Un actuador es un componente de una máquina que produce fuerza , par o desplazamiento cuando se le suministra una entrada eléctrica , neumática o hidráulica en un sistema (llamado sistema de actuación ). El efecto se produce generalmente de forma controlada. [1] Un actuador traduce 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 (que proporciona una señal de control ) y una fuente de energía . La señal de control tiene un nivel de energía relativamente bajo y puede ser voltaje , corriente eléctrica , presión de fluido neumático o hidráulico , o incluso energía humana [ aclaración necesaria ] . [3] En el sentido eléctrico, hidráulico y neumático, es una forma de automatización o control automático .
El desplazamiento que se logra es comúnmente lineal o rotacional, como lo ejemplifican los motores lineales y los motores rotativos , respectivamente. El movimiento rotatorio es más natural para máquinas pequeñas que realizan grandes desplazamientos. Por medio de un husillo , el movimiento rotatorio se puede adaptar para funcionar como un actuador lineal (que produce un movimiento lineal, pero no es un motor lineal ).
Otra clasificación amplia de los 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. Entre los ejemplos de actuadores de accionamiento continuo se incluyen los motores de par de CC , los motores de inducción , los motores hidráulicos y neumáticos y los accionamientos de pistón-cilindro (arietes). [4]
Un actuador puede ser simplemente un mecanismo que es impulsado directamente por los movimientos o fuerzas de otras partes del sistema. Un ejemplo son los árboles de levas que impulsan 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 reloj de pie tradicional o un reloj de cuco .
Un actuador hidráulico utiliza normalmente la presión de un líquido (normalmente aceite) para hacer que un pistón se deslice dentro de un tubo cilíndrico hueco en un movimiento lineal, rotatorio u oscilatorio . En un actuador de simple efecto, la presión del fluido se aplica sólo 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 la gravedad o por 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 método es su aceleración limitada. Responden rápidamente a los cambios de entrada, tienen poca inercia, pueden funcionar de forma continua en un rango de trabajo relativamente amplio 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 un gas (normalmente aire) en lugar de un líquido. [8] [9] En comparación con los actuadores hidráulicos, los neumáticos son menos complicados porque no necesitan tuberías para el retorno y reciclado 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 , se utiliza la presión del vapor para impulsar actuadores neumáticos y producir un movimiento alternativo, que se convierte en movimiento rotatorio 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 rotatoria de un motor eléctrico (rotativo) ordinario 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 buena precisión con respecto a los neumáticos, su posible ciclo de vida prolongado y el reducido esfuerzo de mantenimiento que requieren (puede requerirse engrase). Es posible alcanzar fuerzas relativamente elevadas, del orden de 100 kN.
La principal limitación de estos actuadores es la velocidad a la que pueden llegar, las importantes dimensiones y el peso que requieren. La principal aplicación de estos actuadores se observa principalmente en dispositivos sanitarios y en la automatización industrial.
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 utiliza para transmitir la fuerza de actuación de la misma manera en que el motor diésel/sistema hidráulico se utilizan típicamente en equipos pesados .
La energía eléctrica se utiliza para accionar equipos como válvulas multivueltas o equipos de construcción y excavación alimentados eléctricamente .
Cuando se utiliza para controlar el flujo de fluido a través de una válvula, normalmente 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 acabarán dañándose. [10]
Los actuadores rotativos eléctricos utilizan un motor rotativo para girar la pieza objetivo en un ángulo determinado. [11] Los actuadores rotativos pueden tener una rotación de hasta 360 grados. Esto les 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, al mismo tiempo, con durabilidad y un par establecido.
Los motores rotativos pueden funcionar con tres técnicas diferentes, como eléctrica, hidráulica o manual. [12] Sin embargo, los actuadores rotativos accionados por fluido tienen cinco subsecciones de actuadores, como yugo escocés, paletas, cremallera y piñón, helicoidal y electrohidráulico. Todas las formas tienen su propio diseño y uso específico, lo que permite la posibilidad de elegir múltiples ángulos de grado.
Las aplicaciones de los actuadores rotativos son prácticamente infinitas, pero lo más probable es que se encuentren relacionados principalmente con dispositivos e industrias sometidos a presión hidráulica. Los actuadores rotativos se utilizan incluso en el campo de la robótica, cuando se ven brazos robóticos en las 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 posibilidad de ser un actuador rotativo. [12]
Un actuador eléctrico lineal utiliza un motor lineal , que puede considerarse como un motor eléctrico rotatorio que ha sido cortado y desenrollado. De este modo, en lugar de producir un movimiento rotatorio, 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: motor lineal plano (clásico), motores lineales de canal 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 la industria relojera, de semiconductores y farmacéutica (hasta un 60% de las aplicaciones). El creciente interés por esta tecnología se puede explicar por las siguientes características:
Las principales desventajas de los motores lineales son:
Un actuador puede ser accionado por calor a través de la expansión que la mayoría de los materiales sólidos presentan cuando aumenta la temperatura. Este principio se utiliza comúnmente, por ejemplo, para operar interruptores eléctricos en termostatos . Por lo general, un termostato (no electrónico) contiene una tira con dos capas de metales diferentes, que se doblarán cuando se calienten.
Los actuadores térmicos también pueden aprovechar las propiedades de las aleaciones con memoria de forma . [13]
Algunos actuadores funcionan mediante campos magnéticos aplicados externamente . Por lo general, contienen piezas hechas de materiales ferromagnéticos que se atraen fuertemente entre sí cuando son magnetizadas por el campo externo. Un ejemplo son los interruptores de láminas que se pueden utilizar como sensores de apertura de puertas en un sistema de seguridad de edificios .
Alternativamente, los actuadores magnéticos pueden utilizar aleaciones con memoria de forma magnética .
Un actuador blando está hecho de un material flexible que cambia su forma en respuesta a estímulos que incluyen estímulos mecánicos, térmicos, magnéticos y eléctricos. Los actuadores blandos se ocupan principalmente de la robótica de los humanos en lugar de la industria, para la que se utilizan la mayoría de los actuadores. La mayoría de los actuadores son mecánicamente duraderos pero no tienen la capacidad de adaptarse en comparación con los actuadores blandos. Los actuadores blandos se aplican principalmente a la seguridad y la atención médica de los humanos, por lo que pueden adaptarse a los entornos desmontando sus partes. [14] Es por eso 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 utilizando procesos de bajo rendimiento de varios pasos, como el micromoldeo, [15] la fabricación de forma libre sólida, [16] y la litografía de máscara. [17] Sin embargo, estos métodos requieren la fabricación manual de dispositivos, el posprocesamiento/ensamblaje y largas iteraciones hasta que se logra la madurez en la fabricación. Para evitar los aspectos tediosos y que consumen mucho tiempo de los procesos de fabricación actuales, los investigadores están explorando un enfoque de fabricación adecuado 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 de creación rápida de prototipos, como la impresión 3D , para reducir la brecha entre el diseño y la implementación de actuadores blandos, lo que hace que el proceso sea más rápido, menos costoso y más simple. También permiten la incorporación de todos los componentes del actuador en una sola estructura, eliminando la necesidad de utilizar juntas externas , adhesivos y sujetadores .
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 luz, electricidad, magnetismo, calor, pH y cambios 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 creado 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 por SMP se conoce como efecto de memoria de forma (SME). SMP exhibe algunas características gratificantes, como baja densidad, alta recuperación de la 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 de forma remota 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 la robótica blanda ha influido en los investigadores a la hora de diseñar actuadores blandos neumáticos debido a su naturaleza de compliancia intrínseca y su capacidad para producir tensión muscular.
Los polímeros como los elastómeros dieléctricos (DE), los compuestos iónicos de polímero y metal (IPMC), los polímeros iónicos electroactivos, los geles de polielectrolitos y los compuestos de gel y 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 deformación de su forma.
En ingeniería , los actuadores se utilizan frecuentemente como mecanismos para introducir movimiento o para sujetar un objeto de modo de 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 utilizan principalmente cuando se necesitan movimientos circulares, pero también se pueden utilizar para aplicaciones lineales transformando el movimiento circular en lineal con un husillo 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 de mecanismos simples, entre los que se incluyen:
En la 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 torque), así como eficiencia energética y consideraciones como masa, volumen, condiciones de operación y durabilidad, entre otras.
Al considerar la fuerza en los actuadores para las aplicaciones, se deben tener en cuenta dos parámetros principales: cargas estáticas y dinámicas. La carga estática es la capacidad de fuerza del actuador cuando no está en movimiento. Por el contrario, la carga dinámica del actuador es la capacidad de fuerza cuando está en movimiento.
La velocidad debe considerarse principalmente a un ritmo sin carga, ya que la velocidad disminuirá invariablemente 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 se clasifican comúnmente según el sistema de clasificación de código IP estándar . Aquellos que están clasificados para entornos peligrosos tendrán una clasificación IP más alta que aquellos para uso industrial o personal común.
Esto lo determinará cada fabricante individualmente, dependiendo del uso y la calidad.
