actuadores mecatrónica

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Introducción a la Mecatrónica ______________________________________________________________________ 34 3 Actuadores Actuadores: Los actuadores son los elementos del sistema de control que transforman la salida del proceso en una acción de control para una maquina o dispositivo. Por ejemplo, transforman una salida eléctrica del control en un movimiento lineal que realiza el desplazamiento de una carga. Clasificación de actuadores: Los actuadores son los elementos encargados de realizar las acciones de control en un proceso. Para esto el actuador realiza un cambio de energía, por ejemplo un actuador hidráulico se encarga de convertir la energía de un fluido en energía mecánica. Un motor eléctrico convierte energía electromagnética en energía mecánica rotatoria, etc. Los actuadores pueden ser clasificados por su principio de conversión de energía, algunos ejemplos son: Principio electromagnético. o Motores eléctricos. o Relevadores. Hidráulicos. o Válvulas hidráulicas. o Cilindros hidráulicos. Neumáticos. o Válvulas neumáticas. o Cilindros neumáticos. 3.1 Principio electromagnético Motores eléctricos Los motores eléctricos con frecuencia se emplean como elemento de control final en los procesos de control de posición o velocidad. Los motores se clasifican principalmente en dos categorías: Motores de CD (corriente directa) y motores de CA (corriente alterna). La mayoría de los motores que se emplean en los sistemas de control modernos son motores de CD. Motores de corriente continua CD: Los principios básicos del funcionamiento de un motor esta dado por la fuerza de Lorentz: Fuerza de Lorentz: Dado un campo magnético B y una partícula de carga q que se desplaza por el interior de dicho campo con una velocidad ν, Lorentz descubrió que esta partícula sufre una fuerza magnética igual a: B qv F × = La unidad de campo magnético en el Sistema Internacional es el Tesla mC Ns T = (Newton segundo entre metro Culombio). Además . 10 / 1 1 4 2 gauss m weber T = = Elementos a destacar de esta fórmula es que la fuerza magnética se deja notar sólo sobre partículas cargadas, para partículas neutras (q=0) se tendrá que F=0. Un hecho aún más reseñable es que sólo actúa sobre partículas en movimiento. Si una partícula está en reposo respecto a nuestro sistema de referencia la fuerza magnética ejercida sobre ella

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________

3 ActuadoresActuadores: Los actuadores son los elementos del sistema de control que transforman la salida del proceso en una accin de control para una maquina o dispositivo. Por ejemplo, transforman una salida elctrica del control en un movimiento lineal que realiza el desplazamiento de una carga. Clasificacin de actuadores: Los actuadores son los elementos encargados de realizar las acciones de control en un proceso. Para esto el actuador realiza un cambio de energa, por ejemplo un actuador hidrulico se encarga de convertir la energa de un fluido en energa mecnica. Un motor elctrico convierte energa electromagntica en energa mecnica rotatoria, etc. Los actuadores pueden ser clasificados por su principio de conversin de energa, algunos ejemplos son: Principio electromagntico. o Motores elctricos. o Relevadores. Hidrulicos. o Vlvulas hidrulicas. o Cilindros hidrulicos. Neumticos. o Vlvulas neumticas. o Cilindros neumticos.

3.1 Principio electromagnticoMotores elctricos Los motores elctricos con frecuencia se emplean como elemento de control final en los procesos de control de posicin o velocidad. Los motores se clasifican principalmente en dos categoras: Motores de CD (corriente directa) y motores de CA (corriente alterna). La mayora de los motores que se emplean en los sistemas de control modernos son motores de CD. Motores de corriente continua CD: Los principios bsicos del funcionamiento de un motor esta dado por la fuerza de Lorentz: Fuerza de Lorentz: Dado un campo magntico B y una partcula de carga q que se desplaza por el interior de dicho campo con una velocidad , Lorentz descubri que esta partcula sufre una fuerza magntica igual a:

F = qv BLa unidad de campo magntico en el Sistema Internacional es el Tesla T =2 4

Ns mC

(Newton segundo entre metro Culombio). Adems 1T = 1weber / m = 10 gauss . Elementos a destacar de esta frmula es que la fuerza magntica se deja notar slo sobre partculas cargadas, para partculas neutras (q=0) se tendr que F=0. Un hecho an ms reseable es que slo acta sobre partculas en movimiento. Si una partcula est en reposo respecto a nuestro sistema de referencia la fuerza magntica ejercida sobre ella

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________es nula. Para caracterizar el sentido del campo se puede emplear la denominada regla de la mano izquierda, como se muestra en la Figura 3.1.

Figura 3.1 Sentido de la fuerza de Lorentz.

Fuerza magntica sobre una corriente: Una corriente es un conjunto de cargas en movimiento. Debido a que un campo magntico ejerce fuerzas lateral sobre una carga en movimiento, esperemos que tambin ejerza una fuerza sobre un alambre que lleva corriente. La figura siguiente muestra un tramo de alambre de longitud L que lleva una corriente i y que esta colocado en un campo magntico B.

La fuerza ejercida sobre el alambre esta determinada por:

F = iL B

En un motor CD una espiral de alambre que gira de manera libre en medio del campo de un imn permanente, cuando por el devanado pasa una corriente, las fuerzas resultantes ejercidas en sus lados y en ngulo recto al campo provocan fuerzas que actan a cada lado produciendo una rotacin.

b

L

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________ Motor de CD de imn permanente: Considere el caso de un motor de CD con un imn permanente, que tienen una densidad de flujo de valor constante. Para un conductor de armadura de longitud L y una corriente i, la fuerza producida por una densidad de flujo magntico B perpendicular al conductor es iLB. Si hay N conductores, la fuerza producida es NBiL. Las fuerzas dan por resultado un par de rotacin T en el eje del devanado con un valor de Fb, siendo b el ancho de la espira. Por lo tanto:par de rotacin T = NbiLB = kt i Donde kt es la constante del par de rotacin. Dado que la espira de una armadura gira en un campo magntico, se produce una induccin electromagntica y se induce una fuerza contraelectromotriz Vb, que es proporcional a la velocidad de cambio del flujo vinculado a la espira y, por lo tanto, en un campo magntico constante, que es proporcional a la velocidad angular de la rotacin, w. Por lo tanto: fuerza contra electromotriz b = kv w Donde kv es la constante de fuerza electromotriz. Podemos considerar que el circuito equivalente de un motor de CD es como se ilustra en la Figura 3.2. Donde la espira de la armadura esta representada por una resistencia R en serie con una inductancia L y que a su vez estn enserie con una fuerza contra electromotriz Vb. Si despreciamos el voltaje de la inductancia L, tenemos:

i=El par rotacional T entonces, es:

V Vd V k v w = R R

T = kt i =

kt (V k v w) R

Figura 3.2 Circuito equivalente de motor de CD.

Motor de CD con devanado de campo: Los motores de CD con devanados de campo se dividen en: Motores en serie, Motor en derivacin (en paralelo), Motor de excitacin compuesta y de excitacin independiente, dependiendo de la manera como se encuentran conectados los devanados de campo y los devanados de la armadura (Figura 3.3).1.- Motor en serie: En el motor en serie, los devanados de la armadura y de los campos estn en serie. Este motor produce el par de rotacin de arranque de mayor intensidad y alcanza la mayor velocidad sin carga. Con cargas ligeras existe el riesgo de que el motor alcance velocidades muy altas. La inversin de la polaridad de la alimentacin elctrica de los devanados no tiene efecto en la direccin de rotacin del motor; ste sigue 36

Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________girando en la misma direccin dado que tanto las corrientes de campo como de armadura quedaron invertidas (Figura 3.3a). 2.- Motor en derivacin (en paralelo): En ste, los devanados de armadura y de campo estn en paralelo; genera un par de rotacin de menor intensidad, en el arranque tiene una velocidad sin carga mucho menor y permite una buena regulacin de la velocidad. Debido a esta velocidad casi constante, independiente de la carga, estos motores se utilizan mucho. Para invertir la direccin de giro, hay que invertir la armadura o el campo. Por ello en este caso es preferible utilizar los devanados de excitacin independiente (Figura 3.3b). 3.- Motor de excitacin compuesta: Este motor tiene dos devanados de campo, uno en serie con la armadura y otro en paralelo. En estos motores se intenta conjuntar lo mejor del motor en serie y del motor en paralelo, es decir, un gran par inicial y una buena regulacin de la velocidad (Figura 3.3c). 4.- Motor de excitacin independiente: En este motor el control de las corrientes de armadura y de campo son independientes y se le puede considerar como un caso especial del motor en paralelo (Figura 3.3d).

Figura 3.3 Configuraciones de conexin de los motores de CD.

Control de motores de CD El mtodo ms frecuentemente usado para controlar la velocidad de un motor de imn permanente es el control del voltaje que se aplica a la armadura. Sin embargo, dado que el empleo de fuentes de voltaje de valor fijo es frecuente, el voltaje variable se logra mediante un circuito electrnico. La tcnica se llama modulacin por ancho de pulso (PWM, por sus siglas en ingls), la cual utiliza una fuente de voltaje de CD constante y secciona su voltaje para que vare su valor promedio como se muestra en la Figura 3.4, donde Vcc es el voltaje aplicado al motor, las lneas punteadas representan el voltaje promedio aplicado al motor Vpromedio y t es el tiempo. El voltaje promedio aplicado a la armadura del motor est dado por la expresin siguiente:

V promedio =

Talto Vcc T

Donde, Talto es el tiempo en alto de la seal PWM y T es el periodo de la seal PWM.

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________

Figura 3.4 Modulacin de Ancho de Pulso (PWM).

La Figura 3.5 muestra cmo obtener el PWM utilizando un circuito de transistor bsico. El transistor se activa y desactiva mediante una seal que se aplica a su base. El diodo tiene por objeto servir de trayectoria a la corriente que surge cuando el transistor se desconecta, debido a que el motor se comporta como generador. Este circuito slo se usa para operar el motor en una direccin. Para utilizar el motor en direccin directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores, conocido como puente H.

Figura 3.5 Circuito para PWM.

El puente H, recibe este nombre debido a que su configuracin elctrica tiene similitud con la letra H (ver Figura 3.6). La ventaja principal de esta configuracin es que nos permite cambiar el sentido de giro del motor modificando la polaridad del voltaje V0 aplicado al motor. Para esto, se manipulan los interruptores S1, S1 y S2, S2. Cuando se activaran los interruptores S1y S1, provocan que la corriente fluya de izquierda a derecha. En cambio, cuando se activan los interruptores S2 y S2, y la corriente fluir de derecha a izquierda. Cambiando de esta manera el sentido de giro del motor.

Figura 3.6 Puente H.

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________Motores de corriente Continua CD sin escobillas (Brushless): El problema principal de los motores de CD es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma peridica la corriente que pasa por cada uno de los devanados de la armadura. Las escobillas sufren desgaste, y deben ser reemplazadas de manera peridica. Para evitar estos problemas se disearon los motores sin escobillas. En esencia, estos motores constan de una secuencia de devanados de estator y un rotor de imn permanente. En el motor de CD convencional, el imn est fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento. En el motor de CD de imn permanente y sin escobillas sucede lo contrario: los conductores por los que pasa corriente estn fijos y es el imn el que se mueve. El rotor es un imn permanente de ferrita o cermica; la figura 3.7 muestra la configuracin bsica de este tipo de motor. La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electrnica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados; la conmutacin se controla con la posicin del rotor, de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imn y provoquen su rotacin en la misma direccin. Las conmutaciones son controladas con sensores de efecto Hall que detectan la posicin del rotor.

Figura 3.7 Motor de CD de imn permanente sin escobillas.

Los motores de CD sin escobillas se utilizan cuando se necesita un alto rendimiento, gran confiabilidad y poco mantenimiento. Gracias a que no tienen escobillas, estos motores no producen ruido y permiten alcanzar altas velocidades.Motores Paso a Paso: El motor paso a paso es un dispositivo que produce una rotacin en ngulos iguales, denominados pasos, por cada impulso digital que llega a su entrada. Existen algunas variantes de motores a pasos el ms comn es el motor paso a paso de reluctancia variable.

La figura 3.8 muestra la forma bsica del motor paso a paso de reluctancia variable. En este caso el rotor es cilndrico y tiene cuatro polos (menos polos que en el estator). Cuando a un par de devanados, opuestos, llega corriente se produce un campo magntico cuyas lneas de fuerza pasan de los polos del estator a travs del grupo de polos ms cercano al rotor. Dado que las lneas de fuerza se pueden considerar como un hilo elstico, siempre tratando de acortarse, el rotor se mover hasta que sus polos y los del estator queden alineados. A lo anterior se le conoce como posicin de reluctancia mnima. Este tipo de movimiento paso a paso en general produce avances en ngulos de 7.5 grados o de 15 grados.

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________

Figura 3.8 Motor paso a paso.

Motores bifsicos: Los motores bifsicos se denominan unipolares cuando tienen seis cables de conexin para generar la secuencia de conmutacin (figura 3.9). Cada una de las bobinas tiene una toma o derivacin central. Cuando las derivaciones centrales de las bobinas de fase estn conectadas entre s, es posible conmutar un motor paso a paso con slo cuatro transistores. La tabla 3.1 muestra la secuencia de conmutacin de los transistores a fin de producir pasos en el sentido de las manecillas del reloj; para los siguientes pasos basta repetir la secuencia. Para un giro en sentido contrario a las manecillas del reloj la secuencia se invierte.

Figura 3.9 Motor a pasos bifsico.

Tabla 3.1 Secuencia de conmutacin de un motor paso a paso unipolar.Paso 1 2 3 4 1 Encendido Encendido Apagado Apagado Transistores 2 3 Apagado Encendido Apagado Apagado Encendido Apagado Encendido Encendido

4 Apagado Encendido Encendido Apagado

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________Existen circuitos integrados provistos de todos los elementos electrnicos para lograr la excitacin de las bobinas. La Figura 3.10 muestra las conexiones del circuito integrado SAA 1027 para un motor paso a paso de cuatro fases. Las tres entradas se controlan aplicndoles seales altas o bajas. Cuando la terminal para definir la configuracin se mantiene a un valor alto, la salida del circuito integrado cambia su estado cada vez que la terminal de disparo pasa de un valor bajo a uno alto. La secuencia se repite a intervalos de cuatro pasos, aunque en cualquier momento es posible restablecer la condicin a cero aplicando una seal baja a la terminal de disparo. Cuando la entrada de rotacin se mantiene en un valor bajo se produce una rotacin en el sentido de las manecillas del reloj; cuando se mantiene a un valor alto, la rotacin se da en sentido inverso.

Figura 3.10 Circuito integrado SAA 1027 para control de un motor a pasos.

Servomotores: Los servos son un tipo especial de motor que se caracterizan por su capacidad para posicionarse de forma inmediata en cualquier posicin dentro de su rango de operacin. Para ello, el servo espera un tren de pulsos que se corresponden con el movimiento a realizar. Los servomotores estn formados por un amplificador, un motor, un reductor de engranaje y un sensor de realimentacin. La gama de servomotores es amplia y no se cubrir en este reporte, enseguida hablaremos de un servomotor en particular el cual es mostrado en la figura 3.11:

Figura 3.11 Servomotor Hitec HS-300.

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________Disponen de tres conexiones elctricas: Vcc (roja), GND (negra) y entrada de control (amarilla). Estos colores de identificacin y el orden de las conexiones dependen del fabricante del servo. Es importante identificar las conexiones ya que un voltaje de polaridad contraria podra daar el servo. Funcionamiento del servo: El control del servo se limita a indicar en que posicin se debe situar. Estas "ordenes" consisten en una serie de pulsos. La duracin del pulso indica el ngulo de giro del motor. Cada servo tiene sus mrgenes de operacin, que se corresponden con el ancho del pulso mximo y mnimo que el servo entiende. Los valores ms generales corresponden con valores entre 1 ms y 2 ms, que dejaran al motor en ambos extremos. El valor 1,5 ms indicara la posicin central, mientras que otros valores del pulso lo dejan en posiciones intermedias. Si se sobrepasan los lmites de movimiento del servo, ste comenzar a emitir un zumbido, indicando que se debe cambiar la longitud del pulso. La figura 3.12 muestra la magnitud de los pulsos de control. Es importante destacar que para que un servo se mantenga en la misma posicin durante un cierto tiempo, es necesario enviarle continuamente el pulso correspondiente. De este modo, si existe alguna fuerza que le obligue a abandonar esta posicin, intentar resistirse. Si se deja de enviar pulsos (o el intervalo entre pulsos es mayor del mximo) entonces el servo perder fuerza y dejar de intentar mantener su posicin, de modo que cualquier fuerza externa podra desplazarlo.

Figura 3.12 Pulsos de control del servomotor.

Motores de Corriente Alterna CA: Existe una gran variedad de motores de CA, en este reporte solamente se discutirn dos tipos bsicos: el motor jaula de ardilla y el motor sncrono.

Motores de jaula de ardilla: Constan de un rotor tipo jaula de ardilla, es decir barras de cobre o aluminio insertas en las ranuras de los aros de las extremidades para formar circuitos elctricos completos (Figura 3.13a). El rotor no tiene conexiones elctricas externas. El motor consta adems de un estator con varios devanados (Figura 3.13b). Al pasar una corriente alterna por los devanados del estator se produce un campo magntico alterno. Como resultado de la induccin electromagntica, se induce f.e.m. en los conductores del rotor y por ste fluyen corrientes. Al inicio, cuando el rotor est en reposo, las fuerzas sobre los conductores del rotor por los que pasa la corriente dentro del campo magntico del estator son tales que el par de rotacin neto es nulo. El motor no tiene arranque automtico. Se utilizan diversos42

Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________mtodos para hacer al motor de arranque automtico y darle el mpetu necesario para el arranque; uno de ellos es usar un devanado de arranque auxiliar, mediante el cual se da el empuje inicial al rotor. El rotor gira a una velocidad determinada por la frecuencia de la corriente alterna que se aplica al estator.

(a)

(b)

Figura 3.13 Motor Jaula de ardilla. a) Rotor jaula de ardilla. b) vista frontal del motor jaula de ardilla.

Motores sncronos: Los motores sncronos tienen estatores similares a los descritos en los motores de induccin, pero el rotor es un imn permanente (Figura 3.14). El campo magntico que produce el estator gira y el imn gira con l. Al tener un par de polos por fase de la alimentacin elctrica, el campo magntico gira 3600 rpm durante un ciclo de la alimentacin, de manera que la frecuencia de rotacin, en este caso, es igual a la frecuencia de la alimentacin. No son de arranque automtico y requieren de algn sistema de arranque.

Figura 3.14 Motor sncrono.

Control de los motores de CA Los motores de CA tienen la gran ventaja respecto de los motores de CD de ser ms baratos, robustos, confiables y no necesitar mantenimiento. Sin embargo, el control de la velocidad es ms complejo que en los motores de CD, y en consecuencia, un motor de CD con control de velocidad en general es ms barato que uno de CA con control de velocidad. El control de la velocidad de los motores de CA se basa en el empleo de una fuente de frecuencia variable, dado que la velocidad de estos motores est definida por la frecuencia de la alimentacin.

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________

3.2

Actuadores neumticos

Introduccin: Fluido: 1. Elemento en estado lquido o gaseoso. 2. Se dice de los cuerpos (gases y lquidos) que se adaptan con facilidad a los recipientes que los contienen.

Leyes fsicas relativas a los fluidos. Existe una gran variedad de leyes fsicas relativas al comportamiento de los fluidos, muchas de ellas son utilizadas con propsitos cientficos o de experimentacin. En este texto nos limitaremos a estudiar aquellas que tienen aplicacin prctica en la ingeniera de la automatizacin. Ley de Pascal: La ley ms elemental de la fsica referida a la hidrulica y neumtica fue descubierta y formulada por Blas Pascal en 1653 y denominada Ley de Pascal, que dice: "La presin existente en un lquido confinado acta igualmente en todas direcciones, y lo hace formando ngulos rectos con la superficie del recipiente". La figura 3.15 ilustra la Ley de Pascal. El fluido confinado en una tubera ejerce igual fuerza en todas direcciones, y perpendicularmente a las paredes. En dicha figura se muestra la seccin transversal de un recipiente de forma irregular, que tiene paredes rgidas. El fluido confinado en el, ejerce la misma presin en todas las direcciones, tal como lo indican los vectores de fuerza. La Ley de Pascal hace que una manguera contra incendios asuma forma cilndrica cuando es conectada al suministro.

Figura 3.15 Ley de Pascal.

Ley Boyle: La relacin bsica entre la presin de un gas y su volumen esta expresada en la Ley de Boyle que establece:"La presin absoluta de un gas confinado en un recipiente varia en forma inversa a su volumen, cuando la temperatura permanece constante." En estas formulas, P1 y V1 son la presin y volumen inicial de un gas, y P2 y V2 la presin y volumen despus de que el gas haya sido comprimido o expandido.

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________Importante: Para aplicar esta frmula es necesario emplear valores de presin "absoluta" y no manomtrica. La presin absoluta es la presin de un fluido medido con referencia al vaco perfecto o cero absoluto. Las tres figuras ejemplifican la ley de Boyle. En la Figura 3.16a, 40 cm de gas estn contenidas en un recipiente cerrado a una presin P. En la Figura 3.16b el pistn se ha movido reduciendo el volumen a 20 cm, provocando un incremento de la presin 2P. En la figura 3.16c el pistn a comprimido el gas a 10 cm, provocando un incremento de cuatro veces la presin original 4P. Existe entonces una relacin inversamente proporcional entre el volumen y la presin de un gas siempre que la temperatura se mantenga constante, y que las lecturas de presin sean "absolutas" es decir referidas al vaco perfecto.

Figura 3.16 Ley de Boyle.

Ley de Charles: Esta ley define la relacin existente entre la temperatura de un gas y su volumen o presin o ambas. Esta ley muy importante es utilizada principalmente por matemticos y cientficos, y su campo de aplicacin es reducido en la prctica diaria. La ley establece que :"Si la temperatura de un gas se incrementa su volumen se incrementa en la misma proporcin, permaneciendo su presin constante. Para la solucin de problemas deben emplearse valores de presin y temperatura "absolutos".

V1 V2 = T1 T2Compresibilidad de los Fluidos: Todos los materiales en estado gaseoso, lquido o slido son compresibles en mayor o menor grado. Para las aplicaciones hidrulicas usuales el aceite hidrulico es considerado incompresible, si bien cuando una fuerza es aplicada la reduccin de volumen ser de 0.5 % por cada 70 Kg/cm de presin interna en el seno del fluido.

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________ Transmisin de Potencia: La Figura 3.17 muestra el principio en el cual esta basada la transmisin de potencia en los sistemas neumticos e hidrulicos. Una fuerza mecnica, trabajo o potencia es aplicada en el pistn A. La presin interna desarrollada en el fluido ejerciendo una fuerza de empuje en el pistn B. Segn la ley de Pascal la presin desarrollada en el fluido es igual en todos los puntos por la que la fuerza desarrollada en el pistn B es igual a la fuerza ejercida en el fluido por el pistn A, asumiendo que los dimetros de A y B son iguales.

La Figura 3.17 Transmisin de potencia.

La figura 3.18 ilustra la versatilidad de los sistemas hidrulicos y/o neumticos al poder transmitir las fuerzas en forma inmediata a travs de distancias considerables con escasas prdidas. Las transmisiones pueden llevarse a cualquier posicin.

Figura 3.18 Versatilidad de los sistemas hidrulicos para transmitir potencia.

La distancia L que separa la generacin, pistn A, del punto de utilizacin pistn B, es usualmente de 1,5 a 6 metros en los sistemas hidrulicos, y de 30 a 60 metros en aire comprimido.

Presin Hidrulica: La presin ejercida por un fluido es medida en unidades de presin. Las unidades comnmente utilizadas son: La libra por pulgada cuadrada = PSI El Kilogramo por centmetro cuadrado = Kg/cm El Kilogramo fuerza por centmetro cuadrado = Kp/cm El bar = bar

Actuadores neumticos Las seales neumticas son utilizadas para controlar elementos de actuacin final, incluso cuando el sistema de control es elctrico. Esto se debe a que con dichas seales es posible accionar vlvulas y otros dispositivos de control. Los sistemas neumticos son usados cuando se requieren altas velocidades de operacin y baja potencia.

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________Generadores de aire comprimido: Los sistemas neumticos de mando consumen aire comprimido, que debe estar disponible en el caudal suficiente y con una presin determinada segn el rendimiento de trabajo. Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presin del aire al valor de trabajo deseado. Los mecanismos y mandos neumticos se alimentan desde una estacin central. El aire comprimido viene de la estacin compresora y llega a las instalaciones a travs de tuberas.

Compresor de mbolo oscilante. Este es el tipo de compresor ms difundido actualmente. Es apropiado para comprimir a baja, media o alta presin. Su campo de trabajo se extiende entre 1 y 100 kPa (1 bar) a varios miles de kPa (bar).

Figura 3.19 Compresor de mbolo oscilante.

Cilindros: Un cilindro neumtico es el encargado de transformar la energa del aire comprimido en un movimiento rectilneo.

Cilindro de simple efecto: Estos cilindros tienen una sola conexin de aire comprimido. No pueden realizar trabajos ms que en un sentido. Se necesita aire slo para un movimiento de traslacin. El vstago retorna por el efecto de un muelle incorporado o de una fuerza externa (resorte).

Figura 3.20 Cilindro de simple efecto.

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________ Cilindro de membrana arrollable: La construccin de estos cilindros es similar a la de los anteriores. Tambin se emplea una membrana que, cuando est sometida a la presin del aire, se desarrolla a lo largo de la pared interior del cilindro y hace salir el vstago Las carreras estn aproximadamente entre 50 mm y 80 mm.

Figura 3.21 Cilindro de membrana.

Cilindros de doble efecto: El cilindro de doble efecto posee dos tomas para el aire comprimido situadas a ambos lados del mbolo. Este cilindro puede producir trabajo en los dos sentidos del movimiento.

Figura 3.22 Cilindro de doble efecto.

Cilindros con amortiguamiento: Cuando las masas que traslada un cilindro son grandes, es conveniente utilizar un sistema de amortiguamiento, esto con el objeto de evitar un choque brusco y daar el producto. El principio de operacin consiste en utilizar una seccin de escape muy pequea, a menudo ajustable. El escapa del aire es lento por la seccin de escapo pequea. El mbolo se desliza lentamente hasta su posicin final. Cilindrote de rotacin: El movimiento de vaivn rectilneo del mbolo se transmite a una rueda dentada a travs de una cremallera situada en el vstago del mbolo, convirtiendo el movimiento lineal a una de rotacin.

Figura 3.23 Cilindros de rotacin.

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________Tabla 3.2 Smbolos de los cilindros.Descripcin Smbolo

Simple efecto. Retorno resorte.

De simple efecto. Retorno por fuerza externa. De doble efecto.

De doble efecto con amortiguador.

De doble efecto con doble vstago.

Lineal sin vstago.

Cilindro de rotacin.

Vlvulas: En los sistemas neumticos se utilizan dos tipos principales de vlvulas las primeras son las vlvulas de control de direccin y las otras son vlvulas de control de secuencia.

Vlvulas de control de secuencia: Las diferentes posiciones de conexin de las vlvulas de control se representan mediante un cuadrado. Por ejemplo, en la vlvula de vstago de la figura 3.24 hay dos posiciones: una cuando el botn este sin oprimirse y otra cuando esta oprimido. De esta manera, la vlvula de dos posiciones se representa por dos cuadrados. Si la vlvula tuviera tres posiciones entonces se representara por tres cuadrados. Las flechas (Figura 3.25a) indican la direccin del flujo en cada una de las posiciones; las lneas con tope corresponden a lneas de flujo cerradas (Figura 3.25b). En la figura 3.25c, la vlvula tiene cuatro puertos. stos se identifican mediante un nmero o una letra, de acuerdo con su funcin. Los puertos se identifican con 1 (o P) para la alimentacin de presin, 3 (o T) para el puerto de regreso hidrulico, 3 o 5 ( R o S) para los puertos de desfogue y 2 o 5 (B o A) para los puertos de salida.

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________La Tabla 3.3 muestra ejemplos de algunos smbolos con los que se representan los diversos modos como actan las vlvulas. En el smbolo de una vlvula pueden presentarse uno o ms de estos smbolos.

Figura 3.24 Vlvula de vstago.

Figura 3.25 Direccin de flujo en las vlvulas.

Tabla 3.3 Smbolos de los diversos modos de actuacin de las vlvulas. Descripcin Smbolo Pulsador por botn. Tirador.

Accionamiento por leva. Accionamiento por rodillo.

Accionamiento por presin. Accionamiento por electro-vlvula Accionamiento por Motor elctrico.

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________Accionamiento por palanca.

Accionamiento por pedal.

Retorno por resorte.

La Tabla 3.4 muestra simbologa complementaria para la entender los diagramas neumticos.Descripcin Smbolo

Conduccin de trabajo.

Conduccin de control.

Fuente de presin.

Orificio de escape.

La Figura 3.26 es un ejemplo de cmo combinar los smbolos descritos anteriormente para describir el funcionamiento de una vlvula; en ella se muestra el smbolo de la vlvula de vstago de dos posiciones y dos puertos de la Figura 3.24. Observe que se puede referir a este tipo de vlvula como una vlvula 2/2; aqu el primer nmero indica la cantidad de puertos y el segundo, las posiciones.

Figura 3.26 Smbolo de la vlvula de vstago.

La figura 3.27 es otro ejemplo de una vlvula de carrete accionada por solenoide, con su smbolo respectivo. La vlvula se acciona mediante una corriente que pasa por un solenoide y regresa a su posicin original con un resorte.

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________

Figura 3.27 Vlvula activada con un solenoide con su smbolo respectivo.

Enseguida listaremos algunos tipos de vlvulas ms comunes: Vlvula 2/2 con regreso por resorte:

Vlvula 2/2 bidireccional con regreso por resorte:

Vlvula 3/2 con regreso por resorte:

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________Vlvula 3/2 con regreso por resorte (caso inverso):

Vlvula 4/2 con regreso por resorte:

Vlvula 5/2 con regreso por resorte:

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________ Vlvulas de control presin: Existen varios tipos de vlvulas de control de presin:Vlvulas direccionales: La figura 3.28 muestra una vlvula direccional y su respectivo smbolo. El flujo solo puede pasar en la direccin en que la bola empuja el resorte. La figura 3.29 representa una vlvula selectora, esta vlvula tiene dos entradas y una salida.

Figura 3.28 Vlvula direccional.

Figura 3.29 Vlvula selectora.

Vlvulas limitadoras de presin: Se usan como dispositivos de seguridad para limitar la presin en un circuito y mantenerla en un valor de seguridad. La vlvula se abre y desfoga a la atmsfera, o devuelve el flujo al pozo recolector.

Figura 3.30 Smbolo de la vlvula limitadora de presin.

Vlvulas de secuencia de presin: Estas vlvulas se usan para detectar la presin de una lnea externa y producir una seal cuando se alcanza un valor ya determinado. Se pueden usar como vlvulas de secuencia, cuando se desea producir flujo en alguna parte del sistema si la presin llega a determinado nivel. Por ejemplo, una mquina automtica necesita que se inicie una operacin cuando la presin de sujecin aplicada a una pieza de trabajo adquiere un valor particular. El smbolo de esta vlvula esta dado en La figura 3.31.

Figura 3.31 Smbolo de una vlvula de secuencia de presin.

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________ Ejemplo de aplicacin de los cilindros y las vlvulas:Ejemplo 1: Sistema para levantar carga.

Ejemplo 2: Sistema 3/4 con doble cilindro con vlvula de secuencia de presin.

Actuadores neumticos giratorios: Es posible utilizar un cilindro lineal provisto de las adecuaciones necesarias, para producir movimientos rotatorios con ngulos de menos de 360; la figura 3.32 ilustra este tipo de configuracin. Otra alternativa es el actuador semi-giratorio, en el cual utiliza un labe (Figura 3.33). La diferencia de presin entre ambos puertos hace girar el labe y el vstago, lo cual es una medida de la diferencia de presiones. Dependiendo de stas, el labe gira en sentido de las manecillas del reloj o en sentido contrario a stas. Para giros de ms de 360 se emplea un motor neumtico; una modalidad de ste es el motor de labes (Figura 3.34). Un rotor excntrico tiene ranuras que fuerzan el desplazamiento hacia fuera de los labes, empujando las paredes del cilindro a causa de la rotacin. Los labes dividen la cmara en compartimentos separados cuyo tamao aumenta desde el puerto de entrada hasta el puerto de salida. El aire que entra al compartimiento ejerce una fuerza en uno de los labes y provoca as el giro del rotor. La direccin de rotacin del motor se puede invertir utilizando otro puerto de entrada. La tabla 3.5 muestra la simbologa para los actuadores neumticos giratorios.

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________

Figura 3.32 Cilindro lineal usado para medir rotacin.

Figura 3.33 Actuador semigiratorio.

Figura 3.34 Motor tipo labe.

Tabla 3.5 Simbologa de los actuadores neumticos giratorios. Descripcin Smbolo Motor neumtico de un solo sentido de giro.

Motor neumtico de dos sentidos de giro.

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Introduccin a la Mecatrnica ______________________________________________________________________

3.3

Actuadores hidrulicos.

La principal desventaja de los sistemas neumticos descritos anteriormente es la relativa baja presin que pueden ejercer. Las seales hidrulicas se tiles cuando se requiere tener dispositivos de control de potencia, por ejemplo; los ensambles de piezas, movimiento o levantamiento de piezas pesadas, etc. Las desventajas de los sistemas hidrulicos son, su costo es elevado, son relativamente lentos y hay riesgos asociados con fugas de aceite. La clasificacin de los actuadores hidrulicos es la misma que los neumticos; cilindros, vlvulas y actuadores rotativos (tambin conocidos como motores hidrulicos). La diferencia radica en el fluido que se utiliza en los sistemas hidrulicos es un aceite derivado del petrleo. Para mayor referencia de estos sistemas consultar la seccin vista anteriormente de neumtica y consulte la bibliografa.

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