Actuador lineal

Un actuador lineal es un actuador que crea movimiento en línea recta, en contraste con el movimiento circular de un motor eléctrico convencional. Los actuadores lineales se utilizan en máquinas herramienta y maquinaria industrial, en periféricos de computadora tales como unidades de disco e impresoras, en válvulas y amortiguadores, y en muchos otros lugares donde se requiere movimiento lineal. Los cilindros hidráulicos o neumáticos producen inherentemente un movimiento lineal. Muchos otros mecanismos se utilizan para generar movimiento lineal desde un motor giratorio.

Los tipos

Actuadores mecánicos
Los actuadores lineales mecánicos funcionan típicamente mediante la conversión del movimiento giratorio en movimiento lineal. La conversión se hace comúnmente a través de unos pocos tipos de mecanismo:

Tornillo: el tornillo de avance, el gato de tornillo, el tornillo de bola y los actuadores de tornillo de rodillo funcionan según el principio de la máquina simple conocida como tornillo. Al girar la tuerca del actuador, el eje del tornillo se mueve en línea.
Rueda y eje: El polipasto, el cabrestante, el piñón y el piñón, la transmisión de la cadena, la transmisión de la correa, la cadena rígida y los actuadores de la correa rígida funcionan según el principio de la rueda y el eje. Una rueda giratoria mueve un cable, un bastidor, una cadena o una correa para producir un movimiento lineal.
Cam: los actuadores de leva funcionan según un principio similar al de la cuña, pero ofrecen un recorrido relativamente limitado. Cuando una leva con forma de rueda gira, su forma excéntrica proporciona empuje en la base de un eje.
Algunos actuadores mecánicos lineales solo tiran, tales como polipastos, cadenas y correas. Otros solo empujan (como un actuador de leva). Los cilindros neumáticos e hidráulicos o los tornillos de avance pueden diseñarse para generar fuerza en ambas direcciones.

Los actuadores mecánicos suelen convertir el movimiento giratorio de un mando de control o manija en un desplazamiento lineal a través de los tornillos y / o engranajes a los que se adjunta el mando o mango. Un gato o un gato es un actuador mecánico familiar. Otra familia de actuadores se basa en el husillo segmentado. La rotación del mango del gato se convierte mecánicamente en el movimiento lineal de la cabeza del gato. Los actuadores mecánicos también se utilizan con frecuencia en el campo de los láseres y la óptica para manipular la posición de etapas lineales, etapas giratorias, montajes de espejos, goniómetros y otros instrumentos de posicionamiento. Para un posicionamiento preciso y repetible, se pueden usar marcas de índice en los mandos de control.Algunos actuadores incluyen un codificador y una lectura de posición digital. Estos son similares a los mandos de ajuste utilizados en micrómetros, excepto que su propósito es el ajuste de posición en lugar de la medición de posición.

Actuadores hidraulicos
Los accionadores hidráulicos o los cilindros hidráulicos típicamente involucran un cilindro hueco que tiene un pistón insertado en él. Una presión desequilibrada aplicada al pistón genera una fuerza que puede mover un objeto externo. Como los líquidos son casi incompresibles, un cilindro hidráulico puede proporcionar un desplazamiento lineal preciso controlado del pistón. El desplazamiento es solo a lo largo del eje del pistón. Un ejemplo familiar de un actuador hidráulico operado manualmente es un gato hidráulico de automóvil. Sin embargo, por lo general, el término «accionador hidráulico» se refiere a un dispositivo controlado por una bomba hidráulica.

Actuadores neumaticos
Los actuadores neumáticos o cilindros neumáticos son similares a los actuadores hidráulicos, excepto que utilizan gas comprimido para generar fuerza en lugar de un líquido. Funcionan de manera similar a un pistón en el que el aire se bombea dentro de una cámara y se empuja hacia afuera del otro lado de la cámara. Los actuadores de aire no se usan necesariamente para maquinaria pesada y en casos donde hay grandes cantidades de peso. Una de las razones por las que los actuadores lineales neumáticos se prefieren a otros tipos es el hecho de que la fuente de alimentación es simplemente un compresor de aire. Debido a que el aire es la fuente de entrada, los actuadores neumáticos se pueden utilizar en muchos lugares de actividad mecánica. La desventaja es que la mayoría de los compresores de aire son grandes, voluminosos y ruidosos. Son difíciles de transportar a otras áreas una vez instaladas. Es probable que los actuadores lineales neumáticos tengan fugas y esto los hace menos eficientes que los actuadores lineales mecánicos.

Actuadores piezoeléctricos
El efecto piezoeléctrico es una propiedad de ciertos materiales en los que la aplicación de un voltaje al material hace que se expanda. Los voltajes muy altos corresponden solo a pequeñas expansiones. Como resultado, los actuadores piezoeléctricos pueden lograr una resolución de posicionamiento extremadamente fina, pero también tienen un rango de movimiento muy corto.Además, los materiales piezoeléctricos exhiben histéresis, lo que dificulta el control de su expansión de manera repetible.

Actuadores de polímero torcido y enrollado (TCP)
El actuador de polímero torcido y enrollado (TCP) también conocido como actuador de polímero superenrollado (SCP) es un polímero enrollado que puede ser accionado por energía eléctrica. Un actuador TCP parece un resorte helicoidal. Los actuadores TCP generalmente están hechos de nylon recubierto de plata. Los actuadores TCP también se pueden hacer con otra capa de conductancia eléctrica como el oro. El actuador TCP debe estar bajo una carga para mantener el msucle extendido. La energía eléctrica se transforma en energía térmica debido a la resistencia eléctrica, que también se conoce como calefacción Joule, calefacción óhmica y calefacción resistiva.A medida que la temperatura del actuador TCP aumenta por calentamiento de Joule, el polímero se contrae y provoca la contracción del actuador.

Actuadores electromecánicos
Los actuadores electromecánicos son similares a los actuadores mecánicos, excepto que la perilla de control o la manija se reemplazan con un motor eléctrico. El movimiento giratorio del motor se convierte en desplazamiento lineal. Hay muchos diseños de actuadores lineales modernos y cada compañía que los fabrica tiende a tener un método propio. La siguiente es una descripción generalizada de un actuador lineal electromecánico muy simple.

Diseño simplificado
Típicamente, un motor eléctrico está conectado mecánicamente para girar un tornillo de avance. Un tornillo de avance tiene una rosca helicoidal continua mecanizada en su circunferencia que corre a lo largo de la longitud (similar a la rosca en un perno). Enroscada en el tornillo de avance hay una tuerca de avance o tuerca de bola con las correspondientes roscas helicoidales. Se evita que la tuerca gire con el tornillo de avance (por lo general, la tuerca se bloquea con una parte no giratoria del cuerpo del actuador). Por lo tanto, cuando se gira el tornillo de avance, la tuerca se impulsará a lo largo de las roscas. La dirección de movimiento de la tuerca depende de la dirección de rotación del tornillo de avance. Al conectar los enlaces a la tuerca, el movimiento se puede convertir en un desplazamiento lineal utilizable. La mayoría de los actuadores actuales están diseñados para alta velocidad, alta fuerza o un compromiso entre los dos. Cuando se considera un actuador para una aplicación particular, las especificaciones más importantes son típicamente el desplazamiento, la velocidad, la fuerza, la precisión y la vida útil. La mayoría de las variedades se montan en amortiguadores o válvulas de mariposa.

Hay muchos tipos de motores que se pueden usar en un sistema de actuador lineal. Estos incluyen dc brush, dc brushless, stepper o, en algunos casos, incluso 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 integral que acciona un tornillo de avance puede usarse para operar una válvula grande en una refinería. En este caso, la precisión y la alta resolución de movimiento no son necesarias, pero la fuerza y ​​la velocidad son altas. Para los actuadores lineales electromecánicos utilizados en robótica de instrumentos de laboratorio, equipos ópticos y láser, o tablas XY, la resolución fina en el rango de micras y la alta precisión pueden requerir el uso de un actuador lineal con motor paso a paso de potencia fraccional con un tornillo de avance de paso fino. Hay muchas variaciones en el sistema de actuador lineal electromecánico. Es fundamental comprender los requisitos de diseño y las limitaciones de la aplicación para saber cuál sería el mejor.

Construcción estándar vs compacta
Un actuador lineal que usa motores estándar comúnmente tendrá el motor como un cilindro separado unido al lado del actuador, ya sea paralelo al actuador o perpendicular al actuador. El motor puede estar unido al extremo del actuador. El motor de accionamiento es de construcción típica con un eje de transmisión sólido que está engranado con la tuerca de accionamiento o el tornillo de accionamiento del actuador.

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

El diámetro interior del eje del motor se puede agrandar, de modo que el eje de transmisión puede ser hueco. Por lo tanto, el tornillo de transmisión y la tuerca pueden ocupar el centro del motor, sin necesidad de engranajes adicionales entre el motor y el tornillo de transmisión.
De manera similar, se puede hacer que el motor tenga un diámetro exterior muy pequeño, pero en cambio las caras de los polos se estiran a lo largo para que el motor aún pueda tener un par de torsión muy alto mientras se ajusta en un espacio de diámetro pequeño.
Principios
En la mayoría de los diseños de actuadores lineales, el principio básico de operación es el de un plano inclinado. Las roscas de un tornillo de avance actúan como una rampa continua que permite utilizar una pequeña fuerza de rotación en una distancia larga para lograr el movimiento de una carga grande en una distancia corta.

Variaciones
Se han creado muchas variaciones en el diseño básico. La mayoría se enfoca en proporcionar mejoras generales, como una mayor eficiencia mecánica, velocidad o capacidad de carga. También hay un gran movimiento de ingeniería hacia la miniaturización del actuador.

La mayoría de los diseños electromecánicos incorporan un tornillo de avance y una tuerca de avance. Algunos usan un tornillo de bola y tuerca de bola. En cualquier caso, el tornillo se puede conectar a un motor o a la perilla de control manual directamente oa través de una serie de engranajes. Los engranajes se utilizan normalmente para permitir que un motor más pequeño (y más débil) que gire a una velocidad mayor se pueda reducir para proporcionar el par de torsión necesario para hacer girar el tornillo bajo una carga más pesada de lo que el motor sería capaz de conducir directamente. Efectivamente, esto sacrifica la velocidad del actuador en favor de un mayor empuje del actuador. En algunas aplicaciones, el uso de engranajes helicoidales es común, ya que esto permite una dimensión incorporada más pequeña que todavía permite una gran longitud de viaje.

Un actuador lineal con tuerca de desplazamiento tiene un motor que permanece unido a un extremo del tornillo guía (tal vez indirectamente a través de una caja de engranajes), el motor gira el tornillo guía y la tuerca guía no puede girar, por lo que se desplaza hacia arriba y hacia abajo a lo largo del circuito. tornillo de avance

Un actuador lineal de tornillo de desplazamiento tiene un tornillo de avance que pasa completamente a través del motor. En un actuador lineal de tornillo de desplazamiento, el motor «arrastra» hacia arriba y hacia abajo un tornillo de avance que no puede girar. Las únicas partes giratorias están dentro del motor y pueden no ser visibles desde el exterior.

Algunos tornillos de plomo tienen múltiples «arranques». Esto significa que tienen múltiples hilos alternando en el mismo eje. Una forma de visualizar esto es en comparación con las múltiples franjas de colores en un bastón de caramelo. Esto permite un mayor ajuste entre el paso de la rosca y el área de contacto de la tuerca / rosca del tornillo, lo que determina la velocidad de extensión y la capacidad de carga (de las roscas), respectivamente.

Capacidad de carga estática
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 esencialmente en su lugar y puede soportar una carga que está tirando o empujando el actuador. Esta capacidad de carga estática aumenta la movilidad y la velocidad.

La fuerza de frenado del actuador varía con el paso angular de las roscas de tornillo y el diseño específico de las roscas. 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 flotar casi libremente.

En general, no es posible variar la capacidad de carga estática de los actuadores de tornillo sin tecnología adicional. El diseño de la rosca de tornillo y la tuerca de accionamiento definen una capacidad de carga específica que no se puede ajustar dinámicamente.

En algunos casos, se puede agregar grasa de alta viscosidad a los actuadores de tornillo lineal para aumentar la carga estática. Algunos fabricantes utilizan esto para alterar la carga para necesidades específicas.

La capacidad de carga estática se puede agregar a 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 las pastillas de freno a la tuerca de accionamiento, manteniéndola en posición cuando se apaga la alimentación. Cuando es necesario mover el actuador, un electroimán contrarresta el resorte y libera la fuerza de frenado en la tuerca de accionamiento.

De manera similar, se puede usar un mecanismo de trinquete electromagnético con un actuador de tornillo lineal para que el sistema de accionamiento que levanta una carga se bloquee en su posición cuando se apaga la alimentación del actuador. Para bajar el actuador, se utiliza un electroimán para contrarrestar la fuerza del resorte y desbloquear el trinquete.

Capacidad de carga dinámica
La capacidad de carga dinámica generalmente se conoce como la cantidad de fuerza que el actuador lineal es capaz de proporcionar durante la operación. Esta fuerza variará según el tipo de tornillo (cantidad de fricción que restringe el movimiento) y el motor impulsa el movimiento. La carga dinámica es la figura por la cual se clasifican la mayoría de los actuadores, y es una buena indicación de qué aplicaciones se adaptarían mejor.

Control de velocidad
En la mayoría de los casos, cuando se usa un actuador electromecánico, se prefiere tener algún tipo de control de velocidad. Dichos controladores varían la tensión suministrada al motor, que a su vez cambia la velocidad a la que gira el tornillo de avance. Ajustar la relación de transmisión es otra forma de ajustar la velocidad. Algunos actuadores están disponibles con varias opciones de engranajes diferentes.

Ciclo de trabajo
El ciclo de trabajo de un motor se refiere a la cantidad de tiempo que el actuador puede funcionar antes de que necesite enfriarse. Mantenerse dentro de esta guía cuando se opera un actuador es clave para su longevidad y rendimiento. Si se excede la clasificación del ciclo de trabajo, se corre el riesgo de sobrecalentamiento, pérdida de potencia y eventual quema del motor.

Motores lineales
Un motor lineal es funcionalmente lo mismo que un motor eléctrico giratorio con los componentes de campo magnético circular del rotor y del estator dispuestos en línea recta. Cuando un motor rotativo girara y reutilizara las mismas caras del polo magnético, las estructuras de campo magnético de un motor lineal se repiten físicamente a lo largo del actuador.

Dado que el motor se mueve de forma lineal, no se necesita un tornillo de avance para convertir el movimiento giratorio en lineal. Si bien es posible una alta capacidad, las limitaciones de los materiales y / o motores en la mayoría de los diseños se superan relativamente rápido debido a la dependencia únicamente de la atracción magnética y las fuerzas de repulsión. La mayoría de los motores lineales tienen una capacidad de carga baja en comparación con otros tipos de actuadores lineales. Los motores lineales tienen una ventaja en ambientes al aire libre o sucios, ya que las dos mitades no necesitan ponerse en contacto entre sí, por lo que las bobinas de accionamiento electromagnético pueden impermeabilizarse y sellarse contra la humedad y la corrosión, lo que permite una vida útil muy larga.

Actuador lineal telescópico
Los actuadores lineales telescópicos son actuadores lineales especializados que se utilizan cuando existen restricciones de espacio. Su rango de movimiento es muchas veces mayor que la longitud no extendida del miembro de accionamiento.

Una forma común está hecha de tubos concéntricos de aproximadamente la misma longitud que se extienden y retraen como mangas, uno dentro del otro, como el cilindro telescópico.

Otros actuadores telescópicos más especializados utilizan miembros de accionamiento que actúan como ejes lineales rígidos cuando se extienden, pero rompen esa línea al doblar, separar en piezas y / o desenrollar cuando se retraen. Ejemplos de actuadores lineales telescópicos incluyen:

Actuador de banda helicoidal
Actuador de correa rígida
Actuador de cadena rígida
Husillo segmentado

Ventajas y desventajas

Tipo de actuador Ventajas Desventajas
Mecánico Barato. Repetible No se requiere fuente de alimentación.Autocontenido. Comportamiento idéntico que se extiende o retrae. Sólo operación manual. Sin automatización.
Electromecanica Barato. Repetible La operación puede ser automatizada. Autocontenido.Comportamiento idéntico que se extiende o retrae. DC o motores paso a paso. Posible feedback de posición. Muchas piezas móviles propensas al desgaste.
Motor lineal Diseño simple. Mínimo de piezas móviles. Altas velocidades posibles.Autocontenido. Comportamiento idéntico que se extiende o retrae. Fuerza baja a media.
Piezoeléctrico Muy pequeños movimientos posibles a altas velocidades. Consume apenas cualquier poder. Recorrido corto a menos que sea amplificado mecánicamente. Se requieren altos voltajes, típicamente 24V o más. Caro, y frágil. Buena en compresión solamente, no en tensión.Normalmente se utiliza para inyectores de combustible.
Polímero retorcido y enrollado (TCP) ligero, sencillo Baja eficiencia, alta temperatura, solo contracción.
Hidráulico Fuerzas muy altas posibles. Relación de potencia a tamaño relativamente alta (o densidad de potencia). Puede fugas. Requiere retroalimentación de posición para la repetibilidad. Bomba hidráulica externa requerida. Algunos diseños buenos en compresión solamente.
Neumático Fuerte, ligero, sencillo, rápido. Control de posición preciso imposible excepto en paradas completas
Motor de cera Funcionamiento suave. No es tan confiable como otros métodos.
Husillo segmentado Muy compacta. Rango de movimiento mayor que la longitud del actuador. Tanto el movimiento lineal como el rotativo.
Bobina móvil Fuerza, posición y velocidad son controlables y repetibles. Capaz de altas velocidades y posicionamiento preciso. Posibles acciones lineales, rotativas, y lineales + rotativas. Requiere que la retroalimentación de posición sea repetible.
MICA (actuador controlable de hierro en movimiento) Fuerza alta y controlable. Mayor fuerza y ​​menos pérdidas que las bobinas móviles. Pérdidas fáciles de disipar. Driver electrónico fácil de diseñar y configurar. Trazo limitado a varios milímetros, menos linealidad que las bobinas móviles.