil) que gira a una velocidad más alta se reduzca para proporcionar el par necesario para girar el tornillo bajo una carga más pesada de la que el motor sería capaz de conducir directamente. Efectivamente, esto sacrifica la velocidad del actuador a favor de un mayor empuje del actuador. En algunas aplicaciones, el uso de engranajes helicoidales es común ya que esto permite una dimensión de construcción más pequeña que aún permite una gran longitud de recorrido.
Un actuador lineal de tuerca móvil tiene un motor que permanece unido a un extremo del tornillo de avance (tal vez indirectamente a través de una caja de engranajes), el motor hace girar el tornillo de avance y la tuerca de avance no gira para que se mueva hacia arriba y hacia abajo tornillo de avance.
Un actuador lineal de tornillo móvil tiene un tornillo de avance que pasa completamente a través del motor. En un actuador lineal de tornillo móvil, el motor "se arrastra" hacia arriba y hacia abajo por un tornillo de avance que no puede girar. Las únicas partes que giran están dentro del motor y pueden no ser visibles desde el exterior.
Algunos tornillos de avance tienen múltiples "inicios". Esto significa que tienen múltiples hilos que se alternan en el mismo eje. Una forma de visualizar esto es en comparación con las múltiples franjas de colores en un bastón de caramelo. Esto permite un mayor ajuste entre el paso de la rosca y el área de contacto de la rosca / tuerca, lo que determina la velocidad de extensión y la capacidad de carga (de las roscas), respectivamente.
Capacidad de carga estática
Los actuadores de tornillo lineal pueden tener una capacidad de carga estática, lo que significa que cuando el motor se detiene, el actuador esencialmente se bloquea en su lugar y puede soportar una carga que tira o empuja sobre el actuador. Esta capacidad de carga estática aumenta la movilidad y la velocidad.
La fuerza de frenado del actuador varía con el paso angular de las roscas de los tornillos y el diseño específico de las roscas. Las roscas Acme tienen una capacidad de carga estática muy alta, mientras que los husillos de bolas tienen una capacidad de carga extremadamente baja y pueden flotar casi libremente.
Generalmente, no es posible variar la capacidad de carga estática de los actuadores de tornillo sin tecnología adicional. El paso de la rosca del tornillo y el diseño de la tuerca de transmisión definen una capacidad de carga específica que no se puede ajustar dinámicamente.
En algunos casos, se puede agregar grasa de alta viscosidad a los actuadores de tornillo lineal para aumentar la carga estática. Algunos fabricantes usan esto para modificar la carga para necesidades específicas.
La capacidad de carga estática se puede agregar a un actuador de tornillo lineal utilizando un sistema de freno electromagnético , que aplica fricción a la tuerca de accionamiento giratoria. Por ejemplo, se puede usar un resorte para aplicar pastillas de freno a la tuerca de transmisión, manteniéndola en posición cuando se apaga la energía. Cuando es necesario mover el actuador, un electroimán contrarresta el resorte y libera la fuerza de frenado en la tuerca de transmisión.
De manera similar, se puede usar un mecanismo de trinquete electromagnético con un actuador de tornillo lineal para que el sistema de accionamiento que levanta una carga se bloquee en su posición cuando se apaga la alimentación del actuador. Para bajar el actuador, se utiliza un electroimán para contrarrestar la fuerza del resorte y desbloquear el trinquete.
Capacidad de carga dinámica
La capacidad de carga dinámica se denomina típicamente la cantidad de fuerza que el actuador lineal es capaz de proporcionar durante el funcionamiento. Esta fuerza variará con el tipo de tornillo (cantidad de fricción que restringe el movimiento) y el motor que impulsa el movimiento. La carga dinámica es la cifra por la que se clasifican la mayoría de los actuadores y es una buena indicación de las aplicaciones que se adaptan mejor.
Control de velocidad
En la mayoría de los casos, cuando se utiliza un actuador electromecánico, se prefiere tener algún tipo de control de velocidad. Dichos controladores varían el voltaje suministrado al motor, que a su vez cambia la velocidad a la que gira el tornillo de avance. Ajustar la relación de transmisión es otra forma de ajustar la velocidad. Algunos actuadores están disponibles con varias opciones de engranajes diferentes.
Ciclo de trabajo
El ciclo de trabajo de un motor se refiere a la cantidad de tiempo que el actuador puede funcionar antes de que necesite enfriarse. Mantenerse dentro de esta guía al operar un actuador es clave para su longevidad y rendimiento. Si se excede la clasificación del ciclo de trabajo, se corre el riesgo de sobrecalentamiento, pérdida de potencia y eventual quemado del motor.
Motores lineales
Un motor lineal es funcionalmente igual que un motor eléctrico rotativo con los componentes del campo magnético circular del rotor y del estator dispuestos en línea recta. Cuando un motor rotativo gira y reutiliza las mismas caras de los polos magnéticos nuevamente, las estructuras del campo magnético de un motor lineal se repiten físicamente a lo largo del actuador.
Dado que el motor se mueve de forma lineal, no se necesita ningún tornillo de avance para convertir el movimiento giratorio en lineal. Si bien es posible una alta capacidad, las limitaciones de material y / o motor en la mayoría de los diseños se superan con relativa rapidez debido a la dependencia únicamente de las fuerzas de atracción y repulsión magnéticas. La mayoría de los motores lineales tienen una capacidad de carga baja en comparación con otros tipos de actuadores lineales. Los motores lineales tienen una ventaja en ambientes exteriores o sucios en que las dos mitades no necesitan entrar en contacto entre sí, por lo que las bobinas impulsoras electromagnéticas se pueden impermeabilizar y sellar contra la humedad y la corrosión, lo que permite una vida útil muy larga. Los motores lineales se utilizan ampliamente en sistemas de posicionamiento de alto rendimiento para aplicaciones que requieren varias combinaciones de alta velocidad, alta precisión y alta fuerza.
Actuador lineal telescópico
Los actuadores lineales telescópicos son actuadores lineales especializados que se utilizan donde existen restricciones de espacio. Su rango de movimiento es muchas veces mayor que la longitud no extendida del miembro actuador.
Una forma común está hecha de tubos concéntricos de aproximadamente la misma longitud que se extienden y retraen como manguitos, uno dentro del otro, como el cilindro telescópico .
Otros actuadores telescópicos más especializados usan miembros actuadores que actúan como ejes lineales rígidos cuando se extienden, pero rompen esa línea al doblar, separar en pedazos y / o desenrollar cuando se retraen. Ejemplos de actuadores lineales telescópicos incluyen:
Ventajas y desventajas
| Tipo de actuador | Ventajas | Desventajas |
|---|---|---|
| Mecánico | Barato. Repetible. No se requiere fuente de energía. Autónomo. Comportamiento idéntico extendiéndose o retrayéndose. |
Operación manual solamente. Sin automatización. |
| Electromecánico | Barato. Repetible. La operación se puede automatizar. Autónomo. Comportamiento idéntico extendiéndose o retrayéndose. Motores DC o paso a paso . Posibilidad de retroalimentación de posición. |
Muchas partes móviles son propensas a desgastarse. |
| Motor lineal | Diseño simple. Mínimo de piezas móviles. Posibilidad de altas velocidades. Autónomo. Comportamiento idéntico extendiéndose o retrayéndose. |
Fuerza baja a media. |
| Piezoeléctrico | Es posible realizar movimientos muy pequeños a altas velocidades. Apenas consume energía. |
Recorrido corto a menos que se amplifique mecánicamente. Se requieren altos voltajes, típicamente 24 V o más. Caro y frágil. Bueno solo en compresión, no en tensión. Normalmente se utiliza para inyectores de combustible . |
| TCP: polímero retorcido y enrollado |
ligero y económico | Requiere baja eficiencia y alto rango de temperatura |
| Hidráulico | Posibilidad de fuerzas muy elevadas. Relación potencia / tamaño relativamente alta (o densidad de potencia). |
Puede gotear. Requiere retroalimentación de posición para repetibilidad. Requiere bomba hidráulica externa. Algunos diseños son buenos solo en compresión . |
| Neumático | Fuerte, ligero, sencillo, rápido. | Control de posición preciso imposible excepto en paradas completas |
| Motor de cera | Funcionamiento suave. | No es tan confiable como otros métodos. |
| Husillo segmentado | Muy compacta. Rango de movimiento mayor que la longitud del actuador. |
Movimiento lineal y rotativo. |
| Bobina móvil |
La fuerza , la posición y la velocidad son controlables y repetibles. Capaz de altas velocidades y posicionamiento preciso. Posibilidad de acciones lineales, rotativas y lineales + rotativas. |
Requiere que la retroalimentación de posición sea repetible. |
| MICA: Actuador controlable de hierro móvil |
Fuerza elevada y controlable. Mayor fuerza y menos pérdidas que las bobinas móviles. Pérdidas fáciles de disipar. Controlador electrónico fácil de diseñar y configurar. |
Carrera limitada a varios milímetros, menos linealidad que las bobinas móviles. |
Ver también
- Actuador de banda helicoidal
- Polipasto : dispositivo utilizado para levantar o bajar una carga
- Cremallera y piñón - Tipo de actuador lineal
- Solenoide