MICROMOTOR NEUMÁTICO DE ASPAS PARA MICROMÁQUINASHERRAMIENTAS Naranjo Chávez, J.; Kussul, E.; Ascanio Gasca, G. Laboratorio de Micromecánica y Mecatrónica, Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico, Universidad Nacional Autónoma de México, circuito exterior s/n Ciudad universitaria, México D. F., México. C. P. 04510.E-mail: [email protected], [email protected] [email protected], [email protected]

RESUMEN Se presenta el diseño y desarrollo de un micromotor neumático de aspas sin resortes como una nueva alternativa a los micromotores electromagnéticos, los cuales tiene el inconveniente de reducir su eficiencia a medida que se reduce sus dimensiones. El primer micromotor neumático consiste en cuatro partes principales: Rotor ranurado de latón, flecha perforada de latón, estator (la carcasa y el estator son una misma pieza en esta caso) fabricado en latón, aspas fabricadas en TPFE. La diferencia esencial de este micromotor, con respecto al diseño típico, es que no usa resortes. Un sistema de canales a lo largo de la flecha principal fue desarrollado para que por medio de la aplicación de aire presurizado ejercer una fuerza neumática radial, respecto al eje principal del rotor, sobre las aspas y puedan mantener contacto con el estator y formar las cámaras de trabajo. Para caracterizar el micromotor fue necesario acondicionar técnicas y métodos utilizados para motores de mayores dimensiones que el que se describe en este trabajo. Se presentan los resultados de la caracterización en términos del par a rotor bloqueado, velocidad sin carga y potencia al freno (Freno de Navier), con lo cual es posible establecer las características nominales en micromáquinas-herramientas y otras aplicaciones.

Palabras clave: Micromotor neumático, micromecánica, micromáquinas-herramientas, aspas.

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INTRODUCCIÓN En el Laboratorio de Micromecánica y Mecatrónica (LMM) del CCADET de la UNAM se ha desarrollado esta línea de investigación desde 1996, con la filosofía de realizar dispositivos a bajo costo. Para lograr esto, se emplea un sistema de fabricación generacional descendente, que consiste en hacer una máquina de ciertas dimensiones y en seguida, con esta misma máquina, elaborar la siguiente generación, la cual será de dimensiones menores, así sucesivamente, hasta llegar a sistemas del orden de micrómetros, por ejemplo, los microcentros de maquinado [1, 2, 3, 4]. Los motores neumáticos tienen muchas ventajas con respecto a otros motores de igual tamaño [5, 6, 7]. Se han fabricado prototipos neumáticos de todo tipo, desde micromotores hasta microactuadores lineales y músculos neumáticos, así como microturbomaquinaria. Se han desarrollado microbombas [8, 9], microventiladores [10], microturbinas [8, 11] y más. Por otro lado, las técnicas de fabricación de MEMS tienen la dificultad de no poder adaptar la manufactura de piezas tridimensionales ni el ensamble de componentes. Por ello, no se han podido generar micromotores neumáticos del orden de micrómetros con esta técnica. En Estados Unidos se han perfeccionado microturbinas a partir de una configuración de la microbomba [12, 13]. Ésta es del tipo centrifuga de álabes. DeCourtey, en 1998, propuso que esta configuración puede utilizarse también como una microturbina de álabes. En Alemania, se desarrolló un microventilador de hasta 150 micrómetros de diámetro con una velocidad de operación de 44 800 rpm [10]. Este microventilador sólo tiene cinco álabes y no se puede usar como una microturbina, porque es difícil mantener una velocidad constante con tan pocos álabes. Japón es el lugar donde se han desarrollado más dispositivos de este tipo; tienen varios diseños de motores neumáticos con miras a ser reducidos [14]. Pero tienen el problema de un alto costo de producción. En el centro de investigación y desarrollo de Toshiba se ha fabricado un micromotor neumático a pasos de tan solo 9 mm de diámetro [15], el cual consiste en tres partes principales: un rotor de engrane con dientes exteriores, un estator con engrane de dientes interiores y un hule especial unido al rotor. Dicho hule fue desarrollado en el mismo laboratorio teniendo propiedades elásticas peculiares, con el fin de aprovechar la deformación para el movimiento del rotor. En el presente trabajo se describe el desarrollo de un micromotor neumático de aspas sin resortes reversible, desarrollado en México [16, 17]. PRINCIPIO DE OPERACIÓN Inicialmente, se aplica aire presurizado a la conexión (racor) central del sistema de alimentación (Pflecha) que entra a la flecha hueca hasta llegar a la sección donde se encuentra el rotor (Figura 1). En seguida, se introduce a los canales entre el interior de la flecha y las ranuras del rotor; aunque la presión disminuye por la diferencia significativa en los diámetros de los ductos, el aire proporciona la suficiente fuerza para empujar las aspas y mantenerlas en contacto con la pared interior del estator, formando las cámaras de trabajo.

Aspas

Pflecha

Canales hacia las ranuras del rotor

Canal en eje perforado

Fuerza radial a las aspas

Figura 1. Entrada de aire presurizado al eje perforado Una vez que las cámaras de trabajo están formadas, se aplica aire presurizado por uno de los puertos de entrada del arreglo del sistema de alimentación. La fuerza neumática y el flujo del aire, que chocan contra la pared lateral del aspa, provoca el giro del rotor hasta el momento que el aspa inmediata cierra la cámara. A continuación, el aire sufre una expansión y se enfría. La cámara llega al puerto de salida y el aire es expulsado hasta caer a presión atmosférica. El rotor sigue en movimiento por la acción de la cámara siguiente.

Se cierra nuevamente la cámara en estudio y el aire que queda dentro se comprime conforme continúa el movimiento. La fuerza equivalente a esta compresión no es suficiente como para hacer bloquear al motor. Al final, la cámara llega al otro puerto de entrada, que se encuentra cerrado. Lo anterior se puede resumir en un análisis termodinámico tomando en cuenta antes un análisis geométrico de los compartimientos del micromotor para calcular sus volúmenes. Con ayuda de la trigonometría los volúmenes pueden ser calculados con la Ec. (1)

Vol (α ) =

⎛ L ⎛⎜ 2 ⎛ e ⋅ senα ⎞ e ⋅ senα ⎞ ⎞⎟ ⎟ ⎟⎟ − RR 2α − e ⋅ R E ⋅ sen⎜⎜ α − arcsen R E ⎜⎜ α − arcsen ⎜ RE ⎠ 2⎝ R E ⎟⎠ ⎟⎠ ⎝ ⎝

(1)

Donde L es el largo del cilindro, RE es el radio de agujero del estator, RR es el radio del rotor, e es la excentricidad y α es el ángulo de giro. Con la Ec. (1) se puede calcular el volumen de las cámaras en cada momento del giro del micromotor. Sin embargo, el volumen de trabajo está limitado por el ángulo, γ, entre las aspas. Por lo tanto, el volumen de trabajo será como muestra la Ec. (2).

⎧Vα ⎪ Vw = ⎨Vα − Vα −iγ para ⎪ ⎩V2π − Vα −γ

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