Actuador lineal

Los actuadores hidráulicos o cilindros hidráulicos suelen constar de un cilindro hueco con un pistón insertado en su interior. La presión desequilibrada aplicada al pistón genera una fuerza capaz de mover un objeto externo. Dado que los líquidos son prácticamente incompresibles, un cilindro hidráulico permite un desplazamiento lineal controlado y preciso del pistón. Este desplazamiento se produce únicamente a lo largo del eje del pistón. Un ejemplo común de actuador hidráulico de accionamiento manual es un gato hidráulico para automóviles . 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, con la diferencia de que utilizan aire comprimido para generar fuerza en lugar de un líquido. Su funcionamiento es similar al de un pistón, donde el aire se bombea dentro de una cámara y se expulsa por el otro lado. Los actuadores neumáticos no se utilizan necesariamente en maquinaria pesada ni en aplicaciones con grandes pesos. Una de las razones por las que se prefieren los actuadores lineales neumáticos a otros tipos es que la fuente de energía es simplemente un compresor de aire. Gracias a que el aire es la fuente de entrada, los actuadores neumáticos pueden utilizarse en muchos ámbitos de actividad mecánica. La desventaja es que la mayoría de los compresores de aire son grandes, voluminosos y ruidosos. Además, son difíciles de transportar una vez instalados. Los actuadores lineales neumáticos son propensos a las fugas, lo que los hace menos eficientes que los actuadores lineales mecánicos.

Normalmente, un motor eléctrico se conecta mecánicamente para hacer girar un husillo . Este husillo tiene una rosca helicoidal continua mecanizada en su circunferencia a lo largo de toda su longitud (similar a la rosca de un perno ). Enroscada al husillo se encuentra una tuerca de rosca o una tuerca de bolas con roscas helicoidales correspondientes. La tuerca no puede girar con el husillo (generalmente se acopla a una parte fija del cuerpo del actuador). Al girar el husillo, la tuerca se desplaza a lo largo de la rosca. La dirección de movimiento de la tuerca depende de la dirección de rotación del husillo. Mediante la conexión de varillajes a la tuerca, el movimiento se puede convertir en un desplazamiento lineal útil. La mayoría de los actuadores actuales están diseñados para alta velocidad, alta fuerza o un equilibrio entre ambas. Al considerar un actuador para una aplicación específica, las especificaciones más importantes suelen ser el recorrido, la velocidad, la fuerza, la precisión y la vida útil. La mayoría de los actuadores se montan en amortiguadores o válvulas de mariposa.

Existen muchos tipos de motores que se pueden utilizar en un sistema de actuador lineal. Entre ellos se incluyen motores de CC con escobillas, motores de CC sin escobillas, motores paso a paso o, en algunos casos, 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 integrada que acciona un husillo puede utilizarse para operar una válvula grande en una refinería. En este caso, no se requiere precisión ni alta resolución de movimiento, pero sí alta fuerza y ​​velocidad. Para los actuadores lineales electromecánicos utilizados en instrumentación de laboratorio, robótica, equipos ópticos y láser, o mesas XY, una resolución fina en el rango de micras y una alta precisión pueden requerir el uso de un actuador lineal con motor paso a paso de potencia fraccionaria y un husillo de paso fino. Existen muchas variantes en el sistema de actuador lineal electromecánico. Es fundamental comprender los requisitos de diseño y las limitaciones de la aplicación para determinar cuál sería la mejor opción.

Un actuador lineal que utiliza motores estándar suele tener el motor como un cilindro independiente acoplado al lateral del actuador, ya sea en paralelo o perpendicular a este. El motor también puede estar fijado al extremo del actuador. El motor de accionamiento tiene una construcción típica con un eje de transmisión sólido que se acopla mediante engranajes a la tuerca o al tornillo de accionamiento del actuador.

Los actuadores lineales compactos utilizan motores especialmente diseñados que intentan integrar el motor y el actuador en la forma más pequeña posible.

• El diámetro interior del eje del motor puede aumentarse, de modo que el eje de transmisión pueda ser hueco. Por lo tanto, el tornillo y la tuerca de accionamiento pueden ubicarse en el centro del motor, sin necesidad de engranajes adicionales entre el motor y el tornillo.
• De forma similar, el motor puede fabricarse con un diámetro exterior muy pequeño, pero en su lugar, las caras de los polos se estiran longitudinalmente para que el motor pueda seguir teniendo un par motor muy alto a la vez que cabe en un espacio de diámetro reducido.

En la mayoría de los diseños de actuadores lineales, el principio básico de funcionamiento es el de un plano inclinado . Las roscas del husillo actúan como una rampa continua que permite aplicar una pequeña fuerza de rotación a lo largo de una gran distancia para mover una carga grande a lo largo de una distancia corta. La alimentación proviene de un motor de CC o CA. El motor típico es de 12 V CC, pero existen otros voltajes disponibles. Los actuadores cuentan con un interruptor para invertir la polaridad del motor, lo que modifica el movimiento del actuador.

La velocidad y la fuerza de un actuador dependen de su caja de engranajes. La magnitud de la fuerza depende de la velocidad del actuador. A velocidades más bajas se obtiene mayor fuerza, ya que la velocidad y la fuerza del motor son constantes.

Una de las diferencias básicas entre los actuadores es su carrera, que se define por la longitud del tornillo y el eje. La velocidad depende de los engranajes que conectan el motor con el tornillo.

El mecanismo para detener el recorrido de un actuador es un interruptor de límite o microinterruptor, como se puede apreciar en la imagen inferior. Los microinterruptores se ubican en la parte superior e inferior del eje y se activan con el movimiento ascendente y descendente del tornillo.

Se han creado numerosas variantes del diseño básico. La mayoría se centra en mejoras generales, como una mayor eficiencia mecánica, velocidad o capacidad de carga. Además, existe una importante tendencia en ingeniería hacia la miniaturización de los actuadores.

La mayoría de los diseños electromecánicos incorporan un husillo y una tuerca de avance. Algunos utilizan un husillo de bolas y una tuerca de bolas. En ambos casos, el husillo puede conectarse a un motor o a un mando de control manual, ya sea directamente o mediante una serie de engranajes. Los engranajes se utilizan normalmente para reducir la velocidad de un motor más pequeño (y menos potente) que gira a altas revoluciones por minuto, de modo que proporcione el par necesario para hacer girar el husillo bajo una carga mayor de la que el motor podría accionar directamente. En la práctica, esto sacrifica la velocidad del actuador en favor de un mayor empuje. En algunas aplicaciones, es común el uso de engranajes helicoidales, ya que permiten unas dimensiones internas más reducidas sin sacrificar la longitud de recorrido.

Un actuador lineal de tuerca móvil tiene un motor que permanece unido a un extremo del husillo (quizás indirectamente a través de una caja de engranajes), el motor hace girar el husillo y la tuerca móvil queda restringida para que no gire, de modo que se desplaza hacia arriba y hacia abajo a lo largo del husillo.

Un actuador lineal de husillo móvil tiene un husillo que atraviesa completamente el motor. En este tipo de actuador, el motor se desplaza verticalmente a lo largo de un husillo que no gira. Las únicas partes giratorias se encuentran dentro del motor y pueden no ser visibles desde el exterior.

Algunos husillos tienen múltiples roscas alternadas en el mismo eje. Para visualizarlo, podemos compararlo con las distintas franjas de colores de un bastón de caramelo. Esto permite un mayor ajuste entre el paso de rosca y la superficie de contacto entre la tuerca y el husillo, 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 se bloquea y puede soportar una carga que tira o empuja sobre él. Esta capacidad de carga estática aumenta la movilidad y la velocidad.

La fuerza de frenado del actuador varía según el paso angular de las roscas y el diseño específico de las mismas. Las roscas Acme tienen una capacidad de carga estática muy alta, mientras que los husillos de bolas tienen una capacidad de carga extremadamente baja y pueden tener un movimiento casi libre.

Por lo general, no es posible variar la capacidad de carga estática de los actuadores de tornillo sin tecnología adicional. El paso de rosca 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 añadir grasa de alta viscosidad a los actuadores de tornillo lineal para aumentar la carga estática. Algunos fabricantes utilizan este método para modificar la carga según necesidades específicas.

Se puede aumentar la capacidad de carga estática de un actuador de tornillo lineal mediante un sistema de freno electromagnético , que aplica fricción a la tuerca de accionamiento giratoria. Por ejemplo, se puede usar un resorte para aplicar pastillas de freno a la tuerca de accionamiento, manteniéndola en posición cuando se interrumpe la alimentación. Cuando se necesita mover el actuador, un electroimán contrarresta la fuerza del resorte y libera la fuerza de frenado sobre la tuerca de accionamiento.

De forma similar, se puede utilizar un mecanismo de trinquete electromagnético con un actuador de tornillo lineal para que el sistema de accionamiento que levanta una carga se bloquee en posición cuando se interrumpa la alimentación del actuador. Para bajar el actuador, se utiliza un electroimán que contrarresta la fuerza del resorte y desbloquea el trinquete.

La capacidad de carga dinámica se refiere generalmente a la fuerza que un actuador lineal puede proporcionar durante su funcionamiento. Esta fuerza varía según el tipo de tornillo (cantidad de fricción que limita el movimiento) y el motor que lo acciona. La carga dinámica es el parámetro que se utiliza para clasificar la mayoría de los actuadores y es un buen indicador de las aplicaciones más adecuadas.

En la mayoría de los casos, al usar un actuador electromecánico, se prefiere contar con algún tipo de control de velocidad. Estos controladores varían el voltaje suministrado al motor, lo que a su vez modifica la velocidad de giro del husillo. Ajustar la relación de transmisión es otra forma de regular la velocidad. Algunos actuadores están disponibles con diversas opciones de engranajes.

El ciclo de trabajo de un motor se refiere al tiempo que el actuador puede funcionar antes de necesitar enfriarse. Respetar este límite al operar un actuador es fundamental para su durabilidad y rendimiento. Si se excede el ciclo de trabajo, existe el riesgo de sobrecalentamiento, pérdida de potencia y, eventualmente, la quema del motor.