automatismos y control

AUTOMATISMOSY

CONTROL

Dpto. de Ingeniería de Sistemas y Automática

INDICE 1. La automatización y el control industrial 2. Sistemas básicos de control 3. Diseño de automatismos 4. El autómata programable 5. Sensores

6. Actuadores 7. Regulación y control industrial

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6. ACTUADORES

INTRODUCCIÓN

Un actuador o accionamiento es un dispositivo capaz de intervenir en el proceso que pretendemos controlar.

El actuador puede funcionar directamente bajo el control directo de la parte de mando, pero en muchas ocasiones es necesario algún preaccionamiento (en algunos casos llamados Drivers) para amplificar la señal de mando.

Hay una gran variedad de actuadores pero los más usados son los destinados a producir movimiento (motores y cilindros), los destinados a trasiego de fluidos (bombas) y los de tipo térmico (hornos, intercambiadores, etc.).

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CLASIFICACIÓN

Según el tipo de energía empleada se pueden distinguir en:

Accionamientos eléctricos.

Accionamientos neumáticos.

Accionamientos hidráulicos.

Accionamientos térmicos.

A su vez, dentro de cada una de estas tecnologías encontramos accionamientos de dos tipos:

Accionamientos todo o nada.

Accionamientos de tipo continuo.

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ACCIONAMIENTOS ELECTRICOS

De alguna manera, todos los accionamientos y preaccionamientos que se conectan a los autómatas suelen tener mando eléctrico. Pero dentro de este apartado nos referiremos únicamente a los puramente eléctricos.

Tipos de actuadores eléctricos:

Relés y contactores.

Motores de corriente continua (DC).

Motores de corriente continua sin escobillas o motores brushless.

Motores de corriente alterna (AC).• Asíncronos.• Síncronos.

Motores paso a paso.

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ACCIONAMIENTOS ELECTRICOS

Los motores eléctricos son los más utilizados y presentan las siguientes características generales:

Fáciles de controlar.

Precisos y de alta repetitividad.

Sencillos, pero de construcción delicada.

Más pesados que los neumáticos e hidráulicos

a igualdad de potencia.

Amplia variedad de cargas y velocidades, con

variada precisión.

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RELÉS Y CONTACTORES

Son dispositivos electromagnéticos que conectan o desconectan un circuito eléctrico de potencia al excitar un electroimán o bobina de mando.

Los relés se suelen utilizar para accionar potencias del orden del kW, mientras que los contactores pueden accionar potencias del orden de cientos de kW.

La principal ventaja que proporcionan estos dispositivos es que separan la parte de mando (baja potencia) de la parte de potencia (motores, etc.). De esta forma el autómata está aislado y, por lo tanto protegido de las posibles sobrecargas y sobretensiones.

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Principio de funcionamiento: en la figura se puede observar el funcionamiento interno de un relé, donde un electroimán es activado eléctricamente produciendo por atracción la conexión de un par de contactos normalmente abiertos (NA) y la desconexión del otro par de contactos normalmente cerrados (NC).

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En el contactor, el principio de funcionamiento es el mismo pero principalmente varía la estructura mecánica y la capacidad eléctrica para manejar grandes potencias.

Estos dispositivos son utilizados para realizar un control a distancia de los dispositivos a controlar ya que su mando es eléctrico y no manual.

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Características: cuando se va a seleccionar un relé o un contactor habrá que tener en cuenta algunas características. Entre las más importantes vamos a destacar las siguientes.

Tensión de mando: tensión de alimentación de la bobina de mando. Puede ser continua o alterna, siendo esta la más habitual, y con tensiones de 12 V, 24 V, 48V o 220 V.

Tensión de empleo: tensión de trabajo que tendrán que bloquear los contactos cuando estén abiertos.

Corriente de empleo o de servicio (Ie): es la corriente que el dispositivo es capaz de accionar e interrumpir para cada tensión de empleo y con carga resistiva.

Corriente térmica (Ith): es la corriente que el contactor puede soportar en condición cerrado por un mínimo de horas, sin que su temperatura exceda los límites dados por las normas.

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-Características:

Vida eléctrica: expresada en ciclos de maniobra, es una condición adicional para la elección de un contactor y permite prever su mantenimiento. En los catálogos de contactores se incluyen curvas de vida eléctrica en función de la categoría de utilización. Podemos necesitar un contactor que cierre una o dos veces al día, o quizás otro que esté continuamente abriendo y cerrando sus contactos. Hay que tener en cuenta el arco eléctrico que se produce cada vez que esto ocurre y el consiguiente deterioro.

Tiempos de accionamiento: tiempos que tarda en abrir y cerrar el circuito. Los valores suelen ser del orden de ms.

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RELÉS Y CONTACTORESLos tipos de servicio más frecuentes según normas IEC (International Electrotechnical Commission) son:

Categoría AC1. Se aplica a todos los aparatos de utilización en corriente alterna (receptores), cuyo factor de potencia es al menos igual a 0,95. Ejemplos: calefacción, distribución, iluminación.

Categoría AC2. Se refiere al arranque, al frenado en contracorriente y a la marcha por impulso de los motores de anillos. Al cierre, el contactor establece la intensidad de arranque del orden de 5 veces la intensidad nominal del motor. A la apertura el contactor debe cortar la intensidad de arranque con una tensión menor o igual a la tensión de la red. Ejemplos: puentes grúa, grúas pórtico con motores de rotor bobinado.

Categoría AC3. Se refiere a los motores de jaula, y el corte se realiza a motor lanzado. Al cierre, el contactor establece la intensidad de arranque con 5 a 7 veces la intensidad nominal del motor. A la apertura, corta la intensidad nominal absorbida por el motor. En este momento la tensión en los bornes de sus polos es del orden del 20% de la tensión de la red, por lo que el corte es fácil. Ejemplos: todos los motores de jaula, ascensores, escaleras mecánicas, compresores, bombas, ventiladores, etc.

Categoría AC4. Esta categoría se refiere a las aplicaciones con frenado a contracorriente y marcha por impulso utilizando motores de jaula o de anillos. El contactor se cierra con un pico de corriente que puede alcanzar 5, incluso 7 veces, la intensidad nominal del motor. La tensión puede ser igual a la de la red. El corte es severo. Ejemplos: metalurgia, elevación, ascensores, etc.

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Tipos de contactos: Contactos principales: su función es establecer o interrumpir el circuito principal, consiguiendo así que la corriente se transporte desde la red a la carga.

Contactos auxiliares: son contactos cuya función específica es permitir o interrumpir el paso de la corriente a las bobinas de los contactores o los elementos de señalización, por lo cual están dimensionados únicamente para intensidades muy pequeñas. Los tipos más comunes son:

Instantáneos: actúan tan pronto se energiza la bobina del contactor, se encargan de abrir y cerrar el circuito.

Temporizados: actúan transcurrido un tiempo determinado desde que se energiza la bobina (temporizados a la conexión) o desde que se desenergiza la bobina (temporizados a la desconexión).

De apertura lenta: el desplazamiento y la velocidad del contacto móvil es igual al de la armadura.

De apertura positiva: los contactos cerrados y abiertos no pueden coincidir cerrados en ningún momento.

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RELÉS Y CONTACTORESTipos de contactores:

Contactor unipolar NA con contacto auxiliar NA.

Contactor bipolar NA con contacto auxiliar NA.

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RELÉS Y CONTACTORESTipos de contactores:

Contactor tripolar NA, con contactos auxiliares NA y NC.

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MOTORES DE CORRIENTE CONTINUAPrincipio de funcionamiento:

El motor de corriente continua está formado por el estator que induce un campo magnético (mediante imanes permanentes o devanados) y por el rotor que gira al actuar sobre éste una fuerza proporcional al campo inductor y a la corriente que circula por sus devanados rotóricos. Para que la corriente circule por el rotor siempre en la misma posición relativa es necesario un mecanismo de conmutación formado por el colector de delgas y las escobillas. Esta es una de las principales desventajas de este tipo de motor, ya que se produce desgaste en las escobillas debido a que se producen chispas y calentamiento, con lo que es necesario el mantenimiento.

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MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

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La principal característica del motor de corriente continua es la posibilidad de regular la velocidad desde vacío a plena carga.

Su fácil control de posición, par y velocidad la convirtió en una de las mejores opciones en aplicaciones de control y automatización de procesos.

Con la llegada de la electrónica ha caído en desuso pues los motores de corriente alterna del tipo asíncrono, pueden ser controlados de igual forma (mediante variadores de frecuencia) a precios más accesibles.

A pesar de esto se usan en muchas aplicaciones de potencia (trenes y tranvías) o de precisión (máquinas, micromotores, etc.).

MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

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Los motores sin escobillas son la solución al problema de mantenimiento y calentamiento de los motores de CC con escobillas. La principal diferencia con respecto a los vistos anteriormente es que el rotor no posee bobinado, sino que está compuesto por imanes permanentes y desaparecen las escobillas y las delgas, con lo que disminuye el mantenimiento.

MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA SIN ESCOBILLAS O MOTORES BRUSHLESS

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Principio de funcionamiento:Su funcionamiento se basa en la alimentación secuencial de cada una de las fases del estator de forma sincronizada con el movimiento del rotor. De esta forma, los imanes permanentes siguen el movimiento del campo magnético estatórico, cuyo desplazamiento depende a su vez del giro del rotor.


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La eliminación de las escobillas conlleva la necesidad de un circuito electrónico encargado de alimentar las distintas fases en función de la posición del eje y la de un sistema de sensores, tres por lo general, para detectar la posición del mismo. Estos sensores suelen ser del tipo Hall, sensibles al campo magnético, colocados en el devanado del estator y cerca de los imanes del rotor.

La existencia de estos elementos presenta algunos inconvenientes, como son la menor fiabilidad y la complejidad de montaje de los sensores y de su cableado, lo que encarece la fabricación del motor. Por todo ello, en los últimos años se han desarrollado sistemas de detección “sin sensores” para aquellas aplicaciones donde no se requiere par motor a muy baja velocidad.

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MOTORES ASÍNCRONOS O DE INDUCCIÓN

Son probablemente los más utilizados en la industria debido a sus numerosas ventajas como son:

Fácil mantenimiento.

Bajo calentamiento.

Fácil control de la velocidad mediante sistemas electrónicos.

Mayor potencia que los de continua, a igualdad de peso, versatilidad, etc.

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Principio de funcionamiento y tipos: Su funcionamiento está basado en que el estator genera un campo magnético giratorio, a velocidad de sincronismo, que corta los conductores del rotor, por lo que se genera una fuerza electromotriz de inducción y esta hace que circule una corriente. La acción mutua del campo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor, originan una fuerza electrodinámica sobre dichos conductores del rotor, las cuales hacen girar el rotor del motor.

Entre la velocidad del rotor y del campo magnético generado por el estator siempre hay una pequeña diferencia que se denomina deslizamiento. Esta falta de sincronismo es por lo que a este motor se le denomina motor asíncrono.

Este tipo de motores incluyen en el estator devanados, divididos en dos mitades (polos), dispuestos en posiciones diagonalmente opuestas y desfasados entre sí.

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En el rotor existen dos posibilidades, jaula de ardilla o rotor bobinado (también llamado de anillos rozantes).El más utilizado es el de jaula de ardilla ya que es un sistema eficaz, simple y robusto. Consiste en una estructura de barras cortocircuitadas eléctricamente mediante anillos en los extremos.

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El motor de rotor bobinado o de anillos rozantes es mucho más complicado de fabricar y mantener que el de jaula de ardilla, pero permite el acceso al mismo desde el exterior a través de unos anillos que son los que cortocircuitan los bobinados. Esto tiene ventajas, como la posibilidad de utilizar un reostato de arranque que permite modificar la velocidad y el par de arranque, así como el reducir la corriente de arranque.

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Existen otras dos alternativas que son:

El rotor de doble jaula de ardilla.

El de ranuras profundas.Estos tipos de rotores ofrecen mejora a la hora de reducir las altas corrientes que se producen en el arranque.

Estos problemas también pueden ser minimizados mediante:

Arranque estrella-triangulo.

Inserción de resistencias (perdida energética).

Autotransformador. Arrancadores progresivos o los variadores de frecuencia. Son mejores

opciones tecnológicamente hablando pero a un coste mayor. Estos últimos sirven además para variar la velocidad del motor.

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Formas de conexión:

Cableado y posición de las chapas conductoras en la caja de conexiones o bornero.

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Formas de conexión:

Para conseguir el cambio de sentido de giro del motor basta con intercambiar dos fases.

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MOTORES SÍNCRONOS

Los motores síncronos son llamados así, porque la velocidad del rotor y la velocidad del campo magnético del estator son iguales. Esta velocidad está dada por la relación:

N = 120 f / p

donde f es la frecuencia de la red y p el numero de polos.

De esta propiedad surge la limitación de uso de los motores sincrónicos, que se emplean cuando se requiere una velocidad absolutamente constante. Este tipo de motor se usa en máquinas grandes que tienen una carga variable y necesitan una velocidad constante. Para los demás casos se prefieren los motores asincrónicos que son más sencillos y generalizados. Un inconveniente importante es que para arrancar necesitan dispositivos auxiliares de arranque.

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MOTORES SÍNCRONOS

Principio de funcionamiento y tipos:

El estator es similar al del motor asíncrono y es alimentado con un sistema trifásico de tensiones, similar al motor de inducción.El rotor, o parte rotativa, de una máquina síncrona es bastante diferente al de una máquina asíncrona. Contiene un devanado de corriente continua denominado devanado de campo y un devanado en cortocircuito, que impide el funcionamiento de la máquina a una velocidad distinta a la de sincronismo, denominado devanado amortiguador. Además, contiene un circuito magnético formado por apilamiento de chapas magnéticas de menor espesor que las del estátor.El arranque de un motor síncrono no es tan sencillo como el de un motor asíncrono, existen diferentes métodos como son el arranque mediante un motor auxiliar de potencia reducida o dotando al motor de un arrollamiento especial para que arranque como asincrónico.Dentro de la familia de los motores síncronos debemos distinguir:

Los motores síncronos. Los motores asíncronos sincronizados, que llevan un rotor similar al de anillos

rozantes de los motores asíncronos. Los motores síncronos de imán permanente.

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MOTORES PASO A PASOEl motor paso a paso es un dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos. Es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control.

Se pueden mover un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8°.

Estos motores pueden quedar enclavados en una posición si una o más de sus bobinas está energizada o bien totalmente libres si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.

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MOTORES PASO A PASO


Existen varios tipos de motores paso a paso:

Los de imán permanente (los más

utilizados).

Los de reluctancia variable.

Los híbridos de paso que son una mezcla de

los dos anteriores.

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MOTORES PASO A PASO


Básicamente estos motores están constituidos normalmente por: Un rotor sobre el que van aplicados una estructura mecanizada con dientes que

en un caso están imantadas (imanes permanentes) y en el otro es un núcleo de hierro dulce (reluctancia variable).

Un estator en el que se alojan un cierto número de bobinas excitadoras.

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MOTORES PASO A PASO

Principio de funcionamiento y tipos:Cuando las bobinas del estator son excitadas su núcleo atrae a los imanes del rotor y estos van variando su posición a medida que se van excitando las bobinas del estator.La alimentación tiene que ser un tren de pulsos debidamente sincronizados que harán que el motor gire. Variando la frecuencia con la que se aplican los pulsos, también estaremos variando la velocidad con que se mueve el motor, lo que nos permite realizar un control de velocidad. Por último si invertimos la secuencia de los pulsos de alimentación aplicados a las bobinas, estaremos realizando una inversión en el sentido de giro del motor.

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MOTORES PASO A PASO

Principio de funcionamiento y tipos:Se pueden encontrar motores paso a paso en robótica, control de discos duros, flexibles, unidades de CDROM o de DVD, impresoras, en sistemas informáticos, manipulación y posicionamiento de herramientas y piezas en general.Si cabe citar algún inconveniente de los motores paso a paso sería que presentan una velocidad angular limitada.Para finalizar hay que tener en cuenta que los motores paso a paso pueden ser unipolares o bipolares en función de cómo se conecten sus bobinados estatóricos.

En la figura anterior se pueden observar los esquemas de bobinas estatóricas de un motor bipolar (4 cables), un motor unipolar sin conexión entre tomas intermedias (6 cables) y un motor unipolar con conexión entre tomas intermedias (5 cables). El control de cada tipo será obviamente diferente.

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SERVOMOTORESUn servomotor es un motor eléctrico que consta con la capacidad de ser controlado, tanto en velocidad como en posición. Debe tener integrado o adosado al menos un detector que permita conocer su posicionamiento y/o velocidad. Los servomotores pueden ser de CC o de CA. Su característica principal es que están diseñados especialmente para obtener una elevada dinámica, control de par, precisión de velocidad y posicionamiento.

Aplicaciones: los servos se usan en aplicaciones como corte, impresión, etiquetado, empacado, manipulación de alimentos, robótica y automatización de fábricas.

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SERVOMOTORES

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ACCIONAMIENTOS NEUMÁTICOSLos actuadores neumáticos son mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico por medio de un movimiento lineal de vaivén, o de motores. Se clasifican en dos grandes grupos:

Cilindros (movimiento rectilíneo).

Motores (movimiento rotatorio).

VENTAJAS:

Sencillez de los sistemas de mando: válvulas, cilindros, etc.

Rapidez de respuesta.

Economía de los sistemas neumáticos una vez instalados.

INCONVENIENTES:

Instalaciones caras en general.

El mantenimiento del aire en buenas condiciones es costoso.

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CILINDROS

Existen cilindros de diferentes tipos, pero los más básicos son: De simple efecto: entrada de aire por un único punto del cilindro que desplaza

el vástago. Cuando la presión desaparece vuelve a su posición original mediante el muelle de retorno.

De doble efecto: el desplazamiento del vástago se da en ambos sentidos.

De acción diferencial: permiten mantener el embolo en cualquier posición.

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VALVULAS DISTRIBUIDORASLas válvulas distribuidoras permiten el accionamiento de cilindros y motores Y pueden ser activados de forma manual o eléctrica. En cuanto al mando eléctrico se pueden diferenciar las válvulas accionadas mediante relé (electroválvulas) y pueden ser controladas por un autómata.

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VALVULAS DISTRIBUIDORAS

Tipos básicos y simbología:Para entender el símbolo de cada válvula hay que entender algunos aspectos de las mismas:

El número de cuadrados indica el número de posiciones de la válvula. Las líneas representan la conexión y el recorrido del fluido.

En las válvulas de dos posiciones, la posición normal de la válvula es la representada tal cual aparece en su símbolo en la parte derecha.

En las de tres posiciones, cada cuadrado indica la conexión en cada una de las posiciones.

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VALVULAS DISTRIBUIDORAS

Conexiones típicas:Control de un cilindro de simple efecto.

Mediante un válvula 3/2. Accionada por pulsador o mando eléctrico, retorno mecánico por muelle. Al activarse conecta la entrada de aire a presión con la entrada del cilindro. En reposo se conecta la cámara del pistón a la salida, liberando el aire.

Control de un cilindro de doble efecto. Mediante un válvula 4/2. El cilindro trabaja a presión en los dos recorridos.

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MOTORES NEUMATICOS ROTATIVOS

Transforma la energía del aire comprimido en movimiento rotatorio. Este tipo de motores tiene las siguientes características:

Son ligeros y compactos. Desarrollan más potencia con relación a su tamaño que la mayoría de los

otros tipos de motores.

Arranque y parada muy rápidas.

Velocidad y par variables.

Control simple.

Difícil control de posición.

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Tipos:

Motores de paletas rotativas. Son los mas utilizados.

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Motores de pistones. Consigue un par elevado a bajas velocidades, baja vibración. Los hay radiales y axiales.

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Motores de engranajes. Este tipo de motor es de bajo rendimiento.

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OTROS DISPOSITIVOS NEUMÁTICOS

Ademas de los dispositivos vistos anteriormente hay que tener en cuenta que en un sistema neumático también serán necesarios otros dispositivos, como son los compresores, sistemas de preparación del aire comprimido (filtros, reguladores, lubricadores, purgas de condensado, secadores,…),válvulas reguladoras, amortiguadores, pinzas, ventosas, controladores de flujo, etc.

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ACCIONAMIENTOS HIDRÁULICOS

La diferencia con los neumáticos es que estos utilizan aceite a presión, pero en esencia la tecnología es similar.

VENTAJAS:

Puede desarrollar grandes fuerzas.

Sencillez de operación.

INCONVENIENTES:

Instalaciones muy caras en general.

Suciedad de las instalaciones.

Velocidad de respuesta muy lenta.

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Características:Destacaremos algunas características que diferencian esta tecnología de la neumática, aunque la esencia es la misma:

El grado de compresibilidad del aceite es superior al del aire, lo que le da mayor precisión.

Repetitividad entre 2,3 y 0,2mm.

No presentan problemas de refrigeración.

Gran potencia en poco volumen.

Pueden soportar cargas elevadas sin aporte de energía.

El mantenimiento no es muy complejo.

Los cilindros y motores son similares a los neumáticos.

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VALVULAS DISTRIBUIDORASLas válvulas distribuidoras permiten el accionamiento de cilindros y motores Y pueden ser activados de forma manual o eléctrica. En cuanto al mando eléctrico se pueden diferenciar las válvulas accionadas mediante relé (electroválvulas) y pueden ser controladas por un autómata.

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SERVO-VALVULAS HIDRÁULICAS

La diferencia con las válvulas es que estas son de tipo todo o nada, mientras que las servoválvulas tienen la posibilidad de controlar la presión o el caudal. Una señal eléctrica de entrada de milivatios controla así una potencia hidráulica de muchos kilovatios.

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