CAPITULO 4 SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO 4.1 Introduccin Los
sistemas de accionamiento o impulso suministran al robot el poder
muscular necesario. Son dispositivos para conversin de energa, que
transforman una potencia elctrica, hidrulica o neumtica en una
potencia mecnica. Los elementos bsicos de accionamiento pueden
clasificarse en motores y actuadores; los primeros son capaces de
presentar rotacin continua, mientras que los segundos estn
limitados en su movimiento, ya sea lineal o giratorio.
Accionamiento hidrulico Una de las principales ventajas del
accionamiento hidrulico es la capacidad para generar fuerzas de
gran magnitud, lo cual es posible dadas las elevadas presiones de
trabajo de los actuales sistemas hidrulicos. No es raro encontrar
presiones de hasta 280 x 105 N/m2 (280 bar); con un cilindro de
accionamiento con un dimetro de solamente 2cm, esta presin puede
generar una fuerza de 8800 N. Algunas de las aplicaciones con
fuerzas de mayor magnitud se encuentran en la industria que trata
metales, en donde las forjas pueden aplicar fuerzas de hasta 3
MN.
La elevada relacin fuerza-peso es otra importante ventaja del
accionamiento hidrulico que resulta en particular atractiva en
situaciones donde el peso es una caracterstica fundamental de la
actividad, como en el caso de aeronaves, misiles y robots. Los
motores hidrulicos son mucho mas pequeos que los motores elctricos
con la capacidad necesaria para generar la misma potencia (figura
4.1 (a)), atribuyndose nuevamente las diferencias en cuanto a tamao
y peso a las elevadas presiones de trabajo del sistema hidrulico.
Se menciono antes que 280 bar no es una potencia inusual en los
sistemas hidrulicos: en comparacin, el imn de un motor elctrico
puede aplicar una presin de tan solo 17 bar aproximadamente. Este
efecto de tamao puede explicarse consultando la figura 4.1 (b) en
la cual se muestra un cilindro hidrulico al que se suministra
aceite con un gasto de Q m3/s y una presin de P N/m2. El pistn, con
un rea A m2, se mueve a una velocidad de V m/s. Podemos relacionar
la potencia con la presin y la velocidad de flujo de la siguiente
manera: Potencia =fuerza x velocidad = (PA) x V = P x AV =PxQ As,
para una potencia dada, un actuador hidrulico que trabaja a alta
presin requiere una velocidad de flujo de aceite muy baja; y, por
lo tanto, puede ser bastante pequeo. La rigidez de un accionador
hidrulico es otra ventaja importante. El aceite es, para fines
prcticos, incomprensible, lo que hace que los accionadores
hidrulicos sean insensibles a alteraciones en la carga. Esta es
otra razn mas para su gran popularidad en las industrias
aeroespacial y de maquinado. La elevada rigidez tambin permite
lograr un control muy preciso. Las ven tajas de gran potencia,
elevada relacin peso/potencia, gran rigidez y facilidad de control
son opacadas hasta cierto punto por varios problemas prcticos,
siendo los ms serios: Los sistemas hidrulicos son costosos: la
precisin en manufactura debe ser alta para mantener distancias se
separacin muy pequeas entre las partes fijas y las partes mviles.
Esto es necesario si se desea minimizar las fugas (y desperdicios
de potencia).
Dado que existe la posibilidad de fugas, puede resultar poco
conveniente usar sistemas hidrulicos en tornos donde la higiene es
importante, por ejemplo, al tratar de alimentos. Es necesario
contar con espacio para la tubera requerida por el sistema.
Accionamiento neumtico Los primeros sistemas neumticos (vase McCloy
y Martin (1980)) utilizaban aire como elemento de trabajo, pero en
la actualidad en algunas aplicaciones se emplean gases inertes y
gases calientes. Las presiones de trabajo estn por lo general
limitadas a 7.0 bar, aunque en el presente se estn diseando algunos
sistemas para funcionar con 10 bar. La ineficiencia en la
comprensin de los gases y los peligros inherentes al almacenamiento
de gases a alta presin hacen necesarias estas limitaciones. El uso
de aire comprimido como fuente de energa ha aumentado rpidamente
durante los ltimos 20 aos y en la actualidad se acepta en todas las
ramas de la industria. Sus ventajas, muchas de las cuales son
compartidas por los sistemas hidrulicos, pueden resumirse de la
siguiente manera: La mayora de las plantas productivas tienen un
suministro de aire comprimido a la mano. Los componentes neumticos
son poco costosos.
Los componentes estn siempre en existencia. La gama de vlvulas
es extensa y existe una gran variedad de tamaos de cilindros.
Los componentes son confiables y su mantenimiento es sencillo y
econmico. El servicio por lo general puede llevarse a cabo en el
campo, dado que solamente es necesario cambiar los sellos de las
vlvulas o los cojinetes de los cilindros. Los actuadores neumticos
no se queman cuando se atoran. Los actuadores hidrulicos tambin
presentan esta ventaja. No existen riesgos de incendio cuando se
emplea accionamiento neumtico. Por ejemplo, pueden usarse en
situaciones en donde el riesgo de una explosin impedira el uso de
electricidad. El aire comprimido no es inflamable y, por lo tanto,
el equipo neumtico puede usarse bajo condiciones de alta
temperatura en donde el uso de sistemas hidrulicos o elctricos
podra resultar peligroso o excesivamente
costoso. La mayora del equipo puede trabajar a temperaturas de
hasta 80 a 90 C, pero puede tolerar temperaturas mas elevadas as se
emplean sellos resistentes al calor. Los sistemas neumticos son
limpios. Por supuesto tambin existen ciertas desventajas asociadas
a los sistemas neumticos y es necesario considerarlas
cuidadosamente antes de instalar equipo neumtico: La produccin de
aire comprimido es costosa y esto debe tomarse en cuenta si la
planta no cuenta todava con una compresora. Desde el punto de vista
de la potencia, esta es considerablemente ms costosa que la
elctrica o la hidrulica. Es difcil lograr una precisin adecuada de
alimentacin debido a la naturaleza elstica del aire comprimido. En
este aspecto no puede competir con los sistemas hidrulicos o
elctricos. La transmisin de seales de aire a travs de la tubera es
mucho mas lenta que la transmisin de seales elctricas a travs de
cables. Por lo tanto, si los tiempos de sealizacin son crticos y
las lneas son de gran extensin (mas de 10 metros), deben utilizarse
sistemas elctricos. Los cilindros neumticos ocupan gran cantidad de
espacio y resultan costosos si se desea obtener potencias
considerables. Pueden generarse potencias mas grandes en forma mas
conveniente mediante el uso de sistemas hidrulicos. Los sistemas a
base de aire comprimido pueden ser muy ruidosos.
Accionamiento elctrico La mayora de las personas estn mas
familiarizadas con la potencia elctrica que con la potencia
hidrulica, dado que la primera es la mas comn en los hogares y en
la mayora de los aspectos cotidianos. Con respecto a su aplicacin a
los robots, la energa elctrica ofrece varias ventajas (Kafrissen y
Stephans (1984)): Los actuadores elctricos son fciles de controlar:
proporcionan un rpido control de la posicin y de la velocidad con
un elevado nivel de presin. Se obtienen fcilmente y son poco
costosos.
Es ms fcil disear un sistema de cableado que uno de tubera. Los
actuadores elctricos tienen un funcionamiento silencioso. Los
sistemas elctricos son limpios. Pero nuevamente, como en todas las
reas tecnolgicas, existen varias desventajas por considerar: Las
relaciones potencia/peso y par/peso son reducidas. Los pares
pequeos requieren una gran cantidad de engranes y, debido al juego,
se provocan problemas de control adicionales. La generacin de arcos
provoca riesgos de incendio: los actuadores elctricos estn, por lo
tanto, eliminados de ciertas tareas como la aplicacin de pintura
por aspersin. La posibilidad de sufrir descargas elctricas
representan un riego de seguridad.
Cul sistema es el mejor? Las prioridades de los sistemas
hidrulicos, neumticos y elctricos descritas anteriormente permiten
llegar a ciertas conclusiones relativas al uso potencial de cada
una de estas formas de actuadores en el campo de los robots.
Primero, es necesario distinguir entre los actuadores directos e
indirectos (Ray, 1983). Los impulsores directos no tienen enlaces
mecnicos entre el actuador y el eslabn del impulsor. Los cilindros
y motores hidrulicos y neumticos pueden usarse como actuadores
directos debido a sus elevadas capacidades de generacin de fuerzas
y pares. Los directos tienen varias ventajas: son compactos, lo
cual permite su instalacin en las articulaciones de los robots; son
sencillos y fciles de mantener. Los impulsores indirectos requieren
una transmisin mecnica entre el actuador y el elemento impulsado,
generalmente con el propsito de incrementar la fuerza y el par de
salida. Estas transmisiones pueden adoptar la forma de engranes,
tornillos sinfn, impulsores armnicos, bandas, cadenas, etc. La
relacin de engranes de los impulsores indirectos se encuentran
generalmente en el rango de 50:1 a 100:1 y esto produce un sistema
rgido, un sistema con transmisin de movimiento prcticamente
unidireccional. Esta es una caracterstica deseable en aplicaciones
de maquinado y en aplicaciones que requieren movimientos rpidos a
lo largo de distancias cortas. Los impulsores directos a base de
potencia hidrulica
muestran una cierta comprensibilidad del fluido, caracterstica
particularmente en los sistemas neumticos y esta puede ser una
desventaja en aplicaciones como las mencionadas. Los impulsores
indirectos permiten el uso de servomotores de corriente directa,
los cuales son silenciosos y eficientes. Una de las principales
desventajas del impulsor indirecto es el volumen y el costo de las
transmisiones mecnicas asociadas. A dems, el juego mecnico en estas
transmisiones puede afectar la repetitividad y la estabilidad. Como
las transmisiones estn diseadas para la reduccin de velocidad de
los motores elctricos, los impulsores indirectos rara vez resultan
adecuados para los robots de gran tamao que requieren movimientos a
alta velocidad. Estos robots generalmente necesitan impulsores
hidrulicos, mientras que los robots pequeos requieren impulsores
indirectos elctricos. Ahora analizaremos con mayor detalle los
impulsores a base de potencia hidrulica y los elctricos; primero se
vern los sistemas de potencia hidrulica.
4. 2 Conservacin de potencia hidrulica a potencia mecnica A
partir de la suposicin de que se cuenta con una fuente de potencia
hidrulica, el diseador de un sistema robot enfrenta la tarea de
idea un medio para controlar dicha potencia y de convertirla en
potencia mecnica. Se considerara primero la ultima de estas tareas.
Los motores y actuadores llevan a cabo funciones opuestas a las de
las bombas y las compresoras, en cuanto a que reconvierten la
energa hidrulica en energa mecnica de manera que pueda realizarse
un trabajo til. Muchas bombas hidrulicas tambin pueden hacerse
funcionar como motores. Los motores de engranes de paletas y
pistones son los tipos mas comunes en el mercado actual (figura
4.2). En su forma mas simple, el motor hidrulico de engranes
consiste de dos engranes rectos, generalmente con ocho o diez
dientes, contenidos en una carcasa muy ajustada. El aceite a alta
presin que ingresa ejerce un momento de rotacin en ambas ruedas de
engranes, aunque por lo general la potencia se obtiene solo de una
de ellas. El aceite se transporta alrededor de los dientes y se
descarga en un tanque. Los motores de engranes pueden funcionar a
presiones de hasta 200 bar y pueden generar potencias de hasta 100
Kw.
Un motor hidrulico de paletas deslizantes se ilustra en la
figura 4.2 (b). El rotor ranurado cilndrico tiene aspas con
resortes que se proyectan en forma radial. Tienen suficiente
libertad para moverse en las ranuras y se mantienen en contacto con
la carcasa por medio de los efectos combinados de la accin
centrifuga y la fuerza de resorte. El rotor esta colocado en forma
excntrica dentro de la carcasa y esto permite que el aceite a
presin entrante ejerza una fuerza neta sobre el rotor en el sentido
del movimiento de las manecillas del reloj. El aceite se desplaza
alrededor de los espacios entre las aspas hasta llegar al puerto de
descarga. Las presiones estn, por lo general, limitadas alrededor
de 70 bar. Es usual que los motores de pistones utilicen pequeos
pistones reciprocantes a alta velocidad. Estos motores se usan
normalmente para presiones hidrulicas muy elevadas (>150 bar).
Existen muchos tipos distintos de motores de pistones, entre ellos,
motores de mbolos, motores radiales y motores axiales; de estos,
solo el ltimo se ha de analizar en esta seccin. El motor de
pistones axiales se denomina as porque los pistones se desplazan
sobre el eje longitudinal del cilindro (figura 4.2(c)). Conforme el
pistn realiza un impulso hacia afuera, su contacto con la placa de
la biela provoca la rotacin del barril del cilindro. La placa de la
vlvula, con sus puertos en forma de rin, esta fija sobre el cuerpo
del motor.
Tambin existe una extensa variedad de motores neumticos con
potencias que van de 0 a 20 kW. Los motores de pistones son, por lo
general, los preferidos en aplicaciones industriales en donde es
esencial un fuerte par a baja velocidad. Los motores de aspas son
populares para trabajos que requieren una potencia media (
