Desde a invenção do motor elétrico, os engenheiros têm procurado maneiras de usar seu princípio de operação para gerar movimento linear em vez de movimento rotativo, como visto em atuadores rotativos. Mais ou menos no século passado, eles desenvolveram uma variedade de maneiras de fazer isso acontecer.
O método mais comum de criar movimento linear é usar parafusos de macaco, que, em essência, são semelhantes a parafusos que levantam o chassi de um carro quando girados. Os macacos de parafuso existem em tudo, desde guinchos de barcos e elevadores até impressoras e correias transportadoras.
Mas se você ainda está confuso sobre o que define os atuadores lineares, você não está sozinho. É por isso que estamos abordando esse tópico confuso e explicando-o de uma vez por todas. Elaboramos um guia que fornecerá todas as informações de maneira simples e fácil de entender.
O que é um atuador linear?
Atuadores lineares são dispositivos eletromecânicos simples que transformam energia elétrica em movimento linear em vez de atuadores rotacionais. Atuadores lineares tendem a ser mais compactos, precisos e confiáveis do que atuadores rotativos, tornando-os a solução ideal para muitas aplicações que envolvem movimento linear.
Os atuadores lineares também têm a vantagem distinta de exigir menos engrenagens ou outros componentes para converter o movimento rotativo na quantidade desejada de movimento linear. Por exemplo, alguns macacos precisam de várias engrenagens para gerar uma polegada de movimento linear. Atuadores lineares precisa de apenas dois ou três componentes no máximo.
Os atuadores lineares podem transformar um simples empurrão ou puxão em um arco que se estenderá até onde seu braço permitir. Na verdade, a versatilidade e a simplicidade dos atuadores lineares os tornam os favoritos entre os profissionais do setor.
Como funcionam os atuadores lineares?
Atuadores lineares são dispositivos eletromecânicos simples que dependem de um motor elétrico e uma haste roscada. A haste roscada se conecta ao objeto que se move em linha. Ao mesmo tempo, o motor provoca movimento rotativo dentro da haste roscada. À medida que a haste gira, ela se move ao longo de um eixo. Simples assim!
Os atuadores lineares consistem em duas seções principais: uma seção telescópica e uma seção de acionamento. A seção telescópica consiste em duas barras metálicas (chamadas de "ação" e "arrasto") que deslizam uma ao longo da outra quando movidas pelo motor dentro delas. A seção de acionamento contém um motor e uma haste roscada anexada. O motor gira, conduzindo a haste roscada dentro da seção telescópica.
À medida que a haste roscada se move, ela provoca um movimento de atuação nas barras de ação/arrasto, movendo-as ao longo de um eixo (daí "atuador linear"). No entanto, a precisão dos atuadores lineares está relacionada ao design da barra de ação/arrasto e aos seus motores incorporados, então é aqui que a escolha do atuador certo entra em jogo.
Quais são os tipos de atuadores lineares?
Os atuadores lineares existem em quatro tipos principais, de acordo com a forma como são alimentados. Os quatro tipos são eletromagnéticos, pneumáticos, hidráulicos e piezoelétricos. Esses atuadores podem ser ativos ou passivos, sendo que o primeiro depende de energia elétrica e o segundo não possui fonte de energia.
A princípio, você pode pensar que é negativo que os atuadores não sejam mais generalizados em suas funções. Mas o fato de existirem tantos tipos só irá beneficiá-lo no longo prazo. Como diferentes indústrias encontraram vários problemas. Eles desenvolveram suas próprias soluções usando novos tipos de atuadores lineares para lidar melhor com seus desafios específicos.
O resultado é vários tipos diferentes de atuadores que atendem a necessidades e problemas específicos. Isto por si só é um enorme benefício, pois permite que cada tipo de atuador linear atenda ao seu próprio propósito e faça-o melhor. Aqui está uma análise de como cada tipo de atuador funciona e o que eles pretendem alcançar.
Atuadores Eletromagnéticos
Atuadores eletromagnéticos utilizam corrente elétrica para seu funcionamento. Os princípios por trás dos atuadores eletromagnéticos são semelhantes aos do eletromagnetismo, acionamento de motores ou solenóides. A corrente aciona um fio enrolado em um material ferromagnético como o aço, que torce e empurra as barras de arrasto.
Quando ocorre uma corrente, ela gera um campo magnético que atrai outros materiais ferromagnéticos, como o ferro. Assim que a corrente para de fluir, o campo magnético fica mais fraco e o núcleo de ferro voa para fora do cilindro. Este princípio permite que os eletroímãs captem objetos metálicos, de modo que o movimento linear dos atuadores eletromagnéticos muda ao mudar de direção.
Para que funcione, deve haver um mecanismo de mola que mantenha a tensão no fio para “arremessar” o núcleo e devolvê-lo à sua posição original. Como você pode imaginar, é aqui que entra em ação a resiliência dos atuadores lineares. Eles são muito mais duráveis do que você imagina.
Atuadores Pneumáticos
Os atuadores pneumáticos compartilham as mesmas funcionalidades das ferramentas pneumáticas. Eles têm a mesma forma e funções que vários tipos de tubos, cilindros e válvulas. Atuadores pneumáticos funcionam usando ar comprimido ou fluidos para alimentar coisas como pistões. Quando ar ou líquido é introduzido no cilindro, ele empurra um pistão que faz com que ele se mova.
É importante lembrar que os atuadores pneumáticos costumam ser mais simples e compactos que os hidráulicos, o que os torna uma excelente opção para aplicações domésticas. No entanto, eles são normalmente limitados pela pressão ou fluido mais extenso do gás para acionar o pistão. Além disso, eles precisam de mais manutenção e cuidados do que outros tipos de atuadores lineares.
Para usar um atuador pneumático, basta iniciar o fluxo de ar ou fluido através do cilindro de trabalho. Lembre-se de que os atuadores lineares pneumáticos quase sempre são emparelhados com uma bomba elétrica para fornecer suprimento de ar quando necessário.
Atuadores Hidráulicos
Atuadores hidráulicos são aríetes que podem ser usados para tarefas como levantar ou mover objetos pesados. São compostos por um cilindro e um pistão submersos em óleo, o que proporciona resistência devido à sua viscosidade.
Quando a corrente passa, o calor é gerado e reduz a viscosidade do óleo circundante. A diminuição resultante na resistência torna mais fácil empurrar o pistão para baixo contra a resistência do óleo.
Quando você usa um atuador linear hidráulico, um fluido (geralmente óleo ou água) é bombeado para dentro do cilindro, forçando-o a se expandir. Este processo é controlado por uma válvula e faz com que um objeto anexado se mova em relação ao solo.
Atuadores Piezoelétricos
Os atuadores piezoelétricos funcionam com base no princípio da piezoeletricidade, que é a carga elétrica que se acumula em certos materiais quando são submetidos a estresse ou pressão mecânica. Por exemplo, se você amassar uma folha de alumínio, ela gerará uma carga elétrica e você criará uma faísca se tocá-la.
Acontece que este processo pode produzir movimento linear em vez de cargas elétricas também. A forma como funciona é que os cristais são fixados em ambos os lados do material e, em seguida, a voltagem é aplicada a eles. Um dos cristais atua como eletrodo e faz com que os elétrons fluam em uma direção através do material. Em contraste, o outro cristal faz com que eles se movam na direção oposta.
Atuadores piezoelétricos são normalmente encontrados em aplicações como máquinas e impressoras de estereolitografia, onde o posicionamento exato e a precisão são fundamentais para o sucesso.
Para que são usados os atuadores lineares?
Atuadores lineares são amplamente utilizados em diversas aplicações, mas todos têm uma coisa em comum. Pode parecer óbvio, mas eles podem fazer um objeto se mover linearmente.
Isso pode não parecer grande coisa. Ainda assim, quando se considera quantas coisas precisam de movimento linear para serem eficazes, faz sentido que a necessidade deste tipo de dispositivo seja tão predominante em todos os lugares. Você pode ver exemplos de atuadores lineares em todos os lugares da vida cotidiana, desde dentro de casa até os armazéns e instalações de fabricação mais gigantescos do mundo.
Atuadores Lineares em Casa
Um uso doméstico típico para atuadores lineares inclui portas de garagem, portões e cortinas em sua sala de estar. Os mecanismos são leves e compactos o suficiente para caber convenientemente nas casas dos consumidores do setor não industrial. Atuadores lineares também são comumente encontrados em janelas drive-thru e em caixas de banco.
A maioria das pessoas não percebe que estão incluídas como parte de itens do dia a dia como portas, portas de garagem e janelas. No entanto, esses dispositivos são comuns no que você pode considerar materiais de construção de alta qualidade devido à sua versatilidade.
No final das contas, eles servem o mesmo propósito, apenas em diferentes economias de escala. Aqui estão mais alguns detalhes sobre como esses atuadores lineares funcionam em sua casa.
Portas de garagem e portões de ferro
Os atuadores lineares são um elemento pequeno, mas essencial nas máquinas grandes e pesadas que abrem e fecham portas de garagem. Atuadores lineares são usados para empurrar um abridor de porta grande e pesado para frente e para trás para abrir a porta da garagem.
Suponha que você tenha aberto a porta da garagem manualmente e examinado todas as peças. Nesse caso, você deve ter visto o motor elétrico conectado por uma corrente a um sistema de polias que abre a porta.
Suportes e suportes para TV
Suportes e suportes para TV provavelmente não são a primeira coisa que vem à mente quando você pensa em atuadores lineares, mas eles estão fazendo um trabalho essencial. Estes são usados para ajuste o ângulo da sua televisão com o mínimo esforço. Eles são mais comumente usados em hotéis para facilitar a limpeza e a troca de canais das televisões dos hotéis. Ainda assim, você também os encontrará em algumas montarias domésticas.
Partes automotivas
Outro exemplo disso está no seu carro. Os carros usam atuadores lineares como parte do sistema de freios. O pedal do freio do motorista está conectado a uma haste que desce até o cilindro mestre. É aqui que o fluido hidráulico empurra os pistões dentro do cilindro, o que faz com que as sapatas de cada roda se expandam.
Atuadores Lineares na Indústria
Os atuadores lineares vêm com muitas aplicações em ambientes industriais em fábricas. Por exemplo, na fabricação, os atuadores lineares atuam como câmaras de pressão. Eles então geram jatos de água de alta pressão para cortar, moldar ou perfurar materiais como pedra, alumínio, aço e concreto.
Mas geralmente são usados para elevação e transporte. Em um armazém, eles são usados para levantar objetos pesados, como paletes ou contêineres, de um lugar para outro. Eles também podem ser encontrados em outras configurações de tipo de distribuição. Nessas configurações, eles levantam, abaixam e empurram a planta ou de uma doca para outra.
Os atuadores lineares também podem ser encontrados na aplicação de linhas de montagem, onde têm a tarefa de mover peças individuais da linha de montagem ao longo de seu ciclo. Abaixo estão alguns casos de uso mais específicos de atuadores lineares da linha de montagem.
Sistemas transportadores
Os sistemas transportadores usam atuadores lineares para transportar materiais. Existem vários sistemas de transporte que executam diversas funções. Um transportador de correia usa uma série de polias ou rolos para mover itens horizontalmente. O motor elétrico aciona o dispositivo de roletes, que se move ao longo da pista para entregar os itens.
Máquinas de cintar
Máquinas de cintar use atuadores lineares para agrupar itens por meio de fita adesiva. Esta máquina consiste em pinças, uma cabeça de acionamento e um efetor final que faz a conexão final. O efetor final também permite fixar as extremidades da fita de cintagem no lado correspondente.
Escolha e coloque robôs
Esses robôs são projetados para pegar objetos de uma prateleira e colocá-los em outro recipiente. Esta é uma tarefa importante que auxilia os humanos em seu trabalho diário. Existem dois tipos de robôs usados nesta aplicação. O primeiro tipo é projetado para lidar com objetos rígidos como caixas. Em contrapartida, o segundo tipo (micromanipuladores) cuida de itens delicados como sanduíches ou hambúrgueres.
Atuadores Lineares Usados para Automação
Uma das maiores indústrias de cruzamento para atuadores lineares é a automação, seja industrial ou para fins técnicos e científicos. Por exemplo, os braços robóticos muitas vezes precisam de um atuador linear para movimentos precisos do braço. Neste caso, os dispositivos são utilizados para levantar e abaixar os objetos de forma controlada.
A principal diferença é que os atuadores lineares devem suportar grandes desgastes decorrentes do uso diário no mundo da automação. Um atuador linear motorizado deve ser capaz de funcionar continuamente sem quebrar. Esses dispositivos muitas vezes também precisam levantar objetos pesados, que podem pesar mais de 1.000 libras!
Como essas máquinas estão frequentemente envolvidas no processo de fabricação e na pesquisa especializada, é vital que elas não colidam com outras partes do maquinário ou com pessoas que possam estar próximas. É isso que torna esta técnica tão adequada, pois pode fornecer os movimentos exatos necessários.
Veículos guiados automaticamente (AGV)
Os AGVs são essenciais para o sistema de armazém porque ajudam a movimentar embalagens maiores pelas instalações. Um AGV é um pequeno veículo utilizado em ambientes onde os trabalhadores precisam levar coisas de um lugar para outro. Como você pode imaginar, esses veículos são vitais em ambientes industriais onde os trabalhadores precisam transportar cargas pesadas por longas distâncias.
O AGV se move ao longo de uma pista composta por correias transportadoras e sensores usados para determinar se a rota é exata ou se há algum obstáculo à frente, como uma empilhadeira. Ele usa tecnologia stop-and-go e é usado principalmente para entrega de itens. Ainda assim, também pode ser usado para transportar grandes caixas para fora do armazém, conforme necessário.
Quando os AGVs são operados por um operador, eles são frequentemente chamados de “ride and drives”. Quando são totalmente automatizados, são chamados de "passarela móvel" ou "transportador robótico". A grande diferença é que, ao chegar ao destino na esteira rolante, ele deve ser capaz de detectar a localização e evitar que deslize.
Tabela de Posicionamento Linear
Os sistemas de mesa linear utilizam atuadores lineares para controlar a posição de uma mesa suportada por rodas ou rolos. O atuador linear fornecerá a força necessária para o posicionamento de cima para baixo (ou seja, mover o objeto para o seu ponto inicial). Esses sistemas estão disponíveis em configurações de 2 e 3 eixos.
Os sistemas de 2 eixos moverão a mesa para frente e para trás, enquanto os sistemas de 3 eixos podem mover a mesa para cima e para baixo, para a esquerda e para a direita.
Um dos principais usos dessas mesas é fixar itens em um substrato, o que exige que o atuador linear levante ao retrair e abaixe ao avançar. Ele também deve fornecer a força de retração necessária para manter o objeto no lugar, por isso é essencial escolher o atuador linear correto.
Os usuários também podem controlar como uma mesa de posicionamento linear se move, controlando quanta força ela aplica usando um painel de controle ou computador. Ao fazer pequenos ajustes, os usuários podem garantir que seus objetos estejam na posição exata que desejam, sem perder tempo.
Máquinas de impressão e máquinas CNC
Atuadores lineares são amplamente usados em máquinas de impressão, onde normalmente são chamados de servos. Eles são usados para tarefas automatizadas da máquina de impressão, incluindo movimentação de correias, levantamento de cabeçotes de impressão e movendo a carruagem em uma máquina CNC.
As máquinas CNC usam atuadores lineares para posicionar a broca onde for necessária para fresamento ou corte. Eles devem ser definidos em ângulos exatos. Caso contrário, podem causar danos a outras partes da máquina. Na verdade, muitas impressoras usam vários servos para realizar movimentos mais complexos para fins de impressão.
Os atuadores lineares também são usados para mover a cabeça de impressão em relação à base móvel durante o processo de impressão. E, embora possa parecer uma tarefa simples, na verdade não é, pois muitos fatores precisam ser considerados.
A rapidez com que você avança ou retrai depende da rapidez com que deseja imprimir e do peso que está sobre a base. Além disso, você deve considerar a velocidade com que quaisquer outras partes da montagem estão se movendo.
Quando não usar um atuador linear hidráulico
Suponha que você esteja procurando uma maneira de mover um objeto pesado ou algo de tamanho moderado. Ainda assim, você não quer os efeitos de aceleração e desaceleração. Nesse caso, um atuador linear provavelmente não é a solução ideal. Isso ocorre porque os atuadores lineares dependem principalmente da pressão hidráulica e só podem aplicar força a um objeto se houver tempo suficiente para gerar pressão.
Os amadores também viram essas limitações. Usuários amadores de robótica os encontram muito devagar para alimentar os motores principais das pernas ou braços de um robô. Em vez disso, eles são mais adequados como atuadores menores que controlam juntas ou realizam outras tarefas onde a velocidade não é tão crítica. O hobbyista frequentemente usará um servo motor em conjunto com o atuador linear para mudar de direção e/ou velocidade.
Assim, a atuação linear é excelente para movimentos precisos e controlados onde são necessárias extrema precisão e consistência. Mas não é ideal para mudanças rápidas de direção ou aplicações de levantamento pesado. Essa desvantagem é algo que todos os atuadores lineares têm em comum e você deve considerá-la ao avaliá-los.
Atuadores lineares estão em toda parte
Os usos dos atuadores lineares são quase infinitos. Eles ocorrem em todos os lugares, desde as linhas de produção dos centros de expedição e fabricação até os carros que dirigimos no dia a dia.
Não importa para onde você olhe, você descobrirá que há alguma forma de atuador linear em uso. Essas máquinas são o coração de inúmeras peças de maquinário nas quais todos confiamos para realizar nossas tarefas todos os dias.
A melhor maneira de usar um atuador linear é combiná-lo com sua aplicação. Leve em consideração quais tarefas ele terá que realizar e que tipo de força exerce sobre ele. Isso o ajudará a calcular o peso levantado, a rapidez com que ele precisa se mover e se é forte o suficiente para suas necessidades.
Se você estiver trabalhando em um produto que precisa de um atuador, sabendo qual tipo ou não, entrar em contato hoje para um orçamento e vamos ver como podemos elevar seu projeto a novos patamares!
