Um atuador é um componente de uma máquina que é responsável por mover e controlar um mecanismo ou sistema, por exemplo, abrindo uma válvula. Em termos simples, é um “mover”.

Um atuador requer um sinal de controle e uma fonte de energia. O sinal de controle é de energia relativamente baixa e pode ser tensão elétrica ou corrente, pressão pneumática ou hidráulica, ou até mesmo energia humana. Sua principal fonte de energia pode ser uma corrente elétrica, pressão do fluido hidráulico ou pressão pneumática. Quando recebe um sinal de controle, um atuador responde convertendo a energia do sinal em movimento mecânico.

Um atuador é o mecanismo pelo qual um sistema de controle atua sobre um ambiente. O sistema de controle pode ser simples (um sistema fixo mecânico ou eletrônico), baseado em software (por exemplo, um driver de impressora, sistema de controle de robô), um humano ou qualquer outra entrada.

História
A história do sistema de atuação pneumática e do sistema de atuação hidráulica data da época da Segunda Guerra Mundial (1938). Foi criado pela primeira vez por Xhiter Anckeleman (pronuncia-se ‘Ziter’), que usou seu conhecimento de motores e sistemas de freio para encontrar uma nova solução para garantir que os freios de um carro exercessem a força máxima, com o menor desgaste possível.

Hidráulico
Um atuador hidráulico consiste em um motor de cilindro ou fluido que utiliza energia hidráulica para facilitar a operação mecânica. O movimento mecânico dá uma saída em termos de movimento linear, rotatório ou oscilatório. Como os líquidos são quase impossíveis de comprimir, um atuador hidráulico pode exercer uma grande força. A desvantagem dessa abordagem é sua aceleração limitada.

O cilindro hidráulico consiste em um tubo cilíndrico oco ao longo do qual um pistão pode deslizar. O termo ação simples é usado quando a pressão do fluido é aplicada a apenas um lado do pistão. O pistão pode se mover em apenas uma direção, sendo uma mola freqüentemente usada para dar ao pistão um curso de retorno. O termo dupla ação é usado quando a pressão é aplicada em cada lado do pistão; qualquer diferença de pressão entre os dois lados do pistão move o pistão para um lado ou para o outro.

Pneumático
Atuadores pneumáticos permitem que forças consideráveis ​​sejam produzidas a partir de mudanças de pressão relativamente pequenas. Um atuador pneumático converte energia formada por vácuo ou ar comprimido a alta pressão em movimento linear ou rotativo. A energia pneumática é desejável para os controles do motor principal, pois ela pode responder rapidamente ao iniciar e parar, pois a fonte de alimentação não precisa ser armazenada em reserva para operação. Além disso, os atuadores pneumáticos são mais seguros, mais baratos e, muitas vezes, mais confiáveis ​​e potentes que outros atuadores. Essas forças são freqüentemente usadas com válvulas para mover os diafragmas para afetar o fluxo de ar através da válvula.

Elétrico
Um atuador elétrico é alimentado por um motor que converte energia elétrica em torque mecânico. A energia elétrica é usada para acionar equipamentos como válvulas multi-voltas. Além disso, um freio é normalmente instalado acima do motor para evitar que a mídia abra a válvula. Se nenhum freio for instalado, o atuador irá descobrir a válvula aberta e girá-la de volta para sua posição fechada. Se isso continuar a acontecer, o motor e o atuador serão eventualmente danificados. É uma das formas mais limpas e prontamente disponíveis de atuador porque não envolve diretamente petróleo ou outros combustíveis fósseis.

A estrutura de um atuador elétrico é simples comparada com a de atuadores hidráulicos e pneumáticos, uma vez que eles só precisam de energia elétrica como fonte de energia. Como os cabos elétricos são usados ​​para transmitir eletricidade e sinais, é altamente versátil e virtualmente não há restrições quanto à distância entre a fonte de energia e o atuador.

Existe um grande número de modelos e é fácil utilizá-los com motores elétricos padronizados, dependendo da aplicação. Na maioria dos casos, é necessário usar redutores, porque os motores são de operação contínua.

Uso de um pistão elétrico para acionar uma válvula pequena.

A forma mais simples para o acionamento com um pistão seria a instalação de uma alavanca integrada com uma dobradiça conectada a uma superfície paralela ao eixo do pistão de acionamento e às entradas roscadas.

Existem Muscular Wires®, que permitem movimentos silenciosos sem motores. É a tecnologia mais inovadora para robótica e automação, bem como para a implementação de pequenos atuadores.

Há também polímeros eletroativos, PEA (por sua sigla em espanhol) ou EAP (por sua sigla em inglês), que são polímeros que geralmente mudam de forma ou tamanho quando estimulados por um campo elétrico. Eles são usados ​​principalmente como atuadores, sensores ou a geração de músculos artificiais para serem usados ​​em robótica e próteses.

Polímero trançado e enrolado (TCP) ou polímero superenrolado (SCP)
O atuador de polímero trançado e enrolado (TCP), também conhecido como polímero superenrolado (SCP), é um polímero espiralado que pode ser acionado por energia elétrica. Um atuador TCP parece uma mola helicoidal. Atuadores TCP são geralmente feitos de nylon revestido de prata. Os atuadores TCP também podem ser feitos de outro revestimento de condutância elétrica, como o ouro. O atuador TCP deve estar sob carga para manter o músculo estendido. A energia elétrica se transforma em energia térmica devido à resistência elétrica, que também é conhecida como aquecimento Joule, aquecimento ôhmico e aquecimento resistivo. À medida que a temperatura do atuador TCP aumenta por aquecimento Joule, o polímero se contrai e causa a contração do atuador.

Atuadores piezoelétricos
São aqueles dispositivos que produzem movimento (deslocamento) aproveitando o fenômeno físico da piezoeletricidade. Atuadores que usam este efeito estão disponíveis há aproximadamente 20 anos e mudaram o mundo do posicionamento. O movimento preciso que resulta quando um campo elétrico é aplicado ao material é de grande valor para o nanoposicionamento.

É possível distinguir os seguintes tipos:

Tipo de pilha
Do tipo “Flexure”
Combinado com sistema de posicionamento motorizado de alto nível

Térmica ou magnética
Atuadores que podem ser acionados por aplicação de energia térmica ou magnética têm sido usados ​​em aplicações comerciais. Atuadores térmicos tendem a ser compactos, leves, econômicos e com alta densidade de potência. Esses atuadores usam materiais de memória de forma (SMMs), como ligas com memória de forma (SMAs) ou ligas com memória de forma magnética (MSMAs). Alguns fabricantes populares desses dispositivos são a finlandesa Modti Inc., a American Dynalloy e a Rotork.

Mecânico
Um atuador mecânico funciona para executar o movimento convertendo um tipo de movimento, como o movimento rotativo, em outro tipo, como o movimento linear. Um exemplo é um rack e pinhão. A operação de atuadores mecânicos é baseada em combinações de componentes estruturais, como engrenagens e trilhos, ou polias e correntes.

Atuadores eletrônicos
Atuadores eletrônicos também são amplamente utilizados em dispositivos mecatrônicos, como robôs. Os servomotores CA sem escova serão utilizados no futuro como atuadores de posicionamento precisos devido à demanda de operação sem tantas horas de manutenção quanto a energia nuclear.

Atuadores hidráulicos
Os atuadores hidráulicos, que são os mais antigos, podem ser classificados de acordo com a forma de operação, operando com base em fluidos pressurizados. Existem três grupos principais:

cilindro hidráulico
motor hidráulico
motor de oscilação hidráulica
Cilindro hidráulico
De acordo com sua função, podemos classificar os cilindros hidráulicos em 2 tipos: efeito simples e dupla ação. No primeiro tipo, força hidráulica é usada para empurrar e uma força externa, diferente, para contrair. O segundo tipo usa energia hidráulica para realizar as duas ações. O controle de direção é realizado por meio de um solenóide. Dentro eles têm uma mola que muda sua constante elástica com a passagem da corrente. Ou seja, se a corrente flui através do pistão elétrico, ela pode ser facilmente estendida.

Cilindro de pressão dinâmica
Carregue a carga na base do cilindro. Os custos de fabricação são geralmente baixos, pois não há peças que escorreguem dentro do cilindro.

Cilindro de efeito único
A barra é apenas em uma extremidade do pistão, que é contraída por molas ou pela mesma gravidade. A carga pode ser colocada apenas em uma extremidade do cilindro.

Cilindro de efeito duplo
A carga pode ser colocada em ambos os lados do cilindro. Um pulso horizontal é gerado devido à diferença de pressão entre as extremidades do pistão

Cilindro telescópico
A barra do tipo de tubo de múltiplos estágios é empurrada sucessivamente quando aplicada ao cilindro de óleo pressurizado. Um curso relativamente longo pode ser alcançado em comparação com o comprimento do cilindro

Motor hidráulico
Nos motores hidráulicos, o movimento rotativo é gerado pela pressão. Esses motores podem ser classificados em dois grandes grupos: o primeiro é um tipo rotativo no qual as engrenagens são acionadas diretamente por óleo sob pressão, e o segundo, do tipo oscilante, o movimento rotativo é gerado pela ação oscilatória de um pistão ou martelo; Este tipo tem maior demanda devido a sua maior eficiência. Abaixo está a classificação deste tipo de motor

Motor da engrenagem
Motor rotativo do tipo palheta
Motor da hélice
Motor hidráulico Motor excêntrico
Pistão axial
Tipo oscilante Motor com eixo inclinado
Motor de engrenagem: O óleo de pressão flui da entrada atuando na face dentada de cada engrenagem gerando torque na direção da seta. A estrutura do motor é simples, portanto, é altamente recomendável para uso em operações de alta velocidade.
Motor com pistão de eixo inclinado
O óleo pressurizado que flui da entrada empurra o pistão contra o flange e a força resultante na direção radial faz com que o eixo e o bloco do cilindro girem na direção da seta. Este tipo de motor é muito conveniente para aplicações de alta pressão e alta velocidade. É possível modificar sua capacidade alterando o ângulo de inclinação do eixo.

Motor oscilante com pistão axial
Sua função é absorver um certo volume de fluido sob pressão e devolvê-lo ao circuito quando ele precisar.

Atuadores pneumáticos
Os mecanismos que convertem a energia do ar comprimido em trabalho mecânico são chamados de atuadores pneumáticos. Embora em essência sejam idênticos aos atuadores hidráulicos, a faixa de compressão é menor neste caso, além disso há uma pequena diferença em termos de uso e em relação à estrutura, motivada aos elementos de alimentação (ar) são diferentes daqueles usados ​​em cilindros hidráulicos.

Nesta classificação aparecem os foles e diafragmas, que utilizam ar comprimido e são considerados como simples atuadores de efeito, e também os músculos de borracha artificial, que ultimamente têm recebido muita atenção.

Efeito simples
Cilindro pneumático
Atuador pneumático de efeito duplo
Atuador linear de efeito duplo sem haste
Com engrenagem e cremalheira
Com engrenagem e duplo zíper
Motor pneumático com palheta
Com pistão
Com um cata-vento ao mesmo tempo
Multivalve
Motor rotativo com pistão
Do entalhe vertical
Êmbolo
Fole, diafragma e músculo artificial
Cilindro de efeito único
Paletes rotativas
Eles são elementos motores projetados para fornecer um giro limitado em um eixo de saída. A pressão do ar atua diretamente em uma ou duas lâminas imprimindo um movimento de giro. Estes não excedem 270 ° e os de paletes duplos não excedem 90 °.

Partes de um atuador
Sistema “chave de segurança”: Este método de chave de segurança para reter as tampas do atuador usa uma fita de aço inoxidável cilíndrica flexível em uma ranhura deslizante usinada pela máquina. Isso elimina a concentração de tensões causadas por cargas centradas nos parafusos das tampas e helicoides. As chaves de segurança aumentam consideravelmente a resistência do conjunto do atuador e fornecem uma trava de segurança contra o desacoplamento perigoso.
Pinhão com ranhura: Esta ranhura na parte superior do pinhão fornece uma transmissão direta autocentrante para indicadores de posição e chaves de posição, eliminando o uso de flanges de acoplamento. (Sob a norma Namur).
Rolamentos de emenda: Esses rolamentos de emenda roscados e roscados servem para simplificar o acoplamento dos encaixes a serem montados na parte superior. (Sob os padrões ISO 5211 e VDI).
Passagem de ar grande: Os dutos internos para a passagem de ar extra grande permitem uma operação rápida e evitam o bloqueio dos mesmos.
Muñoneras: Um novo design e máxima durabilidade, permanentemente lubrificado, resistente à corrosão e fácil de substituir, prolonga a vida útil do atuador nas aplicações mais severas.
Construção: A força máxima deve ser fornecida contra amassados, choques e fadiga. Sua cremalheira e pinhão devem ser de grande calibre, devem ser usinados com máquinas de alta precisão e eliminam o jogo para obter posições precisas.
Ceramigard: Superfície forte, resistente à corrosão, semelhante à cerâmica. Protege todas as partes do atuador contra desgaste e corrosão.
Revestimento: Um revestimento duplo, para fornecer proteção extra contra ambientes agressivos.
Acoplamento: Acoplamento ou desacoplamento de módulos de substituição com mola ou segurança em caso de falha de pressão de ar.
Parafusos de ajuste do curso: Fornece ajustes para a rotação do pinhão em ambas as direções do percurso; o que é essencial para cada válvula de ¼ de volta.
Pinhões radiais e de suporte do pinhão: munhões substituíveis que protegem contra cargas verticais. Os silenciadores radiais suportam toda a carga radial.
Vedações do pinhão – superior e inferior: as vedações do pinhão são posicionadas para minimizar todas as folgas possíveis, para proteger contra a corrosão.
Molas de segurança indestrutíveis em caso de falha: Estas molas são projetadas e fabricadas para nunca falharem e são posteriormente protegidas contra corrosão. As molas são classificadas e atribuídas de uma maneira particular para compensar a perda de memória à qual cada mola está sujeita; para verdadeira confiança em caso de falha no suprimento de ar.

Os atuadores mais usuais são:

Cilindros Pneumáticos e Hidráulicos. Eles realizam movimentos lineares.
Motores (atuadores rotativos) pneumáticos e hidráulicos. Eles realizam movimentos de rotação por meio de energia hidráulica ou pneumática.
Válvulas Há controle direto, motorizado, eletropneumático, etc. Eles são usados ​​para regular o fluxo de gases e líquidos.
Resistências de aquecimento. Eles são usados ​​para aquecer.
Motores elétricos. Os mais utilizados são indução, contínua, sem escova e passo a passo.
Bombas, compressores e ventiladores. Movido geralmente por motores elétricos de indução.

Atuadores macios impressos em 3D
Atuadores suaves estão sendo desenvolvidos para manipular objetos frágeis como a colheita de frutas na agricultura ou manipular os órgãos internos da biomedicina, o que sempre foi uma tarefa desafiadora para a robótica. Ao contrário dos atuadores convencionais, os atuadores macios produzem movimento flexível devido à integração de alterações microscópicas no nível molecular em uma deformação macroscópica dos materiais do atuador.

A maioria dos atuadores macios existentes é fabricada usando processos de baixo rendimento multipasso, tais como micro-moldagem, fabricação de forma livre sólida e litografia de máscara. No entanto, esses métodos exigem a fabricação manual de dispositivos, pós-processamento / montagem e longas iterações até que a maturidade na fabricação seja alcançada. Para evitar os aspectos tediosos e demorados dos atuais processos de fabricação, os pesquisadores estão explorando uma abordagem de fabricação apropriada para a fabricação efetiva de atuadores macios. Portanto, sistemas soft soft especiais que podem ser fabricados em uma única etapa por métodos de prototipagem rápida, como impressão 3D, são utilizados para estreitar a lacuna entre o projeto ea implementação de atuadores flexíveis, tornando o processo mais rápido, mais barato e mais simples. Eles também permitem a incorporação de todos os componentes do atuador em uma única estrutura, eliminando a necessidade de usar juntas externas, adesivos e fixadores. Isso resulta em uma diminuição no número de partes discretas, etapas de pós-processamento e tempo de fabricação.

Os atuadores macios impressos em 3D são classificados em dois grupos principais, a saber: “atuadores macios semi-impressos em 3D” e “atuadores macios impressos em 3D”. A razão para tal classificação é distinguir entre os atuadores macios impressos que são fabricados por meio do processo de impressão 3D no todo e os atuadores macios cujas peças são feitas por impressoras 3D e posteriormente processadas. Essa classificação ajuda a esclarecer as vantagens dos atuadores macios impressos em 3D sobre os atuadores macios impressos em 3D, devido à sua capacidade de operação sem a necessidade de qualquer montagem adicional.

Os atuadores de polímero de memória de forma (SMP) são os mais semelhantes aos nossos músculos, fornecendo uma resposta a uma série de estímulos, como mudanças de luz, elétrica, magnética, calor, pH e umidade. Eles têm algumas deficiências, incluindo fadiga e alto tempo de resposta que foram melhoradas através da introdução de materiais inteligentes e combinação de diferentes materiais por meio de tecnologia avançada de fabricação. O advento das impressoras 3D criou um novo caminho para a fabricação de atuadores SMP de resposta rápida e de baixo custo. O processo de receber estímulos externos como calor, umidade, entrada elétrica, luz ou campo magnético pelo SMP é chamado de efeito de memória de forma (SME). O SMP exibe algumas características recompensadoras como baixa densidade, alta recuperação de deformação, biocompatibilidade e biodegradabilidade.

Fotopolímeros / polímeros ativados por luz (LAP) são outro tipo de SMP que são ativados por estímulos luminosos. Os atuadores LAP podem ser controlados remotamente com resposta instantânea e, sem qualquer contato físico, somente com a variação da freqüência ou intensidade da luz.

A necessidade de atuadores macios, macios, leves e biocompatíveis na robótica leve influenciou os pesquisadores para a criação de atuadores macios pneumáticos devido à sua natureza de complacência intrínseca e capacidade de produzir tensão muscular.

Polímeros tais como elastômeros dielétricos (DE), compósitos iônicos de metal polimérico (IPMC), polímeros eletroativos iônicos, géis polieletrolíticos e compósitos em gel-metal são materiais comuns para formar estruturas 3D em camadas que podem ser adaptadas para funcionar como atuadores macios. Os atuadores EAP são categorizados como atuadores macios impressos em 3D que respondem à excitação elétrica como deformação em sua forma.

Exemplos e Aplicações
Na engenharia, os atuadores são frequentemente usados ​​como mecanismos para introduzir movimento ou para prender um objeto, de modo a impedir o movimento. Em engenharia eletrônica, atuadores são uma subdivisão de transdutores. São dispositivos que transformam um sinal de entrada (principalmente um sinal elétrico) em alguma forma de movimento.

Exemplos de atuadores
Unidade de pente
Dispositivo de micro-espelho digital
Motor elétrico
Polímero eletroativo
Cilindro hidráulico
Atuador piezoelétrico
Atuador pneumático
Tomada de parafuso
Servomecanismo
Solenóide
Motor de passo
Liga de memória de forma
Bimorfo térmico
Atuadores hidráulicos

Circular para conversão linear
Os motores são usados ​​principalmente quando os movimentos circulares são necessários, mas também podem ser usados ​​para aplicações lineares, transformando movimento circular para movimento linear com um parafuso de avanço ou mecanismo similar. Por outro lado, alguns atuadores são intrinsecamente lineares, como atuadores piezelétricos. Conversão entre movimento circular e linear é comumente feita através de alguns tipos simples de mecanismo, incluindo:

Parafuso: todos os atuadores de parafuso, fuso de esferas e parafuso de rolo operam com base no princípio da máquina simples conhecida como parafuso. Girando a porca do atuador, o eixo do parafuso se move em uma linha. Ao mover o eixo do parafuso, a porca gira.
Roda e eixo: guincho, guincho, cremalheira e pinhão, acionamento por corrente, acionamento por correia, corrente rígida e atuadores de correia rígida operam de acordo com o princípio da roda e do eixo. Ao girar uma roda / eixo (por exemplo, tambor, engrenagem, polia ou eixo), um membro linear (por exemplo, cabo, rack, corrente ou correia) se move. Movendo o membro linear, a roda / eixo gira.
Instrumentação virtual
Na instrumentação virtual, atuadores e sensores são os complementos de hardware de instrumentos virtuais.

Métricas de desempenho
Métricas de desempenho para atuadores incluem velocidade, aceleração e força (alternativamente, velocidade angular, aceleração angular e torque), bem como eficiência energética e considerações como massa, volume, condições de operação e durabilidade, entre outras.

Força
Ao considerar a força em atuadores para aplicações, duas métricas principais devem ser consideradas. Estes dois são cargas estáticas e dinâmicas. A carga estática é a capacidade de força do atuador enquanto não está em movimento. Por outro lado, a carga dinâmica do atuador é a capacidade de força em movimento.

Rapidez
A velocidade deve ser considerada principalmente em um ritmo sem carga, uma vez que a velocidade irá diminuir invariavelmente à medida que a carga aumenta. A taxa que a velocidade diminuirá se correlacionará diretamente com a quantidade de força e a velocidade inicial.

Condições de funcionamento
Atuadores são comumente classificados usando o sistema de classificação de código IP padrão. Aqueles que são classificados para ambientes perigosos terão uma classificação IP mais alta do que aqueles para uso industrial pessoal ou comum.

Durabilidade
Isso será determinado por cada fabricante individual, dependendo do uso e da qualidade.