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 (continuación…)

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Actuadores

Músculos neumáticos

Músculo neumático Es un actuador de tracción que funciona como un músculo humano, capaz de generar una fuerza de tracción inicial muy grande.

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Actuadores

Músculo neumático - estructura Los músculos neumáticos están compuestos por un tubo interno de caucho, que aloja el aire a presión, recubierto por una malla de fibras trenzadas. Uno de los extremos se encuentra cerrado por una placa y es por donde el músculo aplica la fuerza al exterior. En el otro extremo se sitúa una válvula de regulación con la que se hincha o deshincha el tubo interior de caucho.

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Actuadores

Malla de fibras trenzadas

Placa

Músculo neumático - funcionamiento Al introducir aire a presión en el tubo de caucho este se hincha expandiéndose en sentido transversal, lo cual provoca en la malla de fibras, una tensión en sentido tangencial al tubo de caucho y ortogonal al eje de rotación del mismo, convirtiéndose en un desplazamiento y una fuerza en sentido axial.

La malla de fibras inextensibles está trenzada en forma de rombo, como se muestra a continuación:

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Actuadores

transversal

axial

Músculo neumático - ventajas Actuador de gran fuerza y carrera corta, sin movimientos a tirones.

Fuerza diez veces superior a la de un cilindro de dimensiones semejantes.

Robusto e incluso se puede utilizar en condiciones extremas, como las existentes en entornos con arena o polvo.

Regulación sencilla de las posiciones intermedias mediante ajuste de la presión.

Liviano, hermético y sin fugas.

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Actuadores

Músculos neumáticos - MAS En el MAS, la fijación de la membrana se realiza mediante una unión roscada.

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Tamaños: 10, 20, 40 mm Longitudes nominales: 40 a 9000 mm Fuerzas de elevación: 480 a 6000 N Conexión atornillada

Actuadores

Músculo neumático - DMSP En el DMSP, la membrana está comprimida sobre un casquillo y los adaptadores están integrados.

Además, el DMSP destaca respecto al MAS por su construcción compacta (sección un 25% inferior, 30% menos de peso).

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Tamaños: 10, 20, 40 mm Longitudes nominales: 40 a 9000 mm Fuerzas de elevación: 480 a 6000 N Conexión prensada

Actuadores

Músculo neumático - fuerza y carga La longitud nominal del músculo neumático se determina sin

presión.

El valor corresponde a la longitud visible de la membrana entre los elementos de fijación.

El músculo se expande si es sometido a una fuerza de tracción externa. Al aplicar presión se produce una contracción del músculo con lo que su longitud es menor.

Para determinar el tipo de músculo neumático necesario para cualquier aplicación, se puede simular utilizando el siguiente software: MuscleSim - http://goo.gl/j5g6ML

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Actuadores

Músculo neumático - aplicaciones Puede utilizarse para una gran cantidad de aplicaciones: industria automovilística, automatización de procesos industriales en general, técnicas médicas, técnicas de simulación, industria de la impresión, técnicas de edificaciones y, por supuesto, automatización industrial.

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Actuadores

Músculo neumático - aplicaciones

Fuerza y dinamismo

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Actuador de una punzadora El músculo neumático funciona con ciclos muy cortos. La estructura sencilla del músculo pretensado mediante dos muelles, puede sustituir un complicado sistema de sujeción mediante palanca articulada con cilindros. De esta manera es posible aumentar la frecuencia de 3 a 5 Hz.

Actuadores

Músculo neumático - aplicaciones

Fuerza y dinamismo

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Sistema de parada de emergencia de rodillo El músculo neumático es la referencia en aplicaciones que exigen reacciones muy rápidas. La aplicación de parada de emergencia de rodillos exige reacciones rápidas y mucha fuerza. Con esta función es posible evitar tiempos prolongados de improductividad de las máquinas.

Actuadores

Músculo neumático - aplicaciones

Fuerza y dinamismo

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Accionamiento de un desvío El músculo neumático es el actuador ideal para tareas de clasificación y frenado de piezas en sistemas de transporte: es capaz de ejecutar movimientos muy rápidos y su aceleración es inmediata. Gracias a su respuesta inmediata, es posible obtener ciclos muy cortos.

Actuadores

Músculo neumático - aplicaciones

Movimientos sin tirones

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Freno en un equipo rebobinado El músculo neumático ejecuta los movimientos sin fricción, por lo que es posible frenar suavemente el tambor. Ello significa que la operación de bobinado es extremadamente precisa ya que el movimiento es constante. El control está a cargo de una válvula proporcional, cuyas señales se regulan mediante detectores de la fuerza.

Actuadores

Músculo neumático - aplicaciones

Movimientos sin tirones

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Alineación de una bobina en procesos de enrollado Tarea: enrollar de modo homogéneo papel, folios o productos textiles. Requisitos: utilización de un actuador exento de fricciones y de respuesta inmediata. Solución: el tambor montado en un bastidor móvil se desplaza por acción de un músculo neumático, de este modo, el canto del material siempre es exacto al 100%.

Actuadores

Músculo neumático - aplicaciones

Sistema de posicionamiento

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Sistema elevador para la manipulación de baldosas de hormigón Es muy sencillo avanzar hasta posiciones intermedias regulando la presión: con una válvula de palanca manual se aumenta o reduce la presión dentro del músculo neumático, con lo que las piezas pueden elevarse o descenderse hasta alturas indistintas. Con músculos de hasta 9 metros de largo es posible encontrar soluciones óptimas para muchas aplicaciones.

Actuadores

Músculo neumático - aplicaciones

Sistema de posicionamiento

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Ajuste del ancho en cintas de transporte Tratándose de lotes pequeños, suele ser necesario adaptar las máquinas a piezas de tamaños diferentes. En los casos en los que es suficiente realizar un ajuste aproximado, el músculo neumático es la solución más apropiada y sencilla.

Actuadores

Músculo neumático - aplicaciones

Entornos industriales difíciles

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Tensor de cintas de transporte En entornos polvorientos y sucios, el músculo neumático ofrece ventajas evidentes en comparación con actuadores convencionales. El músculo no tiene juntas que pueden desgastarse. El robusto músculo es muy resistente, apropiado, por ejemplo, para la difícil utilización en la industria del cemento.

Actuadores

Músculo neumático - aplicaciones

Entornos industriales difíciles

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Vibrador para desatascar un depósito de alimentación por gravedad En depósitos o silos suelen surgir problemas porque se atascan las piezas. Con la ayuda del músculo neumático es posible conseguir que un vibrador neumático alcance una frecuencia desde 10 hasta 90 Hz. De este modo las piezas avanzan de modo continuo y fiable.

Actuadores

Músculo neumático - aplicaciones

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Actuadores

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 hidráulicos Los sistemas hidráulicos están diseñados para mover grandes cargas mediante el control de un fluido a alta presión en líneas de distribución y pistones con válvulas mecánicas o electromecánicas

Un sistema hidráulico, consiste en una bomba para entregar fluido a alta presión, un regulador de presión para limitar la presión del sistema, válvulas para controlar las tasas de flujo y presiones, un sistema de distribución compuesto de mangueras o tuberías, y actuadores lineales y giratorios

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Actuadores

Actuadores hidráulicos Los actuadores hidráulicos son los encargados de dar movimiento a cualquier estructura mecánica, pueden ser clasificados de acuerdo con la forma de operación

Existen tres grandes grupos de actuadores hidráulicos:

Cilindro hidráulico

Motor hidráulico

Motor hidráulico de oscilación

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Actuadores

Actuadores hidráulicos - cilindro De acuerdo con su función podemos clasificar a los cilindros hidráulicos en 2 tipos: de Efecto simple y de doble acción (efecto doble)

Efecto simple, donde se mantiene en una posición por presión y regresa a la otra posición mediante un resorte o por el peso de la carga

Efecto doble, donde la presión se usa para impulsar el pistón en ambas direcciones

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Actuadores

Actuadores hidráulicos - cilindro

Aplicaciones simples

El movimiento del cilindro en el elevador hidráulico impulsa directamente el elevador

La palanca de tijera convierte un pequeño movimiento lineal en dirección horizontal en un gran movimiento lineal en la dirección vertical

El movimiento lineal del cilindro en la grúa resulta el movimiento giratorio de su pluma pivoteada

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Actuadores

Actuadores hidráulicos - motor En los motores hidráulicos el movimiento rotatorio es generado

por la presión.

Estos motores los podemos clasificar en dos grandes grupos: rotatorio y oscilante.

Tipo rotatorio: los engranes son accionados directamente por aceite a presión.

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Actuadores

Actuadores hidráulicos - motor Tipo oscilante: el movimiento rotatorio es generado por la acción oscilatoria de un pistón. Este tipo tiene mayor demanda debido a su mayor eficiencia.

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Actuadores

Actuadores hidráulicos - válvulas Existen dos tipos de válvulas hidráulicas: la válvula de posición infinita que permite cualquier posición entre abierto y cerrado para modular el flujo o la presión y la válvula de posición finita que tiene posiciones discretas, usualmente solo abierto y cerrado y cada una proporciona una diferente condición de presión y flujo.

Las conexiones de entrada y salida a una válvula también se llaman puertos.

Las válvulas de posición finita se describen comúnmente mediante una designación x/y, donde x es el número de puertos y y es el número de posiciones.

30 Esquema de válvulas 4/3

Actuadores

Actuadores hidráulicos - válvulas

En la posición 1, la presión del sistema se desfoga al tanque; en esta posición, el cilindro no se mueve porque la presión de desfoga al tanque.

En la posición 2, el puerto de salida A se presuriza y el puerto B se desfoga al tanque; en esta posición el cilindro me mueve a la derecha, pues se aplica presión en le lado izquierdo del pistón.

En la posición 3, el puerto de salida B se presuriza y el puerto A desfoga al tanque; en esta posición, el cilindro me nueve a la izquierda porque se aplica presión al lado derecho del pistón.

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Actuadores

Actuadores hidráulicos - válvulas Algunos tipos de válvulas de posición fija son las válvulas de retención, las válvulas de resorte, las válvulas de carrete y las válvulas rotativas.

Las válvulas de retención permite flujo sólo en una dirección.

La válvula de resorte es una válvula de retención cuya apertura puede forzarse para permitir el flujo inverso.

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Actuadores

Proyecto de laboratorio 5

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Proyecto de laboratorio 5

Realizar un juego mecánico utilizando por lo menos 4 músculos neumáticos controlado mediante Visual Basic.

Objetivo: Objetivo:

Características del sistema: • El juego mecánico deberá ser innovador y creativo. • Se interactuará y controlará mediante Visual Basic. • Se deberá utilizar las teclas de la computadora para realizar algún tipo

de movimiento. • La interfaz de usuario deberá tener un diseño profesional, sencillo y

funcional, con resolución de 1024 x 800 px. (Si se tiene problemas con la resolución, aproximarse lo más posible).

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