Monitoramento de prensa à prova de falhas

Os fabricantes de prensas enfrentam uma crescente pressão de custos e de tecnologia: Muitos clientes exigem prensas mais rápidas e cada vez mais precisas. O uso de equipamentos de teste e medição é a solução para melhorar a qualidade das prensas. A medição precisa da força é de vital importância – por exemplo, utilizando o método que proporciona extrema economia de espaço e alta precisão de medição do desvio de força - bem como o uso específico de eletrônica de medição inteligente. Isso permite a remodelação e atualização fácil e eficiente em termos de custo dos projetos existentes.

Quanto mais precisamente a força é aplicada nas prensas, maior é a qualidade das peças moldadas. O aumento da precisão de suas prensas é um dos desafios mais importantes para os fabricantes de prensas e máquinas de prensagem. E, além disso: o mercado exige prensas cada vez mais rápidas que, ao mesmo tempo, ofereçam maior largura de banda para aumentar o resultado da produção nos sistemas existentes. Soluções de teste e medição modernas e inteligentes ajudam a tornar as máquinas mais rápidas, melhores e mais eficientes.

Os principais fatores para o uso bem sucedido de equipamentos de teste e medição incluem, por exemplo:

Medição de força confiável e precisa na prensa
Uso de eletrônica inteligente de medição para conexão rápida e fácil com os padrões de Ethernet Industrial
Software de medição profissional para controlar o monitoramento de processos combinados.

A produção moderna não pode mais abrir mão de prensas em uma ampla variedade de designs. Os campos de aplicação incluem prensas de cunhagem, bem como prensas de montagem para peças ou produtos automotivos, ou prensas utilizadas em enormes peças metálicas na indústria automotiva.

O tamanho e as condições de uso das prensas podem variar, no entanto: as forças exercidas pela prensa, o número de movimentos e a qualidade dos produtos fabricados durante o procedimento de prensagem são as características mais importantes de todas as prensas.

Um sistema eletrônico de controle da prensa adquire e monitora esses parâmetros em máquinas de prensagem modernas. Ao mesmo tempo, ele identifica componentes com defeito e os rejeita. Ele também registra os tempos de produção e de parada – um indicador importante do rendimento dos processos.

Medição confiável da força de prensagem

Normalmente, a medição da força ou deslocamento é utilizada para monitorar procedimentos de prensagem. Existem dois métodos diferentes disponíveis para monitoramento da força:

Medição direta da força no guia da prensa
Medição do desvio da força, por exemplo, utilizando transdutores de deformação

Em ambos os casos, é essencial que as forças da prensa sejam registradas de forma confiável e rápida pelos sensores e transmitidas para o sistema de controle da prensa utilizando eletrônica de amplificador adequada. Os sensores e amplificadores precisam atender a exigências particularmente altas em termos de robustez e confiabilidade operacional. A fácil montagem e integração dos componentes com os conceitos existentes da máquina é um fator crítico que precisa ser levado em consideração ao escolher o equipamento de teste e medição.

Ambos os métodos de medição de força apresentam vantagens e desvantagens específicas. Em geral, ao medir a força diretamente no guia da prensa, deve-se ter em mente que o transdutor de força torna-se parte integrante da ferramenta e, dessa forma, afeta significativamente suas propriedades. Além disso, e em particular, com forças enormes, os transdutores de força precisam ter forças nominais suficientemente elevadas. Esses sensores são muito pesados e, além disso, caros. É benéfico que os transdutores de força HBM sejam calibrados na fábrica e, portanto, não precisam ser calibrados no sistema onde são utilizados. A força em N pode ser determinada diretamente após a montagem.

for U5 004

Transdutor de força U5 tipo flange. A montagem do transdutor de força no topo é possível graças ao flange,e é particularmente fácil de se lidar. Forças nominais de até 500 kN estão disponíveis. É possível medir as forças de tração e de compressão.

Transdutores de deformação baseados nos princípios operacionais a seguir estão disponíveis como alternativa: toda prensa utiliza uma estrutura que é mecanicamente forçada durante o procedimento de prensagem. Isso causa deformação mínima, invisível. Os transdutores de deformação, por exemplo, o SLB700A da HBM, medem essa deformação que, no final, é proporcional à força de prensagem. A vantagem deste método é que o mesmo sensor pode ser utilizado, independente da potência de prensagem. A medição utilizando transdutores de deformação é uma alternativa eficiente em termos de custo, principalmente com prensas de alto desempenho. Não é possível alcançar a precisão da medição da força com um transdutor de força calibrado utilizando este método, no entanto, os sensores de deformação HBM atendem facilmente às exigências de precisão regulares para aplicações de prensagem. A calibração é necessária em qualquer caso para determinar a relação do sinal de saída com a força aplicada.

Transdutor de deformação piezoelétrico CST/300. A montagem requer apenas um parafuso. A sensibilidade de deformação típica é de 50 pC/µm/m.

Strain gauge ou tecnologia piezoelétrica: qual princípio de medição é mais adequado?

A HBM oferece tanto transdutores de deformação piezoelétricos (CST/300) quanto transdutores baseados em strain gauges (extensômetros) (SLB700A). Ambos os tipos de sensores podem ser utilizados em muitos casos. Os sensores piezoelétricos oferecem a vantagem de serem muito compactos e de oferecer alta sensibilidade permitindo, dessa forma, que o sensor também sejam utilizados com deformações muito pequenas - ideais para objetos muito rígidos. Além disso, a fixação do sensor requer apenas um parafuso.

Os transdutores de deformação baseados na tecnologia de strain gauges (SGs) também estão disponíveis com eletrônica de amplificador integrada. Esta configuração é a primeira escolha quando soluções eficientes em termos de custo são necessárias. Além disso, os sensores SG não apresentam drift, o que facilita as tarefas de monitoramento. Eles também permitem que mudanças permanentes nas deformações possam ser monitoradas na prensa. Momentos de flexão podem ser compensados através de cabeamento inteligente, melhorando assim a precisão da medição com pouco esforço.

Utilizando transdutores de deformação para compensar momentos de flexão

Com transdutores de deformação baseados em strain gauges, os momentos de flexão potenciais podem ser facilmente compensados quando componentes simétricos estão envolvidos. Isso requer que dois sensores sejam montados na mesma altura, no entanto, opostos um em relação ao outro. A flexão faz com que um sensor seja carregado com uma deformação positiva e o outro sensor com uma deformação negativa. Quando os sensores são conectados em paralelo, o sinal de saída total é “zero”. Todas as deformações que carregam ambos os sensores na mesma direção são medidas sem quaisquer problemas. Em aplicações de prensas, isso garante que apenas deformações de tração/compressão sejam medidas.

A baixa altura de construção e sensibilidade uniforme do sensor são pré-requisitos técnicos. Por esse motivo, os sensores de deformação HBM são ajustados para uma sensibilidade uniforme utilizando um procedimento especial. Além disso, a resistência de saída é equilibrada, o que é um pré-requisito para conexão paralela. A resistência da ponte de 700 ohms é selecionada para prevenir a sobrecarga do amplificador de ponte como resultado da diminuição da resistência geral. Até mesmo quatro sensores conectados em paralelo apresentam uma resistência de 175 ohms. Amplificadores modernos permitem que os sinais de força ou tensão de ambos transdutores unicos de força ou deformação e sensores conectados em paralelo possam ser medidos e processados.

Strain gauges instalados em um componente simétrico. A flexão faz com que ambos os SLB700 sejam carregados com o mesmo valor absoluto de deformação, no entanto, com diferentes sinais. Isso não gera sinal de saída quando eles são conectados eletricamente em paralelo. A flexão é compensada na medição, e somente deformações de tração ou compressão são incluídas no resultado.

Conforme já mencionado acima, os transdutores de deformação precisam ser calibrados para permitir que uma força seja conhecida.

O procedimento de calibração requer que a força seja medida em duas etapas de carga pelo menos; por exemplo: força = zero e força máxima. É importante saber que não é absolutamente necessário medir à força máxima. Também é possível calibrar a cadeia de medição com metade da força do processo, em particular, quando as exigências de precisão são baixas.

Esse processo é o seguinte:

Medição do sinal de saída do transdutor de deformação na força zero (sem força). O amplificador deve ser configurado para antecipar escalação, isto é, mostrar o sinal de saída em mV/V.
Medição do sinal de saída na força a ser utilizada para calibração. Neste caso, também, a medição deve ser em mV/V.

Agora, é fácil calcular a sensibilidade da cadeia de medição:

S = (saída na força de medição – saída em zero) / (força de medição – força em zero)

Isso gera um valor em pC/N quando um sensor piezoelétrico é utilizado. O mesmo se aplica a transdutores de deformação baseados em SG, no entanto, com o valor sendo especificado em mV/V/N.

Em muitos casos, a sensibilidade em uma deformação específica se tornou aceita como o valor de escalação para instrumentos com tecnologia de medição baseada em SG. Isso requer apenas que o sinal de saída do sensor na força nominal seja conhecido. Você pode inserir diretamente o par de valores de força e sinal de saída em seu dispositivo. Muitos instrumentos facilitam essas configurações exigindo somente os quatro valores mencionados acima que podem ser alocados em uma tabela:

Força = 0 N Sinal = xy mV/V

Força = força de medição Sinal = AB mV/V

Então, os amplificadores realizam a configuração. A escalação é realizada subsequentemente. Este processo de calibração é implementado em amplificadores modernos que permitem a calibração automática.

As dicas a seguir são importantes:

A verificação é sempre recomendada, isto é, o sistema deve ser carregado novamente e os valores do display comparados.
Carregue o sistema três vezes com carga máxima antes do procedimento de calibração para garantir o ajuste dos sensores.
Para atingir uma excelente precisão, é ideal medir exatamente com a mesma força em que as medições serão feitas posteriormente.

Transdutor de deformação SLB700A/06VA. O sensor foi compensado termicamente e é ideal para conexão paralela devido à sua elevada resistência de entrada, ajuste de sensibilidade e resistor de saída balanceado.

Eletrônica integrada ou amplificadores inteligentes com pré-processamento de dados de medição?

Transdutores de deformação com eletrônica integrada estão disponíveis para tarefas básicas de monitoramento de prensagem; eles oferecem sinais de saída de corrente (4 … 20 mA) ou tensão (0 … 10 V) em largura de banda muito alta (2 kHz, -3 dB). Aqui, o sistema de controle de no momento da prensagem precisa assumir o condicionamento do sinal e o processamento do sinal de medição. Essas são tarefas adicionais além da função de controle de prensagem real.

A amplificação é ajustada em linha com a abordagem descrita acima: Primeiro, a medição é feita no ponto zero, então, com a força máxima. Com essas duas forças, é possível aplicar uma tensão conhecida na entrada de controle do SLB. A amplificação é ajustada automaticamente de forma que a força = 0 corresponda a 1 V e a força máxima a 9 V. A escalação entre o sinal de saída de 1 e 9 V é recomendada para permitir que forças abaixo do ponto zero ou maiores do que a força máxima de calibração sejam medidas. Como a margem de saída está entre 0 e 10 V, o sensor tem um alívio de 10% da variação medida.

Ao contrário dos sensores convencionais com eletrônica integrada, este amplificador permite que a variação máxima esteja sempre disponível na saída, independente da deformação na máquina. Com uma baixa resolução da próxima etapa, esta é uma vantagem que não deve ser subestimada.

A calibração é iniciada através de um pulso de controle e pode, portanto, ser automatizada. Independente disso, o ponto de medição pode ser configurado para zero. A configuração do amplificador continua disponível após uma falha de energia.

A calibração é iniciada através de um pulso de controle e pode, portanto, ser automatizada. Independente disso, o ponto de medição pode ser configurado para zero. A configuração do amplificador continua disponível após uma falha de energia.

As exigências operacionais das prensas se tornaram mais limitadas ao longo dos últimos anos. Além da redução de custos, o foco está na melhora da qualidade e no aumento das taxas de saída. Por outro lado, são necessárias vida útil prolongada e intervalos de manutenção minimizados. A única forma de atender a essas exigências é utilizar amplificadores modernos de força e deslocamento ou de ângulo de rotação.

Esses amplificadores são caracterizados pela extrema imunidade ao ruído indo além das exigências dos padrões relevantes. Além disso, esses amplificadores oferecem o pré-processamento dos dados de medição. Desta maneira, aliviam a deformação no momento da prensagem em sistemas de controle, aumentando a confiabilidade do sistema e minimizando o tempo parado, respectivamente. Os amplificadores podem ser utilizados universalmente. Os instrumentos podem ser equipados com o número apropriado de módulos de medição, dependendo do tamanho da prensa e do número e do tipo de sensores de medição. Além disso, os amplificadores também podem ser flexivelmente equipados com cartões de saída de sinal. Os custos do investimento são significativamente reduzidos e a substituição no evento de falha é muito fácil. O amplificador industrial PMX é um sistema amplificador que atende perfeitamente a essas exigências.

O sinal do amplificador de frequência portadora medido oculta sistematicamente a interferência.

O aumento da imunidade ao ruído oferece valores confiáveis de medição

O amplificador pode ser “atualizado” para atender às exigências de monitoramento da prensagem em constante mudança. No caso mais direto, o módulo extremamente confiável do amplificador de frequência portadora PX455 é utilizado para obter dados de força e deformação. Durante as medições de frequência portadora, os sinais de medição são amostrados a 19,2 kHz, modulados a uma frequência portadora e, então, amplificados e posteriormente demodulados. Este método permite que a medição de larguras de banda de 2 kHz seja alcançada e, ao mesmo tempo previne a transmissão de sinais de ruído, como por exemplo, a interferência na linha causados por motores elétricos ou conversores de frequência muito grandes. Isso aumenta substancialmente a vida útil da máquina.

De quanta inteligência você precisa?

Os canais de cálculo interno do amplificador PMX que oferecem taxas de amostragem de 19,2 kHz por canal permitem que todos os sinais de medição da prensa sejam rapidamente adquiridos e processados. As altas taxas de amostragem permitem a aquisição confiável de picos de força de até 50 µ/s. Esses valores de pico são utilizados para garantia da qualidade e controle da prensa. Os canais de cálculo internos permitem que as forças totais e diferenciais em prensas multicoluna sejam adquiridas em tempo real. Isso, por sua vez, permite que o sistema de controle da máquina monitore o estado e a qualidade do amortecedor da matriz ou prensa, respectivamente.

Diagnóstico preventivo da prensa

Os limites de alarme podem ser monitorados adicionalmente com a aquisição de valores de pico de força da prensa. Isso permite detectar antecipadamente se as forças exercidas pela prensa estão fora da variação de tolerância e/ou se já atingiram um nível que exija que o sistema seja parado para proteger a máquina contra danos. Assim como todos os sinais calculados no PMX, esses valores também são determinados em tempo real, isto é, em intervalos de 50 microssegundos. Isso é essencial para garantir uma parada de emergência rápida. Existem, no entanto, métodos diagnósticos preventivos adicionais da prensa. Sensores de aceleração são instalados para medir a vibração das prensas. A vibração é causada pela folga dos rolamentos dos componentes mecânicos. Ela é aceitável dentro dos limites especificados. Somente quando as vibrações se tornarem excessivamente elevadas os danos no rolamento podem ser indicados e detectados. Novamente, o amplificador PMX é utilizado para análise e detecção do valor limite, porque tem módulos correspondentemente rápidos do amplificador. O mesmo se aplica para a aquisição de temperaturas em prensas ou sistemas de refrigeração.

A HBM fornece o software catman para adquirir dados de qualidade. O PMX é fornecido com uma interface para o sistema de Ethernet para conexão, por exemplo, com um PC com Windows. Ele é utilizado para registrar todos os sinais de medição e da máquina. Esses registros podem ser arquivados e utilizados como backup. As ferramentas de visualização oferecem opções versáteis e detalhadas para exibir e analisar os sinais da prensa já durante a configuração. O software também oferece funções para configurar disparos de medição para acionar e salvar uma medição somente depois da ocorrência de uma falha.

Que forma de automação pode ser selecionada?

Todos os sinais estão disponíveis em tempo real no cálculo de kernel do PMX. A partir daí, os valores podem ser emitidos para o sistema de controle da prensa, por exemplo, analogicamente através das saídas de tensão de +/- 10 V do módulo de saída PX787. O módulo de saída PX878 também tem saídas digitais rápidas que são capazes de sinalizar e transmitir os valores limites dentro de um milissegundo. Sistemas de controle de prensas modernas, no entanto, muitas vezes apresentam um controlador lógico programável (PLC). Aqui, os sinais são transmitidos através de fieldbus padronizados. Estes apresentam duas grandes vantagens.

Por um lado, um cabo de rede é necessário, o que reduz substancialmente o esforço do cabeamento. Por outro lado, os dados diagnósticos podem ser transmitidos do amplificador para o sistema de controle além dos sinais medidos, permitindo dessa forma, um monitoramento rápido e antecipado da máquina. Uma vantagem adicional do amplificador PMX é que até 1000 conjuntos de parâmetros podem ser armazenados internamente e carregados conforme o necessário. Isso permite a adaptação da prensa a novas tarefas virtualmente sem qualquer perda de tempo.

Conceitos para manutenção e serviço inteligente

O PMX apresenta vários mecanismos de diagnósticos e controle de manutenção. Primeiramente todos os sinais do sensor e componentes internos do instrumento são permanentemente verificados quanto à plausibilidade. Isso permite a sinalização direta de sensores com defeito, quebras de cabo ou dispositivos com defeito no sistema de controle da prensa. A configuração dos valores limites e de faixas de tolerância no PMS permite a identificação e o relato de desvios de uma tendência já antes que a máquina seja danificada ou quebre. Em caso de falha, é possível detectar se o PMX está funcionando ou não (Live-Bit) e permite a resolução rápida de problemas. Isso também significa que o PMX exibe os sinais de força simultaneamente através de diversas saídas analógicas. Isso permite que os engenheiros de serviço no local da prensa utilizem instrumentos de medição à mão pra determinar se os sinais estão disponíveis conforme solicitado. Isso permite uma limitação adicional de falha no sistema de controle.

No entanto, o PMX oferece ainda mais mecanismos para uma manutenção inteligente. Além da parametrização e visualização do instrumento através do servidor de web interno, é possível transmitir dados através da máquina ou da rede da empresa para exibição, uma vez que o protocolo TCP-IP padrão da Ethernet é utilizado para transmissão. Uma vez que medidas de segurança como um firewall e um serviço de acesso via do protocolo SNMP estejam disponíveis, o diagnóstico através do PMX é até mesmo possível na forma de manutenção remota em qualquer parte do mundo. A administração do usuário em três níveis no PMX garante que todos os usuários possam apenas trabalhar nos dados e fazer configurações que sejam relevantes a eles. Dessa forma, o operador do sistema pode decidir se é necessária a implementação de serviços da sede ou se um engenheiro de serviços local pode resolver o problema.

Exibição clara e concisa de valores medidos de todos os canais. Erros de produção são exibidos imediatamente.

As instalações existentes podem ser atualizadas com sistemas de controle de prensas?

Em geral, todas as prensas podem ser atualizadas com sistemas de monitoramento modernos da HBM. Melhoria e a atualização fazem sentido, principalmente, em tempos de condições econômicas difíceis. Não apenas a qualidade dos produtos fabricados é melhorada, mas, também, a vida útil da prensa é substancialmente prolongada. A HBM oferece conhecimento técnico para permitir que a posição mais apropriada para a instalação de transdutores de força ou de deformação seja determinada utilizando a análise de FEM. Elas são diferentes para cada prensa, dependendo do projeto e, depois, são decisivas para a significância dos dados de medição. Além disso, os engenheiros de serviço da HBM são especialistas habilidosos na instalação de strain gauges (extensômetros) na prensa ou na montagem de transdutores de deformação completos. A HBM também se oferece para lidar com a preparação e gerenciamento do projeto, que vão desde a integração elétrica através conexões de rede fieldbus até a documentação. Os conjuntos de força de medição devem ser calibrados ou re-calibrados mais tarde, e os engenheiros de serviço da HBM estão prontos para realizar a calibração no local e fornecer documentação.

Conclusão

Integrar sistemas de monitoramento modernos com base em equipamentos de teste e medição é a chave para aumentar a precisão e a largura de banda de prensas. Medir com precisão as forças da prensa é de vital importância – por exemplo, utilizando transdutores de força instalados no guia da força ou transdutores de deformação para medição indireta da variação da força.

O uso de sistemas de amplificador de medição de última geração que ofereçam conexão fácil e conveniente com padrões de Ethernet industrial comuns e sistemas de controle de máquina é outro fator crucial para sistemas modernos de monitoramento de prensas. A HBM oferece soluções tanto para os sensores quanto para a eletrônica utilizada no monitoramento de prensas. Os principais fabricantes mundiais colocam sua confiança em equipamentos de teste e medição da HBM para melhorar o desempenho e a disponibilidade operacionais de suas prensas.

Os autores:

Michael Guckes / Thomas Kleckers