Freio de pressão CNC controlado por bomba servo: Análise de Consumo de Energia
Por autor: Mark Hanks
O consumo de energia é um tema importante ao escolher freios de pressão CNC. Freios de pressão eletro-hidráulicos tradicionais usam válvulas servo proporcionais para controlar o movimento da barra superior, Mas as perdas na estrutura eletro-hidráulica nessa competição energética causadas por estrangulamento e transbordamento reduzem a eficiência geral.
Um freio de pressão CNC controlado por servobomba com servomotores de velocidade variável pode controlar diretamente o fluxo hidráulico e a pressão de acordo com diferentes requisitos de curvatura. Esse sistema avançado pode reduzir o consumo desnecessário de energia, Melhorar a eficiência hidráulica, e proporcionam melhor estabilidade térmica.
Este artigo explicará a comparação entre os sistemas hidráulicos de servobomba e servoválvula por meio da análise de simulação e explicará por que a tecnologia de servobomba está se tornando uma boa escolha para a formação de chapa metálica com eficiência energética.
O que é um freio de pressão CNC controlado por servobomba?
Um freio de pressão CNC com tecnologia de servobomba utiliza um sistema inovador de controle de movimento do freio de pressão dentro de seu sistema hidráulico. Dentro desse sistema, Um servomotor é responsável por acionar a bomba hidráulica.
Uma diferença significativa entre um freio de pressão controlado por um sistema tradicional de válvulas proporcionais servo e um sistema servo de bomba é o método de controlar o excesso de fluxo hidráulico de óleo. O servo da bomba altera a saída de óleo hidráulico conforme as exigências do sistema para um ciclo de flexão específico, o que reduz as perdas por estrangulamento.
À medida que os fabricantes se preocupam cada vez mais com a energia exigida pelos processos de produção e os custos de operação de uma máquina, O foco passa a ser a otimização do processo produtivo. Sistemas hidráulicos de freio de pressão CNC mais eficientes em energia provavelmente serão alcançados em um futuro próximo, utilizando estratégias de controle mais inteligentes, como a tecnologia de controle de servobomba.
1. Como funciona um sistema hidráulico de servobomba?
O esquema hidráulico do freio de pressão CNC controlado por servobomba é mostrado na Figura 1.
Figure 1. Esquema hidráulico de um freio de pressão CNC controlado por bomba servo
O processo operacional do sistema controlado por servobomba consiste em cinco estágios:
Estágio de Aproximação Rápida
Servomotores 1M/2M acionam a bomba bidirecional de deslocamento fixo (3) na rotação para frente, fornecimento de óleo para a câmara sem haste do cilindro hidráulico (12). Ao mesmo tempo, Válvula de enchimento (11) Abertura, Permitindo que mais óleo do tanque de enchimento aumente o fluxo do cilindro. O ram desce rapidamente, com velocidade de aproximação controlada pela velocidade do servomotor.
Estágio de Alimentação de Funcionamento
Quando a ferramenta de dobra entra em contato com a peça, A válvula de enchimento fecha. O óleo hidráulico é fornecido apenas pela bomba, permitindo que a pressão se acumule dentro do cilindro. A velocidade de avanço de funcionamento é controlada com precisão pela velocidade de rotação do servomotor.
Dwell Stage
Depois que o aríete alcança o ponto de baixo, A bomba servo para de girar. O sistema mantém pressão para reduzir a deformação de recuo após a flexão.
Estágio de alívio de pressão
Neste estágio, A direção da bomba muda sob controle dos servomotores, e óleo é fornecido para a câmara da haste. O ram sobe lentamente sob controle CNC.
Estágio de Retorno
A servobomba continua funcionando na direção oposta. A válvula de enchimento é aberta para permitir que o óleo na câmara sem haste retorne ao tanque de enchimento. A velocidade de retorno é regulada pela velocidade do servomotor.
Comparação entre Servobomba e Servoválvula Comparação
| Item de Comparação | Sistema Controlado por Válvula Servo | Sistema Controlado por Servo Pump |
| Princípio de Controle | Utiliza válvulas servo e válvulas proporcionais para regular o fluxo e a pressão hidráulica | Utiliza bombas de deslocamento variável acionadas por servomotores para controlar diretamente a saída do fluxo |
| Velocidade de resposta | Resposta muito rápida (tipicamente 5–50 ms), adequado para controle dinâmico em alta velocidade | Resposta mais lenta devido à inércia da bomba (Tipicamente 100–500 ms), mas suficiente para aplicações de freios de pressão CNC |
| Eficiência energética | Menor eficiência devido a perdas por estrangulamento e perdas por transbordamento; Mais geração de calor | Maior eficiência porque a energia hidráulica é fornecida de acordo com a demanda real; Reduz o consumo desnecessário de energia |
| Geração de Calor | Gera mais calor hidráulico, frequentemente exigindo sistemas de resfriamento maiores | Gera menos calor, melhorar a estabilidade da temperatura do óleo hidráulico e reduzir os requisitos de resfriamento |
| Precisão de controle | Posição excelente, velocidade, e precisão no controle de pressão | Alta precisão estática com desempenho de rastreamento dinâmico ligeiramente menor |
| Custo do Sistema | Menor custo de componentes, Tecnologia madura, Manutenção mais fácil | Maior investimento inicial devido a servomotores e bombas variáveis |
| Complexidade do Sistema | Estrutura hidráulica mais simples com componentes de válvula padronizados | Sistema de circuito fechado mais complexo com bombas servo, Eletrônica de controle, e componentes hidráulicos adicionais |
| Proteção contra Sobrecarga | Alívio rápido de pressão por meio das válvulas de segurança, Fornecendo proteção sensível contra sobrecarga | Depende principalmente da limitação de potência da bomba, com resposta de sobrecarga mais lenta |
| Nível de Ruído | Maior ruído de comutação de válvulas e flutuações de pressão | Operação mais suave com menor ruído hidráulico |
Como explicado na tabela comparativa acima, A principal diferença entre os sistemas hidráulicos de servobomba e servoválvula é a forma diferente de controlar o fluxo hidráulico de óleo hidráulico. Um sistema de servobomba controla a velocidade da bomba de acordo com a vazão requerida, o que é muito útil para reduzir perdas por limitação e consumo desnecessário de energia. Pelo contrário, Sistemas de válvula servo regulam o fluxo hidráulico através da abertura e fechamento da válvula, o que gera perdas hidráulicas adicionais durante a operação.
Sistema Controle por Válvula (Controle de Limitação)
Em um sistema hidráulico controlado por válvula, A bomba mantém pressão e fluxo constantes de óleo. Uma válvula proporcional permite o controle total do fluxo para o cilindro hidráulico.
Nessas condições, A pressão e o fluxo excedentes ao exigido pela carga são eliminados por estrangulamento na válvula ou descarregados por uma válvula de alívio. Isso converte o excesso de energia hidráulica em calor e causa perda de energia.
Analogia: O abastecimento de água está totalmente aberto, enquanto o fluxo é controlado bloqueando parcialmente a saída do tubo com uma válvula de parada. A pressão excessiva da água é desperdiçada. Esses sistemas quase sempre utilizam um circuito hidráulico aberto.
Sistema Controle por Bomba (Controle Volútrico)
Em um sistema hidráulico controlado por bomba, O movimento dos atuadores é controlado ajustando o deslocamento ou a velocidade de uma bomba de deslocamento variável, permitindo que o sistema forneça o fluxo e a pressão exigidos pela carga e incorra perdas mínimas por estrangulamento.
Neste sistema, a saída da bomba é exatamente o fluxo necessário pelo atuador, praticamente não criando transbordamento e resultando em quase nenhuma estrangulação e perda de calor.
Analogia: Um sistema assim é muito semelhante a um sistema de água controlado por bomba, Bomba d'água de velocidade variável, que não desperdiçam pressão excessiva. Esses sistemas quase sempre são projetados como circuitos hidráulicos fechados, usando uma bomba de deslocamento variável com motor de deslocamento fixo ou cilindro hidráulico.
2. Análise de Consumo de Energia do Freio de Prensa CNC
2.1 Configuração e Sequência de Operação do Modelo
Um modelo de simulação de um sistema hidráulico de freio de pressão CNC controlado por válvula foi estabelecido, conforme mostrado em Figura 2, e o modelo do sistema hidráulico controlado por bomba do freio de pressão CNC, conforme mostrado em Figura 3. Os parâmetros operacionais de ambos os sistemas estão listados na Tabela 1.
Figura 2 Modelo de simulação do sistema hidráulico controlado por válvula para o freio de pressão
Figura 3. Modelo de simulação do sistema hidráulico controlado por bomba para o freio de pressão
Tabela 1. Especificações de Tempo de Ação e Velocidade
| Ação | Aproximação Rápida | Alimentação de Trabalho | Dwell | Alívio de pressão | Retorno do Golpe |
| Tempo Controle por Válvula (s) | 1.5 | 2 | 1.5 | 1.5 | 2 |
| Velocidade (mm/s) | 90 | 8.5 | 0 | 0 | 75 |
| Tempo Controlado por Bomba (s) | 0.75 | 2 | 1.5 | 1.5 | 1 |
| Velocidade (mm/s) | 180 | 8.5 | 0 | 0 | 150 |
O sistema controlado por servobomba utiliza um servomotor para regular diretamente a velocidade da bomba e o fluxo de saída. Servomotores têm vantagens em relação aos motores tradicionais de velocidade fixa, com respostas rápidas e altas velocidades de rotação que, em última análise, reduzem o tempo de aproximação e retorno.
Para fazer uma avaliação adequada, Ambos os sistemas foram configurados com os mesmos parâmetros hidráulicos. As principais configurações estão mostradas na Tabela 2.
Tabela 2. Configurações de Parâmetros-chave
| Componente / Sistema | Parâmetro | Valor |
| Cilindro Hidráulico (Ambos os sistemas) | Diâmetro do diâmetro | 170 mm |
| Diâmetro da vareta | 160 mm | |
| Derrame | 200 mm | |
| Sistema Controle por Válvula | Deslocamento da bomba | 16 cc/rot |
| Velocidade do motor | 1450 rp/min | |
| Sistema Controle por Bomba | Deslocamento da bomba bidirecional | 16 cc/rot |
| Ambos os sistemas | Força de Carga | 625,000 N (por lado) |
| Sistema Controle por Válvula | Corrente Nominal para Válvula Servo | 40 mA |
| Frequência Natural da Válvula Servo | 80 Hz |
Para o sistema controlado por válvulas, A abertura da válvula servo era ajustada por sinais de corrente de entrada para alcançar as velocidades necessárias do cilindro. As válvulas direcionais e de enchimento eram controladas de acordo com a sequência operacional. A curva de tempo de deslocamento do pistão é mostrada na Figura 4.
Figura 4. Deslocamento do Pistão do Cilindro Hidráulico vs. Curva Temporal
Para o sistema controlado por bomba, Velocidade do servomotor controlado pela saída, fluxo e direção da saída da bomba. A operação da válvula de enchimento era controlada por comutação direcional da válvula, e a curva de deslocamento resultante também é apresentada na Figura 4.
2.2 Quanta energia um servo-pump freio de pressão CNC pode economizar?
O sistema controlado por servobomba reduz o tempo de ciclo ao aumentar a velocidade dos estágios de aproximação e retorno rápidos do curso. O tamanho do passo da simulação foi definido como 0.001 s, com tempos totais de simulação de 8,5 s para o sistema controlado por válvula e 6,75 s para o sistema controlado por bomba.
Dados de pressão e fluxo da bomba bidirecional foram exportados para o MATLAB para calcular o consumo de energia. As curvas de potência-tempo são mostradas na Figura 5.
Figura 5. Potência vs. Curvas Temporais
Durante as fases de alimentação e retorno de trabalho, O sistema controlado por servobomba mostrava maior potência instantânea porque energia era fornecida diretamente ao atuador. Em contraste, Sistemas controlados por válvulas sofrem perdas hidráulicas adicionais causadas por estrangulamento e transbordamento.
A integração numérica do MATLAB mostrou que:
• Sistema controlado por bomba servo: aproximadamente 43,69 kJ por ciclo
• Sistema controlado por válvula: aproximadamente 124,9 kJ por ciclo
Portanto, nas mesmas condições de trabalho, O sistema controlado por bomba servo consumia aproximadamente 65% menos energia do que o sistema controlado por válvula.
2.3 Redução do fluxo de óleo hidráulico e benefícios de temperatura
As curvas totais de fluxo hidráulico de óleo obtidas pela simulação JS Ragos são mostradas na Figura 6.
Figura 6. Vazão Total vs. Curvas Temporais
A demanda por volume de óleo foi calculada integrando a vazão da saída da bomba e da válvula de enchimento durante a fase de aproximação rápida.
A partir dos resultados da simulação, Encontramos
• Sistema controlado por bomba servo: ~ 7,53 L
• Sistema controlado por válvula: ~ 10,243 L
Durante o mesmo ciclo de operação, O sistema controlado por bomba servo exigia ~ 26% menos volume de fluxo hidráulico de óleo.
Que tipo de clientes são adequados para freios de pressão CNC controlados por servobomba?
Comparado aos sistemas tradicionais, A tecnologia de controle de bombas aumentou a eficiência energética, Redução das perdas hidráulicas, e melhora da estabilidade da temperatura. Contudo, O uso de servomotores de acionamento direto, Bombas de deslocamento variável, e controles avançados, Resulta em um preço mais alto em comparação aos sistemas tradicionais.
Por causa do preço, A tecnologia de controle de bombas não é ideal para todos os ambientes de manufatura. Contudo, É especialmente ideal para esses ambientes de manufatura:
1. Fabricantes de Alto Volume com Longas Horas de Operação
Na fabricação de chapas metálicas, O custo de energia é um grande contributo para o custo total de fabricação quando o chão de fábrica funciona por longas horas.
Em sistemas tradicionais controlados por servoválvula, A energia hidráulica é convertida em calor durante o processo, e essa perda de energia é uma forma de perda por estrangulamento.
Em contraste com sistemas tradicionais, Um sistema de controle baseado na tecnologia de servobomba controla a saída da bomba para atender à demanda de cada operação de flexão. Este sistema foi projetado para fornecer a energia hidráulica necessária para cada operação, minimizando o consumo de energia durante uma produção prolongada.
A tecnologia de controle de bombas é ideal para as seguintes indústrias:
Fabricação de componentes automotivos
Produção de armários elétricos de alto volume
Fabricação de chapa metálica para grandes eletrodomésticos
Fabricação de Metal em Alto Volume
2. Fabricantes preocupados com o aumento dos custos de energia
O aumento dos preços da eletricidade na indústria significa custos operacionais mais elevados. Essa situação obrigou os fabricantes a considerarem os custos operacionais ao adquirir novas tecnologias de manufatura.
Nesse contexto, A tecnologia de controle de bombas oferece uma vantagem competitiva para fabricantes localizados em países com custos de eletricidade mais altos, Ou para aqueles fabricantes que querem reduzir sua pegada de carbono.
3. Ambientes de Produção Estabilizados pelo Controle de Temperatura do Fluido Hidráulico
Sistemas hidráulicos clássicos são menos eficientes devido às perdas por estrangulamento, que geram calor desnecessário. Isso pode causar efeitos negativos consideráveis no sistema hidráulico durante longos períodos de operação em alta velocidade.
- Temperaturas elevadas do fluido hidráulico
- Degradação do fluido hidráulico
- Deterioração de anéis de vedação e vedações
- Estabilidade reduzida do sistema
Sistemas de servobomba, eliminando perdas de energia, são projetadas para gerar menos calor e operar com maior estabilidade das temperaturas do fluido hidráulico.
Como resultado, Eles são mais apropriados para
- Atividades de produção em ambientes de alta temperatura
- Operação contínua de máquinas de dobra em instalações de produção 24 horas por dia, 7 dias por semana,
- Linhas de produção que exigem alta estabilidade de equipamentos
4. Empresas focadas no valor de seu investimento
O preço de compra de um sistema controlado por bomba é tipicamente maior do que o de um sistema controlado por válvula. Contudo, A primeira é projetada para gerar benefícios importantes de longo prazo que, essencialmente, compensam o custo inicial mais alto, incluindo:
- Redução da perda de energia hidráulica
- Diminuição do aquecimento do sistema
- Redução da demanda de resfriamento
- Melhoria da estabilidade das condições de operação para componentes hidráulicos
Esses benefícios levam a custos gerais mais baixos do sistema e à redução da manutenção ao longo da vida útil do sistema hidráulico.
Para os fabricantes focados na produção de longo prazo de seus freios de pressão, A tecnologia controlada por bomba é um sistema mais conveniente.
5. Empresas de Manufatura Altamente Automatizadas
Os requisitos das linhas de produção automatizadas modernas incluem:
- Operação de máquinas altamente estáveis
- Um alto grau de repetibilidade
- Produção que é estendida e, Idealmente, contínuo
Técnicas de produção automatizadas usando sistemas de controle por servobomba de alta estabilidade hidráulica são particularmente adequadas para os sistemas de produção altamente automatizados agora típicos que incorporam freios de pressão robóticos e células de dobra automatizadas.
Benefícios da Tecnologia de Servobomba
1. Aumento da Velocidade
O tempo de resposta de um motor assíncrono acionado por um acionamento de frequência variável é de cerca de 600 ms. Em contraste, com motores síncronos de ímã permanente e servo acionamentos, O sistema é capaz de alcançar um tempo de resposta de 50 ms.
2. Controle Aprimorado
Com um sistema de controle de bomba servo-motor, Um sistema de controle em malha fechada é implementado. Os valores comandados são continuamente comparados com os valores reais por sensores de velocidade e pressão.
O sistema de controle ajusta automaticamente o servo-motor e o sistema de bomba para um controle ótimo da pressão, Fluxo, e movimento.
3. Redução no Consumo de Energia
Como um sistema de controle de bomba servo-motor é projetado para ser um sistema de controle de velocidade variável, O servomotor é capaz de ajustar sua velocidade às demandas de fluxo do sistema. Portanto, quando o sistema opera em baixa velocidade, O consumo de energia do sistema diminui.
Em diferentes configurações de máquinas e diferentes condições operacionais, A economia de energia pode variar entre 30% e 80%.
4. Sistema Hidráulico Integradom
Um sistema de controle de bomba servo-motor permite que uma bomba de deslocamento fixo forneça uma saída proporcional. Isso reduz a necessidade de muitos componentes do sistema e, portanto, proporciona um sistema mais simplificado.
O sistema reduz o transbordamento contínuo de alta pressão e diminui a temperatura do óleo hidráulico, o que estende a vida útil de todo o sistema hidráulico.
5. Nível de ruído reduzido e alta compatibilidade ambiental
O recurso de controle de velocidade de um sistema de controle de bomba servo-motor significa que o nível de ruído do sistema é apenas tão alto quanto a demanda operacional atual.
O nível típico de ruído pode ser cerca de 8-10 dB menor do que o de um sistema hidráulico padrão, melhorando muito o ambiente acústico da oficina.
Conclusão
Freios de pressão CNC controlados por servobomba oferecem uma opção mais eficiente em termos energéticos em comparação com o sistema hidráulico tradicional servo proporcional controlado por válvula. Controlando diretamente a velocidade da bomba e o fluxo de óleo hidráulico de acordo com os requisitos reais de flexão, A tecnologia da servobomba pode reduzir as perdas por estrangulamento e melhorar a eficiência geral do óleo hidráulico.
De acordo com a análise de simulação JS RAGOS, O sistema controlado por servobomba consumia aproximadamente 65% menos energia por ciclo de flexão em comparação com o sistema controlado por servoválvula sob as mesmas condições de operação. Além disso, A redução da demanda de fluxo hidráulico ajuda a diminuir a geração de calor e a controlar melhor a temperatura do óleo hidráulico durante o trabalho contínuo da máquina.
Para fabricantes de chapa metálica com altos volumes de produção, Longas horas de funcionamento da máquina, e problemas energéticos crescentes, Freios de pressão controlados por bomba servo JS Ragos podem oferecer benefícios significativos a longo prazo.
A JS RAGOS está comprometida em desenvolver soluções de freio de pressão CNC e conformação inteligente de chapa metálica que economizam energia. Ao trazer tecnologia hidráulica avançada para a manufatura prática, ajudamos os clientes a alcançar uma produção mais eficiente e sustentável.
FAQ
Q1. O que é um freio de pressão CNC controlado por servobomba?
Freios de pressão CNC controlados por servobomba possuem com servomotores que controlam diretamente a velocidade hidráulica da bomba e o fluxo de saída. Compare com sistemas tradicionais controlados por válvula, Fornece energia hidráulica de acordo com os requisitos reais de flexão e economiza energia.
Q2. Quanta energia um servo-pump pump press brake pode economizar?
De acordo com os resultados da simulação JS RAGOS, O sistema controlado por servobomba consumia aproximadamente 65% menos energia por ciclo em comparação com um sistema hidráulico controlado por servoválvula sob as mesmas condições de operação.
Mas a real economia de energia é influenciada por muitos fatores, como a configuração das máquinas, Ciclo de produção, Condições de flexão, e horário de funcionamento, etc.
Q3. Qual a diferença entre um sistema de servobomba e um sistema hidráulico de servoválvula?
Um sistema servoválvula controla o fluxo hidráulico de óleo controlando a abertura e o fechamento da válvula, o que resultaria em perdas por estrangulamento e maior geração de calor.
Um sistema de servobomba controla o fluxo hidráulico regulando a velocidade da bomba, permitindo que a energia hidráulica seja fornecida apenas quando necessário. É mais amigável à eficiência energética, e temperatura do óleo hidráulico.
Q4. Freios de pressão CNC servo-pump são adequados para todos os fabricantes?
Freios de pressão CNC com servobomba são especialmente adequados para fabricantes de chapa metálica com grandes volumes de produção e longas horas de operação.
Para clientes com pouca utilização de máquinas ou que não têm orçamentos suficientes, Sistemas tradicionais controlados por válvula servo ainda poderiam ser uma opção adequada.
Q5. A tecnologia de servobomba pode melhorar o desempenho do freio de pressão CNC?
Sim. Sistemas de servobomba podem melhorar a eficiência da máquina ao proporcionar velocidade de trabalho mais rápida de aproximação e retorno e operação mais estável durante a produção contínua.
Q6. Um servo-pump CNC press brake vale a pena investir mais?
Sistemas de servobomba geralmente são mais caros do que sistemas servoválvulas, Mas podem oferecer melhores custos operacionais de longo prazo e retorno sobre o investimento devido ao menor consumo de energia e geração de calor.
