Controle automático: Um guia abrangente

I. Visão geral

1. Controle automático

O controle automático é o processo de usar dispositivos ou equipamentos adicionais (dispositivos de controle) para fazer com que máquinas, equipamentos ou processos de produção (objetos controlados) operem automaticamente de acordo com regras predeterminadas em termos de determinados estados ou parâmetros de trabalho (variáveis controladas) sem intervenção humana direta.

Por exemplo, tornos CNC que cortam automaticamente de acordo com programas predeterminados ou satélites artificiais que entram com precisão em órbitas predeterminadas e são recuperados. A automação é essencialmente a regulação e o controle automáticos de máquinas ou equipamentos.

Um sistema de controle automático refere-se a um sistema que pode controlar automaticamente o estado de funcionamento de um objeto controlado. É uma combinação do objeto controlado e dos dispositivos ou componentes envolvidos na realização do controle automático de suas variáveis controladas, geralmente consistindo em dispositivos de controle e objetos controlados.

Na figura ao lado, a boia transmite a altura do nível de água para a válvula, e a válvula abre ou fecha de acordo com a altura do nível de água. O nível de água desejado pode ser ajustado alterando-se o valor definido.

Por meio do processo de feedback contínuo do estado real (altura do nível de água), ele é constantemente ajustado de acordo com o estado real até que o estado desejado (estado definido = altura desejada do nível de água) seja alcançado.

Com a ajuda de dispositivos de controle e regulagem, agora é possível automatizar o processo de usinagem de peças de trabalho (como blocos de cilindros de motores) que exigem centenas de operações em várias máquinas-ferramentas dispostas sequencialmente. Muitas operações são controladas e algumas operações principais são reguladas. Entretanto, até mesmo uma simples operação de cópia em um torno pode ser considerada um processo de trabalho controlado.

2. Métodos de controle

(1) Controle de malha aberta

A variável controlada (saída) do sistema é controlada apenas pela ação de controle, e o método de controle não pode produzir nenhuma influência. Os sistemas que usam controle de malha aberta são chamados de sistemas de controle de malha aberta.

Vantagens: Estrutura simples, baixo custo, fácil de implementar.

Desvantagens: Sem capacidade de suprimir distúrbios, baixa precisão de controle.

(2) Controle de malha fechada

Um método de controle em que há feedback negativo entre a variável controlada do sistema (saída) e a ação de controle. Os sistemas que usam controle de malha fechada são chamados de sistemas de controle de malha fechada ou sistemas de controle de feedback. O controle de loop fechado é a regra básica para todo o controle biológico de seus próprios movimentos. Os próprios seres humanos são sistemas de controle de loop fechado altamente complexos com recursos de controle avançados.

Vantagens: Capacidade de compensar automaticamente os erros (desvios) do sistema causados por distúrbios internos e externos, melhorando, assim, a precisão do sistema.

Desvantagens: Os parâmetros do sistema devem ser selecionados adequadamente, caso contrário, ele pode não funcionar corretamente.

(3) Controle composto

Um método de controle que combina controle de malha aberta e malha fechada. Ele se baseia em um loop de controle de loop fechado com um caminho de alimentação adicional para sinais de entrada ou sinais de distúrbio para melhorar a precisão do controle do sistema. O caminho de avanço geralmente consiste em compensadores para compensação do sinal de entrada e compensação do sinal de distúrbio.

Vantagens: Alta precisão de controle, pode suprimir quase todos os distúrbios mensuráveis.

Desvantagens: Os parâmetros do compensador exigem alta estabilidade.

3. Conceito de diagramas de blocos

• Blocos - Os dispositivos de controle e os objetos controlados são representados por blocos.
• Linhas de sinal - As entradas e saídas dos blocos e suas conexões são representadas por linhas de sinal com setas.
• Sinal de entrada - O sinal que entra em um bloco.
• Sinal de saída - O sinal que sai de um bloco.

Diagrama de blocos do sistema de controle de malha aberta:

Diagrama de blocos do sistema de controle de malha fechada:

4. Classificação dos sistemas de controle automático

Há vários métodos de classificação para sistemas de controle automático, conforme mostrado na tabela abaixo.

Classificação dos sistemas de controle automático

II. Sistemas de controle servo

Um sistema servo é um sistema de controle automático que permite que as variáveis controladas de saída, como posição, orientação e estado de um objeto, sigam mudanças arbitrárias no alvo de entrada (ou valor definido).

Sua principal tarefa é amplificar, transformar e regular a potência de acordo com os comandos de controle, tornando o controle de torque, velocidade e posição do dispositivo de acionamento muito flexível e conveniente. Os vários tipos comuns de servocontrole são os seguintes.

Um aplicativo típico de controles de servo são o torneamento de cópias. Existem tornos especialmente projetados para esse processo. A ferramenta entra em contato com a peça de trabalho por cima ou por trás para garantir a remoção desobstruída dos cavacos.

1. Servo controle mecânico

À medida que o carro avança continuamente, um sensor (unidade de sinal) se move ao longo de um modelo ou amostra padrão. Por meio de uma conexão rígida entre o sensor e a ferramenta, a ferramenta é forçada a se mover ao longo da mesma trajetória, e a peça de trabalho é usinada de acordo com o modelo. O sensor deve ser pressionado contra o modelo pelo 反向力 da ferramenta.

2. Controle de servo elétrico

Aqui, o carro longitudinal também alimenta continuamente. Se o sensor não entrar em contato com o gabarito, o contato KI na caixa do sensor se fecha automaticamente.

A embreagem KI opera por meio de um relé (unidade de controle) e um contator (atuador), de modo que o motor aciona o carro da ferramenta em direção à peça de trabalho até que o sensor entre em contato com o gabarito. Nesse momento, o contato KII se fecha e o motor aciona o carro da ferramenta de volta até que o sensor saia do gabarito.

3. Servo controle hidráulico

Esse dispositivo de cópia pode ser acoplado a um torno. Sua vantagem é a maior precisão de cópia.

4. Servo controle eletro-hidráulico

Nesse dispositivo, o contorno do modelo é detectado por um estilete ou sensor, e o sinal de pulso é amplificado em um tubo eletrônico.

Ao receber esse sinal, o eletroímã ativa a válvula de controle hidráulico em menos de 1 segundo, iniciando um processo de controle que direciona imediatamente um poderoso fluxo de óleo para o pistão hidráulico. Após um curto tempo de conversão, obtém-se uma precisão de cópia muito alta.

Se a agulha não entrar em contato com o modelo, a alavanca do flip-flop conecta o contato à direita, reduzindo a tensão da grade do tubo de amplificação a zero (aterrado). Isso permite que a corrente no tubo flua livremente, excitando a bobina do eletroímã e atraindo a armadura, abrindo a passagem de óleo da válvula.

O óleo sob pressão entra no pistão, e a corrediça transversal move a ferramenta em direção à peça de trabalho até que a caneta toque o modelo. Em seguida, o contato se abre, cortando a tensão e a corrente da rede. Se a válvula de controle fechar as passagens de saída e de retorno, o pistão ficará fixo entre as câmaras de óleo superior e inferior.

III. Sistemas de controle de programas

Nos sistemas de controle de programa, o valor definido muda de acordo com uma função de tempo específica. Por exemplo, a saída do sistema de controle de programa de uma máquina-ferramenta controlada por programa deve seguir o mesmo padrão de alteração do valor definido.

O valor definido em um sistema de controle de programa é variável, mas é uma função conhecida do tempo, o que significa que o valor definido muda de acordo com um programa de tempo especificado pelo operador.

Esse tipo de sistema é amplamente utilizado em processos de produção intermitentes, como mistura automática e controle de aquecimento de vários líquidos.

Componentes de um sistema de controle de programa: sinais de chaveamento, circuitos de entrada, controlador de programa, circuitos de saída e atuadores, etc.

1. Controle do programa elétrico

As fresadoras geralmente usam dispositivos de controle elétrico. O programa de controle é dividido em dois sistemas de armazenamento. O comprimento do movimento é determinado e armazenado por meio do ajuste dos batentes na placa de parada, que é definida ao longo da direção do movimento da mesa de trabalho. Assim, os batentes na placa limitam o comprimento do movimento - quando gerar sinais de pulso de comutação.

Em seguida, esse pulso entra em uma placa de pinos ou em um dispositivo de fita perfurada. A partir daí, os pulsos de controle continuam a ser emitidos para os elementos de acionamento correspondentes, como motores de alimentação ou dispositivos de acionamento da fresa. Isso determina onde o pulso tem efeito.

Deslocamento longitudinal da mesa de trabalho:

• 1 - E1 = Chave de limite
• 2 - E2 = Chave de limite
• 3 - E3 = Chave de limite
• 4 - E4 = Chave de limite
• 5 - Alimentação, direita
• 6 - Travessia rápida, direita
• 7 - Alimentação, esquerda
• 8 - Travessia rápida, esquerda

Deslocamento transversal da mesa de trabalho:

• 5 - Feed, In
• 6 - Rapid Traverse, In
• 7 - Alimentação, saída
• 8 - Travessia rápida, saída

Deslocamento vertical da mesa de trabalho:

• 5 - Alimentação, descida
• 6 - Travessia rápida, descida
• 7 - Alimentação, para cima
• 8 - Travessia rápida, para cima

2. Controle de programa mecânico

Os tornos totalmente automáticos ou semiautomáticos geralmente usam tambores ou discos de came para controle. As torres de ferramenta única ou múltipla ou os cabeçotes hexagonais são equipados com as ferramentas de torneamento necessárias, bem como alargadores, brocas, ferramentas de perfuração, brocas de centro ou cabeçotes de corte de rosca.

O tambor ou disco de cames com rotação uniforme controla (principalmente por meio do controle de deslocamento) a preparação das ferramentas e a rotação do porta-ferramentas, seguido pela movimentação do carro e do porta-ferramentas em direção à peça de trabalho com a taxa de avanço correta.

No caso de tornos totalmente automáticos comumente usados para usinagem de estoque de barras, a alimentação de material, a fixação e o corte também são realizados por meio do programa. A desvantagem dessas máquinas é o longo tempo de configuração; a instalação de todos os cames e o ajuste de todas as ferramentas podem levar vários dias, durante os quais a máquina não pode produzir.

Devido ao desgaste da ferramenta, as dimensões da peça precisam ser monitoradas e verificadas com frequência. Essas máquinas só são econômicas para a produção de peças em grandes lotes.

3. Controle de programa pneumático-hidráulico

Os controles hidráulicos, pneumáticos ou uma combinação de ambos são usados com frequência para movimentos de avanço devido à sua operação suave, ausência de ruído e controle de velocidade infinitamente variável, como em retificadoras. De acordo com o método de transmissão de pulso, eles podem ser de sequência de tempo, deslocamento e controle de operação.

Na figura abaixo, o pistão principal é acionado por ar comprimido por meio do canal de ar comprimido. Um cilindro hidráulico com um pistão é conectado em série com o cilindro de ar para o controle de velocidade do deslocamento rápido E e do curso de alimentação V.

Durante o deslocamento rápido, o óleo hidráulico flui sem obstáculos da câmara de óleo direita para a câmara de óleo esquerda por meio da válvula V0, o volume da câmara direita diminui devido ao movimento do pistão, enquanto o volume da câmara esquerda se expande. Quando o deslocamento rápido termina, a válvula V1 muda, e o pequeno fluxo da válvula de estrangulamento D reduz a velocidade de movimento do pistão.

O V ₁ e V ₂ duas válvulas no controle terminal do curso do pistão V _3， ar comprimido através da válvula V ₃ para controlar o movimento para frente e para trás do pistão principal.

IV. Controle digital

O controle digital é um método automatizado de programar o controle de um processo de trabalho usando dígitos, caracteres ou outros símbolos.

Normalmente, ele usa um computador dedicado, com instruções de operação representadas em formato digital, e o equipamento da máquina funciona de acordo com um programa predeterminado, abreviado como NC (Controle Numérico). Normalmente, ele controla a posição, o ângulo, a velocidade e outras grandezas mecânicas, bem como as grandezas de comutação relacionadas ao fluxo de energia mecânica.

O surgimento do controle numérico se baseia no aparecimento de portadores de dados e operações de dados binários. A tecnologia de controle numérico foi desenvolvida em estreita integração com o controle de máquinas-ferramenta e também é conhecida como tecnologia de controle numérico por computador. Atualmente, ela adota computadores para implementar o controle digital de programas.

Esse princípio de controle pode ser claramente compreendido a partir do fluxo de informações mostrado no diagrama a seguir. De acordo com a fonte de informações, como desenhos técnicos, planos de processamento e dados técnicos, com a ajuda das instruções de projeto do programa, o departamento de projeto do programa pode preparar mídias de armazenamento de informações (dispositivos NC) e planos de ferramentas.

O departamento de preparação de ferramentas prepara as ferramentas necessárias para o processamento de acordo com o plano de ferramentas. As ferramentas podem ser trocadas manual ou automaticamente no magazine de ferramentas.

As ferramentas devem ser instaladas com precisão no porta-ferramentas e não precisam ser ajustadas ou calibradas novamente. O dispositivo NC e o magazine de ferramentas podem ser convenientemente equipados na máquina-ferramenta. Em poucos minutos, o programa pode ser inserido, as ferramentas montadas e a peça de trabalho fixada. Dessa forma, a máquina-ferramenta está pronta para trabalhar.

Como esse tipo de máquina-ferramenta tem a vantagem de ter um tempo de troca curto para diferentes trabalhos, ele é particularmente adequado para a produção de peças em lotes pequenos e médios. O trabalho preparatório é feito fora da máquina, ou seja, no departamento de projeto de programas e no departamento de ajuste de ferramentas. Esse trabalho preparatório é chamado de processamento externo de dados.

Quando o programa é inserido, o dispositivo NC recebe as informações, armazena-as e as processa conforme necessário. As informações são convertidas em informações de operação para velocidade do fuso e taxa de avanço, bem como valores de ponto de ajuste de posição (pontos de ajuste de curso) para os movimentos do carro na direção Z=longitudinal e X=transversal. As informações de operação são enviadas para os atuadores que controlam o acionamento principal e o acionamento de alimentação.

Os valores de ponto de ajuste de posição são inseridos nos mecanismos de ajuste para as corrediças longitudinais e transversais por meio de um comparador de valor real de ponto de ajuste. Os detectores de valor real realimentam continuamente as dimensões reais instantâneas para o comparador de valor real e de ponto de ajuste, que aciona continuamente os mecanismos de ajuste até que a dimensão real real realimentada corresponda ao valor de ponto de ajuste predeterminado do programa. Esse é um processo de controle.

Por exemplo, para girar uma forma esférica, as informações necessárias, como o curso máximo na direção X, o curso máximo na direção Z e o raio da esfera, devem ser enviadas da unidade de processamento de informações para o interpolador (computador).

De acordo com o programa pré-armazenado, o interpolador calcula os movimentos simultâneos e variáveis no tempo dos slides nas direções X e Z e os envia de volta à unidade de processamento de informações.

1. Fonte de informações

Os dados sobre a forma e as dimensões da peça a ser usinada (desenhos técnicos), os dados sobre o procedimento de processamento (plano de processamento), as especificações de processamento, como velocidade de corteA taxa de transferência, a taxa de avanço e outros dados técnicos semelhantes, bem como as instruções de projeto do programa necessárias para cada máquina-ferramenta e cada sistema de controle numérico, são as fontes de informação usadas pelos programadores.

Os programadores devem teoricamente ensaiar (simular) todo o procedimento de processamento e, para cada ação, até mesmo a menor e aparentemente irrelevante ação da máquina-ferramenta, eles devem fornecer uma instrução (informação) correspondente no suporte de informações ou no meio de armazenamento. Dessa forma, o técnico não precisa mais decidir qual velocidade definir, se deve aplicar a lubrificação do líquido de arrefecimento ou quando aplicá-la.

Essas decisões já foram tomadas no departamento de design de programas antes do início do processamento da peça. Com base nos desenhos, nos planos de processamento tradicionais e nos parâmetros técnicos, é compilado um plano de processamento que divide o procedimento de processamento em etapas individuais (instruções).

Cada etapa é determinada pelo número da instrução, pela direção do movimento dos eixos X e Y, pela distância do movimento, pela taxa de avanço, pela velocidade do fuso e pelas funções auxiliares (como a lubrificação do líquido de arrefecimento).

2. Detecção de valor real (detecção de curso)

O controle numérico envolve o controle da obtenção de pontos de ajuste de posição. O valor real da posição deve ser continuamente comparado com o ponto de ajuste da posição. Para isso, é necessário um dispositivo que possa ler com precisão o valor real e enviá-lo ao comparador de valor real e de ponto de ajuste.

(1) Medição de comparação (medição analógica)

Um contato deslizante fixado na corrediça capta uma tensão correspondente ao curso da corrediça de um resistor de fio deslizante. Essa tensão (valor real) é comparada com uma tensão (valor de ponto de ajuste) gerada por um resistor determinado pelo circuito. Na figura à direita, a tensão com a chave 4 fechada é considerada o valor do ponto de ajuste.

Na medição prática, são usados três desses circuitos de ponte: um para ajuste grosseiro, um para ajuste semifino e o terceiro para ajuste fino.

(2) Medição incremental (Medição de curso incremental)

Uma escala de vidro tem áreas claras e escuras alternadas em determinados intervalos, por exemplo, a cada 0,01 mm. Uma célula fotoelétrica montada na lâmina examina a escala e, sempre que uma transição claro-escuro é detectada, um pulso é enviado a um contador. A contagem no contador corresponde ao valor real do curso.

(3) Medição de valor absoluto (medição de curso absoluto)

Várias células fotoelétricas detectam uma escala com várias linhas claras e escuras. Cada comprimento corresponde a uma combinação de campos claros e escuros, que é exibida como uma dimensão, ou seja, o valor real, em um indicador.

3. Tipos de controle numérico

(1) Controle ponto a ponto

No controle ponto a ponto, somente os pontos finais do curso são controlados, por isso foi usado inicialmente em máquinas de perfuração. Por exemplo, se forem necessários dois cursos de X=50 e Y=30, eles podem ser executados sequencialmente ou simultaneamente; a ordem não importa. Esse processo só pode ser iniciado após atingir os pontos de coordenadas programados para o corte.

(2) Controle de linha reta

No controle de linha reta, o movimento é sempre em uma direção, seja a direção X ou a direção Y. Somente em alguns casos excepcionais há movimento simultâneo em duas direções, usando movimentos de velocidade igual em ambas as direções para criar chanfros de 45° ou cantos internos.

A forma desejada da peça de trabalho é produzida por meio de uma sequência específica de cursos nos eixos X e Y e seus respectivos comprimentos. A peça de trabalho é usinada por meio de movimentos em linha reta.

(3) Controle de contorno

No controle de contorno, formas complexas de peças de trabalho podem ser usinadas por meio de movimentos simultâneos em duas ou até três direções. As velocidades necessárias nas direções de movimento simultâneo devem ser calculadas por um interpolador (computador). As máquinas de controle de contorno também podem ser usadas para operações de controle ponto a ponto e de linha reta.

A tecnologia de controle numérico tem ampla aplicação em setores como fabricação mecânica, impressão, têxteis, embalagens e materiais de construção.