¿Por qué una máquina herramienta zumba con precisión y otra se sacude de forma impredecible? La respuesta está en sus sistemas de control hidráulico. Este artículo explora las diferencias críticas entre los sistemas de control hidráulico de bucle abierto y de bucle cerrado, demostrando sus distintas funciones en el rendimiento de la máquina herramienta. Desde el control direccional básico hasta los sofisticados mecanismos de retroalimentación, aprenderá cómo afecta cada sistema a la precisión, la estabilidad y la capacidad de respuesta. Sumérjase en la mecánica y descubra qué sistema se adapta a sus necesidades para obtener un control y una eficacia óptimos.
El sistema de control hidráulico consta de sofisticados componentes hidráulicos y transductores de precisión. Los elementos clave incluyen válvulas de control direccional, válvulas de control de presión, válvulas de control de caudal, bombas hidráulicas (como bombas de engranajes, de paletas y de pistones), actuadores (cilindros y motores), acumuladores y equipos de acondicionamiento de fluidos.
La tecnología de control hidráulico es una piedra angular de los modernos sistemas de control automático, que se distingue por sus características únicas de alta densidad de potencia, respuesta rápida y funcionamiento suave. Entre sus ventajas más destacadas se encuentran la capacidad de generar grandes fuerzas y pares en paquetes compactos, una excelente protección contra sobrecargas y capacidades de control preciso del movimiento.
Esta tecnología ejemplifica la sinergia entre los sistemas electromecánicos y de potencia de fluidos, como demuestran los servosistemas electrohidráulicos avanzados. Estos sistemas utilizan un control de bucle cerrado con mecanismos de respuesta dinámica y retroalimentación negativa para lograr un posicionamiento y un control de fuerza de alta precisión. La integración de subsistemas mecánicos, eléctricos e hidráulicos crea un sistema dinámico versátil y robusto capaz de satisfacer los exigentes requisitos industriales.
La adopción generalizada de la tecnología de control hidráulico abarca numerosos sectores, cada uno de los cuales aprovecha sus ventajas específicas:
Al igual que el sistema de control electromecánico, el sistema de control hidráulico puede dividirse en control de bucle abierto y control de bucle cerrado.
Para ilustrar la diferencia entre ambos, utilizaremos como ejemplo el control del haz de movimiento de la máquina herramienta.
La viga de movimiento de la máquina herramienta es un objeto de control común y sirve como cuerpo del banco de trabajo de la máquina herramienta. Se monta en la guía de deslizamiento del cuerpo de la máquina herramienta.
Los requisitos de rendimiento de la viga de movimiento varían según la máquina herramienta. Por ejemplo, la viga de movimiento de la rectificadora de superficies sólo requiere un movimiento alternativo horizontal constante y no requiere un control preciso de su desplazamiento.
Por otro lado, la viga de movimiento del centro de mecanizado NC o de la fresadora CNC se utiliza para el movimiento de avance de precisión, y su desplazamiento de movimiento debe controlarse con precisión para garantizar una calidad de mecanizado adecuada.
En el caso de la electrohidráulica prensa plegadoraAdemás, la distancia de movimiento del cilindro requiere una gran precisión para mantener ángulos de curvatura constantes y evitar efectos de curvatura reducidos.
Para comprender mejor la diferencia entre el control hidráulico de bucle abierto y el de bucle cerrado, utilizaremos el haz de movimiento de la máquina herramienta como objeto controlado y construiremos tres sistemas de control hidráulico comunes utilizando válvulas direccionales electromagnéticas, válvulas direccionales proporcionales electromagnéticas y servoválvulas electrohidráulicas como principales componentes de control.
El esquema de control hidráulico puede utilizarse para la mesa de trabajo alternativa horizontal de una rectificadora de superficies típica, como se muestra en la figura 1.1.
Este sistema de control hidráulico utiliza una válvula direccional electromagnética.
Una válvula direccional electromagnética de tres posiciones y cuatro vías sirve de unidad de control, y un interruptor de recorrido o de proximidad proporciona instrucciones. Un relé eléctrico forma una red informática lógica.
Esta configuración permite el funcionamiento lógico de la señal de control y la amplificación de potencia, generando un electroimán suficiente para controlar la válvula direccional electromagnética.
El núcleo de la válvula direccional electromagnética tiene tres posiciones: izquierda, centro y derecha, y puede controlar el disyuntor y el interruptor de aceite.
Cada puerto de la válvula sólo tiene dos estados, totalmente abierto y totalmente cerrado, lo que clasifica a la válvula direccional electromagnética como una válvula de conmutación hidráulica electromagnética.
La válvula direccional electromagnética sólo puede iniciar y detener el funcionamiento del circuito de aceite para controlar la viga de movimiento, pero no puede ajustar la velocidad de la viga de movimiento.
Para regular la velocidad de la viga en movimiento, se instala una válvula de mariposa en el sistema de control hidráulico para realizar el control de la mariposa.
Ajustando la apertura de la válvula, se puede regular la diferencia de presión del acelerador, lo que cambia el flujo de aceite de vuelta al depósito e indirectamente ajusta la entrada y salida de aceite hidráulico al cilindro hidráulico, cambiando en última instancia la velocidad de la viga.
Fig. 1.1 Diagrama de adopción de la válvula direccional electromagnética al sistema de control
La velocidad de la viga de movimiento sólo puede controlarse mediante la válvula de mariposa y no puede controlarse por control eléctrico. Esto provoca cambios bruscos de velocidad e importantes vibraciones de la viga.
El principio del sistema de control hidráulico que utiliza la válvula direccional electromagnética se muestra en la figura 1.2.
La señal de control es generada por el interruptor de desplazamiento y es una unidad de control lógico (0 ó 1).
La red de relés realiza una operación lógica sobre la señal de control y amplifica la alimentación del electroimán correspondiente, provocando el movimiento del núcleo de la válvula correspondiente.
De este modo, las tres posiciones del núcleo de la válvula cambian de izquierda a derecha y sale el caudal de control hidráulico, que acciona el cilindro hidráulico y mueve la viga de movimiento de la máquina herramienta.
Fig.1.2 Esquema de adopción de un sistema de control electromagnético de válvulas direccionales
El sistema de control hidráulico compuesto por una válvula direccional electromagnética y relés sólo puede generar instrucciones de control sencillas.
La señal de control es unidireccional y fluye sólo en la dirección de avance del objeto controlado.
Este sistema de control es un sistema de control de bucle abierto.
El tiempo de respuesta de la instrucción de control al objeto controlado depende del tiempo de respuesta de cada componente en la ruta de transmisión de la señal.
Sin embargo, como la señal de instrucción de control es simple, no hay ningún problema con que el sistema de control no siga la señal de instrucción de salida.
Si un componente está perturbado y produce un falso movimiento, el sistema no puede corregir o compensar automáticamente el error.
La válvula direccional electromagnética proporcional es un tipo de válvula hidráulica electromagnética de alto rendimiento y precio.
Para el control del haz de movimiento que requiere un mayor rendimiento, como las rectificadoras de superficies de control numérico (en las que no es necesario un control preciso del desplazamiento de la mesa de trabajo), puede utilizarse una electroválvula proporcional como unidad de control para formar un sistema de control hidráulico de bajo impacto y bajas vibraciones, como se muestra en la figura 1.3.
Fig.1.3 Diagrama de adopción de una válvula direccional electromagnética proporcional al sistema de control.
La válvula hidráulica proporcional utiliza una señal eléctrica para controlar el núcleo de la válvula para un movimiento gradual.
Por lo tanto, para controlar el cambio gradual en la apertura de la válvula, se puede ajustar la caída de presión y el caudal de la válvula hidráulica proporcional, cambiando la relación entre el caudal y las señales de control.
El controlador del programa genera señales eléctricas para controlar el haz en movimiento, lo que permite que el cambio gradual de las señales eléctricas controle y ajuste la velocidad de movimiento del haz. El resultado es un cambio suave de la velocidad y la dirección del movimiento del haz con un impacto mínimo.
El principio del sistema de control hidráulico que utiliza la válvula direccional electromagnética proporcional se muestra en la figura 1.4.
La señal de control es generada por el controlador de programa y es una señal de control analógica (señal eléctrica continua) que es amplificada por un amplificador proporcional para controlar el electroimán proporcional correspondiente de la electroválvula proporcional.
Esto produce un desplazamiento continuamente ajustable y una presión hidráulica continuamente cambiante para controlar el flujo de aceite y accionar el cilindro de aceite, realizando así el movimiento de la viga de la máquina herramienta.
En el sistema de control hidráulico que utiliza la válvula direccional electromagnética proporcional, aunque se puede utilizar un controlador de grado para emitir una señal de comando de control de gradiente continuo, la señal de control es unidireccional y fluye sólo en la dirección de avance del objeto controlado. Se trata de un sistema de control de bucle abierto.
El sistema de mando puede enviar una señal de gradiente continuo, y la salida del sistema puede seguir la señal de mando, pero la precisión de seguimiento es baja, y la velocidad de respuesta es lenta y depende del tiempo de respuesta de los componentes de transmisión de la señal.
Los errores causados por interferencias no pueden compensarse automáticamente.
Fig.1.4 Diagrama de adopción de una válvula direccional electromagnética proporcional al sistema de control.
El movimiento de la mesa de trabajo del centro de mecanizado NC es una parte crítica del proceso de mecanizado, que requiere una alta precisión y una rápida velocidad de respuesta.
En este caso, un sistema electrohidráulico servocontrol con una servoválvula electrohidráulica como unidad de control.
La servoválvula electrohidráulica es una unidad de control hidráulico de alto rendimiento con un control preciso y una velocidad de respuesta rápida, pero es cara.
La servoválvula electrohidráulica se utiliza a menudo en sistemas electrohidráulicos de control de bucle cerrado, en los que el objeto controlado puede accionarse temporalmente mediante el modo de control de bucle abierto.
En la figura 1.5 se muestra el sistema de control hidráulico del haz de movimiento de la máquina herramienta mediante una servoválvula electrohidráulica.
La máquina herramienta está equipada con un sensor de desplazamiento, que detecta la posición de la viga móvil, genera una señal de tensión de posición e introduce la señal en el dispositivo de control electrónico después de amplificarla.
Fig.1.5 Esquema de adopción de una servoválvula electrohidráulica para el sistema de control.
El dispositivo de control compara la señal de tensión de posición actual del haz de la máquina herramienta con la señal de tensión de instrucción de control para generar la señal de tensión de desviación.
La señal de desviación es una tensión analógica continua que refleja con precisión y en tiempo real la diferencia entre la posición del haz de la máquina herramienta y la instrucción de control (la posición deseada del haz).
La señal de desviación es amplificada por el amplificador proporcional, controlando el desplazamiento del motor de par en la servoválvula electrohidráulica y el núcleo de la válvula de control de alta precisión y alta dinámica.
Esto genera el caudal y la presión hidráulicos necesarios para accionar el movimiento del cilindro hidráulico y mover la viga de la máquina herramienta.
El movimiento de la viga es detectado por el sensor de desplazamiento y enviado al dispositivo de control electrónico, formando una señal de control de bucle cerrado. Este sistema de control se denomina control de bucle cerrado.
El proceso de control descrito anteriormente se muestra en la Figura 1.6.
El sistema es una estructura de control en bucle cerrado.
En un sistema de control hidráulico de bucle cerrado, no sólo existe el efecto de control de avance del controlador sobre el objeto controlado, sino también un efecto de retroalimentación del objeto controlado al controlador.
El sistema de control en bucle cerrado tiene alta precisión, respuesta dinámica rápida y compensación automática de interferencias externas.
Fig.1.6 Diagrama de adopción de una servoválvula electrohidráulica para el sistema de control.
El control hidráulico de bucle abierto y el control hidráulico de bucle cerrado son dos tipos de métodos básicos de control hidráulico.
1. Control hidráulico de bucle abierto
El sistema de control hidráulico de bucle abierto, que utiliza tanto válvulas hidráulicas convencionales como proporcionales, comparte importantes puntos en común técnicos con los sistemas de transmisión hidráulica. Este solapamiento se extiende al uso de componentes hidráulicos y configuraciones de circuito similares, aprovechando los principios de diseño establecidos y la experiencia del sector.
El rendimiento del sistema de control hidráulico en bucle abierto viene determinado principalmente por el rendimiento individual y colectivo de sus componentes hidráulicos. La precisión global es función de la precisión acumulada de cada componente, mientras que las características de respuesta del sistema están directamente correlacionadas con los tiempos de respuesta de sus componentes.
Una limitación clave del control hidráulico de lazo abierto es su incapacidad para ajustar o compensar de forma autónoma las variaciones de salida resultantes de perturbaciones externas o fluctuaciones de parámetros internos. Esta característica inherente requiere una cuidadosa consideración durante el diseño del sistema y la selección de la aplicación.
Desde el punto de vista del diseño, los sistemas de control hidráulico de bucle abierto ofrecen ventajas en términos de simplicidad estructural y requisitos de estabilidad. Esta simplificación facilita el análisis del sistema, los procesos de diseño y los procedimientos de instalación. Además, el enfoque de diseño puede aprovechar la amplia base de conocimientos y datos empíricos derivados de la ingeniería de sistemas de transmisión hidráulica.
La principal diferencia entre el control hidráulico de bucle abierto y los sistemas de transmisión hidráulica radica en el enfoque de su aplicación. Los sistemas de bucle abierto suelen utilizarse en situaciones en las que el control de alta precisión no es crítico, las perturbaciones externas son mínimas, las variaciones de los parámetros internos son limitadas y los tiempos de respuesta más lentos son aceptables.
En esencia, el control hidráulico en bucle abierto representa una metodología fundamental de control sin realimentación. El regulador ejerce una influencia unidireccional sobre el objeto controlado, sin retroalimentación recíproca. En consecuencia, los errores inducidos por interferencias externas o variaciones del sistema no pueden compensarse automáticamente dentro del lazo de control.
Dadas las limitaciones inherentes a la precisión y la velocidad de respuesta, los sistemas de control en bucle abierto no suelen justificar el uso de servoválvulas de alto rendimiento. Estas válvulas, caracterizadas por estrictos requisitos operativos y estructuras de costes elevados, suelen reservarse para aplicaciones de bucle cerrado más exigentes, donde pueden aprovecharse al máximo sus características de rendimiento superiores.
En conclusión, aunque los sistemas de control hidráulico de lazo abierto ofrecen simplicidad y rentabilidad para determinadas aplicaciones, su uso debe evaluarse cuidadosamente en función de los requisitos específicos de la aplicación prevista, especialmente en términos de precisión, tiempo de respuesta y capacidad de rechazo de perturbaciones.
2. Control hidráulico de bucle cerrado
El sistema de control hidráulico de bucle cerrado suele utilizar una servoválvula electrohidráulica o una válvula de accionamiento directo (DDV) como elemento de control principal. Estos componentes de alto rendimiento incorporan mecanismos integrados de retroalimentación en bucle cerrado, lo que permite unas características excepcionales de precisión y respuesta rápida.
A menudo denominado sistema de control de realimentación hidráulica, esta configuración funciona según el principio fundamental de la realimentación continua. El concepto básico consiste en aprovechar las desviaciones para minimizar o eliminar las discrepancias en el rendimiento del sistema.
La funcionalidad del sistema gira en torno a un proceso comparativo. Una unidad de realimentación supervisa el estado del objeto controlado y transmite esta información para compararla con los parámetros de control de la unidad de instrucciones del sistema. Esta comparación genera una señal de desviación, que posteriormente se amplifica y se utiliza para accionar una válvula de control hidráulica de alta potencia. Esta válvula, a su vez, regula el actuador hidráulico y, en última instancia, el objeto controlado.
Al formar un bucle cerrado, este sistema ofrece una precisión de control superior y una sólida capacidad antiinterferente en comparación con las configuraciones de bucle abierto. Sin embargo, este rendimiento mejorado tiene el coste de una mayor complejidad en los procesos de análisis, diseño y puesta en marcha.
Una de las principales ventajas del control de bucle cerrado es su capacidad para lograr una alta precisión y unas propiedades antiinterferencias sólidas incluso cuando se utilizan componentes hidráulicos con una precisión inherente relativamente menor o una resistencia a las interferencias más débil. Esto permite optimizar los sistemas hidráulicos existentes mediante la implementación del control en bucle cerrado, lo que se traduce en una mejora del rendimiento general del sistema y de la eficacia del control.
El enfoque de bucle cerrado ofrece varias ventajas que no se pueden conseguir con los métodos de control de bucle abierto:
En las aplicaciones industriales, los sistemas de control hidráulico de bucle cerrado se utilizan ampliamente en la fabricación de precisión, la robótica, la industria aeroespacial y la maquinaria pesada, donde es fundamental un control preciso de la posición, la fuerza o la velocidad.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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