actuadores mecatrónica

Introducción a la Mecatrónica ______________________________________________________________________

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3 Actuadores Actuadores: Los actuadores son los elementos del sistema de control que transforman la salida del proceso en una acción de control para una maquina o dispositivo. Por ejemplo, transforman una salida eléctrica del control en un movimiento lineal que realiza el desplazamiento de una carga. Clasificación de actuadores: Los actuadores son los elementos encargados de realizar las acciones de control en un proceso. Para esto el actuador realiza un cambio de energía, por ejemplo un actuador hidráulico se encarga de convertir la energía de un fluido en energía mecánica. Un motor eléctrico convierte energía electromagnética en energía mecánica rotatoria, etc. Los actuadores pueden ser clasificados por su principio de conversión de energía, algunos ejemplos son:

• Principio electromagnético. o Motores eléctricos. o Relevadores.

• Hidráulicos. o Válvulas hidráulicas. o Cilindros hidráulicos.

• Neumáticos. o Válvulas neumáticas. o Cilindros neumáticos.

3.1 Principio electromagnético Motores eléctricos Los motores eléctricos con frecuencia se emplean como elemento de control final en los procesos de control de posición o velocidad. Los motores se clasifican principalmente en dos categorías: Motores de CD (corriente directa) y motores de CA (corriente alterna). La mayoría de los motores que se emplean en los sistemas de control modernos son motores de CD. Motores de corriente continua CD: Los principios básicos del funcionamiento de un motor esta dado por la fuerza de Lorentz:

Fuerza de Lorentz: Dado un campo magnético B y una partícula de carga q que se desplaza por el interior de dicho campo con una velocidad ν, Lorentz descubrió que esta partícula sufre una fuerza magnética igual a:

BqvF ×=

La unidad de campo magnético en el Sistema Internacional es el Tesla mCNsT =

(Newton segundo entre metro Culombio). Además .10/11 42 gaussmweberT == Elementos a destacar de esta fórmula es que la fuerza magnética se deja notar sólo sobre partículas cargadas, para partículas neutras (q=0) se tendrá que F=0. Un hecho aún más reseñable es que sólo actúa sobre partículas en movimiento. Si una partícula está en reposo respecto a nuestro sistema de referencia la fuerza magnética ejercida sobre ella


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es nula. Para caracterizar el sentido del campo se puede emplear la denominada regla de la mano izquierda, como se muestra en la Figura 3.1.

Figura 3.1 Sentido de la fuerza de Lorentz.

Fuerza magnética sobre una corriente: Una corriente es un conjunto de cargas en movimiento. Debido a que un campo magnético ejerce fuerzas lateral sobre una carga en movimiento, esperemos que también ejerza una fuerza sobre un alambre que lleva corriente. La figura siguiente muestra un tramo de alambre de longitud L que lleva una corriente i y que esta colocado en un campo magnético B.

La fuerza ejercida sobre el alambre esta determinada por:

BiLF ×= En un motor CD una espiral de alambre que gira de manera libre en medio del campo de un imán permanente, cuando por el devanado pasa una corriente, las fuerzas resultantes ejercidas en sus lados y en ángulo recto al campo provocan fuerzas que actúan a cada lado produciendo una rotación.

L

b


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Motor de CD de imán permanente: Considere el caso de un motor de CD con un imán permanente, que tienen una densidad de flujo de valor constante. Para un conductor de armadura de longitud L y una corriente i, la fuerza producida por una densidad de flujo magnético B perpendicular al conductor es iLB. Si hay N conductores, la fuerza producida es NBiL. Las fuerzas dan por resultado un par de rotación T en el eje del devanado con un valor de Fb, siendo b el ancho de la espira. Por lo tanto:

par de rotación T = NbiLB = kt i

Donde kt es la constante del par de rotación. Dado que la espira de una armadura gira en un campo magnético, se produce una inducción electromagnética y se induce una fuerza contraelectromotriz Vb, que es proporcional a la velocidad de cambio del flujo vinculado a la espira y, por lo tanto, en un campo magnético constante, que es proporcional a la velocidad angular de la rotación, w. Por lo tanto:

fuerza contra electromotriz νb = kv w

Donde kv es la constante de fuerza electromotriz. Podemos considerar que el circuito equivalente de un motor de CD es como se ilustra en la Figura 3.2. Donde la espira de la armadura esta representada por una resistencia R en serie con una inductancia L y que a su vez están enserie con una fuerza contra electromotriz Vb. Si despreciamos el voltaje de la inductancia L, tenemos:

RwkV

RVV

i vd −=

−=

El par rotacional T entonces, es:

( )wkVRk

ikT vt

t −==

Figura 3.2 Circuito equivalente de motor de CD.

Motor de CD con devanado de campo: Los motores de CD con devanados de campo se dividen en: Motores en serie, Motor en derivación (en paralelo), Motor de excitación compuesta y de excitación independiente, dependiendo de la manera como se encuentran conectados los devanados de campo y los devanados de la armadura (Figura 3.3). 1.- Motor en serie: En el motor en serie, los devanados de la armadura y de los campos están en serie. Este motor produce el par de rotación de arranque de mayor intensidad y alcanza la mayor velocidad sin carga. Con cargas ligeras existe el riesgo de que el motor alcance velocidades muy altas. La inversión de la polaridad de la alimentación eléctrica de los devanados no tiene efecto en la dirección de rotación del motor; éste sigue


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girando en la misma dirección dado que tanto las corrientes de campo como de armadura quedaron invertidas (Figura 3.3a). 2.- Motor en derivación (en paralelo): En éste, los devanados de armadura y de campo están en paralelo; genera un par de rotación de menor intensidad, en el arranque tiene una velocidad sin carga mucho menor y permite una buena regulación de la velocidad. Debido a esta velocidad casi constante, independiente de la carga, estos motores se utilizan mucho. Para invertir la dirección de giro, hay que invertir la armadura o el campo. Por ello en este caso es preferible utilizar los devanados de excitación independiente (Figura 3.3b). 3.- Motor de excitación compuesta: Este motor tiene dos devanados de campo, uno en serie con la armadura y otro en paralelo. En estos motores se intenta conjuntar lo mejor del motor en serie y del motor en paralelo, es decir, un gran par inicial y una buena regulación de la velocidad (Figura 3.3c). 4.- Motor de excitación independiente: En este motor el control de las corrientes de armadura y de campo son independientes y se le puede considerar como un caso especial del motor en paralelo (Figura 3.3d).

Figura 3.3 Configuraciones de conexión de los motores de CD.

Control de motores de CD El método más frecuentemente usado para controlar la velocidad de un motor de imán permanente es el control del voltaje que se aplica a la armadura. Sin embargo, dado que el empleo de fuentes de voltaje de valor fijo es frecuente, el voltaje variable se logra mediante un circuito electrónico. La técnica se llama modulación por ancho de pulso (PWM, por sus siglas en inglés), la cual utiliza una fuente de voltaje de CD constante y secciona su voltaje para que varíe su valor promedio como se muestra en la Figura 3.4, donde Vcc es el voltaje aplicado al motor, las líneas punteadas representan el voltaje promedio aplicado al motor Vpromedio y t es el tiempo. El voltaje promedio aplicado a la armadura del motor está dado por la expresión siguiente:

ccalto

promedio VT

TV =

Donde, Talto es el tiempo en alto de la señal PWM y T es el periodo de la señal PWM.


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Figura 3.4 Modulación de Ancho de Pulso (PWM).

La Figura 3.5 muestra cómo obtener el PWM utilizando un circuito de transistor básico. El transistor se activa y desactiva mediante una señal que se aplica a su base. El diodo tiene por objeto servir de trayectoria a la corriente que surge cuando el transistor se desconecta, debido a que el motor se comporta como generador. Este circuito sólo se usa para operar el motor en una dirección. Para utilizar el motor en dirección directa e inversa se utiliza un circuito con cuatro transistores, conocido como puente H.

Figura 3.5 Circuito para PWM.

El puente H, recibe este nombre debido a que su configuración eléctrica tiene similitud con la letra H (ver Figura 3.6). La ventaja principal de esta configuración es que nos permite cambiar el sentido de giro del motor modificando la polaridad del voltaje V0 aplicado al motor. Para esto, se manipulan los interruptores S1, S1’ y S2, S2’. Cuando se activaran los interruptores S1y S1’, provocan que la corriente fluya de izquierda a derecha. En cambio, cuando se activan los interruptores S2 y S2’, y la corriente fluirá de derecha a izquierda. Cambiando de esta manera el sentido de giro del motor.

Figura 3.6 Puente H.


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Motores de corriente Continua CD sin escobillas (Brushless): El problema principal de los motores de CD es que requieren un colector y escobillas para invertir en forma periódica la corriente que pasa por cada uno de los devanados de la armadura. Las escobillas sufren desgaste, y deben ser reemplazadas de manera periódica. Para evitar estos problemas se diseñaron los motores sin escobillas. En esencia, estos motores constan de una secuencia de devanados de estator y un rotor de imán permanente. En el motor de CD convencional, el imán está fijo y los conductores por los que pasa la corriente presentan movimiento. En el motor de CD de imán permanente y sin escobillas sucede lo contrario: los conductores por los que pasa corriente están fijos y es el imán el que se mueve. El rotor es un imán permanente de ferrita o cerámica; la figura 3.7 muestra la configuración básica de este tipo de motor. La corriente que llega a los devanados del estator se conmuta en forma electrónica mediante transistores en secuencia alrededor de los devanados; la conmutación se controla con la posición del rotor, de manera que siempre haya fuerzas actuando en el imán y provoquen su rotación en la misma dirección. Las conmutaciones son controladas con sensores de efecto Hall que detectan la posición del rotor.

Figura 3.7 Motor de CD de imán permanente sin escobillas.

Los motores de CD sin escobillas se utilizan cuando se necesita un alto rendimiento, gran confiabilidad y poco mantenimiento. Gracias a que no tienen escobillas, estos motores no producen ruido y permiten alcanzar altas velocidades. Motores Paso a Paso: El motor paso a paso es un dispositivo que produce una rotación en ángulos iguales, denominados pasos, por cada impulso digital que llega a su entrada. Existen algunas variantes de motores a pasos el más común es el motor paso a paso de reluctancia variable. La figura 3.8 muestra la forma básica del motor paso a paso de reluctancia variable. En este caso el rotor es cilíndrico y tiene cuatro polos (menos polos que en 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 más cercano al rotor. Dado que las líneas de fuerza se pueden considerar como un hilo elástico, siempre tratando de acortarse, el rotor se moverá hasta que sus polos y los del estator queden alineados. A lo anterior se le conoce como posición de reluctancia mínima. Este tipo de movimiento paso a paso en general produce avances en ángulos de 7.5° grados o de 15° grados.


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Figura 3.8 Motor paso a paso.

Motores bifásicos: Los motores bifásicos se denominan unipolares cuando tienen seis cables de conexión para generar la secuencia de conmutación (figura 3.9). Cada una de las bobinas tiene una toma o derivación central. Cuando las derivaciones centrales de las bobinas de fase están conectadas entre sí, es posible conmutar un motor paso a paso con sólo cuatro transistores. La tabla 3.1 muestra la secuencia de conmutación de los transistores a fin de producir pasos en el sentido de las manecillas del reloj; para los siguientes pasos basta repetir la secuencia. Para un giro en sentido contrario a las manecillas del reloj la secuencia se invierte.

Figura 3.9 Motor a pasos bifásico.

Tabla 3.1 Secuencia de conmutación de un motor paso a paso unipolar.

Paso Transistores 1 2 3 4 1 Encendido Apagado Encendido Apagado 2 Encendido Apagado Apagado Encendido 3 Apagado Encendido Apagado Encendido 4 Apagado Encendido Encendido Apagado


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Existen circuitos integrados provistos de todos los elementos electrónicos para lograr la excitación de las bobinas. La Figura 3.10 muestra las conexiones del circuito integrado SAA 1027 para un motor paso a paso de cuatro fases. Las tres entradas se controlan aplicándoles señales altas o bajas. Cuando la terminal para definir la configuración se mantiene a un valor alto, la salida del circuito integrado cambia su estado cada vez que la terminal de disparo pasa de un valor bajo a uno alto. La secuencia se repite a intervalos de cuatro pasos, aunque en cualquier momento es posible restablecer la condición a cero aplicando una señal baja a la terminal de disparo. Cuando la entrada de rotación se mantiene en un valor bajo se produce una rotación en el sentido de las manecillas del reloj; cuando se mantiene a un valor alto, la rotación se da en sentido inverso.

Figura 3.10 Circuito integrado SAA 1027 para control de un motor a pasos.

Servomotores: Los servos son un tipo especial de motor que se caracterizan por su capacidad para posicionarse de forma inmediata en cualquier posición dentro de su rango de operación. Para ello, el servo espera un tren de pulsos que se corresponden con el movimiento a realizar. Los servomotores están formados por un amplificador, un motor, un reductor de engranaje y un sensor de realimentación. La gama de servomotores es amplia y no se cubrirá en este reporte, enseguida hablaremos de un servomotor en particular el cual es mostrado en la figura 3.11:

Figura 3.11 Servomotor Hitec HS-300.


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Disponen de tres conexiones eléctricas: Vcc (roja), GND (negra) y entrada de control (amarilla). Estos colores de identificación y el orden de las conexiones dependen del fabricante del servo. Es importante identificar las conexiones ya que un voltaje de polaridad contraria podría dañar el servo. Funcionamiento del servo: El control del servo se limita a indicar en que posición se debe situar. Estas "ordenes" consisten en una serie de pulsos. La duración del pulso indica el ángulo de giro del motor. Cada servo tiene sus márgenes de operación, que se corresponden con el ancho del pulso máximo y mínimo que el servo entiende. Los valores más generales corresponden con valores entre 1 ms y 2 ms, que dejarían al motor en ambos extremos. El valor 1,5 ms indicaría la posición central, mientras que otros valores del pulso lo dejan en posiciones intermedias. Si se sobrepasan los límites de movimiento del servo, éste comenzará a emitir un zumbido, indicando que se debe cambiar la longitud del pulso. La figura 3.12 muestra la magnitud de los pulsos de control. Es importante destacar que para que un servo se mantenga en la misma posición durante un cierto tiempo, es necesario enviarle continuamente el pulso correspondiente. De este modo, si existe alguna fuerza que le obligue a abandonar esta posición, intentará resistirse. Si se deja de enviar pulsos (o el intervalo entre pulsos es mayor del máximo) entonces el servo perderá fuerza y dejará de intentar mantener su posición, de modo que cualquier fuerza externa podría desplazarlo.

Figura 3.12 Pulsos de control del servomotor.

Motores de Corriente Alterna CA: Existe una gran variedad de motores de CA, en este reporte solamente se discutirán dos tipos básicos: el motor jaula de ardilla y el motor síncrono. Motores de jaula de ardilla: Constan de un rotor tipo jaula de ardilla, es decir barras de cobre o aluminio insertas en las ranuras de los aros de las extremidades para formar circuitos eléctricos completos (Figura 3.13a). El rotor no tiene conexiones eléctricas externas. El motor consta además de un estator con varios devanados (Figura 3.13b). Al pasar una corriente alterna por los devanados del estator se produce un campo magnético alterno. Como resultado de la inducción electromagnética, se induce f.e.m. en los conductores del rotor y por éste fluyen corrientes. Al inicio, cuando el rotor está en reposo, las fuerzas sobre los conductores del rotor por los que pasa la corriente dentro del campo magnético del estator son tales que el par de rotación neto es nulo. El motor no tiene arranque automático. Se utilizan diversos


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métodos para hacer al motor de arranque automático y darle el ímpetu necesario para el arranque; uno de ellos es usar un devanado de arranque auxiliar, mediante el cual se da el empuje inicial al rotor. El rotor gira a una velocidad determinada por la frecuencia de la corriente alterna que se aplica al estator.

(a) (b)

Figura 3.13 Motor Jaula de ardilla. a) Rotor jaula de ardilla. b) vista frontal del motor jaula de ardilla. Motores síncronos: Los motores síncronos tienen estatores similares a los descritos en los motores de inducción, pero el rotor es un imán permanente (Figura 3.14). El campo magnético que produce el estator gira y el imán gira con él. Al tener un par de polos por fase de la alimentación eléctrica, el campo magnético gira 3600 rpm durante un ciclo de la alimentación, de manera que la frecuencia de rotación, en este caso, es igual a la frecuencia de la alimentación. No son de arranque automático y requieren de algún sistema de arranque.

Figura 3.14 Motor síncrono.

Control de los motores de CA Los motores de CA tienen la gran ventaja respecto de los motores de CD de ser más baratos, robustos, confiables y no necesitar mantenimiento. Sin embargo, el control de la velocidad es más complejo que en los motores de CD, y en consecuencia, un motor de CD con control de velocidad en general es más barato que uno de CA con control de velocidad. El control de la velocidad de los motores de CA se basa en el empleo de una fuente de frecuencia variable, dado que la velocidad de estos motores está definida por la frecuencia de la alimentación.


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3.2 Actuadores neumáticos Introducción: Fluido: 1. Elemento en estado líquido o gaseoso. 2. Se dice de los cuerpos (gases y líquidos) que se adaptan con facilidad a los recipientes que los contienen. Leyes físicas relativas a los fluidos. Existe una gran variedad de leyes físicas relativas al comportamiento de los fluidos, muchas de ellas son utilizadas con propósitos científicos o de experimentación. En este texto nos limitaremos a estudiar aquellas que tienen aplicación práctica en la ingeniería de la automatización. Ley de Pascal: La ley más elemental de la física referida a la hidráulica y neumática fue descubierta y formulada por Blas Pascal en 1653 y denominada Ley de Pascal, que dice: "La presión existente en un líquido confinado actúa igualmente en todas direcciones, y lo hace formando ángulos rectos con la superficie del recipiente". La figura 3.15 ilustra la Ley de Pascal. El fluido confinado en una tubería ejerce igual fuerza en todas direcciones, y perpendicularmente a las paredes. En dicha figura se muestra la sección transversal de un recipiente de forma irregular, que tiene paredes rígidas. El fluido confinado en el, ejerce la misma presión en todas las direcciones, tal como lo indican los vectores de fuerza. La Ley de Pascal hace que una manguera contra incendios asuma forma cilíndrica cuando es conectada al suministro.

Figura 3.15 Ley de Pascal.

Ley Boyle: La relación básica entre la presión de un gas y su volumen esta expresada en la Ley de Boyle que establece: "La presión absoluta de un gas confinado en un recipiente varia en forma inversa a su volumen, cuando la temperatura permanece constante." En estas formulas, P1 y V1 son la presión y volumen inicial de un gas, y P2 y V2 la presión y volumen después de que el gas haya sido comprimido o expandido.


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Importante: Para aplicar esta fórmula es necesario emplear valores de presión "absoluta" y no manométrica. La presión absoluta es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero absoluto. Las tres figuras ejemplifican la ley de Boyle. En la Figura 3.16a, 40 cm³ de gas están contenidas en un recipiente cerrado a una presión P. En la Figura 3.16b el pistón se ha movido reduciendo el volumen a 20 cm³, provocando un incremento de la presión 2P. En la figura 3.16c el pistón a comprimido el gas a 10 cm³, provocando un incremento de cuatro veces la presión original 4P. Existe entonces una relación inversamente proporcional entre el volumen y la presión de un gas siempre que la temperatura se mantenga constante, y que las lecturas de presión sean "absolutas" es decir referidas al vacío perfecto.

Figura 3.16 Ley de Boyle.

Ley de Charles: Esta ley define la relación existente entre la temperatura de un gas y su volumen o presión o ambas. Esta ley muy importante es utilizada principalmente por matemáticos y científicos, y su campo de aplicación es reducido en la práctica diaria. La ley establece que : "Si la temperatura de un gas se incrementa su volumen se incrementa en la misma proporción, permaneciendo su presión constante. Para la solución de problemas deben emplearse valores de presión y temperatura "absolutos".

2

2

1

1

TV

TV

=

Compresibilidad de los Fluidos: Todos los materiales en estado gaseoso, líquido o sólido son compresibles en mayor o menor grado. Para las aplicaciones hidráulicas usuales el aceite hidráulico es considerado incompresible, si bien cuando una fuerza es aplicada la reducción de volumen será de 0.5 % por cada 70 Kg/cm² de presión interna en el seno del fluido.


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Transmisión de Potencia: La Figura 3.17 muestra el principio en el cual esta basada la transmisión de potencia en los sistemas neumáticos e hidráulicos. Una fuerza mecánica, trabajo o potencia es aplicada en el pistón A. La presión interna desarrollada en el fluido ejerciendo una fuerza de empuje en el pistón B. Según la ley de Pascal la presión desarrollada en el fluido es igual en todos los puntos por la que la fuerza desarrollada en el pistón B es igual a la fuerza ejercida en el fluido por el pistón A, asumiendo que los diámetros de A y B son iguales.

La Figura 3.17 Transmisión de potencia.

La figura 3.18 ilustra la versatilidad de los sistemas hidráulicos y/o neumáticos al poder transmitir las fuerzas en forma inmediata a través de distancias considerables con escasas pérdidas. Las transmisiones pueden llevarse a cualquier posición.

Figura 3.18 Versatilidad de los sistemas hidráulicos para transmitir potencia.

La distancia L que separa la generación, pistón A, del punto de utilización pistón B, es usualmente de 1,5 a 6 metros en los sistemas hidráulicos, y de 30 a 60 metros en aire comprimido. Presión Hidráulica: La presión ejercida por un fluido es medida en unidades de presión. Las unidades comúnmente utilizadas son: La libra por pulgada cuadrada = PSI El Kilogramo por centímetro cuadrado = Kg/cm² El Kilogramo fuerza por centímetro cuadrado = Kp/cm² El bar = bar Actuadores neumáticos Las señales neumáticas son utilizadas para controlar elementos de actuación final, incluso cuando el sistema de control es eléctrico. Esto se debe a que con dichas señales es posible accionar válvulas y otros dispositivos de control. Los sistemas neumáticos son usados cuando se requieren altas velocidades de operación y baja potencia.


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Generadores de aire comprimido: Los sistemas neumáticos de mando consumen aire comprimido, que debe estar disponible en el caudal suficiente y con una presión determinada según el rendimiento de trabajo. Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado. Los mecanismos y mandos neumáticos se alimentan desde una estación central. El aire comprimido viene de la estación compresora y llega a las instalaciones a través de tuberías. Compresor de émbolo oscilante. Este es el tipo de compresor más difundido actualmente. Es apropiado para comprimir a baja, media o alta presión. Su campo de trabajo se extiende entre 1 y 100 kPa (1 bar) a varios miles de kPa (bar).

Figura 3.19 Compresor de émbolo oscilante.

Cilindros: Un cilindro neumático es el encargado de transformar la energía del aire comprimido en un movimiento rectilíneo. Cilindro de simple efecto: Estos cilindros tienen una sola conexión de aire comprimido. No pueden realizar trabajos más que en un sentido. Se necesita aire sólo para un movimiento de traslación. El vástago retorna por el efecto de un muelle incorporado o de una fuerza externa (resorte).

Figura 3.20 Cilindro de simple efecto.


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Cilindro de membrana arrollable: La construcción de estos cilindros es similar a la de los anteriores. También se emplea una membrana que, cuando está sometida a la presión del aire, se desarrolla a lo largo de la pared interior del cilindro y hace salir el vástago Las carreras están aproximadamente entre 50 mm y 80 mm.

Figura 3.21 Cilindro de membrana.

Cilindros de doble efecto: El cilindro de doble efecto posee dos tomas para el aire comprimido situadas a ambos lados del émbolo. Este cilindro puede producir trabajo en los dos sentidos del movimiento.

Figura 3.22 Cilindro de doble efecto.

Cilindros con amortiguamiento: Cuando las masas que traslada un cilindro son grandes, es conveniente utilizar un sistema de amortiguamiento, esto con el objeto de evitar un choque brusco y dañar el producto. El principio de operación consiste en utilizar una sección de escape muy pequeña, a menudo ajustable. El escapa del aire es lento por la sección de escapo pequeña. El émbolo se desliza lentamente hasta su posición final. Cilindrote de rotación: El movimiento de vaivén rectilíneo del émbolo se transmite a una rueda dentada a través de una cremallera situada en el vástago del émbolo, convirtiendo el movimiento lineal a una de rotación.

Figura 3.23 Cilindros de rotación.


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Tabla 3.2 Símbolos de los cilindros.

Descripción Símbolo Simple efecto. Retorno resorte.

De simple efecto. Retorno por fuerza externa. De doble efecto.

De doble efecto con amortiguador.

De doble efecto con doble vástago.

Lineal sin vástago.

Cilindro de rotación.

Válvulas: En los sistemas neumáticos se utilizan dos tipos principales de válvulas las primeras son las válvulas de control de dirección y las otras son válvulas de control de secuencia. Válvulas de control de secuencia: Las diferentes posiciones de conexión de las válvulas de control se representan mediante un cuadrado. Por ejemplo, en la válvula de vástago de la figura 3.24 hay dos posiciones: una cuando el botón este sin oprimirse y otra cuando esta oprimido. De esta manera, la válvula de dos posiciones se representa por dos cuadrados. Si la válvula tuviera tres posiciones entonces se representaría por tres cuadrados. Las flechas (Figura 3.25a) indican la dirección del flujo en cada una de las posiciones; las líneas con tope corresponden a líneas de flujo cerradas (Figura 3.25b). En la figura 3.25c, la válvula tiene cuatro puertos. Éstos se identifican mediante un número o una letra, de acuerdo con su función. Los puertos se identifican con 1 (o P) para la alimentación de presión, 3 (o T) para el puerto de regreso hidráulico, 3 o 5 ( R o S) para los puertos de desfogue y 2 o 5 (B o A) para los puertos de salida.


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La Tabla 3.3 muestra ejemplos de algunos símbolos con los que se representan los diversos modos como actúan las válvulas. En el símbolo de una válvula pueden presentarse uno o más de estos símbolos.

Figura 3.24 Válvula de vástago.

Figura 3.25 Dirección de flujo en las válvulas.

Tabla 3.3 Símbolos de los diversos modos de actuación de las válvulas.

Descripción Símbolo Pulsador por botón.

Tirador. Accionamiento por leva.

Accionamiento por rodillo.

Accionamiento por presión. Accionamiento por electro-válvula

Accionamiento por Motor eléctrico.


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Accionamiento por palanca.

Accionamiento por pedal.

Retorno por resorte.

La Tabla 3.4 muestra simbología complementaria para la entender los diagramas neumáticos.

Descripción Símbolo Conducción de trabajo.

Conducción de control.

Fuente de presión.

Orificio de escape.

La Figura 3.26 es un ejemplo de cómo combinar los símbolos descritos anteriormente para describir el funcionamiento de una válvula; en ella se muestra el símbolo de la válvula de vástago de dos posiciones y dos puertos de la Figura 3.24. Observe que se puede referir a este tipo de válvula como una válvula 2/2; aquí el primer número indica la cantidad de puertos y el segundo, las posiciones.

Figura 3.26 Símbolo de la válvula de vástago.

La figura 3.27 es otro ejemplo de una válvula de carrete accionada por solenoide, con su símbolo respectivo. La válvula se acciona mediante una corriente que pasa por un solenoide y regresa a su posición original con un resorte.


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Figura 3.27 Válvula activada con un solenoide con su símbolo respectivo.

Enseguida listaremos algunos tipos de válvulas más comunes: Válvula 2/2 con regreso por resorte:

Válvula 2/2 bidireccional con regreso por resorte:

Válvula 3/2 con regreso por resorte:


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Válvula 3/2 con regreso por resorte (caso inverso):




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Válvulas de control presión: Existen varios tipos de válvulas de control de presión: Válvulas direccionales: La figura 3.28 muestra una válvula direccional y su respectivo símbolo. El flujo solo puede pasar en la dirección en que la bola empuja el resorte. La figura 3.29 representa una válvula selectora, esta válvula tiene dos entradas y una salida.

Figura 3.28 Válvula direccional.

Figura 3.29 Válvula selectora.

Válvulas limitadoras de presión: Se usan como dispositivos de seguridad para limitar la presión en un circuito y mantenerla en un valor de seguridad. La válvula se abre y desfoga a la atmósfera, o devuelve el flujo al pozo recolector.

Figura 3.30 Símbolo de la válvula limitadora de presión.

Válvulas de secuencia de presión: Estas válvulas se usan para detectar la presión de una línea externa y producir una señal cuando se alcanza un valor ya determinado. Se pueden usar como válvulas de secuencia, cuando se desea producir flujo en alguna parte del sistema si la presión llega a determinado nivel. Por ejemplo, una máquina automática necesita que se inicie una operación cuando la presión de sujeción aplicada a una pieza de trabajo adquiere un valor particular. El símbolo de esta válvula esta dado en La figura 3.31.

Figura 3.31 Símbolo de una válvula de secuencia de presión.


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Ejemplo de aplicación de los cilindros y las válvulas: Ejemplo 1: Sistema para levantar carga.

Ejemplo 2: Sistema 3/4 con doble cilindro con válvula de secuencia de presión.

Actuadores neumáticos giratorios: Es posible utilizar un cilindro lineal provisto de las adecuaciones necesarias, para producir movimientos rotatorios con ángulos de menos de 360°; la figura 3.32 ilustra este tipo de configuración. Otra alternativa es el actuador semi-giratorio, en el cual utiliza un álabe (Figura 3.33). La diferencia de presión entre ambos puertos hace girar el álabe y el vástago, lo cual es una medida de la diferencia de presiones. Dependiendo de éstas, el álabe gira en sentido de las manecillas del reloj o en sentido contrario a éstas. Para giros de más de 360° se emplea un motor neumático; una modalidad de éste es el motor de álabes (Figura 3.34). Un rotor excéntrico tiene ranuras que fuerzan el desplazamiento hacia fuera de los álabes, empujando las paredes del cilindro a causa de la rotación. Los álabes dividen la cámara en compartimentos separados cuyo tamaño aumenta desde el puerto de entrada hasta el puerto de salida. El aire que entra al compartimiento ejerce una fuerza en uno de los álabes y provoca así el giro del rotor. La dirección de rotación del motor se puede invertir utilizando otro puerto de entrada. La tabla 3.5 muestra la simbología para los actuadores neumáticos giratorios.


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Figura 3.32 Cilindro lineal usado para medir rotación.

Figura 3.33 Actuador semigiratorio.

Figura 3.34 Motor tipo álabe.

Tabla 3.5 Simbología de los actuadores neumáticos giratorios.

Descripción Símbolo Motor neumático de un solo sentido de giro.

Motor neumático de dos sentidos de giro.


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3.3 Actuadores hidráulicos. La principal desventaja de los sistemas neumáticos descritos anteriormente es la relativa baja presión que pueden ejercer. Las señales hidráulicas se útiles cuando se requiere tener dispositivos de control de potencia, por ejemplo; los ensambles de piezas, movimiento o levantamiento de piezas pesadas, etc. Las desventajas de los sistemas hidráulicos son, su costo es elevado, son relativamente lentos y hay riesgos asociados con fugas de aceite. La clasificación de los actuadores hidráulicos es la misma que los neumáticos; cilindros, válvulas y actuadores rotativos (también conocidos como motores hidráulicos). La diferencia radica en el fluido que se utiliza en los sistemas hidráulicos es un aceite derivado del petróleo. Para mayor referencia de estos sistemas consultar la sección vista anteriormente de neumática y consulte la bibliografía.

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