Perché una macchina utensile ronza con precisione mentre un'altra sobbalza in modo imprevedibile? La risposta sta nei loro sistemi di controllo idraulico. Questo articolo esplora le differenze fondamentali tra i sistemi di controllo idraulico ad anello aperto e ad anello chiuso, dimostrando il loro ruolo distinto nelle prestazioni della macchina utensile. Dal controllo direzionale di base ai sofisticati meccanismi di feedback, imparerete come ogni sistema influisce sulla precisione, sulla stabilità e sulla reattività. Immergetevi nella meccanica e scoprite quale sistema è più adatto alle vostre esigenze per ottenere un controllo e un'efficienza ottimali.
Il sistema di controllo idraulico comprende sofisticati componenti idraulici e trasduttori di precisione. Gli elementi chiave includono valvole di controllo direzionale, valvole di controllo della pressione, valvole di controllo del flusso, pompe idrauliche (come pompe a ingranaggi, a palette e a pistoni), attuatori (cilindri e motori), accumulatori e apparecchiature di condizionamento del fluido.
La tecnologia di controllo idraulica è una pietra miliare dei moderni sistemi di controllo automatico e si distingue per le sue caratteristiche uniche di alta densità di potenza, risposta rapida e funzionamento regolare. I suoi principali vantaggi includono la capacità di generare grandi forze e coppie in pacchetti compatti, un'eccellente protezione dai sovraccarichi e precise capacità di controllo del movimento.
Questa tecnologia esemplifica la sinergia tra sistemi elettromeccanici e di potenza fluida, come dimostrato dai servosistemi elettroidraulici avanzati. Questi sistemi utilizzano un controllo ad anello chiuso con risposta dinamica e meccanismi di feedback negativo per ottenere un posizionamento e un controllo della forza di alta precisione. L'integrazione di sottosistemi meccanici, elettrici e idraulici crea un sistema dinamico versatile e robusto, in grado di soddisfare i più esigenti requisiti industriali.
L'adozione diffusa della tecnologia di controllo idraulico riguarda numerosi settori, ognuno dei quali sfrutta i propri vantaggi specifici:
Proprio come il sistema di controllo elettromeccanico, il sistema di controllo idraulico può essere suddiviso in controllo ad anello aperto e ad anello chiuso.
Per illustrare la differenza tra i due, utilizzeremo come esempio il controllo del raggio di movimento della macchina utensile.
La trave di movimento della macchina utensile è un oggetto di controllo comune e funge da banco di lavoro della macchina utensile. È montata sulla guida di scorrimento del corpo della macchina utensile.
Le macchine utensili hanno requisiti diversi per quanto riguarda il raggio di movimento. Ad esempio, la trave di movimento della smerigliatrice di superfici richiede solo un movimento alternativo orizzontale costante e non necessita di un controllo preciso dello spostamento.
D'altra parte, la trave di movimento del centro di lavoro NC o della fresatrice CNC è utilizzata per il movimento di avanzamento di precisione e il suo spostamento deve essere controllato con precisione per garantire una qualità di lavorazione adeguata.
Nel caso del sistema elettroidraulico pressa piegatriceLa distanza di movimento del martinetto richiede inoltre un'elevata precisione per mantenere angoli di piegatura costanti ed evitare effetti di piegatura ridotti.
Per comprendere meglio la differenza tra il controllo idraulico ad anello aperto e quello ad anello chiuso, utilizzeremo la trave di movimento della macchina utensile come oggetto controllato e costruiremo tre comuni sistemi di controllo idraulico utilizzando valvole direzionali elettromagnetiche, valvole direzionali proporzionali elettromagnetiche e servovalvole elettroidrauliche come principali componenti di controllo.
Lo schema di controllo idraulico può essere utilizzato per il piano di lavoro orizzontale alternato di una tipica macchina per la rettifica di superfici, come mostrato nella Figura 1.1.
Questo sistema di controllo idraulico utilizza una valvola direzionale elettromagnetica.
Una valvola direzionale elettromagnetica a tre posizioni e quattro vie funge da unità di controllo, mentre un interruttore di corsa o di prossimità fornisce le istruzioni. Un relè elettrico forma una rete logica di calcolo.
Questa configurazione consente il funzionamento della logica del segnale di controllo e l'amplificazione della potenza, generando un elettromagnete sufficiente a controllare la valvola direzionale elettromagnetica.
Il nucleo della valvola direzionale elettromagnetica ha tre posizioni: sinistra, centrale e destra, e può controllare l'interruttore del circuito dell'olio e il commutatore.
Ciascuna porta della valvola ha solo due stati, completamente aperto e completamente chiuso, il che classifica la valvola direzionale elettromagnetica come una valvola di commutazione idraulica elettromagnetica.
La valvola direzionale elettromagnetica può solo avviare e arrestare il funzionamento del circuito dell'olio per controllare il movimento del fascio, ma non può regolare la velocità del fascio mobile.
Per regolare la velocità della trave mobile, nel sistema di controllo idraulico è installata una valvola a farfalla che esegue il controllo dell'accelerazione.
Regolando l'apertura della valvola, è possibile regolare la differenza di pressione dell'acceleratore, che modifica il flusso dell'olio verso il serbatoio e regola indirettamente l'afflusso e il deflusso dell'olio idraulico al cilindro idraulico, modificando in ultima analisi la velocità della trave.
Fig. 1.1 Schema per l'adozione della valvola direzionale elettromagnetica nel sistema di controllo
La velocità della trave di movimento può essere controllata solo dalla valvola a farfalla e non può essere controllata elettricamente. Ciò comporta variazioni improvvise della velocità e vibrazioni significative della trave.
Il principio del sistema di controllo idraulico che utilizza la valvola direzionale elettromagnetica è illustrato nella Figura 1.2.
Il segnale di controllo è generato dal commutatore di corsa ed è un'unità di controllo logica (0 o 1).
La rete di relè esegue un'operazione logica sul segnale di controllo e amplifica l'alimentazione dell'elettromagnete corrispondente, provocando il movimento del nucleo della valvola corrispondente.
In questo modo, le tre posizioni del nucleo della valvola cambiano da sinistra a destra ed emettono il flusso di controllo idraulico, che aziona il cilindro idraulico e muove la trave di movimento della macchina utensile.
Fig.1.2 Schema per l'adozione di un sistema di controllo della valvola direzionale elettromagnetica
Il sistema di controllo idraulico, costituito da una valvola direzionale elettromagnetica e da relè, può generare solo semplici istruzioni di controllo.
Il segnale di controllo è unidirezionale e scorre solo nella direzione di avanzamento dell'oggetto controllato.
Questo sistema di controllo è un sistema di controllo ad anello aperto.
Il tempo di risposta dell'istruzione di controllo all'oggetto controllato dipende dal tempo di risposta di ciascun componente del percorso di trasmissione del segnale.
Tuttavia, poiché il segnale di istruzione di controllo è semplice, non vi è alcun problema se il sistema di controllo non segue il segnale di istruzione di uscita.
Se un componente è disturbato e produce un falso movimento, il sistema non può correggere o compensare automaticamente l'errore.
La valvola direzionale elettromagnetica proporzionale è un tipo di valvola idraulica elettromagnetica ad alte prestazioni e ad alto prezzo.
Per il controllo del raggio di movimento che richiede prestazioni più elevate, come le macchine per la rettifica di superfici a controllo numerico (dove non è necessario un controllo preciso dello spostamento del piano di lavoro), è possibile utilizzare un'elettrovalvola proporzionale come unità di controllo per formare un sistema di controllo idraulico a basso impatto e a bassa vibrazione, come illustrato nella Figura 1.3.
Fig.1.3 Schema per l'adozione di una valvola direzionale elettromagnetica proporzionale nel sistema di controllo.
La valvola idraulica proporzionale utilizza un segnale elettrico per controllare il nucleo della valvola per un movimento graduale.
Pertanto, per controllare la variazione graduale dell'apertura della valvola, è possibile regolare la caduta di pressione e la portata della valvola idraulica proporzionale, modificando il rapporto tra la portata e i segnali di controllo.
Il controllore del programma genera segnali elettrici per controllare la trave in movimento, consentendo alla variazione graduale dei segnali elettrici di controllare e regolare la velocità di movimento della trave. In questo modo si ottiene una variazione graduale della velocità e della direzione del movimento della trave, con un impatto minimo.
Il principio del sistema di controllo idraulico che utilizza la valvola direzionale elettromagnetica proporzionale è illustrato nella Figura 1.4.
Il segnale di controllo viene generato dal controllore del programma ed è un segnale di controllo analogico (segnale elettrico continuo) che viene amplificato da un amplificatore proporzionale per controllare il corrispondente elettromagnete proporzionale dell'elettrovalvola proporzionale.
In questo modo si ottiene uno spostamento regolabile in continuo e una pressione idraulica variabile in continuo per controllare il flusso dell'olio e azionare il cilindro dell'olio, realizzando così il movimento della trave della macchina utensile.
Nel sistema di controllo idraulico che utilizza la valvola direzionale elettromagnetica proporzionale, sebbene sia possibile utilizzare un regolatore di grado per emettere un segnale di comando continuo di controllo del gradiente, il segnale di controllo è unidirezionale e scorre solo nella direzione di avanzamento dell'oggetto controllato. Si tratta di un sistema di controllo ad anello aperto.
Il sistema di comando può inviare un segnale a gradiente continuo e l'uscita del sistema può seguire il segnale di comando, ma l'accuratezza del tracciamento è bassa e la velocità di risposta è lenta e dipende dal tempo di risposta dei componenti di trasmissione del segnale.
Gli errori causati dalle interferenze non possono essere compensati automaticamente.
Fig.1.4 Schema per l'adozione di una valvola direzionale elettromagnetica proporzionale nel sistema di controllo.
Il movimento della tavola di lavoro del centro di lavoro NC è una parte critica del processo di lavorazione e richiede un'elevata precisione e velocità di risposta.
In questo caso, un sistema elettroidraulico servocomando Si può utilizzare un sistema di controllo con una servovalvola elettroidraulica che funge da unità di controllo.
La servovalvola elettroidraulica è un'unità di controllo idraulico ad alte prestazioni con un controllo preciso e una velocità di risposta rapida, ma è costosa.
La servovalvola elettroidraulica viene spesso utilizzata nei sistemi di controllo elettroidraulici ad anello chiuso, dove l'oggetto controllato può essere temporaneamente pilotato in modalità di controllo ad anello aperto.
Il sistema di controllo idraulico della trave di movimento della macchina utensile, che utilizza una servovalvola elettroidraulica, è mostrato nella Figura 1.5.
La macchina utensile è dotata di un sensore di spostamento che rileva la posizione della trave in movimento, genera un segnale di tensione di posizione e immette il segnale nel dispositivo di controllo elettronico dopo l'amplificazione.
Fig.1.5 Schema per l'adozione di una servovalvola elettroidraulica nel sistema di controllo.
Il dispositivo di controllo confronta il segnale di tensione di posizione attuale del raggio della macchina utensile con il segnale di tensione dell'istruzione di controllo per generare il segnale di tensione di deviazione.
Il segnale di deviazione è una tensione analogica continua che riflette con precisione e in tempo reale la differenza tra la posizione della trave della macchina utensile e l'istruzione di controllo (la posizione desiderata della trave).
Il segnale di deviazione viene amplificato dall'amplificatore proporzionale, controllando lo spostamento del motore di coppia nella servovalvola elettroidraulica e il nucleo della valvola di controllo ad alta precisione e alta dinamica.
Questo genera il flusso e la pressione idraulica necessari per azionare il movimento del cilindro idraulico e muovere la trave della macchina utensile.
Il movimento della trave viene rilevato dal sensore di spostamento e inviato al dispositivo di controllo elettronico, formando un segnale di controllo ad anello chiuso. Questo sistema di controllo viene definito controllo ad anello chiuso.
Il processo di controllo descritto in precedenza è illustrato nella Figura 1.6.
Il sistema è una struttura di controllo ad anello chiuso.
In un sistema di controllo idraulico ad anello chiuso, non c'è solo l'effetto di controllo in avanti del controllore sull'oggetto controllato, ma anche un effetto di retroazione dall'oggetto controllato al controllore.
Il sistema di controllo ad anello chiuso ha un'elevata precisione, una rapida risposta dinamica e la compensazione automatica delle interferenze esterne.
Fig.1.6 Schema per l'adozione di una servovalvola elettroidraulica nel sistema di controllo.
Il controllo idraulico ad anello aperto e il controllo idraulico ad anello chiuso sono due tipi di metodi di controllo di base del controllo idraulico.
1. Controllo idraulico ad anello aperto
Il sistema di controllo idraulico ad anello aperto, che utilizza valvole idrauliche sia convenzionali che proporzionali, condivide significative comunanze tecniche con i sistemi di trasmissione idraulica. Questa sovrapposizione si estende all'uso di componenti idraulici e configurazioni circuitali simili, sfruttando principi di progettazione consolidati e l'esperienza del settore.
Le prestazioni del sistema nel controllo idraulico ad anello aperto sono determinate prevalentemente dalle prestazioni individuali e collettive dei suoi componenti idraulici. La precisione complessiva è funzione della precisione cumulativa di ciascun componente, mentre le caratteristiche di risposta del sistema sono direttamente correlate ai tempi di risposta dei suoi componenti.
Un limite fondamentale del controllo idraulico ad anello aperto è la sua incapacità di regolare o compensare autonomamente le variazioni di uscita derivanti da disturbi esterni o fluttuazioni dei parametri interni. Questa caratteristica intrinseca richiede un'attenta considerazione durante la progettazione del sistema e la scelta dell'applicazione.
Dal punto di vista della progettazione, i sistemi di controllo idraulico ad anello aperto offrono vantaggi in termini di semplicità strutturale e requisiti di stabilità. Questa semplificazione facilita l'analisi del sistema, i processi di progettazione e le procedure di installazione. Inoltre, l'approccio progettuale può sfruttare l'ampia base di conoscenze e i dati empirici derivati dall'ingegneria dei sistemi di trasmissione idraulica.
La principale distinzione tra i sistemi di controllo idraulico ad anello aperto e i sistemi di trasmissione idraulica risiede nel loro obiettivo applicativo. I sistemi ad anello aperto sono tipicamente impiegati in scenari in cui il controllo di alta precisione non è critico, i disturbi esterni sono minimi, le variazioni dei parametri interni sono limitate e i tempi di risposta più lenti sono accettabili.
In sostanza, il controllo idraulico ad anello aperto rappresenta una metodologia di controllo fondamentale, senza retroazione. Il controllore esercita un'influenza unidirezionale sull'oggetto controllato, senza feedback reciproco. Di conseguenza, gli errori indotti da interferenze esterne o da variazioni del sistema non possono essere compensati automaticamente all'interno dell'anello di controllo.
A causa delle limitazioni intrinseche in termini di precisione e velocità di risposta, i sistemi di controllo ad anello aperto non giustificano generalmente l'uso di servovalvole ad alte prestazioni. Queste valvole, caratterizzate da requisiti operativi rigorosi e da una struttura dei costi elevata, sono in genere riservate ad applicazioni ad anello chiuso più impegnative, dove le loro caratteristiche prestazionali superiori possono essere sfruttate appieno.
In conclusione, sebbene i sistemi di controllo idraulico ad anello aperto offrano semplicità ed economicità per alcune applicazioni, il loro utilizzo deve essere attentamente valutato in base ai requisiti specifici dell'applicazione prevista, in particolare in termini di precisione, tempo di risposta e capacità di reiezione dei disturbi.
2. Controllo idraulico ad anello chiuso
Il sistema di controllo idraulico ad anello chiuso utilizza tipicamente una servovalvola elettroidraulica o una valvola a comando diretto (DDV) come elemento di controllo primario. Questi componenti ad alte prestazioni incorporano meccanismi di feedback integrati ad anello chiuso, che consentono una precisione eccezionale e caratteristiche di risposta rapida.
Spesso definita come sistema di controllo a retroazione idraulica, questa configurazione opera secondo il principio fondamentale della retroazione continua. Il concetto centrale consiste nello sfruttare le deviazioni per minimizzare o eliminare le discrepanze nelle prestazioni del sistema.
La funzionalità del sistema ruota attorno a un processo comparativo. Un'unità di feedback monitora lo stato dell'oggetto controllato e trasmette queste informazioni per confrontarle con i parametri di controllo dell'unità di istruzione del sistema. Questo confronto genera un segnale di deviazione, che viene successivamente amplificato e utilizzato per azionare una valvola di controllo idraulico ad alta potenza. Questa valvola, a sua volta, regola l'attuatore idraulico e, in ultima analisi, l'oggetto controllato.
Formando un anello chiuso, questo sistema offre una precisione di controllo superiore e solide capacità anti-interferenza rispetto alle configurazioni ad anello aperto. Tuttavia, questo miglioramento delle prestazioni ha il costo di una maggiore complessità nei processi di analisi, progettazione e messa in servizio.
Un vantaggio fondamentale del controllo ad anello chiuso è la sua capacità di ottenere un'elevata precisione e forti proprietà anti-interferenza anche quando si utilizzano componenti idraulici con una precisione intrinseca relativamente più bassa o una resistenza alle interferenze più debole. Ciò consente di ottimizzare i sistemi idraulici esistenti attraverso l'implementazione del controllo ad anello chiuso, migliorando le prestazioni complessive del sistema e l'efficacia del controllo.
L'approccio ad anello chiuso offre diversi vantaggi che non si possono ottenere con i metodi di controllo ad anello aperto:
Nelle applicazioni industriali, i sistemi di controllo idraulico ad anello chiuso trovano ampio impiego nella produzione di precisione, nella robotica, nel settore aerospaziale e nei macchinari pesanti, dove è fondamentale un controllo accurato della posizione, della forza o della velocità.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
IT 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO