Un actuador lineal es un actuador que crea un movimiento lineal (es decir, en línea recta), en contraste con el movimiento circular de un motor eléctrico convencional . Los actuadores lineales se utilizan en máquinas herramienta y maquinaria industrial, en periféricos de computadora como unidades de disco e impresoras, en válvulas y amortiguadores , y en muchos otros lugares donde se requiere movimiento lineal. Los cilindros hidráulicos o neumáticos producen inherentemente un movimiento lineal. Muchos otros mecanismos se utilizan para generar movimiento lineal a partir de un motor giratorio.
Los actuadores lineales mecánicos funcionan normalmente mediante la conversión del movimiento rotatorio en movimiento lineal. La conversión se realiza habitualmente mediante unos pocos tipos de mecanismos sencillos:
Algunos actuadores lineales mecánicos solo tiran, como los polipastos, los de transmisión por cadena y los de transmisión por correa. Otros solo empujan (como un actuador de leva ). Los cilindros neumáticos e hidráulicos o los husillos de avance pueden diseñarse para generar fuerza en ambas direcciones.
Los actuadores mecánicos convierten típicamente el movimiento rotatorio de una perilla o manija de control en desplazamiento lineal a través de tornillos y/o engranajes a los que se fija la perilla o manija. Un gato de tornillo o gato de automóvil es un actuador mecánico familiar. Otra familia de actuadores se basa en el husillo segmentado . La rotación de la manija del gato se convierte mecánicamente en el movimiento lineal de la cabeza del gato. Los actuadores mecánicos también se utilizan con frecuencia en el campo de los láseres y la óptica para manipular la posición de etapas lineales , etapas rotatorias , soportes de espejos , goniómetros y otros instrumentos de posicionamiento. Para un posicionamiento preciso y repetible, se pueden utilizar marcas de índice en las perillas de control. Algunos actuadores incluyen un codificador y una lectura de posición digital. Estos son similares a las perillas de ajuste utilizadas en los micrómetros, excepto que su propósito es el ajuste de la posición en lugar de la medición de la posición.
Los actuadores hidráulicos o cilindros hidráulicos suelen consistir en un cilindro hueco en el que se inserta un pistón. Una presión desequilibrada aplicada al pistón genera una fuerza que puede mover un objeto externo. Dado que los líquidos son casi incompresibles, un cilindro hidráulico puede proporcionar un desplazamiento lineal preciso y controlado del pistón. El desplazamiento se produce únicamente a lo largo del eje del pistón. Un ejemplo conocido de un actuador hidráulico operado manualmente es un gato hidráulico para automóvil . Sin embargo, normalmente, el término "actuador hidráulico" se refiere a un dispositivo controlado por una bomba hidráulica .
Los actuadores neumáticos , o cilindros neumáticos , son similares a los actuadores hidráulicos, excepto que utilizan aire comprimido para generar fuerza en lugar de un líquido. Funcionan de manera similar a un pistón en el que se bombea aire dentro de una cámara y se empuja hacia afuera por el otro lado de la cámara. Los actuadores neumáticos no se utilizan necesariamente para maquinaria pesada y casos en los que hay grandes cantidades de peso. Una de las razones por las que se prefieren los actuadores lineales neumáticos a otros tipos es el hecho de que la fuente de energía es simplemente un compresor de aire. Debido a que el aire es la fuente de entrada, los actuadores neumáticos se pueden utilizar en muchos lugares de actividad mecánica. La desventaja es que la mayoría de los compresores de aire son grandes, voluminosos y ruidosos. Son difíciles de transportar a otras áreas una vez instalados. Los actuadores lineales neumáticos son propensos a tener fugas y esto los hace menos eficientes que los actuadores lineales mecánicos.
El efecto piezoeléctrico es una propiedad de ciertos materiales que se caracteriza por la expansión de los mismos al aplicarles un voltaje. Los voltajes muy altos corresponden a expansiones muy pequeñas. Como resultado, los actuadores piezoeléctricos pueden lograr una resolución de posicionamiento extremadamente precisa, pero también tienen un rango de movimiento muy corto. Además, los materiales piezoeléctricos presentan histéresis , lo que dificulta el control de su expansión de manera repetible.
Los actuadores electromecánicos son similares a los actuadores mecánicos, excepto que la perilla o manija de control se reemplaza por un motor eléctrico . El movimiento rotatorio del motor se convierte en desplazamiento lineal. Los actuadores electromecánicos también se pueden utilizar para alimentar un motor que convierte la energía eléctrica en par mecánico . Hay muchos diseños de actuadores lineales modernos y cada empresa que los fabrica tiende a tener un método patentado. La siguiente es una descripción generalizada de un actuador lineal electromecánico muy simple.
Por lo general, un motor eléctrico está conectado mecánicamente para hacer girar un tornillo de avance . Un tornillo de avance tiene una rosca helicoidal continua mecanizada en su circunferencia que corre a lo largo de la longitud (similar a la rosca de un perno ). Enroscada en el tornillo de avance hay una tuerca de avance o tuerca de bolas con las roscas helicoidales correspondientes. Se evita que la tuerca gire con el tornillo de avance (normalmente la tuerca se entrelaza con una parte no giratoria del cuerpo del actuador). Cuando se gira el tornillo de avance, la tuerca se impulsará a lo largo de las roscas. La dirección del movimiento de la tuerca depende de la dirección de rotación del tornillo de avance. Al conectar los enlaces a la tuerca, el movimiento se puede convertir en un desplazamiento lineal utilizable. La mayoría de los actuadores actuales están diseñados para alta velocidad, alta fuerza o un compromiso entre los dos. Al considerar un actuador para una aplicación particular, las especificaciones más importantes suelen ser el recorrido, la velocidad, la fuerza, la precisión y la vida útil. La mayoría de las variedades se montan en amortiguadores o válvulas de mariposa. [3] [4]
Existen muchos tipos de motores que se pueden utilizar en un sistema de actuador lineal. Estos incluyen motores de CC con escobillas, motores de CC sin escobillas, motores paso a paso o, en algunos casos, incluso motores de inducción. Todo depende de los requisitos de la aplicación y de las cargas que el actuador está diseñado para mover. Por ejemplo, un actuador lineal que utiliza un motor de inducción de CA de potencia integral que impulsa un tornillo de avance se puede utilizar para operar una válvula grande en una refinería. En este caso, no se necesita precisión ni alta resolución de movimiento, pero sí alta fuerza y velocidad. Para los actuadores lineales electromecánicos utilizados en robótica de instrumentación de laboratorio, equipos ópticos y láser o mesas XY, la resolución fina en el rango de micrones y la alta precisión pueden requerir el uso de un actuador lineal de motor paso a paso de potencia fraccionaria con un tornillo de avance de paso fino. Existen muchas variaciones en el sistema de actuador lineal electromecánico. Es fundamental comprender los requisitos de diseño y las limitaciones de la aplicación para saber cuál sería el mejor.
Un actuador lineal que utiliza motores estándar generalmente tendrá el motor como un cilindro separado unido al costado del actuador, ya sea en paralelo al actuador o perpendicular al mismo. El motor puede estar unido al extremo del actuador. El motor de accionamiento tiene una construcción típica con un eje de accionamiento sólido que está engranado con la tuerca o el tornillo de accionamiento del actuador.
Los actuadores lineales compactos utilizan motores especialmente diseñados que intentan ajustar el motor y el actuador en la forma más pequeña posible.
En la mayoría de los diseños de actuadores lineales, el principio básico de funcionamiento es el de un plano inclinado . Las roscas de un tornillo de avance actúan como una rampa continua que permite utilizar una pequeña fuerza de rotación a lo largo de una gran distancia para lograr el movimiento de una gran carga en una distancia corta. La fuente de alimentación es un motor de CC o CA. El motor típico es de 12 V CC, pero hay otros voltajes disponibles. Los actuadores tienen un interruptor para invertir la polaridad del motor, lo que hace que el actuador cambie su movimiento.
La velocidad y la fuerza de un actuador dependen de su caja de cambios. La cantidad de fuerza depende de la velocidad del actuador. Las velocidades más bajas proporcionan una mayor fuerza porque la velocidad y la fuerza del motor son constantes.
Una de las diferencias básicas entre los actuadores es su carrera, que está definida por la longitud del tornillo y del eje. La velocidad depende de los engranajes que conectan el motor al tornillo.
El mecanismo para detener la carrera de un actuador es un interruptor de límite o microinterruptor, que se puede ver en la imagen de abajo. Los microinterruptores están ubicados en la parte superior e inferior del eje y se activan con el movimiento ascendente y descendente del tornillo.
Se han creado muchas variaciones del diseño básico. La mayoría se centra en proporcionar mejoras generales, como una mayor eficiencia mecánica, velocidad o capacidad de carga. También existe un gran movimiento de ingeniería hacia la miniaturización de los actuadores.
La mayoría de los diseños electromecánicos incorporan un husillo y una tuerca. Algunos utilizan un husillo de bolas y una tuerca de bolas. En cualquier caso, el husillo puede estar conectado a un motor o a una perilla de control manual, ya sea directamente o a través de una serie de engranajes. Los engranajes se utilizan normalmente para permitir que un motor más pequeño (y más débil) que gira a una mayor velocidad se reduzca para proporcionar el par necesario para hacer girar el husillo bajo una carga más pesada de la que el motor sería capaz de impulsar directamente. En efecto, esto sacrifica la velocidad del actuador a favor de un mayor empuje del actuador. En algunas aplicaciones, el uso de engranajes sinfín es común, ya que permiten una dimensión incorporada más pequeña, pero que aún así permite una gran longitud de recorrido.
Un actuador lineal de tuerca móvil tiene un motor que permanece conectado a un extremo del tornillo guía (quizás indirectamente a través de una caja de engranajes), el motor hace girar el tornillo guía y la tuerca guía no gira para que se desplace hacia arriba y hacia abajo del tornillo guía.
Un actuador lineal de tornillo móvil tiene un tornillo de avance que pasa completamente a través del motor. En un actuador lineal de tornillo móvil, el motor "se arrastra" hacia arriba y hacia abajo por un tornillo de avance que no puede girar. Las únicas piezas giratorias están dentro del motor y pueden no ser visibles desde el exterior.
Algunos husillos tienen múltiples "inicios". Esto significa que tienen múltiples roscas que se alternan en el mismo eje. Una forma de visualizar esto es comparándolo con las múltiples rayas de colores de un bastón de caramelo. Esto permite un mayor ajuste entre el paso de la rosca y el área de contacto de la rosca de la tuerca y el tornillo, lo que determina la velocidad de extensión y la capacidad de carga (de las roscas), respectivamente.
Los actuadores de tornillo lineal pueden tener una capacidad de carga estática, lo que significa que cuando el motor se detiene, el actuador básicamente se bloquea en su lugar y puede soportar una carga que tire o empuje sobre el actuador. Esta capacidad de carga estática aumenta la movilidad y la velocidad.
La fuerza de frenado del actuador varía con el paso angular de las roscas del tornillo y el diseño específico de las roscas. Las roscas Acme tienen una capacidad de carga estática muy alta, mientras que los tornillos de bolas tienen una capacidad de carga extremadamente baja y pueden flotar casi libremente.
Generalmente no es posible variar la capacidad de carga estática de los actuadores de tornillo sin tecnología adicional. El paso de la rosca del tornillo y el diseño de la tuerca de accionamiento definen una capacidad de carga específica que no se puede ajustar dinámicamente.
En algunos casos, se puede agregar grasa de alta viscosidad a los actuadores de tornillo lineal para aumentar la carga estática. Algunos fabricantes utilizan esto para modificar la carga según necesidades específicas.
Se puede añadir capacidad de carga estática a un actuador de tornillo lineal mediante un sistema de freno electromagnético , que aplica fricción a la tuerca de accionamiento giratoria. Por ejemplo, se puede utilizar un resorte para aplicar pastillas de freno a la tuerca de accionamiento, manteniéndola en posición cuando se corta la energía. Cuando es necesario mover el actuador, un electroimán contrarresta el resorte y libera la fuerza de frenado sobre la tuerca de accionamiento.
De manera similar, se puede utilizar un mecanismo de trinquete electromagnético con un actuador de tornillo lineal, de modo que el sistema de accionamiento que levanta una carga se bloquee en su posición cuando se apague el actuador. Para bajar el actuador, se utiliza un electroimán para contrarrestar la fuerza del resorte y desbloquear el trinquete.
La capacidad de carga dinámica se suele denominar la cantidad de fuerza que el actuador lineal es capaz de proporcionar durante su funcionamiento. Esta fuerza variará según el tipo de tornillo (cantidad de fricción que restringe el movimiento) y el motor que impulsa el movimiento. La carga dinámica es la cifra por la que se clasifican la mayoría de los actuadores y es un buen indicador de para qué aplicaciones se adapta mejor.
En la mayoría de los casos, cuando se utiliza un actuador electromecánico, es preferible tener algún tipo de control de velocidad. Estos controladores varían el voltaje suministrado al motor, lo que a su vez cambia la velocidad a la que gira el husillo. Ajustar la relación de transmisión es otra forma de ajustar la velocidad. Algunos actuadores están disponibles con varias opciones de transmisión diferentes.
El ciclo de trabajo de un motor se refiere al tiempo que el actuador puede funcionar antes de que necesite enfriarse. Mantenerse dentro de esta pauta al operar un actuador es clave para su longevidad y rendimiento. Si se excede la clasificación del ciclo de trabajo, existe el riesgo de sobrecalentamiento, pérdida de potencia y, finalmente, que el motor se queme.
Un motor lineal es funcionalmente igual que un motor eléctrico rotatorio, con los componentes del campo magnético circular del rotor y el estator dispuestos en línea recta. Mientras que un motor rotatorio giraría y reutilizaría las mismas caras de los polos magnéticos, las estructuras del campo magnético de un motor lineal se repiten físicamente a lo largo del actuador.
Dado que el motor se mueve de forma lineal, no se necesita ningún husillo para convertir el movimiento rotatorio en lineal. Si bien es posible una alta capacidad, las limitaciones de material y/o motor en la mayoría de los diseños se superan con relativa rapidez debido a que se depende únicamente de las fuerzas de atracción y repulsión magnéticas. La mayoría de los motores lineales tienen una capacidad de carga baja en comparación con otros tipos de actuadores lineales. Los motores lineales tienen una ventaja en entornos exteriores o sucios, ya que las dos mitades no necesitan estar en contacto entre sí, por lo que las bobinas de accionamiento electromagnético se pueden impermeabilizar y sellar contra la humedad y la corrosión, lo que permite una vida útil muy larga. Los motores lineales se utilizan ampliamente en sistemas de posicionamiento de alto rendimiento para aplicaciones que requieren diversas combinaciones de alta velocidad, alta precisión y alta fuerza.
Los actuadores lineales telescópicos son actuadores lineales especializados que se utilizan donde existen restricciones de espacio. Su rango de movimiento es mucho mayor que la longitud no extendida del elemento actuador.
Una forma común está formada por tubos concéntricos de longitud aproximadamente igual que se extienden y se retraen como mangas, una dentro de la otra, como el cilindro telescópico .
Otros actuadores telescópicos más especializados utilizan elementos de accionamiento que actúan como ejes lineales rígidos cuando están extendidos, pero que rompen esa línea al plegarse, separarse en pedazos y/o desenrollarse cuando están retraídos. Algunos ejemplos de actuadores lineales telescópicos son:
