En procesos industriales, los actuadores son los dispositivos que tienen la capacidad de transformar energía eléctrica, neumática o hidráulica en un tipo de fuerza mecánica. Estos componentes hacen parte de interfaces hombre – máquina, esenciales en las aplicaciones, por su funcionalidad, calidad, fiabilidad, robustez y usabilidad en un sistema (Ramírez, Enríquez, Villanueva, & Hernández, 2012).

Los actuadores pueden ser de movimiento lineal o rotativo, según su disposición o tipo de trabajo a desarrollar en un proceso industrial, la selección del tipo de actuador a utilizar depende de la fuerza resultante requerida y de la precisión del movimiento, es decir para fuerzas elevadas sistemas hidráulicos, fuerzas moderadas sistemas neumáticos y fuerzas reducidas y mejor precisión de movimiento actuadores eléctricos (Córdoba, 2006).

Para seleccionar un actuador hidráulico es necesario identificar los requerimientos de potencia del sistema, puesto que su implementación acarrea demasiado equipo para suministro de energía, elevando los costos de mantenimiento. Con base en lo anterior, si las aplicaciones implican simples posicionamientos y potencia media, es preferible seleccionar la neumática.

Pasando ahora a valorar el trabajo que lleva a cabo un actuador neumático e hidráulico, puede diferenciarse dos tipos de movimiento, lineal o rotativo. El movimiento lineal se obtiene de cilindros de émbolo, sin embargo, éstos también generan movimiento rotativo con variedad de ángulos por medio de actuadores del tipo. En cuanto al movimiento rotativo, este es producido por bombas y motores. Con base en todo lo expuesto, con el desarrollo de esta Unidad el estudiante va a obtener las competencias que requiere un ingeniero.

Propósito general

Describir los tipos de actuadores neumáticos e hidráulicos para el control de procesos y simularlos por medio del software específico.

Propósitos específicos

• Diferenciar los tipos de actuadores y su clasificación según su función en un sistema o proceso industrial.
• Proporcionar los conceptos de manejo de fluidos, sus componentes e instrumentos de control.

Un sistema neumático utiliza aire presurizado como medio para transmitir fuerza. Está compuesto el sistema de generación de energía denominado compresor. Los compresores son máquinas que aspiran el aire libre y lo confinan dentro de una cámara para que su energía pueda usarse para llevar a cabo un trabajo.

Luego de esto, el aire es secado y filtrado para evitar que partículas en suspensión y humedad lleguen a los elementos móviles y produzcan corrosión y desgaste. Antes de conducir el aire a los elementos de control y trabajo, pasa por una unidad de mantenimiento o unidad FRL (Filtro, Regulador y Lubricador), que controla la presión suministrada al circuito, además de limpiar el aire y lubricar los componentes del circuito. Posteriormente, se tienen las válvulas, cuya función principal es conducir y distribuir el aire comprimido dentro de un circuito neumático y, finalmente los cilindros, lo cuales se encargan de convertir la energía del aire comprimido en trabajo mecánico.

La implementación de sistemas neumáticos en la automatización de procesos es una tecnología de control usada ampliamente, puesto que trabajan de forma eficiente al minimizar el uso de sistemas de retorno de aire y manejar velocidades de señal de aproximadamente 40 m/s..

En la actualidad, esta tecnología se implementa de forma híbrida con la electricidad para obtener procedimientos electroneumáticos que logran de forma muy eficiente el tratamiento de la información y la amplificación de señales que optimizan las tareas industriales.

Las válvulas neumáticas son componentes que tienen como función principal distribuir, regular o bloquear el aire comprimido dentro de un circuito neumático. Para empezar, tenemos las válvulas direccionales o distribuidoras, las cuales controlan los actuadores, permitiendo o bloqueando el paso del aire.

Le invitamos a profundizar sobre válvulas neumáticas.

Las válvulas reguladoras de presión tienen la misión de mantener constante la presión en su salida independientemente de la presión que exista a la entrada. Tienen como finalidad fundamental obtener una presión invariable en los elementos de trabajo independientemente de las fluctuaciones de la presión que normalmente se producen en la red de distribución. La presión de entrada mínima debe ser siempre, obviamente, superior a la exigida a la salida.

Para estas válvulas, una membrana regula la presión de salida, puesto que está sometida en un lado a la fuerza de un muelle accionado por un tornillo y por el otro, a la presión de salida ejercida. Es pertinente mencionar que la reducción del caudal puede ocasionar un aumento de la presión de salida, por tanto, la membrana se comprime y la válvula de asiento se cierra.

Las válvulas de secuencia tienen por objeto, luego de alcanzar cierta presión ajustada por un muelle entregar una señal de salida.

Se aplica en accionamientos de sistemas de seguridad al sobrepasar un valor definido de presión, de igual forma permite controlar presiones en distintos rangos y ejecutar procesos a partir de una señal.

A nivel industrial se encuentran otras válvulas que tienen entre sus funciones:

Conozca como se representan y funcionan estas válvulas que se implementan en la industria.

Los elementos que transforman la energía neumática en mecánica reciben el nombre de actuadores. De acuerdo con la clase de movimiento generado pueden clasificarse en lineales, normalmente llamados cilindros, en actuadores de giro y en motores.

Los actuadores lineales producen un desplazamiento rectilíneo de vaivén preciso, que es obtenido de la energía neumática. A nivel industrial no es óptimo lograr este tipo de movimiento mediante la energía eléctrica, puesto que requiere un costo superior y es una tarea de gran complejidad (Ramírez, Enríquez, Villanueva & Hernández, 2012). Los actuadores lineales, se clasifican en dos grupos: cilindros de simple efecto y cilindros de doble efecto.

Conozca los actuadores lineales especiales.

Los actuadores de giro son motores cuyo movimiento es alternativo. De acuerdo con su construcción se encuentran disponibles los de piñón-cremallera y paleta.

Descubra mas sobre los actuadores giratorios.

Actuadores neumáticos de giro

Este tipo de actuadores de giro están comprendidos por motores de émbolo, motores de paletas y motores de engranajes. Este tipo de motores transforman la energía neumática en un par mecánico, caracterizándose por no tener un ángulo de giro limitado. A nivel industrial tienen grandes prestaciones, y por tanto muy utilizados.

Conozca en la siguiente interactividad otros actuadores neumáticos de giro.

En el campo del control automatizado mediante la lógica cableada usando la neumática, es posible implementar soluciones disponibles que hacen uso de la esquematización bajo la norma ISO 1219. A continuación, se encuentran dos aplicaciones que serán útiles para el desarrollo del curso.

FluidSIM® es una herramienta de simulación para la obtención de conocimientos básicos en neumática. En la actualidad es un software muy usado para el diseño de esquemas de circuitos neumáticos en neumática, la hidráulica y electrotécnica. Además, FluidSIM® ofrece textos, imágenes y películas ampliar la información sobre los componentes.

Así mismo, se encuentra disponible Automation Studio, cuyo software está compuesto por un entorno de desarrollo que integra herramientas para cubrir todas las necesidades en hidráulica, neumática, electrotecnia, electricidad, controles, HMI y comunicación.

Se puede aplicar la simulación en un contexto práctico industrial que nos permita entender cómo funcionan máquinas mediante procesos secuenciales que tengan cruce de señales. Lo anterior, se puede llevar a cabo mediante el uso de dos técnicas que se denominan el método cascada y el método paso a paso. El método cascada en su versión neumática requiere la división en grupos de la secuencia a automatizar con la premisa de obtener el menor número de grupos posible (Domínguez, 2011a), y el de paso a paso se implementa con mínimo tres grupos (Domínguez, 2011b).

Material de apoyo

La evolución de la industria ha conducido a elevar la importancia del papel de los fluidos en los procesos industriales. En el centenio anterior el agua era el único fluido que se transportaba por tuberías. Sin embargo, esto ha cambiado, y hoy la diversidad de fluidos que se transportan por tuberías con fines industriales va en aumento. Un ejemplo que claramente ilustra esta afirmación está relacionado con el transporte de metales líquidos y gases licuados usados en la industria aeroespacial. Así mismo, la conducción de petróleo y sus derivados con fines de combustión y transporte entre otros.

Otra área de la hidráulica que también demanda nuestra atención, además de la conducción de fluidos, es la implementación de mecanismos hidráulicos usados para tareas de control y ejecución de mandos en sistemas de transporte, (automóviles barcos y aviones), máquinas herramientas, (tornos CNC, fresadoras CNC y centros de mecanizado), maquinaria de obras públicas (retroexcavadoras, dragas y volquetas), y de los equipos científicos de laboratorio que requieren un exigente control de movimiento de fluidos (Roa Bohórquez, Contreras Gelves, Medina Sánchez, & Vega, 2018)

La hidráulica es la ciencia que estudia las leyes que regulan el equilibrio y movimiento de los líquidos. Para poder estudiar los fluidos en reposo se acude a la hidrostática y los fluidos en movimiento se abordan desde la hidrodinámica.

Ahora bien, estas ciencias requieren de una variable para poder analizar el comportamiento de los fluidos denominada presión.

La presión se origina siempre que se produce una resistencia a la circulación de un líquido, o una fuerza que trata de impulsar un líquido.

La presión hidráulica aparece principalmente en herramientas o máquinas industriales como la prensa hidráulica; la misma se emplea comúnmente en la industria automovilística, aeronáutica, entre otras.

Otra variable importante para estudiar es el caudal, entendiéndose como la cantidad de fluido que circula por una red en una unidad de tiempo. En una red hidráulica es necesario que no se presenten pérdidas de caudal o presión a pesar de los cambios de sección que puedan llegar a tenerse; sin embargo, esto es una tarea muy compleja (Yepes, Martí, 2017).

Lo anterior se explica a partir del teorema de Bernoulli, más precisamente indicando que cuando un líquido circula por una tubería de diámetro contante, la presión será siempre inferior en un punto más debajo de la corriente que en otro punto situado a contracorriente. Se requiere una diferencia de presiones, o caída de presión para vencer el rozamiento de la tubería.

Aprenda sobre fluidos hidráulicos y viscosidad de fluidos.

Existen unos organismos internacionales que se encargan de normalizar el uso de los distintos símbolos que se utilizan, tanto en el ámbito de la neumática como de la hidráulica, de todos ellos los más comúnmente aceptados son:

• ISO (International Standarsdising Organization).
• CETOP (Comité Europeo de Transmisiones Oleodinámicas y Neumáticas).

Además de la representación de los circuitos utilizando la simbología adecuada, se deben añadir notas que proporcionarán información adecuada para facilitar el trabajo de instaladores y técnicos de mantenimiento de equipos e instalaciones, como sería: tipo de tubería, caudal, potencia, presión, tipo de racor.

Conozca sobre bombas, filtros y otros elementos que hacen parte de un sistema hidráulico.

Las válvulas hidráulicas son mecanismos que sirven para regular el flujo de fluidos. Pueden desempeñar distintas funciones, recibiendo en cada caso un nombre diferente. Algunos casos particulares son: válvulas distribuidoras, válvulas de cierre, válvulas de flujo, válvulas de presión, válvulas limitadoras, válvulas reductoras, válvulas secuenciadoras, y válvulas de frenado.

En la siguiente interactividad podrá visualizar algunos ejemplos de identificación de válvulas hidráulicas

Así como se estudió al inicio de esta unidad, la identificación de las válvulas hidráulicas tiene el mismo procedimiento que el usado para las válvulas neumáticas y de igual forma, estas válvulas cuentan con accionamientos manuales y accionamientos mecánicos, que permiten su conmutación o cambio de estado, es decir pasar de estar en reposo a un estado activo.

Le invitamos a profundizar en el tema actuadores hidráulicos y simuladores de circuitos hidráulicos.

Actividad de aprendizaje

Finalmente, desarrolle la actividad propuesta y autoevalué su proceso de aprendizaje.

Material de apoyo

La neumática y la hidráulica son alternativas para llevar a cabo, desde sencillas tareas autónomas, hasta la integración de robustos sistemas integrados de manufactura. Su elección está condicionada por la velocidad de la señal, la fuerza que se pretende transmitir, la disponibilidad del medio generador de energía, la acumulación del fluido y finalmente, el presupuesto disponible para desarrollar un proyecto.

El objetivo principal del estudio de la neumática y la hidráulica es obtener herramientas, en el control, las limitaciones y el diseño de las instalaciones neumáticas e hidráulicas utilizados en la industria, mediante el uso del aire comprimido o de un fluido hidráulico.

En cualquiera de las dos técnicas mencionadas, la elección de los actuadores juega un papel fundamental, y por tanto es necesario determinar las condiciones de trabajo, que normalmente vienen asociadas en caso de ser lineal, a la carga y el diámetro del actuador; teniendo entonces la posibilidad de elegir actuadores lineales de simple efecto, doble efecto, o cilindros con una configuración especial.

Ahora bien, si la tarea automatizada tiene como objeto convertir la energía del fluido en movimiento circular, la elección está orientada hacia los motores neumáticos o hidráulicos. Al igual que en los lineales, el motor debe garantizar que el movimiento sea constante, y que el par transmitido a los elementos asociados sea el sufriente para generar la potencia necesaria.

Finalmente, los elementos de control en un proceso automatizado, compuestos especialmente por válvulas, permiten otorgar al operador la posibilidad ingresar ordenes al sistema. Al respecto, su elección está condicionada por la función que debe cumplir independiente que el sistema sea neumático o hidráulico.

Actividad de aprendizaje

Para finalizar, lea con atención el siguiente Estudio de caso y con ayuda de su prosefor, presente la solución que considere más adecuada.