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 blando es aquel que cambia su 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. [5] Esta es la razón por la que la energía impulsada detrás de los actuadores blandos trata con materiales flexibles como ciertos polímeros y líquidos que son inofensivos para los humanos.
El actuador hidráulico consta de un cilindro o motor de fluido que utiliza energía hidráulica para facilitar la operación mecánica. El movimiento mecánico da una salida en términos de movimiento lineal, rotatorio u oscilatorio . Como los líquidos son casi imposibles de comprimir, un actuador hidráulico puede ejercer una gran fuerza. El inconveniente de este enfoque es su aceleración limitada.
El cilindro hidráulico consta de un tubo cilíndrico hueco a lo largo del cual puede deslizarse un pistón. El término simple efecto se utiliza cuando la presión del fluido se aplica solo a un lado del pistón. El pistón sólo puede moverse en una dirección, utilizándose frecuentemente un resorte para darle al pistón una carrera de retorno. El término doble acción se utiliza cuando se aplica presión a cada lado del pistón; cualquier diferencia de fuerza entre los dos lados del pistón mueve el pistón hacia un lado o hacia el otro. [6]
Los actuadores neumáticos permiten generar fuerzas considerables a partir de cambios de presión relativamente pequeños. La energía neumática es deseable para los controles principales del motor porque puede responder rápidamente al arrancar y detener, ya que no es necesario almacenar la fuente de energía en reserva para su funcionamiento. Además, los actuadores neumáticos son más baratos y, a menudo, más potentes que otros actuadores. Estas fuerzas se utilizan a menudo con válvulas para mover diafragmas y afectar el flujo de aire a través de la válvula. [7] [8]
La ventaja de los actuadores neumáticos consiste precisamente en la gran fuerza disponible en un volumen relativamente pequeño. Si bien el principal inconveniente de la tecnología consiste en la necesidad de una red de aire comprimido compuesta por varios componentes como compresores, depósitos, filtros, secadores, subsistemas de tratamiento de aire, válvulas, tubos, etc. lo que hace que la tecnología sea ineficiente energéticamente con pérdidas de energía que puede sumar hasta el 95%
Desde 1960, se han desarrollado varias tecnologías de actuadores. Los actuadores eléctricos se pueden clasificar en los siguientes grupos:
Convierte la fuerza rotacional de un motor rotativo eléctrico en un movimiento lineal para generar el movimiento lineal solicitado a través de un mecanismo; ya sea una correa (eje de transmisión por correa con paso a paso o servo) o un tornillo (ya sea una bola o un tornillo de avance o un tornillo de rodillo planetario).
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. [9]
Los motores lineales se diferencian de los actuadores electromecánicos, funcionan con el mismo principio que los motores rotativos eléctricos; de hecho, se puede pensar como un motor rotativo que ha sido cortado y desenrollado. Así, en lugar de producir un movimiento de rotación, producen una fuerza lineal a lo largo de su longitud. Debido a que los motores lineales causan menores pérdidas por fricción que otros dispositivos, algunos productos de motores lineales pueden 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 de mercado como las industrias relojera, de semiconductores y farmacéutica (hasta 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:
Los motores rotativos son actuadores que utilizan una porción de energía para formar un movimiento oscilatorio en un cierto ángulo de movimiento. [10] Los actuadores giratorios 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 así con durabilidad y un par establecido.
Los motores rotativos pueden funcionar mediante 3 técnicas diferentes, como eléctrica, fluida o manual. [11] 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. [11]
En aplicaciones comerciales se han utilizado actuadores que pueden accionarse aplicando energía térmica o magnética a un material de estado sólido. Los actuadores térmicos pueden activarse por temperatura o calentamiento mediante el efecto Joule y tienden a ser compactos, livianos, económicos y con alta densidad de potencia. Estos actuadores utilizan materiales con memoria de forma, como aleaciones con memoria de forma (SMA) o aleaciones magnéticas con memoria de forma (MSMA). [12]
Un actuador mecánico funciona para ejecutar el movimiento convirtiendo un tipo de movimiento, como el movimiento giratorio , en otro tipo, como el movimiento lineal . Un ejemplo es una cremallera y piñón . El funcionamiento de los actuadores mecánicos se basa en combinaciones de componentes estructurales, como engranajes y rieles, o poleas y cadenas .
La mayoría de los actuadores blandos existentes se fabrican mediante procesos de varios pasos de bajo rendimiento, como micromolde, [13] fabricación sólida de forma libre, [14] y litografía de máscara. [15] 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. [16] 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 utilizan principalmente cuando se necesitan movimientos circulares, pero también se pueden utilizar 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.
{{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )