Actuadores esotéricos

Los motores están por todas partes; Motores de CC, motores de CA, motores paso a paso y muchos otros. En este artículo, miraré más allá de estos dispositivos comunes y buscaré actuadores electrónicos más esotéricos e inusuales que podrían encontrar un lugar en uno de sus proyectos. En cualquier caso, ¡sus mecanismos son interesantes por derecho propio! Únase a mí después del receso para un estudio sobre piezo, magnetoestrictivos, magnetorreológicos, bobinas móviles, galvonómetros y otros dispositivos. También me encantaría conocer tus actuadores y motores favoritos, ¡así que comenta a continuación!

Los materiales piezoeléctricos a veces parecen mágicos. Aplique voltaje a un material piezoeléctrico y se moverá, así de simple. El problema, por supuesto, es que no se mueve mucho. El dispositivo piezoeléctrico con el que probablemente esté más familiarizado es el humilde timbre. Normalmente los manejarías con menos de 10 voltios. Si bien un timbre producirá un sonido claramente audible, realmente no podrás verlo flexionarse (como se muestra arriba).

Para medir el movimiento de un timbre, recientemente intenté accionar uno con un controlador piezoeléctrico de 150 voltios, lo que resultó en una desviación total de alrededor de 0,1 mm. ¡No mucho según los estándares normales!

Sin embargo, para algunas aplicaciones, la resolución es de principal interés más que el rango de recorrido. Aquí es donde realmente brillan los actuadores piezoeléctricos. La aplicación estrella de los actuadores piezoeléctricos es quizás el microscopio de sonda de barrido. Estos a menudo requieren una precisión subnanométrica (menos de 1000 de 1000 de 1 milímetro) para visualizar átomos individuales. Las pilas piezoeléctricas son ideales aquí (¡aunque los piratas informáticos también han utilizado zumbadores baratos!).

A veces, sin embargo, se necesita una alta precisión en un rango de recorrido más amplio. Hay varias configuraciones piezoeléctricas que lo permiten. En particular, los actuadores Inchworm, “LEGS” y Slip-stick.

El actuador PiezoMotor LEGS se muestra arriba. Como se señaló, los Piezos solo producen movimientos pequeños (generalmente submilimétricos). En lugar de utilizar este movimiento directamente, LEGS lo utiliza para “caminar” a lo largo de una varilla, empujándola hacia adelante y hacia atrás. Por tanto, la varilla se mueve en pequeños pasos nanométricos. Sin embargo, los piezos pueden moverse rápidamente (flexionarse miles de veces por segundo). Y el LEGS (y un actuador Inchworm similar) permite un movimiento relativamente rápido, de gran fuerza y ​​alta resolución.

El truco del mantel (sí, este es falso, el niño está bien, no te preocupes. :))

Otro tipo de actuador piezoeléctrico de largo recorrido utiliza el “fenómeno de adherencia y deslizamiento”. Esto es muy parecido al truco de magia con mantel que se muestra arriba. Si tiras del paño lentamente habrá una fricción importante entre el paño y esta vajilla y serán arrastrados junto con el paño. Tira de él rápidamente y habrá menos fricción y la vajilla permanecerá en su lugar.

Esta diferencia entre fricción estática y dinámica se aprovecha en los actuadores stick-slip. El mecanismo básico se muestra en la siguiente figura.

Cuando se extiende y desacelera, una mandíbula hace girar un tornillo, pero si la pila piezoeléctrica se comprime rápidamente, el tornillo no regresará. Por lo tanto, se puede hacer que el tornillo gire. Al invertir el proceso (extender rápidamente y luego comprimir lentamente), se invierte el proceso y el tornillo se gira en la dirección opuesta. Lo bueno de esta configuración es que conserva gran parte de la precisión original del piezo. Los picomotores tienen resoluciones de alrededor de 30 nanómetros en un amplio rango de recorrido, típicamente 25 mm, generalmente se usan para enfoque y alineación óptica y se pueden comprar en eBay por aproximadamente 100 dólares. Ah, y también se pueden utilizar para hacer música. Los favoritos incluyen Stairway to Heaven, y no 1 sino 2 versiones de Still Alive (de Portal). La manifestación obligatoria de la Marcha Imperial está incluida aquí:

Existen muchas otras configuraciones piezoeléctricas, pero normalmente se utilizan para proporcionar un movimiento de gran fuerza y ​​alta precisión. Documento algunos más en mi blog.

La magnetoestricción es la tendencia de un material a cambiar de forma bajo un campo magnético. Últimamente hemos estado hablando mucho de magnetoestricción. Sin embargo, al igual que los piezos, también se puede utilizar para movimientos de alta precisión. A diferencia de los piezos, requieren voltajes relativamente bajos para funcionar y han encontrado aplicaciones específicas.

¡Los fluidos magnetorreológicos (MR) son bastante impresionantes! Al igual que los ferrofluidos, los fluidos de RM responden a cambios en la intensidad del campo magnético. Sin embargo, a diferencia de los ferrofluidos, lo que cambia es su viscosidad.

Esta nueva característica ha encontrado aplicaciones en varias áreas. En particular, el acabado de espejos y lentes de precisión utilizados en aplicaciones astronómicas y de semiconductores. Este método utiliza un electroimán para cambiar la viscosidad de la lechada utilizada para pulir espejos, eliminando imperfecciones. Los espejos de alta precisión del telescopio Hubble aparentemente se terminaron utilizando esta técnica (aunque es de esperar que no).eso espejo). Puede comprar líquido MR en pequeñas cantidades por unos cientos de dólares.

Mientras que los motores magnéticos funcionan mediante la atracción y repulsión de campos magnéticos, los motores electrostáticos explotan la atracción y repulsión del cambio eléctrico para producir movimiento. Las fuerzas electrostáticas son órdenes o magnitudes menores que las magnéticas. Sin embargo, tienen aplicaciones específicas. Una de esas aplicaciones son los motores MEMS, motores nanofabricados de tamaño diminuto (a menudo de menos de 0,01 mm). A estas escalas, las bobinas electromagnéticas serían demasiado grandes y la potencia específica (potencia por unidad de volumen) es más importante que la magnitud de la fuerza general.

La bobina móvil es su electroimán básico. Se usan comúnmente en parlantes, donde un electroimán en el cono reacciona contra un imán fijo para producir movimiento. Sin embargo, las configuraciones tipo bobina móvil se utilizan para un control preciso del movimiento en otros lugares (por ejemplo, para enfocar la lente de una unidad óptica o colocar el cabezal de lectura de una unidad de disco duro). Sin embargo, una de las aplicaciones más interesantes es el galvanómetro de espejo. Como su nombre indica, el dispositivo se utilizó originalmente para medir corrientes pequeñas. Una corriente a través de una bobina movía una varilla a la que estaba unido un espejo. Un haz de luz reflejado en el espejo y en una pared creó efectivamente un puntero muy largo, amplificando la señal.

Hoy en día los amperímetros son mucho más sensibles, por supuesto, pero el galvanómetro de espejo ha encontrado aplicaciones más entretenidas:

Los “galvos” láser de alta velocidad se utilizan para colocar un rayo láser que produce impresionantes espectáculos de luces. Los sistemas modernos pueden posicionar un rayo láser a velocidades de kilohercios, generando imágenes sorprendentes. Estos sistemas son efectivamente gráficos vectoriales de alta velocidad, como sistemas de dibujo lineal, lo que resulta en una serie de desafíos algorítmicos interesantes. El marco OpenLase de Marcan proporciona una serie de herramientas para resolver estos desafíos de manera efectiva y vale la pena echarle un vistazo.

En este artículo he intentado resaltar algunas técnicas interesantes y menos conocidas para crear movimiento en sistemas electrónicos. La mayoría de ellos tienen aplicaciones científicas, industriales o artísticas específicas. ¡Pero espero que también te ofrezcan inspiración mientras trabajas en tus propios trucos! Si tiene un actuador o motor favorito y menos conocido, ¡comente a continuación!