Un actuador es un componente de una máquina que produce fuerza , par o desplazamiento , generalmente de forma controlada, cuando se le suministra una entrada eléctrica , neumática o hidráulica en un sistema (llamado sistema de actuación ). [1] Un actuador convierte dicha señal de entrada en la forma requerida de energía mecánica . Es un tipo de transductor . [2] En términos simples, es un "motor".
Un actuador requiere un dispositivo de control (controlado por una señal de control ) y una fuente de energía . La señal de control tiene una energía relativamente baja y puede ser voltaje o corriente eléctrica , presión de fluido neumático o hidráulico , o incluso energía humana. [3] En el sentido eléctrico , hidráulico y neumático , es una forma de automatización o control automático .
El desplazamiento logrado es comúnmente lineal o rotacional, como lo ejemplifican los motores lineales y los motores rotativos , respectivamente. El movimiento giratorio es más natural en máquinas pequeñas que realizan grandes desplazamientos. Por medio de un husillo , el movimiento giratorio se puede adaptar para funcionar como un actuador lineal (un movimiento lineal, pero no un motor lineal).
Otra clasificación amplia de actuadores los separa en dos tipos: actuadores de accionamiento incremental y actuadores de accionamiento continuo. Los motores paso a paso son un tipo de actuadores de accionamiento incremental. Ejemplos de actuadores de accionamiento continuo incluyen motores de torsión de CC , motores de inducción , motores hidráulicos y neumáticos y accionamientos de cilindro-pistón (rampas). [4]
Un actuador puede ser simplemente un mecanismo impulsado directamente por los movimientos o fuerzas de otras partes del sistema. Un ejemplo son los árboles de levas que accionan las válvulas de admisión y escape en los motores de combustión interna , impulsados por el propio motor. Otro ejemplo es el mecanismo que marca las horas en un tradicional reloj de pie o de cuco .
Un actuador hidráulico normalmente utiliza la presión de un líquido (generalmente aceite) para hacer que un pistón se deslice dentro de un tubo cilíndrico hueco con movimiento lineal, rotatorio u oscilatorio . En un actuador de simple efecto, la presión del fluido se aplica solo a un lado del pistón, de modo que aplica fuerza útil en una sola dirección. El movimiento opuesto puede ser efectuado por un resorte, por gravedad u otras fuerzas presentes en el sistema. En un actuador de doble efecto , la carrera de retorno es impulsada por la presión del fluido aplicada al lado opuesto del pistón. [5]
Dado que los líquidos son casi imposibles de comprimir, un actuador hidráulico puede ejercer una gran fuerza. El inconveniente de este enfoque es su aceleración limitada. Responden rápidamente a los cambios de entrada, tienen poca inercia, pueden operar continuamente en un rango de trabajo relativamente grande y pueden mantener su posición sin ningún aporte significativo de energía.
Se puede utilizar un actuador hidráulico para desplazar la cremallera de un mecanismo de piñón y cremallera , haciendo que el piñón gire. Esta disposición se utiliza, por ejemplo, para accionar válvulas en tuberías y otras instalaciones de transporte de fluidos industriales. [6]
Un actuador neumático es similar a uno hidráulico pero utiliza gas (generalmente aire) en lugar de líquido. [8] [9] En comparación con los actuadores hidráulicos, los neumáticos son menos complicados porque no necesitan tuberías para el retorno y reciclaje del fluido de trabajo. Por otro lado, todavía necesitan infraestructura externa como compresores, depósitos, filtros y subsistemas de tratamiento de aire, lo que a menudo los hace menos convenientes que los actuadores eléctricos y electromecánicos.
En las primeras máquinas de vapor y en todas las locomotoras de vapor , la presión del vapor se utiliza para impulsar actuadores neumáticos para producir un movimiento alternativo, que se convierte en movimiento giratorio mediante algún tipo de mecanismo de cigüeñal .
Desde 1960, se han desarrollado varias tecnologías de actuadores. Los actuadores eléctricos se pueden clasificar en los siguientes grupos:
Un actuador electromecánico (EMA) utiliza medios mecánicos para convertir la fuerza de rotación de un motor eléctrico ordinario (rotativo) en un movimiento lineal. El mecanismo puede ser una correa dentada o un tornillo (ya sea de bolas, de avance o de rodillos planetarios).
Las principales ventajas de los actuadores electromecánicos son su relativamente buen nivel de precisión con respecto a los neumáticos, su posible larga vida útil y el poco esfuerzo de mantenimiento requerido (puede requerir grasa). Es posible alcanzar una fuerza relativamente elevada, del orden de 100 kN.
La principal limitación de estos actuadores es la velocidad alcanzable, las importantes dimensiones y el peso que requieren. La principal aplicación de estos actuadores se ve principalmente en dispositivos sanitarios y automatización de fábricas.
Otro enfoque es un actuador electrohidráulico , donde el motor eléctrico sigue siendo el motor principal pero proporciona torque para operar un acumulador hidráulico que luego se usa para transmitir la fuerza de actuación de manera muy similar a como se usan típicamente los motores diesel/hidráulicos en equipos pesados .
La energía eléctrica se utiliza para accionar equipos como válvulas multivueltas o equipos de construcción y excavación eléctricos .
Cuando se usa para controlar el flujo de fluido a través de una válvula, generalmente se instala un freno encima del motor para evitar que la presión del fluido fuerce la apertura de la válvula. Si no se instala ningún freno, el actuador se activa para volver a cerrar la válvula, que se abre lentamente de nuevo. Esto genera una oscilación (abrir, cerrar, abrir...) y el motor y el actuador eventualmente se dañarán. [10]
Los actuadores giratorios eléctricos utilizan un motor giratorio para girar la pieza objetivo en un ángulo determinado. [11] Los actuadores rotativos pueden tener una rotación de hasta 360 grados. Esto le permite diferenciarse de un motor lineal, ya que el lineal está limitado a una distancia establecida en comparación con el motor rotativo. Los motores rotativos tienen la capacidad de configurarse en cualquier grado determinado en un campo, lo que hace que el dispositivo sea más fácil de configurar y aún con durabilidad y un par establecido.
Los motores rotativos pueden funcionar con 3 técnicas diferentes, como eléctrica, fluida o manual. [12] Sin embargo, los actuadores rotativos accionados por fluidos tienen 5 subsecciones de actuadores, como yugo escocés, paletas, piñón y cremallera, helicoidales y electrohidráulicos. Todas las formas tienen su propio diseño y uso específico, lo que permite elegir múltiples ángulos de grado.
Las aplicaciones para los actuadores rotativos son casi infinitas, pero lo más probable es que se encuentren relacionadas principalmente con industrias y dispositivos de presión hidráulica. Los actuadores rotativos se utilizan incluso en el campo de la robótica cuando se ven brazos robóticos en líneas industriales. Cualquier cosa que vea que tenga que ver con sistemas de control de movimiento para realizar una tarea en tecnología es una buena oportunidad para ser un actuador giratorio. [12]
Un actuador eléctrico lineal utiliza un motor lineal , que puede considerarse como un motor eléctrico rotativo que ha sido cortado y desenrollado. Así, en lugar de producir un movimiento de rotación, produce una fuerza lineal a lo largo de su longitud. Debido a que generalmente tiene menores pérdidas por fricción que las alternativas, un actuador eléctrico lineal puede durar más de cien millones de ciclos.
Los motores lineales se dividen en 3 categorías básicas: motores lineales planos (clásicos), motores lineales de canal en U y motores lineales tubulares.
La tecnología de motor lineal es la mejor solución en el contexto de una carga baja (hasta 30 kg) porque proporciona el más alto nivel de velocidad, control y precisión.
De hecho, representa la tecnología más deseada y versátil. Debido a las limitaciones de la neumática, la tecnología actual de actuadores eléctricos es una solución viable para aplicaciones industriales específicas y se ha introducido con éxito en segmentos del mercado como la industria relojera, de semiconductores y farmacéutica (hasta en el 60% de las aplicaciones). El interés por esta tecnología, se puede explicar por las siguientes características:
Las principales desventajas de los motores lineales son:
Un actuador puede ser impulsado por calor a través de la expansión que exhibe la mayoría de los materiales sólidos cuando aumenta la temperatura. Este principio se utiliza habitualmente, por ejemplo, para accionar interruptores eléctricos en termostatos . Normalmente, un termostato (no electrónico) contiene una tira con dos capas de metales diferentes que se doblan al calentarse.
Los actuadores térmicos también pueden aprovechar las propiedades de las aleaciones con memoria de forma . [13]
Algunos actuadores son impulsados por campos magnéticos aplicados externamente . Por lo general, contienen piezas hechas de materiales ferromagnéticos que se atraen fuertemente entre sí cuando son magnetizados por el campo externo. Un ejemplo son los interruptores de láminas que pueden usarse como sensores de apertura de puertas en un sistema de seguridad de edificios .
Alternativamente, los actuadores magnéticos pueden utilizar aleaciones magnéticas con memoria de forma .
Un actuador blando está hecho de un material flexible que cambia de forma en respuesta a estímulos mecánicos, térmicos, magnéticos y eléctricos. Los actuadores blandos se ocupan principalmente de la robótica humana más que de la industria, que es para lo que se utilizan la mayoría de los actuadores. La mayoría de los actuadores son mecánicamente duraderos pero no tienen capacidad de adaptación en comparación con los actuadores blandos. Los actuadores blandos se aplican principalmente a la seguridad y la atención médica de los seres humanos, por lo que pueden adaptarse a los entornos desmontando sus piezas. [14] Esta es la razón por la que la energía impulsada detrás de los actuadores blandos se ocupa de materiales flexibles como ciertos polímeros y líquidos que son inofensivos.
La mayoría de los actuadores blandos existentes se fabrican mediante procesos de varios pasos de bajo rendimiento, como micromolde, [15] fabricación sólida de forma libre, [16] y litografía de máscara. [17] Sin embargo, estos métodos requieren la fabricación manual de dispositivos, posprocesamiento/ensamblaje e iteraciones prolongadas hasta que se logra la madurez en la fabricación. Para evitar los aspectos tediosos y que requieren mucho tiempo de los procesos de fabricación actuales, los investigadores están explorando un enfoque de fabricación apropiado para la fabricación eficaz de actuadores blandos. Por lo tanto, se utilizan sistemas blandos especiales que se pueden fabricar en un solo paso mediante métodos rápidos de creación de prototipos, como la impresión 3D , para reducir la brecha entre el diseño y la implementación de actuadores blandos, haciendo que el proceso sea más rápido, menos costoso y más simple. También permiten la incorporación de todos los componentes del actuador en una única estructura, eliminando la necesidad de utilizar juntas , adhesivos y sujetadores externos .
Los actuadores de polímeros con memoria de forma (SMP) son los más similares a nuestros músculos y brindan una respuesta a una variedad de estímulos como cambios de luz, eléctricos, magnéticos, de calor, de pH y de humedad. Tienen algunas deficiencias, incluida la fatiga y el alto tiempo de respuesta, que se han mejorado mediante la introducción de materiales inteligentes y la combinación de diferentes materiales mediante tecnología de fabricación avanzada. La llegada de las impresoras 3D ha abierto un nuevo camino para fabricar actuadores SMP de bajo costo y respuesta rápida. El proceso de recibir estímulos externos como calor, humedad, entrada eléctrica, luz o campo magnético mediante SMP se conoce como efecto de memoria de forma (SME). SMP exhibe algunas características gratificantes, como baja densidad, alta recuperación de deformación, biocompatibilidad y biodegradabilidad .
Los fotopolímeros o polímeros activados por luz (LAP) son otro tipo de SMP que se activan mediante estímulos luminosos. Los actuadores LAP pueden ser controlados remotamente con respuesta instantánea y, sin ningún contacto físico, únicamente con la variación de la frecuencia o intensidad de la luz.
La necesidad de actuadores blandos, livianos y biocompatibles en robótica blanda ha influido en los investigadores para diseñar actuadores blandos neumáticos debido a su naturaleza de cumplimiento intrínseco y su capacidad para producir tensión muscular.
Polímeros como los elastómeros dieléctricos (DE), los compuestos de polímero iónico y metal (IPMC), los polímeros electroactivos iónicos, los geles de polielectrolitos y los compuestos de gel-metal son materiales comunes para formar estructuras en capas 3D que se pueden adaptar para funcionar como actuadores blandos. Los actuadores EAP se clasifican como actuadores blandos impresos en 3D que responden a la excitación eléctrica como una deformación en su forma.
En ingeniería , los actuadores se utilizan con frecuencia como mecanismos para introducir movimiento o para sujetar un objeto para evitar el movimiento. [18] En ingeniería electrónica, los actuadores son una subdivisión de los transductores. Son dispositivos que transforman una señal de entrada (principalmente una señal eléctrica ) en alguna forma de movimiento.
Los motores se usan principalmente cuando se necesitan movimientos circulares, pero también se pueden usar para aplicaciones lineales transformando el movimiento circular en lineal con un tornillo de avance o un mecanismo similar. Por otro lado, algunos actuadores son intrínsecamente lineales, como los actuadores piezoeléctricos. La conversión entre movimiento circular y lineal se realiza comúnmente mediante algunos tipos simples de mecanismos que incluyen:
En instrumentación virtual , los actuadores y sensores son los complementos de hardware de los instrumentos virtuales.
Las métricas de rendimiento de los actuadores incluyen velocidad, aceleración y fuerza (alternativamente, velocidad angular, aceleración angular y par), así como eficiencia energética y consideraciones como masa, volumen, condiciones de funcionamiento y durabilidad, entre otras.
Al considerar la fuerza en actuadores para aplicaciones, se deben considerar dos métricas principales. Estas dos son cargas estáticas y dinámicas. La carga estática es la capacidad de fuerza del actuador mientras no está en movimiento. Por el contrario, la carga dinámica del actuador es la capacidad de fuerza mientras está en movimiento.
La velocidad debe considerarse principalmente a un ritmo sin carga, ya que la velocidad invariablemente disminuirá a medida que aumenta la cantidad de carga. La velocidad a la que disminuirá la velocidad se correlacionará directamente con la cantidad de fuerza y la velocidad inicial.
Los actuadores suelen clasificarse utilizando el sistema de clasificación del código IP estándar . Aquellos que están clasificados para entornos peligrosos tendrán una clasificación IP más alta que aquellos para uso personal o industrial común.
Esto lo determinará cada fabricante individual, según el uso y la calidad.
