Tema 3. Accionamientos

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1 Tema 3. Accionamientos Índice Motores en robótica: tipos y características. Motores eléctricos: corriente continua, motores paso a paso, y sin escobillas. Motores y actuadores neumáticos, hidráulicos y servohidráulicos. Reductoras y transmisiones. Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 1 Elementos motores (I) Función: Generar el movimiento del robot según las órdenes dadas por la unidad de control, permitiendo modificar la posición del elemento terminal. Clasificaremos los elementos motores según: La naturaleza de la energía de activación: Neumáticos (cilindros y motores). Hidráulicos (cilindros y motores). Eléctricos (motores DC, AC y paso a paso). El tipo de movimiento generado: Actuadores lineales. Actuadores rotativos. En la actualidad, los robots usan mayoritariamente el accionamiento eléctrico. Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 2 Página 1

2 Elementos motores (II) Además incluiremos: Mecanismos de conversión y transmisión del movimiento. Reductoras. Propiedades importantes a considerar: Potencia. Precisión. Velocidad. Controlabilidad y buena respuesta dinámica. Peso y volumen (baja relación peso-potencia). Mantenimiento. Coste. Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 3 Actuadores neumáticos La fuente de energía es aire a presión: 5-10 kg/cm 2 Filtrado, lubrificado y sin humedad. La compresibilidad del aire hace difícil el control del posicionamiento. El caudal de aire es controlado por válvulas de mando eléctrico. Clasificación: Cilindros neumáticos: Simple. Doble efecto. Motores rotativos: De aletas rotativas. De pistones: Axiales. Radiales. Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 4 Página 2

3 Principios de neumática: Sistema básico 1- Compresor 2- Motor eléctrico 3- Presostato 4- Válvula anti-retorno 5- Depósito 6- Manómetro 7- Purga automática 8- Válvula de seguridad 9- Secador 10- Filtro 11- Purga automática 12- Acondicionamiento 13- Válvula direccional 14- Actuador 15- Controlador de velocidad Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 5 Principios de neumática: Compresión (I) Compresor de émbolo de una etapa Compresor de émbolo de dos etapas Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 6 Página 3

4 Principios de neumática: Compresión (II) Compresor de diafragma Compresor de paletas Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 7 Principios de neumática: Válvulas de control 2 vías / 2 posiciones 5 vías / 3 posiciones (centro abierto) 3 vías / 2 posiciones 5 vías / 3 posiciones (centro cerrado) 5 vías / 2 posiciones 5 vías / 3 posiciones (centro presurizado) Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 8 Página 4

5 Cilindros neumáticos Movimiento lineal de un émbolo debido a diferencia de presión. Tipos: Simple efecto y doble efecto. Características: Buen posicionamiento en los extremos y dificultad de posicionamiento continuo. Funcionamiento simple y mantenimiento económico. Repetitividad inferior a otros tipos de actuadores. Adecuados para manipulación de piezas pequeñas. Simple efecto Doble efecto Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 9 Motores rotativos neumáticos Transforma la energía del aire comprimido en movimiento rotatorio. Características: Ligeros y compactos. Arranque y parada muy rápidas. Velocidad y par variables. Control simple. Difícil control de posición. Motores de paletas rotativas: Simples. Dispositivos reductores para aumentar el par. Motores de pistones: Menor velocidad que los de aletas. Bajo nivel de vibración. Par elevado a bajas velocidades. Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 10 Página 5

6 Motores rotativos neumáticos: Estructura Motor de paletas Motor de pistones Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 11 Actuadores hidráulicos La fuente de energía es aceite a presión kg/cm 2 (a veces hasta 300 kg/cm 2 ). Requiere filtrado y deshumidificado (autolubricante). Es incompresible estable frente a cargas estáticas. Funcionalmente son similares a los neumáticos. Grado de compresibilidad del aceite es superior al del aire mayor precisión. Repetitividad entre 2,3 y 0,2 mm. No presentan problemas de refrigeración. Gran potencia en poco volumen. Pueden soportar cargas elevadas (hasta 200 kg). Mantenimiento no es muy complejo. Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 12 Página 6

7 Actuadores hidráulicos: Tipos (I) Cilindros: Similares a los neumáticos. Motores rotativos: De engranajes. De paletas deslizantes De pistones: Pistones axiales. Pistones radiales. Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 13 Actuadores hidráulicos: Tipos (II) Motores de paletas deslizantes: Tecnológicamente similares a los neumáticos. Elevado par de arranque y rendimiento (~90%). Relativamente económicos. Motor de engranajes Motor de pistones axiales Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 14 Página 7

8 Actuadores eléctricos Son los más utilizados en los robots industriales actuales: Fáciles de controlar. Precisos y alta repetitividad. Sencillos, pero de construcción delicada. Más pesados que los neumáticos e hidráulicos a igualdad de potencia. Amplia variedad de cargas y velocidades, con variada precisión. Tipos de actuadores eléctricos: Motores de corriente continua (CC). Motores CC sin escobillas. Motores de alterna (AC): Asíncronos. Síncronos. Motores paso a paso. Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 15 Motores de corriente continua con escobillas Principio de funcionamiento: El par motor se produce por la interacción de un campo magnético inductor, estacionario, y la intensidad de un arrollamiento inducido giratorio. Campo y corriente eléctrica se mantienen siempre en la misma posición relativa gracias al mecanismo de conmutación formado por el colector de delgas y las escobillas. Control por inducido: campo magnético constante y corriente variable. Control por excitación: campo magnético variable y corriente constante. Entrada Tensión; Salida Velocidad Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 16 Página 8

9 Motores de c.c. con escobillas: esquema Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 17 Motores de c.c. con escobillas (I) Servomotor de c.c.: Entrada en tensión; salida de posición angular. Incluyen control de posición: minimización de la diferencia entre la posición actual y la deseada. Reducción del movimiento integrada. Controlado por señales PWM (pulse-widthmodulation) Fácil implementación con microcontroladores. Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 18 Página 9

10 Motores de c.c. con escobillas (II) Problemas de los motores de c.c. con escobillas: Corriente por el rotor Dificultad de disipación térmica Limitación de potencia. Chispas Riesgo de explosión. Calentamientos a bajas velocidades con par alto. Desgaste escobillas (mantenimiento). Dificultades de fabricación (bobinados, etc.). Solución: Motor c.c. sin escobillas (brushless). Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 19 Motores de c.c. sin escobillas Motor c.c. sin escobillas (brushless): El rotor no posee bobinado, sino que está compuesto por imanes permanentes: se evitan las fluctuaciones en el campo magnético. Desaparecen las escobillas y las delgas Menor mantenimiento. El estator conserva el bobinado, que puede ser mediante espiras serigrafiadas Se disminuye la inercia. Las bobinas del estator se conectan a la electrónica de control, que las activa secuencialmente, atrayendo al rotor. Es necesario detectar de posición del rotor. Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 20 Página 10

11 Motores de corriente alterna (I) Motor de inducción (asíncrono): Estator: 3 devanados, divididos en 2 mitades, dispuestos en posiciones diagonalmente opuestas y desfasados 120º entre sí. Rotor: barras cortocircuitadas eléctricamente mediante anillos en los extremos (jaula de ardilla). estator rotor ventilador Flujo de aire Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 21 Motores de corriente alterna (II) Motor de inducción (asíncrono): Obtención campo magnético giratorio: alimentación trifásica de las bobinas del estator. El campo magnético giratorio arrastra al rotor y produce el movimiento. Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 22 Página 11

12 Motores de corriente alterna (III) Motor de inducción (asíncrono): Deslizamiento: diferencia entre velocidad campo magnético giratorio y velocidad de giro del rotor (más baja, del orden del 5%). Control de velocidad mediante variación de la frecuencia de la tensión de alimentación convertidor de frecuencia o variador de velocidad. No presentan problemas de mantenimiento ni de calentamiento. Mayor potencia, a igualdad de peso, que los de corriente continua. Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 23 Motores de corriente alterna (IV) Motor AC sin escobillas (síncrono): Estator: Formado por tres devanados iguales decalados 120 y se alimentado con un sistema trifásico de tensiones.(similar al motor de inducción). Rotor: imanes permanentes. El estator genera un campo magnético giratorio que arrastra al rotor y produce el movimiento. No existe deslizamiento: velocidades del campo magnético giratorio y de giro del rotor iguales. Control de velocidad se realiza mediante un convertidor de frecuencia. Para evitar la pérdida de sincronismo se utiliza un sensor de posición que detecta la posición del rotor y permite mantener en todo momento el ángulo que forman los campos del estator y rotor. Este método de control se conoce como autosíncrono o autopilotado. Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 24 Página 12

13 Motores paso a paso (I) Características: El rotor, con polarización magnética constante, gira para orientar sus polos con el estator. La polaridad del estator es variable, controlada por trenes de pulsos. Por cada pulso, el rotor gira un número discreto de grados. Aumento de la frecuencia de los pulsos progresivamente. Ligeros y fiables. Potencia y precisión bajas. Principal aplicación: Giro de pinzas y mesas posicionadoras. Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 25 Motores paso a paso (II) Secuencias de excitación: Wave drive: sólo se activa una bobina simultáneamente (mínimo par). Normal: se activan 2 bobinas consecutivas simultáneamente (par más elevado). Medio paso: se activan 2 bobinas consecutivas simultáneamente, luego sólo una y así sucesivamente (mayor resolución). Aumento de los polos del rotor mediante distribución de dientes: aumento de la resolución. Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 26 Página 13

14 Resumen de características de actuadores para robots Energía Neumático Aire a presión Hidráulico Aceite mineral Eléctrico Corriente eléctrica Tecnologías Cilindros Motor de paletas Cilindros Motor de paletas Corriente continua Corriente alterna Motor de pistones Motor de pistones axiales Paso a paso Movimientos muy rápidos Movimientos rápidos Precisos Ventajas Sencillos Alta relación potenciapeso Silenciosos Robustos Alta capacidad de carga Fácil control Desventajas Baratos Difícil control continuo Ruidosos Precisa instalación de aire comprimido Soportan cargas sin aporte de energía Requiere control de velocidad Mayor coste de mantenimiento Posibilidad de fugas Limpios Menor relación potenciapeso Limitación de cargas Caros Tema 3. Accionamientos (1ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 27 Página 14