Elementos de Mecatrónica

Dr. José Sebastián Gutiérrez Calderón Profesor Investigador - Ingenierías UP jsgutierrez@up.edu.mx

Temas generales del curso • Conceptos básicos de la mecatrónica

• Características principales de los transductores

• Sensores y sistemas de medición

• Actuadores y mandos

• Mecanismos para la automatización

• Control por computadora

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Unidad 4: Actuadores y mandos

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Existen tres tipos de actuadores:

Neumáticos

Hidráulicos

Eléctricos

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Actuadores

Actuadores

Neumáticos Fuente de

energía: aire a presión

Pistones, motores, válvulas

Hidráulicos Fuente de

energía: fluido

Pistones, motores, válvulas

Eléctricos Fuente de energía:

electricidad

Motores AC, DC, paso a paso,

servomotores

Actuadores neumáticos Los actuadores neumáticos son mecanismos que convierten la energía del aire (comprimido) en trabajo mecánico por medio de un movimiento lineal o rotacional. Los actuadores neumáticos se clasifican en cilindros y motores. En estos sistemas, el aire es más limpio que el aceite, aunque no se tiene las características auto lubricantes del aceite hidráulico.

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Actuadores

Vástago

Émbolo

Actuadores neumáticos El uso del aire comprimido tiene una serie de transformaciones:

De energía eléctrica en energía mecánica (motor eléctrico hace girar el eje del compresor).

De energía mecánica en energía de fluido (giro mecánico del compresor produce la absorción y almacenamiento del aire).

De energía de fluido en energía mecánica (activamos un actuador).

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Actuadores

Motor Eléctrico (Energía

Eléctrica)

Eje del Compresor

(Energía Mecánica)

Compresor (Energía de

fluido)

Actuador (Energía

Mecánica)

Actuadores neumáticos Cilindros

El cilindro neumático tiene por objetivo generar un trabajo durante su movimiento rectilíneo; de avance o retroceso, a diferencia del motor neumático que produce un movimiento de rotación.

Según el modo en que se realiza el movimiento del vástago, los cilindros se dividen en tres grupos:

Cilindros de simple efecto

Cilindros de doble efecto

Cilindro de rotación

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Actuadores

Actuadores neumáticos Cilindros de simple efecto En los cilindros de simple efecto, se aplica aire comprimido por una sola cámara (el émbolo recibe el aire a presión). Estos cilindros sólo pueden ejecutar el trabajo en un sentido.

Recuperación por carga externa “Normalmente dentro”

Recuperación por carga externa “Normalmente fuera”

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Actuadores

Actuadores neumáticos Cilindros de simple efecto La carrera de retorno del émbolo tiene lugar por medio de un resorte incorporado, o bien por fuerza externa (carrera en vacío).

Recuperación por resorte “Normalmente dentro”

Recuperación por resorte “Normalmente fuera”

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Actuadores

Actuadores neumáticos Cilindros de simple efecto

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Actuadores

Actuadores neumáticos Cilindros de simple efecto

El aire comprimido entra empujando el vástago, y comprimiendo el resorte, los bordes del embolo se deslizan sobre la pared interna del cilindro y después el muelle hace volver el vástago a su estado inicial.

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Actuadores

Actuadores neumáticos Cilindros de simple efecto

La variedad constructiva de los cilindros de simple efecto es muy importante, pero todos ellos presentan la misma mecánica de trabajo.

Simple efecto “tradicional”, normalmente dentro.

Simple efecto guiado y camisa plana, normalmente fuera.

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Actuadores

Actuadores neumáticos Cilindros de doble efecto

Los cilindros de doble efecto son aquellos que realizan tanto su carrera de avance como la de retroceso por acción del aire comprimido. Su denominación se debe a que emplean las dos caras del émbolo (aire en ambas cámaras), por lo que estos componentes sí que pueden realizar trabajo en ambos sentidos.

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Actuadores

Actuadores neumáticos Cilindros de doble efecto

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Actuadores

Actuadores neumáticos Cilindros de doble efecto

Los cilindros pueden ser con amortiguación regulable en ambos sentidos de trabajo, permite reducir la velocidad del émbolo antes de que llegue al final de carrera (cuando ésta es demasiado alta), para evitar que se dañe el cilindro o elementos del pistón.

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Actuadores

Actuadores neumáticos Cilindros de doble efecto

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Actuadores

Actuadores neumáticos Cilindros sin vástago

En los cilindros sin vástago se aplica aire a presión alternativamente por ambos lados. El cilindro puede trabajar en ambos sentidos produciendo una fuerza de trabajo idéntica en ambos sentidos.

Son menos largos y funcionan totalmente guiados, por lo que no existe peligro de que el vástago pueda torcerse. Además el movimiento se efectúa en toda la longitud de la carrera, pudiendo llegar a alcanzarse carreras de hasta 10 m de largo.

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Actuadores

Actuadores neumáticos Cilindros sin vástago

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Actuadores

Actuadores neumáticos Cilindros de giro

En este cilindro rotativo, el vástago del émbolo tiene un perfil de cremallera que a su vez activa una rueda dentada. El movimiento lineal del vástago se transforma en un movimiento circular obteniendo ángulos de giro de 0 a 360°.

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Actuadores

Actuadores neumáticos Cilindros de giro

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Actuadores

Actuadores neumáticos Motores

Estos elementos transforman la energía neumática en un movimiento de giro mecánico. Funcionan igual que los cilindros de giro pero el ángulo de giro no está limitado. De este tipo de actuador podemos encontrar de 2 tipos: motor de aletas y motor de pistones.

Ventajas:

Construcción sencilla (peso ligero).

Arranque y paro muy rápido.

Insensibilidad al polvo, agua, calor y frío.

La velocidad varia entre 3.000 y 8.500 rpm.

Alta aceleración y baja inercia.

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Actuadores

Actuadores neumáticos Motores neumáticos de aleta o paletas

Este tipo de motor genera movimiento rotativo continuo. El aire entra por una parte y hace que giren las paletas. Es el motor neumático más utilizado, puede dar velocidades desde 3,000 a 25,000 rpm.

Funcionamiento:

Un rotor dotado de ranuras gira en una cámara cilíndrica.

En las ranuras se deslizan aletas, que son empujadas contra la pared interior del cilindro por el efecto de la fuerza centrífuga.

Normalmente estos motores tienen de 3 a 10 aletas.

El aire entra en la cámara más pequeña y se dilata a medida que el volumen de la cámara aumenta.

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Actuadores

Actuadores neumáticos Motores neumáticos de aleta o paletas

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Actuadores

Motor de paletas con un sentido de giro

Motor de paletas con dos sentidos de giro

Actuadores neumáticos Motores neumáticos de aleta o paletas

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Actuadores

Electroválvula Es una válvula electromecánica, diseñada para controlar el flujo de un fluido a través de un conducto. La válvula está controlada por una corriente eléctrica a través de una bobina solenoide.

Una electroválvula tiene dos partes fundamentales: el solenoide y la válvula. El solenoide convierte energía eléctrica en energía mecánica para activar la válvula.

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Actuadores

Electroválvula Al alimentar con energía el contacto, este alimenta la bobina, y el campo magnético generado atrae al núcleo y deja pasar aire hacia la salida (A). Al quitar la energía, la válvula regresa a su posición inicial.

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Actuadores

P: Puerto entrada A: Puerto salida R: Desfogue

Electroválvula

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Actuadores

Electroválvula Dos de las características principales para la clasificación de las electroválvulas son el número de vías y el número de posiciones.

Vías: llamamos así al número de bocas de conexión del elemento de distribución. Pueden tenerse válvulas de 2, 3 ,4, 5 o más vías. No es posible un número de vías inferior a dos.

Posiciones: se refiere al número de posiciones estables del elemento de distribución. Las válvulas más comunes 2 o 3 posiciones, aunque algunos modelos particulares pueden tener más.

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Actuadores

Electroválvula Las válvulas se designan de acuerdo al número de vías y al número de posiciones de la forma siguiente:

N° Vías / N° posiciones

2/2 2 vías / 2 posiciones

3/2 3 vías / 2 posiciones

4/2 4 vías / 2 posiciones

5/2 5 vías / 2 posiciones

5/3 5 vías / 3 posiciones

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Actuadores

Electroválvula Válvulas 2/2

Son válvulas de asiento, es decir que abren y cierran el paso por medio de conos, discos, placas y bolas, evitando cualquier fuga.

Tiene dos vías u orificios (la entrada y la salida del aire) y dos posiciones (abierta y cerrada).

Pueden estar normalmente abiertos o normalmente cerrados.

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Actuadores

Normalmente abierto

Normalmente cerrado

P: Puerto entrada A: Puerto salida

Electroválvula Válvulas 3/2

Estas electroválvulas al tener tres vías, permite dos direcciones del flujo de aire, lo que les ayuda a realizar la alimentación (posición abierta) y el escape (posición cerrada) de la cámara del émbolo en un cilindro de simple efecto.

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Actuadores

Electroválvula Válvulas 5/3

Además de las funciones de la válvula 5/2, tiene las funciones añadidas de la tercera posición.

Habitualmente las formas constructivas de la tercera posición, implican el bloqueo del cilindro por bloqueo de sus cámaras, o la puesta a escape de las dos cámaras del cilindro, para permitir moverlo libremente sin presión.

En caso de fallo el aire o fallo del suministro eléctrico, las cámaras se quedan totalmente bloqueadas.

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Actuadores

Electroválvula Válvulas 5/3

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Actuadores

Electroválvula Conexión: Cilindro doble efecto y electroválvula 5/3

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Actuadores

Entrada de aire

24 V. 24 V.

Electroválvula Sensor magnético BN + (Café)

BU - (Azul)

BK Señal (negro)

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Actuadores

+ BN

- BU Señal BK

Proyecto de laboratorio 4

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Proyecto de laboratorio 4

Realizar un prototipo donde nos permita conocer el funcionamiento de los actuadores neumáticos cilíndricos y su control. Cada equipo utilizará uno o varios actuador neumáticos y sensores magnéticos para el prototipo propuesto: un máquina aplasta latas neumático.

Objetivo: Objetivo:

Características del sistema: • Detección y conteo del número de latas de forma automático utilizando

sensores. Detección y conteo de latas de forma manual. Tanto el control manual y automático, deberá estar representado de manera gráfica en la computadora (utilizando Visual Basic).

• Para compactar la lata se debe programar el tiempo de compactación en la interfaz gráfica por medio de intervalos de 2,3,4 o 5 segundos que pueden ser introducidos por el usuario. (Tiempo que se queda compactando la lata).

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Proyecto de laboratorio 4

Características del sistema: • Además, la máquina debe tener un botón para el procesamiento de latas

difíciles de aplastar, utilizando un proceso de compactación eficaz, por ejemplo subir y bajar el pistón rápidamente en intervalos cortos de tiempo.

• La máquina debe tener un estante (rack) de entrada para acomodar varias latas (mínimo 5 latas) para su procesamiento y un deposito de salida para almacenar las latas compactadas.

• Animación del actuador en Visual Basic utilizando animación en SolidWorks para los gráficos. (Ver el Manual de VB de la página)

• Diseño del software amigable, simple y funcional.

• La pantalla de la interfaz gráfica deberá ser de la dimensión de 1024 x 800 px.

Proyecto de laboratorio 4

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Entrega del proyecto: • Tiempo de 1 hora y 30 minutos para entregar el proyecto. • Jueves 22/09 se realizará la cuarta entrega. • Documentación en formato de artículo IEEE a doble columna, entregar la

siguiente clase después de presentar el proyecto. • Documentación sin haber aprobado la entrega, no se acepta.

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(ʘ‿ʘ)