Forma

May 12, 2023

Por Lisa Eitel | 10 de julio de 2018

Ahora, un nuevo actuador utiliza haces de cables SMA hechos de una aleación especial de níquel-titanio para lograr un movimiento lineal confiable.

Dean Pick, P.Eng. • Presidente | Automatización cinética

Las aleaciones con memoria de forma (SMA) son aquellos materiales que responden a los cambios de temperatura cambiando el factor de forma. Originalmente financiadas por la Marina de los EE. UU., las tecnologías SMA fueron comercializadas por primera vez por Raychem Corp. (ahora de TE Connectivity) durante la década de 1950. Pero la naturaleza impredecible de las primeras versiones materiales resultó ser un desafío. Entonces, durante décadas, los fabricantes investigaron formas (con éxito mixto) de aumentar la durabilidad, la consistencia y la aplicabilidad de los diseños basados ​​en SMA.

Las clasificaciones de fuerza y ​​carrera se pueden usar para seleccionar el modelo de actuador Kinitics Automation apropiado, y los ingenieros de diseño pueden configurar los actuadores para que funcionen con innumerables fuentes de energía para adaptar el tiempo de respuesta a la aplicación (y para compatibilidad con la infraestructura existente).

Ahora, una nueva oferta de movimiento lineal basada en SMA utiliza material SMA avanzado para un movimiento repetible y predecible. El fabricante hace paquetes de cables hechos de SMA y los ancla a una carcasa del actuador. La corriente a través del SMA (resistivo eléctricamente) genera este calor; cuando se calienta más allá de una temperatura de transición, los átomos de los cables se realinean en otra estructura cristalina. Esto da como resultado la contracción del cable cuando se calienta y la reextensión cuando se enfría, lo que a su vez genera una salida de movimiento lineal.

Los actuadores de Kinitics Automation utilizan una aleación con memoria de forma de níquel-titanio (el NiTi en Kinitics) en una disposición de cables agrupados. Los actuadores satisfacen ciertas aplicaciones mejor que otras tecnologías de movimiento lineal. A la derecha, observe cuánto más simples son las configuraciones de los actuadores de Kinitics Automation que los sistemas hidráulicos comparables.

De hecho, este comportamiento reversible hace que los actuadores basados ​​en cable SMA sean adecuados para una variedad de aplicaciones de movimiento, incluidas aquellas en ejes de máquinas de alto ciclo. La varilla es la única parte móvil, por lo que el actuador exhibe cero contragolpe o inclinación mecánica, independientemente de cuántas veces se realice el ciclo. La investigación y las pruebas han producido información cuantitativa estándar de la industria sobre los actuadores lineales para permitir la aplicación a diseños de movimiento del mundo real.

El cable combinado de automatización Kinitics conecta varios cables SMA a un pistón dentro del actuador. La conexión directa de la disposición de cables entre el cuerpo del cilindro y el vástago garantiza resistencia y durabilidad. Al aplicar electricidad (calor), los cables se acortan y mueven la varilla del actuador. Para el control de calidad y las pruebas de MTBF, Kinitics Automation ejecuta un laboratorio que incluye varios dinamómetros de alambre que han registrado más de 2 millones de ciclos en piezas individuales de alambre SMA.

Kinitics Automation Bundled Wire es una tecnología patentada de ensamblaje y conexión de cables de aleación con memoria de forma (SMA) en una matriz densa. La tecnología Bundled Wire brinda a los actuadores lineales SMA de Kinitics Automation una alta relación resistencia-tamaño. Además, retiene un área de superficie de alambre alta para permitir tiempos de avance de solo 200 mseg (o menos) y ciclos completos en menos de 5 segundos. Cuando se conecta a una bomba de pistón como se muestra aquí, la tecnología se puede aplicar a aplicaciones de energía hidráulica.

Así es como funciona un actuador lineal SMA en un ciclo de carrera lineal:

1. Durante una fase de carrera inicial, el actuador lineal SMA de haz de cables utiliza energía eléctrica para mover un pistón hacia un extremo fijo. La cantidad de potencia aplicada dicta la velocidad del pistón.

2.A continuación, durante una fase de retención opcional, el pistón puede mantener la posición durante un período de tiempo determinado.

3. Luego, durante la fase de retorno, el actuador lineal SMA de cables agrupados utiliza la transferencia de calor y la polarización de la fuerza para devolver el pistón a la posición inicial. La velocidad de enfriamiento y la cantidad de fuerza de empuje dictan la velocidad del pistón.

Para los ingenieros de diseño que desarrollan ejes de máquinas que requieren posicionamiento o control de fuerza, el actuador lineal Kinitics Automation es una nueva opción. Cuando se combina con un controlador Kinitics (como el KCA020), una señal de entrada del controlador analógico puede modular la ganancia del actuador. Alternativamente, el controlador Kinitics también puede aceptar una señal de modulación de ancho de pulso (PWM) para accionar dinámicamente el actuador. La combinación de un actuador y controlador Kinitics con un sensor de retroalimentación y un controlador de planta produce un sistema de movimiento de circuito cerrado. Los programadores pueden aprovechar la capacidad de respuesta lineal del actuador al desarrollar su estrategia de control. Por lo general, es posible utilizar un bloque de función PI y eliminar la necesidad de desarrollar programas complejos de orden superior.

Al agregar sensores de retroalimentación y un controlador al diseño, los ingenieros de diseño pueden incluso obtener actuadores lineales SMA de cables agrupados para generar perfiles de movimiento complejos... y posicionamiento preciso y control de fuerza. Para este último, un controlador de accionamiento especializado regula la entrada de corriente para controlar el movimiento lineal preciso de salida.

Aunque más allá del alcance de este artículo, las variaciones en la disposición del SMA de cables agrupados para el funcionamiento de la bomba de pistón pueden brindar un control preciso de la presión, el control de la temperatura de descarga y el control del desplazamiento volumétrico.

Cuando se utilizan para el posicionamiento, los actuadores lineales SMA de cables agrupados Kinitics generan una precisión repetible y una precisión de hasta 5 µm (0,0002 pulg.). Aquí se muestran las características de rendimiento de un actuador lineal KLA05 SMA que funciona con una entrada de 120 V CA para mover 725 N (163 lbƒ) en tres posiciones. Al limitar la ganancia del controlador KCA020 (como se muestra aquí entre los pasos uno y dos), también es posible controlar la tasa de aceleración.

Cómo se comparan los actuadores lineales de SMA con los diseños tradicionales

Los actuadores lineales SMA de cables agrupados son exclusivos de la industria del movimiento lineal: no utilizan motores ni campos magnéticos para generar fuerza. En cambio, la tecnología utiliza una aleación con memoria de forma para generar movimiento. Suelen ser menos costosos que los motores eléctricos de tamaño similar. Además, los actuadores lineales de SMA evitan algunos de los problemas de ruido eléctrico de las disposiciones electromagnéticas y el ruido acústico de los dispositivos mecánicos, como las cajas de engranajes. De hecho, los actuadores lineales SMA de cables agrupados funcionan sin componentes de transmisión de potencia, como cajas de engranajes y husillos de bolas, para convertir el movimiento rotatorio en lineal.

Debido a que son una tecnología nueva, los actuadores lineales SMA desafían las clasificaciones tradicionales de los diseños de movimiento tradicionales.

La mejor manera de resumir el actuador lineal SMA de cables agrupados es describirlo como una opción de carrera corta de alta fuerza, escalable a aproximadamente 2000 N o aproximadamente 500 lb de fuerza. Las carreras son de 10 mm o aproximadamente 0,375 pulg. Las aplicaciones adecuadas son aquellas que necesitan carreras cortas con un posicionamiento excepcionalmente preciso. En MD&M West 2018 en Anaheim, California, una demostración mostró un pequeño actuador lineal SMA de cables agrupados levantando y bajando con precisión 160 lb de placas de entrenamiento de pesas de metal con precisión, para colocar el peso dentro de 5 mm.

Tal movimiento lineal no es posible con la mayoría de las otras tecnologías.

Solenoides ofrecen excelentes carreras "bang-bang" de encendido y apagado, como en las válvulas de asiento para aplicaciones de procesos de fluidos, por ejemplo. Estas válvulas necesitan mucha fuerza para actuar sobre el resorte manteniendo la presión durante el estado estático. En contraste, la actuación lineal de aleación con memoria de forma puede servir para hacer que tales instalaciones funcionen como válvulas proporcionales... porque a diferencia de los solenoides, los controles pueden llevar el actuador a cualquier posición para controlar el flujo.

Los actuadores lineales SMA de cables agrupados también pueden funcionar como posicionadores (para competir con las tecnologías piezoeléctricas) en algunos casos. Las longitudes de carrera van más allá de las depiezos, por lo que los ingenieros de diseño que necesitan más de 0,1 mm (por ejemplo, hasta 10 mm) pueden considerar la activación SMA de cables agrupados como una opción.

Las aplicaciones aquí incluyen el posicionamiento fino de mesas de mecanizado, instrumentos de espejo y otras aplicaciones que, de lo contrario, necesitan la exactitud y la precisión de los actuadores piezoeléctricos pero con un mayor alcance.

Cuando las longitudes de carrera son cortas, los actuadores SMA incluso compiten contraconfiguraciones tradicionales de actuadores de movimiento lineal que combinan un motor eléctrico rotativo con un dispositivo mecánico rotativo a lineal. La eliminación del movimiento perdido, la holgura y las superficies de desgaste de los acoplamientos, cajas de engranajes y otros componentes mecánicos permite una mayor precisión y una vida útil más larga. Las aplicaciones potenciales aquí incluyen aquellas en robótica y electrónica de consumo, instalaciones HVAC y dispositivos médicos.

Automatización cinética | www.kiniticsautomation.com

El concepto de transmisión directa de la tecnología SMA de cables agrupados de Kinitics Automation surgió de una aplicación automotriz dentro de la empresa hermana Biperformance Development Corp. (ShiftFX). En resumen, ShiftFX quería construir un control de embrague optimizado para motocicletas capaz de actuar como un cilindro maestro, esencialmente una bomba de pistón.

"Las tecnologías convencionales, en particular, los actuadores accionados por husillo de bolas, no tenían suficiente densidad de potencia para hacer el trabajo dentro del espacio asignado en el espacio de la motocicleta", dijo el presidente de Kinitics Automation, Dean Pick. "Así que nos topamos con la tecnología de aleación con memoria de forma y comenzamos cinco años de trabajo de I+D en adaptaciones. En ese momento, nadie la había aplicado con éxito a una aplicación de movimiento lineal".

Dean Pick en el laboratorio: Para el control de calidad y las pruebas de MTBF, Kinitics Automation administra un laboratorio que incluye varios dinamómetros de alambre que han registrado más de 2 millones de ciclos en piezas individuales de alambre SMA.

De hecho, Pick conduce motocicletas y sirvió como conejillo de indias de prueba para muchos de los primeros usos de Kinitics Automation de los productos de aleación con memoria de forma. Una vez perfeccionada, el equipo de Kinitics se dio cuenta de que la tecnología podría ser útil para otras aplicaciones lineales en otras industrias. Así que ahora, se ha establecido una familia completa de actuadores lineales y bombas de pistón SMA.