ACTUADORES_NEUMATICOS_FESTO

8/2/2019 ACTUADORES_NEUMATICOS_FESTO

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FESTO

Actuadores neumticosD. Arce


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Actuadores Neumticos AN 2

NDICE

1. ndice 22. Prlogo 33. Introduccin 4

3.1 Propiedades fsicas de la Neumtica

4. Actuadores neumticos 74.1 Clculo de la fuerza de trabajo de losactuadores neumticos

8

4.2 Clculo de consumo de aire de los

actuadores neumticos11

4.3 Control de avance y retroceso de losactuadores neumticos

14

4.4 Regulador de velocidad de losactuadores neumticos

14

5. Actuadores giratorios 306. Criterio de seleccin de losactuadores de giro neumtico

34

6.1 Par de giro 346.2 Energa de rotacin 356.3 Momento de inercia

366.4 Algunos casos tpicos para el clculode momento de inercia

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7. Conclusiones 40


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2. Prlogo

Los componentes de la mquina compactadora haban sidoprcticamente cambiados en su totalidad, y an presentaba la falla. Una vez quese ordenaba que la prensa quedara arriba, con el paso del tiempo iba cediendo

poco a poco hasta perder la posicin de inicio. Esto implicaba perder lasecuencia y por lo tanto paros constantes por reajuste. El mecnico de pisohaba reemplazado la vlvula de mando 5/2, las vlvulas check piloteadas yhasta haba cambiado la unidad de servicio, todo lo haba cambiado!!. Solofalta por reemplazar el actuador, sera el actuador el problema??

La reparacin de una mquina exige por parte del personal demantenimiento la capacidad de anlisis, y por ende la comprensin delfuncionamiento de cada uno de sus componentes. La falta de este conocimientolleva a experimentar dentro del proceso, reflejndose en los costos.

En este documento pretendemos dar a conocer las caractersticas msimportantes de los actuadores neumticos y sus propiedades defuncionamiento. Por esto invitamos al lector a introducirse en el tema deactuadores neumticos que seguramente le ayudara a reducir grandes costosde mantenimiento y diseo.


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3. Introduccin

Independientemente del proceso que se realice, el movimiento descrito porla manipulacin de los herramentales o de las piezas de trabajo describe tresrutas generales de desplazamiento, que podemos clasificar de la siguientemanera:

rectilneoangularhelicoidal

A cada movimiento podemos reconocerle caractersticas propias, tales

como:sentidodireccinfuerzavelocidad

La produccin exige de los actuadores desplazamientos con altavelocidad, precisin, confiabilidad y de dimensionamiento reducido. Diversas sonlas tcnicas que se emplean para llevar acabo estos movimientos, una de las

ms aplicadas es la neumtica.La neumtica es el medio impulsor, que permite desarrollar los trabajos a

alta velocidad y eficiencia, con bajo costo. Los actuadores neumticos son losque realizan directamente el trabajo, y estn clasificados dos grandes grupos deacuerdo a su funcin.

Actuadores lineales Actuadores giratorios

Para poder comprender e implementar los diferentes elementosneumticos explicamos en la siguiente seccin los conceptos tericos bsicosen los que se fundamenta la neumtica.

3.1 Propiedades fsicas de la Neumtica


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Los parmetros de la neumtica en los que se fundamenta cualquierautomatismo son Presin y Caudal.

Presin. Es la fuerza por unidad de rea y las unidades en que se mideson el Bar, kg./cm2, PSI.

La presin neumtica se clasifica de acuerdo al punto de referencia apartir del cual se mide.

Presin absoluta. Es el valor de presin considerada desde el ceroabsoluto. En la estratosfera se considera un valor de presin igual a cero,presin que se empieza a incrementar cuando se introduce en la atmsfera

terrestre.

Presin atmosfrica. Es la presin que ejerce la atmsfera sobre loscuerpos, y que vara de acuerdo a la altitud del lugar donde se mida. A nivel demar se considera una presin atmosfrica de 1 atmsfera (1 bar).

Presin manomtrica. Es la presin que se encuentra dentro de tanqueso depsitos cerrados,

Depresin o vaco. Es la ausencia de presin, no puede existir un vaco

mayor a la atmosfrica ( no se puede tener presin menor al cero absoluto).


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Estratosfera

Atmsfera

cero absoluto

presin atmosfrica

depresin o vaco

presin manomtrica

Caudal. Es la cantidad de volumen desplazado por unidad de tiempo, ysus unidades son los lt / min. Para que exista caudal se necesita unadiferencia de presiones, y este fluir de mayor a menor presin y en relacincuadrtica al dimetro de la tubera.

Atmsfera terrestre

La figura muestra como vara la presin atmosfrica dependiendo de la altitud,el vaco es en sentido opuesto a la presin atmosfrica y jams ser mayor que

sta. La presin manomtrica se obtiene presurizando el aire en tanquescerrados.

La grfica muestra el caudal Qfluyendo de izquierda a derecha,es decir de presin mayor P1 apresin menor P2

Q

P2P1

P1 > P2


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4. Actuadores neumticos

Los actuadores son aquellos que realizan directamente el trabajo dentrode un sistema automtico o semiautomtico. Los tipos de actuadores estnconstruidos segn las caractersticas propias de la aplicacin.

Las caractersticas genricas de un actuador son:

a) Principio operativo (doble efecto - simple efecto)b) Dimetro del mboloc) Carrera de desplazamiento

Un actuador neumtico del tipo cilndrico esta compuesto de los siguienteselementos:

Vstago

Tapas o culatas

Camisambolo


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4.1 Clculo de la fuerza de trabajo de los actuadores neumticos

El dimetro del mbolo determina la fuerza que puede desarrollar elactuador. Y como se recordar la presin es la fuerza sobre unidad de rea.

P = F / A

donde:

P - Es la presin en BarF - Fuerza en Newton

A - rea en cm 2

despejando la fuerza tenemos:

F = P A

Como se puede observar la fuerza depende directamente de la presin ydel rea. Debido a que normalmente las mquinas manejan una presinconstante (6 bar), es entonces que la fuerza que puede realizar un actuadorneumtico depende directamente del dimetro de su mbolo.

mbolo

Vstago

Vista frontal Vista posterior

A

A 1 A2


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Las reas del mbolo de avance y de retroceso son diferentes.

A1 < A2

Por lo tanto la fuerza de avance es mayor que la fuerza de retroceso en unactuador de doble efecto, con una misma presin de trabajo.

F avance > Fretroceso

La diferencia de reas es debido al rea que ocupa el vstago en elmbolo.

El nomograma siguiente nos permite determinar el dimetro adecuado delmbolo para la fuerza a desarrollar de un actuador neumtico. Solamente es

requerido identificar la presin de trabajo del suministro del aire comprimido enlas lneas transversales y en las lneas verticales la fuerza a ejecutar (ejehorizontal).

10 NEWTON = 1 Kg

El punto dnde se unen estas dos lneas se proyecta hacia el eje verticaly da como resultado el dimetro del mbolo en mm.


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Actuadores Neumticos AN10


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4.2 Clculo del consumo de aire de los actuadores neumticos

El consumo de aire de los actuadores neumticos determina lasdimensiones de las vlvulas de mando, mangueras, velocidades de trabajo y lasdimensiones del propio compresor. Este consumo se puede calcular a travs dela siguiente frmula:

Q = 2 n s qdonde:Q = Consumo de aire (l / min.)n = No. de ciclos por minutos = Carrera (cm)q = Consumo especfico de aire (l / cm)

El consumo especfico se determina a partir del nomograma no. 2. Con elvalor de presin de trabajo y el dimetro del mbolo se localiza el punto deinterseccin de ambas lneas y se proyecta hacia el eje horizontal, consumol/cm. Este valor se sustituye en la frmula anterior y se calcula el consumo.

Como se puede observar el consumo tambin variar dependiendo del no.de ciclos por minuto que realice, es decir, para un mismo actuador se puedetener un consumo de aire comprimido diferente de acuerdo a su velocidad dedesplazamiento.

El beneficio de conocer el consumo de aire comprimido de nuestrosactuadores, es para poder estimar el consumo de nuestra mquina y en generalel de toda la planta, y de esta manera seleccionar el compresor de airecomprimido adecuado.

Los datos obtenidos de las grficas anteriores tendrn que adecuarse alos productos existentes en el mercado. Recuerde que cuando no hubiese elelemento que deseamos a la medida exacta de nuestro clculo, deberseleccionarse el inmediato superior que exista en el mercado, esto con lafinalidad de evitar que el componente quede insuficiente a la necesidad para lacual ha sido adquirido.


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Los actuadores neumticos tienen aplicaciones casi ilimitadas en el campode la tcnica de automatizacin; El transporte, montaje y manipulacin, ya seapara elevar, alimentar, desplazar, posicionar o cambiar de direccin, sonejemplos de su uso.

Independientemente de la construccin y tipo de actuador se representancon la siguiente simbologa:

Simbologa de actuador lineal de simple efecto

Simbologa de actuador lineal de doble efecto

Simbologa de actuador giratorio

4.3 Control del avance y retroceso de los actuadoresneumticos


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El desplazamiento de un actuador, ya sea hacia adelante o hacia atrs selleva acabo a travs de las vlvulas de vas. Por ejemplo, un actuador neumtico

de doble efecto ser controlado por medio de una vlvula 5/2. Sin importar suaccionamiento.

4.4 Regulacin de velocidadde los actuadores neumticos

Una condicin ms que se les establece a los actuadores para sudesplazamiento es la velocidad, esto es debido a que para algunas aplicacionesel actuador podra en lugar de desplazar, golpear la pieza o arrojarla al aire porla inercia que maneja. Es por esto la importancia de poder reducir su velocidad,sin embargo, una excesiva disminucin trae como consecuencia el aumento enel tiempo de mquina para la produccin, traducindose en costos.

La regulacin de velocidad de los actuadores es realmente sencilla, peroes necesario seleccionar los componentes adecuados para la optimizacin delsistema neumtico.

114

24

5 3

1

4 2

31

5

14 1

En el grfico de la izquierda se puede observar a la vlvula5/2 en su posicin normal de reposo, el aire de suministro entrapor el puerto no. 1 y cruza hasta el puerto no. 2, el aire empuja almbolo hacia atrs. En la figura de la derecha la vlvula acambiado de posicin y ahora el aire de suministro sale por el

puerto no. 4 empujando al mbolo hacia adelante, mientrastanto el aire que estaba contenido en al otro lado de la cmaradel actuador, sale desfogado por el puerto no. 3.


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Unavlvula

reguladora de caudal es una restriccin al paso de aire, sin embargo, si se usaesta vlvula para limitar el aire que entra hacia el actuador puede tenerresultados que no son los deseados. Debe recordar el lector que el aire escompresible, por lo que al entrar lentamente a la cmara del actuador la presinse ir acumulando poco a poco, hasta que se alcance la presin necesaria paradesplazar al mbolo, una vez que se ha conseguido esta presin mnima, elmbolo se mueve provocando un aumento en el volumen de la cmara que a suvez provoca que la presin caiga, deteniendo el avance del mbolo. Lo anteriorse repite constantemente, dando un efecto escalonado en el desplazamiento.

Aparte que no permite el control eficiente de la velocidad, una situacin como ladescrita, provoca el desgaste de los elementos suaves del mbolo.

La forma ms adecuada de controlar la velocidad de los actuadores, esregulando el aire que escapa de la cmara contraria a la que se llena. El efectoprovocado, es una contrapresin que frena al actuador, pero en esta ocasinpermite manipular la velocidad de manera uniforme y precisa.

Para controlar la velocidad de un actuador deberegularse el aire que escapa por la cmara contraria al

movimiento.

Tipo GRLA - .. QS -


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Vlvula reguladora de caudal

Tipo GRLA - B

Los requerimientos de fuerza, velocidades, durabilidad, montaje ydimensionamiento de los actuadores neumticos tendrn que ser cumplidas por

productos encontrados en el mercado. FESTO PNEUMATIC le ofrece una grangama de actuadores neumticos y accesorios que a continuacin le mostramos.


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Actuador normalizado

Tipo DNC -


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Las diferentes aplicaciones industriales exigen caractersticas especialesde los actuadores estndar, por ejemplo el tipo de vstago para el acoplamientomecnico con los dispositivos. Festo le ofrece las diferentes opciones que sepresentan:


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Dimetros desde 32 a 320 mmFuerza mxima de 4825 kg m en320 mm de dimetrombolo magntico

Accesorios de fijacin

Actuador de altas fuerzasTipo DNG- - PPVA


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Versiones con cuerda externa o interna envstago Multiposicional Tndem Juegos de montaje

Actuador compactoTipo ADVU-...

+

Multiposiciones

Tndem


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S6S6S2S2

S20S20

Actuador compacto de multimontajeTipo DMM

Construccin compacta enbloque

Versiones especiales:


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Actuador de aceros inoxidablesSerie CR

Apropiados para la industriaalimenticia, qumica y degalvanizado Juntas de FPM Homologacin de las piezasmediante pruebas en. Atmsfera con contenido dedixido de sulfuro (test Kesternich) niebla de cloruro sdico

ambiente alterno concondensado

Tipo CRDNG Dimetros de 32 a 100 mmCarreras de 10 a 2000 mm

Tipo CRDNGS Dimetros de 32 a 100 mmCarreras de 10 a 2000 mm


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Tipo CRDG Dimetros de 12 a 63 mmCarreras de 1 a 500 mm

Tipo CRDSNU ..

Dimetros de 12 a 25 mmCarreras de 10 a 500 mm

Tipo CRDSW Dimetros de 32 a 63 mm

Carreras de 10 a 2000 mm

Actuador de aceros inoxidablesSerie CR


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Actuador de aceros inoxidables

Serie CR

Accesorios de acero inoxidable


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Sistema mecnico dearrastre Antigiro

Actuador lineal sin vstagoTipo DGP / DGPL ...


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Doble fuerza en la mitad dedimetro Fijacin directa del carro El yugo se desplaza

Actuador dobleTipo DPZ / DPZJ ...


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Guas integradas al mismocuerpo Montaje directo versiones con gua de friccin

Actuador antigiroTipo DFM ...

Montaje oculto y directo de los sensores

Conexin indistinta de aireLateral o arriba

Resistencia antigiro y soporte degrandes momentos en todos losniveles de carga


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Doble fuerza en la mitad dedimetro Fijacin directa del yugo El carro se desplaza

Unidad linealTipo SPZ ...

+Fcil acoplamiento para formarmanipuladores en varios ejes


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Actuadores de topeTipo STA / SRAF

Puede trabajar como simple o dobleefecto Vstago reforzado para soportar altascargas tangenciales Deteccin magntica en el mbolo

Opcional con rodillo envstago


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5. Actuadores giratorios

En las mquinas de produccin en ocasiones es necesario rotar o girar laherramienta o inclusive la misma pieza, llevarlo acabo a travs de lacomposicin de mltiples movimientos lineales es inprctico y costoso. Se handesarrollado elementos que permiten tener desplazamientos angulares con altapotencia y precisin, los cuales reciben el nombre de actuadores giratorios.

Estos actuadores angulares o giratorios difieren de los actuadores linealesdesde su principio constructivo y funcional, los cuales pueden ser: sistema dealeta giratoria y sistema de pin - cremallera.

Los actuadores con aleta giratoria se distinguen por su forma compacta deconstruccin y su alta velocidad de movimiento. Mientras que los actuadorescon pin y cremallera son especialmente slidos, y capaces de absorber unagran fuerza de impacto al alcanzar sus posiciones finales de carrera.

Actuador de aleta giratoria Actuador de pin - cremallera


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Algunos tipos de actuadores giratorios se muestran a continuacin.

Dimetro equivalentede 6 a 10 mm

Dimetro equivalentede 12 a 40 mm

Unidad de embrague paraconseguir giros continuos

Tipo FLSM

Actuador giratorio Tipo DSM -

Dimetro equivalente desde los 6 mm

hasta 40 mm ngulo de giro desde 90 hasta 270 Montaje directo sin accesorios


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Placas adaptadoras para pinzasEstas placas de adaptacin (montadasdirectamente en el rbol con brida)permiten montar directamente todas laspinzas de FESTO

DeteccinLas ranuras para sensores permitenefectuar la consulta recurriendo a losdetectores estndar de Festo del tipoSME/SMT-8

Amortiguacin y ajuste de lasposiciones finalesLa inclusin del casquilloamortiguador y del tope de final decarrera en una sola pieza permiteobtener un efecto amortiguador

constante en todo el margen deajuste (+6 hasta -20 en cadaposicin final).

Variantes de pinVersin estndar: pivote con chavetaVersin alternativa: fijacin directa enla brida

Actuador giratorioTipo DRQD -


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Posibilidad de realizar movimientoslineales y giratorios independientes osimultneamente Deteccin de los movimientosmediante sensores Versiones de vstago hueco

Accesorios

Actuador giratorio / linealDRQD -


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6. Criterios de seleccin de los actuadores de gironeumtico

En los dispositivos giratorios, normalmente se tiende a confundir losconceptos de Torque (par de giro), energa de rotacin y momento de inercia.En el presente mostrar algunos puntos aclaratorios, que ayuden al diseador.

6.1 Par de giro (Torque)

O tambin conocido como par de giro, es el producto de la fuerza y ladistancia vertical de su lnea de accin desde el centro de giro.

Tm

l

F

Figura, se mueve una masa desde la posicin horizontal en unatrayectoria circular hacia arriba. El par de giro eficaz en el eje inducido secalcula en base a la fuerza producida por la masa multiplicada por la longituddel brazo de palanca.

T F L=

donde:T = Par de giro (Torque)

F = Fuerzal = Longitud del brazo de palanca


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T

F

l

En la fig. se muestra la masa a girar en un ngulo de 45, la fuerza que setransmite a travs del brazo de palanca es una componente de la masa total,por lo que el par de giro sobre el pivote se ve reducido.

F F= 1

sen

donde:F = Fuerza total, componente de la masa totalF1 = Masa totalsen = Seno del ngulo con respecto

6.2 Energa de rotacin

El par de giro que se produce al mover una masa, no es la nica magnituddecisiva para determinar el actuador giratorio, tambin es importante considerarla energa de rotacin, ya que esta ser absorbida en los finales de carrera.

La energa de rotacin es anloga a la energa cintica en movimientoslineales. Y depende del momento de inercia de la masa movida y de la velocidadangular con la que gira.

EJ

=

2

2donde:E = energa de rotacinJ = momento de inercia de la masa = velocidad angular6.3 Momento de inercia


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La inercia de una masa es siempre contraria a la accin de la fuerza. Porejemplo: en automvil al acelerar, la masa se opone al movimiento; de la mismamanera al desacelerar, la masa va contraria a la desaceleracin.

FESTO

inercia aceleracindesaceleracin

masa

Esta fuerza contraria a la fuerza que cambia la velocidad de un cuerpo, esa lo que se le conoce como inercia.

En el caso de los movimientos giratorios, cuando se alcanza el final decarrera, el momento de inercia es el factor decisivo para la seleccin de losactuadores giratorios. Debido a que normalmente no es posible reducir lavelocidad angular, por condiciones implcitas del proceso, la energa de rotacinsuele ser demasiado elevada para los topes mecnicos de final de carrera, porlo que los sobrecarga y finalmente los deteriora.

Efinal

Fig. La energa de rotacin final es muy grande en el final de carrera de un actuador giratorio,por lo que debe considerarse ste valor para una correcta seleccin del actuador giratorio.


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6.4 Algunos casos tpicos para el clculo del momento deinercia

El clculo del momento de inercia varia dependiendo de la forma de lamasa, por lo que a continuacin encontrar algunos casos tpicos que leayudarn posteriormente.

donde:

J = momento de inercia (kg/m2)b,l,h = cotas de las piezas (m)m = masa (kg)r = radio

h

l

b

Para el clculo de inercia de una masa con forma de paraleleppedo se consideranicamente su rea.

( )J m

b l

=

+2 2

12

l2

l1 b

Placa delgada con alojamiento excntrico

J ml b

ml b

=

+

+

+

1

1

2 2

2

2

2 24

12

4

12


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l

Barra delgada con alojamiento cntrico

l1

l2

Barra delgada con alojamiento excntrico

r

Placa circular plana, alojamiento cntrico

r

Placa circular de canto con alojamiento cntrico

J m l=

2

12

J ml

ml

= +1

1

2

2

2

2

3 3

J mr

=

2

2

J mr

=

2

4


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r

Esfera con alojamiento cntrico

De los datos ofrecidos por los fabricantes, es necesario determinar lossiguientes factores que son esenciales para la seleccin correcta de losactuadores de giro:

la mxima energa de rotacin la mxima frecuencia (velocidad angular)

Una vez que se conozcan estos puntos, ser posible elegir, adems, losaccesorios convenientes (tales como los amortiguadores).

J m

r=

2

5

2


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7. Conclusin

La sujecin, transportacin y manipulacin de las piezas de trabajo son tanvariadas, que ha sido necesario atomizar cada una de las operaciones delproceso productivo. Esta desintegracin del proceso a cada una de sus parteselementales, permite usar elementos actuadores bsicos para desarrollar eltrabajo, ya sea con movimientos rectilneos o angulares.

El movimiento angular permite saltar los obstculos mecnicosexistentes, logrando que a travs de un slo movimiento sea posible cambiar deposicin o de lugar una pieza, evitando el uso de varios actuadores lineales para

el mismo fin, y que solo incrementaran el costo de produccin.La descomposicin en cada uno de sus movimientos bsicos de la

produccin, es solo la parte esencial de la automatizacin, y que lleva a unasegunda etapa aparentemente contraria a la primera, la integracin.

Mediante los sistemas de control, cada vez ms poderosos, es posiblefusionar las diferentes etapas de produccin, estableciendo una o varias lneasde produccin controladas y supervisadas por un control central, ahorrando yhaciendo ms eficiente todo el sistema de produccin.

Invitamos al lector a continuar con nuestros ciclos de conferenciastcnicas, donde podr encontrar los medios para poder integrar sus lneas deproduccin en sistemas inteligentes, que le permitirn aumentar suproductividad.

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