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Elementos de
Mecatrónica
Dr. José Sebastián Gutiérrez Calderón
Profesor Investigador - Ingenierías UP
[email protected]
Temas generales del curso
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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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Actuadores
Existen tres tipos de actuadores:
 Neumáticos
 Hidráulicos
 Eléctricos
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
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Actuadores
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.
Vástago
Émbolo
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Actuadores
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).
Motor
Eléctrico
(Energía
Eléctrica)
Eje del
Compresor
(Energía
Mecánica)
Compresor
(Energía de
fluido)
Actuador
(Energía
Mecánica)
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Actuadores
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
Motor de paletas con
un sentido de giro
Motor de paletas con
dos sentidos de giro
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Actuadores
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.
P: Puerto entrada
A: Puerto salida
R: Desfogue
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Actuadores
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:
2/2
3/2
4/2
5/2
5/3
N° Vías / N° posiciones
2 vías / 2 posiciones
3 vías / 2 posiciones
4 vías / 2 posiciones
5 vías / 2 posiciones
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.
Normalmente cerrado
Normalmente abierto
P: Puerto entrada
A: Puerto salida
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Actuadores
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
24 V.
Entrada de aire
24 V.
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Actuadores
Electroválvula
Sensor magnético



BN + (Café)
BU - (Azul)
BK Señal (negro)
+ BN
Señal BK
- BU
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Proyecto de
laboratorio 4
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Proyecto de laboratorio 4
Objetivo:
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.
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.
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Proyecto de laboratorio 4
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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