Freno de presión CNC controlado por servobomba: Análisis de consumo energético
Por autor: Mark Hanks
El consumo energético es un tema importante a la hora de elegir frenos de presión CNC. Los frenos de presión electrohidráulicos tradicionales utilizan válvulas servo proporcionales para controlar el movimiento de la viga superior, pero las pérdidas en la estructura electrohidráulica en esta competencia energética causadas por el acelerador y el desbordamiento reducen la eficiencia general.
Un freno de presión CNC controlado por servobomba con servomotores de velocidad variable puede controlar directamente el flujo hidráulico y la presión según diferentes requisitos de flexión. Este sistema avanzado puede reducir el consumo innecesario de energía, mejorar la eficiencia hidráulica y proporcionar una mejor estabilidad térmica.
Este artículo explicará la comparación entre los sistemas hidráulicos de servobomba y servoválvula mediante análisis de simulación y explicará por qué la tecnología de servobomba se está convirtiendo en una buena opción para el conformado de chapa metálica de bajo consumo.
¿Qué es un freno de presión CNC controlado por una bomba de servos?
Un freno de presión CNC con tecnología de servobomba utiliza un innovador sistema de control de movimiento del ramo del freno de presión dentro de su sistema hidráulico. Dentro de este sistema, un servomotor es responsable de accionar la bomba hidráulica.
Una diferencia significativa entre un freno de presión controlado por un sistema tradicional de válvulas proporcionales servo y un sistema servo de bomba es el método para controlar un flujo excesivo de aceite hidráulico. El servo de la bomba modifica la salida de aceite hidráulico según las demandas del sistema para un ciclo de flexión específico, lo que reduce las pérdidas por aceleración.
A medida que los fabricantes se preocupan cada vez más por la energía demandada por los procesos de producción y los costes de operar una máquina, el foco se centra en la optimización del proceso productivo. Es probable que en un futuro próximo se logren sistemas hidráulicos de freno de presión CNC más eficientes utilizando estrategias de control más inteligentes, como la tecnología de control por servobomba.
1. ¿Cómo funciona un sistema hidráulico de servobomba?
El esquema hidráulico del freno de presión CNC controlado por servobomba se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Esquema hidráulico de un freno de prensa CNC controlado por servobomba
El proceso operativo del sistema controlado por servobomba consta de cinco etapas:
Etapa de Aproximación Rápida
Los servomotores 1M/2M accionan la bomba bidireccional de desplazamiento fijo (3) en rotación hacia adelante, suministrando aceite a la cámara sin varilla del cilindro hidráulico (12). Al mismo tiempo, se abre la válvula de llenado (11), permitiendo que salga más aceite del depósito de llenado para aumentar el flujo del cilindro. El ram se mueve hacia abajo rápidamente, con la velocidad de aproximación controlada por la velocidad del servomotor.
Etapa de alimentación operativa
Cuando la herramienta de flexión contacta la pieza, la válvula de llenado se cierra. El aceite hidráulico es suministrado únicamente por la bomba, permitiendo que la presión se acumule dentro del cilindro. La velocidad de avance de trabajo se controla con precisión por la velocidad de rotación del servomotor.
Escenario Dwell
Una vez que el ariete alcanza el punto muerto inferior, la bomba servo deja de girar. El sistema mantiene la presión para reducir la deformación de retroceso tras la flexión.
Etapa de alivio de presión
En esta etapa, la dirección de la bomba cambia bajo el control de los servomotores, y se suministra aceite a la cámara de la varilla. El ariete se mueve lentamente hacia arriba bajo control CNC.
Etapa de Retorno
La servobomba sigue funcionando en sentido contrario. La válvula de llenado se abre para permitir que el aceite de la cámara sin varilla regrese al depósito de llenado. La velocidad de retorno está regulada por la velocidad del servomotor.
Comparación de sistemas hidráulicos entre servobomba y servoválvula
| Artículo de comparación | Sistema controlado por válvula servo | Sistema controlado por servobomba |
| Principio de control | Utiliza válvulas servo y válvulas proporcionales para regular el flujo y la presión hidráulica | Utiliza bombas de desplazamiento variable accionadas por servomotores para controlar directamente el flujo de salida |
| Velocidad de respuesta | Respuesta muy rápida (típicamente 5–50 ms), adecuada para control dinámico a alta velocidad | Respuesta más lenta debido a la inercia de la bomba (típicamente 100–500 ms), pero suficiente para aplicaciones de frenos de presión CNC |
| Eficiencia energética | Menor eficiencia debido a pérdidas por estrangulamiento y desbordamiento; Más generación de calor | Mayor eficiencia porque la potencia hidráulica se suministra según la demanda real; reduce el consumo innecesario de energía |
| Generación de calor | Genera más calor hidráulico, lo que a menudo requiere sistemas de refrigeración más grandes | Genera menos calor, mejorando la estabilidad de la temperatura del aceite hidráulico y reduciendo los requisitos de refrigeración |
| Precisión de control | Excelente precisión en la posición, velocidad y control de presión | Alta precisión estática con un rendimiento de seguimiento dinámico ligeramente inferior |
| Coste del sistema | Menor coste de componentes, tecnología madura, mantenimiento más fácil | Mayor inversión inicial debido a servomotores y bombas variables |
| Complejidad del sistema | Estructura hidráulica más sencilla con componentes de válvula estandarizados | Sistema de circuito cerrado más complejo con servobombas, electrónica de control y componentes hidráulicos adicionales |
| Protección contra sobrecargas | Alivio rápido de presión a través de válvulas de seguridad, proporcionando una protección sensible contra sobrecargas | Se basa principalmente en la limitación de potencia de la bomba, con una respuesta de sobrecarga más lenta |
| Nivel de ruido | Mayor ruido de conmutación de válvulas y fluctuaciones de presión | Funcionamiento más suave con menor ruido hidráulico |
Como se explica en la tabla comparativa anterior, la principal diferencia entre los sistemas hidráulicos de servobomba y servoválvula es la distinta forma de controlar el flujo de aceite hidráulico. Un sistema de servobomba controla la velocidad de la bomba según el caudal requerido, lo que es muy útil para reducir las pérdidas por limitación y el consumo innecesario de energía. En continuaciónRARY, los sistemas de válvulas servo regulan el flujo hidráulico a través de la apertura y cierre de la válvula, lo que genera pérdidas hidráulicas adicionales durante la operación.
Sistema controlado por válvulas (control de limitación)
En un sistema hidráulico controlado por válvula, la bomba mantiene una presión y un flujo constante de aceite. Una válvula proporcional permite un control completo del flujo hacia el cilindro hidráulico.
En estas condiciones, la presión y el caudal superiores a los requeridos por la carga se eliminan mediante la regulación en la válvula o se descargan a través de una válvula de alivio. Esto convierte el exceso de energía hidráulica en calor y provoca pérdida de energía.
Analogía: el suministro de agua está completamente abierto, mientras que el flujo se controla bloqueando parcialmente la salida de la tubería con una válvula de parada. La presión excesiva del agua se desperdicia. Estos sistemas casi siempre utilizan un circuito hidráulico abierto.
Sistema controlado por bomba (control volumétrico)
En un sistema hidráulico controlado por bomba, el movimiento de los actuadores se controla ajustando el desplazamiento o la velocidad de una bomba de desplazamiento variable, permitiendo que el sistema proporcione el caudal y la presión exigidos por la carga y sufra pérdidas mínimas por estrangulamiento.
En este sistema, la salida de la bomba es exactamente el flujo necesario por el actuador, lo que prácticamente no genera desbordamiento y resulta en casi ninguna regulación ni pérdidas de calor.
Analogía: un sistema así es muy similar a un sistema de agua controlado por bomba, bomba de agua de velocidad variable, que no desperdicia presión excesiva. Estos sistemas casi siempre están diseñados como circuitos hidráulicos cerrados, utilizando una bomba de desplazamiento variable con un motor de desplazamiento fijo o cilindro hidráulico.
2. Análisis de consumo de energía de frenos de prensa CNC
2.1 Configuración y secuencia de funcionamiento del modelo
Se estableció un modelo de simulación de un sistema hidráulico de freno de prensa CNC controlado por válvulas, como se muestra en Figura 2, y el modelo del sistema hidráulico controlado por bomba del freno de presión CNC, como se muestra en Figura 3. Los parámetros operativos de ambos sistemas se enumeran en la Tabla 1.
Figura 2 Modelo de simulación del sistema hidráulico controlado por válvulas para el freno de prensa
Figura 3. Modelo de simulación del sistema hidráulico controlado por bomba para el freno de presión
Tabla 1. Especificaciones de tiempo de acción y velocidad
| Acción | Aproximación rápida | Alimentación de Trabajo | Dwell | Alivio de presión | Golpe de retorno |
| Tiempo(s) controlado por válvulas | 1.5 | 2 | 1.5 | 1.5 | 2 |
| Velocidad (mm/s) | 90 | 8.5 | 0 | 0 | 75 |
| Tiempo(s) controlado por la bomba | 0.75 | 2 | 1.5 | 1.5 | 1 |
| Velocidad (mm/s) | 180 | 8.5 | 0 | 0 | 150 |
El sistema controlado por servobomba utiliza un servomotor para regular directamente la velocidad y el flujo de la bomba. Los servomotores tienen ventajas sobre los motores tradicionales de velocidad fija, con respuestas rápidas y altas velocidades de rotación que, en última instancia, acortan el tiempo de aproximación y retorno.
Para realizar una evaluación adecuada, ambos sistemas se configuraron con los mismos parámetros hidráulicos. Los ajustes principales se muestran en la Tabla 2.
Tabla 2. Configuración de parámetros clave
| Componente / Sistema | Parámetro | Valor |
| Cilindro hidráulico (ambos sistemas) | Diámetro del diámetro | 170 mm |
| Diámetro de la varilla | 160 mm | |
| Golpe | 200 mm | |
| Sistema controlado por válvulas | Desplazamiento de la bomba | 16 cc/rpm |
| Velocidad del motor | 1450 revoluciones/min | |
| Sistema controlado por bomba | Desplazamiento bidireccional de la bomba | 16 cc/rpm |
| Ambos sistemas | Fuerza de carga | 625.000 N (por cara) |
| Sistema controlado por válvulas | Corriente nominal para la válvula servo | 40 mA |
| Frecuencia natural de la válvula servo | 80 Hz |
Para el sistema controlado por válvulas, la apertura de la válvula servo se ajustaba mediante señales de corriente de entrada para alcanzar las velocidades requeridas del cilindro. Las válvulas direccionales y de llenado se controlaban según la secuencia de operación. La curva de tiempo de desplazamiento del pistón se muestra en la Figura 4.
Figura 4. Desplazamiento del pistón del cilindro hidráulico frente a la curva temporal
Para el sistema controlado por bomba, el servomotor controlaba la velocidad del flujo y dirección de salida de la bomba. El funcionamiento de la válvula de llenado se controlaba mediante conmutación direccional de válvula, y la curva de desplazamiento resultante también se muestra en la Figura 4.
2.2 ¿Cuánta energía puede ahorrar un servo pump CNC press brake?
El sistema controlado por servobomba reduce el tiempo de ciclo al aumentar la velocidad de las etapas de aproximación rápida y carrera de retorno. El tamaño del paso de simulación se estableció a 0,001 s, con tiempos totales de simulación de 8,5 s para el sistema controlado por válvula y 6,75 s para el sistema controlado por bomba.
Los datos de presión y flujo de la bomba bidireccional se exportaron a MATLAB para calcular el consumo de energía. Las curvas de potencia-tiempo se muestran en la Figura 5.
Figura 5. Curvas de Potencia vs. Tiempo
Durante las etapas de alimentación y retorno de funcionamento, el sistema controlado por servobomba mostraba una mayor potencia instantánea porque la energía se suministraba directamente al actuador. En cambio, los sistemas controlados por válvulas sufren pérdidas hidráulicas adicionales causadas por el aceleramiento y el desbordamiento.
La integración numérica de MATLAB mostró que:
• Sistema controlado por servobomba: aproximadamente 43,69 kJ por ciclo
• Sistema controlado por válvulas: aproximadamente 124,9 kJ por ciclo
Por lo tanto, bajo las mismas condiciones de funcionamiento, el sistema controlado por servobomba consumía aproximadamente un 65% menos de energía que el sistema controlado por válvula.
2.3 Reducción del flujo hidráulico de aceite y beneficios en temperatura
Las curvas totales de flujo hidráulico de aceite obtenidas de la simulación JS Ragos se muestran en la Figura 6.
Figura 6. Caudal total frente a curvas temporales
La demanda de volumen de aceite se calculaba integrando el caudal de la salida de la bomba y la válvula de llenado durante la etapa de aproximación rápida.
A partir de los resultados de la simulación, encontramos
• Sistema controlado por bomba servo: ~ 7,53 L
• Sistema controlado por válvulas: ~ 10,243 L
Durante el mismo ciclo de funcionamiento, el sistema controlado por la bomba servo requería ~ un 26% menos de volumen de flujo de aceite hidráulico.
¿Qué tipo de clientes son adecuados para frenos de presión CNC controlados por servobomba?
En comparación con los sistemas tradicionales, la tecnología de control de bombas ha aumentado la eficiencia energética, reducido las pérdidas hidráulicas y mejorado la estabilidad térmica. Sin embargo, el uso de servomotores de accionamiento directo, bombas de desplazamiento variable y controles avanzados conlleva un precio más alto en comparación con los sistemas tradicionales.
Debido al precio, la tecnología de control de bombas no es ideal para todos los entornos de fabricación. Sin embargo, es especialmente ideal para estos entornos de fabricación:
1. Fabricantes de alto volumen con largas horas de funcionamiento
En la fabricación de chapa metálica, el coste energético contribuye en gran medida al coste total de fabricación cuando la planta de producción funciona durante largas horas.
En los sistemas tradicionales controlados por servoválvula, la energía hidráulica se convierte en calor durante el proceso, y esta pérdida de energía es una forma de pérdida por estrangulamiento.
A diferencia de los sistemas tradicionales, un sistema de control basado en la tecnología de servobomba controla la salida de la bomba para satisfacer la demanda de cada operación de flexión. Este sistema está diseñado para suministrar la energía hidráulica necesaria para cada operación y así minimizar el consumo energético durante una producción prolongada.
La tecnología de control de bombas es ideal para las siguientes industrias:
Fabricación de componentes automotrices
Producción de armarios eléctricos de alto volumen
Fabricación de chapa metálica para grandes electrodomésticos
Fabricación de metales de alto volumen
2. Fabricantes preocupados por el aumento de los costes energéticos
El aumento de los precios de la electricidad en la industria implica mayores costes operativos. Esta situación ha obligado a los fabricantes a considerar los costes operativos al adquirir nueva tecnología de fabricación.
En este contexto, la tecnología de control de bombas ofrece una ventaja competitiva para los fabricantes ubicados en países con mayores costes eléctricos, o para aquellos que desean reducir su huella de carbono.
3. Entornos de producción estabilizados mediante control de temperatura del fluido hidráulico
Los sistemas hidráulicos clásicos son menos eficientes debido a las pérdidas por limitación, que generan calor innecesario. Esto puede provocar efectos negativos considerables en el sistema hidráulico durante largos tramos de operación a alta velocidad.
- Temperaturas elevadas del fluido hidráulico
- Degradación del fluido hidráulico
- Deterioro de juntas tóricas y sellos
- Reducción de la estabilidad del sistema
Los sistemas de servobomba, al eliminar pérdidas de energía, están diseñados para generar menos calor y funcionar con mayor estabilidad en las temperaturas del fluido hidráulico.
Por ello, son más adecuados para
- Actividades de producción en entornos de alta temperatura
- Operación continua de maquinaria de flexión en instalaciones de producción 24/7
- Líneas de producción que requieren alta estabilidad de equipos
4. Empresas centradas en el valor de su inversión
El precio de compra de un sistema controlado por bomba suele ser superior al de un sistema controlado por válvula. Sin embargo, el primero está diseñado para producir beneficios importantes a largo plazo que compensan esencialmente el mayor coste inicial, incluyendo:
- Reducción de la pérdida de energía hidráulica
- Disminución del calentamiento del sistema
- Reducción de la demanda de refrigeración
- Mejora de la estabilidad de las condiciones de funcionamiento de los componentes hidráulicos
Estos beneficios conducen a menores costes globales del sistema y a un mantenimiento reducido durante la vida útil del sistema hidráulico.
Para los fabricantes centrados en la producción a largo plazo de sus frenos de presión, la tecnología controlada por bomba es un sistema más cómodo.
5. Empresas manufactureras altamente automatizadas
Los requisitos de las líneas de producción automatizadas modernas incluyen:
- Operación de maquinaria altamente estable
- Un alto grado de repetibilidad
- Producción que sea extendida y, idealmente, continua
Las técnicas de producción automatizadas que utilizan sistemas de control por servobomba de alta estabilidad hidráulica son especialmente adecuadas para los ya típicos sistemas de producción altamente automatizados que incorporan frenos de presión robóticos y células de flexión automatizadas.
Ventajas de la tecnología de la bomba servo
1. Aumento de velocidad
El tiempo de respuesta de un motor asincrónico accionado por un accionamiento de frecuencia variable es de unos 600 ms. En cambio, con motores síncronos de imanes permanentes y servoaccionamientos, el sistema puede alcanzar un tiempo de respuesta de 50 ms.
2. Control mejorado
Con un sistema de control de bomba servomotor, se implementa un sistema de control en lazo cerrado. Los valores ordenados se comparan continuamente con los valores reales mediante sensores de velocidad y presión.
El sistema de control ajusta automáticamente el servomotor y el sistema de bomba para un control óptimo de la presión, el flujo y el movimiento.
3. Reducción del consumo energético
Dado que un sistema de control de bomba con servomotor está diseñado para ser un sistema de control de velocidad variable, el servomotor puede ajustar su velocidad a las demandas de flujo del sistema. Por lo tanto, cuando el sistema funciona a baja velocidad, el consumo energético del sistema disminuye.
En diferentes configuraciones de máquinas y condiciones operativas, el ahorro energético puede estar entre el 30% y el 80%.
4. Sistema hidráulico integradom
Un sistema de control de bomba servomotor permite que una bomba de desplazamiento fijo proporcione una salida proporcional. Esto reduce la necesidad de muchos componentes del sistema y, por tanto, proporciona un sistema más simplificado.
El sistema reduce el desbordamiento continuo a alta presión y baja la temperatura del aceite hidráulico, lo que prolonga la vida útil de todo el sistema hidráulico.
5. Nivel de ruido reducido y alta compatibilidad ambiental
La función de control de velocidad de un sistema de control de bomba con servomotor significa que el nivel de ruido del sistema solo es tan alto como la demanda operativa actual.
El nivel de ruido típico puede ser entre 8 y 10 dB inferior al de un sistema hidráulico estándar, lo que mejora considerablemente el entorno acústico del taller.
Conclusión
Los frenos de presión CNC controlados por servobomba ofrecen una opción más eficiente energéticamente en comparación con el sistema hidráulico servo proporcional controlado por válvulas. Al controlar directamente la velocidad de la bomba y el flujo de aceite hidráulico según los requisitos reales de flexión, la tecnología de servobomba puede reducir las pérdidas por aceleración y mejorar la eficiencia general del aceite hidráulico.
Según el análisis de simulación JS RAGOS, el sistema controlado por servobomba consumía aproximadamente un 65% menos de energía por ciclo de flexión en comparación con el sistema controlado por servoválvula bajo las mismas condiciones de funcionamiento. Además, la menor demanda de flujo hidráulico ayuda a disminuir la generación de calor y a controlar mejor la temperatura del aceite hidráulico durante el trabajo continuo de la máquina.
Para fabricantes de chapa metálica con altos volúmenes de producción, largas jornadas de funcionamiento de la máquina y crecientes problemas energéticos, los frenos de presión controlados por servobomba JS Ragos pueden ofrecer beneficios significativos a largo plazo.
JS RAGOS está comprometida con el desarrollo de soluciones de freno de presión CNC y conformado inteligente de chapa metálica que ahorren energía. Al llevar la tecnología hidráulica avanzada a la fabricación práctica, ayudamos a los clientes a lograr una producción más eficiente y sostenible.
Preguntas más frecuentes
P1. ¿Qué es un freno de presión CNC controlado por servobomba?
SFreno de presión CNC controlado por bomba Ervos característica con Los servomotores controlan directamenteLingVelocidad de la bomba hidráulica y caudal de salida. Compárese conSistemas tradicionales controlados por válvulas, suministra energía hidráulica según los requisitos reales de flexióny Guardarenergía.
P2. ¿Cuánta energía puede ahorrar un servo bomba CNC de freno de presión?
Según los resultados de la simulación JS RAGOS, el sistema controlado por servobomba consumía aproximadamente un 65% menos de energía por ciclo en comparación con un sistema hidráulico controlado por servoválvula Igualcondiciones de funcionamiento.
Pero lo realAhorro energético están influenciados por muchos factores comoConfiguración de la máquina, ciclo de producción, condiciones de flexión y horarios de funcionamiento, etcétera.
P3. ¿Qué?sLa diferencia entre una bomba servo sistema ¿Y un sistema hidráulico de servoválvula?
Un sistema de servoválvulas controla la hidráulica Petróleo Flujo por ControlApertura de válvulasy cierre, que would resultado enPérdidas por limitación y Más altogeneración de calor.
Un sistema de servobomba controla hidráulico Flujo por Regulaciónvelocidad de la bomba, permitiendo suministrar energía hidráulica solo cuando fuera necesaria. Es más amigable con la energía eficacia, yAceite hidráulico Temperatura.
P4. ¿Son adecuados los frenos de presión CNC con servobomba para todos los fabricantes?
Los frenos de presión CNC con servobomba son especialmente adecuados parachapa metálica Fabricadors con altos volúmenes de producciónyLargas horas de funcionamiento.
Para clientes con no muy altoUtilización de máquinas o quién Don’No tengo suficientes presupuestos, sistemas tradicionales controlados por válvula servo podríaSigue siendo una opción adecuada.
P5. ¿Puede la tecnología de servobomba mejorar el rendimiento del freno de presión CNC?
Sí. Los sistemas de servobomba pueden mejorar la eficiencia de la máquina al proporcionar un acceso y retorno más rápidos Velocidad de trabajoy un funcionamiento más estable durante la producción continua.
P6. ¿Vale la pena invertir un servo-pump CNC press brake?
Los sistemas de servobomba suelen ser más caros que los sistemas de servoválvulas, pero pueden ofrecer mejores costes operativos a largo plazo y retorno de la inversión debido a su menor consumo energético y generación de calor.
