Freno a pressione CNC controllato da pompa servo: Analisi del consumo energetico
Dell'autore: Mark Hanks
Il consumo energetico è un argomento importante quando si sceglie i freni a pressione CNC. I tradizionali freni a pressa elettroidraulici utilizzano valvole servo-proporzionali per controllare il movimento della fascia superiore, ma le perdite nella struttura elettroidraulica in questa competizione energetica causate da gas e strabocco riducono l'efficienza complessiva.
Un servopompa a freno a pressione CNC controllato da pompa servo con servomotori a velocità variabile può controllare direttamente il flusso e la pressione idraulica in base alle diverse esigenze di curvatura. Questo sistema avanzato può ridurre il consumo energetico inutile, migliorare l'efficienza idraulica e garantire una maggiore stabilità termica.
Questo articolo illustrerà il confronto tra i sistemi idraulici a servopompa e servovalvole tramite l'analisi di simulazione e spiegherà perché la tecnologia servopompa sta diventando una buona scelta per la formatura in lamiera a basso consumo energetico.
Cos'è un freno a pressa CNC controllato da servopompa?
Un freno a pressione CNC con tecnologia a servopompa utilizza un innovativo sistema di controllo del movimento del pistone all'interno del suo sistema idraulico. All'interno di questo sistema, un servomotore è responsabile della propulsione della pompa idraulica.
Una differenza significativa tra un freno a pressione controllato da un tradizionale sistema di valvole proporzionali servo e un sistema servo a pompa è il metodo di controllo di un flusso eccessivo di olio idraulico. Il sistema servo della pompa modifica l'output dell'olio idraulico in base alle esigenze del sistema per un specifico ciclo di flessione, riducendo così le perdite da acceleratore.
Man mano che i produttori si preoccupano sempre di più per l'energia richiesta dai processi produttivi e per i costi di funzionamento di una macchina, l'attenzione diventa l'ottimizzazione del processo produttivo. Sistemi idraulici a freno a pressione CNC più efficienti dal punto di vista energetico saranno probabilmente realizzati nel prossimo futuro utilizzando strategie di controllo più intelligenti, come la tecnologia di controllo a servopompa.
1. Come funziona un sistema idraulico a servopompa?
Lo schema idraulico del freno a pressione CNC controllato dalla pompa servo è mostrato nella Figura 1.
Figura 1. Schema idraulico di un freno a pressione CNC controllato da servopompa
Il processo operativo del sistema controllato tramite servopompa consiste in cinque fasi:
Fase di Avvicinamento Rapido
I servomotori 1M/2M azionano la pompa bidirezionale a spostamento fisso (3) in rotazione in avanti, fornendo olio alla camera senza bielle del cilindro idraulico (12). Contemporaneamente, si apre la valvola di riempimento (11), permettendo di aggiungere olio dal serbatoio di riempimento per aumentare il flusso del cilindro. Il ram si muove rapidamente verso il basso, con la velocità di avvicinamento controllata dalla velocità del servomotore.
Fase di alimentazione operativa
Quando l'utensile piegatore tocca il pezzo, la valvola di riempimento si chiude. L'olio idraulico viene fornito solo dalla pompa, permettendo alla pressione di accumularsi all'interno del cilindro. La velocità di alimentazione di lavoro è controllata con precisione dalla velocità di rotazione del servomotore.
Dwell Stage
Dopo che il ram raggiunge il punto morto inferiore, la servopompa smette di ruotare. Il sistema mantiene la pressione per ridurre la deformazione di springback dopo la flessione.
Stadio di sollievo della pressione
In questa fase, la direzione della pompa cambia sotto il controllo dei servomotori e l'olio viene fornito alla camera dell'asta. Il ram si muove lentamente verso l'alto sotto controllo CNC.
Fase di Ritorno
La servopompa continua a funzionare nella direzione opposta. La valvola di riempimento viene aperta per permettere all'olio nella camera senza asta di tornare nel serbatoio di riempimento. La velocità di ritorno è regolata dalla velocità del servomotore.
Confronto tra pompa servo e sistema idraulico a servovalvola
| Elemento di confronto | Sistema controllato da valvola servo | Sistema a pompa servo controllato |
| Principio di controllo | Utilizza servovalvole e valvole proporzionali per regolare il flusso e la pressione idraulica | Utilizza pompe a spostamento variabile azionate da servomotori per controllare direttamente la portata in uscita |
| Velocità di risposta | Risposta molto rapida (tipicamente 5–50 ms), adatta per il controllo dinamico ad alta velocità | Risposta più lenta dovuta all'inerzia della pompa (tipicamente 100–500 ms), ma sufficiente per applicazioni con freni a pressione CNC |
| Efficienza energetica | Efficienza inferiore dovuta a perdite da throttling e da overflow; Maggiore generazione di calore | Maggiore efficienza perché la potenza idraulica viene fornita in base alla domanda reale; riduce il consumo energetico inutile |
| Generazione di calore | Genera più calore idraulico, spesso richiedendo sistemi di raffreddamento più grandi | Genera meno calore, migliorando la stabilità della temperatura dell'olio idraulico e riducendo i requisiti di raffreddamento |
| Accuratezza del controllo | Eccellente precisione nel controllo della posizione, velocità e pressione | Alta accuratezza statica con prestazioni di tracciamento dinamico leggermente inferiori |
| Costo del sistema | Costo dei componenti più basso, tecnologia matura, manutenzione più facile | Maggiore investimento iniziale dovuto a servomotori e pompe variabili |
| Complessità del sistema | Struttura idraulica più semplice con componenti valvolari standardizzati | Sistema ad anello chiuso più complesso con servopompe, elettronica di controllo e componenti idraulici aggiuntivi |
| Protezione contro il sovraccarico | Rapido scarico della pressione tramite valvole di sicurezza, fornendo una protezione sensibile contro il sovraccarico | Si basa principalmente sulla limitazione della potenza della pompa, con una risposta da sovraccarico più lenta |
| Livello di rumore | Rumore e fluttuazioni di pressione più elevati nella commutazione delle valvole | Funzionamento più fluido con meno rumore idraulico |
Come spiegato nella tabella di confronto sopra, la principale differenza tra i sistemi idraulici servopompa e servovalvola è il diverso modo di controllare il flusso dell'olio idraulico. Un sistema servopompa controlla la velocità della pompa in base alla portata richiesta, il che è molto utile per ridurre le perdite da throttling e il consumo energetico inutile. Sulla continuazionerary, i sistemi a valvole servo regolano il flusso idraulico attraverso l'apertura e la chiusura della valvola, generando ulteriori perdite idrauliche durante il funzionamento.
Sistema controllato dalle valvole (controllo della limitazione)
In un sistema idraulico controllato da valvole, la pompa mantiene una pressione e un flusso costanti di olio. Una valvola proporzionale consente il controllo completo del flusso verso il cilindro idraulico.
In queste condizioni, la pressione e il flusso superiori a quelli richiesti dal carico vengono eliminati tramite la pressione della valvola o scaricati tramite una valvola di sfogo. Questo converte l'energia idraulica in eccesso in calore e causa perdita di energia.
Analogia: l'approvvigionamento idrico è completamente aperto, mentre il flusso è controllato bloccando parzialmente l'uscita del tubo con una valvola di arresto. La pressione d'acqua in eccesso viene sprecata. Questi sistemi utilizzano quasi sempre un circuito idraulico aperto.
Sistema controllato dalla pompa (Controllo Volumetrico)
In un sistema idraulico controllato da pompa, il movimento degli attuatori è controllato regolando lo spostamento o la velocità di una pompa a cilindrata variabile, permettendo al sistema di fornire il flusso e la pressione richiesti dal carico e di subire perdite minime da potenza.
In questo sistema, l'uscita della pompa è esattamente il flusso necessario all'attuatore, creando praticamente nessun trabocco e con quasi nessuna perdita di calore e di limitazione.
Analogia: un sistema come questo è molto simile a un sistema d'acqua controllato da pompa, pompa a velocità variabile, che non spreca pressione in eccesso. Questi sistemi sono quasi sempre progettati come circuiti idraulici chiusi, utilizzando una pompa a spostamento variabile con motore a spostamento fisso o cilindro idraulico.
2. Analisi del consumo energetico dei freni a pressione CNC
2.1 Configurazione e Sequenza di Funzionamento del Modello
Un modello di simulazione di un sistema idraulico CNC a freno a pressione controllato da valvole è stato stabilito come mostrato in Figura 2, e il modello del sistema idraulico controllato a pompa del freno a pressa CNC, come mostrato in Figura 3. I parametri operativi per entrambi i sistemi sono elencati nella Tabella 1.
Figura 2 Modello di simulazione del sistema idraulico controllato dalle valvole per il freno a pressa
Figura 3. Modello di simulazione del sistema idraulico controllato dalla pompa per il freno a pressione
Tabella 1. Specifiche di Tempo di Azione e Velocità
| Azione | Avvicinamento rapido | Feed operativo | Dwell | Alleviamento della pressione | Ritorno della Volta |
| Tempo(i) controllato da valvole | 1.5 | 2 | 1.5 | 1.5 | 2 |
| Velocità (mm/s) | 90 | 8.5 | 0 | 0 | 75 |
| Tempo(s) controllato dalla pompa | 0.75 | 2 | 1.5 | 1.5 | 1 |
| Velocità (mm/s) | 180 | 8.5 | 0 | 0 | 150 |
Il sistema controllato da servopompa utilizza un servomotore per regolare direttamente la velocità e la portata della pompa. I servomotori presentano vantaggi rispetto ai tradizionali motori a velocità fissa, con risposte rapide e alte velocità di rotazione che alla fine accorciano i tempi di avvicinamento e ritorno.
Per effettuare una valutazione corretta, entrambi i sistemi sono stati impostati con gli stessi parametri idraulici. Le impostazioni principali sono mostrate nella Tabella 2.
Tabella 2. Impostazioni dei parametri chiave
| Componente / Sistema | Parametro | Valore |
| Cilindro idraulico (entrambi i sistemi) | Diametro del canone | 170 mm |
| Diametro della barra | 160 mm | |
| Infarto | 200 mm | |
| Sistema controllato da valvole | Spostamento della pompa | 16 cc/giri |
| Velocità del motore | 1450 giri al minuto | |
| Sistema controllato da pompa | Spostamento della pompa bidirezionale | 16 cc/giri |
| Entrambi i sistemi | Forza di carico | 625.000 N (per lato) |
| Sistema controllato da valvole | Corrente nominale per la valvola servo | 40 mA |
| Frequenza naturale della valvola servo | 80 Hz |
Per il sistema controllato da valvole, l'apertura della servovalvola veniva regolata tramite segnali di corrente in ingresso per raggiungere le velocità richieste del cilindro. Le valvole direzionali e di riempimento erano controllate in base alla sequenza operativa. La curva del tempo di spostamento del pistone è mostrata nella Figura 4.
Figura 4. Spostamento del pistone del cilindro idraulico vs. curva temporale
Per il sistema controllato dalla pompa, il servomotore controllava la velocità del flusso e della direzione di uscita della pompa. Il funzionamento della valvola di riempimento era controllato tramite commutazione direzionale delle valvole, e la curva di spostamento risultante è presentata anche nella Figura 4.
2.2 Quanta energia può risparmiare un servopompa CNC a pressa?
Il sistema controllato dalla pompa servo riduce il tempo di ciclo aumentando la velocità delle fasi di avvicinamento e ritorno rapido. La dimensione del passo di simulazione è stata impostata a 0,001 s, con tempi totali di simulazione di 8,5 s per il sistema controllato da valvola e di 6,75 s per quello controllato da pompa.
I dati di pressione e portata della pompa bidirezionale sono stati esportati su MATLAB per calcolare il consumo energetico. Le curve potenza-tempo sono mostrate nella Figura 5.
Figura 5. Curve di Potenza contro Tempo
Durante le fasi di alimentazione e ritorno di funzionamento, il sistema controllato dalla pompa servo mostrava una potenza istantanea maggiore perché l'energia veniva fornita direttamente all'attuatore. Al contrario, i sistemi controllati dalle valvole subiscono ulteriori perdite idrauliche causate da throttling e overflow.
L'integrazione numerica di MATLAB ha mostrato che:
• Sistema servopompa controllato: circa 43,69 kJ per ciclo
• Sistema controllato da valvole: circa 124,9 kJ per ciclo
Pertanto, nelle stesse condizioni di funzionamento, il sistema controllato dalla pompa servo consumava circa il 65% di energia in meno rispetto al sistema controllato da valvole.
2.3 Riduzione del flusso di olio idraulico e benefici in termini di temperatura
Le curve totali di flusso di olio idraulico ottenute dalla simulazione JS Ragos sono mostrate nella Figura 6.
Figura 6. Portata totale vs. curve temporali
La domanda di volume di olio veniva calcolata integrando la portata dall'uscita della pompa e dalla valvola di riempimento durante la fase di avvicinamento rapido.
Dai risultati della simulazione, abbiamo scoperto
• Sistema controllato da pompa servo: ~ 7,53 L
• Sistema controllato dalle valvole: ~ 10,243 L
Durante lo stesso ciclo di funzionamento, il sistema controllato dalla pompa servo richiedeva ~ 26% in meno il volume di flusso di olio idraulico.
Che tipo di clienti sono adatti ai freni a pressione CNC controllati da servopompa?
Rispetto ai sistemi tradizionali, la tecnologia di controllo della pompa ha aumentato l'efficienza energetica, ridotto le perdite idrauliche e migliorato la stabilità termica. Tuttavia, l'uso di servomotori a trasmissione diretta, pompe a spostamento variabile e controlli avanzati comporta un prezzo più elevato rispetto ai sistemi tradizionali.
A causa del prezzo, la tecnologia di controllo della pompa non è ideale per ogni ambiente produttivo. Tuttavia, è particolarmente ideale per questi ambienti produttivi:
1. Produttori ad alto volume con orari di apertura lunghi
Nella produzione di lamiere, il costo energetico è un contributo significativo al costo complessivo di produzione quando il reparto opera per lunghe ore.
Nei sistemi tradizionali controllati da servovalvole, l'energia idraulica viene convertita in calore durante il processo, e questa perdita di energia è una forma di perdita da limitazione.
A differenza dei sistemi tradizionali, un sistema di controllo basato sulla tecnologia della servopompa controlla l'uscita della pompa per soddisfare la domanda di ogni operazione di piegatura. Questo sistema è progettato per fornire l'energia idraulica richiesta per ogni operazione, al fine di minimizzare il consumo energetico durante una produzione prolungata.
La tecnologia di controllo della pompa è ideale per i seguenti settori:
Produzione di componenti automobilistici
Produzione di armadietti elettrici ad alto volume
Produzione di lamiera per grandi elettrodomestici
Produzione di metalli ad alto volume
2. Produttori preoccupati per l'aumento dei costi energetici
L'aumento dei prezzi dell'elettricità nel settore comporta costi operativi più elevati. Questa situazione ha costretto i produttori a considerare i costi operativi nell'acquisto di nuove tecnologie di produzione.
In questo contesto, la tecnologia di controllo delle pompe offre un vantaggio competitivo ai produttori situati in paesi con costi elettrici più elevati, o a quei produttori che vogliono ridurre la propria impronta di carbonio.
3. Ambienti di produzione stabilizzati tramite controllo della temperatura del fluido idraulico
I sistemi idraulici classici sono meno efficienti a causa delle perdite da throttling, che generano calore inutile. Ciò può causare notevoli effetti negativi sul sistema idraulico durante lunghi tratti di funzionamento ad alta velocità.
- Temperature elevate del fluido idraulico
- Degradazione del fluido idraulico
- Deterioramento degli anelli O-ring e delle guarnizioni
- Ridotta stabilità del sistema
I sistemi a servopompa, eliminando le perdite di energia, sono progettati per generare meno calore e funzionare con maggiore stabilità delle temperature del fluido idraulico.
Di conseguenza, sono più adatti per
- Attività produttive in ambienti ad alta temperatura
- Funzionamento continuo dei macchinari di piegatura in impianti di produzione 24/7
- Linee di produzione che richiedono alta stabilità delle attrezzature
4. Aziende focalizzate sul valore del loro investimento
Il prezzo di acquisto di un sistema controllato da pompa è tipicamente superiore a quello di un sistema controllato da valvole. Tuttavia, la prima è pensata per produrre importanti benefici a lungo termine che compensano essenzialmente il costo iniziale più elevato, tra cui:
- Riduzione della perdita di energia idraulica
- Diminuzione del riscaldamento del sistema
- Riduzione della domanda di raffreddamento
- Miglioramento della stabilità delle condizioni operative per componenti idraulici
Questi benefici portano a costi complessivi inferiori del sistema e a una riduzione della manutenzione durante la vita del sistema idraulico.
Per i produttori focalizzati sulla produzione a lungo termine dei loro freni a pressa, la tecnologia a pompa controllata è un sistema più comodo.
5. Aziende manifatturiere altamente automatizzate
I requisiti delle moderne linee di produzione automatizzate includono:
- Funzionamento di macchinari altamente stabili
- Un alto grado di ripetibilità
- Produzione prolungata e, idealmente, continua
Le tecniche di produzione automatizzate che utilizzano sistemi di controllo a servopompa ad alta stabilità idraulica sono particolarmente adatte per i sistemi di produzione altamente automatizzati ormai tipici che incorporano freni a pressione robotizzati e celle di piegatura automatiche.
Vantaggi della tecnologia della servopompa
1. Aumento della velocità
Il tempo di risposta di un motore asincrono azionato da un azionamento a frequenza variabile è di circa 600 ms. Al contrario, con motori sincroni a magnete permanente e servo-drive, il sistema è in grado di raggiungere un tempo di risposta di 50 ms.
2. Controllo Potenziato
Con un sistema di controllo pompa a servomotore, viene implementato un sistema di controllo ad anello chiuso. I valori comandati vengono continuamente confrontati con i valori reali tramite sensori di velocità e pressione.
Il sistema di controllo regola automaticamente il servo-motore e il sistema di pompa per un controllo ottimale di pressione, flusso e movimento.
3. Riduzione del consumo energetico
Poiché un sistema di controllo pompa a servomotore è progettato per essere un sistema di controllo a velocità variabile, il servomotore è in grado di regolare la sua velocità in base alle esigenze di flusso del sistema. Pertanto, quando il sistema funziona a bassa velocità, il consumo energetico del sistema si riduce.
In diverse configurazioni di macchine e condizioni operative differenti, il risparmio energetico può essere compreso tra il 30% e l'80%.
4. Sistema idraulico integratom
Un sistema di controllo della pompa a servomotore permette a una pompa a spostamento fisso di fornire un'uscita proporzionale. Questo riduce la necessità di molti componenti del sistema e quindi fornisce un sistema più semplificato.
Il sistema riduce il continuo traboccamento ad alta pressione e abbassa la temperatura dell'olio idraulico, prolungando così la durata operativa dell'intero sistema idraulico.
5. Livello di rumore ridotto e alta compatibilità ambientale
La funzione di controllo della velocità di un sistema di pompa a servomotore significa che il livello di rumore del sistema è alto solo quanto la domanda operativa attuale.
Il livello di rumore tipico può essere circa 8-10 dB inferiore rispetto a quello di un sistema idraulico standard, migliorando notevolmente l'ambiente acustico dell'officina.
Conclusione
I freni a pressione CNC controllati da servopompa offrono un'opzione più efficiente dal punto di vista energetico rispetto al tradizionale sistema idraulico servo proporzionale controllato da valvole. Controllando direttamente la velocità della pompa e il flusso dell'olio idraulico in base alle reali esigenze di flessione, la tecnologia della servopompa può ridurre le perdite da acceleratore e migliorare l'efficienza complessiva dell'olio idraulico.
Secondo l'analisi di simulazione JS RAGOS, il sistema controllato dalla pompa servo consumava circa il 65% di energia in meno per ogni ciclo di curvatura rispetto al sistema controllato tramite valvola servo nelle stesse condizioni operative. Inoltre, la riduzione della domanda di flusso idraulico aiuta a diminuire la generazione di calore e a controllare meglio la temperatura dell'olio idraulico durante il lavoro continuo delle macchine.
Per i produttori di lamiere con alti volumi di produzione, lunghe ore di funzionamento delle macchine e crescenti problemi energetici, i freni pressante servopompa JS Ragos possono offrire benefici significativi a lungo termine.
JS RAGOS è impegnata nello sviluppo di soluzioni a risparmio energetico per freni a pressione CNC e soluzioni intelligenti di formatura in lamiera. Portando la tecnologia idraulica avanzata nella produzione pratica, aiutiamo i clienti a raggiungere una produzione più efficiente e sostenibile.
Domande frequenti
D1. Cos'è un freno a pressione CNC controllato da servopompa?
SFreno a pressione CNC controllato da pompa ERVOCaratteristica S con I servomotori controllano direttamenteLingVelocità della pompa idraulica e portata in uscita. Confronta conSistemi tradizionali controllati da valvole, fornisce energia idraulica in base alle reali esigenze di flessionee salvaEnergia.
D2. Quanta energia può risparmiare un servopompa CNC pressante?
Secondo i risultati della simulazione JS RAGOS, il sistema controllato tramite servopompa consumava circa il 65% di energia in meno per ciclo rispetto a un sistema idraulico controllato da servovalvola sotto Stessa cosacondizioni operative.
Ma il veroRisparmio energetico sono influenzati da molti fattori comeConfigurazione della macchina, ciclo di produzione, condizioni di piegatura e orari di esercizio, ecc.
D3. Cosa'sLa differenza tra una pompa servo sistema E un sistema idraulico a servovalvola?
Un sistema di servovalvole controlla l'idraulica Petrolio Flusso di ControlloApertura valvolee chiusura, che sarebbe risultato inPerdite da limitazione e più altoGenerazione di calore.
Un sistema di servopompa controlla idraulico Flusso di Regolamentazionela velocità della pompa, permettendo di fornire energia idraulica solo quando necessario. È più amichevole con l'energia efficienza, eOlio idraulico Temperatura.
D4. I freni a pressione CNC a servopompa sono adatti a tutti i produttori?
I freni a pressione CNC a servopompa sono particolarmente adatti perLamiera fabbricantes con alti volumi di produzioneeLunghe ore di apertura.
Per i clienti con Non è altoUtilizzo delle macchine o chi Don’Non abbiamo abbastanza budget, sistemi tradizionali controllati da valvole servo potrebbeResta comunque un'opzione adatta.
D5. La tecnologia della servopompa può migliorare le prestazioni dei freni a pressione CNC?
Sì. I sistemi a servopompa possono migliorare l'efficienza della macchina offrendo un avvicinamento e un ritorno più rapidi Velocità di lavoroe un funzionamento più stabile durante la produzione continua.
D6. Un servopompa CNC pressa vale la pena per un investimento maggiore?
I sistemi a servopompa sono solitamente più costosi rispetto ai sistemi a servovalvole, ma possono offrire costi operativi a lungo termine migliori e un ritorno sull'investimento grazie al loro minore consumo energetico e alla produzione di calore.
