2.3 Sistemas de Actuación (mecánicos, eléctricos, neumáticos e hidráulicos)

2.3.1 Sistemas de Actuación Mecánicos

Los mecanismos son dispositivos que se pueden considerar convertidores de movimiento de una forma u otra. Entre los elementos mecánicos están los mecanismos de barras, levas, engranes, cadenas, etc. Los microprocesadores son útiles para llevar a cabo:

1. amplificación de fuerzas

2. cambio de velocidad

3. transferencia de rotación de un eje a otro

4. determinar tipos de movimiento

El termino cinemática se refiere al estudio del movimiento sin tener en cuenta las fuerzas. El movimiento de un cuerpo rígido se puede considerar como la combinación de movimientos de traslación y rotación. Un aspecto importante del diseño de los elementos mecánicos es la orientación y disposición de elementos y partes.

El principio de restricción mínima, establece que al fijar un cuerpo o al guiarlo en determinado tipo de movimiento debe emplearse la cantidad mínima de restricciones, a esta se le conoce como diseño cinematico.

Cada una de las partes del mecanismo que se mueve en relación con otros se denomina articulación. Esta no tiene fuerza por ser un cuerpo rígido, con dos o mas puntos de unión con otras articulaciones y a las cuales se les denomina nodos. Una pieza enlace es una conexión de dos o mas articulaciones en sus nodos, el cual permite que haya cierto movimiento. Al conjunto de eslabonamiento y de articulaciones se conoce como cadena cinemática.

La cadena de cuatro barras consiste en cuatro acoplamientos conectados entre si de manera que producen cuatro piezas de enlace, los cuales tienen la posibilidad de girar.

El mecanismo corredera consta de un eje de levas, una biela y una corredera. El mecanismo de retorno consta de un eje de levas giratorio, la cual gira alrededor de un centro fijo, una palanca oscilante que gira y se desplaza de atrás hacia delante.

Una leva en un cuerpo que gira u oscila y al hacerlo transmite un movimiento alterno a un segundo cuerpo conocido como seguidor.

La leva excéntrica es circular y su centro de rotación esta descentrado. La leva en forma de corazón produce un desplazamiento en el seguidor que aumenta a velocidad constante con el tiempo. La leva en forma de pera produce un movimiento del seguidor estacionario, se emplea para válvulas de motor.

Los trenes de engranes son mecanismos utilizados para transferir y transformar el movimiento rotacional, se emplean para obtener un cambio en la velocidad. Tren de engranes se refiere a una serie de engranes rectos conectados ente sí. Tren de engranes compuesto se refiere cuando dos o más engranes están montador en un eje común. Las ruedas dentadas se utilizan para trabar un mecanismo cuando sostiene una carga.

Las transmisiones por correo son un par de cilindros giratorios similares, donde el movimiento de cada uno de los cilindros se transfiere a otro mediante una correa.

Tipos de correas

1. planas

2. redonda

3. en V

4. correa dentada reguladora de tiempo

Para evitar deslizamientos se utilizan cadenas, las cuales se traban en los dientes de los cilindros rotacionales.

La función de los cojinetes o chumaceras es guiar el movimiento de una parte respecto de otra de manera mínima fricción y máxima exactitud. El cojinete consiste en una inserción de un material adecuado que se ajusta entre el eje y el soporte.

Tipos de lubricación

1. hidrodinámica

2. hidrostática

3. de capa salida

4. capa limite

Cojinetes tipo bola, la carga principal se transfiere del eje rotacional al apoyo mediante un contacto de rodadura en vez de un contacto por deslizamiento.

Hay varios tipos de cojinetes tipo bola:

1. rígido de bolas

2. ranura de relleno

3. contacto angular

4. de doble hilera

5. cojinete autolineable

6. axiales

Hay varios tipos de cojinetes de rodillo:

1. rodillo cilíndrico

2. rodillo cónico

3. rodillo de agujas

Los cojinetes de deslizamiento seco solo se utilizan en ejes de diámetro pequeño, en los que la carga y la velocidad con pequeñas, los rodamientos de bola y rodillos se usan cuando hay movimiento rotacional, los hidrodinámicos se usan para cargas y ejes de diámetros grandes.

2.3.2 Sistemas de Actuación Eléctricos

Los interruptores mecánicos son elementos que con frecuencia se usan como sensores para producir y enviar entradas a diversos sistemas. Los relevadores de retardo son relevadores de control y su acción de conmutación se produce un retardo, que es ajustable y se inicia al pasar a una corriente por el devanado. Un diodo permite el paso de una cantidad significativa de corriente solo en una dirección.

El tiristor o rectificador controlado por silicio (SCR) es un diodo con una compuerta que controla las condiciones en las que se activa. El triac (tiristor bidireccional) equivale a un par de tiristores conectados en forma inversa y paralela al mismo chip. Son un medio sencillo y barato de controlador de potencia ca.

Existen dos tipos de transistores bipolares: el npm la corriente principal entre por el colector y sale por el emisor y el pnm la corriente principal entra por el emisor y sale por el colector.

La combinación de un par de transistores que permite la conmutación de un valor de corriente alto con una entrada de corriente pequeña se conoce como par de Darlington.

Hay dos tipos de MOSFET´s( transistores de efecto de campo de semiconductor de oxido metálico) de canal n y canal p. 

Para los sistemas eléctricos se deben de tomar en cuenta:

1. Dispositivos de conmutación

2. Dispositivos de tipo selenoide

3. Sistemas motrices

Los motores eléctricos se emplean como elemento de control final en los sistemas de control por posición o velocidad. Se puede clasificar en motores cd y ca. Los principios básicos de un motor son:

1. Cuando en un campo magnético, una corriente pasa por un conductor , se ejerce una fuerza sobre este

2. Cuando un conductor se desplaza dentro de un campo magnético, se induce una f.e.m

Los motores de cd con devanados de campo se dividen en:

1. Motor (con excitación ) en serie

2. Motor en derivación(en paralelo)

3. Motor de excitación compuesta

4. Motor de excitación independiente

Para modificar las velocidad de estos motores de cd se cambia la corriente con la armadura o la de campo. Se utiliza la técnica llamada modulación por ancho de pulso (PWM).

Los motores ca se pueden clasificar en: monofásico y polifásicos, cada uno de los cuales se subdivide en motores de inducción y motores síncronos. El motor de inducción de una fase y jaula de ardilla consta de un rotor tipo jaula de ardilla. El motor básico consta de un rotor y un estator con varios devanados.

El motor de inducción trifásica, tiene un estator con 3 devanados separados 120º, cada uno conectado a una de las 3 líneas de alimentación eléctrica. Los motores síncronos tienen estatores similares a los motores de inducción, pero el rotor es un imán permanente.

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.

Tipos de motores pasó a paso:

1. Motor paso a paso de reluctancia variable

2. Motor paso a paso de imán permanente

3. Motor paso a paso hibrido

Los motores bifásicos, se denominan motores bipolares, si tienen 4 cables para conectar señales que generen la secuencia de conmutación. Estos motores se excitan mediante circuitos H. Se denominan unipolares cuando tienen 6 cables de conexión para generar la secuencia de conmutación.

2.3.3 Sistemas de Actuación Hidráulicos y Neumáticos

Las señales neumáticas son utilizadas para controlar elementos de actuación final.

La válvula de alivio de presión protege contra un aumento de la presión del sistema que excede el nivel de seguridad.

En los sistemas hidráulicos se utiliza válvulas de control de dirección para controlar el flujo de un fluido que pasa por u sistema, son dispositivos abierto o cerrados se usan en el diseño de sistemas de control de secuencia.

Válvula tipo carrete: dentro del cuerpo de la válvula se desplaza un carrete en forma horizontal para controlar el flujo. Las válvulas giratorias de carrete tienen un carrete giratorio que al girar abre y cierra los puertos.

La válvula de control direccional es la válvula vástago, en condiciones normales esta válvula está cerrada y no hay conexión entre el puerto 1 y puertos 2 para controlar flujo en las válvulas de vástago se utilizan bolas, discos junto con los asientos de vástago.

El sistema accionado con pilotaje, usa una válvula para controlar y una segunda válvula. Válvula direccional, el flujo solo s realizar en la direccional en que la bola empuja al resorte, el flujo en la dirección opuesta esta bloqueado.

Válvulas de control de presión:

1. válvulas de regulación de presión : controlan la presión de un circuito manteniéndola constante

2. válvulas limitadoras de presión sirven como dispositivos de seguridad para limitar la presión

3. válvulas de secuencia de presión se usan para detectar la presión de una línea externa y producir una señal

El cilindro hidráulico o neumático son ejemplos de actuadores lineales, las únicas diferencias son el tamaño debido a los mayores presiones que se utilizan en las versiones hidráulicas. De simple acción se utiliza cuando se aplica presión en unos de los extremos y de doble acción cuando se aplica presión de control a los dos lados de un pistón.

Las válvulas para el control de procesos permiten controlar el gasto de un fluido. Uno de los elementos básicos es un actuador que se desplaza en un tapón en la tubería por donde circula el fluido.

Actuador de diafragma consiste en un diafragma con la señal de presión de entrada del controlador en un lado y en el otro. El diafragma esta hecho de hule sujeto de dos discos de acero.

Los cuerpos y tapones de las válvulas tienen diferentes formas: de asiento la válvula en la que el fluido solo tiene una trayectoria para recorrerla, de doble asiento cuando el fluido entra por ella y se divide en dos corrientes.

La forma del tapón define la relación que existe entre el movimiento del vástago y el efecto de gasto. Tipo apertura rápida: se utiliza cuando se necesita un control de on/off. De contorno lineal: el cambio del flujo es proporcional al cambio en el desplazamiento del vástago de la válvula.

El dimensionamiento de una válvula se refiere al procedimiento para calcular el tamaño adecuado del cuerpo de una válvula.

Un cilindro lineal provisto de las conexiones necesarias para producir giros con ángulos de <360º. Actuador semigiratorio, el cual utiliza un alabe de diferencia de presión entre ambos puertos hacer girar el alabe y el vástago.

Para giros de mas de 360º se emplea un motor neumático, motor de alabes, un rotor giratorio que tiene las ranuras que fuerzan el desplazamiento hacia fuera de los alabes, la dirección de rotación del motor se puede invertir utilizando otro puerto de entrada.