Porque é que uma máquina-ferramenta funciona com precisão enquanto outra dá solavancos imprevisíveis? A resposta está nos seus sistemas de controlo hidráulico. Este artigo explora as diferenças críticas entre os sistemas de controlo hidráulico de circuito aberto e de circuito fechado, demonstrando os seus papéis distintos no desempenho da máquina-ferramenta. Desde o controlo direcional básico a mecanismos de feedback sofisticados, aprenderá como cada sistema afecta a precisão, a estabilidade e a capacidade de resposta. Mergulhe na mecânica e descubra que sistema se adequa às suas necessidades para um controlo e eficiência óptimos.
O sistema de controlo hidráulico é composto por componentes de controlo hidráulico e transdutores. Estes componentes incluem normalmente válvulas de controlo hidráulico, bombas, etc.
A tecnologia de controlo hidráulico é um aspeto crucial da tecnologia de controlo automático e é conhecida pelas suas características únicas, benefícios proeminentes e papel indispensável.
Esta tecnologia representa a integração do fluido eletromecânico e é demonstrada no sistema de controlo electro-hidráulico, que utiliza sistemas de feedback dinâmico e negativo. O sistema de controlo hidráulico é um sistema dinâmico que integra os sistemas mecânico, elétrico e sistemas hidráulicos.
A tecnologia de controlo hidráulico tem sido amplamente adoptada em várias indústrias, incluindo o fabrico de equipamento, automóvel, aeroespacial, armamento, metalurgia, transporte marítimo, engenharia médica, etc.
Tal como o sistema de controlo eletromecânico, o sistema de controlo hidráulico pode ser dividido em controlo de circuito aberto e controlo de circuito fechado.
Para ilustrar a diferença entre os dois, utilizaremos como exemplo o controlo do feixe de movimentos da máquina-ferramenta.
A viga de movimento da máquina-ferramenta é um objeto de controlo comum e serve como corpo da bancada de trabalho da máquina-ferramenta. É montado na guia de deslizamento do corpo da máquina-ferramenta.
As diferentes máquinas-ferramentas têm diferentes requisitos de desempenho para o feixe de deslocação. Por exemplo, o feixe de movimento de uma lixadora de superfície requer apenas um movimento recíproco horizontal constante e não requer um controlo preciso da sua deslocação.
Por outro lado, o feixe de movimento do centro de maquinação NC ou da fresadora CNC é utilizado para o movimento de alimentação de precisão, e o seu deslocamento deve ser controlado com precisão para garantir uma qualidade de maquinação adequada.
No caso do sistema electro-hidráulico travão de prensaA distância de movimento do cilindro também requer uma elevada precisão para manter ângulos de curvatura consistentes e evitar efeitos de curvatura reduzidos.
Para compreender melhor a diferença entre o controlo hidráulico em circuito aberto e em circuito fechado, utilizaremos o feixe de movimento da máquina-ferramenta como objeto controlado e construiremos três sistemas de controlo hidráulico comuns utilizando válvulas direccionais electromagnéticas, válvulas direccionais proporcionais electromagnéticas e servo-válvulas electro-hidráulicas como principais componentes de controlo.
O esquema de controlo hidráulico pode ser utilizado para a mesa de trabalho recíproca horizontal de uma máquina típica de retificação de superfícies, como mostra a Figura 1.1.
Este sistema de controlo hidráulico utiliza uma válvula direcional electromagnética.
Uma válvula direcional electromagnética de três posições e quatro vias serve de unidade de controlo e um interrutor de curso ou de proximidade fornece instruções. Um relé elétrico forma uma rede de computação lógica.
Esta configuração permite o funcionamento lógico do sinal de controlo e a amplificação da potência, gerando um eletroíman suficiente para controlar a válvula direcional electromagnética.
O núcleo da válvula direcional electromagnética tem três posições: esquerda, meio e direita, e pode controlar o disjuntor de óleo e o interrutor.
Cada orifício da válvula tem apenas dois estados, totalmente aberto e totalmente fechado, o que classifica a válvula direcional electromagnética como uma válvula de comutação hidráulica electromagnética.
A válvula direcional electromagnética só pode iniciar e parar o funcionamento do circuito de óleo para controlar o feixe de movimento, mas não pode ajustar a velocidade do feixe de movimento.
Para regular a velocidade da viga em movimento, é instalada uma válvula de aceleração no sistema de controlo hidráulico para efetuar o controlo da aceleração.
Ao ajustar a abertura da válvula, a diferença de pressão do acelerador pode ser regulada, o que altera o fluxo de óleo de volta para o depósito e ajusta indiretamente o fluxo de entrada e saída de óleo hidráulico para o cilindro hidráulico, alterando, em última análise, a velocidade da viga.
Fig. 1.1 Diagrama para a adoção de uma válvula direcional electromagnética no sistema de controlo
A velocidade da viga de deslocação só pode ser controlada pela válvula de estrangulamento e não pode ser controlada por um comando elétrico. Isto resulta em mudanças súbitas de velocidade e vibrações significativas da viga.
O princípio do sistema de controlo hidráulico que utiliza a válvula direcional electromagnética é apresentado na Figura 1.2.
O sinal de controlo é gerado pelo interrutor de curso e é uma unidade de controlo lógico (0 ou 1).
A rede de relés executa uma operação lógica no sinal de controlo e amplifica a alimentação de energia para o eletroíman correspondente, fazendo com que o núcleo da válvula correspondente se mova.
Isto faz com que as três posições do núcleo da válvula mudem da esquerda para a direita e emitam o fluxo de controlo hidráulico, que acciona o cilindro hidráulico e move o feixe de movimento da máquina-ferramenta.
Fig.1.2 Diagrama para adoção de um sistema de controlo de válvula direcional electromagnética
O sistema de controlo hidráulico, constituído por uma válvula direcional electromagnética e relés, só pode gerar instruções de controlo simples.
O sinal de controlo é unidirecional e flui apenas na direção de avanço do objeto controlado.
Este sistema de controlo é um sistema de controlo de circuito aberto.
O tempo de resposta da instrução de controlo ao objeto controlado depende do tempo de resposta de cada componente no percurso de transmissão do sinal.
No entanto, uma vez que o sinal de instrução de controlo é simples, não há problema de o sistema de controlo não seguir o sinal de instrução de saída.
Se um componente for perturbado e produzir um movimento falso, o sistema não pode corrigir ou compensar automaticamente o erro.
A válvula direcional electromagnética proporcional é um tipo de válvula hidráulica electromagnética de alto desempenho e preço elevado.
Para o controlo do feixe de movimento que requer um desempenho mais elevado, como é o caso das rectificadoras de superfície de controlo numérico (em que não é necessário um controlo preciso do deslocamento da mesa de trabalho), pode ser utilizada uma válvula solenoide proporcional como unidade de controlo para formar um sistema de controlo hidráulico de baixo impacto e baixa vibração, como se mostra na Figura 1.3.
Fig.1.3 Diagrama para a adoção de uma válvula direcional electromagnética proporcional no sistema de controlo.
A válvula hidráulica proporcional utiliza um sinal elétrico para controlar o núcleo da válvula para um movimento gradual.
Por conseguinte, para controlar a alteração gradual da abertura da válvula, a queda de pressão e o caudal da válvula hidráulica proporcional podem ser ajustados, alterando a relação entre o caudal e os sinais de controlo.
O controlador do programa gera sinais eléctricos para controlar o feixe em movimento, permitindo que a alteração gradual dos sinais eléctricos controle e ajuste a velocidade de movimento do feixe. Isto resulta numa alteração suave da velocidade e da direção do movimento do feixe com um impacto mínimo.
O princípio do sistema de controlo hidráulico que utiliza a válvula direcional electromagnética proporcional é apresentado na Figura 1.4.
O sinal de controlo é gerado pelo controlador do programa e é um sinal de controlo analógico (sinal elétrico contínuo) que é amplificado por um amplificador proporcional para controlar o eletroíman proporcional correspondente da válvula solenoide proporcional.
Isto produz uma deslocação continuamente ajustável e uma pressão hidráulica continuamente variável para controlar o fluxo de óleo e acionar o cilindro de óleo, realizando assim o movimento da viga da máquina-ferramenta.
No sistema de controlo hidráulico que utiliza a válvula direcional electromagnética proporcional, embora um controlador de grau possa ser utilizado para emitir um sinal de comando de controlo de gradiente contínuo, o sinal de controlo é unidirecional e flui apenas na direção de avanço do objeto controlado. Trata-se de um sistema de controlo em circuito aberto.
O sistema de comando pode enviar um sinal de gradiente contínuo e a saída do sistema pode seguir o sinal de comando, mas a precisão do seguimento é baixa e a velocidade de resposta é lenta e dependente do tempo de resposta dos componentes de transmissão do sinal.
Os erros causados por interferências não podem ser compensados automaticamente.
Fig.1.4 Diagrama para a adoção de uma válvula direcional electromagnética proporcional no sistema de controlo.
O movimento da mesa de trabalho do centro de maquinação NC é uma parte crítica do processo de maquinação, exigindo alta precisão e velocidade de resposta rápida.
Neste caso, um sistema electro-hidráulico servo controlo pode ser utilizado, com uma servo-válvula electro-hidráulica a servir de unidade de controlo.
A servo-válvula electro-hidráulica é uma unidade de controlo hidráulico de alto desempenho com controlo preciso e velocidade de resposta rápida, mas é cara.
A servo-válvula electro-hidráulica é frequentemente utilizada em sistemas electro-hidráulicos de controlo em circuito fechado, em que o objeto controlado pode ser temporariamente acionado pelo modo de controlo em circuito aberto.
O sistema de controlo hidráulico para o feixe de movimento da máquina-ferramenta utilizando uma servo-válvula electro-hidráulica é apresentado na Figura 1.5.
A máquina-ferramenta está equipada com um sensor de deslocamento, que detecta a posição do feixe móvel, gera um sinal de tensão de posição e introduz o sinal no dispositivo de controlo eletrónico após amplificação.
Fig.1.5 Diagrama para a adoção de uma servo-válvula electro-hidráulica no sistema de controlo.
O dispositivo de controlo compara o sinal de tensão da posição atual do feixe da máquina-ferramenta com o sinal de tensão da instrução de controlo para gerar o sinal de tensão de desvio.
O sinal de desvio é uma tensão analógica contínua que reflecte com precisão e em tempo real a diferença entre a posição do feixe da máquina-ferramenta e a instrução de controlo (a posição desejada do feixe).
O sinal de desvio é amplificado pelo amplificador proporcional, controlando a deslocação do motor de binário na servo-válvula electro-hidráulica e no núcleo da válvula de controlo de alta precisão e alta dinâmica.
Isto gera o fluxo e a pressão hidráulicos necessários para acionar o movimento do cilindro hidráulico e mover a viga da máquina-ferramenta.
O movimento da viga é detectado pelo sensor de deslocamento e enviado para o dispositivo de controlo eletrónico, formando um sinal de controlo em circuito fechado. Este sistema de controlo é designado por controlo em circuito fechado.
O processo de controlo descrito acima é apresentado na Figura 1.6.
O sistema é uma estrutura de controlo em circuito fechado.
Num sistema de controlo hidráulico em circuito fechado, existe não só o efeito de controlo do controlador sobre o objeto controlado, mas também um efeito de feedback do objeto controlado para o controlador.
O sistema de controlo em circuito fechado tem elevada precisão, resposta dinâmica rápida e compensação automática de interferências externas.
Fig.1.6 Diagrama para a adoção de uma servo-válvula electro-hidráulica no sistema de controlo.
O controlo hidráulico em circuito aberto e o controlo hidráulico em circuito fechado são dois tipos de métodos de controlo básicos do controlo hidráulico.
1. Controlo hidráulico em circuito aberto.
O sistema de controlo de ciclo aberto, que utiliza válvulas hidráulicas comuns e válvulas hidráulicas proporcionais, tem uma sobreposição técnica significativa com o sistema de controlo de ciclo aberto. transmissão hidráulica pois utilizam frequentemente tipos semelhantes de componentes e circuitos hidráulicos.
O desempenho do sistema de controlo hidráulico em circuito aberto depende em grande medida do desempenho dos componentes hidráulicos.
A precisão no sistema de circuito aberto é influenciada pela precisão de cada componente e a resposta do sistema está diretamente ligada à resposta de cada componente.
O sistema de controlo hidráulico de circuito aberto não pode controlar ou compensar as alterações na saída do sistema resultantes de perturbações externas ou de variações internas dos parâmetros.
Em termos de conceção, o sistema de controlo hidráulico de circuito aberto é simples em termos de estrutura e requer estabilidade, o que torna a análise, a conceção e a instalação do sistema relativamente simples. Pode também beneficiar da experiência e dos conhecimentos adquiridos com o controlo hidráulico sistema de transmissão conceção.
A principal diferença entre o sistema de controlo hidráulico de circuito aberto e o sistema de transmissão hidráulica reside no seu foco. O sistema hidráulico de circuito aberto é normalmente utilizado em condições que requerem um controlo de baixa precisão, perturbações externas mínimas, pequenas alterações nos parâmetros internos e permitem um tempo de resposta lento.
Em conclusão, o sistema de controlo hidráulico de ciclo aberto é um método de controlo básico, sem retorno. O controlador só tem controlo sobre a direção única do objeto controlado e não há efeito inverso do objeto controlado para o controlador. Os erros causados por interferências não podem ser compensados automaticamente.
Devido à baixa precisão e à resposta lenta do sistema de controlo de circuito aberto, não é geralmente recomendada a utilização de uma servo-válvula, que tem requisitos elevados para as condições de trabalho e é de elevado preço e elevado desempenho, na construção de um sistema de controlo de circuito aberto.
2. Controlo hidráulico em circuito fechado.
O sistema de controlo hidráulico de circuito fechado utiliza frequentemente uma servo-válvula electro-hidráulica ou uma válvula de acionamento direto (DDV) como unidade de controlo.
As servo-válvulas electro-hidráulicas e as válvulas de acionamento direto são componentes de controlo hidráulico de elevado desempenho que possuem sistemas de controlo de feedback em circuito fechado, conduzindo a uma elevada precisão e a velocidades de resposta rápidas.
O sistema de controlo hidráulico em circuito fechado é também designado por sistema de controlo de feedback hidráulico, que funciona com base no princípio do feedback.
O conceito básico do controlo por retroação consiste em eliminar ou reduzir os desvios através da utilização de desvios.
O sistema de controlo de feedback funciona comparando a informação sobre o objeto controlado detectado pela unidade de feedback com as instruções de controlo da unidade de instruções do sistema, produzindo um sinal de desvio.
Este sinal de desvio é amplificado e utilizado para acionar uma válvula de controlo hidráulico de alta potência, que por sua vez controla o atuador hidráulico e o objeto controlado.
O sistema de controlo hidráulico de circuito fechado forma um circuito fechado, tornando-o mais complicado de analisar, conceber e colocar em funcionamento do que os sistemas de circuito aberto. No entanto, a sua elevada precisão de controlo e forte capacidade anti-interferência fazem dele um investimento que vale a pena.
O controlo em circuito fechado (método de controlo por realimentação) permite a construção de um sistema de controlo com elevada precisão e capacidade anti-interferência, mesmo que os componentes hidráulicos utilizados tenham uma precisão inferior e uma capacidade anti-interferência mais fraca.
Além disso, os componentes hidráulicos existentes podem ser utilizados para obter um melhor desempenho do sistema de controlo e efeitos de controlo através do controlo em circuito fechado.
O controlo por realimentação oferece vantagens que não podem ser alcançadas através do controlo em circuito aberto.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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