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3.1 Introducción
TEMA 3. ELEMENTOS MOTORES
 Introducción.
 Accionadores eléctricos.
 Accionadores neumáticos.
 Accionadores hidraúlicos.
 Transmisiones y reductores.
 Frenos.
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Tipos de accionadores
Los accionadores tienen por misión generar el movimiento de los
elementos del robot según las órdenes dadas por la unidad de
control.
Tipos de accionadores:
• Eléctricos
• Neumáticos
• Hidraúlicos
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3.2 Accionadores eléctricos.
TEMA 3. ELEMENTOS MOTORES
 Introducción.
 Accionadores eléctricos.
 Accionadores neumáticos.
 Accionadores hidraúlicos.
 Transmisiones y reductores.
 Frenos.
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Accionadores electricos
Tipos de accionadores eléctricos:
•Motores de CA
•Motores de CC
•Motores paso a paso
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Motor de CC
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Motor de CC
En este tipo de motores, los devanados inductor e inducido son
alimentados por corriente continua.
El control de la velocidad se efectúa fácilmente manteniendo constante
la corriente del inductor y actuando sobre la tensión en bornes del
inducido, o bien manteniendo constante la tensión de inducido y actuando
sobre el inductor.
Con el primer método, a flujo constante, el par electromagnético
generado es proporcional a la corriente de inducido lo que permite medir
fácilmente el par y utilizar esta variable en el control del motor. Todo ello,
unido al bajo rendimiento del motor de corriente continua controlado por
campo, y al efecto estabilizador de la velocidad debido a la fuerza
contraelectromotriz en el control por inducido, hace que este último sea el
más utilizado.
En la actualidad pueden encontrarse motores de este tipo con potencias
nominales de hasta 10 kW.
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ROTOR: Eje, núcleo, devanado, conmutador
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ROTOR: Eje, núcleo, devanado, conmutador
ROTOR: Eje: Formado por una barra de acero fresada. Imparte la rotación al núcleo, devanado y
al colector.
Núcleo: Se localiza sobre el eje. Fabricado con chapas laminadas de acero, su función es
proporcionar un trayecto magnético entre los polos para que el flujo magnético del devanado
circule. Las laminaciones tienen por objeto reducir las corrientes parásitas en el núcleo
Devanado: Consta de bobinas aisladas entre sí y entre el núcleo de la armadura. Estas bobinas
están alojadas en las ranuras, y están conectadas eléctricamente con el colector, el cual debido a
su movimiento rotatorio, proporciona un camino de conducción conmutado.
Colector: Denominado también conmutador, está constituido de láminas de material conductor
(delgas), separadas entre sí y del centro del eje por un material aislante, para evitar cortocircuito
con dichos elementos. El colector se encuentra sobre uno de los extremos del eje del rotor, de
modo que gira con éste y está en contacto con las escobillas. La función del colector es recoger la
tensión producida por el devanado inducido, transmitiéndola al circuito por medio de las escobillas
ESTATOR: Armazón: Denominado también yugo, tiene dos funciones primordiales: servir como
soporte y proporcionar una trayectoria de retorno al flujo magnético del rotor y del imán
permanente, para completar el circuito magnético.
Imán permanente: Compuesto de material ferromagnético altamente remanente, se encuentra
fijado al armazón o carcasa del estator. Su función es proporcionar un campo magnético uniforme
al devanado del rotor o armadura, de modo que interactúe con el campo formado por el bobinado,
y se origine el movimiento del rotor como resultado de la interacción de estos campos.
Escobillas: Las escobillas están fabricadas de carbón, y poseen una dureza menor que la del
colector, para evitar que éste se desgaste rápidamente. Se encuentran albergadas por los
portaescobillas. Ambos, escobillas y portaescobillas, se encuentran en una de las tapas del
estator. La función de las escobillas es transmitir la tensión y corriente de la fuente de
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alimentación hacia el colector y, por consiguiente, al bobinado del rotor.
Motor de imanes permanentes
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Motor serie
Se obtiene el mayor par de arranque y la más alta velocidad sin
carga en el eje del motor.
No es posible invertir el sentido de giro
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Motor paralelo
Se obtiene el par de arranque más bajo
Buena regulación de velocidad de giro
V. cte con respecto al par de salida
No es posible invertir el sentido de giro
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Motor combinado
Se obtiene alto par de arranque.
Buena regulación de velocidad de giro
No es posible invertir el sentido de giro
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Motor independiente
Caso particular del paralelo
Buena regulación de velocidad de giro
Es posible invertir el sentido de giro
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Control de velocidad
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Motor sin escobillas
Alto par
Baja inercia
Bajo mantenimiento
Imanes de neodimio en el interior
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Motor paso a paso
El motor paso a paso es un elemento capaz de transformar pulsos
eléctricos (información digital) en movimientos mecánicos.
El eje del motor gira un determinado ángulo por cada impulso de
entrada.
El resultado de este movimiento, fijo y
repetible, es un posicionamiento
preciso y fiable.
Un motor de paso a paso puede
girar, en ambos sentidos, un
número exacto de grados, con
incrementos mínimos determinados
por el diseño.
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Aplicaciones
Sus principales aplicaciones se pueden encontrar en:
- Robótica
- Tecnología aeroespacial
- Control de discos duros, flexibles, unidades de CD-ROM o de DVD
e impresoras,
- Manipulación y posicionamiento de herramientas y piezas en
general.
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Microrobot explorador
En este prototipo se puede observar un motor paso a paso
(KP4M4-001, unipolar, con un ángulo de operación de 3,6 grados).
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Montaje del sharp (sensor de IR) sobre el KP4M4-001
Video
Motores paso a paso de un video.
Uno mueve la cinta adelante y atrás;
otro contiene las cabezas lectoras y
escritoras del video.
Aquí se pueden apreciar
mejor las bobinas de los
motores por dentro, uno
tiene 6 y el otro 9
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Cámara de visión
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Máquina de fresar
Motor paso a paso (2.5V; 4.5A por fase 22 kpm de par) aplicado a una
máquina de fresar con el PC
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Principio de funcionamiento
Los motores eléctricos, en general, basan su funcionamiento en las fuerzas ejercidas por un campo
electromagnético y creadas al hacer circular una corriente eléctrica a través de una o varias bobinas. Si
dicha bobina, generalmente circular y denominada estator, se mantiene en una posición mecánica fija y en
su interior, bajo la influencia del campo electromagnético, se coloca otra bobina, llamada rotor, recorrida por
una corriente y capaz de girar sobre su eje, esta última tenderá a buscar la posición de equilibrio magnético,
es decir, orientará sus polos NORTE-SUR hacia los polos SUR-NORTE del estator, respectivamente.
Cuando el rotor alcanza esta posición de equilibrio, el estator cambia la orientación de sus polos, aquel
tratará de buscar la nueva posición de equilibrio; manteniendo dicha situación de manera continuada, se
conseguirá un movimiento giratorio y continuo del rotor y a la vez la transformación de una energía eléctrica
en otra mecánica en forma de movimiento circular.
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Tipos de motores paso a paso
• Reluctancia variable
• Imanes permanentes
• Híbridos
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Motor PAP de Reluctancia variable
Los motores de este tipo poseen un rotor de hierro dulce que en
condiciones de excitación del estator y bajo la acción de su campo
magnético, ofrecen menor resistencia a ser atravesado por su flujo en
la posición de equilibrio
El rotor gira para presentar la mínima reluctancia.
Inconveniente: en condiciones de reposo (sin excitación) el rotor
queda en libertad de girar y, por lo tanto, su posicionamiento de
régimen de carga dependerá de su inercia y no será posible predecir el
punto exacto de reposo
• Rápida aceleración
• Bajo par
• Baja inercia
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Motor PAP de Reluctancia variable
Constituido por tres devanados, E1, E2 y E3, excitados secuencialmente y por un rotor con cuatro dientes,
D1, D2, D3 y D4.
Cuando el primer arrollamiento E1, recibe alimentación, atraerá al rotor hasta que el diente más cercano,
por ejemplo, D1, se alinee con el campo. Al llegar la excitación a E2, el diente D2 será el más próximo,
con lo que el rotor girará 30º.
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Motor PAP de Reluctancia variable
De la misma forma, con el siguiente impulso aplicado a E3, será el diente D3 el alineado, girando otros
30º. Al restituir la alimentación a E1, el atraído será D4, con lo que se vuelve a avanzar un ángulo similar
a los anteriores.
La principal ventaja es su elevada velocidad de accionamiento. Y su principal desventaja es que en
condiciones de reposo (sin excitación) el rotor queda en libertad de girar y, por tanto, su
posicionamiento en régimen de carga dependerá de su inercia y no será posible predecir el punto
exacto de reposo.
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Motor PAP de Imanes permanentes
Está formado por un estator de forma cilíndrica,
con un cierto número de bobinados alimentados
en secuencia, que crean un campo magnético
giratorio de manera discontinua. El rotor,
concéntrico con el estator y situado sobre el eje,
contiene un imán permanente magnetizado,
que en cada instante tenderá a alinearse con el
campo magnético creado. Su principal ventaja
es que su posicionamiento no varía aun sin
excitación y en régimen de carga debido a la
atracción entre el rotor y los entrehierros del
estator.
• Pasos angulares más pequeños
• Más lentos de aceleración
• Menos par
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Motor PAP de Imanes permanentes bipolar (1)
Suponemos que las bobinas L1 como L2 poseen un núcleo de hierro dulce capaz de imantarse cuando dichas bobinas
sean recorridas por una corriente eléctrica. Por otra parte el imán M puede girar libremente sobre el eje de sujeción
central.
Inicialmente, sin aplicar ninguna corriente a las bobinas (que también reciben el nombre de fases) y con M en una
posición cualquiera, el imán permanecerá en reposo si no se somete a una fuerza externa.
Si se hace circula corriente por ambas fases como se muestra en la Figura (a), se crearán dos polos magnéticos NORTE
en la parte interna, bajo cuya influencia M se desplazará hasta la posición indicada en la dicha figura.
Si invertimos la polaridad de la corriente que circula por L1 se obtendrá la situación magnética indicada en la Figura (b) y
M se verá desplazado hasta la nueva posición de equilibrio, es decir, ha girado 90 grados en sentido contrario a las
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agujas del reloj.
Motor PAP de Imanes permanentes bipolar (2)
Invirtiendo ahora la polaridad de la corriente en L2, se llega a la situación de la Figura (c) habiendo girado M otros 90
grados. Si, por fin, invertimos de nuevo el sentido de la corriente en L1, M girará otros 90 grados y se habrá obtenido una
revolución completa de dicho imán en cuatro pasos de 90 grados.
Por tanto, si se mantiene la secuencia de excitación expuesta para L1 y L2 y dichas corrientes son aplicadas en forma de
pulsos, el rotor avanzará pasos de 90 grados por cada pulso aplicado.
El modelo de motor paso a paso que hemos analizado, recibe el nombre de bipolar ya que, para obtener la secuencia
completa, se requiere disponer de corrientes de dos polaridades, presentando tal circunstancia un inconveniente
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importante a la hora de diseñar el circuito que controle el motor.
Motor PAP de Imanes permanentes unipolar
Una forma de paliar este inconveniente es la representada en la siguiente figura,
obteniéndose un motor unipolar de cuatro fases, puesto que la corriente circula
por las bobinas en un único sentido.
Si inicialmente se aplica la corriente a L1 y L2 cerrando los interruptores S1 y S2,
se generarán dos polos NORTE que atraerán al polo SUR de M hasta encontrar la
posición de equilibrio entre ambos como puede verse en la Figura (a). Si se abre
posteriormente S1 y se cierra S3, por la nueva distribución de polos magnéticos,
M evoluciona hasta la situación representada en la Figura (b).
Siguiendo la secuencia representada en la Figuras (c ) y (d), de la misma forma se
obtienen avances del rotor de 90 grados habiendo conseguido, como en el motor
bipolar de dos fases, hacer que el rotor avance pasos de 90 grados por la acción
de impulsos eléctricos de excitación de cada una de las bobinas.
En uno y otro caso, el movimiento obtenido ha sido en sentido contrario al de las
agujas del reloj; ahora bien, si las secuencias de excitación se generan en orden
inverso, el rotor girará en sentido contrario, por lo que fácilmente podemos deducir
que el sentido de giro en los motores paso a paso es reversible en función de la
secuencia de excitación y, por tanto, se puede hacer avanzar o retroceder al motor
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un número determinado de pasos según las necesidades.
Motor PAP de Imanes permanentes unipolar
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Motor PAP Híbridos
Combinan las características de los anteriores.
El rotor suele estar constituido por anillos de acero dulce dentado en
un número ligeramente distinto al del estator y dichos anillos montados
sobre un imán permanente dispuesto axialmente.
• Pasos angulares muy pequeños
Alta precisión 1º / paso
• Baja inercia
• Alto par
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Motor paso a paso – despiece (1)
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Motor paso a paso – despiece (2)
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3.3 Accionadores neumáticos.
TEMA 3. ELEMENTOS MOTORES
 Introducción.
 Accionadores eléctricos.
 Accionadores neumáticos.
 Accionadores hidraúlicos.
 Transmisiones y reductores.
 Frenos.
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Accionadores neumáticos
Accionadores neumáticos:
• Motores
• Cilindros
Características de los motores neumáticos:
• Son ligeros y compactos
• Arranque y paro rápido.
• Pueden trabajar con velocidad y par variable con un control
sencillo
• Trabajan sin problemas hasta temperaturas de 120 ºC
• Soportan sobrecargas sin consecuencias posteriores.
• Relación par / peso superior a los motores eléctricos.
• Alta aceleración y baja inercia.
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Instalación neumática
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Motores de aletas rotativas
Motor
de aletas rotativas
Se utilizan normalmente acoplados a un dispositivo reductor.
El control de velocidad se efectúa facilmente ajustando el caudal
(3.000 a 8.500 rpm).
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Motores de pistones
Trabajan a velocidades inferiores a los de aletas rotativas
Bajo nivel de vibración a cualquier velocidad, sobretodo a bajas
velocidades donde se obtiene el par máximo.
Dos tipos:
• Motor de pistones axiales
• Motor de pistones radiales.
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Motores de pistones axiales
Velocidad máxima 5.000 rpm
Potencia de 1,5 a 19 KW
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Motores de pistones radiales
Por medio de cilindros de movimiento alternativo, el aire comprimido acciona, a través de
una biela, el cigüeñal del motor. Se necesitan varios cilindros al objeto de asegurar un
funcionamiento libre de sacudidas.
La potencia de los motores depende de la presión de entrada, del número de émbolos y
de la superficie y velocidad de éstos.
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Cilindros neumáticos
Cilindro de simple efecto
Cilindro de doble efecto
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3.4 Accionadores hidraúlicos.
TEMA 3. ELEMENTOS MOTORES
 Introducción.
 Accionadores eléctricos.
 Accionadores neumáticos.
 Accionadores hidraúlicos.
 Transmisiones y reductores.
 Frenos.
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Accionadores hidráulicos
Accionadores hidráulicos:
• Motores de aletas y pistones.
• Cilindros.
Características de los motores hidráulicos:
• Son dispositivos simples y robustos.
• Elevada capacidad de carga y relación potencia-peso.
• No presentan problemas de refrigeración.
• Soportan sobrecargas sin consecuencias posteriores.
• La velocidad de rotación es regulable en los dos sentidos.
• La inversión de giro es simple.
• Presiones de trabajo del orden entre 50 y 100 bar llegando a
los 300.
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Instalación hidráulica
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Motores hidráulicos
Motores hidráulicos:
 De engranajes
 De aletas
 De pistones (axiales y radiales)
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Motores hidráulicos de engranajes
Motores hidráulicos de engranajes:
 Sencillo y económico
 Bajo par de arranque
 Rendimiento global inferior al 80%
 Cilindrada constante
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Motores hidráulicos de aletas
Motores hidráulicos de aletas rotativas:
 Mejoran el par de arranque
 Rendimiento global del 90%
 Cilindrada constante
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Motores hidráulicos de pistones
Motores hidráulicos de pistones:
 Pares mas importantes
 Cilindrada variable
Los motores de pistones axiales permite v. de 4.500 rpm
Los motores de pistones radiales tienen par elevado a v. bajas
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Motores hidráulicos de pistón axial
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Características de distintos tipos de actuadores
Neumático
Hidráulico
Eléctrico
Aire a presión
(5 - 10 bar)
Aceite mineral
(50 – 100 bar)
Corriente eléctrica
O Cilindros
Motor de paletas
Motor de pistón
Cilindros
Motor de paletas
Motor de pistones axiales
C. Continua
C. Alterna
M. paso a paso
V
Alta relación potencia-peso
Muy buen servocontrol
Autolubricantes
Trabajo en parada sin problemas
Alta capacidad de carga
Rápidos y precisos
Fácil control
Económicos
Sencilla instalación
Tamaño reducido
Instalación hidráulica costosa
Necesidad de mantenimiento
Frecuentes fugas
Problemas de miniaturizacón
Alta V.  Bajo par (engranajes)
No resultan adecuados en atm.
inflamables
Sobrecalentamiento en parada
Necesidad de frenos
Coste alto en motors grandes
E
Más económicos
Alta velocidad
Sencillos
Robustos
No contaminan
D Dificultad de control
continuo
Mala precisión al
actuar con cargas
Instalación especial
Ruidoso
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3.5 Transmisiones y reductores.
TEMA 3. ELEMENTOS MOTORES
 Introducción.
 Accionadores eléctricos.
 Accionadores neumáticos.
 Accionadores hidraúlicos.
 Transmisiones y reductores.
 Frenos.
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Transmisiones y reductores
El uso de transmisiones y / o reductores aumentan la complejidad
mecánica, además de introducir fricciones, rozamientos, flexibilidad,
juegos mecánicos, etc  posibles imprecisiones y errores de
posicionado y velocidad que deben ser controlados.
Características idóneas de transmisiones y reductores:
• Momento de inercia, peso y volumen reducidos
• Juegos mínimos
• Alta rigidez torsional
• Bajo mantenimiento y alta duración
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Transmisiones
Las transmisiones más empleadas son:
• cadenas
• cables
• correas (planas, redondas , en V, dentadas)
• enlaces rígidos (árbol articulado, biela manivela)
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Transmisiones
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Cadenas
Se emplean fundamentalmente para transmitir movimientos circulares
de un eje a otro, o convertir un movimiento lineal en circular. Pueden
realizar reducción en función del nº de dientes de E / S
Ventajas:
• Permiten transmitir grandes pares
• No se produce deslizamiento entre las ruedas y la cadena.
Desventajas:
• Necesidad de lubricación
• Ruido
• Coste inferior a los engranajes pero duración menor
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Cables
Realizan una función parecida a la de las cadenas.
Imprecisos por la deformación que pueden llegar a sufrir.
Es posible emplearlos para convertir movimiento circular en lineal
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Correas
Las correas normalmente actúan usando la fricción entre las ruedas
que enlazan  es posible que aparezcan deslizamientos.
Tipos:
• Planas (sección rectangular)
• Redondas (sección circular)
• En V
• Dentadas
Las dentadas requieren ruedas dentadas en los ejes de E / S como
con las cadenas, pero presentan menos ruido y la transmisión del par
es menor.
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Enlaces rígidos
Con éstos además de eliminar el ruido, lubricaciones y deslizamiento
se pueden convertir movimiento circular en lineal y lineal en circular.
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Tornillo de circulación a bolas
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Pararelogramao articulado
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Mecanismo articulado (1)
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Mecanismo articulado (2)
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Cremallera y piñon
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Reductores
Los reductores permiten además de convertir movimientos (circulares
en diferentes planos, circular-lineal o viceversa) adecuar la velocidad y
el par a los valores deseados.
Los reductores más empleados son los siguientes:
• Trenes de engranajes
• Reductor armónico
• Ciclo-reductor
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Engranajes
No presentan problemas de deslizamiento y pueden transmitir pares
importantes. Las principales desventajas son el juego angular (ángulo
que gira el eje de salida sin que el de entrada se mueva), y la fricción.
Los ruedas se pueden clasificar en:
• Ruedas de ejes paralelos
• Ruedas de ejes inclinados
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Dientes de las ruedas
Los dientes más empleados son:
• Axiales
• Helicoidales
• Doble helicoidales
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Trenes de engranajes
Cuando es necesario conservar el sentido de giro del accionador, o
trasladar el movimiento a una distancia mayor que la permitida por
dos ruedas se usan los trenes de engranajes.
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Reductor armónico (Harmonic Drive)
Este tipo de reductor es empleado en articulaciones rotacionales.
Los ejes de entrada y salida están alineados, tienen muy altas
relaciones de reducción, alto rendimiento mecánico y juego angular
muy bajo.
Cuando el eje del acionador haya girado 360º, la corona exterior, solidaria
al eje de la articulación, habrá girado dos dientes.
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Ciclo-Reductor
Este tipo de reductor emplea, solidario de forma excéntrica con el eje del
accionador, un disco de curvas, con unos huecos dispuestos circularmente
en los que se insertan unos pernos, que están solidarios al eje de la
articulación.
Al dar una vuelta la excéntrica, el disco de curvas avanza una posición,
describiendo una cicloide los pernos del eje de la articulación.
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3.6 Frenos.
TEMA 3. ELEMENTOS MOTORES
 Introducción.
 Accionadores eléctricos.
 Accionadores neumáticos.
 Accionadores hidraúlicos.
 Transmisiones y reductores.
 Frenos.
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Frenos
Constructivamente están compuestos por un disco solidario con el
eje que se desea frenar y unas pastillas o zapatas que son las que
se acoplan al disco en el momento en que se produce la acción de
frenado.
Los frenos se pueden clasificar en función del par de freno:
• Par constante
• Par proporcional al tiempo
• Par proporcional al desplazamiento angular
• Par proporcional a la velocidad angular
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