Warum brummt die eine Werkzeugmaschine präzise, während eine andere unvorhersehbar ruckelt? Die Antwort liegt in ihren hydraulischen Steuerungssystemen. In diesem Artikel werden die entscheidenden Unterschiede zwischen hydraulischen Steuerungssystemen mit offenem und geschlossenem Regelkreis untersucht und ihre unterschiedliche Rolle bei der Leistung von Werkzeugmaschinen aufgezeigt. Von der einfachen Richtungssteuerung bis hin zu ausgeklügelten Rückkopplungsmechanismen erfahren Sie, wie sich jedes System auf Präzision, Stabilität und Reaktionsfähigkeit auswirkt. Tauchen Sie ein in die Mechanik und finden Sie heraus, welches System Ihren Anforderungen an eine optimale Steuerung und Effizienz entspricht.
Das hydraulische Steuersystem setzt sich aus hydraulischen Steuerkomponenten und Messwertgebern zusammen. Zu diesen Komponenten gehören in der Regel hydraulische Steuerventile, Pumpen usw.
Die hydraulische Steuerungstechnik ist ein entscheidender Aspekt der automatischen Steuerungstechnik und ist bekannt für ihre einzigartigen Eigenschaften, ihre herausragenden Vorteile und ihre unverzichtbare Rolle.
Diese Technologie steht für die Integration von elektromechanischen Flüssigkeiten und wird in der elektrohydraulischen Steuerung demonstriert, die dynamische und negative Rückkopplungssysteme verwendet. Das hydraulische Steuersystem ist ein dynamisches System, das die mechanischen, elektrischen und hydraulische Systeme.
Die hydraulische Steuerungstechnik ist in verschiedenen Branchen weit verbreitet, z. B. im Maschinenbau, in der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrt, in der Waffenindustrie, in der Metallurgie, in der Schifffahrt, in der Medizintechnik und in anderen Bereichen.
Ebenso wie die elektromechanische Steuerung kann auch die hydraulische Steuerung in einen offenen und einen geschlossenen Regelkreis unterteilt werden.
Um den Unterschied zwischen den beiden zu verdeutlichen, werden wir die Steuerung der Werkzeugmaschinenbewegung als Beispiel verwenden.
Der Bewegungsbalken der Werkzeugmaschine ist ein gemeinsames Steuerungsobjekt und dient als Werkbankkörper der Werkzeugmaschine. Er ist auf der Schlittenführung des Werkzeugmaschinenkörpers montiert.
Verschiedene Werkzeugmaschinen haben unterschiedliche Leistungsanforderungen an den Bewegungsbalken. Der Bewegungsbalken der Flachschleifmaschine muss beispielsweise nur eine gleichmäßige horizontale Hin- und Herbewegung ausführen und benötigt keine präzise Steuerung seiner Verschiebung.
Auf der anderen Seite wird der Bewegungsbalken des NC-Bearbeitungszentrums oder der CNC-Fräsmaschine für die Präzisionsvorschubbewegung verwendet, und sein Bewegungsweg muss genau kontrolliert werden, um die richtige Bearbeitungsqualität zu gewährleisten.
Im Falle der elektrohydraulischen AbkantpresseDie Bewegungsstrecke des Stößels erfordert ebenfalls eine hohe Genauigkeit, um konstante Biegewinkel zu erhalten und reduzierte Biegeeffekte zu vermeiden.
Zum besseren Verständnis des Unterschieds zwischen offener und geschlossener hydraulischer Steuerung werden wir den Bewegungsbalken einer Werkzeugmaschine als Steuerungsobjekt verwenden und drei gängige hydraulische Steuersysteme mit elektromagnetischen Wegeventilen, elektromagnetischen Proportional-Wegeventilen und elektrohydraulischen Servoventilen als Hauptsteuerungskomponenten aufbauen.
Das hydraulische Steuerungsschema kann für den horizontalen, hin- und hergehenden Arbeitstisch einer typischen Flachschleifmaschine verwendet werden, wie in Abbildung 1.1 dargestellt.
Dieses hydraulische Steuersystem verwendet ein elektromagnetisches Wegeventil.
Ein elektromagnetisches Vier-Wege-Ventil mit drei Stellungen dient als Steuereinheit, und ein Wegschalter oder Näherungsschalter gibt Anweisungen. Ein elektrisches Relais bildet ein logisches Rechennetz.
Dieser Aufbau ermöglicht den logischen Betrieb des Steuersignals und die Leistungsverstärkung, wodurch ein ausreichender Elektromagnet zur Steuerung des elektromagnetischen Wegeventils erzeugt wird.
Der Ventileinsatz des elektromagnetischen Wegeventils hat drei Stellungen: links, Mitte und rechts, und er kann den Ölkreislaufunterbrecher und den Schalter steuern.
Jeder Ventilanschluss hat nur zwei Zustände, vollständig geöffnet und vollständig geschlossen, wodurch das elektromagnetische Wegeventil als elektromagnetisches hydraulisches Schaltventil klassifiziert wird.
Das elektromagnetische Wegeventil kann nur den Ölkreislauf starten und stoppen, um den beweglichen Balken zu steuern, aber es kann die Geschwindigkeit des beweglichen Balkens nicht einstellen.
Um die Geschwindigkeit des beweglichen Balkens zu regulieren, wird ein Drosselventil in das hydraulische Steuersystem eingebaut, das die Drosselsteuerung übernimmt.
Durch Einstellen der Ventilöffnung kann die Druckdifferenz der Drosselklappe reguliert werden, wodurch sich der Ölfluss zurück zum Tank und indirekt der Zu- und Abfluss des Hydrauliköls zum Hydraulikzylinder ändert, wodurch sich letztendlich die Geschwindigkeit des Balkens ändert.
Abb. 1.1 Schema für den Einsatz eines elektromagnetischen Wegeventils im Steuerungssystem
Die Geschwindigkeit des Hubbalkens kann nur über das Drosselventil und nicht über eine elektrische Steuerung geregelt werden. Dies führt zu plötzlichen Geschwindigkeitsänderungen und erheblichen Vibrationen des Balkens.
Das Prinzip des hydraulischen Steuersystems mit elektromagnetischem Wegeventil ist in Abbildung 1.2 dargestellt.
Das Steuersignal wird vom Fahrschalter erzeugt und ist eine logische Steuereinheit (0 oder 1).
Das Relais-Netzwerk führt eine logische Verknüpfung mit dem Steuersignal durch und verstärkt die Stromversorgung des entsprechenden Elektromagneten, wodurch der entsprechende Ventileinsatz in Bewegung gesetzt wird.
Dies führt dazu, dass die drei Positionen des Ventileinsatzes von links nach rechts wechseln und den hydraulischen Steuerstrom ausgeben, der den Hydraulikzylinder antreibt und den Bewegungsbalken der Werkzeugmaschine bewegt.
Abb.1.2 Schema für den Einsatz eines elektromagnetischen Wegeventil-Steuerungssystems
Das hydraulische Steuersystem, bestehend aus einem elektromagnetischen Wegeventil und Relais, kann nur einfache Steuerbefehle erzeugen.
Das Steuersignal ist unidirektional und fließt nur in der Vorwärtsrichtung des gesteuerten Objekts.
Bei dieser Steuerung handelt es sich um eine Steuerung mit offenem Regelkreis.
Die Reaktionszeit des Steuerbefehls an das kontrollierte Objekt hängt von der Reaktionszeit der einzelnen Komponenten im Signalübertragungsweg ab.
Da es sich jedoch um ein einfaches Steuerbefehlssignal handelt, besteht kein Problem damit, dass das Steuersystem das Ausgangsbefehlssignal nicht verfolgt.
Wenn ein Bauteil gestört ist und eine falsche Bewegung erzeugt, kann das System den Fehler nicht automatisch korrigieren oder ausgleichen.
Das elektromagnetische Proportional-Wegeventil ist ein leistungsstarkes, hochpreisiges elektromagnetisches Hydraulikventil.
Für die Steuerung von Bewegungsbalken, die eine höhere Leistung erfordern, wie z. B. numerisch gesteuerte Flachschleifmaschinen (bei denen eine präzise Steuerung der Verschiebung des Arbeitstisches nicht erforderlich ist), kann ein Proportionalmagnetventil als Steuereinheit verwendet werden, um ein stoß- und vibrationsarmes hydraulisches Steuersystem zu bilden, wie in Abbildung 1.3 dargestellt.
Abb.1.3 Schema für den Einsatz eines elektromagnetischen Proportional-Wegeventils im Steuerungssystem.
Das Proportional-Hydraulikventil verwendet ein elektrisches Signal, um den Ventileinsatz für eine schrittweise Bewegung zu steuern.
Um die schrittweise Änderung der Ventilöffnung zu steuern, können daher der Druckabfall und der Durchfluss des hydraulischen Proportionalventils angepasst werden, wodurch sich das Verhältnis zwischen Durchfluss und Steuersignalen ändert.
Die Programmsteuerung erzeugt elektrische Signale zur Steuerung des sich bewegenden Strahls, so dass die Geschwindigkeit der Strahlbewegung durch die schrittweise Änderung der elektrischen Signale gesteuert und angepasst werden kann. Dies führt zu einer sanften Änderung der Geschwindigkeit und Richtung der Bewegung des Strahls mit minimalen Auswirkungen.
Das Prinzip des hydraulischen Steuersystems mit dem proportionalen elektromagnetischen Wegeventil ist in Abbildung 1.4 dargestellt.
Das Steuersignal wird vom Programmregler erzeugt und ist ein analoges Steuersignal (elektrisches Dauersignal), das durch einen Proportionalverstärker verstärkt wird, um den entsprechenden Proportionalelektromagneten des Proportionalmagnetventils zu steuern.
Dies führt zu einem stufenlos einstellbaren Hubraum und einem sich ständig ändernden Hydraulikdruck zur Steuerung des Ölflusses und zum Antrieb des Ölzylinders, wodurch die Bewegung des Werkzeugmaschinenbalkens realisiert wird.
Beim hydraulischen Steuersystem mit elektromagnetischem Proportional-Wegeventil kann zwar ein Gradregler verwendet werden, um ein kontinuierliches Steuersignal für die Steigung auszugeben, aber das Steuersignal ist unidirektional und fließt nur in die Vorwärtsrichtung des gesteuerten Objekts. Es handelt sich um eine Steuerung mit offenem Regelkreis.
Das Befehlssystem kann ein kontinuierliches Gradientensignal senden, und der Systemausgang kann das Befehlssignal verfolgen, aber die Verfolgungsgenauigkeit ist gering, und die Reaktionsgeschwindigkeit ist langsam und abhängig von der Reaktionszeit der Signalübertragungskomponenten.
Durch Störungen verursachte Fehler können nicht automatisch kompensiert werden.
Abb.1.4 Schema für den Einsatz eines elektromagnetischen Proportional-Wegeventils im Steuerungssystem.
Die Bewegung des Arbeitstisches des NC-Bearbeitungszentrums ist ein kritischer Teil des Bearbeitungsprozesses, der hohe Präzision und schnelle Reaktionsgeschwindigkeit erfordert.
In diesem Fall wird eine elektrohydraulische Servosteuerung System verwendet werden, wobei ein elektrohydraulisches Servoventil als Steuereinheit dient.
Das elektrohydraulische Servoventil ist ein leistungsfähiges hydraulisches Steuergerät mit präziser Steuerung und schneller Reaktionsgeschwindigkeit, aber es ist teuer.
Das elektrohydraulische Servoventil wird häufig in elektrohydraulischen Regelsystemen eingesetzt, bei denen das geregelte Objekt vorübergehend im offenen Regelbetrieb gefahren werden kann.
Das hydraulische Steuersystem für den Bewegungsbalken der Werkzeugmaschine unter Verwendung eines elektrohydraulischen Servoventils ist in Abbildung 1.5 dargestellt.
Die Werkzeugmaschine ist mit einem Wegsensor ausgestattet, der die Position des beweglichen Balkens erfasst, ein Positionsspannungssignal erzeugt und das Signal nach Verstärkung in das elektronische Steuergerät einspeist.
Abb.1.5 Schema für den Einsatz eines elektrohydraulischen Servoventils in einem Steuersystem.
Die Steuereinrichtung vergleicht das Positionsspannungssignal des aktuellen Werkzeugmaschinenbalkens mit dem Steuerspannungssignal, um das Abweichungsspannungssignal zu erzeugen.
Das Abweichungssignal ist eine analoge Dauerspannung, die genau und in Echtzeit die Differenz zwischen der Position des Werkzeugmaschinenbalkens und der Steueranweisung (der gewünschten Position des Balkens) wiedergibt.
Das Abweichungssignal wird durch den Proportionalverstärker verstärkt und steuert die Verstellung des Torquemotors im elektrohydraulischen Servoventil und den hochpräzisen, hochdynamischen Regelventilkern.
Dieser erzeugt den erforderlichen Hydraulikfluss und -druck, um die Bewegung der Hydraulikzylinder anzutreiben und den Träger der Werkzeugmaschine zu bewegen.
Die Bewegung des Balkens wird vom Wegsensor erfasst und an das elektronische Steuergerät weitergeleitet, wodurch ein Regelungssignal entsteht. Dieses Steuersystem wird als "closed-loop control" bezeichnet.
Der oben beschriebene Kontrollprozess ist in Abbildung 1.6 dargestellt.
Das System ist ein geschlossener Regelkreis.
In einem hydraulischen Regelkreis gibt es nicht nur die Vorwärtsregelwirkung des Reglers auf das geregelte Objekt, sondern auch eine Rückwirkung vom geregelten Objekt auf den Regler.
Das geschlossene Regelsystem zeichnet sich durch hohe Präzision, schnelle Dynamik und automatische Kompensation von externen Störungen aus.
Abb.1.6 Schema für den Einsatz eines elektrohydraulischen Servoventils in einem Steuersystem.
Die hydraulische Steuerung mit offenem Regelkreis und die hydraulische Steuerung mit geschlossenem Regelkreis sind zwei grundlegende Steuerungsmethoden der hydraulischen Steuerung.
1. Hydraulische Steuerung mit offenem Regelkreis.
Das Steuerungssystem, das sowohl herkömmliche Hydraulikventile als auch Proportionalhydraulikventile verwendet, weist erhebliche technische Überschneidungen mit dem hydraulische Kraftübertragung System, da sie oft ähnliche Arten von Hydraulikkomponenten und -kreisen verwenden.
Die Leistung des hydraulischen Steuerungssystems hängt weitgehend von der Leistung der hydraulischen Komponenten ab.
Die Genauigkeit des Open-Loop-Systems wird von der Genauigkeit der einzelnen Komponenten beeinflusst, und die Reaktion des Systems ist direkt mit der Reaktion der einzelnen Komponenten verbunden.
Das hydraulische Steuersystem mit offenem Regelkreis kann Änderungen der Systemleistung, die sich aus externen Störungen oder internen Parameterschwankungen ergeben, nicht steuern oder kompensieren.
Das hydraulische Steuersystem mit offenem Regelkreis ist einfach aufgebaut und erfordert Stabilität, so dass Systemanalyse, Entwurf und Installation relativ einfach sind. Außerdem kann es von den Erfahrungen und dem Wissen aus der Hydraulik profitieren Übertragungssystem Entwurf.
Der Hauptunterschied zwischen dem hydraulischen Steuerungssystem und dem hydraulischen Übertragungssystem liegt in ihrem Schwerpunkt. Das hydraulische Steuersystem mit offenem Regelkreis wird in der Regel unter Bedingungen eingesetzt, die eine Steuerung mit geringer Genauigkeit, minimale externe Störungen und kleine Änderungen der internen Parameter erfordern und eine langsame Reaktionszeit zulassen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es sich bei der hydraulischen Steuerung mit offenem Regelkreis um eine einfache, nicht rückgekoppelte Regelungsmethode handelt. Der Regler hat nur die Kontrolle über die eine Richtung des geregelten Objekts, und es gibt keine umgekehrte Wirkung vom geregelten Objekt auf den Regler. Durch Störungen verursachte Fehler können nicht automatisch kompensiert werden.
Aufgrund der geringen Genauigkeit und des langsamen Ansprechverhaltens der Steuerung ist es im Allgemeinen nicht empfehlenswert, ein Servoventil, das hohe Anforderungen an die Arbeitsbedingungen stellt und sehr teuer und leistungsfähig ist, für den Aufbau einer Steuerung zu verwenden.
2. Hydraulische Steuerung im geschlossenen Kreislauf.
Bei der hydraulischen Regelung wird häufig ein elektrohydraulisches Servoventil oder ein Direktantriebsventil (DDV) als Steuereinheit verwendet.
Elektrohydraulische Servoventile und Direktantriebsventile sind leistungsstarke hydraulische Steuerungskomponenten mit geschlossenem Regelkreis, die eine hohe Präzision und schnelle Reaktionszeiten ermöglichen.
Die hydraulische Regelung wird auch als hydraulische Rückkopplungsregelung bezeichnet, die nach dem Prinzip der Rückkopplung arbeitet.
Das Grundkonzept der Rückkopplungssteuerung besteht darin, Abweichungen durch den Einsatz von Abweichung zu beseitigen oder zu verringern.
Die Rückkopplungssteuerung funktioniert durch den Vergleich von Informationen über das kontrollierte Objekt, die von der Rückkopplungseinheit erfasst werden, mit den Steueranweisungen von der Systemanweisungseinheit und erzeugt ein Abweichungssignal.
Dieses Abweichungssignal wird verstärkt und zur Ansteuerung eines leistungsstarken hydraulischen Steuerventils verwendet, das wiederum den hydraulischen Stellantrieb und das zu steuernde Objekt steuert.
Die Hydrauliksteuerung mit geschlossenem Regelkreis bildet einen geschlossenen Kreislauf und ist daher komplizierter zu analysieren, zu entwerfen und in Betrieb zu nehmen als Systeme mit offenem Regelkreis. Die hohe Regelgenauigkeit und die hohe Störsicherheit machen es jedoch zu einer lohnenden Investition.
Der geschlossene Regelkreis (Rückkopplungsverfahren) ermöglicht den Aufbau eines Steuersystems mit hoher Präzision und Störsicherheit, auch wenn die verwendeten hydraulischen Komponenten eine geringere Präzision und schwächere Störsicherheit aufweisen.
Darüber hinaus können vorhandene hydraulische Komponenten genutzt werden, um eine bessere Leistung des Steuersystems und bessere Regeleffekte durch eine Regelung zu erzielen.
Die Regelung mit Rückkopplung bietet Vorteile, die mit einer offenen Regelung nicht erreicht werden können.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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