Hay consideraciones eléctricas y mecánicas que deben tenerse en cuenta al implementar un actuador lineal. A veces puede resultar difícil elegir el tamaño y la fuerza adecuados. Por ejemplo, el actuador puede estar clasificado para soportar el doble del peso de una trampilla en términos de fuerza, pero aun así tiene dificultades para abrirla. Esto podría suceder debido al ángulo de aplicación de la fuerza o a un apalancamiento insuficiente.
En este blog, compartiremos un conjunto de cálculos simplificados que brindarían un buen punto de partida para los requisitos de fuerza y longitud de carrera para un actuador lineal.
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La mayoría de nuestros actuadores son totalmente personalizables para cualquier proyecto.
Movimiento lineal
Cuando hablamos de movimiento lineal, nos referimos al movimiento de la carga es lineal y puede ser en forma de elevador o bomba. Este blog abordará principalmente el movimiento vertical, pero las mismas técnicas podrían ser útiles para analizar también el movimiento horizontal. Echemos un vistazo al ejemplo de la siguiente figura.
Figura 1: Movimiento lineal con actuador en ángulo
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Variable |
Explicación |
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L1 |
Longitud del actuador cuando está completamente retraído. |
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L2 |
Longitud del actuador cuando está completamente extendido. |
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Y1 |
Distancia del eje Y entre el soporte frontal del actuador y el soporte trasero. |
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X1 |
Distancia del eje X entre el soporte del extremo frontal del actuador y el soporte del extremo de lectura. |
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Y2 |
La distancia vertical que tendría que recorrer la carga. |
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S |
Carrera del actuador: distancia que se extiende un actuador. |
Aquí tenemos un actuador en ángulo que intenta mover una masa hacia arriba. La masa tiene rodillos a ambos lados para indicar que solo puede moverse hacia arriba y hacia abajo. Las ubicaciones de montaje en los extremos delantero y trasero del actuador están fijas en su lugar para que solo puedan girar.
Calcular la longitud de carrera del actuador
Si X1 fuera 0, el actuador lineal ya no estaría en ángulo, por lo que la distancia vertical que recorrería la carga sería igual a la carrera.
Examinemos un caso más desafiante donde X1 no es 0. Entonces, para lograr el movimiento vertical de la carga, el actuador eléctrico Tendría que ambos extender y girar . Esto es beneficioso porque el actuador ocupará menos espacio. Entonces, la longitud del trazo no será igual al desplazamiento vertical. Para encontrar la longitud del trazo, ¡tendríamos que hacer algunos cálculos sencillos!
Recuerde que el trazo es simplemente la diferencia entre el movimiento completamente extendido. longitud del actuador y la longitud del actuador completamente retraído.
Las longitudes del actuador completamente retraídas y extendidas son la hipotenusa de un triángulo que forma los soportes trasero y delantero.
Figura 2: Búsqueda de longitudes retraídas (L1) y extendidas (L2) de un actuador
Usando este método, podemos encontrar la longitud de carrera que correspondería a la distancia de recorrido vertical deseada de la masa. Según la fórmula, cuanto menor sea el valor X1, más longitud de carrera corresponderá al recorrido vertical. Si X1 es grande, pequeños aumentos en la longitud de la carrera provocarán grandes cambios en la distancia de recorrido vertical.
Si el actuador se colocó estrictamente verticalmente, el cambio de altura será simplemente igual a la extensión del actuador. Colocar el actuador en ángulo aumentará el rango de movimiento lineal total de la masa y el actuador podría ocupar menos espacio. Dicho esto, también provocará cierta carga lateral y debemos tener cuidado de no doblar la varilla del actuador . Se recomiendan carreras más cortas al colocar el actuador en un ángulo como este.
Figura 3: Comparación entre la longitud de la carrera y la distancia recorrida para el movimiento lineal
Cálculo de la fuerza nominal del actuador
Podemos seguir usando la propiedad de los triángulos para encontrar la fuerza del actuador . Tenga en cuenta que si el actuador está en ángulo, la fuerza que aplica se dividirá en un componente horizontal y vertical. La componente horizontal de la fuerza no contribuye al movimiento. La componente vertical de la fuerza empujará la masa hacia arriba, por lo que debemos asegurarnos de que el actuador proporcione suficiente fuerza en todo momento.
Figura 4: Desglose de la fuerza para el movimiento lineal
Empezamos calculando la fuerza vertical de la masa.
Podemos calcular la fuerza vertical requerida del actuador de la siguiente manera:
Aquí usamos L1 porque el actuador tendrá la fuerza vertical más baja cuando esté completamente retraído. Al elegir un actuador , debemos asegurarnos de que sea capaz de generar una fuerza dinámica y estática superior a F Total que hemos calculado.
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Movimiento rotatorio
Cuando hablamos de movimiento giratorio, nos referimos a que la carga o masa gira alrededor de algún eje. Esta podría ser una aplicación con una puerta que se abre o una trampilla. Incluso podría ser inclinar la plataforma de carga de un camión.
Figura 5: Movimiento giratorio con un actuador en ángulo
En la Figura 5 estamos viendo una vista lateral de una puerta vertical o una trampilla configurada para abrirse con un actuador lineal. La retracción total del actuador se indica en la posición ① y la extensión completa se indica en la posición ②. Un actuador se monta en ángulo, tanto en extensión total como en retracción completa.
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Variable |
Explicación |
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L1 |
Longitud del actuador cuando está completamente retraído. |
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L2 |
Longitud del actuador cuando está completamente extendido. |
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Y1 |
Distancia del eje Y entre el soporte trasero del actuador y el eje de rotación de la puerta (bisagra de la puerta). |
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X1 |
Distancia del eje X entre el soporte trasero del actuador y el eje de rotación de la puerta (bisagra de la puerta). |
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Y2 |
Distancia entre el eje de rotación de la puerta (bisagra de la puerta) y el soporte frontal del actuador. |
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S |
Carrera del actuador: la distancia que se extiende un actuador. |
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L3 |
La longitud total de la puerta. |
El ejemplo utiliza el actuador lineal montado en ángulo para proporcionar un caso más general. Si desea encontrar la longitud de carrera y la fuerza del actuador cuando está montado perpendicular a la puerta, puede continuar con la guía pero configurando lo siguiente:
Calcular la longitud de carrera del actuador
Esta vez usaremos el mismo método del triángulo que usamos en la sección de movimiento lineal. El único cambio es que esta vez los triángulos están construidos de manera diferente.
Figura 6: Búsqueda de la longitud del actuador retraído (L1) y extendido (L2)
Igual que antes, la longitud de la carrera es la diferencia entre la longitud completamente extendida y completamente retraída del actuador. Lo podemos encontrar simplemente de la siguiente manera:
En este caso, la longitud de la carrera del actuador depende en gran medida de la ubicación de los soportes delantero y trasero. Cuanto más cerca coloquemos el soporte frontal de la bisagra de la puerta, menos tendrá que recorrer el actuador para abrir o cerrar la puerta. De manera similar, cuanto más cerca esté el soporte trasero de la bisagra, menos carrera se necesitará para abrir la puerta.
Hay un punto de inflexión en el que alejar el actuador de la bisagra ya no provoca grandes cambios en la longitud de la carrera del actuador porque la longitud del actuador coincide estrechamente con la longitud de la puerta y la mayor parte del movimiento se realiza mediante la rotación. Esta no es una buena posición para el actuador porque el apalancamiento es muy pobre, pero lo discutiremos en las secciones posteriores.
Figura 7: Longitud de carrera en relación con la posición de montaje frontal (también conocida como distancia desde el montaje frontal hasta la bisagra de la puerta)
Figura 8: Longitud de carrera relativa a la posición de montaje trasero
Podemos ver en la Figura 8 que variar la posición del soporte trasero afecta la longitud de carrera requerida, pero el efecto tiende a estabilizarse con bastante rapidez.
Cálculo de la fuerza nominal del actuador
Para encontrar la clasificación de fuerza para nuestro actuador, necesitaremos determinar la carga esperada de la puerta. Debido a que la puerta gira alrededor de las bisagras, simplemente conocer la masa de la puerta no es suficiente para determinar la fuerza ejercida sobre el actuador. Para esta aplicación, necesitaremos encontrar el momento de inercia de masa de la puerta.
Intuitivamente, sabemos que abrir una puerta usando un pomo (ubicado lejos de la bisagra) es mucho más fácil que abrir una puerta empujándola en algún lugar cerca de la bisagra.
Figura 9: Representación de una puerta que se abre verticalmente
El momento de inercia (indicado como I) para la puerta que se abre verticalmente alrededor de la bisagra se puede encontrar de la siguiente manera:
Ahora que tenemos el momento de inercia, sabemos el par que el actuador debe aplicar a la puerta para que se mueva. Por tanto, podemos calcular la fuerza de la siguiente manera:
Esta fuerza se llama F normal porque es solo un componente de la fuerza aplicada al actuador y no la fuerza completa. Se ilustra mejor en la Figura 10. Como puede ver, F normal no actúa a lo largo de la línea L1 o L2, sino en ángulo.
Figura 10: Ubicación de montaje de los actuadores
Esto significa que tenemos que convertir F normal de solo una fuerza componente a una fuerza total del actuador. Debido a que nuestra carga es una puerta giratoria, la fuerza normal F permanece constante, pero la carga aplicada al actuador cambia. Por ejemplo, cuando el actuador está completamente retraído en la posición ① , la bisagra de la puerta soporta la mayor parte de la carga, por lo que el actuador no experimentará mucha fuerza hasta que tenga que mover la puerta. Por otro lado, cuando el actuador está en extensión completa en la posición ② , la bisagra de la puerta no soporta tanto la puerta. En ese caso, el actuador tiene que soportar la mayor parte de la carga.
Podemos calcular la fuerza retraída y extendida necesaria para el actuador. Dependiendo de las condiciones de montaje , la fuerza en la posición extendida podría ser mayor que la fuerza en la posición retraída o puede ser al revés. Por esta razón, tenemos que calcular ambos y elegir el más alto para asegurarnos de que nuestra aplicación sea sólida.
Por ejemplo, en la Figura 10, la fuerza más alta se aplicaría al actuador cuando esté completamente extendido. Entonces, la clasificación de fuerza mínima para el actuador tendría que ser igual o superior a F extendida .
Conclusión
En este blog, analizamos formas simplificadas de calcular la fuerza nominal y la longitud de carrera deseadas para actuadores lineales . Las ecuaciones de este blog se pueden utilizar para calcular los requisitos aproximados para el movimiento lineal y giratorio de la carga. Comuníquese con nosotros en sales@progressiveautomations.com si tiene más preguntas y nuestro equipo de ingenieros estará encantado de ayudarle.