Tema: clasificación de los sistemas mecátronicosPablo Hernández Hernández

Sistemas de actuadores para sistemas mecátronicos

sistemas de actuadores: son los elementos de los sistemas de control que transforman la salida de un microprocesador o un sistema de control en una acción de control para una maquina o un dispositivo.

1.1 Sistemas neumáticos e hidráulicos

con frecuencia las señales neumáticas son utilizadas para controlar elementos de actuación final, incluso cuando el sistema de actuación es eléctrico. Esto se debe a que las señales pueden accionar válvulas de grandes dimensiones y otros dispositivos de control que requieren de mucha potencia para mover cargas de peso considerable.

Desventaja: compresibilidad del aire

Las señales hidráulicas son para dispositivos de control de mucho mas potencia que los neumáticos

Desventaja: mas costosos, riesgos asociados con fugas de aceite.

1.1.1 Fuentes de energía

En el sistema hidráulico la presurización del aire se logra mediante una bomba accionada por un motor eléctrico. La bomba envía aceite al sistema desde un pozo colector a través de una válvula de retención y un acumulador.

Válvula de alivio: libera presión para mantener un nivel de seguridad.

Válvula de retención: evita que el aceite regrese a la bomba y el acumulador.

Acumulador: mantiene el aceite bajo presión.

Forma común de presurizar aceite

Forma común de presurizar aceite

1. Si la presión del aceite aumenta, la cámara se contrae, aumenta el volumen que puede ocupar el aceite y disminuye la presión.

2. Si disminuye la presión del aceite, la cámara se expande, disminuye el volumen que ocupa el aceite y de esta manera aumenta su presión.

En una fuente de energía neumática se acciona un compresor de aire con un motor eléctrico.

1. El aire que entra al compresor se filtra y pasa por un silenciador

2. La válvula de alivio regula para mantener un nivel de seguridad

3. Es necesario un sistema de enfriamiento ya que el compresor aumenta la temperatura del aire

4. Se utiliza un filtro para evitar la contaminación del aire

5. Se utiliza un separador de agua

1.2 válvulas de control de dirección

En los sistemas neumáticos e hidráulicos se utilizan válvulas de control de dirección para controlar el sentido de flujo de un fluido que pasa por un sistema.

Su función no es modificar el gasto

Estas válvulas se utilizan en el diseño de sistemas de control de secuencia y se activan para cambiar la dirección de flujo de un fluido

Válvula de carrete Válvula de vástago

1.2.1 simbología de válvulas

1.3 válvulas de control de presión

Válvulas para regulación de presión: sirve para controlar la presión de operación en un circuito y mantenerla en un valor constante

Válvulas limitadoras de presión: se usan para mantener la presión en un valor inferior al de seguridad (se abre y desfoga a la atmosfera o lo devuelve el fluido al pozo recolector si la presión es mayor que un valor de seguridad).

Válvulas de secuencia de presión: se usan para detectar la presión de una línea externa y producir una señal cuando se alcanza un valor ya determinado.

1.4 cilindros

Estos cilindros ya sean hidráulicos o neumáticos son ejemplos de actuadores lineales.

La configuración es la misma tanto para la versión hidráulica como la neumática.

La diferencia radica en el tamaño debido a las mayores presiones que se utilizan en las versiones hidráulicas

Consiste en un tubo cilíndrico por el que se desplaza un pistón/embolo.

1.5 válvulas para el control de procesos

Las válvulas para el control de procesos permiten controlar el gasto de un fluido. Uno de los elementos básicos de estas válvulas es un actuador que desplaza un tapón en la tubería por donde circula el fluido modificando así la sección transversal de dicha tubería.

1.6 actuadores giratorios

Un cilindro lineal provisto de las conexiones necesarias se usa para producir movimientos rotatorios con ángulos de menos de 360º

Actuador semi-giratorio, en este se utiliza un álabe, la diferencia de presión entre ambos puertos hace girar el alabe y el vástago, lo cual es una medida de la diferencia de presiones.

Para giros de mas de 360º se emplea un motor neumático; una modalidad de este es el motor de alabes. Un rotor excéntrico tiene ranuras que fuerzan el desplazamiento hacia afuera de los alabes, empujando las paredes del cilindro a causa de la rotación.

2 sistemas mecánicos

Mecanismos que son dispositivos que pueden convertir movimientos.

1. Barras articuladas

2. Levas

3. Engranes

4. Cremalleras

5. Cadenas

6. Correas de transmisión

Si bien la electrónica hoy día se utiliza de forma generalizada para desempeñar diversas funciones que antes se realizaban con mecanismos, estos todavía son útiles para llevar acabo funciones como las siguientes:

1. Amplificación de fuerzas: la que se obtiene mediante palancas

2. Cambio de velocidad: mediante engranes

3. Transferencia de rotación de un eje a otro: una banda sincrónica

4. Determinados tipos de movimiento: los que se obtienen mediante un mecanismo de retorno rápido

2.1 cadenas cinemáticas

Al conjunto de piezas de eslabonamiento y de articulaciones se les conoce como cadena cinemática. Para que una cadena cinemática transmita movimiento, una articulación debe estar fija.

Al variar la articulación que se mantiene fija es posible obtener diversos mecanismos a partir de una misma cadena cinemática.

2.1.1 cadena de cuatro barras

2.1.2 mecanismo corredera- eje de levas

2.1.2.1 Este mecanismo consta de un eje de levas, una biela y una corredera como el que se presenta a continuación

2.1.2.2 Otra modalidad de este mecanismo, un mecanismo de retorno o retroceso rápido. Este consta de un eje de levas giratorio en el acoplamiento AB, el cual gira alrededor de un centro fijo; una palanca oscilante CD, que gira en C por efecto del desplazamiento del bloque en B en el tramo CD, conforme AB gira y un acoplamiento DE por cuyo efecto E se desplaza hacia atrás y hacia adelante.

2.2 levas

Es un cuerpo que gira u oscila y, al hacerlo, transmite movimiento alterno u oscilatorio a un segundo cuerpo conocido como seguidor.

2.3 trenes de engranes

Son mecanismo utilizados para transferir y transformar el movimiento rotacional. Se emplean cuando es necesario obtener un cambio en la velocidad, o el par de rotación de un dispositivo que esta girando

2.4 rueda dentada y trinquete

Las ruedas dentadas de utilizan para trabar un mecanismo cuando sostiene una carga.

2.5 transmisión por correa y cadena

Las transmisiones por correa son en esencia un par de cilindros giratorios similares a los que se muestra en la figura 6.13 donde el movimiento de uno de los cilindros se transfiere al otro mediante una correa.

3 sistemas eléctricos

Al estudiar los sistemas eléctricos que se emplean como actuadores de control deberán tenerse en cuanta los siguientes dispositivos y sistemas:

a) Dispositivos de conmutación: como son los interruptores mecánicos (relevadores) y los interruptores de estado solido (diodos, tiristores y transistores), en los que la señal de control enciende o apaga un dispositivo eléctrico.

b) Dispositivos tipo solenoide: en los cuales una corriente que pasa por un solenoide acciona un núcleo de hierro dulce, por ejemplo una válvula hidráulica/neumática operada por solenoide, donde la corriente de control pasa por el solenoide que se utiliza para regular el flujo hidráulico/neumático.

c) Sistemas motrices: motores de CD y de CA, en los cuales la corriente que pasa por el motor produce una rotación.

3.1interruptores mecánicos

Son elementos que con frecuencia se usan para producir y enviar entradas a diversos sistemas, por ejemplo, un teclado.

3.1.1 relevadores Un relevador eléctrico responde a las señales de

control mediante una sencilla acción de conmutación de encendido/apagado. Al circular una corriente por el embobinado de alambre se produce un campo magnético y atrae un brazo movible, que es la armadura, la cual produce la apertura o cierre de los contactos

3.2 interruptores de estado solido

Para realizar la conmutación electrónica de los circuitos se utilizan diversos dispositivos de estado solido. Entre estos figuran los siguientes:

1. Diodos

2. Tiristores y triacs

3. Transistores

4. MOSFETs de potencia

3.2.1 diodos

Permite el paso de una significativa cantidad de corriente solo en una dirección. De ahí que, el diodo se considera como un elemento direccional que permite el paso de corriente solo cuando su polarización es directa, es decir, si el ánodo es positivo respecto del cátodo. Si el diodo tiene una polarización inversa suficiente, es decir, un voltaje muy alto, causa una ruptura.

3.2.2 tiristores o triacs

Es un diodo con una compuerta que controla las condiciones en las que se activa.

Si la corriente en la compuerta es cero y la polarización del tiristor es inversa, por este pasa una corriente despreciable (a menos que su polarización inversa tenga un valor elevado, de cientos de volts, cuando se produce su ruptura). Si el tiristor tiene polarización directa, la corriente también es despreciable, hasta que se rebasa el voltaje de ruptura.

3.2.3 transistores bipolares

Existen dos tipos de transistores bipolares: el npn y el pnp.

En el transistor npn la corriente principal entra por el colector y sale por el emisor y en la base se aplica una señal de control

El transistor pnp la corriente principal entra por el emisor y sale por el colector y en la base se aplica una señal de control.

3.2.4 MOSFETs

Tipos:

1. Canal P

2. Canal N

La principal diferencia en el uso de un MOSFET para conmutación y un transistor bipolar para el mismo propósito es que no entra corriente a la compuerta para lograr dicho control. El voltaje de compuerta es la señal controladora. Por lo tanto, los circuitos de excitación se simplifica dado que no es necesario ocuparse de la magnitud de la corriente.

3.3 solenoides

Se pueden usar como actuadores operados eléctricamente. las válvulas de solenoide son un ejemplo de estos dispositivos y se utilizan para controlar el flujo de fluidos en sistemas hidráulicos o neumáticos. Cuando una corriente pasa por el devanado, un núcleo de hierro dulce es atraído hacia dicho devanado y, al hacerlo, abre o cierra puertos que controlan el flujo de un fluido

3.4 motores paso a paso

Es un dispositivo que produce una rotación en ángulos iguales, denominados pasos, por cada impulso digital que llega a su entrada.

3.4.1 motor paso a paso de reluctancia variable El rotor es de acero dulce, cilíndrico y tiene cuatro polos, es decir,

menos polos que el estator. Cuando a un par de devanados, opuestos, llega corriente se produce un campo magnético cuyas líneas de fuerza pasan de los polos del estator a través del grupo de polos mas cercano al rotor

3.4.2 motor paso a paso de imán permanente

El motor que se muestra tiene un estator con cuatro polos. Cada uno de ellos esta controlado a un devanado de campo y las bobinas en pares opuestos de polos están en serie. A través de interruptores una fuente de CD proporciona la corriente a los devanados. El rotor es un imán permanente, por lo que al conectar una corriente a uno de los pares de polos del estator, el rotor se desplaza hasta alinearse con el.

bibliografía

Mecatrónica, sistemas de control electrónico en ingeniería mecánica y eléctrica, 2ª edición, W. Bolton.

Introduction to MECHATRONICS and measurement Systems, David G. Alciatore Michael B. Histand.