Control y manejo de expectativas, parte 1

El control de fuerza se utiliza en muchas aplicaciones en las que los objetos deben agarrarse o formarse. La fuerza aplicada se puede medir de dos maneras. La primera es usar una celda de carga. Las celdas de carga pueden ser muy precisas y receptivas. La pregunta es, ¿dónde se deben instalar las celdas de carga?Si la celda de carga se monta en el extremo del vástago del pistón, es fácil dañar el cable que va a la celda de carga. También es posible montar la celda de carga en el extremo de la culata que no requiere cables en el área de trabajo.

El problema es que si el cilindro se apoya en cualquier lugar que no sea el extremo del cilindro, esos soportes absorberán parte de la carga y las lecturas de fuerza no serán tan precisas. La segunda forma de medir la fuerza es instalar sensores de presión para monitorear la presión en cada lado del pistón. La fuerza se puede calcular usando la presión de la tapa y la varilla, multiplicada por el área correspondiente y restada para encontrar la fuerza neta.

Este cálculo no tiene en cuenta la fricción del sello, por lo que el valor real de la fuerza es ligeramente inferior al valor calculado. En prensas grandes donde el diámetro del cilindro es pequeño en relación al área del pistón o varilla, este error es relativamente pequeño. La aplicación de cilindros de diámetro pequeño puede tener una fricción significativa en relación con la fuerza aplicada. En estas aplicaciones, se deben considerar las celdas de carga.

La mejor ubicación para instalar el sensor de presión es donde el caudal es más lento y el sensor de presión no atrapa aire. Si el cilindro se instala horizontalmente, es mejor instalar el sensor de presión en la parte inferior del cilindro;Esto reducirá la velocidad del flujo de aceite y el sensor de presión no atrapará aire.

Un error común es usar una placa pequeña entre la válvula y el cilindro para montar el sensor de presión. Aunque los sensores de presión no atrapan el aire de esta manera, están sujetos a turbulencias, lo que puede producir señales de lectura de fuerza ruidosas. Esto podría estar bien si la aplicación solo necesita control de fuerza con poco o ningún tráfico.

Tanto las celdas de carga como los sensores de presión deben tener tiempos de respuesta rápidos, ya que los transitorios de presión/fuerza pueden ser muy rápidos. El tiempo de respuesta de los sensores de presión, las celdas de carga y la electrónica debe ser de al menos 4 kHz.

obedecer

Es más fácil controlar la fuerza cuando el material que se comprime es compatible, es decir, tiene algo de «rendimiento». La tercera ley de Newton se aplica a la acción y reacción. El vástago de un cilindro no puede ejercer una fuerza sobre un objeto a menos que el objeto también resista con una fuerza correspondiente. Si se presiona el vástago del cilindro contra un objeto duro, como un metal, la fuerza aumenta rápidamente en unos pocos milisegundos.

En este caso, la válvula no responde lo suficientemente rápido para controlar los picos de presión. Si el vástago del cilindro aprieta la goma, la fuerza se acumula gradualmente, dando a los sensores, la electrónica y las computadoras más tiempo para reaccionar a los cambios de fuerza.

Expectativas irrealistas

Las servoválvulas no responden inmediatamente a las señales de control. Incluso si lo hacen, la onda de presión de la válvula al pistón no es instantánea. Si la fuerza transitoria es demasiado rápida, la servoválvula no podrá responder lo suficientemente rápido para controlar los picos de presión.

La Figura 2 ilustra el impacto. La frecuencia de muestreo es de 1 por milisegundo, por lo que cada punto representa un milisegundo. El choque se crea golpeando el extremo de la varilla del cilindro con un trozo de traviesa de ferrocarril. Se probaron al menos 25 combinaciones de descargas.

Este efecto es el efecto final. La línea roja es la ubicación real. La posición real es un movimiento negativo o retracción para reducir la diferencia de velocidad entre la traviesa y el final del cilindro. La velocidad de retracción es de aproximadamente 21 pulgadas por segundo. La línea azul es la velocidad de retracción. El cable verde es la salida de control en voltios. La salida de control es negativa para retraer el pistón, pero se convierte en -10 voltios después del impacto. La línea rosa es la posición del carrete. Finalmente, la línea negra es la fuerza medida en libras.

La fuerza requerida para moverse a -21,6 pulgadas/seg hasta 6,705 segundos es -183 lbs. Cuando ocurrió el impacto, la fuerza saltó a 4,149 libras. La salida de control se cambia a -10 voltios para reducir los picos de fuerza, pero se necesitan muchos milisegundos para que la válvula responda a la señal de control y se abra a -100%. La posición del carrete permanece negativa durante aproximadamente 10 milisegundos, luego se abre ligeramente al 8,9 %, aunque la señal de control sigue siendo de -10 voltios.

La única explicación es que la onda de choque movió el carrete o el impacto físico del movimiento de la válvula hizo que el carrete se moviera. Se sabe que esto sucede cuando la válvula se instala con el recorrido del carrete coaxial con el cilindro hidráulico. Es imposible que la válvula reaccione a picos de fuerza repentinos. El objetivo es diseñar sistemas que los eviten. Esto se puede lograr reduciendo la velocidad relativa del impacto o aumentando la flexibilidad de la pieza de trabajo o herramienta.

Haga coincidir la energía cinética con el trabajo requerido

Una pregunta frecuente o una necesidad de los fabricantes de prensas es si la prensa puede proporcionar un conjunto de beneficios para cada pieza producida. Por lo general, la respuesta es sí. La energía cinética o velocidad en el momento del impacto es el parámetro clave. Cada parte es diferente y requiere una cantidad diferente de energía para formarla.

El objetivo debe ser hacer coincidir la energía cinética de la prensa con el trabajo requerido para formar la pieza. Si esto se puede hacer, hay poca necesidad de control de la fuerza. Sin embargo, esto es raro. Si la energía cinética de la prensa es demasiado baja, la prensa se detendrá y la presión aumentará para completar el conformado de la pieza. Si la energía cinética es demasiado rápida, el exceso de energía provocará picos de fuerza o presión.

En el peor de los casos, es posible que el material no se forme correctamente o que el propio molde se desgaste excesivamente o incluso se dañe. Ambos resultados son ineficientes. En un caso de prueba con traviesas de ferrocarril, la varilla estaba estacionaria, por lo que la velocidad de impacto relativa fue mucho mayor.

Como resultado, la fuerza máxima supera las 6000 lbf, mientras que la fuerza estática máxima que puede ejercer el cilindro es de 1500 psi × 3,14 pulg.2, o alrededor de 4,710 libras. Retraer el cilindro antes del impacto reduce en gran medida las fuerzas máximas. El objetivo es hacer coincidir la energía cinética de la prensa con cada tipo de pieza que se fabrica.

Los fabricantes de prensas suelen utilizar cojines o cilindros hidráulicos debajo del troquel. El propósito es absorber el impacto. Estos cojines a menudo tienen un efecto marginal porque la válvula no responde lo suficientemente rápido. Si la prensa es una prensa mecánica, su movimiento vertical es sinusoidal. Si se instala un codificador absoluto en la manivela, el control de amortiguación puede calcular la posición y la velocidad del punzón, lo que permite que el control de amortiguación prediga el impacto al comenzar a retraerse antes del impacto.

El control del cojín puede entonces ajustar el movimiento del cojín para aumentar o disminuir la fuerza máxima al aumentar o disminuir la velocidad de retracción, o al aumentar o disminuir la posición inicial al retraerse. La elección depende de qué tan lejos o qué tan profundo se debe formar la pieza de trabajo. Esto depende del hecho de que la velocidad de la prensa mecánica disminuye cerca de la parte inferior de la carrera.

Si la parte superior e inferior de la prensa están controladas por el mismo controlador de movimiento hidráulico, es más fácil sincronizar el émbolo y el cojín, y ajustar la posición y la velocidad para que la fuerza máxima permanezca constante. Esto requiere la capacidad de usar el pasado para ajustarse sobre la marcha para adaptarse al futuro. También se requiere un ajuste automático porque la prensa se calienta durante el funcionamiento, lo que hace que la prensa cambie ligeramente de tamaño. Incluso unas pocas milésimas de pulgada pueden marcar una gran diferencia en la fuerza máxima.

Puntos clave sobre el control

Por lo general, se utilizan controles proporcionales, integrales y derivados para controlar la fuerza. Una buena manera de comenzar es mover el actuador contra la carga en bucle abierto con el sistema a la fuerza máxima. Luego comience con una ganancia proporcional de fuerza muy pequeña y aumente lentamente hasta que la fuerza caiga al punto de ajuste de fuerza. No debe haber movimiento cuando se intenta controlar con ganancia proporcional de fuerza. Si hay alguna fuga interna, es posible que se requiera una pequeña cantidad de ganancia integral. Comience con valores pequeños. A continuación, es útil alternar el punto de ajuste de fuerza entre las dos configuraciones para ajustar la ganancia de fuerza. La ganancia derivada de fuerza es útil para reducir pequeños sobreimpulsos de fuerza. Al convertir entre las dos fuerzas, utilice la alimentación anticipada (si está disponible) para ayudar a que la fuerza real siga la fuerza objetivo.

Finalmente, pruebe cómo funciona el control de fuerza al pasar del control de posición al control de fuerza. Un enfoque seguro es usar un comando de lazo abierto con una pequeña salida para mover el actuador para hacer contacto a una velocidad razonable sin causar un exceso de fuerza. Ajuste la ganancia para obtener la mejor respuesta, luego mueva el lazo abierto a una velocidad más alta hasta que el choque provoque un exceso de fuerza. Ahora se conoce la velocidad máxima de impacto. Las velocidades más bajas darán como resultado un menor exceso de fuerza. Algunos controladores de movimiento tienen programas que optimizan la ganancia de bucle cerrado de fuerza, lo que reduce en gran medida el tiempo de puesta en servicio.

El artículo del próximo mes cubrirá las prensas niveladoras, donde normalmente se usan cuatro actuadores para controlar la fuerza total, pero el controlador hidráulico también debe evitar que los cuatro actuadores se desvíen para que no se atasquen mecánicamente, independientemente del desequilibrio de la fuerza. Se cubrirán el control de movimiento, el control de fuerza y ​​los bucles de control en cascada.

Peter Nachtwey es el presidente de Delta Computer Systems, Inc.

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