Los fabricantes de prensas están sometidos a presiones tecnológicas y de costes crecientes. Muchos clientes demandan prensas más rápidas, pero también más precisas. El empleo de equipos de pruebas y medición es fundamental para hacer mejoras en este tipo de maquinaria. Es muy importante medir la fuerza de forma precisa; por ejemplo, empleando el método de derivación, que tiene unos requisitos mínimos de espacio y ofrece una alta precisión. También resulta de gran utilidad el empleo de electrónica de medición inteligente. Todo ello facilita la puesta al día y la modernización de los diseños ya existentes.

Cuanto mayor es la precisión con la que una prensa aplica fuerza, mayor es la calidad de las piezas moldeadas que produce. Por eso, uno de los mayores retos de los fabricantes de prensas es incrementar la precisión de sus máquinas. Pero no solo eso: el mercado demanda prensas cada vez más rápidas que, al mismo tiempo, ofrezcan una mayor capacidad de producción para expandir los sistemas actuales. Las soluciones de pruebas y medición modernas e inteligentes ayudan a que las máquinas sean más rápidas, más eficientes y, en definitiva, mejores.

El éxito de esos equipos de pruebas y medición depende de varios factores esenciales:

  • Medición fiable y precisa de la fuerza de la prensa.
  • Empleo de electrónica de medición inteligente, que permita una conexión rápida y sencilla a los entornos de Ethernet industrial.
  • Software de medición profesional para controlar el seguimiento de los procesos.

Las prensas, en multitud de diseños, son imprescindibles en la producción moderna. Solo hay que pensar, por ejemplo, en las prensas de las fábricas de moneda, las prensas de montaje de componentes de vehículos y otros productos, o las prensas que se emplean para procesar grandes piezas metálicas en la industria de automoción.

Hay una gran variabilidad en los tamaños de las prensas y en las condiciones de uso. La fuerza ejercida por la prensa, el número de golpes de prensa y la calidad de los productos que salen del proceso de prensado son las principales magnitudes que caracterizan una prensa.

En las prensas modernas, estos parámetros se adquieren y monitorizan por medio de un sistema de control electrónico que, por otro lado, también se encarga de identificar productos defectuosos y de rechazarlos. Adicionalmente, el sistema de control registra los tiempos de producción y de parada, lo cual constituye un indicador importante de la eficacia de los procesos.

Medición fiable de la fuerza de la prensa

En general, el control de las prensas se lleva a cabo mediante mediciones de fuerza o desplazamiento. Existen dos métodos de medición de fuerzas:

  • Medición directa de la fuerza en el eje de la herramienta de la prensa
  • Medición por derivación de fuerzas, por ejemplo, mediante extensómetros

En ambos casos, es esencial disponer de sensores que registren las fuerzas de la prensa de forma rápida y fiable, y de una electrónica de amplificación adecuada que transmita las señales al sistema de control de la prensa. Los sensores y amplificadores deben cumplir especificaciones particularmente exigentes en términos de solidez y fiabilidad operativa. A la hora de seleccionar equipos de pruebas y medición, es fundamental que resulte fácil montarlos e integrarlos en las máquinas ya existentes.

Cada uno de estos métodos de medición de la fuerza tiene sus ventajas e inconvenientes específicos. Cuando se mide la fuerza directamente en el flujo de fuerza, el transductor de fuerza se convierte en una parte integral de la herramienta y, por tanto, afecta sensiblemente a sus propiedades. Los transductores deben, entonces, admitir fuerzas nominales lo suficientemente altas. Teniendo en cuenta las enormes fuerzas en juego, estos sensores son muy pesados y costosos. Los transductores de fuerza de HBM tienen la ventaja de que pueden calibrarse en fábrica, lo que elimina la necesidad de calibrarlos una vez montados en el sistema en el que se utilizan. La fuerza (en N) puede determinarse directamente después del montaje.

Transductor de fuerza U5 con acoplamiento de brida. Resulta particularmente práctico gracias a la brida. Disponible con fuerzas nominales de hasta 500 kN. Puede medir fuerzas de tracción y de compresión.

Como alternativa, se pueden utilizar extensómetros basados en el principio operativo siguiente: cada prensa posee una estructura que se somete a una tensión mecánica durante el procedimiento de prensado. Esta tensión produce una deformación mínima e invisible. Un extensómetro como, por ejemplo, el SLB700A de HBM, puede medir esa deformación que, al fin y al cabo, es proporcional a la fuerza de la prensa. La ventaja de este método es que se puede emplear un mismo sensor independientemente de la potencia de prensado involucrada. La medición con extensómetros es una alternativa económica, sobre todo en prensas de alto rendimiento. Con este método no es posible obtener la misma precisión que con un transductor de fuerza calibrado; no obstante, los extensómetros de HBM cumplen holgadamente los requisitos de precisión de muchas aplicaciones de prensado. En este caso se requiere una calibración para determinar la relación entre la señal de salida y la fuerza aplicada.

Galgas extensométricas o tecnología piezoeléctrica: ¿qué principio de medición es más adecuado?

Extensómetro piezoeléctrico CST/300. Se monta con un solo tornillo. Sensibilidad típica: 50 pC/µm/m.

HBM dispone de extensómetros piezoeléctricos (CST/300) y de galgas extensométricas (SLB700A). Ambos tipos de sensores tienen muchas aplicaciones. Los piezoeléctricos tienen la ventaja de que son muy compactos y sensibles, por lo que son aplicables a deformaciones muy pequeñas. Son ideales para objetos muy rígidos. Además, para montar el sensor solo hace falta un tornillo.

Los sensores construidos según el principio de las galgas extensométricas también se encuentran disponibles en versiones con electrónica de amplificación integrada. Esta configuración es la elección perfecta cuando se necesitan soluciones especialmente económicas. Además, los sensores de galgas extensométricas no tienen deriva, cosa que simplifica las labores de monitorización. También permiten detectar cambios permanentes en la deformación de la prensa. Los momentos de flexión pueden compensarse con un cableado bien diseñado, para mejorar la precisión de medida con poco esfuerzo.

Empleo de extensómetros para compensar momentos de flexión

En los extensómetros basados en galgas extensométricas, es fácil compensar los momentos de flexión potenciales cuando los elementos en juego son simétricos. Para ello se requiere montar dos sensores a la misma altura, en posiciones opuestas entre sí. La flexión hace que un sensor se cargue con una deformación positiva y el otro con una negativa. Si estos dos sensores se conectan en paralelo, la señal total de salida es nula. Todas las deformaciones que afecten a los dos sensores en la misma dirección se miden sin dificultad. En las aplicaciones con prensas, este montaje garantiza que solo se midan deformaciones debidas a tracción/compresión.

Como prerrequisito técnico, los sensores deben tener una baja altura y una sensibilidad uniforme. Por este motivo, los extensómetros de HBM se ajustan a una sensibilidad uniforme mediante un procedimiento especial. La resistencia de salida está equilibrada, lo cual es una condición indispensable para una conexión paralela. En el puente, se selecciona una resistencia de 700 ohms, para evitar sobrecargas en el amplificador del puente como resultado de la reducción de la resistencia total (por el montaje en paralelo). Cuatro sensores conectados en paralelo tienen una resistencia de 175 ohms. Los amplificadores modernos son capaces de medir y procesar señales de fuerza o deformación de transductores individuales o conectados en paralelo.

Galgas extensométricas instaladas sobre un componente simétrico. La flexión hace que las dos galgas SLB700 se carguen con una deformación con el mismo valor absoluto, pero con signos contrarios. Si las galgas están eléctricamente conectadas en paralelo, el resultado es una señal nula. De este modo, durante la medición se compensan las flexiones y en el resultado solo aparecen las deformaciones de tracción o de compresión.

Como ya se ha dicho, los extensómetros tienen que estar calibrados para que sea posible derivar una fuerza.

El procedimiento de calibración exige aplicar fuerza en dos puntos de carga como mínimo; por ejemplo, fuerza = cero y fuerza máxima. Conviene señalar que no es absolutamente necesario medir a la fuerza máxima. Es perfectamente posible calibrar la cadena de medida a la mitad de la fuerza del proceso, sobre todo si no se necesita una gran exactitud.

El proceso es el siguiente:

  • Se mide la señal de salida del extensómetro con fuerza cero. El amplificador debe estar configurado sin escala; es decir, la señal de salida se expresa en mV/V.
  • Se mide la señal de salida a la fuerza empleada durante la calibración. De nuevo, la medición debe expresarse en mV/V.

Ahora, es fácil calcular la sensibilidad de la cadena de medida:

S = (salida a la fuerza medida – salida a fuerza cero) / (fuerza medida – fuerza en el cero)

Si se utiliza un sensor piezoeléctrico, se obtiene un valor en pC/N. Lo mismo se aplica a los transductores de galgas extensométricas, solo que en ese caso el valor se expresa en mV/V/N.

En muchos casos, la sensibilidad a una deformación específica se acepta como el valor de escala para los instrumentos con tecnología de galgas extensométricas. Para ello, solo hace falta conocer la señal de salida del sensor a la fuerza nominal. Es posible introducir directamente un par de valores (fuerza y señal de salida) en el dispositivo. Muchos instrumentos facilitan estos ajustes y solo requieren los cuatro valores antes mencionados, que pueden asignarse a una tabla:

Fuerza = 0 N        Señal = xy mV/V

Fuerza = fuerza medida    Señal = AB mV/V

Después, los amplificadores se encargan de la configuración. El escalado se aplica a continuación. Este proceso de aprendizaje (“Teach-In”) se emplea en los amplificadores modernos que ofrecen calibración automatizada.

Algunos consejos importantes:

  • Es muy recomendable efectuar una verificación; o sea, volver a cargar el sistema y comparar las lecturas.
  • Antes de la calibración, cargue el sistema tres veces a la carga máxima, para que los sensores tengan tiempo de estabilizarse.
  • Para obtener una precisión máxima, lo ideal es medir empleando exactamente el mismo valor de fuerza que se desea medir después.

¿Electrónica integrada o amplificadores inteligentes con preprocesamiento de datos?

Extensómetro SLB700A/06VA. El sensor está térmicamente compensado y es ideal para conectarlo en paralelo, por su alta impedancia, su ajuste de sensibilidad y su resistencia de salida equilibrada.

Los extensómetros con electrónica integrada son adecuados para labores sencillas de monitorización de prensas. Proporcionan salidas de corriente (4 … 20 mA) o tensión (0 … 10 V) con un ancho de banda elevado (2 kHz, -3 dB). Con esta solución, el sistema de control de la prensa debe encargarse de acondicionar y procesar las señales de medida. Todo ello supone tareas adicionales, aparte de su función principal de control de la prensa.

La amplificación se ajusta de acuerdo con el principio descrito más arriba: en primer lugar se hace una medición en el punto cero y después otra a la fuerza máxima. Con estos dos valores, se puede aplicar tensión a una entrada de control SLB. La amplificación se ajusta automáticamente de modo que para una fuerza = 0 corresponda una salida de 1 V, y para la fuerza máxima una de 9 V. Se recomienda limitar el intervalo de medición entre 1 y 9 V para que sea posible medir también fuerzas por debajo del punto cero o por encima de la fuerza máxima “Teach-In”. Puesto que el intervalo de salida va de 0 a 10 V, se deja al sensor un margen del 10% de su rango de medición.

En contraste con los sensores convencionales con electrónica integrada, este amplificador permite que el campo de medida máximo esté siempre disponible para la salida, independientemente del esfuerzo aplicado a la máquina. Con una baja resolución en la etapa siguiente, esta es una ventaja que no hay que pasar por alto.

El “Teach-In” se inicia mediante un impulso de control y, por tanto, puede automatizarse. Con independencia de esto, el punto de medición puede ponerse a cero. La configuración del amplificador se mantiene en caso de corte de suministro.

Cada vez más exigencias para los sistemas modernos de monitorización de prensas

En los últimos años, los operadores de prensas han aumentado su nivel de exigencia. Aparte de la reducción de costes, les interesa especialmente mejorar la calidad e incrementar el rendimiento. Paralelamente, también exigen vidas útiles más largas e intervalos de mantenimiento lo más largos posible. La única forma de cumplir todos esos requisitos pasa por utilizar amplificadores modernos, capaces de medir de manera fiable fuerzas, desplazamiento y ángulos de rotación.

Estos amplificadores se caracterizan por una inmunidad al ruido muy superior a lo que exigen las normas aplicables. Además, se encargan de preprocesar los datos de medición, lo cual reduce la carga de trabajo de los sistemas de control de la prensa, mejora la fiabilidad del sistema y minimiza los tiempos de parada. Estos amplificadores son universales y pueden equiparse con el número adecuado de módulos de medición, en función del tamaño de la prensa y del número y tipo de sensores de medida. Asimismo, se les pueden acoplar tarjetas de salida, para una flexibilidad máxima. Los costes de inversión se reducen notablemente y la sustitución en caso de fallo resulta muy sencilla. El amplificador industrial PMX se adapta perfectamente a todos los requisitos.

Una mayor inmunidad al ruido proporciona mediciones más fiables

La señal del amplificador de medida de frecuencia portadora atenúa sistemáticamente las interferencias.

El amplificador puede “modernizarse” y evolucionar al paso de los requisitos de monitorización. En el caso más directo, se puede utilizar un módulo amplificador de frecuencia portadora PX455 —extremadamente fiable— para adquirir valores de fuerza y deformación. Durante una medición con frecuencia portadora, se obtienen señales con una frecuencia de muestreo de 19,2 kHz, se modulan dentro de la frecuencia portadora, se amplifican y, por último, se demodulan. Este método permite alcanzar anchos de banda de medición de 2 kHz y, al mismo tiempo, evita que se transmitan señales parásitas debidas a interferencias de la red, de grandes motores eléctricos o de convertidores de frecuencia. Con ello se incrementa sustancialmente la vida útil de la máquina.

¿Cuánta inteligencia se necesita?

Los canales de cálculo interno del amplificador PMX ofrecen frecuencias de muestreo de 19,2 kHz por canal de medición y son capaces de adquirir y procesar rápidamente todas las señales de medida de la prensa. Esta elevada frecuencia de muestreo hace posible adquirir picos de fuerza de hasta 50 µ/s. Estos valores pico se emplean con fines de aseguramiento de la calidad y para controlar la prensa. Los canales de cálculo interno permiten adquirir en tiempo real fuerzas totales y diferenciales de prensas multicolumna. Eso, a su vez, hace posible que el sistema de control de la máquina monitorice la posición y el estado de las matrices y de la prensa.

Diagnosis preventiva de prensas

Además de la adquisición de picos de fuerza, es posible fijar umbrales de alarma. Los umbrales ayudan a detectar de forma precoz el momento en que las fuerzas que ejerce la prensa empiezan a salirse de los límites de tolerancia, o si se ha llegado a un punto en que es preciso detener la máquina para evitar daños. Al igual que todas las señales calculadas por el PMX, estos valores también se determinan en tiempo real, es decir, a intervalos de 50 microsegundos. Esta velocidad es esencial para llevar a cabo paradas de emergencia rápidas. Existen, no obstante, otros métodos de diagnosis preventiva de las prensas. Por ejemplo, para medir las vibraciones en las prensas se instalan en ellas sensores de aceleración. Las vibraciones se deben a holguras internas en los componentes mecánicos y son aceptables dentro de unos límites específicos. Cuando son excesivas, pueden producir daños; por eso interesa detectarlas de forma precoz. De nuevo, el amplificador PMX se puede emplear para el análisis y la detección de valores límite, gracias a la rapidez de sus módulos. Lo mismo se puede decir cuando se trata de adquirir valores de temperatura en prensas o sistemas de refrigeración.

HBM dispone del software catman para adquirir datos de forma fiable y rápida. El PMX se suministra con una interfaz Ethernet con la que puede conectarse, por ejemplo, a un PC equipado con Windows que, a su vez, puede emplearse para guardar las mediciones y las señales de la máquina. Estas grabaciones pueden archivarse y servir de copia de seguridad. Las herramientas de visualización ofrecen opciones versátiles y detalladas para representar y analizar las señales de la prensa durante los ajustes. El software también cuenta con funciones de temporización, para iniciar y guardar mediciones solo cuando se produce algún fallo.

¿Qué opciones de automatización existen?

Todas las señales se encuentran disponibles en tiempo real en el centro de cálculo del PMX. Desde allí, los valores se pueden enviar al sistema de control de la prensa, por ejemplo, de forma analógica a través de las salidas de tensión de +/- 10 V del módulo de salidas PX787. Este módulo PX878 también dispone de salidas digitales rápidas, capaces de señalizar y transmitir valores límite en tiempo de 1 milisegundo. Ahora bien, los sistemas de control de prensas modernos suelen tener un controlador lógico programable (PLC). En tal caso, las señales se transmiten mediante un bus de campo normalizado. Esto presenta dos ventajas importantes.

Por un lado, basta con un cable de bus, lo que reduce sensiblemente el cableado. Por otro, el amplificador puede transmitir al sistema de control datos de diagnóstico conjuntamente con las señales de medida; eso permite llevar una monitorización anticipativa. Otra ventaja del amplificador PMX radica en que puede guardar y cargar hasta 1000 parámetros, según las necesidades. Con ello, la prensa puede adaptarse a nuevas tareas prácticamente sin pérdida de tiempo.

Conceptos de mantenimiento inteligente

El amplificador PMX integra múltiples mecanismos de diagnosis y control del mantenimiento. En primer lugar, lleva a cabo una comprobación de plausibilidad de todas las señales de sensores y componentes internos. Eso le permite señalizar de forma directa sensores defectuosos, interrupciones de cable o elementos averiados en el sistema de control de la prensa. La definición de valores umbral y bandas de tolerancia en el PMX permite identificar y notificar desviaciones a partir de tendencias, antes de que la máquina sufra daños o averías. En caso de fallo, se puede detectar si el PMX se encuentra operativo o no (Live-Bit) y resolver el problema con rapidez. Eso también significa que el PMX presenta las señales de fuerza simultáneamente en varias salidas analógicas. Los técnicos de servicio de la prensa pueden utilizar los instrumentos de medida que tienen a mano para determinar si las señales disponibles corresponden a los requisitos. Con ello se limitan aún más los fallos del sistema de control.

El amplificador PMX ofrece otros mecanismos de mantenimiento inteligente. Además de la parametrización y la visualización del instrumento a través de un servidor web interno, también es posible transmitir datos y visualizarlos a través de la red de la máquina o de la empresa, si se emplea un protocolo estándar TCP-IP de Ethernet. Si se aplican medidas de seguridad, como un firewall y acceso controlado a través de un protocolo SNMP, es posible implantar mantenimiento remoto a través de PMX en cualquier lugar del mundo. En el amplificador PMX, un sistema de administración con tres niveles de usuarios se encarga de que cada usuario pueda trabajar con datos y ajustes exclusivamente en la medida en que sea relevante. Así, el operador del sistema puede decidir si, para resolver un problema, necesita costosos servicios de su central o si se puede encargar de ello un técnico de planta.

Visualización clara y concisa de los valores medidos por todos los canales. Los errores de producción se notifican inmediatamente.

¿Se pueden implantar sistemas de control de prensas en plantas ya existentes?

En general, todas las prensas pueden modernizarse con ayuda de los sistemas de monitorización de HBM. En periodos de dificultades económicas como los actuales, la puesta al día y la modernización de la maquinaria son opciones especialmente interesantes. Con ello no solo mejora la calidad de la producción, sino que se alarga sustancialmente la vida útil de la prensa. HBM ofrece sus conocimientos técnicos para determinar la ubicación óptima de los extensómetros o transductores de fuerza mediante análisis de elementos finitos. La ubicación de los sensores es distinta en cada prensa, pero es decisiva para que los datos de medición obtenidos sean significativos. Por otro lado, los ingenieros de servicio de HBM son expertos en instalar galgas extensométricas en las prensas, o en montar extensómetros completos. HBM también puede asumir labores de preparación y gestión de proyectos, desde la integración eléctrica a la conexión mediante bus de campo y la documentación. Y si hay que calibrar —o recalibrar— la cadena de medida, los ingenieros de HBM están a su disposición para efectuar procesos de calibración in situ y aportar la documentación correspondiente.

Conclusión

La integración de sistemas de monitorización modernos basados en equipos de pruebas y medición es la clave para mejorar la precisión y la capacidad de las prensas. La medición precisa de las fuerzas de la prensa es de vital importancia. Para ello se pueden instalar transductores de fuerza directamente en el flujo de la fuerza o se pueden hacer mediciones indirectas por derivación de fuerzas con ayuda de extensómetros.

El empleo de sistemas amplificadores avanzados, que se conectan de forma sencilla y práctica a los estándares comunes de Ethernet industrial y a los sistemas de control de las máquinas es otro factor crucial en los sistemas modernos de monitorización de prensas. HBM suministra soluciones para los sensores y la electrónica que se utilizan en la monitorización de prensas. Los principales fabricantes de todo el mundo confían en los equipos de pruebas y medición de HBM para mejorar las prestaciones y la rapidez funcional de sus prensas.

Autores:
Michael Guckes / Thomas Kleckers

Monitorización de procesos con un amplificador convencional: alto índice de rechazos debido a imprecisiones de medición.
Aumento de la eficiencia con PMX y rendimiento optimizado gracias a unos resultados de medición precisos.

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