Actuadores: ¿Qué son? ¿Cómo funcionan?

Un actuador es la parte de cualquier máquina que le permita crear movimiento. Al igual que los músculos del cuerpo humano permiten que las piernas, los brazos, los dedos y otras partes se muevan, el actuador es el componente que permite el movimiento en el aparato mecánico.

Lo hace convirtiendo la energía entrante y las señales en una fuerza mecánica. Esta fuerza entrante puede ser eléctrica, neumática (aire) o hidráulica (agua), mientras que el movimiento saliente puede ser rotativo o lineal.

Por lo tanto, los actuadores están presentes en todo lo que nos rodea, desde los sistemas de control de acceso en nuestras puertas hasta los robots haciendo el trabajo pesado en el almacén local. Incluso nuestros teléfonos móviles tienen actuadores para crear vibraciones cuando se encienden en silencio.

Lineal vs. Actuadores rotativos

Los actuadores lineales producen movimiento lineal, lo que significa que pueden moverse hacia atrás o hacia adelante entre una trayectoria recta establecida para una distancia limitada.
Los actuadores rotativos crean movimiento rotativo alrededor de un plano circular y no están limitados por la distancia. Puede seguir girando en torno a la dimensión anular durante el tiempo que necesite.

Los actuadores lineales y rotativos pueden venir en diferentes formas dependiendo de cómo funcionen y ambos pueden usar fuentes de energía hidráulica, neumática o eléctrica. Como tal, cada tipo vendrá con su conjunto único de ventajas y desventajas.

¿Agua, aire o electricidad?

Los actuadores eléctricos están impulsados ​​por el motor y tienden a desencadenar otras funciones de circuitos. Se alimentan utilizando una corriente eléctrica y generalmente se usan dentro de los sistemas de control. Estos tipos de actuadores tienen numerosos beneficios: son fáciles de construir o aplicar, llevan un ruido mínimo y son costos y eficientes energéticamente. Sus desventajas son que son de baja velocidad e inapropiados para cargas pesadas.

Los actuadores hidráulicos, por otro lado, pueden manejar una carga de más de 10 Kilonewtons. Un actuador hidráulico típico es un actuador similar al pistón compuesto por un cilindro, pistón y primavera. También requiere un suministro hidráulico y una línea de retorno y un tallo. Pueden manejar aplicaciones de alta fuerza y ​​no necesitan ubicarse cerca de sus bombas y motores mientras conservan la misma potencia. Sin embargo, tienen desventajas en el sentido de que pueden filtrar el líquido, lo que puede costarles eficiencia y causar daños potenciales. También necesitan varias piezas auxiliares como válvulas de liberación, mangueras, tanques y reguladores.

Los actuadores neumáticos se sientan en algún lugar entre electricidad e hidráulico en términos de capacidad y pueden manejar cargas pequeñas a grandes. Los actuadores neumáticos usan aire o gas comprimido para mover un pistón a lo largo de un cilindro hueco y construir presión para mover la carga. Los actuadores neumáticos generalmente se elogian por el movimiento rápido que crean, pero como los actuadores hidráulicos, requieren piezas complementarias como válvulas, tubos y un compresor.

Elegir un actuador

Seleccionar el actuador correcto requiere una consideración detallada ya que no existe un modelo único para todos y el tipo de actuador (neumático lineal, giratorio eléctrico, neumático rotativo, etc.) depende de la industria y la aplicación.

Ya sea que esté buscando actuadores lineales o rotativos, su lista de aplicaciones es infinita. Es probable que estén en algún dispositivo a su alrededor, incluido su teléfono móvil. Sin ellas, muchas aplicaciones industriales serían mucho menos eficientes.

Usos comunes de los actuadores lineales

Manejo de material: Las plantas y almacenes de fabricación, sin duda, tienen un uso para los sistemas de manejo de materiales en los que los actuadores lineales son increíblemente útiles para un control y procesamiento efectivo y rápido de bienes, incluidos los sistemas de cinta transportadora.

Equipo de corte: El uso de una máquina para cortar protege la seguridad humana cuando se trata de tareas repetitivas que involucran equipos nítidos o peligrosos. Los actuadores lineales pueden encender máquinas para cortar precisos, incluidos madera, vidrio o tarjeta.

Procesamiento de materias primas: Ejemplos del uso de actuadores en el procesamiento de materias primas son los hornos de vidrio/cerámica o las máquinas de mármol/madera y, junto con las capacidades de automatización de tendencias, pueden operar de manera más eficiente y precisa.

Robótica: Robótica es un ejemplo clásico y obvio de dónde se utilizan los actuadores lineales y su aumento en el uso significa más innovaciones y variedades que se ven aquí.

Energía solar: Los actuadores lineales se utilizan para mover paneles solares a su posición óptima para capturar la exposición correcta de la luz solar para aprovechar la energía solar de energía solar.

Agricultura: En particular, los actuadores lineales hidráulicos pueden manejar cargas pesadas involucradas en la agricultura. Los actuadores eléctricos también podrían encontrar uso en tareas agrícolas más delicadas.

Usos comunes de los actuadores rotativos

Uso industrial/Actuador de válvula: Los actuadores rotativos generalmente se usan cuando necesita una fuerza de energía de torque. Por lo tanto, los actuadores de la válvula rotativa se utilizan en diversas maquinaria industrial donde la operación de la válvula es necesaria, frecuente y es difícil de acceder. Se usan especialmente dentro de la industria del petróleo y el gas.

Manitadores de selección y lugar: Como la selección robótica está reemplazando cada vez más la selección manual, sus capacidades también deben igualar el movimiento humano con mayor precisión. Los actuadores rotativos, incluidos los en miniatura para movimientos más finos, pueden lograr esto.

Equipo de construcción móvil: El uso de actuadores rotativos dentro de la industria de la construcción móvil puede ser útil cuando hay energía rotacional limitada y se requieren soluciones más compactas.

Aeroespacial: En el aeroespacial, un actuador giratorio puede convertir el movimiento de baja velocidad de baja velocidad en un movimiento de baja velocidad y alta torque, que podría ser necesario en la aleta del borde posterior en un ala de avión o en la bahía de bombas en un avión militar.

Aplicaciones submarinas: Los actuadores giratorios especializados, como el uso subacuático, también están en producción para varias funciones que ocurren en el mar, ya sea ingeniería o para usar dentro de los vehículos sumergidos por el agua.

Desde lo mundano hasta el servicio pesado, hay un actuador utilizado en tantas aplicaciones cotidianas, en su mayoría ocultas a la vista, pero trabajando de alguna forma u otra.

Como se estableció, un actuador puede ayudar a convertir la energía en movimiento, pero también puede ayudar a controlar ese movimiento y energía.

Las variables en un sistema de actuador son el tipo de energía, cantidad de entrada y velocidad de movimiento. Lo que siempre será consistente es la necesidad de algún tipo de fuente de energía y la producción de movimiento mecánico. Los actuadores también funcionan usando los mismos componentes, aunque estos se verán diferentes según el tipo de actuador y su función.

Fuente de alimentación

La fuente de energía, como se discutió, puede ser electricidad, aire o gas, agua u otro tipo de fuente de energía, pero estos son los más comunes en la operación de los actuadores.

Convertidor de poder

El convertidor de potencia lleva la energía desde la fuente de alimentación al actuador en línea con las unidades o mediciones que se detallan en un controlador o en su diseño.

Una válvula proporcional hidráulica es un ejemplo de un convertidor de potencia utilizado en el agua, una parte mecánica para dejar entrar o apagar el agua para que el flujo de agua esté en línea con la velocidad de entrada y la salida de movimiento deseada.

Los inversores eléctricos son otro ejemplo, que a menudo se usa en la industria para convertir la electricidad de corriente continua en electricidad de corriente alterna. Pueden parecer unidades o circuitos electrónicos rectangulares.

Solenoide

El actuador es un dispositivo mecánico físico que realiza la conversión. Puede verse diferente dependiendo del tipo de entrada/salida con la que esté trabajando y con la esperanza de producir.

En una manija de la puerta, el actuador es una caja de plástico con zorras unidas. Sin embargo, un actuador hidráulico está formado por pistones de metal. Para que un actuador sea efectivo, su diseño debe transformar de manera efectiva la energía y se adapta como tal.

Carga mecánica

La carga mecánica es un estrés físico o una fuerza opuesta en el sistema que trabaja contra la energía que produce el actuador. Como tal, induce al sistema a producir más potencia.

Se puede ver un ejemplo diario de esta interacción cuando un automóvil conduce cuesta arriba. La inclinación o la pendiente es una carga contra la que funciona el motor, por lo que, para moverse, el automóvil debe aumentar su velocidad. En ingeniería mecánica, se puede trabajar una carga mecánica como parte del diseño del sistema.

Controlador

El controlador es un dispositivo que activa el actuador y controla la salida, guiando su dirección, fuerza y ​​su longevidad. Evita que el sistema trabaje en sus propios dispositivos y permite límites en ambos extremos de la conversión, que el operador puede supervisar.

Podría ser un dispositivo eléctrico, electrónico o mecánico, y podría verse como un botón, palanca, interruptor o marcar. Pero hay muchos ejemplos diferentes cuando se trata de operar un actuador.

En términos reductores, un actuador es un tipo de motor que introduce y detiene el movimiento. Si bien asociamos motores con ser impulsados ​​eléctricamente, también pueden controlarse mecánicamente, manualmente y a través del software. Podemos profundizar un poco más en la mecánica de los diferentes tipos de motores.

Conjuntos de rotor y estator

Los conjuntos de rotor y estator son bobinas circulares y devanados en el motor. La forma más fácil de asociar el rotor y el estator y comprender lo que hacen es pensar en el rotor, rotacional y estator, estacionarios.

En un motor eléctrico, se induce una corriente cuando el conjunto del estator recibe un voltaje, que viaja al conjunto del rotor. Su interacción crea un campo magnético y, en consecuencia, movimiento. En lo que respecta a los motores eléctricos, hay dos tipos: motores de CA y motores de CC que se mueven a velocidades constantes o variables, respectivamente.

Motores de CA

Los motores de CA varían la velocidad de movimiento que producen de acuerdo con la frecuencia de voltaje. El primero significa que el rotor se mueve más lento que el estator, mientras se mueven en sincronización en un motor sincrónico.

Hay muchas otras diferencias entre los motores de inducción y síncronos, pero una clave son los principios en los que trabajan con la inducción electromagnética detrás del funcionamiento de los motores de inducción y la clave de bloqueo magnético para los motores sincrónicos.

Motores de DC

En los motores DC, el conjunto del rotor intenta alinearse con el estator, pero el conmutador evita el tipo de interruptor eléctrico rotativo. El ensamblaje rotativo, por lo tanto, continúa girando mientras el estator está estacionario y ayuda a regular la velocidad.

Los motores paso a paso y servo son ejemplos de motores de CC que son dispositivos electromecánicos que convierten un pulso o voltaje digital en movimiento o desplazamiento de rotación. Su rendimiento puede depender del tamaño de carga y la velocidad requerida.

Motores neumáticos

Los motores neumáticos se accionan a través del vacío o el aire comprimido para producir movimiento lineal o de rotación. La presión y el flujo del aire determinan su velocidad o par. Algunos motores neumáticos comunes incluyen la paleta rotativa, el pistón axial o radial, la turbina, el tipo V y el diafragma.

La precisión posicional es algo que podría citarse en relación con los actuadores: la capacidad de lograr la posición de comando. Los diferentes tipos de motores tendrán diferentes capacidades de precisión posicional. Los motores neumáticos son mejores para aplicaciones donde la precisión posicional es menos importante.

Motores hidráulicos

Los motores hidráulicos usan líquido presurizado, a menudo agua, para mover un pistón a través de un tubo. La presión del fluido y la velocidad de flujo determina el par o la velocidad. El caudal está determinado por el tamaño del orificio del motor, la diferencia de presión entre su entrada y salida, y la temperatura del fluido.

Sin embargo, los motores hidráulicos no son conocidos por producir altas velocidades y las aplicaciones típicas están en equipos de construcción y móviles.

Los tipos de actuadores varían según la fuente de energía, el tipo y la velocidad del movimiento requerido y su función. Los tipos de actuadores evolucionan y desarrollan, pero es útil comprender los conceptos básicos en torno a algunos actuadores comunes en uso.

Actuador lineal eléctrico

Eléctrico actuadores lineales Use energía eléctrica para producir movimiento en línea recta usando un pistón que se mueve hacia atrás y hacia adelante activado por señales eléctricas. Producen movimientos de tracción, empuje, expulsión o elevación. Sus motores producen un movimiento de rotación de alta velocidad con una caja de cambios que reduce la velocidad o el impacto.

Actuador giratorio eléctrico

Eléctrico actuadores rotativos Use energía eléctrica para producir movimiento de rotación, ya sea para movimiento continuo o hacia un ángulo fijo. Implican la combinación de un motor eléctrico, una caja de cambios de varias etapas y un interruptor de límite. Crea rotación y par cuando la corriente entra en un campo magnético y desde la fuerza producida.

Actuador lineal hidráulico

Los actuadores lineales hidráulicos usan presión de agua u otro fluido presurizado para generar movimientos rectos. Pueden producir un torque lo suficientemente fuerte como para mover objetos externos, de ahí sus aplicaciones industriales. Los actuadores hidráulicos consisten en pistones que se mueven en una dirección y un resorte que produce el movimiento inverso. También hay actuadores hidráulicos de doble acción en los que las presiones llegan a ambos extremos para mover el pistón hacia adelante y hacia atrás para un movimiento más uniforme.

Actuador rotativo hidráulico

Los actuadores rotativos hidráulicos usan fluido presurizado para rotar las partes mecánicas. Vienen en forma de ejes circulares con teclas y tablas, como un perno, para montar otros componentes. El eje, que puede ser único o doble, gira cuando sus dientes se conectan a las ranuras en el pistón y cambia el movimiento lineal a rotacional.

Actuador lineal neumático

Los actuadores lineales neumáticos usan aire comprimido para crear movimiento moviendo pistones hacia adelante y hacia atrás o empujando y tirando de un carro a través de un camino de entrada o tubo. Los resortes se usan para traer el pistón de vuelta. Alternativamente, el fluido a veces se usa en el extremo opuesto para empujarlo hacia atrás. Los actuadores lineales neumáticos pueden producir alta velocidad y torque para distancias cortas y son resistentes a la presión opuesta como el viento o las explosiones.

Actuador rotativo neumático

Los actuadores rotativos neumáticos usan aire comprimido para crear oscilación y comúnmente usan estantería y piñón, yugo escocés y actuadores de diseño de paletas. Por ejemplo, los actuadores de bastidor y piñón usan aire comprimido para empujar un pistón y una estante en un movimiento lineal que se convierte en un movimiento giratorio en un engranaje de piñón y eje de salida.

Actuadores piezoeléctricos

Los actuadores piezoeléctricos utilizan material piezoal con corrientes eléctricas. Los materiales piezográficos son materiales, como la cerámica, que se expanden y se contraen cuando se tocan por una carga eléctrica que produce energía. Son conocidos por movimientos de respuesta cortos, frecuentes y rápidos.

No hace falta decir que hay muchos actuadores utilizados en diferentes campos y no todos serán adecuados para sus propósitos. Aquí hay una guía rápida para encontrar la correcta.

Evaluar el tipo de movimiento requerido

A estas alturas, te darás cuenta de que los dos tipos principales de movimiento son lineales y rotativos. Dependiendo de la función, sabrá si se necesitan movimientos lineales decisivos o si necesita más dinamismo en la función resultante. Sin embargo, también puede considerar cuán lejos desea que se produzca ese movimiento: movimientos cortos/agudos, o continuo, etc.

Consideraciones de entrada de energía

Los actuadores eléctricos son muy comunes y están ganando capacidades para una serie de funciones cada vez más diversas. La corriente eléctrica necesaria no siempre es práctica, sin embargo, en cuyo caso puede recurrir a actuadores hidráulicos y neumáticos que eliminan la necesidad de una entrada de alto voltaje.

¿Deberías considerar la precisión?

Los niveles de precisión se mencionaron antes y en algunos motores, deberá lograr una posición de comando precisa. Una regla "general" es que el trabajo de servicio pesado puede omitir la necesidad de precisión, pero las tareas más pequeñas, intrincadas y delicadas requerirán una mayor precisión, como la selección y el manejo. Esa consideración tendrá significativamente el actuador que elija.

Que fuerza es mejor

El objetivo amplio de un actuador es mover algo, pero la fuerza requerida depende de cuán pesada o grande sea el sujeto. Tenga en cuenta las dimensiones de los objetos que su actuador debe moverse para elegir uno con una capacidad de carga adecuada.

¿Hasta dónde debe moverse el objeto?

¿Se necesitan pequeños golpes para mover el objeto o tiene que ser levantado o transportado distancias relativamente largas/altas? Cualquier actuador producirá una longitud de accidente cerebrovascular que debe considerarse al elegir uno para su propósito deseado.

¿Qué velocidad de movimiento quieres?

La velocidad del actuador es una consideración bastante importante y los actuadores que necesitan una fuerza más alta a menudo serán más lenta que las que generan una fuerza más baja. Las velocidades del actuador se miden en distancia por segundo.

¿Cuál es el entorno operativo?

Los actuadores se usan con frecuencia en aplicaciones industriales, así como en los entornos más ordenados de laboratorios y talleres de interior. Si está operando dentro de un entorno particularmente resistente, asegúrese de que el actuador que elija esté bien calificado para la protección.

¿Cómo lo montarás?

Los actuadores se pueden montar de diferentes maneras. Por ejemplo, un sistema de montaje de doble pivote permite que el dispositivo gire o gire mientras se extiende y se retrae. Un sistema de montaje estacionario mantiene al actuador más seguro en un solo lugar.

Hay otras consideraciones al seleccionar el actuador correcto, pero la guía anterior debe ayudar a reducir las opciones.

Parte de seleccionar el actuador correcto, o decidir si es el actuador correcto una vez que haya elegido uno, está evaluando su desempeño.

Hay varias métricas de rendimiento relevantes para un actuador efectivo. Aquí están algunos a considerar.

Torque o fuerza

El par, que escuchará mucho en relación con los actuadores, es la fuerza torpe que habla con la fuerza de rotación del motor. Puede considerarlo simplemente como "fuerza", pero de cualquier manera es clave para el rendimiento del actuador. Dos métricas son relevantes para el torque o la fuerza: cargas estáticas y dinámicas. La fuerza de carga estática es relacional con la capacidad del actuador cuando está en reposo, mientras que las cargas dinámicas se refieren a la capacidad cuando el actuador está en movimiento.

Velocidad sin carga

Las consideraciones de velocidad variarán según la función del actuador y, por lo tanto, deben considerarse en relación con sus requisitos. Las cargas ponderadas más altas serán naturalmente más lentas. Sin embargo, una buena manera de comparar las métricas de rendimiento de velocidad es observar la velocidad del actuador cuando no lleva ninguna carga, siempre que tenga la capacidad de transportar los tipos de objetos relevantes para su función requerida.

Durabilidad

La durabilidad es en gran medida una consecuencia del tipo de actuador y el diseño. Los actuadores de servicio pesado serán naturalmente más duraderos, como los actuadores hidráulicos, por lo que naturalmente funcionarán mejor para los usos industriales. Se consideran todas las demás cosas, el actuador debe tener un buen diseño con componentes que no se usan fácilmente y tienen un tamaño bien. Si se le presenta recientemente actuadores e ingeniería mecánica, tenga en cuenta que evaluar esta métrica viene con experiencia. Sin embargo, hay centros que realizan pruebas de pull-pull y evalúan la calidad y la seguridad, lo que puede ser útil al adquirir un actuador.

Eficiencia energética

La eficiencia energética es importante por una multitud de razones, sobre todo por la sostenibilidad y las consideraciones ambientales y también los costos. Como regla general, menos energía requerida para que un actuador realice su función es un buen indicador de rendimiento.

Los tipos de actuadores y las funciones con las que se relacionan son amplias. Se deduce, es poco probable que sea un manual de plano o instrucciones universales cuando se trata de conectar actuadores.

Sin embargo, un actuador común, los actuadores lineales eléctricos, son relativamente simples de conectarse y pueden ser útiles en funciones domésticas variadas. Aquí hay un resumen de conectar uno a un dispositivo o un mecanismo de control como un interruptor de balancín.

Conectarse a un dispositivo

Algunos actuadores lineales eléctricos tienen cuatro pines que están fácilmente conectados a su dispositivo. En este caso, el proceso es tan fácil como conectar el actuador y alejarse.

Si su actuador no viene con los cuatro pines incluidos, puede comprar un conector de cuatro pines, disponible en longitudes de seis pies y dos pies.

Conecte el conector al actuador encontrando los cables, que con suerte están expuestos. Debe girar los cables al conector antes de conectarlo. Use cinta eléctrica para cubrir cualquier cables expuestos. Si no puede encontrar los cables o no hay suficiente, puede cortar el caucho para obtener mejor para conectarse al conector.

Los actuadores pueden tener cables de diferentes colores al conector. Si el actuador tiene cables rojos y negros y el conector tiene marrón y azul, por ejemplo, conectan rojo a marrón y negro a azul. Si tiene una combinación de color azul rojo, conecte el rojo al marrón y el azul a la azul. Si los cables del actuador son rojos y amarillos, conecte el alambre rojo a marrón y amarillo a azul.

Conectarse a un interruptor de balancín

Los interruptores de balancín son la forma más fácil de controlar un actuador eléctrico lineal a través de un interruptor de balancín momentáneo, aquellos que se mueven cuando se presiona el botón, o un interruptor no doméstico, que se puede cambiar entre un "movimiento", "retraimiento" de movimiento de movimiento " , o "Off."

Para conectar un interruptor de balancín, necesitará una batería de 12VDC o un adaptador de alimentación de 110VAC/220VAC a 12VDC además de su interruptor y actuador.

Conecte la potencia negativa al tercer terminal del interruptor de balancín y use el segundo cable para conectar los terminales 3 y 4. La potencia positiva de la fuente de alimentación se conecta al terminal 6 del interruptor, mientras que el segundo cable conecta el terminal 6 al terminal 1. Los cables de los terminales 2 y 5 al actuador, que ahora deberían darle un controlador de trabajo.

Este es un ejemplo simple pero común de conectar un actuador lineal eléctrico que tiene diversos usos.

Una vez que conecte su actuador al dispositivo o controlador, debe montarlo, listo para su uso. Hay dos métodos para esto: doble pivote y montaje estacionario, como se mencionó anteriormente.

Montaje de pivote dual

Arreglar un actuador en una plataforma que le permite pivotar implica el uso de un pasador de montaje o horario fijo a cada soporte en cada extremo del actuador. Un pasador cruzado se desliza a través del soporte y el actuador para conectar los dos, los llamamos soportes de montaje. El actuador puede girar alrededor de cada pin, lo que significa que el actuador puede cambiar junto con el objeto que se está moviendo, lo que permite un poco más de función dinámica. Se observa una aplicación muy común de este tipo de método de montaje en las puertas que les permite atravesar y cerrar.

Montaje estacionario

El montaje estacionario implica fijar el actuador a un soporte de montaje del eje y permite que el actuador cree movimientos de empuje o tira desde una posición establecida. Así es como se monta un botón, por ejemplo.

En ambos métodos de montaje, también es importante asegurarse de que el aparato de montaje pueda manejar la carga del actuador, ya que la carga indebida podría dañar el actuador o hacer que se desvíe del kiltro.

También es importante considerar el entorno en el que está operando su actuador y cualquier propensión al polvo o al agua. Al igual que cualquier dispositivo mecánico, su actuador, soporte y componentes auxiliares requieren mantenimiento. Si cuida a su actuador y se toma el tiempo para comprender su capacidad y mecanismos, podría servirle durante mucho tiempo.