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3.1 Introducción

Introducción.

Accionadores eléctricos.

Accionadores neumáticos.

Accionadores hidraúlicos.

Transmisiones y reductores.

Frenos.

TEMA 3. ELEMENTOS MOTORES

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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.

Introducción.





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

alimentación hacia el colector y, por consiguiente, al bobinado del rotor.

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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


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Motor combinado

Se obtiene alto par de arranque.



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Motor independiente

Caso particular del paralelo


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).

Montaje del sharp (sensor de IR) sobre el KP4M4-001

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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

• Rápida aceleración

• Bajo par

• Baja inercia

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

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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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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

• Pasos angulares más pequeños

• Más lentos de aceleración

• Menos par

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.

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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

agujas del reloj.

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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

importante a la hora de diseñar el circuito que controle el motor.

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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

un número determinado de pasos según las necesidades.

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Motor PAP de Imanes permanentes unipolar

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Motor PAP Híbridos

• Pasos angulares muy pequeños Alta precisión 1º / paso

• Baja inercia

• Alto par

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.

33

Motor paso a paso – despiece (1)

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Motor paso a paso – despiece (2)

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3.3 Accionadores neumáticos.

Introducción.





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.

Introducción.





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

50

Motores hidráulicos de pistón axial

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Características de distintos tipos de actuadores

Neumático Hidráulico Eléctrico

E 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 Más económicos

Alta velocidad

Sencillos

Robustos

No contaminan

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

D Dificultad de control

continuo

Mala precisión al

actuar con cargas

Instalación especial

Ruidoso

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

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3.5 Transmisiones y reductores.

Introducción.





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.

60

Tornillo de circulación a bolas

61

Pararelogramao articulado

62

Mecanismo articulado (1)

63

Mecanismo articulado (2)

64

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.

Introducción.





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

tema 3. elementos motores accionadores …isa.uniovi.es/~alonsog/robotica/03 elementos...

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