Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-Hidráulicos

Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos Jorge Fernando de Sousa Dissertação do MIEM Orientador: Professor Doutor Francisco Jorge Teixeira de Freitas Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Ramo de Automação Setembro de 2013 Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos i “A person who never made a mistake never tried anything new” Albert Einstein Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos iii Resumo O ensino de unidades curriculares da área de automação é frequentemente complementado através de suporte laboratorial, permitindo aos estudantes uma aproximação ao ambiente industrial onde exercerão a sua profissão. Concomitantemente visa fomentar a aquisição de sensibilidade prática e de sentido de análise das várias tecnologias de acionamento. Esta dissertação pretende ser um importante contributo no ensino prático das caraterísticas e comportamentos de sistemas de acionamento hidráulico, através do desenvolvimento de um conjunto organizado de exercícios didáticos automatizados na banca óleo-hidráulica Gustavo Cudell, presente no respetivo laboratório da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. A multiplicidade de ferramentas que compõe esta banca garante a sua versatilidade e disponibilidade na montagem de circuitos hidráulicos com diversas configurações. Deste conjunto fazem parte diversos atuadores e válvulas de comando, incluindo válvulas proporcionais, detetores e transdutores e ainda dois grupos hidráulicos, sendo um de caudal variável por comando eletrónico. Assumindo a função de integração, controlo e interface destes componentes já enumerados, está instalado um autómato programável e uma consola gráfica policromática, permitindo assim o desenvolvimento e implementação dos exercícios didáticos. Foram, então, implementados exercícios automatizados, fazendo uso quer de componentes de hidráulica “convencional” quer de hidráulica “proporcional”, envolvendo sequências de ações pré-programadas, medições e monitorizações, cujo objetivo último será uma melhor compreensão, por parte do utilizador, de vários aspetos funcionais e caraterísticos deste tipo de sistemas. Foram, por fim, realizados diversos ensaios para validar e demonstrar as capacidades dos diferentes exercícios. Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos v Electro-Hydraulic Systems Training Bench Abstract The teaching of automation course units is often complemented by laboratorial support to enable students to have a closer contact with the industrial environment in which they will exercise their profession. Concurrently, it aims to promote the acquisition of practical sensibility and sense of analysis of the various drive technologies. This paper aims to be an important contribution to the practical teaching of the characteristics and behavior of hydraulic drive systems, through the development of an organized set of automated didactic exercises on the hydraulic bench Gustavo Cudell, located at the oil-hydraulic laboratory, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. The plethora of tools that compose this bench ensures its versatility and availability in the assembly of hydraulic circuits with different configurations. Forming part of this set there are several actuators and control valves including proportional valves, detectors and transducers and also two hydraulic power groups, one of which having electronically commanded variable flow. Taking the role of integration, control and interface with these components, this bench comes equipped with a PLC (Programmable Logic Controller) and a polychromatic graphical console, thereby allowing the development and implementation of the didactic exercises. Therefore, several automated exercises were implemented, using either conventional or proportional hydraulic components, involving pre-programmed sequences of actions, measurements and monitoring, aiming towards a better understanding by the user of the various functional aspects and characteristics of this type of systems. Finally, various tests have been performed to validate and demonstrate the capabilities of the developed exercises. Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos vii Agradecimentos Ao meu orientador, Professor Francisco Jorge Teixeira de Freitas, por toda a dedicação e acompanhamento que demonstrou ao longo da presente dissertação, assim como pela permanente exigência no rigor e no incutir de responsabilidade. Ao Sr. Joaquim Silva, técnico de laboratório, pela sua disponibilidade, pelo companheirismo e pelos momentos de boa disposição que proporcionou durante a minha permanência no Laboratório de Óleo-hidráulica. À minha família, pelo seu apoio e contributo para a conclusão desta etapa da minha vida. Ao Pedro Alberto Santos, pela amizade e pela companhia, por todo apoio que me deu e por constantemente me desafiar a dar o meu melhor. Aos meus colegas e amigos que me acompanharam na realização da dissertação, Ana Ribeiro, Pedro Carneiro, Rafael Correia, Sérgio Cunha, Carlos Dias, Pedro Rodrigues e Eduardo Cândido, pela ajuda, disponibilidade e críticas construtivas dadas ao longo de todo este trabalho. Também pelos momentos de companheirismo, pelas gargalhadas e pelos almoços sempre divertidos. Aos restantes colegas e amigos do curso de Engenharia Mecânica, pelo apoio e disponibilidade. A todos, o meu bem-hajam! Índice Figura 4.33 - Pressões registadas no movimento de subida da massa ........................................................ 67 Figura 4.34 - Pressões registadas no movimento de descida da massa ....................................................... 68 Figura 4.35 – Diagramas temporais de determinação dos tempos de inversão na subida e na descida da massa ..................................................................................................................................................................... 68 Figura 4.36 - Ecrã de execução do exercício B3 ........................................................................................ 69 Figura 4.37 - Tempos de inversão do movimento no exercício B3 ............................................................ 69 Figura 4.38 - Ecrã de execução do exercício B4 ........................................................................................ 70 Figura 4.39 - Tempos de inversão de movimento do exercício B4 ............................................................ 71 Figura 4.40 - Circuito hidráulico do conjunto de exercícios C ................................................................... 73 Figura 4.41 - Ecrã de execução do exercício C1 ........................................................................................ 75 Figura 4.42 - Relação entre velocidade e perdas de carga do motor, sem carga inercial ............................ 76 Figura 4.43 - Relação entre contrapressão, velocidade de rotação e perdas de carga do motor ................. 77 Figura 4.44 - Relação entre velocidade e perdas de carga do motor, a diferentes cargas inerciais............. 77 Figura 4.45 - Ecrã de execução do exercício C2 ........................................................................................ 78 Figura 5.1 – Circuito hidráulico em fonte de pressão do conjunto de exercícios D ................................... 82 Figura 5.2 – Circuito hidráulico em fonte de caudal do conjunto de exercícios D ..................................... 83 Figura 5.3 – Determinação dos tempos de rampa ....................................................................................... 85 Figura 5.4 - Dinâmica de paragem (tempo e sobrecurso) ........................................................................... 85 Figura 5.5 – Interface do exercício D1 ....................................................................................................... 85 Figura 5.6 - Ecrã de execução do exercício D2 .......................................................................................... 88 Figura 5.7 - Ecrã de execução do exercício D3 .......................................................................................... 90 Figura 5.8 – Gráfico de desvios de curso ................................................................................................... 91 Figura 5.9 – Desvios de curso verificados para diferentes velocidades ...................................................... 91 Figura 5.10 - Desvios de curso verificados para diferentes velocidades .................................................... 92 Figura 5.11 - Desvios de curso verificados para diferentes velocidades .................................................... 92 Figura 5.12 – Desvios de curso verificados para diferentes valores de rampa de desaceleração ............... 93 Figura 5.13 – Ecrã de execução do exercício D4 ....................................................................................... 93 Figura 5.14 – Ecrã de execução do exercício D5 ....................................................................................... 95 Figura 5.15 – Gráfico de desvios de curso ................................................................................................. 95 Figura 5.16 – Desvios de curso verificados a diferentes velocidades no exercício D5 .............................. 96 Figura 5.17 – Desvios de curso verificados a diferentes velocidades ......................................................... 96 Figura 5.18 – Desvios de curso verificados a diferentes velocidades ......................................................... 97 Figura 5.19 – Circuito em fonte de pressão com carga atuante na câmara secundária ............................... 98 Figura 5.20 – Circuito em fonte de pressão com carga atuante na câmara principal .................................. 98 Figura 5.21 – Circuito em fonte de caudal cm carga atuante na câmara secundária .................................. 99 Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos xv Figura 5.22 – Circuito em fonte de caudal com carga atuante na câmara principal ................................... 99 Figura 5.23 - Diagrama temporal de determinação dos tempos de subida e de descida da massa ........... 101 Figura 5.24 – Diagramas temporais de determinação dos tempos de inversão na subida e na descida da massa ................................................................................................................................................................... 101 Figura 5.25 - Ecrãs de interface dos exercícios E1, E2, E3 e E4.............................................................. 103 Figura 5.26 - Circuito hidráulico do conjunto de exercícios F ................................................................. 110 Figura 5.27 - Diagrama de blocos simplificado do controlo de velocidade do motor .............................. 112 Figura 5.28 - Ecrã de execução do exercício F1 ...................................................................................... 113 Figura 6.1 - Diagrama de blocos simplificado do controlo de pressão..................................................... 116 Figura 6.2 - Circuito hidráulico do Exercício G1 ..................................................................................... 116 Figura 6.3 – Ecrã de execução do exercício G1 ....................................................................................... 117 Figura 6.4 – Pré-calibração dos pressostatos ............................................................................................ 118 Figura 6.5 – Caraterização da histerese dos pressostatos ......................................................................... 118 Figura 6.6 - Valores de pressão nas transições ascendente e descendente do pressostato 1 ..................... 119 Figura 6.7 - Valores de pressão nas transições ascendente e descendente do pressostato 2 ..................... 119 Figura 6.8 - Histerese de ambos os pressostatos ...................................................................................... 120 Figura 6.9 - Circuito hidráulico do exercício G2 ..................................................................................... 120 Figura 6.10 - Ligações elétricas de válvulas direcionais com diferentes configurações de gaveta .......... 121 Figura 6.11 - Diagrama temporal do exercício G2 ................................................................................... 121 Figura 6.12 - Ecrã de execução do exercício G2 ...................................................................................... 122 Figura 6.13 – Tempo de movimento da válvula entre a posição central e a posição 2 ............................. 123 Figura 6.14 – Tempo de movimento da válvula entre a posição central e a posição 3 ............................. 123 Figura 6.15 – Tempo de movimento da válvula entre posições extremas ................................................ 124 Índice de Tabelas Tabela 2.1 - Cartas eletrónicas e respetivas funções .................................................................................... 6 Tabela 2.2 - Detetores e Transdutores presentes no Módulo de Comandos ................................................. 8 Tabela 2.3 - Detetores e Transdutores presentes no Módulo de Atuadores ................................................. 8 Tabela 2.4 - Módulos do autómato e respetivas funções .............................................................................. 9 Tabela 2.5 - Caraterísticas da consola gráfica ............................................................................................ 10 Tabela 3.1 – Ícones de navegação .............................................................................................................. 25 Tabela 4.1 - Dimensões do atuador linear simétrico .................................................................................. 36 Tabela 4.2 - Resultados obtidos no 1º ensaio ao exercício A1 ................................................................... 39 Tabela 4.3 - Comparação entre valores de curso “medido” e “calculado” ................................................. 39 Tabela 4.4 - Resultados do 1º ensaio ao exercício A1, com cálculo de curso percorrido compensado ...... 42 Índice Tabela 4.5 - Resultados obtidos no 2º ao exercício A1 .............................................................................. 42 Tabela 4.6 – Expressões de cálculo de potências do exercício A2 ............................................................. 43 Tabela 4.7 – Comparação entre valores de potência gerada, efetiva e dissipada na VLP obtidos no 1º ensaio ao exercício A2 ...................................................................................................................................................... 45 Tabela 4.8 – Comparação entre valores de potência efetiva, do atuador e dissipada na VRC obtidos no 1º ensaio ao exercício A2 ........................................................................................................................................... 45 Tabela 4.9 - Diferencial de pressão entre as câmaras do atuador observado no 1º ensaio ao exercício A2 45 Tabela 4.10 – Comparação entre valores de potência gerada, efetiva e dissipada na VLP obtidos no 2º ensaio ao exercício A2 ...................................................................................................................................................... 46 Tabela 4.11 - Comparação entre valores de potência efetiva, do atuador e dissipada na VRC obtidos no 2º ensaio ao exercício A2 ........................................................................................................................................... 46 Tabela 4.12 - Diferencial de pressão entre as câmaras do atuador observado no 2º ensaio ao exercício A2 ............................................................................................................................................................................... 46 Tabela 4.13 – Resultados obtidos do 1º ensaio ao exercício A3 ................................................................. 48 Tabela 4.14 – Valores de pressão verificados nas câmaras do atuador no 1º ensaio ao exercício A3 ........ 49 Tabela 4.15 – Resultados obtidos no 2º ensaio ao exercício A3 ................................................................. 49 Tabela 4.16 – Valores de pressão verificados nas câmaras do atuador no 2º ensaio ao exercício A3 ........ 49 Tabela 4.17 – Resultados obtidos no 1º ensaio ao exercício A4 ................................................................. 51 Tabela 4.18 - Valores de pressão verificados no 1º ensaio ao exercício A4 ............................................... 51 Tabela 4.19 – Resultados obtidos no 2º ensaio ao exercício A4 ................................................................. 52 Tabela 4.20 - Valores de pressão verificados no 2º ensaio ao exercício A4 ............................................... 52 Tabela 4.21 - Dimensões do atuador assimétrico presente no Módulo de Comandos ................................ 59 Tabela 4.22 - Tempos médios registados na subida e descida da massa .................................................... 63 Tabela 4.23 - Valores médios de pressão ................................................................................................... 64 Tabela 4.24 – Tempos médios de subida e de descida da massa no exercício B2 ...................................... 67 Tabela 4.25 – Pressões médias das câmaras do atuador no exercício B2 ................................................... 68 Tabela 4.26 - Tempos médios de inversão do sentido de movimento no exercício B3 .............................. 70 Tabela 4.27 - Tempos médios de inversão nos ensaios dos exercícios B3 e B4 ......................................... 71 Tabela 5.1 - Resultados obtidos no ensaio 1 ao exercício D1 .................................................................... 86 Tabela 5.2 - Resultados obtidos no ensaio 2 ao exercício D1 .................................................................... 87 Tabela 5.3 – Comparação entre valores de potência gerada, efetiva e dissipada na VLP obtidos no ensaio ao exercício D2 ...................................................................................................................................................... 88 Tabela 5.4 – Comparação entre valores de potência efetiva, do atuador e dissipada na válvula direcional obtidos no ensaio ao exercício D2 ......................................................................................................................... 89 Tabela 5.5 - Perdas de carga na válvula direcional (sentido P-A) .............................................................. 89 Tabela 5.6 - Comparação entre os resultados de potência efetiva dos exercícios A2 e D2 ........................ 89 Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos xvii Tabela 5.7 - Comparação entre os resultados de potência do atuador dos exercícios A2 e D2 .................. 90 Tabela 5.8 – Comparação entre valores de potência gerada, efetiva e dissipada na VLP obtidos no ensaio ao exercício D5 ...................................................................................................................................................... 94 Tabela 5.9 - Comparação entre valores de potência efetiva, do atuador e dissipada na válvula de contrapressão ......................................................................................................................................................... 94 Tabela 5.10 – Comparação entre os resultados de potência efetiva dos exercícios A5, D2 e D5 .............. 95 Tabela 5.11 – Tempos de movimento e de inversão obtidos no ensaio ao exercício E1 .......................... 104 Tabela 5.12 – Pressões registadas em ambas as câmaras do atuador no ensaio ao exercício E1 ............. 104 Tabela 5.13 – Cálculo de quedas de pressão de alimentação na válvula direcional no exercício E1 ....... 105 Tabela 5.14 – Tempos de movimento e de inversão obtidos no ensaio ao exercício E2 .......................... 106 Tabela 5.15 – Pressões registadas em ambas as câmaras do atuador no ensaio ao exercício E2 ............. 106 Tabela 5.16 – Cálculo de quedas de pressão de alimentação na válvula direcional no exercício E2 ....... 106 Tabela 5.17 – Tempos de movimento e de inversão obtidos no ensaio ao exercício E3 .......................... 107 Tabela 5.18 – Pressões registadas em ambas as câmaras do atuador no ensaio ao exercício E3 ............. 107 Tabela 5.19 – Relação entre os tempos de subida e de descida da massa no exercício E3 ...................... 107 Tabela 5.20 – Tempos de movimento e de inversão obtidos no ensaio ao exercício E4 .......................... 108 Tabela 5.21 – Pressões registadas em ambas as câmaras do atuador no ensaio ao exercício E4 ............. 108 Tabela 5.22 - Relação entre os tempos de subida e de descida da massa no exercício E4 ....................... 109 Tabela 5.23 – Influência da alteração das rampas de aceleração e de desaceleração no exercício E1 ..... 109 Tabela 5.24 - Influência da alteração das rampas de aceleração e de desaceleração no exercício E3 ...... 109 Tabela 6.1 – Posições da válvula direcional ............................................................................................. 121 Tabela 6.2 – Tempos médios de movimento da posição central para as posições extremas .................... 124 Tabela 6.3 – Tempos médios de movimento entre posições extremas ..................................................... 124 Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 1 1 Introdução A automação está hoje fortemente associada à atividade produtiva industrial. Dada a elevada importância de que se reveste, a indústria produtiva requer a existência de profissionais com extenso conhecimento em sistemas de acionamento, nomeadamente no que diz respeito às suas aplicações, caraterísticas e formas de comando. Com vista a uma melhor preparação dos futuros engenheiros, o ensino de unidades curriculares da área de automação na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto é complementada através de um suporte laboratorial, que se pretende constante e atualizado. Desta forma, são transmitidas aos estudantes as aplicações reais das tecnologias associadas à automação, ao mesmo tempo sensibilizando-os para a relevância que estas assumem em meio industrial. No curso de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica, uma parte deste suporte é fornecido através do Laboratório de Óleo-hidráulica. Este laboratório disponibiliza um apoio nuclear na unidade curricular de Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos, onde são lecionados os conceitos básicos da óleo-hidráulica, e também nas unidades curriculares de Servomecanismos e de Computação Industrial, estas últimas no âmbito do ramo de Automação, lecionadas no quinto ano curricular. É no contexto de constante desenvolvimento dos meios laboratoriais de suporte ao ensino de unidades curriculares da área de automação que surge o tema do presente trabalho: Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos Gustavo Cudell. Insere-se no âmbito da unidade curricular de Dissertação do curso de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica, ramo de Automação, da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Contou com a orientação do Professor Doutor Francisco Jorge Teixeira de Freitas e foi realizado durante o segundo semestre do ano letivo 2012/2013. 1.1 A Banca Gustavo Cudell O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um conjunto organizado de exercícios automatizados de sistemas eletro-hidráulicos para implementação na banca Gustavo Cudell, existente no laboratório de Óleo-hidráulica da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. A banca Gustavo Cudell é uma banca automatizada que permite a construção de sistemas tanto de hidráulica convencional como de hidráulica proporcional. Dado o conjunto diverso de componentes hidráulicos e também a potência instalada na banca, é possível a realização de exercícios de complexidade superior aos normalmente possíveis em bancas com vocação didática. Devido a este facto, é mais correto definir este equipamento como “banca de ensaios”, em contraponto com a definição de “banca didática” (1). Introdução 2 Esta banca é constituída por três módulos:  Módulo de Comandos - Figura 1.1  Módulo de Atuadores - Figura 1.2  Módulo de Armazenamento de componentes - Figura 1.3 Figura 1.1 - Módulo de Comandos Figura 1.2 - Módulo de Atuadores Figura 1.3 - Módulo de Armazenamento de componentes O Módulo de Comandos é o módulo principal, onde se podem montar de um modo flexível os componentes de cada circuito hidráulico a ensaiar e interligá-los. Como o seu próprio nome indica, é neste módulo que estão localizadas as funções de comando para os circuitos hidráulicos montados, incluindo também o autómato programável e a interface homemmáquina. O Módulo de Atuadores compreende três atuadores de duplo efeito, um simétrico (ao qual está acoplada uma mesa) e dois assimétricos, para além de um motor hidráulico e de um vaso de medição. Neste módulo está também localizado o reservatório de óleo, assim como dois grupos hidráulicos (cada um com um motor elétrico de 7,5 kW). Um dos grupos hidráulicos é composto por uma bomba de cilindrada variável. Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 3 O Módulo de Armazenamento de componentes destina-se unicamente ao armazenamento dos componentes hidráulicos amovíveis e mangueiras de ligação não utilizados numa sessão de ensaios. No ano letivo 2011/2012 este equipamento foi alvo de uma requalificação tecnológica (1). Esta teve especial ênfase ao nível da monitorização, meios de medição e segurança. Envolveu também a instalação de um novo autómato e a criação de um conjunto de exemplos demonstrativos da sua funcionalidade. Posteriormente foi adicionada uma interface gráfica policromática de grande capacidade. Para além da utilização dos componentes existentes no Módulo de Atuadores, esta banca está preparada para a utilização de alguns dos seus recursos, nomeadamente do autómato e dos grupos energéticos, para comando de sistemas externos. No ano letivo 2012/2013 foi colocado em funcionamento, por comando a partir desta banca, um manipulador hidráulico de três eixos (2), que faz uso de outros recursos existentes, nomeadamente a energia hidráulica gerada. 1.2 Objetivos da presente dissertação Esta dissertação consiste no desenvolvimento de um conjunto de exercícios automatizados de sistemas eletro-hidráulicos na banca Gustavo Cudell, existente no laboratório de Óleo-hidráulica da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, anteriormente apresentada. É dada especial ênfase à criação de exercícios de âmbito didático avançado, adequados ao ensino das caraterísticas de sistemas hidráulicos. Como estrutura de suporte ao desenvolvimento e implementação dos exercícios, são usadas as capacidades de controlo e comando do autómato programável e da interface gráfica policromática existentes na banca. A programação do autómato inclui toda a estrutura criada no âmbito da recente requalificação tecnológica e do comando do manipulador hidráulico externo. Os exercícios de demonstração anteriormente criados são igualmente incluídos, sofrendo as alterações necessárias à sua integração com o restante trabalho entretanto desenvolvido. 1.3 Estrutura do relatório O presente relatório encontra-se dividido em seis partes, incluindo esta secção introdutória. No capítulo 2 é apresentado o estudo prévio das caraterísticas e especificações da banca Gustavo Cudell, sendo descritos e caraterizados os diferentes componentes hidráulicos e eletrónicos que a constituem. Neste capítulo é incluída também uma análise dos trabalhos anteriormente realizados. O capítulo 3 é dedicado à apresentação da estrutura base de programação da interface homem-máquina desenvolvida e implementada no presente trabalho, à descrição do modo de “Comando Manual” e à integração da estrutura de programação do manipulador hidráulico externo. O modo de “Comando Manual” foi desenvolvido com intuito de possibilitar a atuação manual das diversas saídas do autómato e a monitorização de todas as respetivas entradas No capítulo 4 é apresentado um primeiro conjunto de exercícios de comando de movimento desenvolvidos no decorrer da presente dissertação. Estes movimentos possuem em comum o facto de a sua forma de comando ser digital. Introdução 4 O capítulo 5 é dedicado à apresentação dos exercícios de movimento desenvolvidos, materializados através de comando proporcional. No capítulo 6 são concretizados os exercícios concebidos com o objetivo de caraterizar os elementos eletro-hidráulicos de maior interesse didático. Para cada exercício apresentado nos três capítulos anteriores é realizada a sua descrição completa, bem como a sua implementação na interface gráfica. Também são apresentados e analisados os resultados obtidos decorrentes da execução destes mesmos exercícios. O capítulo 7 corresponde à súmula das conclusões mais pertinentes de todo o trabalho desenvolvido, bem como de algumas propostas para, futuramente, o enriquecer didática e funcionalmente. Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 5 2 Estudo Prévio Neste capítulo é realizada uma análise detalhada dos recursos disponibilizados pela banca óleo-hidráulica Gustavo Cudell. Esta análise incide sobre os aspetos físicos da banca, nomeadamente em termos de comando, atuações, detetores e transdutores, e também sobre os aspetos de programação do autómato realizados em âmbitos anteriores. As temáticas abordadas neste capítulo estão organizadas da seguinte forma:  Recursos da banca – é realizada a descrição dos atuadores e instrumentação existentes na banca, assim como do autómato e interface gráfica que a equipam.  Análise da programação anteriormente desenvolvida – nesta secção é analisada toda a programação de base já realizada, no âmbito dos trabalhos de requalificação da banca de ensaios e do manipulador hidráulico externo.  Alterações a realizar – tendo em conta o exposto nos tópicos anteriores, são descritas as alterações a realizar ao nível da programação do autómato, com vista à sua integração com a interface gráfica a desenvolver. 2.1 Recursos da banca No capítulo introdutório do presente trabalho foi realizada uma breve descrição da banca óleo-hidráulica e dos módulos que a constituem. Como foi referido, esta banca é constituída por três módulos, dois dos quais se encontram interligados em termos elétricos e hidráulicos – Módulo de Comandos e Módulo de Atuadores. O módulo restante – Módulo de Armazenamento de componentes – não é relevante em termos funcionais para além, como o próprio nome indica, da função de armazenamento de componentes e mangueiras não utilizadas num determinado ensaio. Figura 2.1 - Módulo de Comandos Figura 2.2 - Módulo de Atuadores Estudo prévio 12  Emergência – onde são tratadas todas as variáveis e condições lógicas relacionadas com situações de emergência ditas gerais, não criadas pelo software, tais como a monitorização do estado das botoneiras de emergência ou a monitorização de fontes de alimentação – Figura 2.13;  Global – tratamento matemático de variáveis não relacionadas com as emergências e não exclusivamente associadas a um qualquer exercício específico – Figura 2.14;  Funcionamento – destina-se à execução dos exercícios de demonstração – Figura 2.15. Figura 2.13 – Macroetapa Emergência Figura 2.14 - Macroetapa Global Figura 2.15 - Macroetapa Funcionamento Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 13 A macroetapa Funcionamento engloba os vários tipos de utilização a que o equipamento está sujeito:  Normal – utilização exclusiva dos recursos da banca;  Interface externa – utilização de equipamento externo à banca;  Manutenção – alteração de dados de elementos da banca. O funcionamento dos grupos hidráulicos encontra-se também associado a esta macroetapa. A execução de um determinado tipo de utilização pressupõe sempre que o grupo que lhe está associado esteja pronto a ser utilizado. Para interface entre o utilizador e o equipamento, o software de programação do autómato, Unity Pro XL, permite a criação de ecrãs simples de operação. Estes ecrãs apenas são acessíveis através da execução do software de programação, pelo que é necessária a presença de um computador permanentemente ligado ao autómato. Na Figura 2.16 está representado o ecrã inicial de escolha do tipo de utilização da banca. Figura 2.16 - Ecrã inicial no software Unity Pro XL 2.2.2 Exercícios de demonstração Como referido anteriormente, no âmbito da requalificação tecnológica sofrida no ano 2012, foram implementados quatro exercícios de demonstração das potencialidades da banca no autómato (1). Estes exercícios foram implementados por ordem crescente de complexidade. Eles essencialmente realizam o comando, sob diferentes condições funcionais, do movimento de um atuador linear de duplo efeito simétrico ao qual está associada uma mesa sujeita a uma carga inercial ajustável. A carga pode ser ajustada entre um valor mínimo de 100 kg (correspondente à massa da mesa de suporte) e um valor máximo de 300 kg. 2.2.2.1 Análise de aspetos funcionais Nos exercícios 1 e 2 o comando de movimento do conjunto atuador-mesa é realizado de forma digital, sendo usada uma válvula direcional convencional para a definição do sentido de movimento – Figura 2.17. A velocidade de cada movimento é definida pelo ajuste manual de uma válvula reguladora de caudal de dois orifícios, colocada em comando secundário (“meter- Estudo prévio 14 out”). O movimento do atuador é confinado ao espaço entre os detetores de fim de curso, denominados FDC1 e FDC4. O movimento de avanço foi definido como o movimento no sentido FDC1 para FDC4, sendo o contrário para o movimento de recuo. Figura 2.17 - Circuito hidráulico dos exercícios 1 e 2 Embora o princípio de funcionamento base dos dois exercícios seja bastante semelhante, estes apresentam-se com objetivos distintos, contudo complementares. No exercício 1 pretendese uma avaliação global das caraterísticas de movimento do conjunto atuador-mesa, perante diversas configurações de carga e de velocidade. Já no exercício 2 é dado destaque ao estudo das inversões do sentido de movimento desse conjunto, igualmente perante diferentes configurações de carga e de velocidade. Para a concretização dos objetivos do exercício 1 são medidos os tempos do movimento de avanço e de recuo decorridos entre os detetores de fim de curso, conforme o diagrama temporal apresentado na Figura 2.18. São também medidos os respetivos tempos de inversão de movimento. Estes últimos são definidos como o tempo que decorre entre um detetor de fim de curso ser comutado e ocorrer novamente a sua comutação já no sentido contrário de movimento - Figura 2.19. Figura 2.18 - Diagrama temporal de determinação dos tempos de avanço e recuo Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 15 Figura 2.19 – Diagramas temporais de determinação dos tempos de inversão de movimento Para além da determinação dos tempos anteriormente referidos, o exercício 1 coloca em evidência particularidades nos pontos de inversão (1), nomeadamente:  Subcurso e sobrecurso – ocorrem, respetivamente, a velocidades reduzidas e a velocidades elevadas. A designação destes conceitos pressupõe que sejam definidos como pontos desejados para inversão do sentido de movimento o ponto médio da gama de deteção de cada detetor de fim de curso - Figura 2.20. Figura 2.20 - Evidência dos fenómenos de "subcurso" e "sobrecurso"  Choque hidráulico – fenómeno que se carateriza por um ruído caraterístico e por picos de pressão. Este fenómeno acentua-se com o aumento da velocidade e da carga inercial. A válvula direcional utilizada (centro em “Y”) produz um efeito em menor escala comparativamente a uma válvula de centro fechado; De modo a aprofundar o estudo dos fenómenos de sub e sobrecurso, o exercício 2 fornece algumas ferramentas que permitem clarificar e analisar as inversões do sentido de movimento do conjunto atuador-mesa. Recorrendo à informação prestada pelo transdutor de posição potenciométrico associado a este conjunto, são determinados os seguintes aspetos em cada inversão do sentido de movimento:  Determinação do campo de atuação de cada um dos detetores de fim de curso, através da leitura dos seus pontos de deteção inicial e final;  Cálculo do ponto médio do campo de atuação de cada detetor;  Leitura do ponto mínimo atingido durante o movimento de recuo e do ponto máximo atingido durante o avanço;  Cálculo do desvio de curso ocorrido, tendo em consideração que foram definidos como pontos ideais de inversão do sentido de movimento os pontos médios do campo de atuação de cada um dos detetores de fim de curso. A caraterização destes aspetos permite conhecer com detalhe os pontos efetivos de inversão de movimento, contrastando-os com a situação dita ideal. Desta forma, é quantificado o fenómeno de subcurso/sobrecurso. Estudo prévio 16 A informação anteriormente gerada poderá ser utilizada para a realização de uma compensação do curso do atuador durante a inversão do movimento. A ativação e desativação desta compensação é dependente inteiramente do utilizador, podendo ser efetuada a qualquer momento durante a execução de movimentos. A estratégia de compensação usada passa, a cada ciclo, pela determinação de novos pontos de inversão da ordem de movimento, através do valor de desvio e dos pontos efetivos de inversão verificados no ciclo anterior. Por forma a mostrar o funcionamento da opção de compensação de curso deste exercício, foi realizado um ensaio com a carga inercial no seu valor mínimo (100 kg) e a quatro velocidades distintas. Na Figura 2.21 são apresentados os valores obtidos para o movimento de avanço: Figura 2.21 - Desvios ocorridos no movimento de avanço com carga 100 kg e velocidade variável Tal como é possível observar, o sobrecurso, no caso do movimento sem compensação ativada, aumenta com a velocidade. A função de compensação consegue, com sucesso, fazer diminuir os valores dos desvios verificados. A única exceção reside no movimento do atuador a 50 mm/s, situação em que ocorre subcurso, que a função de compensação implementada não é capaz de corrigir. Devido às caraterísticas do comando digital de movimento presente no exercício 2, o fenómeno de “choque hidráulico” continua presente, tal como no exercício 1. Assim, de forma a poder minimizar este fenómeno, no exercício 3 e no exercício 4 o comando do atuador é realizado recorrendo à hidráulica proporcional. A diferença entre eles reside do facto de, no exercício 3, ser utilizada uma válvula direcional proporcional com realimentação - Figura 2.22 – e, no exercício 4, ser utilizada a bomba de cilindrada variável presente na banca - Figura 2.23. Em ambos exercícios, a definição da velocidade de execução de movimento é dependente do valor de comando da carta eletrónica respetiva. A presença de uma válvula direcional convencional no exercício 4 prende-se com o facto da necessidade de definição do sentido de movimento, visto se tratar de uma bomba em circuito aberto. É adicionada também uma válvula de contrapressão em “meter-out” para garantir a necessária frenagem do atuador. Relativamente às funcionalidades presentes nos exercícios 3 e 4, estas são as mesmas do exercício 2, isto é, a determinação dos desvios de curso verificados durante as inversões do sentido de movimento e a possibilidade de compensação dos mesmos, através da estratégia anteriormente descrita. Em cada um dos exercícios é adicionada a possibilidade de alteração -10,0 -5,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 Desvio [mm] Movimento de avanço com carga 100 kg Sem compensação Com compensação 50 mm/s 100 mm/s 150 mm/s 200 mm/s Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 17 das rampas de aceleração e de desaceleração no movimento de avanço e de recuo. O valor de cada uma das rampas pode ser alterado entre 0 e 20V/s. A alteração destes valores terá, naturalmente, impacto sobre o valor dos desvios calculados. Figura 2.22 - Circuito hidráulico do exercício 3 Figura 2.23 - Circuito hidráulico do exercício 4 O funcionamento e as caraterísticas de todos os exercícios são descritos em profundidade no “Anexo B – Exercícios de demonstração pré-existentes“. Estudo prévio 18 2.2.2.2 Análise de aspetos de programação A programação dos quatro exercícios foi realizada recorrendo à linguagem LD, nomeadamente instruções de SET e RESET. Estas instruções tiveram como base os SFC respetivos de cada exercício, apresentados no “Anexo B”. Cada exercício possui dois SFC: o primeiro dedicado à inicialização e término do exercício e o segundo dedicado à execução de movimentos. Para cada exercício foram desenvolvidas quatro secções de programação:  “base” – dedicada à inicialização e término do exercício. Aqui se encontra programado o primeiro SFC de cada exercício;  manipulação – onde se encontram programadas funcionalidades adicionais, tais como limite de interrupção de movimentos ou limite de inatividade do exercício, e funções de manipulação de variáveis para sua visualização no ecrã;  movimentos – nesta secção encontra-se programado o segundo SFC, correspondente à execução de movimentos do exercício;  cálculos – secção reservada a cálculos relevantes para cada exercício, incluindo determinação de tempos. As duas primeiras secções de cada exercício estão afetas à secção MAST do autómato, estando as duas últimas afetas à secção FAST. Tal divisão deve-se ao facto de assim se conseguir garantir a deteção pelo autómato da comutação de um detetor de fim de curso independentemente da velocidade de execução de movimento (1). As secções FAST de um determinado exercício apenas se encontram ativas quando o mesmo se encontra habilitado. Desta forma garante-se que o tempo de ciclo desta secção do autómato se mantém reduzido. Resta referir que os exercícios se encontram classificados de acordo com o grupo hidráulico utilizado:  Tipo A – utilização do grupo hidráulico 1 – Exercícios 1, 2 e 3  Tipo B – utilização do grupo hidráulico 2 – Exercício 4  Tipo C – utilização de ambos grupos – nenhum exercício 2.2.2.3 Apreciação global dos exercícios de demonstração Efetuada a análise das funcionalidades e capacidades dos quatro exercícios de demonstração pré-existentes, é possível concluir que estes apresentam caraterísticas que se enquadram no âmbito didático do presente trabalho. De uma maneira geral, os exercícios existentes permitem uma sensibilização para as diferenças existentes entre comando de movimento digital e o comando proporcional. Permitem igualmente uma apreciação das capacidades de controlo realizado por intermédio de um autómato, e de toda a instrumentação associada. A execução do exercício 1 coloca em evidência aspetos de movimento, limitações e possíveis problemas de comando de circuitos hidráulicos, nomeadamente os fenómenos de choque hidráulico e de subcurso/sobrecurso. Estes aspetos, por norma, não são facilmente reconhecidos e detetados noutras bancas didáticas, devido às suas limitações em termos de potência, comando e instrumentação. Poderá ser dito que a maior complexidade e a maior potência desta banca óleo-hidráulica é uma vantagem neste domínio. Os exercícios seguintes apresentam soluções que permitem abordar cada um dos aspetos supramencionados. Relativamente à questão do subcurso/sobrecurso verificado durante as inversões do sentido de movimento, os exercícios 2, 3 e 4 fornecem ferramentas capazes de Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 19 melhor caraterizar este aspeto e formas de o minimizar. A questão do fenómeno de choque hidráulico apenas é resolvida recorrendo à hidráulica proporcional, como é o caso do exercício 3 e do exercício 4. Estes dois exercícios fornecem duas soluções hidráulicas distintas para abordagem desse problema, permitindo a sua comparação direta. 2.2.3 Interface externa - Manipulador Hidráulico No 1º semestre do ano letivo 2012/2013 foi desenvolvido um sistema de controlo de um manipulador hidráulico externo de três eixos - Figura 2.24 - que implicou a utilização de alguns dos recursos da banca Gustavo Cudell, nomeadamente a energia hidráulica gerada pela central 2, o autómato e a consola gráfica. (2). Figura 2.24 - Manipulador hidráulico de três eixos e respetivo armário de comando A interface elétrica entre a banca e o manipulador é realizada através do respetivo armário de comando - Figura 2.24. Este armário permite o controlo do manipulador, de forma independente do autómato. Encontra-se disponível também uma consola manual para a sua manipulação direta - Figura 2.25. Figura 2.25- Consola manual do manipulador 2.2.3.1 Análise de aspetos funcionais A escolha do modo de funcionamento Manipulador hidráulico é realizada através da consola gráfica. Uma vez escolhido, é necessário proceder à inicialização dos codificadores angulares do eixo 1 e 2. Esta inicialização consiste na identificação do sinal Z (“zero”) de cada codificador, de modo a ser possível o controlo por malha fechada. Durante a inicialização é apresentado o ecrã da Figura 2.26. Após a inicialização de ambos eixos, é possível avançar para o ecrã de escolha do modo de funcionamento do manipulador - Figura 2.27. Estudo prévio 20 Figura 2.26 - Ecrã de inicialização do manipulador hidráulico Figura 2.27 - Ecrã de escolha de modo de funcionamento do manipulador Estão disponíveis dois modos de funcionamento:  Modo manual (Figura 2.28) - é possível controlar cada eixo através da consola manual;  Modo automático (Figura 2.29) – permite a realização de movimentos do manipulador segundo trajetórias pré-definidas. Figura 2.28 - Ecrã do modo manual do manipulador Figura 2.29 - Ecrã do modo automático do manipulador No modo manual é disponibilizada a opção de ensino de trajetórias, que depois serão disponibilizadas no modo automático. Verifica-se assim que os dois modos de funcionamento são complementares entre si. Figura 2.30 - Ensino de trajetórias através do modo manual Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 21 Após o ensino e validação de uma determinada trajetória, esta fica disponível para seleção no ecrã do modo automático do manipulador. 2.2.3.2 Análise de aspetos de programação Como observado no ponto 2.1 do presente relatório, a programação das funcionalidades do manipulador hidráulico no autómato insere-se no âmbito da Interface Externa, previsto na macroetapa Funcionamento - Figura 2.15 (página 12). A programação do comportamento geral do manipulador foi realizada recorrendo à linguagem SFC - Figura 2.31. Quando uma etapa se encontra ativa, é ativada a secção correspondente, programada em linguagem LD. Figura 2.31 - Macroetapa manipulador O controlo em malha fechada de cada eixo é realizado recorrendo a um controlador do tipo PI. O manipulador é um sistema de controlo de posição angular do tipo 1, sujeito a perturbação por variação de carga. Na Figura 2.32 é representado o diagrama de blocos representativo do sistema de controlo utilizado, onde KV é o ganho da válvula, que é influenciado pela carga, e Ke é o ganho do codificador. Figura 2.32 - Diagrama de blocos representativo do sistema de controlo de cada eixo Estruturação e desenvolvimento da interface homem-máquina 28 Figura 3.7 – Exemplo de aplicação do Comando Manual Por questões de segurança, a saída deste modo de utilização implica o reset de todos os comandos e só o é permitido quando ambas as centrais hidráulicas se encontrarem desligadas. A informação relativa aos transdutores é fornecida nas unidades físicas comuns aos circuitos hidráulicos. Para que tal fosse possível, foi necessário proceder à determinação de curvas caraterísticas desses mesmos transdutores nos casos em que essa informação não se encontra disponível nos respetivos catálogos. 3.3 Exercícios Programados Na Figura 3.8 é disponibilizado o ecrã de escolha do tipo de exercícios Figura 3.8 - Menu de escolha de exercícios Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 29 Como referido anteriormente, é dado ênfase à inclusão de ecrãs de informação para cada conjunto de exercícios implementado, que surjam de forma prévia à possibilidade de execução destes. Pretende-se com isto fornecer ao utilizador um correto enquadramento dos exercícios em causa, no que respeita a objetivos, material necessário, esquema do circuito hidráulico respetivo e outras informações que sejam relevantes – Figura 3.9. Figura 3.9- Esquema dos ecrãs de informação A navegação entre estes ecrãs é realizada pelo utilizador. As informações sobre ligações elétricas e o esquema do circuito hidráulico correspondente ao exercício em questão são fornecidas no último ecrã de informação. A passagem para o ecrã de execução de um exercício implica a confirmação, por parte do utilizador, que as ligações do circuito hidráulico se encontram como explicitado - Figura 3.10 Figura 3.10 - Painel de confirmação das ligações do circuito hidráulico 3.4 Integração da interface do manipulador hidráulico externo O desenvolvimento da nova estrutura de programação da interface gráfica contemplou a integração da estrutura criada anteriormente no âmbito do projeto de sistema de controlo do manipulador hidráulico (2). Esta estrutura, assim como os aspetos funcionais do manipulador, foi apresentada no ponto 2.2.3 da presente dissertação. O primeiro passo da integração da estrutura gráfica do manipulador consistiu na sua agregação no modo de funcionamento “Equipamento Externo”, acessível através do menu principal da consola tátil. Apesar de, até ao momento, existir apenas um equipamento externamente ligado à banca, é criada toda a estrutura que permita no futuro a adição de novas funcionalidades. No ponto 2.2.3 fora referido que a interface entre a banca e o manipulador é realizada por intermédio do respetivo armário de comando, existindo também uma consola manual com diversas funções. A comunicação entre os diversos componentes referidos é assegurada por cabos e respetivas fichas, podendo ser retirados quando o manipulador não se encontrar em utilização. O correto funcionamento deste equipamento é dependente dessas ligações, pelo que foi incorporado um ecrã de confirmação dessas mesmas ligações - Figura 3.11 - que surge logo após ser realizada a escolha do manipulador através da consola gráfica. Estruturação e desenvolvimento da interface homem-máquina 30 Figura 3.11 – Ecrã informativo das ligações elétricas do manipulador O utilizador é assim alertado para a verificação do estado das ligações elétricas, assim como para a alimentação do armário de comando. Antes de prosseguir para o ecrã seguinte, é pedida ao utilizador uma nova confirmação das ligações - Figura 3.12. Figura 3.12 – Painel de confirmação das ligações do manipulador hidráulico externo Os restantes ecrãs de interface do manipulador sofreram alterações meramente estéticas, de modo a se enquadrarem na nova interface gráfica. Não foram realizadas alterações funcionais, à exceção da adição da zona de “Eventos” e “Avisos”. a) b) Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 31 c) d) Figura 3.13 - Ecrãs de interface atualizados do manipulador hidráulico externo Foi também adicionado um painel de informação de emergências específico do manipulador hidráulico, que surge sempre que se verificar uma situação de emergência relacionada com o funcionamento do mesmo - Figura 3.14 a). Neste painel surge uma mensagem informativa da situação verificada:  FDC Manipulador não encontrado – significa a existência de uma falha dos detetores de fim de curso ou nas suas respetivas ligações ao armário de comando;  Foi premida Botoneira emergência manipulador – significa que foi acionada a botoneira de emergência presente no armário de comando;  Fonte de alimentação do manipulador desligada – significa que foi desligada a alimentação do armário de comandos, ou que este não se encontra ligado ao autómato. Tal como acontece com as emergências gerais da banca, o utilizador apenas poderá efetuar o “reset” quando a situação que deu origem à ordem de emergência deixar de se verificar - Figura 3.14 b) a) b) Figura 3.14 – Painel de informação de emergência do manipulador hidráulico externo Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 33 4 Exercícios com comando digital do movimento Neste capítulo é realizada a descrição de um primeiro conjunto de exercícios de comando de movimento implementados no decurso da presente dissertação. Estes exercícios possuem em comum o facto de a sua forma de comando do movimento ser digital. Pretende-se com estes exercícios desenvolver uma compreensão detalhada e uma capacidade de análise crítica de sistemas hidráulicos com esta forma de comando. Estes exercícios têm também a particularidade de envolverem movimentos aos quais estão associados cargas externas com diferentes caraterísticas que são comuns em sistemas reais. Os exercícios foram organizados de acordo com o tipo de atuador utilizado:  Exercícios A – Atuador linear simétrico, sujeito a carga inercial ajustável;  Exercícios B – Atuador linear assimétrico, sujeito a carga gravítica;  Exercícios C – Motor hidráulico, sujeito a carga inercial ajustável. A programação dos exercícios foi realizada em linguagem LD, recorrendo a instruções de SET e RESET, com base nos SFC funcionais apresentados no Anexo D – SFC de programação de exercícios, seguindo assim a estrutura de programação já presente no autómato. Ao longo do presente capítulo é realizada uma descrição fundamental dos pressupostos dos exercícios e dos objetivos a ser atingidos, bem como uma caraterização das interfaces gráficas desenvolvidas, tal como são presentes a um utilizador. São também apresentados e analisados os resultados de cada um destes exercícios. A escolha de um determinado conjunto de exercícios é realizada através da consola gráfica e, uma vez realizada a escolha, o utilizador tem acesso a um conjunto de ecrãs com as seguintes informações:  Descrição geral do conjunto de exercícios;  Lista de material necessário à montagem do circuito hidráulico e elétrico de suporte;  Apresentação do circuito hidráulico e respetivas ligações elétricas;  Escolha do exercício específico que se pretende realizar. Estes ecrãs são disponibilizados no “Anexo C – Ecrãs de informação de exercícios”. 4.1 Exercícios A – Atuador linear simétrico, sujeito a carga inercial ajustável Este é um conjunto de exercícios onde se realiza o comando digital de movimento do atuador linear de duplo efeito simétrico presente no Módulo de Atuadores. Como referido no ponto 2.1.2 da presente dissertação, este atuador move uma mesa, de massa própria igual a 100 Exercícios de comando digital do movimento 34 kg, sobre a qual se podem colocar diferentes massas (totalizando um máximo de 300 kg, com incrementos de 10 kg), produzindo assim o efeito de uma carga inercial ajustável. De uma maneira geral, este grupo de exercícios explora a possibilidade de se poder ter quer uma grande diversidade de massas a ser movida (até uma relação de 1:3), quer uma grande diversidade de velocidades a ajustar (de 0 a 460 mm/s). Esta particularidade permite realizar uma análise das caraterísticas do movimento do conjunto atuador e mesa móvel, sob essas diversas configurações de carga e de velocidade, em ambos os sentidos de movimento. Em complemento, o carater digital do comando a ser implementado poderá fazer evidenciar fenómenos transitórios cuja identificação e análise poderá ser rica em ensinamentos. Para tal, foi implementado o seguinte circuito hidráulico: Figura 4.1 - Circuito hidráulico do conjunto de exercícios A Tal como é possível observar, os componentes hidráulicos usados são:  Grupo hidráulico 1: o Bomba de cilindrada fixa de 16 cm3;  Atuador linear de duplo efeito simétrico: o Dimensões 50x36 – 500;  Eletroválvula de centro aberto (com P ligado a T) e atuador obturado: o Y1 ligado à ficha S1 – movimento de recuo; o Y2 ligado à ficha S2 – movimento de avanço;  Válvula reguladora de caudal de 2 orifícios: o Posição 0 – completamente fechada o Posição 10 – completamente aberta Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 35  Válvula limitadora de pressão A nível de detetores e transdutores, estão presentes:  Transdutor de posição potenciométrico;  Transdutor de velocidade linear;  Detetores de fim de curso: o FDC1 – atuador recuado; o FDC4 – atuador avançado;  Transdutores de pressão: o TP1 – ligado à câmara A do atuador; o TP2 – ligado à câmara B do atuador; o TP3 – ligado à válvula limitadora de pressão – pressão do circuito. A variação de velocidade do atuador é conseguida através do ajuste manual da válvula reguladora de caudal de dois orifícios. A colocação desta em comando secundário (meter-out) permite criar uma contrapressão durante o movimento. O movimento do atuador é confinado ao espaço compreendido entre os detetores FDC1 e FDC4. A distância entre os detetores pode ser alterada pelo utilizador. O movimento de avanço é definido como o movimento no sentido FDC1 para FDC4. Na figura apresentada, o atuador encontra-se na posição recuada. A utilização de um transdutor de posição, de um transdutor de velocidade e de três transdutores de pressão é o que permite dar a este conjunto de exercícios uma capacidade especial de análise do comportamento dos movimentos a serem realizados e, portanto, maior detalhe e rigor obter na compreensão de certos fenómenos. 4.1.1 Análise prévia do circuito hidráulico Tratando-se do movimento de um atuador simétrico, é de esperar que os seus movimentos de avanço e de recuo sejam bastante semelhantes, para um determinado ajuste de caudal. Este ajuste e, por consequência, o ajuste da velocidade do atuador, pode, por exemplo, ser conseguido por intermédio da variação da área de passagem de uma válvula estranguladora. Considerando um escoamento turbulento, a relação entre a área de passagem (𝐴𝑣) e o caudal que a atravessa é dada pela seguinte expressão: 𝑄=𝐶𝑑.𝐴𝑣.√2∆𝑝 𝜌 Onde: 𝑄 – caudal que atravessa a válvula 𝐶𝑑 – coeficiente de descarga 𝐴𝑣 – área de passagem ∆𝑝 – queda de pressão entre os orifícios da válvula 𝜌 – massa específica do fluido Como a válvula utilizada, no entanto, é uma válvula reguladora de caudal, e, portanto, uma válvula compensada à carga, a queda de pressão entre os orifícios do estrangulador sensor que existe no seu interior (∆𝑝) é constante, pelo que o caudal que a atravessa vem dado por: Exercícios de comando digital do movimento 36 𝑄=𝐾𝑣.𝐴𝑣 Onde: 𝑄 – caudal que atravessa a válvula 𝐾𝑣 – constante da válvula 𝐴𝑣 – área de passagem Acoplado à mesa móvel movida pela haste do atuador encontra-se um transdutor de velocidade. Com o sinal que este gera, é possível determinar o caudal de óleo que atravessa o circuito, através da expressão: 𝑄=𝑣×𝐴 Onde: 𝑄 – caudal 𝑣 – velocidade do atuador 𝐴 – área do êmbolo do atuador Na Tabela 4.1 é apresentado o cálculo da área do êmbolo do atuador, tendo em conta as suas dimensões: Diâmetro êmbolo [D] Diâmetro haste [d] Área êmbolo 𝑨= 𝝅(𝑫𝟐−𝒅𝟐) 𝟒 50 𝑚𝑚 36 𝑚𝑚 9,456 𝑐𝑚2 Tabela 4.1 - Dimensões do atuador linear simétrico Durante o movimento de avanço, a câmara A do atuador encontra-se à pressão do circuito (i. e. a pressão definida pelo ajuste da válvula limitadora de pressão – trata-se de um circuito em fonte de pressão). A colocação da válvula reguladora de caudal em meter-out faz com que exista uma contrapressão na câmara B do atuador durante o movimento. A consequência deste facto será que parte da energia fornecida para realizar o movimento do atuador será usada para contrabalançar a resistência induzida pela válvula reguladora de caudal. Para o movimento de recuo podem ser feitas as mesmas considerações realizadas para o movimento de avanço. 4.1.2 Exercício A1 – Análise do movimento de avanço e de recuo Neste exercício é pretendido avaliar a influência do valor da carga inercial aplicada ao atuador durante o movimento de avanço e de recuo, perante diferentes velocidades (diferentes ajustes da válvula reguladora de caudal). Para tal são medidos os tempos de avanço e de recuo do atuador, segundo o diagrama temporal apresentado na Figura 4.2. Nele são representados os movimentos realizados pelo atuador, bem como a sua relação com os FDC1 e FDC4 que identificam a localização do início e do fim de cada movimento. O campo de deteção do FDC1, embora tenha uma caraterística dependente da posição, é evidenciado com uma representação aparentemente temporal, para facilidade de compreensão. Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 37 Figura 4.2 - Diagrama temporal de determinação dos tempos de avanço e recuo no exercício A1 No diagrama da Figura 4.2 está evidenciado que o “tempo de avanço” é medido pelo tempo decorrido entre as transições descendente do FDC1 e ascendente do FDC4, sendo o contrário para a medição do “tempo de recuo”. É evidenciado também que o movimento efetivo do atuador excede o curso compreendido entre as transições descendente e ascendente dos FDC, atendendo à eventualidade de ocorrerem sobrecursos, quer no movimento de avanço, quer no movimento de recuo. É neste contexto que é medido o curso compreendido entre as transições dos FDC, por medição das posições em que cada um dos detetores comuta. Esta medição, portanto, não corresponde à totalidade do curso efetivamente realizado pelo atuador, pois o movimento iniciase antes da comutação do FDC1 e termina depois da comutação de FDC4, no caso do avanço do atuador, sendo o reverso para o movimento de recuo, como aliás também é evidenciado na Figura 4.2. São também medidas as respetivas velocidades de avanço e de recuo, através do transdutor de velocidade linear acoplado ao atuador. Com esta informação é calculado automaticamente o valor do caudal de óleo, em cada um dos movimentos. A transição entre o movimento de avanço e o de recuo é intercalada com uma espera de aproximadamente 2 segundos, durante a qual a válvula direcional se encontra na sua posição central - Figura 4.3, e o atuador assume o estado de parado. Assim é garantido que os movimentos de avanço e de recuo são realizados com as mesmas condições iniciais. Figura 4.3 - Diagrama temporal de movimento do atuador 4.1.2.1 Interface gráfica A escolha deste exercício pressupõe a apresentação de ecrãs introdutórios, após os quais surge o seguinte ecrã de execução: Exercícios de comando digital do movimento 44 4.1.3.1 Interface gráfica Após a apresentação dos ecrãs de informação introdutórios, surge o seguinte ecrã de execução do exercício A2: Figura 4.9 – Ecrã de execução do exercício A2 Como é possível observar, neste ecrã o utilizador tem disponíveis informações sobre a pressão do circuito, a pressão em ambas as câmaras do atuador durante o movimento de avanço e de recuo e o respetivo diferencial, assim como os vários valores de potência anteriormente referidos. São também determinados, de forma automática, os valores de eficiência total (relativamente ao valor de potência hidráulica gerada) e relativa (relativamente aos valores de potência efetivamente disponível para o movimento). 4.1.3.2 Resultados obtidos Tal como no exercício A1, para este exercício foram realizados dois ensaios distintos: o primeiro visou a determinação da influência do ajuste da válvula reguladora de caudal nos valores de potência, enquanto o segundo ensaio visou a determinação da influência da alteração da carga inercial. Ambos os ensaios foram realizados com a pressão máxima do circuito ajustada a 50 bar.  1º ensaio – com alteração de velocidade do atuador (por ajuste da válvula reguladora de caudal) Para este ensaio realizaram-se três ajustes distintos da válvula reguladora de caudal (idênticos aos realizados para o exercício A1), o que se traduziu em três velocidades diferentes: 1. Ajuste 3 – velocidade média de 74,6 mm/s 2. Ajuste 4 – velocidade média de 135,6 mm/s 3. Ajuste 5 – velocidade média de 201,1 mm/s O valor de carga inercial foi mantido nos 100 kg (o peso próprio da mesa móvel) Na Tabela 4.7 são apresentados os resultados de potência gerada, potência dissipada na válvula limitadora de pressão e potência efetiva obtidos neste ensaio, para o movimento de avanço (o movimento de recuo será semelhante, como ficou patente no exercício A1): Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 45 Ajuste VRC Ajuste 3 Ajuste 4 Ajuste 5 Potência [W] Gerada 1982 100% 1947 100% 1880 100% VLP 1635 82,5% 1375 70,6% 1048 55,7% Efetiva 348 17,5% 572 29,4% 832 44,3% Tabela 4.7 – Comparação entre valores de potência gerada, efetiva e dissipada na VLP obtidos no 1º ensaio ao exercício A2 Uma primeira análise à Tabela 4.7 permite verificar que a potência hidráulica gerada decresce com o aumento da velocidade do atuador. Isto deve-se ao facto da pressão máxima do circuito sofrer uma redução, fruto da diminuição de caudal que atravessa a válvula limitadora de pressão (um maior caudal é disponibilizado para o movimento do atuador devido ao menor estrangulamento da válvula reguladora de caudal). Este facto é também comprovado pela diminuição de potência dissipada na válvula limitadora perante um aumento da velocidade. Assim, verifica-se um aumento nominal e percentual da potência efetivamente disponibilizada para o movimento do atuador. Os valores obtidos de potência para movimento do atuador e de potência dissipada na válvula reguladora de caudal são apresentados na Tabela 4.8. Ajuste VRC Ajuste 3 Ajuste 4 Ajuste 5 Potência [W] Efetiva 348 100% 572 100% 832 100% Atuador 72 20,7% 103 18,0% 146 17,5% VRC 276 79,3% 469 82,0% 686 82,5% Tabela 4.8 – Comparação entre valores de potência efetiva, do atuador e dissipada na VRC obtidos no 1º ensaio ao exercício A2 Verifica-se que o aumento de potência efetiva é acompanhado de um aumento da potência consumida pelo atuador e de potência dissipada na válvula reguladora de caudal, o que era esperado, visto existir um aumento do caudal que atravessa esses componentes. Contudo, o aumento nestes valores é realizado de forma desigual: observa-se que a relação entre a potência consumida para o movimento e a potência efetiva apresenta uma tendência decrescente. Isto significa que, com o aumento da velocidade, a parte da energia utilizada para o movimento do atuador é sucessivamente menor, relativamente à energia efetivamente fornecida. Isto deve-se ao facto de a queda de pressão entre as câmaras do atuador não ser independente da velocidade do mesmo, apresentando uma tendência também decrescente, como se pode verificar na Tabela 4.9: Ajuste VRC Ajuste 3 Ajuste 4 Ajuste 5 Diferencial pressão atuador [bar] 10,0 8,4 7,6 Tabela 4.9 - Diferencial de pressão entre as câmaras do atuador observado no 1º ensaio ao exercício A2 A diminuição do diferencial de pressão nas câmaras do atuador é explicada pela diminuição das forças de atrito com o aumento da velocidade de movimento. Uma vez que uma menor energia fornecida é utilizada para o movimento do atuador, tal implica que exista um aumento relativo da potência dissipada na válvula reguladora de caudal.  2º ensaio – com alteração da carga inercial Neste ensaio fixou-se o ajuste 4 na válvula reguladora de caudal, o que se traduziu, como referido anteriormente, num movimento de velocidade na ordem dos 190 mm/s. O valor de Exercícios de comando digital do movimento 46 carga inercial foi sucessivamente aumentado até perfazer o valor máximo disponível. Os resultados de potência gerada, potência dissipada na válvula limitadora de pressão e potência efetivamente disponibilizada são apresentados na Tabela 4.10: Carga [kg] 100 200 300 Potência [W] Gerada 1947 100% 1930 100% 1926 100% VLP 1375 70,6% 1359 70,4% 1358 70,5% Efetiva 572 29,4% 571 29,6% 568 29,5% Tabela 4.10 – Comparação entre valores de potência gerada, efetiva e dissipada na VLP obtidos no 2º ensaio ao exercício A2 A análise aos valores de potência expressos na Tabela 4.10 permite verificar que estes são relativamente independentes do valor de carga inercial (existe uma variação de cerca de 1%). Estes resultados eram os esperados, dada a natureza da carga. Apesar do valor relativamente constante do valor de potência efetiva, verifica-se uma alteração não desprezável dos valores de potência consumida para o movimento do atuador e de potência dissipada pela válvula reguladora de caudal, como mostrado na Tabela 4.11. Carga [kg] 100 200 300 Potência [W] Efetiva 572 100% 571 100% 568 100% Atuador 101 17,7% 102 17,9% 109 19,2% VRC 471 82,3% 469 82,1% 459 80,8% Tabela 4.11 - Comparação entre valores de potência efetiva, do atuador e dissipada na VRC obtidos no 2º ensaio ao exercício A2 O aumento da carga inercial leva a um aumento das forças de atrito no atuador (uma vez que estas relacionam-se com a carga normal ao sentido de movimento, que, neste caso, é o peso da mesa móvel). Isto leva a que, para cada valor de carga, o diferencial de pressão entre as câmaras do atuador seja sucessiva e marginalmente maior, como mostra a Tabela 4.12: Carga [kg] 100 200 300 Diferencial pressão atuador [bar] 8,4 8,5 8,9 Tabela 4.12 - Diferencial de pressão entre as câmaras do atuador observado no 2º ensaio ao exercício A2 Devido a este facto, a potência consumida para o movimento do atuador possui uma tendência crescente com o aumento da carga inercial. Em oposição, o valor de potência dissipada na válvula reguladora de caudal é menor (o diferencial de pressão aos seus orifícios é menor). 4.1.4 Exercício A3 – Dinâmica de paragem do atuador Neste exercício pretende-se que seja realizada uma avaliação dinâmica do atuador quando este é sujeito a um comando de paragem. Sempre que o atuador atinge qualquer um dos detetores de fim de curso, a válvula direcional retorna à posição central, permitindo a paragem do mesmo. Neste momento é medido:  O desvio posicional da mesa relativamente ao ponto de reconhecimento do detetor (sobrecurso) - Figura 4.10; Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 47 Figura 4.10 - Determinação do sobrecurso durante a paragem do atuador  O tempo efetivo de paragem (descontado o tempo de reconhecimento do comando de paragem) - Figura 4.11; Figura 4.11 – Cálculo do tempo de paragem do atuador no exercício A3  A desaceleração média sofrida pelo atuador (tendo em consideração a velocidade de movimento e o tempo de paragem referido anteriormente);  As pressões verificadas nas duas câmaras do atuador no início da sua paragem. 4.1.4.1 Interface gráfica Após a passagem pelos ecrãs de informação do exercício, surge o seguinte ecrã de execução: Figura 4.12 - Interface gráfica do exercício A3 Exercícios de comando digital do movimento 48 Neste ecrã são disponibilizados os valores de tempos, desvios, desacelerações e pressões referidos anteriormente, para cada movimento de avanço e de recuo. Tal como nos exercícios anteriores, é também fornecida informação sobre a velocidade e o caudal de óleo em cada movimento. 4.1.4.2 Resultados obtidos Seguindo a mesma estratégia de ensaios aplicada nos exercícios A1 e A2, neste exercício foram realizados dois ensaios distintos, visando a determinação da influência da alteração da velocidade do atuador e da carga inercial. Aproveitando as caraterísticas que este exercício oferece, ambos os ensaios foram realizados com duas válvulas direcionais distintas: válvula com P ligado a T (A e B fechados) e válvula com centro em “Y” (A e B ligados a T). Assim pretende-se também caraterizar eventuais diferenças no comportamento do atuador, introduzidas pela utilização de válvulas com configurações de posição central distintas. De referir que estes ensaios foram realizados nas mesmas condições que os descritos para o exercício A2 (pressão máxima do circuito ajustada a 50 bar), tendo obtido os seguintes resultados para o movimento de avanço:  1º ensaio – com alteração da velocidade do atuador Foram realizados três ajustes distintos da válvula reguladora de caudal, o que se traduziu nos seguintes resultados: Ajuste VRC Ajuste 3 Ajuste 4 Ajuste 5 Válvula direcional P ligado a T Centro em Y P ligado a T Centro em Y P ligado a T Centro em Y Sobrecurso [mm] 8,4 9,0 15,3 16,5 28,5 28,8 Tempo paragem [ms] 105 116 118 119 141,6 145,8 Desaceleração [mm/s2] 754 666 1135 1098 1449 1429 Tabela 4.13 – Resultados obtidos do 1º ensaio ao exercício A3 Da análise da Tabela 4.13 é possível observar que o aumento da velocidade do atuador implica um aumento no sobrecurso de paragem, para ambas as válvulas. Os tempos de paragem são também claramente afetados, o que sugere que estes parâmetros são bastante influenciados pela velocidade do atuador. Relativamente à utilização de válvulas direcionais de configurações diferentes, era esperado uma diferença bastante mais significativa do que as efetivamente obtidas. Com a válvula de centro em “Y” a frenagem do atuador é conseguida pelo equilíbrio de forças hidráulicas, o que implicaria um pior desempenho dinâmico do atuador, por contraposição da válvula com A e B obturados, onde efetivamente existe um bloqueio à passagem de caudal, logo a frenagem seria mais eficaz. Uma das razões para a qual não ser mais significativa a diferença entre as duas válvulas prender-se-á com atrito excessivo introduzido pelos vedantes do atuador, tornando-se assim efetivamente responsável pela sua frenagem. Na Tabela 4.14 são apresentados os valores de pressão registados no início da paragem do atuador. Como ficou patente em exercícios anteriores, o diferencial de pressão entre as duas câmaras é menor conforme a velocidade do atuador aumenta, facto que se verifica igualmente neste exercício. Embora o ensaio tenha sido realizado sob as mesmas condições funcionais para Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 49 as duas válvulas, verifica-se que os valores de pressão registados para a válvula de centro em “Y” são inferiores que os registados na válvula com A e B obturados. Isto deve-se ao facto de, na posição central, A e B se encontrem ligados a T, fazendo com que, na paragem, exista uma descarga ao tanque, diminuindo os valores de pressão verificados. Ajuste VRC Ajuste 3 Ajuste 4 Ajuste 5 Válvula direcional P ligado a T Centro em Y P ligado a T Centro em Y P ligado a T Centro em Y Pressão A [bar] 48,2 42,8 46,3 34,0 43,4 25,7 Pressão B [bar] 35,2 32,6 37,6 24,5 35,2 17,0 Diferencial [bar] 13,0 10,2 8,7 9,5 8,2 8,7 Tabela 4.14 – Valores de pressão verificados nas câmaras do atuador no 1º ensaio ao exercício A3  2º ensaio – com alteração da carga inercial Neste ensaio o valor da carga inercial foi incrementado em intervalos de 100 kg até perfazer o valor máximo disponível. Os resultados obtidos são apresentados na Tabela 4.15 e na Tabela 4.16: Carga [kg] 100 200 300 Válvula direcional P ligado a T Centro em Y P ligado a T Centro em Y P ligado a T Centro em Y Sobrecurso [mm] 15,3 16,5 18,1 17,9 20,0 21,4 Tempo paragem [ms] 118 119 123 125 146 149 Desaceleração [mm/s2] 1135 1098 1024 991 903 833 Tabela 4.15 – Resultados obtidos no 2º ensaio ao exercício A3 Carga [kg] 100 200 300 Válvula direcional P ligado a T Centro em Y P ligado a T Centro em Y P ligado a T Centro em Y Pressão A [bar] 46,3 34,1 46,1 34,5 46,3 33,7 Pressão B [bar] 37,6 24,5 37,7 24,7 37,1 23,6 Diferencial [bar] 8,7 9,6 8,4 9,8 9,2 10,1 Tabela 4.16 – Valores de pressão verificados nas câmaras do atuador no 2º ensaio ao exercício A3 Tal como era esperado, a carga inercial tem influência na dinâmica de paragem do atuador: o aumento da carga faz com que seja verificada um sobrecurso maior, para o mesmo ajuste da válvula reguladora de caudal. Os tempos de paragem são afetados no mesmo sentido. A frenagem do atuador torna-se menos eficaz, como demonstrado pela diminuição da desaceleração média verificada para cada carga. Uma vez mais verifica-se que não existem diferenças consideráveis entre a utilização de uma válvula com A e B fechado e uma de centro em “Y”, ao contrário do que era esperado. É reafirmada assim a possibilidade de que a frenagem esteja a ser indevidamente assegurada pelo atrito introduzido pelos vedantes do atuador. Exercícios de comando digital do movimento 50 4.1.5 Exercício A4 – Movimento cíclico: estudo das inversões de movimento Este exercício surge na sequência do exercício A3. Pretende-se agora avaliar o comportamento do atuador quando é sujeito a um movimento cíclico contínuo, nomeadamente ao nível das inversões de sentido de movimento. É, portanto, a transposição do exercício 1 referido no ponto 2.2.2, com algumas alterações:  É abandonada a medição dos tempos de avanço e de recuo, pois não acrescenta informação relativamente ao exercício A1;  Tal como nos exercícios anteriores, são apresentados os valores de velocidade do movimento do atuador, com base na informação gerada pelo transdutor de velocidade associado ao atuador, e determinados os caudais de óleo envolvidos em cada movimento;  É mantida a medição dos tempos de inversão de movimento;  À semelhança do que acontece no exercício A3, é acrescentada a funcionalidade de medição dos desvios posicionais máximos relativamente ao ponto de reconhecimento do sensor de fim de curso (sobrecurso), a medição do tempo de paragem do atuador durante a inversão e respetiva desaceleração média, assim como os valores de pressão médios e máximos verificados durante todo o ciclo de movimento. 4.1.5.1 Interface gráfica Após a apresentação dos ecrãs informativos do exercício, o utilizador tem à sua disposição o seguinte ecrã de interface: Figura 4.13 - Interface gráfica do exercício A4 Neste ecrã é disponibilizada informação relativamente à velocidade do atuador e caudal de óleo em cada movimento de avanço e de recuo, à semelhança dos exercícios anteriores, assim como de todos os parâmetros referidos anteriormente. Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 51 4.1.5.2 Resultados obtidos Este exercício apresenta-se como uma evolução lógica do exercício A3. Como tal, foram realizados ensaios nas mesmas condições dos realizados para esse exercício. De seguida apresentam-se os resultados obtidos para o movimento de avanço de cada ensaio realizado:  1º ensaio – com alteração da velocidade do atuador Ajuste VRC Ajuste 3 Ajuste 4 Ajuste 5 Válvula direcional P ligado a T Centro em Y P ligado a T Centro em Y P ligado a T Centro em Y Sobrecurso [mm] 12,0 10,6 18,8 18,8 27,3 28,6 Tempo inversão [ms] 152 169 148 152 140 147 Tempo paragem [ms] 71 80 78 80 78 85 Desaceleração [mm/s2] 1037 962 1705 1669 2591 2326 Tabela 4.17 – Resultados obtidos no 1º ensaio ao exercício A4 À semelhança do exercício A3, o aumento da velocidade implica um aumento no sobrecurso verificado durante a inversão do movimento, assim como do tempo de paragem e da desaceleração média do atuador. Naturalmente, os tempos de paragem do atuador são inferiores aos verificados no exercício A3, dado que a frenagem é conseguida pela inversão do caudal de óleo. Isto implica que os valores de desaceleração sejam superiores, como efetivamente acontece. Relativamente aos tempos de inversão de movimento, verifica-se igualmente uma diminuição dos mesmos com o aumento da velocidade do atuador. Uma vez mais não são observadas diferenças significativas entre os resultados obtidos com a válvula direcional com centro A e B fechados e com a válvula com centro em “Y”. Os valores de pressão das câmaras do atuador, verificados no início da inversão de movimento, são bastante semelhantes em ambas as válvulas, como demonstrado na Tabela 4.18. Tal contrasta com o que foi observado no exercício A3, onde as pressões registadas para as duas válvulas apresentavam diferenças claras. Ajuste VRC Ajuste 3 Ajuste 4 Ajuste 5 Válvula direcional P ligado a T Centro em Y P ligado a T Centro em Y P ligado a T Centro em Y Pressão A [bar] 47,5 47,4 44,5 44,4 41,1 39,1 Pressão B [bar] 36,7 37,7 35,7 35,7 34,8 32,8 Diferencial [bar] 10,8 9,7 8,8 8,7 6,3 6,3 Tabela 4.18 - Valores de pressão verificados no 1º ensaio ao exercício A4 Exercícios de comando digital do movimento 52  2º ensaio – alteração da carga inercial Carga [kg] 100 200 300 Válvula direcional P ligado a T Centro em Y P ligado a T Centro em Y P ligado a T Centro em Y Sobrecurso [mm] 18,8 18,8 17,9 19,5 18,4 20,2 Tempo inversão [ms] 148 152 147 162 146 154 Tempo paragem [ms] 78 80 76 83 80 87 Desaceleração [mm/s2] 1705 1669 1795 1581 1635 1563 Tabela 4.19 – Resultados obtidos no 2º ensaio ao exercício A4 Neste ensaio, é possível observar que o valor de sobrecurso praticamente se mantém constante, independente da carga inercial aplicada, ao contrário do que aconteceu nos ensaios do exercício A3. Não existe uma tendência definida para os tempos de inversão e para os valores de desaceleração médias. Contudo os tempos de paragem apresentam uma tendência crescente, sugerindo alguma dependência do valor de carga, como fora verificado no exercício A3. Carga [kg] 100 200 300 Válvula direcional P ligado a T Centro em Y P ligado a T Centro em Y P ligado a T Centro em Y Pressão A [bar] 44,5 44,4 44,5 43,4 44,0 43,7 Pressão B [bar] 35,7 35,7 36,3 35,5 34,9 35,1 Diferencial [bar] 8,8 8,7 8,2 7,9 9,1 8,6 Tabela 4.20 - Valores de pressão verificados no 2º ensaio ao exercício A4 Relativamente aos valores de pressão, é verificado que, para ambas as válvulas, estes são bastante semelhantes, para cada configuração de carga. 4.1.6 Exercício A5 – Movimento cíclico: compensação dos desvios de curso ocorridos nas inversões Neste exercício é pretendido determinar os desvios de curso do atuador durante as inversões de movimento relativamente ao ponto médio de atuação dos sensores de fim de curso, e permitir o uso dessa informação para a realização de uma compensação. Trata-se da transposição do exercício 2, descrito no ponto 2.2.2 da presente dissertação, para a nova estrutura de programação de interface. 4.1.6.1 Interface gráfica O ecrã de execução deste exercício é bastante semelhante aos dos restantes exercícios do grupo: Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 53 Figura 4.14 - Interface gráfica do exercício A5 Neste ecrã é apresentada toda a informação que leva ao cálculo dos desvios de curso durante as inversões. É também disponibilizado o comando para a ativação da função de compensação implementada. Caso o utilizador pretenda, é possível visualizar os valores dos desvios sob a forma gráfica: Figura 4.15 - Gráfico de desvios de curso 4.1.6.2 Resultados obtidos Semelhante aos exercícios anteriores, foram realizados dois ensaios distintos para este exercício, visando a determinação da sua capacidade de compensação de desvio de curso para diferentes configurações de velocidade e de carga do atuador. Estes ensaios decorreram com uma pressão máxima do circuito de 50 bar. Seguidamente são apresentados os resultados obtidos para o movimento de avanço:  1º ensaio – alteração da velocidade do atuador Neste ensaio foram realizados três ajustes distintos da válvula reguladora de caudal, o que resultou em três velocidades distintas do atuador. A carga do atuador foi mantida no seu valor mínimo (100 kg). O resultado é apresentado no gráfico da Figura 4.16: Exercícios de comando digital do movimento 60 Figura 4.23 - Equilíbrio de forças com carga atuante na câmara secundária Equilíbrio de forças: 𝐹𝐵−𝐹𝐴=𝑃⇒ 𝑝𝐵𝐴𝐵−𝑝𝐴𝐴𝐴=2𝑀𝑔⇒ (𝑝𝐵−𝑝𝐴𝛼)𝐴𝐵=2𝑀𝑔 Verifica-se assim que o diferencial 𝑝𝐵−𝑝𝐴𝛼 é constante e independente da velocidade do atuador, uma vez que todos os restantes elementos da equação apresentada são também eles constantes. A expressão apresentada é igualmente válida para o movimento de descida da massa (movimento de avanço do atuador), uma vez que, para evitar o fenómeno de cavitação na câmara A e de multiplicação de pressão na câmara B, a válvula de contrapressão, instalada à saída desta última, terá que possuir um ajuste mínimo idêntico ao valor de pressão imposto pela carga: 𝑝𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑎𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜=2𝑀𝑔 𝐴𝐵≅14,5 [𝑏𝑎𝑟] Considerações semelhantes poderão ser realizadas para o caso em que a carga atua sobre a câmara principal do atuador. Para este caso, no movimento de subida da massa (que corresponde ao avanço do atuador) será a câmara B a possuir um valor residual de pressão, enquanto a câmara A possuirá uma pressão mínima que é imposta pela carga. Para o movimento de descida da massa, a contrapressão imposta pela válvula (agora colocada à saída da câmara A) terá que ser, no mínimo: 𝑝𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑎𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜=2𝑀𝑔 𝐴𝐴≅10 [𝑏𝑎𝑟] De referir que a relação entre os dois ajustes mínimos de contrapressão é de valor idêntico à razão de áreas do atuador, o que é expectável. Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 61 Figura 4.24 - Equilíbrio de forças com carga atuante na câmara principal Equilíbrio de forças: 𝐹𝐴−𝐹𝐵=𝑃⇒ 𝑝𝐴𝐴𝐴−𝑝𝐵𝐴𝐵=2𝑀𝑔⇒ (𝑝𝐴−𝑝𝐵 𝛼)𝐴𝐴=2𝑀𝑔 4.2.2 Exercício B1 – Estudo do movimento de subida e descida da massa com carga atuante na câmara secundária Neste exercício é pretendido avaliar o movimento de subida e de descida da massa associada ao atuador assimétrico, na configuração de carga atuante na câmara secundária, perante diferentes condições de velocidade. Para tal, são medidos os tempos de subida e de descida, segundo o diagrama temporal apresentado: Figura 4.25 - Diagrama temporal de determinação dos tempos de subida e de descida da massa No diagrama da Figura 4.25 está evidenciado que o “tempo de subida” é medido pelo tempo decorrido entre as transições descendente de FDC_I e ascendente de FDC_S, sendo o contrário para a medição do “tempo de recuo”. É evidenciado também que o movimento do atuador excede o curso compreendido entre as transições descendente e ascendente dos FDC, atendendo à eventualidade de ocorrerem sobrecursos, quer no movimento de subida, quer no movimento de descida. Uma vez que, durante a execução do exercício, o caudal gerado pela bomba e o ajuste da válvula reguladora de caudal se mantêm inalterados, é expectável que os tempos de subida sejam inferiores aos tempos de descida (i.e. seja verificada uma velocidade superior na subida do que na descida), dada a diferença entre as áreas do êmbolo nas duas câmaras do atuador. Para cada movimento são também medidas as pressões em ambas as câmaras do atuador, através dos transdutores de pressão TP1 e TP2. Exercícios de comando digital do movimento 62 A transição entre o movimento de subida e o de descida é intercalada com uma espera de aproximadamente 2 segundos, durante o qual a válvula direcional se encontra na sua posição central - Figura 4.26. Assim é garantido que os movimentos de subida e de descida são realizados com as mesmas condições iniciais. Figura 4.26 - Diagrama temporal de movimento do atuador 4.2.2.1 Interface gráfica Para este exercício foi implementado o seguinte ecrã de execução: Figura 4.27 - Ecrã de execução do exercício B1 Neste ecrã são apresentados os tempos de subida e de descida da massa, e a respetiva relação entre eles, assim como os valores de pressão registados nas duas câmaras do atuador. Foi definido que os movimentos têm início no FDC_I, isto é, com a carga na posição mais baixa, pelo que são disponibilizados comandos para realizar a reposição do atuador. 4.2.2.2 Resultados obtidos Para a demonstração das capacidades deste exercício, foi realizado um ensaio de movimento visando a determinação da influência da velocidade do atuador nos diversos parâmetros aqui determinados. A pressão máxima do circuito, definida através da válvula limitadora de pressão, foi ajustada a 50 bar, enquanto a válvula de contrapressão foi ajustada para o valor mínimo definido na secção 4.2.1 (14,5 bar). Os detetores de fim de curso, inferior e superior, encontraram-se distanciados cerca de 230 mm entre si. Foram realizados três ajustes distintos da válvula reguladora de caudal (ajustes 2, 3 e 4). Na Figura 4.28 são apresentados os valores dos tempos de subida e descida da massa verificados para este ensaio. Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 63 Figura 4.28 - Tempos de subida e descida da massa registados no exercício B1 Como é possível observar pelo gráfico apresentado, existe uma elevada regularidade de tempos de subida e de descida. A diferença entre os valores registados para a subida e para a descida era expectável, visto tratar-se de um atuador assimétrico. Na Tabela 4.22 são apresentados os valores médios dos tempos registados para os três ajustes da válvula reguladora de caudal. É também apresentada a relação existente entre esses valores médios, assim como o valor da razão de áreas do atuador. Ajuste VRC Tempo subida [s] Tempo descida [s] Relação tempo descida/tempo subida Ajuste 2 5,758 8,534 1,482 Ajuste 3 2,223 3,277 1,474 Ajuste 4 1,195 1,772 1,483 Relação áreas do atuador 1,457 Tabela 4.22 - Tempos médios registados na subida e descida da massa Verifica-se que a relação entre os tempos de subida e de descida da massa é praticamente independente do ajuste da válvula reguladora de caudal. Os valores obtidos constituem uma boa aproximação ao valor da razão de áreas do atuador, como era esperado inicialmente. As pequenas diferenças poderão ser explicadas pela existência de erros e atrasos na leitura dos sensores, inerentes ao autómato, ou pelo facto de o ajuste da válvula de contrapressão ser ligeiramente superior ao pretendido, dado não possuir um ajuste fino. Os valores de pressão verificados nas duas câmaras do atuador durante o movimento de subida e durante o movimento de descida são apresentados na Figura 4.29 e na Figura 4.30, respetivamente. Tal como foi verificado anteriormente com os tempos de subida e de descida, existe uma elevada regularidade dos valores de pressão determinados em ambas as câmaras do atuador, para cada ajuste da válvula reguladora de caudal. Com o aumento do caudal, existe uma tendência, embora ligeira, de aumento das pressões verificadas em ambas as câmaras, quer no movimento de subida, quer no movimento de descida. Isto dever-se-á ao facto de, com maior caudal, existirem maiores perdas de carga nos engates rápidos e nas tubagens utilizadas. 0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 Tempo [s] Tempos de subida e de descida da massa Descida Subida Ajuste 2 Ajuste 3 Ajuste 4 Exercícios de comando digital do movimento 64 Figura 4.29 - Pressões registadas no movimento de subida Figura 4.30- Pressões registadas no movimento de descida De forma a simplificar a análise dos dados apresentados, na Tabela 4.23 são apresentados os valores médios de pressão verificados para cada ajuste da válvula reguladora de caudal, assim como os valores da relação 𝑝𝐵−𝑝𝐴𝛼. Ajuste VRC Subida Descida 𝑝𝐴 [𝑏𝑎𝑟] 𝑝𝐵[𝑏𝑎𝑟] 𝑝𝐵−𝑝𝐴𝛼 𝑝𝐴[𝑏𝑎𝑟] 𝑝𝐵[𝑏𝑎𝑟] 𝑝𝐵−𝑝𝐴𝛼 Ajuste 2 0,4 18,8 18,2 6,0 23,8 15,1 Ajuste 3 0,9 19,2 17,8 6,1 24,1 15,2 Ajuste 4 1,4 19,8 17,7 6,1 24,8 15,9 Tabela 4.23 - Valores médios de pressão Verifica-se que, durante o movimento de subida da massa, existe uma pressão residual na câmara A, provocada pela contrapressão das tubagens e engates rápidos. Com o aumento do caudal, essa contrapressão é maior, daí o aumento da pressão verificado para o sucessivo ajuste 0 5 10 15 20 25 Pressão [bar] Pressões registadas na subida Câmara A Câmara B Ajuste 2 Ajuste 3 Ajuste 4 0 5 10 15 20 25 30 Pressão [bar] Pressões registadas na descida Câmara A Câmara B Ajuste 2 Ajuste 3 Ajuste 4 Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 65 da válvula reguladora de caudal. Este facto também afeta o valor de pressão da câmara B no mesmo sentido. Aliado à contrapressão das tubagens e engates rápidos é necessário ter em conta o atrito dos vedantes e de outros elementos, que influenciam a força induzida pelo atuador. Note-se que a relação 𝑝𝐵−𝑝𝐴𝛼 era esperada possuir um valor constante, igual ao valor de pressão induzido pela carga (14,5 bar). No presente caso verifica-se que esta possui um valor acima, atribuído à necessidade de compensar essas forças de atrito. A velocidades superiores, o atrito é menor, o que explica o facto de o valor da relação diminuir com o aumento do caudal. No movimento de descida da massa, que corresponde ao avanço do atuador, o fator determinante para as pressões é o ajuste da válvula de contrapressão. Esta, ajustada para compensar o efeito da carga gravítica (14,5 bar), introduz uma contrapressão maior, traduzida pelos valores de pressão na câmara B, devido ao escoamento. A consequência desse facto é a existência de uma pressão na câmara A, de cerca de 6 bar, para que o movimento se realize. A relação 𝑝𝐵−𝑝𝐴𝛼, cujo valor deveria ser idêntico ao valor de contrapressão, evidencia também este facto, dado o seu valor se distanciar do valor teórico à medida que a velocidade aumenta (ao contrário do que acontece no movimento de subida da massa). 4.2.3 Exercício B2 – Estudo de movimento de subida e descida da massa com carga atuante na câmara principal Este exercício é bastante semelhante ao exercício B1, na medida em que se procede à medição dos mesmos parâmetros, sob as mesmas condições funcionais: tempos de subida e de descida da massa e pressões nas câmaras do atuador em ambos os movimentos. A diferença reside no facto de a carga gravítica atuar na câmara principal do atuador, implicando um diferente ajuste da válvula de contrapressão, uma vez que a sua posição, relativamente ao que acontece no exercício B1, é alterada (é colocada à saída da câmara principal). Os movimentos de subida e descida da massa correspondem ao avanço e recuo do atuador assimétrico, ao contrário do que acontece na configuração de carga atuante na câmara secundária, fruto da diferente disposição do cabo nas roldanas associadas. Tal como no exercício anterior, é esperado que os tempos de subida e de descida da massa sejam diferentes, uma vez que a velocidade irá ser diferente para os dois movimentos, fruto da relação de áreas do atuador. Contudo, aqui serão superiores os tempos de subida da massa, uma vez que este movimento é conseguido através do enchimento da câmara principal (A) do atuador. 4.2.3.1 Interface gráfica A interface gráfica implementada para este exercício é bastante semelhante à do exercício B1 - Figura 4.31 Tal como no ecrã de execução do exercício B1, são apresentados os valores de tempo de subida e de descida da massa, assim com a relação entre eles, e os valores de pressão verificados nas duas câmaras para ambos os movimentos. Exercícios de comando digital do movimento 66 Figura 4.31 - Ecrã de execução do exercício B2 4.2.3.2 Resultados obtidos De forma a permitir uma comparação com os resultados obtidos no exercício B1, foi realizado um ensaio do movimento sob as mesmas condições funcionais: pressão máxima do circuito ajustada a 50 bar e três ajustes distintos da válvula reguladora de caudal (ajustes 2, 3 e 4). Difere apenas o valor de contrapressão ajustado na válvula à saída da câmara principal (10 bar – valor mínimo de contrapressão necessária nesta configuração, como determinado no ponto 4.2.1). Contudo, este valor produz o mesmo efeito verificado no exercício B1, uma vez que a área do êmbolo na câmara respetiva é superior. Na Figura 4.32 são apresentados os valores dos tempos de subida e descida da massa verificados para este ensaio. Figura 4.32 – Tempos de subida e descida da massa registados no exercício B2 Uma vez mais é notória a regularidade de movimentos do atuador, para o mesmo ajuste da válvula reguladora de caudal. Como referido, são agora superiores os tempos de subida da 0 1 2 3 4 5 6 7 Tempo [s] Tempos de subida e de descida da massa Descida Subida Ajuste 2 Ajuste 3 Ajuste 4 Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 67 massa relativamente aos tempos de descida (sendo que, no exercício B1 acontece o contrário). Na Tabela 4.24 são apresentados os valores médios dos tempos de subida e de descida da massa, para os diferentes ajustes da válvula reguladora de caudal. Ajuste VRC Tempo subida [s] Tempo descida [s] Relação tempo subida/tempo descida Ajuste 2 5,820 3,987 1,460 Ajuste 3 2,224 1,507 1,476 Ajuste 4 1,283 0,854 1,502 Relação de áreas do atuador 1,457 Tabela 4.24 – Tempos médios de subida e de descida da massa no exercício B2 Uma vez mais constata-se que a relação entre os tempos permite obter uma boa aproximação ao valor da razão de áreas do atuador assimétrico. Tal como no exercício B1, as eventuais diferenças entre os valores dever-se-ão a erros inerentes à medição dos tempos, caraterísticos do autómato, e ao facto de a válvula de contrapressão não possuir um ajuste fino. Passando agora à análise das pressões verificadas nas câmaras durante o movimento de subida - Figura 4.33 - e de descida - Figura 4.34 – é possível observar que estes, tal como os tempos, possuem uma elevada regularidade, para cada ajuste da válvula reguladora de caudal. Esta regularidade permite que se obtenham os respetivos valores médios, apresentados na Tabela 4.25. Semelhante ao que foi verificado no ensaio realizado ao exercício B1, o movimento de subida da massa é caraterizado pela existência de uma pressão residual na câmara inativa (neste caso, a câmara B) devido à contrapressão introduzida pelos diversos elementos hidráulicos de ligação. A pressão na câmara A é então imposta pela carga gravítica externa, considerando também os atritos existentes no atuador. A relação 𝑝𝐴−𝑝𝐵𝛼 ⁄, que, como no caso anterior, deveria ser constante e de valor idêntico ao valor imposto pela carga (10 bar neste caso), evidencia o menor relevo das forças de atrito com o aumento da velocidade, uma vez que o seu valor decresce. Figura 4.33 - Pressões registadas no movimento de subida da massa 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Pressão [bar] Pressões registadas na subida Câmara A Câmara B Ajuste 2 Ajuste 3 Ajuste 4 Exercícios de comando digital do movimento 68 Figura 4.34 - Pressões registadas no movimento de descida da massa Ajuste VRC Subida Descida 𝑝𝐴 [𝑏𝑎𝑟] 𝑝𝐵[𝑏𝑎𝑟] 𝑝𝐴−𝑝𝐵 𝛼 𝑝𝐴[𝑏𝑎𝑟] 𝑝𝐵[𝑏𝑎𝑟] 𝑝𝐴−𝑝𝐵 𝛼 Ajuste 2 13,4 0,2 13,3 18,2 10,4 11,1 Ajuste 3 13,0 0,4 12,7 19,6 12,3 11,2 Ajuste 4 12,8 0,5 12,5 20,5 13,6 11,2 Tabela 4.25 – Pressões médias das câmaras do atuador no exercício B2 No movimento de descida, como ficou patente no exercício anterior, as pressões são impostas pela válvula de contrapressão. A pressão na câmara A é maior, fruto da maior área do êmbolo, do que a pressão na câmara B. A relação 𝑝𝐴−𝑝𝐵𝛼 ⁄ possui valores bastante próximos do valor de carga imposta pela carga, embora, tal como no exercício B1, possua uma tendência divergente com o aumento da velocidade do atuador. 4.2.4 Exercício B3 – Análise das inversões de movimento com carga atuante na câmara secundária. Neste exercício pretende-se avaliar o comportamento do atuador quando é sujeito a um movimento cíclico contínuo, nomeadamente ao nível das inversões de sentido de movimento. Trata-se de um exercício semelhante ao já apresentado exercício A4. Como tal, são medidos os tempos de inversão de sentido de movimento. Estes são definidos como o tempo que decorre entre um detetor de fim de curso ser comutado e ocorrer novamente a sua comutação já no sentido contrário de movimento - Figura 4.35. Figura 4.35 – Diagramas temporais de determinação dos tempos de inversão na subida e na descida da massa 0 5 10 15 20 25 Pressão [bar] Pressões registadas na descida Câmara A Câmara B Ajuste 2 Ajuste 3 Ajuste 4 Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 69 4.2.4.1 Interface gráfica Para este exercício foi implementado o seguinte ecrã de execução: Figura 4.36 - Ecrã de execução do exercício B3 Aqui são fornecidas as informações de pressão do circuito, assim como os tempos de inversão já definidos. Estes são também apresentados sob a forma gráfica. 4.2.4.2 Resultados obtidos Para a demonstração das capacidades deste exercício, foi realizado um ensaio do movimento do mesmo, visando a determinação da influência do ajuste da válvula reguladora de caudal (e por consequência, da velocidade do atuador) nos tempos de inversão do sentido do movimento. Este ensaio decorreu com a pressão máxima do circuito ajustada a 50 bar, tendo sido realizados três ajustes distintos da válvula reguladora de caudal (ajustes 2, 3 e 4). A válvula de contrapressão foi ajustada para o valor mínimo determinado no ponto 4.2.1, ou seja, 14,5 bar. Na Figura 4.37 são apresentados os resultados obtidos: Figura 4.37 - Tempos de inversão do movimento no exercício B3 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Tempo [ms] Tempos de inversão de movimento Subida->Descida Descida->Subida Ajuste 2 Ajuste 3 Ajuste 4 Exercícios de comando digital do movimento 76 Finalmente, partiu-se para a aplicação sucessiva e crescente de carga inercial até ao seu valor máximo, novamente com a válvula de contrapressão completamente aberta, desta forma analisando a influência deste parâmetro nas medições efetuadas. Todos os ensaios descritos foram realizados com a pressão da bomba ajustada a 50 bar. Os resultados obtidos são apresentados e analisados nos parágrafos seguintes.  1º ensaio – alteração da velocidade de rotação do motor (por ajuste da válvula reguladora de caudal) Na Figura 4.42 é apresentado um gráfico que relaciona os valores de velocidade de rotação com as perdas de carga, calculados para o motor sem carga inercial e para ambos os sentidos de movimento. Figura 4.42 - Relação entre velocidade e perdas de carga do motor, sem carga inercial A análise da figura permite verificar que existe uma relação de proporcionalidade direta entre a velocidade de rotação do motor e as perdas de carga no seu interior. Esta relação é traduzida pelas retas de regressão linear e respetivas expressões apresentadas, para cada sentido de rotação. As diferenças verificadas entre ambos os sentidos de rotação, apesar de mínimas (menos de 1 bar) poderão dever-se à configuração física interna do motor, que não se apresenta simétrica. Os resultados aqui obtidos vão de encontro ao que já foi verificado em exercícios anteriores, onde também se constatou a relação entre as perdas de carga e a velocidade do escoamento do óleo.  2º ensaio – alteração da contrapressão durante o movimento Na Figura 4.43 é apresentado o gráfico que relaciona a velocidade de rotação e as perdas de carga calculadas, com a contrapressão aplicada ao motor durante o seu movimento no sentido direto. Verifica-se que, tanto a velocidade de rotação do motor como as perdas de carga, não são significativamente influenciados pela contrapressão durante o movimento, para valores de ajuste desta última abaixo de 30 bar. 0 1 2 3 4 5 6 7 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Perdas de carga [bar] Velocidade [rpm] Rotação sem carga inercial sentido direto sentido retrógrado Linear (sentido direto) Linear (sentido retrógrado) Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 77 Para valores de contrapressão acima de 30 bar, próximas da pressão máxima do sistema (50 bar), verifica-se uma diminuição dos dois parâmetros aqui analisados. Isto deve-se à abertura parcial da válvula limitadora de pressão, o que faz com que algum caudal retorne ao reservatório por intermédio desta. Figura 4.43 - Relação entre contrapressão, velocidade de rotação e perdas de carga do motor  3º ensaio – alteração da carga inercial Na Figura 4.44 é apresentado um gráfico que relaciona os valores perdas de carga com a velocidade de rotação do motor, para diferentes cargas inerciais. Neste gráfico são também apresentadas as respetivas retas de regressão linear. Figura 4.44 - Relação entre velocidade e perdas de carga do motor, a diferentes cargas inerciais Verifica-se que a adição de carga inercial induz um aumento nas perdas de carga do motor hidráulico, relativamente ao caso sem carga analisado anteriormente. Este facto está diretamente relacionado com os atritos internos do motor: a colocação dos discos é realizada na extremidade do veio, levando ao aparecimento de um momento estático no mesmo. Este 010 20 30 40 50 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 1 2 3 4 5 6 010 20 30 40 50 Velocidade [rpm] Perdas de carga [bar] Contrapressão [bar] Rotação com alteração de contrapressão Perdas de carga Velocidade 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 500 1000 1500 2000 2500 Perdas de carga [bar] Velocidade [rpm] Rotação com alteração de carga inercial Sem carga 1 disco 3 discos Linear (Sem carga) Linear (1 disco) Linear (3 discos) Exercícios de comando digital do movimento 78 momento estático traduz-se num aumento das forças nos pontos de contacto (engrenagem, rolamentos), afetando assim os atritos neles verificados. A sucessiva adição de carga inercial produz efeitos também na fase de aceleração e desaceleração do motor. Uma maior carga traduz-se num maior tempo de aceleração e desaceleração. Embora essas grandezas não sejam aqui quantificadas, é possível observar a sua evolução através do gráfico de velocidade implementado no ecrã de execução do exercício. 4.3.3 Exercício C2 – Dinâmica de inversão do sentido de rotação Este é um exercício de demonstração didática onde se pode observar a capacidade de resposta do motor perante sucessivas ordens de inversão do seu sentido de movimento. Dada a natureza do comando utilizado, são também evidenciados fenómenos transitórios, tais como a ocorrência de sobrecurso e choque hidráulico, e a sua relação com a velocidade de rotação e a carga inercial aplicada ao motor. Ao utilizador é permitido, a qualquer momento, a definição do tempo para a comutação do sentido de movimento, assim como o ajuste da válvula reguladora de caudal. Apesar de persistir a medição de velocidade nos mesmos moldes que no exercício C1, este exercício é bastante dependente da capacidade de observação do utilizador, uma vez que, dado o nível de instrumentação associado ao motor hidráulico, não é possível a caraterização dos fenómenos transitórios referidos. 4.3.3.1 Interface gráfica Na Figura 4.45 é apresentado o ecrã de execução implementado para este exercício. Nele o utilizador poderá definir o tempo de comutação da válvula direcional, entre 1 a 10 segundos. Figura 4.45 - Ecrã de execução do exercício C2 É também apresentado um gráfico com a informação de velocidade de rotação do motor, facilitando assim a observação das variações neste parâmetro, introduzidas pela inversão do sentido de rotação. Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 79 4.3.3.2 Resultados obtidos Da execução do exercício C2, para diferentes ajustes da válvula reguladora de caudal, para diferentes cargas inerciais e para diferentes tempos de ordem de comutação da válvula direcional, é possível retirar as seguintes conclusões:  Com o motor sem carga inercial, não são observadas alterações significativas no comportamento deste durante a inversão, apesar do aumento quer de velocidade, quer da frequência de comutação da válvula direcional.  A adição de carga inercial evidencia os fenómenos de sobrecurso e de choque hidráulico durante a inversão do sentido de rotação. Estes são sucessivamente agravados pelo aumento da velocidade de rotação.  A capacidade de resposta do motor é negativamente afetada pelo valor de carga inercial, demorando mais tempo a acelerar e a desacelerar. Este facto é evidenciado pelo gráfico de velocidade apresentado no ecrã de execução.  A diminuição do tempo de ordem para comutação da válvula direcional implica também uma diminuição da capacidade de resposta do motor. Este facto é particularmente significativo no caso em que a carga inercial é máxima, onde o sistema perde totalmente a capacidade de atingir a velocidade ajustada. 4.3.4 Comandos, eventos e avisos Nos ecrãs de execução dos dois exercícios deste grupo estão disponíveis vários comandos para o utilizador:  Ligar/Desligar central hidráulica – comando para ligar ou desligar a central hidráulica. Caso seja dada ordem de desligar durante a rotação do motor, a válvula direcional retorna à sua posição central, e a central é desligada após a paragem completa do motor.  Iniciar movimentos – ordem para iniciar a execução de movimentos do exercício. Na zona de “Eventos” são apresentadas mensagens relativamente à execução de cada exercício:  Exercício em curso – indicação da execução de movimentos do motor.  Ordem de fim de exercício – significa que foi dada ordem de terminar exercício pelo utilizador. O desenvolvimento destes exercícios implicou a adição de funcionalidades com o objetivo de tornar o sistema mais eficiente e capaz de detetar a ocorrência de uma falha na execução do mesmo. A verificação de uma destas funcionalidades implica o aparecimento de uma mensagem correspondente na área de “Avisos”:  Velocidade excessiva do motor – como referido no início desta secção, devido a limitações na interface elétrica entre o autómato e o codificador angular, este apenas garante leituras corretas de velocidade até 2500 rpm  Central desligada devido a excesso de tempo de inatividade – foi definido um tempo máximo para que seja dada ordem de iniciar movimentos do exercício, a partir do momento em que a central se encontra ligada. Findo este tempo, é dada ordem de terminar exercício e a central é desligada. Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 81 5 Exercícios com comando proporcional do movimento Este capítulo é dedicado à apresentação dos exercícios de movimento materializado através de comando proporcional desenvolvidos na presente dissertação. Tal como os exercícios descritos no capítulo anterior, o objetivo do conjunto de exercícios agora apresentado é desenvolver competências nos utilizadores de compreensão e análise crítica das caraterísticas de um movimento realizado com a solução de comando referida. Seguindo a lógica de classificação anteriormente utilizada, os exercícios implementados foram classificados de acordo com o tipo de atuador utilizado:  Exercícios D – Atuador linear simétrico, sujeito a carga inercial ajustável;  Exercícios E – Atuador linear assimétrico, sujeito a carga gravítica;  Exercícios F – Motor hidráulico sujeito, a carga inercial ajustável. É importante referir que, nesta banca, através da utilização dos elementos de comando proporcional por ela disponibilizados, é possível a construção tanto de circuitos em fonte de pressão como de circuitos em fonte de caudal. Neste grupo de exercícios são explorados ambos os tipos de circuitos. Assim, nos exercícios que recorrem ao circuito em fonte de pressão, o comando do movimento é materializado por uma válvula direcional proporcional com feedback, colocada em série e comandada eletronicamente pela carta Rexroth VT5005. Já nos exercícios que recorrem ao circuito em fonte de caudal, é utilizada a bomba de cilindrada variável (grupo hidráulico 2), como gerador de caudal continuamente variável e cujo comando eletrónico é realizado por intermédio da carta VT5036. A programação dos exercícios foi realizada em linguagem LD, recorrendo a instruções de SET e RESET, com base nos SFC funcionais apresentados no Anexo D – SFC de programação de exercícios. Ao longo do presente capítulo é realizada uma descrição dos exercícios, incluindo as respetivas interfaces gráficas desenvolvidas. São também apresentados e analisados os resultados de cada um deles. 5.1 Exercícios D – Atuador linear simétrico, sujeito a carga inercial ajustável Este é um conjunto de exercícios que realizam o comando proporcional de movimento do atuador linear de duplo efeito simétrico presente no Módulo de Atuadores. De uma maneira geral, é pretendida uma análise às caraterísticas do seu movimento, sob diversas condições de velocidade e de carga. É pretendido igualmente um contraste com o caso de movimento realizado com comando digital, explorado no conjunto Exercícios A, descrito no capítulo anterior, sensibilizando o utilizador para as vantagens e desvantagens da hidráulica convencional e proporcional. Exercícios de comando proporcional do movimento 82 Para a concretização dos objetivos expostos, foram aplicados dois circuitos hidráulicos distintos, consoante a configuração da fonte de energia hidráulica: circuito em fonte de pressão e circuito em fonte de caudal. A descrição destes circuitos é realizada nas subsecções seguintes. 5.1.1 Análise prévia do circuito em fonte de pressão Os primeiros três exercícios pertencentes a este conjunto utilizam o circuito em fonte de pressão, cuja representação se encontra na Figura 5.1: Figura 5.1 – Circuito hidráulico em fonte de pressão do conjunto de exercícios D Este circuito faz uso dos seguintes componentes hidráulicos:  Grupo hidráulico 1;  Válvula direcional proporcional com feedback, de centro fechado; o Y1 – movimento de avanço – -10 a 0 V o Y2 – movimento de recuo – 0 a 10 V  Válvula limitadora de pressão. Relativamente a detetores e transdutores, são utilizados:  Detetores de fim de curso; o FDC1 – recuado o FDC4 - avançado  Transdutor de posição potenciométrico;  Transdutor de velocidade linear;  Transdutores de pressão; o TP1 – ligado à câmara A do atuador o TP2 – ligado à câmara B do atuador Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 83 o TP3 – ligado à válvula limitadora de pressão (pressão do circuito) A variação de velocidade do atuador é conseguida por intermédio da variação contínua da posição da gaveta da válvula direcional proporcional, cujo comando é realizado em malha fechada através da carta eletrónica VT5005. Trata-se de uma gaveta simétrica, proporcionando assim um estrangulamento semelhante em ambas as passagens na válvula. Este facto implica que o atuador é controlado tanto em meter-in como em meter-out, visto ser também ele simétrico. Para cada valor de abertura da gaveta, considerando que esta possui orifícios com arestas vivas, o valor de caudal que atravessa cada um dos estrangulamentos é proporcional à raiz quadrada da queda de pressão, conforme a seguinte expressão: 𝑄=𝐶𝐷.𝐴.√2∆𝑝 𝜌 𝑄 – caudal 𝐶𝐷 – coeficiente de descarga do orifício 𝐴 – área do orifício ∆𝑝 – queda de pressão no orifício 𝜌 – massa específica do fluido Por último, é importante referir o menor número de componentes, quando comparado com o circuito implementado para o conjunto de exercícios A. É evidência de uma das vantagens da hidráulica proporcional que esta solução oferece. 5.1.2 Análise prévia do circuito em fonte de caudal Os dois últimos exercícios possuem em comum a utilização de um circuito hidráulico em fonte de caudal, representado na Figura 5.2. Figura 5.2 – Circuito hidráulico em fonte de caudal do conjunto de exercícios D Exercícios de comando proporcional do movimento 84 Os elementos hidráulicos constituintes são:  Grupo hidráulico 2: o Bomba de cilindrada variável até 28 cm3;  Eletroválvula de centro em Y, com A e B ligado a T: o Y1 – movimento de recuo – ligação à ficha S1; o Y2 – movimento de avanço – ligação à ficha S2;  Válvula de contrapressão: o Ajuste de pressão: 20 bar;  Válvula limitadora de pressão. Ao nível de instrumentação, são utilizados os seguintes detetores e transdutores:  Detetores de fim de curso: o FDC1 – atuador recuado; o FDC4 – atuador avançado;  Transdutor de posição potenciométrico;  Transdutor de velocidade linear;  Transdutores de pressão: o TP1 – ligado à câmara A do atuador; o TP2 – ligado à câmara B do atuador; o TP3 – ligado à válvula limitadora de pressão – pressão da bomba. Este circuito utiliza a bomba de cilindrada variável constituinte do grupo hidráulico 2 como fonte de caudal variável. A variação de cilindrada é conseguida por intermédio do comando da carta eletrónica VT5036. Pelo facto de se tratar de uma bomba de circuito aberto, é necessário incluir a válvula direcional para definir o sentido de movimento do atuador e a válvula de contrapressão para garantir que mesmo durante a fase de desaceleração (frenagem) a bomba se encontra com uma carga positiva. Dado que se trata de um circuito em fonte de caudal, o valor da pressão do circuito é definida pela carga a que se encontra sujeito (i. e. a carga inercial do atuador e o ajuste de contrapressão, incluindo também a carga induzida pelas forças de atrito). Efetuando a configuração correta de todos os parâmetros, esta solução poderá apresentar-se energeticamente mais eficiente que as soluções apresentadas anteriormente, tanto convencionais como proporcionais. 5.1.3 Exercício D1 – Determinação da influência das rampas de aceleração e desaceleração no movimento, com circuito em fonte de pressão A caraterística mais significativa do uso de hidráulica proporcional para comando de movimento é a possibilidade de implementação de rampas de aceleração e desaceleração entre quaisquer dois níveis de velocidade do movimento do atuador. Esta caraterística permite suavizar as transições do sentido de movimento, reduzindo assim os picos de pressão e as suas consequências. Contudo, a introdução de rampas de aceleração e desaceleração pode provocar um eventual aumento do tempo de ciclo de movimento. De modo a sensibilizar o utilizador para estas questões surge o presente exercício. Pretende-se caraterizar a influência da aplicação de rampas de aceleração e desaceleração na dinâmica do sistema. O valor das rampas e o valor de comando da válvula são definidos pelo utilizador. Em cada ciclo de movimento completo de avanço e de recuo, são medidos os tempos de rampa de aceleração e desaceleração respetivos - Figura 5.3. Durante o movimento é medido Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 85 o valor do curso do atuador realizado a velocidade constante. Sempre que o atuador atinge o FDC4, em avanço, ou o FDC1, em recuo, é dada instrução de paragem do mesmo, sendo medidos os valores do tempo efetivo de paragem e o valor do sobrecurso verificado - Figura 5.4. Figura 5.3 – Determinação dos tempos de rampa Figura 5.4 - Dinâmica de paragem (tempo e sobrecurso) Estas informações são disponibilizadas ao utilizador através do ecrã de execução do exercício, representado na Figura 5.5. Neste ecrã, para além dos comandos habituais, é disponibilizada a possibilidade de alteração dos valores das rampas. Estes poderão variar entre 0 e 20 V/s. Figura 5.5 – Interface do exercício D1 5.1.3.1 Resultados obtidos Para este exercício foram realizados dois ensaios distintos pretendendo-se assim demonstrar as capacidades do mesmo. Ambos os ensaios foram realizados com a carga inercial do atuador no seu valor mínimo, isto é, 100 kg. Exercícios de comando proporcional do movimento 92 Não existe uma diferença substancial de comportamento quando comparado com o exercício A5 - Figura 5.10 e Figura 5.11. Eventuais diferenças devem-se à não correspondência exata dos valores de velocidade do atuador para os dois ensaios. Figura 5.10 - Desvios de curso verificados para diferentes velocidades Figura 5.11 - Desvios de curso verificados para diferentes velocidades  Ensaio 2 – variação das rampas de desaceleração Como já fora evidenciado no exercício D1, o valor das rampas de desaceleração tem influência sobre o desvio de curso verificado: um maior declive implica uma diminuição no sobrecurso. Este facto é também evidente nos resultados do presente ensaio ao exercício D3, apresentados na Figura 5.12: -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Desvio [mm] Movimento sem compensação Exercício A5 Exercício D3 -6 -4 -2 0 2 4 6 Desvio [mm] Movimento com compensação Exercício A5 Exercício D3 Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 93 Figura 5.12 – Desvios de curso verificados para diferentes valores de rampa de desaceleração De novo a função de compensação revela-se particularmente útil na diminuição do sobrecurso durante a inversão do sentido de movimento. 5.1.6 Exercício D4 – Análise de potência e eficiência durante o movimento do atuador com circuito em fonte de caudal Este exercício é bastante semelhante aos já apresentados exercícios A5 e D2, pretendendo-se efetuar um estudo energético do circuito em fonte de caudal. Assim são calculados os valores de potência hidráulica teórica disponibilizada pela bomba, de potência dissipada na válvula limitadora de pressão e potência efetivamente disponibilizada para o movimento. Esta última é dividida em potência utilizada pelo atuador (que depende das forças externas aplicadas ao mesmo) e potência dissipada na válvula de contrapressão. Na Figura 5.13 é apresentado o ecrã de execução deste exercício. Este é bastante semelhante aos ecrãs dos exercícios A5 e D2. Figura 5.13 – Ecrã de execução do exercício D4 -10,0 -5,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 Desvio [mm] Alteração de rampa de desaceleração Sem compensação Com compensação 25% 50% 100% Exercícios de comando proporcional do movimento 94 5.1.6.1 Resultados obtidos Foi realizado um ensaio de movimento ao exercício D4 com vista a determinar a influência da velocidade do atuador nos diversos parâmetros de potência aqui calculados. De modo a poder ser efetuada uma comparação com os resultados obtidos nos exercícios A5 e D2, o comando da bomba foi ajustado de modo a poderem ser obtidas velocidades semelhantes às obtidas nesses exercícios. Os resultados de potência hidráulica gerada, potência dissipada na válvula limitadora de pressão e potência efetiva são apresentados na Tabela 5.8: Comando bomba [%] 15 25 60 Potência [W] Gerada 254 100% 544 100% 1527 100% VLP 53 20,8% 176 32,3% 866 56,7% Efetiva 201 79,2% 368 67,7% 660 43,3% Tabela 5.8 – Comparação entre valores de potência gerada, efetiva e dissipada na VLP obtidos no ensaio ao exercício D5 Os valores de potência hidráulica gerada são bastante inferiores aos verificados em exercícios anteriores. Isto resulta do facto de a pressão do sistema ser definida pela carga do circuito hidráulico, uma vez que se trata de um circuito em fonte de caudal, em contraponto com os circuitos em fonte de pressão anteriormente utilizados. Disto resulta que, com o aumento da velocidade do atuador, seja verificado um aumento da pressão do sistema, com o consequente aumento da potência teórica, sendo assim outro aspeto diferenciador relativamente aos circuitos em fonte de pressão (onde era verificada uma diminuição da pressão do circuito com o aumento da velocidade). A tendência crescente do valor de potência gerada teórica implica também que seja verificada um aumento nominal da potência dissipada na válvula limitadora de pressão. Analisando agora os diferentes componentes da potência efetiva - Tabela 5.9 – concluise que, tal como tinha sido verificado nos ensaios aos exercícios A5 e D2, o valor de potência no atuador possui uma tendência decrescente, em termos relativos, com o aumento da velocidade. Nisto resulta que mais energia é dissipada pela válvula de contrapressão. Comando bomba [%] 15 25 60 Potência [W] Efetiva 201 100% 368 100% 660 100% Atuador 47 23,4% 93 25,2% 152 23,0% VCP 154 76,6% 295 54,3% 508 77,0% Tabela 5.9 - Comparação entre valores de potência efetiva, do atuador e dissipada na válvula de contrapressão Comparando agora os valores de potência efetiva dos exercícios A5, D2 e D4 - Tabela 5.10 – é notória a diferença verificada entre os dois tipos de circuito utilizados: o circuito “em fonte de caudal” disponibiliza uma menor energia ao circuito, produzindo os mesmos efeitos (mesmas velocidades) que as verificadas nos circuitos “em fonte de pressão”. Conclui-se assim que o circuito em fonte de caudal é energeticamente mais eficiente que os anteriores. Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 95 Exercício A2 Velocidade [mm/s] 74,6 135,6 201,1 Potência efetiva [W] 348 572 832 Exercício D2 Velocidade [mm/s] 71,8 140,1 205,9 Potência efetiva [W] 231 445 679 Exercício D4 Velocidade [mm/s] 75,4 130,6 204,4 Potência efetiva [W] 201 368 660 Tabela 5.10 – Comparação entre os resultados de potência efetiva dos exercícios A5, D2 e D5 5.1.7 Exercício D5 – Movimento cíclico: compensação dos desvios de curso ocorridos nas inversões de movimento com circuito em fonte de caudal Neste exercício, que se trata da transposição do exercício 4 (referenciado no ponto 2.2.2 do presente relatório) para a nova estrutura de programação da banca, é pretendido o cálculo dos desvios de curso do atuador durante as inversões de movimento relativamente ao ponto médio de atuação dos detetores de fim de curso. Na Figura 5.14 é apresentada a interface desenvolvida para a execução do exercício. Aqui o utilizador pode definir quer o valor de comando de cilindrada da bomba quer o valor das rampas de aceleração e desaceleração do atuador. Caso pretenda, poderá visualizar um gráfico onde é apresentada a evolução dos desvios de curso ao longo do tempo – Figura 5.15 Figura 5.14 – Ecrã de execução do exercício D5 Figura 5.15 – Gráfico de desvios de curso Exercícios de comando proporcional do movimento 96 5.1.7.1 Resultados obtidos Para este exercício foi realizado um ensaio de movimento do atuador a três velocidades distintas, por ajuste da cilindrada da bomba. Este ajuste foi realizado por forma a poder ser realizada uma comparação com os exercícios A5 e D3 (velocidades aproximadamente 70, 150 e 210 mm/s). Na Figura 5.16 são apresentados os resultados deste ensaio. Uma vez mais é notória a capacidade da função de compensação em diminuir os desvios de curso. Figura 5.16 – Desvios de curso verificados a diferentes velocidades no exercício D5 Os desvios de curso verificados com a solução de circuito em fonte de caudal, sem compensação, revelam-se superiores aos verificados nos exercícios anteriores, como demonstrado na Figura 5.17. Contudo, nos três exercícios a função de compensação mostra-se igualmente eficiente na redução desses desvios - Figura 5.18 Figura 5.17 – Desvios de curso verificados a diferentes velocidades -5,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 Desvio [mm] Alteração de velocidade do atuador Sem compensação Com compensação 70 mm/s 150 mm/s 210 mm/s -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Desvio [mm] Movimento sem compensação Exercício A5 Exercício D3 Exercício D5 Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 97 Figura 5.18 – Desvios de curso verificados a diferentes velocidades 5.2 Exercícios E – Atuador linear assimétrico, sujeito a carga gravítica Neste conjunto de exercícios é realizado o comando proporcional do movimento do atuador linear de duplo efeito assimétrico presente no Módulo de Comandos. Como referido anteriormente, este atuador encontra-se sujeito a uma carga gravítica, que pode atuar sobre a câmara secundária ou sobre a câmara principal. De uma maneira geral, os exercícios aqui abordados possuem uma vertente de demonstração das capacidades da hidráulica proporcional, nomeadamente ao nível da definição diferenciada de velocidade de subida e de descida da massa e da definição de rampas de aceleração e desaceleração em cada um desses movimentos. Estas capacidades são exploradas tanto para um circuito em fonte de pressão como para um circuito em fonte de caudal, permitindo a comparação entre ambas as soluções. As diferentes configurações de carga e de tipo de fonte levam a que seja necessária a implementação de quatro circuitos hidráulicos distintos: -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 Desvio [mm] Movimento com compensação Exercício A5 Exercício D3 Exercício D5 Exercícios de comando proporcional do movimento 98 Figura 5.19 – Circuito em fonte de pressão com carga atuante na câmara secundária Figura 5.20 – Circuito em fonte de pressão com carga atuante na câmara principal Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 99 Figura 5.21 – Circuito em fonte de caudal cm carga atuante na câmara secundária Figura 5.22 – Circuito em fonte de caudal com carga atuante na câmara principal Em todos os circuitos apresentados estão presentes os seguintes componentes:  Atuador linear de duplo efeito assimétrico vertical: o Dimensões 50x28-300;  Válvula de contrapressão: o B(X) ligado a P; Exercícios de comando proporcional do movimento 100  Válvula limitadora de pressão. Relativamente a detetores e transdutores, são utilizados:  Detetores de fim de curso: o FDC_I – posição inferior; o FDC_M – posição média; o FDC_S – posição superior;  Transdutores de pressão: o TP1 ligado à câmara A do atuador; o TP2 ligado à câmara B do atuador; o TP3 ligado à válvula limitadora de pressão - pressão do circuito. Em adição aos componentes referidos, os circuitos hidráulicos em fonte de pressão fazem uso exclusivo de:  Grupo hidráulico 1: o Bomba de cilindrada fixa de 16 cm3;  Válvula direcional proporcional com feedback, de centro fechado; o Y1 – comando de -10 a 0 V; o Y2 – comando de 0 a 10 V; Nos circuitos em fonte de caudal, estes últimos componentes são substituídos por:  Grupo hidráulico 2: o Bomba de cilindrada variável até 28 cm3;  Eletroválvula de centro em Y, com A e B ligado a T: o Y1 – ligação à ficha S1; o Y2 – ligação à ficha S2; Dadas as especificidades de cada circuito hidráulico, estes foram divididos por quatro exercícios:  Exercício E1 – Movimento com carga atuante na câmara secundária e circuito em fonte de pressão;  Exercício E2 – Movimento com carga atuante na câmara principal e circuito em fonte de pressão;  Exercício E3 – Movimento com carga atuante na câmara secundária e circuito em fonte de caudal;  Exercício E4 – Movimento com carga atuante na câmara principal e circuito em fonte de caudal. Nos quatro exercícios é realizada a medição dos tempos que medeiam entre as comutações dos detetores de fim de curso inferior e superior durante o movimento de subida e de descida da massa - Figura 5.23. São também medidos os tempos de inversão do sentido de movimento, seguindo os diagramas da Figura 5.24. A medição destes tempos é assim idêntica ao que fora aplicado no conjunto de exercícios B. Adicionalmente são medidas as pressões em ambas as câmaras do atuador, verificadas durante o movimento de subida e o movimento de descida da massa. Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 101 Figura 5.23 - Diagrama temporal de determinação dos tempos de subida e de descida da massa Figura 5.24 – Diagramas temporais de determinação dos tempos de inversão na subida e na descida da massa 5.2.1 Análise prévia dos circuitos em fonte de pressão A variação de velocidade do atuador é conseguida fazendo variar a posição da gaveta da válvula direcional proporcional. O comando eletrónico desta é assegurado pela carta VT5005. Uma vez que se trata de uma gaveta simétrica utilizada em conjugação com um atuador assimétrico, as perdas de carga em cada passagem pela válvula são relacionadas da seguinte forma: ∆pP=∆𝑝𝑇×𝛼2 Movimento de avanço ∆pP=∆𝑝𝑇 𝛼2 Movimento de recuo Nestas expressões, α é a razão de áreas do atuador. A perda de carga no retorno (i.e. a perda de carga para o orifício T em ambos os movimentos de avanço e de recuo) causa contrapressão no atuador, que terá necessariamente que ser compensada por uma pressão maior na linha de alimentação. Tal significa que, em termos globais, será necessária uma maior pressão do sistema para a concretização do movimento. O caudal que atravessa cada um dos estrangulamentos da válvula direcional é proporcional à raiz quadrada da perda de carga, de acordo com a seguinte expressão: Exercícios de comando proporcional do movimento 108 Da observação da evolução dos tempos de inversão de movimento neste ensaio destacase a diferença de comportamento relativamente ao verificado nos dois exercícios anteriores: tanto o tempo de inversão na subida como o tempo de inversão da descida apresentam uma tendência crescente, em linha com o aumento da velocidade do atuador. Este facto indica assim que existe apenas uma correlação com o sobrecurso caraterístico da inversão de movimento. 5.2.4.4 Exercício E4 Idêntico aos exercícios anteriores, são apresentados na Tabela 5.20 e na Tabela 5.21 os tempos de movimento e as pressões registadas em ambas as câmaras do atuador, registados no ensaio ao exercício E4. A configuração de carga aqui presente é idêntica à do exercício E2. Comando bomba [%] Subida massa (avanço) Descida massa (recuo) Tempo movimento [ms] Tempo inversão [ms] Tempo movimento [ms] Tempo inversão [ms] 5 3414 156 2327 148 10 2690 161 1871 149 15 1932 162 1355 152 20 1507 169 1074 156 Tabela 5.20 – Tempos de movimento e de inversão obtidos no ensaio ao exercício E4 Comando bomba [%] Subida massa (avanço) Descida massa (recuo) 𝒑𝑨 [bar] 𝒑𝑩 [bar] 𝒑𝑨−𝒑𝑩 𝜶 [bar] 𝒑𝑨 [bar] 𝒑𝑩 [bar] 𝒑𝑨−𝒑𝑩 𝜶 [bar] 5 13,5 1,0 12,8 19,9 13,2 10,8 10 13,9 1,6 12,8 20,2 13,6 10,9 15 14,7 3,1 12,6 21,2 14,8 11,0 20 15,7 4,6 12,6 22,2 15,8 11,4 Tabela 5.21 – Pressões registadas em ambas as câmaras do atuador no ensaio ao exercício E4 As pressões nas câmaras do atuador são, tal como no exercício E3, inferiores às registadas no exercício E2, fruto da natureza da fonte de energia hidráulica. Relativamente aos tempos de movimento (subida e descida da massa) e aos tempos de inversão observa-se que estes são praticamente simétricos aos verificados no exercício E3, em linha do que fora verificado pela comparação dos exercícios E1 e E2. Uma vez mais verifica-se que a relação entre os tempos de movimento registados é próximo da razão de áreas do atuador - Tabela 5.22 – mas divergente desse valor à medida que a velocidade do atuador aumenta. Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 109 Comando bomba [%] ∆𝑡𝑎𝑣𝑎𝑛ç𝑜 ∆𝑡𝑟𝑒𝑐𝑢𝑜 =∆𝑡𝑠𝑢𝑏𝑖𝑑𝑎 ∆𝑡𝑑𝑒𝑠𝑐𝑖𝑑𝑎 5 1,467 10 1,437 15 1,425 20 1,403 Relação áreas do atuador 1,457 Tabela 5.22 - Relação entre os tempos de subida e de descida da massa no exercício E4 5.2.4.5 Alteração das rampas de aceleração e de desaceleração O aumento da velocidade do atuador, por ajuste do comando da válvula direcional ou da cilindrada da bomba, leva ao agravamento do fenómeno de choque hidráulico durante a inversão do sentido de movimento, o que por sua vez leva à oscilação excessiva do Módulo de Comandos. A imposição de rampas de aceleração e de desaceleração permitem suavizar a comutação do sentido de movimento do atuador, diminuindo assim a oscilação do módulo. Contudo, um maior declive das rampas implica um aumento dos tempos de inversão. De modo a observar este facto, foi realizado um ensaio aos exercícios E1 e E3, onde se procedeu à alteração independente do declive das rampas de aceleração e desaceleração (até um máximo de 20 V/s), mantendo fixo o valor de comando da válvula direcional (E1) e da cilindrada da bomba (E3). Os resultados obtidos em cada ensaio são apresentados na Tabela 5.23 e na Tabela 5.24: Comando rampa [%] Rampas aceleração Rampas desaceleração Tempo inversão subida [ms] Tempo inversão descida [ms] Tempo inversão subida [ms] Tempo inversão descida [ms] 25 215 444 561 957 50 186 331 331 591 75 149 269 261 475 100 137 254 220 413 Tabela 5.23 – Influência da alteração das rampas de aceleração e de desaceleração no exercício E1 Comando rampa [%] Rampas aceleração Rampas desaceleração Tempo inversão subida [ms] Tempo inversão descida [ms] Tempo inversão subida [ms] Tempo inversão descida [ms] 25 247 210 783 439 50 209 201 512 266 75 197 192 385 224 100 186 189 329 198 Tabela 5.24 - Influência da alteração das rampas de aceleração e de desaceleração no exercício E3 Exercícios de comando proporcional do movimento 110 Como é possível observar, o aumento do declive da rampa de aceleração e desaceleração, aqui traduzido pelo aumento do comando respetivo, traduz-se numa diminuição generalizada dos tempos de inversão. Apesar desta diminuição generalizada, verifica-se que os efeitos de alteração da rampa de desaceleração são mais significativos, uma vez que os tempos de inversão que lhe estão associados são superiores aos tempos associados à alteração da rampa de aceleração. Nos resultados do ensaio ao exercício E1, os tempos de inversão na descida são superiores aos tempos de inversão na subida. Como referido anteriormente, isto deve-se à menor capacidade de resposta deste circuito introduzida pelo facto de a pressão da bomba ser insuficiente para assegurar a queda de pressão na válvula direcional necessária para o correto movimento do atuador. Comparando os tempos de inversão na subida de ambos os exercícios, constata-se que o circuito em fonte de caudal possui uma capacidade de resposta inferior à solução em fonte de pressão. Isto é evidenciado pelo facto de os tempos de inversão serem superiores, para o mesmo valor do declive da rampa, do que os verificados no exercício E1. 5.3 Exercícios F – Motor hidráulico, sujeito a carga inercial ajustável Foi desenvolvido um exercício de demonstração didática onde é possível observar as vantagens e caraterísticas da utilização da hidráulica proporcional no controlo de velocidade de rotação do motor hidráulico. Este exercício é designado por “Exercício F1”. O circuito hidráulico caraterístico é representado na seguinte figura: Figura 5.26 - Circuito hidráulico do conjunto de exercícios F Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 111 Este circuito faz uso dos seguintes componentes hidráulicos:  Grupo hidráulico 1: o bomba de cilindrada fixa de 16 cm3;  Motor hidráulico bidirecional de engrenagens exteriores: o Valor de cilindrada efetiva: 4,19 cm3;  Válvula direcional 4/2: o Y1 ligado à ficha S1;  Válvula reguladora de caudal de dois orifícios proporcional; o Comando 0 V – completamente fechada o Comando 10 V – completamente aberta  Válvula limitadora de pressão proporcional o Comando 0 V – completamente aberta (pressão mínima) o Comando 10 V – completamente fechada (pressão máxima)  Válvula de retenção simples. Relativamente a transdutores, são utilizados:  Codificador angular;  Transdutores de pressão: o TP1 – ligado ao orifício de entrada do motor o TP2 – ligado ao orifício de saída do motor o TP3 – ligado à válvula limitadora de pressão (pressão do circuito) Semelhante ao conjunto de exercícios C, a variação de velocidade do motor é conseguida através do ajuste da válvula reguladora de caudal de dois orifícios, colocada em meter-out. A diferença reside no facto de agora se tratar de uma válvula proporcional, comandada eletronicamente por intermédio da carta VT5010. A pressão do circuito é definida pela válvula limitadora de pressão proporcional, comandada através da carta eletrónica VT2013. Neste exercício não se pretendeu realizar controlo de pressão, uma vez que este iria também influenciar a velocidade de rotação do motor. Assim foi atribuído um valor de comando constante ao longo de todo o exercício, que se traduziu numa pressão da bomba de cerca de 50 bar quando o motor se encontra no estado parado. A inclusão de uma válvula de retenção na configuração apresentada permite que, quando a válvula direcional retorna à sua posição de repouso, o motor continue a ser alimentado, reduzindo a possibilidade de ocorrência de cavitação. 5.3.1 Controlo de velocidade O controlo de velocidade do motor hidráulico é materializado recorrendo a um bloco de programação “PID” disponibilizado pelo software do autómato. O respetivo diagrama de blocos simplificado é apresentado na Figura 5.27: Exercícios de comando proporcional do movimento 112 Figura 5.27 - Diagrama de blocos simplificado do controlo de velocidade do motor Legenda: 𝜔𝑟𝑒𝑓 – velocidade de referência; 𝜔𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 – velocidade do motor; 𝐾𝑝 – ganho proporcional; 𝑡𝑖 – tempo integral; 𝑡𝑑 – tempo derivativo; 𝐾𝑇 – ganho de feedback; 𝐾𝑉∗ - ganho da válvula; 𝐶𝑀 – cilindrada do motor O bloco “PID” possui incorporada uma função anti-windup que não permite que a ação integral se torne muito grande. Este bloco oferece também a possibilidade de ativação independente dos parâmetros P, I e D, permitindo a realização dos seguintes tipos de controlo:  Controlo P (proporcional)  Controlo I [integral)  Controlo PI (proporcional integral)  Controlo PD (proporcional derivativo)  Controlo PID (proporcional, integral e derivativo)  Controlo PI-D (proporcional e integral, com ação derivativa apenas no sinal de feedback) Como representado na Figura 5.27, o controlo é assegurado pela definição independente dos seguintes parâmetros, consoante o controlador escolhido:  𝐾𝑝 – ganho proporcional;  𝑡𝑖 – tempo integral;  𝑡𝑑 – tempo derivativo. A ação de controlo é acompanhada de uma saturação à sua saída. Os seus limites foram definidos de modo a que a velocidade de rotação do motor não ultrapasse os 2500 rpm (velocidade a partir da qual a leitura de velocidade é errática). O conjunto válvula reguladora de caudal e motor hidráulico constituem um sistema do tipo 0, pelo que, para efetuar um bom controlo da velocidade de rotação (erro nulo a referência de velocidade constante) é exigido a presença de um controlador com ação integral. Contudo, dado o caráter didático que este exercício se reveste, é permitida a utilização de todos os controladores acima indicados, permitindo assim ao utilizador avaliar as caraterísticas e limitações de cada um deles. 5.3.2 Interface gráfica e funcionalidades Na Figura 5.28 é apresentado o ecrã de interface desenvolvido para este exercício. Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 113 Figura 5.28 - Ecrã de execução do exercício F1 Estando a central hidráulica ligada o utilizador pode, a qualquer momento, definir a velocidade de rotação pretendida para o motor hidráulico, numa gama de 200 a 2400 rpm (em intervalos de 100 rpm), assim como o tipo de controlador que pretende utilizar. Consoante o tipo de controlador escolhido, são disponibilizados comandos que permitem a alteração do ganho proporcional (𝐾𝑃), tempo integral (𝑡𝑖) e tempo derivativo (𝑡𝑑). Para além dos comandos referidos, são disponibilizadas informações sobre:  a pressão do circuito;  o binário real medido aos orifícios do motor;  a velocidade efetiva do motor;  a velocidade pretendida ;  o erro de velocidade (diferença entre a velocidade pretendida e a velocidade efetiva). É também disponibilizado um gráfico que permite uma melhor visualização, por parte do utilizador, da evolução da velocidade efetiva do motor. 5.3.3 Resultados obtidos Para este exercício foram realizados vários ensaios utilizando cada um dos controlos disponíveis. Para cada controlo utilizado foram aplicados diferentes ganhos e definidas diferentes velocidades de referência. Foi também analisada a influência da carga inercial na capacidade de controlo de velocidade do motor. Através desses ensaios foi possível retirar conclusões sobre a capacidade e desempenho de cada controlo aplicado. Estas conclusões são expostas nos parágrafos seguintes. Como referido anteriormente, o sistema a controlar é do tipo 0, pelo que qualquer controlador que não inclua uma ação integral não é capaz de garantir um erro nulo a referências de velocidade constantes, isto é, não é capaz de garantir um bom controlo de velocidade. É o caso dos controladores P e PD. Estes revelam-se não serem capazes de fazer convergir o valor de velocidade do motor ao valor de referência estabelecido, apresentando uma instabilidade no controlo (variações significativas do erro) que é agravada pelo aumento do ganho proporcional. Exercícios de comando proporcional do movimento 114 No caso do controlador PD, adicionalmente é possível observar a existência de uma ação preventiva – uma “travagem” do motor – na tentativa de aproximação do valor de referência, caraterística da ação de controlo derivativa. A aplicação de um controlo do tipo I permite a convergência da velocidade de rotação com o valor de referência estabelecido. Contudo, esta convergência é significativamente lenta, especialmente quando está presente carga inercial, representando assim uma grande desvantagem deste tipo de controlo. Outra desvantagem é a existência de sobre-elongação (overshoot), que é agravada tanto pela presença da carga inercial, quer pela diminuição do parâmetro “tempo integral”. Tratando-se da combinação linear entre os controlos P e I, o controlo PI oferece um bom compromisso entre a capacidade de controlo e o tempo de convergência para o valor de referência. É possível, com o devido ajuste dos parâmetros ganho proporcional e tempo integral, obter erro nulo a uma referência de velocidade constante num espaço de tempo reduzido. Contudo, tal como acontece nos controlos individuais, o aumento exagerado do ganho proporcional ou a diminuição do tempo integral leva à instabilidade do controlo e aumento da sobre-elongação, respetivamente. O motor apresenta mais sensibilidade a estes aspetos quando se encontra sujeito ao valor máximo da carga inercial. O controlo PID é bastante semelhante ao controlo PI, uma vez que permite um bom controlo da velocidade do motor. Uma vez que a ação derivativa adiciona amortecimento ao sistema controlado (proporcional ao tempo derivativo), é possível aumentar o ganho proporcional do controlador, fazendo com que a velocidade do motor convirja mais rapidamente para o valor de referência. Contudo, tal tem o efeito perverso de aumentar a sobreelongação inicial. Relativamente ao anterior, o controlo PI-D permite uma ligeira diminuição da sobreelongação verificada, para o mesmo ajuste dos parâmetros de controlo. Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 115 6 Exercícios de caraterização de elementos da banca Neste capítulo é feita a descrição dos exercícios de caraterização de elementos eletrohidráulicos presentes na banca. No total foram criados dois exercícios, englobados sob a designação “Exercícios G”:  Exercício G1 – Calibração e caraterização da histerese de pressostatos;  Exercício G2 – Caraterização da dinâmica de eletroválvulas direcionais 4/3. A programação destes exercícios, tal como os restantes, foi realizada em linguagem LD, recorrendo a instruções de SET e RESET, com base nos SFC funcionais apresentados no Anexo D – SFC de programação de exercícios. Ao longo do presente capítulo é realizada uma descrição dos exercícios, incluindo as respetivas interfaces gráficas desenvolvidas. São também apresentados e analisados os resultados de cada um deles. A escolha, pelo utilizador, de um determinado exercício é realizada através da consola gráfica e pressupõe a apresentação de um conjunto de ecrãs com as seguintes informações:  Descrição geral do exercício;  Lista de material necessário à montagem do circuito  Apresentação do circuito hidráulico e respetivas ligações elétricas Estes ecrãs são disponibilizados no “Anexo C – Ecrãs de informação de exercícios”. 6.1 Controlo de pressão As caraterísticas funcionais dos dois exercícios pertencentes a este grupo implicaram o desenvolvimento de um sistema de controlo de pressão hidráulica. Este sistema de controlo é materializado através da utilização de uma válvula limitadora de pressão proporcional, comandada eletronicamente pela carta VT2013, e de um transdutor de pressão ligado diretamente a esta. Dado que se trata de um sistema do tipo 0, foi escolhido um controlador PI, que assegura um erro nulo a referências de pressão constantes. Este controlador foi implementado no autómato recorrendo ao bloco de função respetivo disponibilizado através do software. Na Figura 6.1 é apresentado o diagrama de blocos representativo do controlo de pressão implementado. O bloco “PI” possui incorporado uma função anti-windup que não permite que a ação integral se torne muito grande. Conclusões 116 Figura 6.1 - Diagrama de blocos simplificado do controlo de pressão Legenda: 𝑝𝑟𝑒𝑓 – pressão de referência; 𝑝𝑠𝑖𝑠 – pressão do sistema; 𝐾𝑝 – ganho proporcional; 𝑡𝑖 – tempo integral; 𝐾𝑇 – ganho de feedback; 𝐾𝑉∗ - ganho da válvula 6.2 Exercício G1 - Calibração e caraterização da histerese de pressostatos Durante a realização do presente trabalho existiu necessidade de se proceder à calibração dos pressostatos de ajuste mecânico presentes no Módulo de Comandos (referidos no ponto 2.1.3). Por norma, a calibração deste tipo de pressostatos para a sua atuação (ou não atuação) a uma determinada pressão é realizada por tentativa e erro – é necessário verificar a pressão a que ocorre a transição ascendente (ou descendente, se for o pretendido), efetuar o ajuste do pressostato e repetir o procedimento até que seja atingida a pressão desejada para a transição. O exercício que agora se apresenta foi criado com o intuito de agilizar o processo de calibração dos pressostatos. Através da utilização da hidráulica proporcional, nomeadamente a aplicação de rampas de aumento e diminuição de pressão, é pretendido que se proceda à determinação dos pontos de transição ascendente e descendente dos pressostatos, permitindo efetuar o ajuste pretendido. Desta forma, para além da calibração em si, é possível avaliar a histerese caraterística deste tipo de sensores. Ao utilizador é disponibilizada uma opção de pré-calibração dos pressostatos por forma a tornar o processo mais expedito. Esta pré-calibração consiste na definição da pressão de referência de atuação dos pressostatos. A pressão é mantida constante por intermédio do controlador de pressão. O circuito hidráulico implementado neste exercício encontra-se representado na Figura 6.2: Figura 6.2 - Circuito hidráulico do Exercício G1 Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 117 Este exercício faz uso dos seguintes elementos:  Grupo hidráulico 2: o Bomba de cilindrada variável até 28 cm3;  Válvula limitadora de pressão proporcional;  Eletroválvula direcional de centro em “Y”, com A e B ligados a T: o Y1 ligado à ficha S1; o Y2 ligado à ficha S2;  Pressostatos de ajuste mecânico: o PS1 ligado à tomada A da válvula direcional; o PS2 ligado à tomada B da válvula direcional;  Transdutor de pressão – TP1 A utilização do grupo hidráulico 2 deve-se ao facto deste permitir uma gama de pressões mais alargada (até 210 bar) do que a permitida pelo grupo 1, cuja pressão máxima se encontra limitada a cerca de 56 bar, e ainda por poder gerar um caudal reduzido como adequado a esta aplicação. 6.2.1 Interface gráfica e funcionalidades Na Figura 6.3 é apresentado o ecrã de execução desenvolvido para este exercício. Figura 6.3 – Ecrã de execução do exercício G1 Encontrando-se a central ligada, neste ecrã é possível ao utilizador definir a pressão de referência para calibração dos pressostatos, até um máximo de 135 bar. Uma vez escolhido esse valor é ativado o controlo de pressão, desta forma igualando a pressão da bomba à pressão desejada. O primeiro passo na calibração e caraterização dos pressostatos consiste na realização de uma pré-calibração: para cada pressostato torna-se necessário o respetivo ajuste mecânico pelo utilizador até que seja verificada a sua transição ascendente - Figura 6.4. Findo este processo, controlo de pressão é desativado. Estão presentes as condições para a realização do processo de caraterização e calibração fina dos pressostatos. Conclusões 124 para a posição 2 ou do movimento para a posição 3, principalmente a pressões relativamente baixas. O movimento para a posição 3 revela-se mais rápido do que o movimento para a posição 2, como evidenciado pela Tabela 6.2: Pressão calibração PS 25 50 75 100 125 Posição 2 Tempo atuação [ms] 172,0 110,5 92,3 81,2 74,8 Tempo desatuação [ms] 81,5 72,8 75,0 71,5 72,3 Posição 3 Tempo atuação [ms] 117,7 85,8 73,0 73,5 71,2 Tempo desatuação [ms] 79,5 70,0 69,8 71,7 71,0 Tabela 6.2 – Tempos médios de movimento da posição central para as posições extremas A análise da Tabela 6.2 e das figuras Figura 6.13 e Figura 6.14 permite também verificar que, com o aumento da pressão do circuito, os tempos de movimento para as posições extremas da válvula convergem para os valores de tempo de retorno à posição central. Relativamente aos tempos de movimento da gaveta entre as suas posições extremas, foram obtidos os seguintes resultados: Figura 6.15 – Tempo de movimento da válvula entre posições extremas Pressão calibração PS 25 50 75 100 125 Posição 2 para 3 [ms] 96,8 80,2 72,7 69,3 72,7 Posição 3 para 2 [ms] 176,3 113,7 100,8 88,5 80,2 Tabela 6.3 – Tempos médios de movimento entre posições extremas Uma vez mais o movimento para a posição 2 revela-se ser mais lento do que o movimento para a posição 3, especialmente a pressões mais baixas. Com o aumento da pressão, existe uma convergência destes tempos para valores próximos dos valores de tempo de retorno por mola. Apesar da diferença entre os tempos de comutação entre posições extremas, estes são bastante próximos dos tempos verificados para a comutação a partir da posição central. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Tempo [ms] Movimento entre posições extremas 2 para 3 3 para 2 25 bar 50 bar 75 bar 100 bar 125 bar Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 125 7 Conclusões O principal objetivo desta dissertação consistiu no desenvolvimento de um conjunto de exercícios automatizados de sistemas eletro-hidráulicos na Banca Gustavo Cudell, para utilização como ferramenta de ensino. O desenvolvimento e implementação dos exercícios foram realizados com recurso às capacidades de controlo e comando do autómato programável e da consola gráfica policromática existentes nesta banca óleo-hidráulica. No total foram desenvolvidos 23 exercícios didáticos, distribuídos por sete conjuntos distintos. A estrutura de programação do autómato e da consola gráfica incluiu toda a estrutura criada no âmbito da recente requalificação tecnológica e do comando do manipulador hidráulico externo, tendo sido realizados as alterações necessárias à sua integração com o trabalho entretanto desenvolvido. Os três primeiros conjuntos de exercícios desenvolvidos (A, B e C) visam a análise e compreensão detalhadas de sistemas hidráulicos cuja forma de comando é exclusivamente digital, sob diversas condições funcionais. Estes exercícios têm a particularidade de envolverem movimentos aos quais estão associados cargas externas com diferentes caraterísticas que são comuns em sistemas reais. No conjunto de exercícios A (atuador linear de duplo efeito simétrico, sujeito a carga inercial ajustável), com a realização do exercício A1 verifica-se que existe elevada regularidade dos movimentos de avanço e de recuo do atuador, para o mesmo ajuste da válvula reguladora de caudal. Verifica-se também que o incremento da carga inercial afeta negativamente a velocidade do atuador. No exercício A2 é realizado um estudo potenciado do balanço energético no movimento de avanço e de recuo do atuador. É possível verificar que o sucessivo aumento da velocidade de movimento leva a um aumento tanto da potência consumida pelo atuador, como da potência dissipada pela válvula reguladora de caudal. Contudo, a razão entre estas duas potências vem sucessivamente diminuída, fruto da diminuição das forças de atrito com o aumento da velocidade do atuador. O aumento da carga inercial do atuador conduz a uma maior potência consumida para o seu movimento, consequência do aumento das forças de atrito. Nos dois exercícios seguintes é realizada uma análise dinâmica do atuador quando este é sujeito a uma ordem de paragem (A3) ou a uma ordem de inversão do sentido de movimento (A4). Neles constata-se que, quer o aumento da velocidade do atuador, quer o aumento da carga inercial, levam a um aumento do sobrecurso e do tempo de paragem. A diferença principal entre os dois traduz-se na desaceleração sofrida pelo atuador, para o mesmo ajuste da válvula reguladora de caudal, que é bastante mais acentuada no exercício A4, fruto da frenagem ser assegurada pela inversão do caudal de óleo. O exercício A5, que resulta da integração de um dos exercícios de demonstração criados durante a recente requalificação tecnológica da banca, permite a medição e correção dos desvios Conclusões 126 de curso do atuador durante a sua inversão de sentido de movimento. Verifica-se que esta função é capaz de diminuir significativamente os desvios sob diversas condições quer de velocidade, quer de carga inercial. No conjunto de quatro exercícios B é realizado o movimento do atuador linear de duplo efeito assimétrico presente no Módulo de Comandos. Este atuador tem a particularidade de lhe ter associado uma carga gravítica, que pode atuar sobre a câmara secundária (exercícios B1 e B3) ou sobre a câmara principal (exercícios B2 e B4). Nos exercícios B1 e B2 são medidos os tempos de subida e de descida da carga gravítica. A execução destes permite constatar que a relação entre ambos os tempos medidos é aproximadamente igual à razão de áreas do atuador. Nestes exercícios são também medidas as pressões nas câmaras do atuador, em ambos os movimentos. Verifica-se assim que o diferencial de pressão entre as duas câmaras do atuador durante o movimento é definido quer pela razão de áreas do mesmo, quer pelo valor de carga gravítica. Nos exercícios B3 e B4 é realizada uma análise dinâmica do atuador quando este é sujeito a uma ordem de inversão de movimento. A execução destes permite observar que existe uma regularidade dos tempos de inversão de sentido de movimento, independente do ajuste de velocidade do atuador. Efetuando a comparação entre os dois exercícios é possível verificar que os tempos de inversão são simétricos, isto é, o tempo de inversão na subida no exercício B3 corresponde ao tempo de inversão na descida do exercício B4 e vice-versa. Isto deve-se à diferente configuração de carga utilizada em ambos os exercícios. No conjunto de exercícios C (motor hidráulico, sujeito a carga inercial ajustável), o exercício C1 permite caraterizar as perdas de carga existentes entre os orifícios do motor hidráulico. A adição de carga inercial ao motor acentua ligeiramente este efeito de perdas. Já a alteração de contrapressão não produz efeitos significativos na velocidade e na perda de carga do motor, exceto quando o seu valor se aproxima demasiado da pressão máxima do circuito. A execução do exercício C2 permite ao utilizador observar fenómenos de sobrecurso e de choque hidráulico durante a inversão do sentido de rotação do motor, existindo uma relação direta entre estes e a velocidade de rotação e a carga inercial aplicada. Após o desenvolvimento dos três conjuntos de exercícios apresentados, foram implementados outros três conjuntos (D, E e F), visando incutir ao utilizador uma capacidade de compreensão e análise crítica de sistemas cuja forma de comando é materializada por sinais analógicos. Estes permitem igualmente evidenciar vantagens e desvantagens destes comparativamente à solução de comando digital. No conjunto de exercícios D (atuador linear de duplo efeito simétrico, sujeito a carga inercial ajustável), a execução do exercício D1 evidencia que a imposição de rampas de aceleração e desaceleração entre dois níveis de velocidade do atuador, embora permita diminuir os efeitos de choque hidráulico, leva ao aumento não só do tempo de ciclo de movimento, como também do curso total percorrido. Os exercícios D2 e D4 são formalmente idênticos ao já apresentado exercício A2: é realizado um estudo energético do circuito em fonte de pressão (D2) e do circuito em fonte de caudal (D4), durante o movimento do atuador. As conclusões retiradas da execução destes exercícios são semelhantes às obtidas através do seu congénere digital. Destes, destaca-se os menores valores de potência obtidos na execução do exercício D4, para a realização do mesmo tipo de movimento, revelando-se assim uma vantagem do circuito em fonte de caudal. Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 127 Os exercícios D3 e D5, formalmente idênticos ao exercício A5, resultam, à semelhança deste último, da incorporação dos dois últimos exercícios de demonstração desenvolvidos no âmbito da recente requalificação tecnológica da banca. Estes permitem avaliar a capacidade de um circuito em fonte de pressão (D3) e de um circuito em fonte de caudal (D5) na compensação dos desvios de curso verificados durante a inversão de sentido de movimento do atuador. Esta função de compensação revela-se capaz de reduzir significativamente os desvios de curso perante diversas condições de carga e de velocidade do atuador em ambos os exercícios. Contudo, estabelecendo uma comparação entre os dois, é possível verificar uma evolução mais lenta na correção dos desvios na execução do exercício D5, evidenciando assim uma desvantagem da utilização do circuito em fonte de caudal. No conjunto de exercícios E (atuador linear de duplo efeito assimétrico, sujeito a carga gravítica), encontram-se inseridos quatro exercícios de demonstração didática das capacidades da hidráulica proporcional, cada um resultando de distintas combinações de configuração de carga e tipo de circuito hidráulico. Através da alteração independente da velocidade de subida e da velocidade de descida da massa, assim como das respetivas rampas de aceleração e desaceleração, é possível observar a menor capacidade de resposta do circuito em fonte de caudal, comparativamente ao circuito em fonte de pressão, perante a ordem de inversão do sentido de movimento. O exercício F1 é um exercício de demonstração das capacidades de controlo da velocidade de rotação do motor hidráulico, através da aplicação de diferentes controladores (P, I, PI, PD, PID e PI-D) e da definição dos respetivos parâmetros pelo utilizador. A execução deste exercício permite concluir que, para se obter um bom controlo de velocidade deste tipo de sistema (tipo 0), é sempre necessária a presença de uma ação integral. Por outro lado, a estabilidade da ação de controlo encontra-se associada ao ganho proporcional: quanto maior o valor deste último, maior a instabilidade do controlo. Com a adição de uma ação derivativa é possível observar a existência de uma ação preventiva – uma “travagem” do motor – na aproximação do valor de referência de velocidade. O último conjunto de exercícios desenvolvido (Exercícios G) engloba a caraterização de alguns elementos eletro-hidráulicos presentes nesta banca óleo-hidráulica. No total fazem parte deste conjunto dois exercícios distintos. O exercício G1 foi desenvolvido com o intuito de agilizar o processo de calibração de pressostatos de ajuste mecânico, ao mesmo tempo disponibilizando uma ferramenta que permita a caraterização da histerese dos mesmos. Neste exercício é possível assim verificar que o ajuste de pressostatos a uma pressão de referência sucessivamente aumentada leva a que o fenómeno da histerese seja também ele sucessivamente mais significativo. No exercício G2 é realizada a medição dos tempos de comutação de válvulas direcionais 4/3, a várias pressões de referência, desta forma permitindo averiguar a influência desta sua dinâmica nas instruções de inversão de sentido de movimento, verificadas em exercícios anteriores. A grande conclusão que se retira da execução deste exercício é que os tempos de comutação das válvulas são em grande parte responsáveis pelo não cumprimento imediato das instruções de inversão do sentido de movimento. 7.1 Trabalhos futuros Concluída a realização da dissertação, são de seguida sugeridos trabalhos futuros, que visam o melhoramento global do funcionamento desta banca óleo-hidráulica, assim como a expansão do seu horizonte de aplicabilidade. Conclusões 128 Durante o desenvolvimento e posterior ensaio dos exercícios pertencentes ao conjunto A, constatou-se a possibilidade de os vedantes do atuador linear simétrico se encontrarem em mau estado, introduzindo assim um atrito excessivo durante o movimento deste. Considera-se relevante a averiguação do estado dos vedantes e, caso seja necessário, a sua substituição. Relativamente aos detetores de fim de curso associados à carga gravítica presente no Módulo de Comandos, sugere-se a alteração da sua posição, por forma a se encontrarem diretamente associados ao atuador linear assimétrico. Isto permitirá a realização de movimentos deste atuador sem carga externa, evidenciando assim diferenças de comportamento que poderão ser ricas em ensinamentos. A instalação de um taquímetro no motor hidráulico revela-se particularmente interessante, alargando o espectro de possibilidades deste componente. A leitura da velocidade de rotação passaria a ser assegurada por este novo transdutor, permitindo a configuração do codificador angular para a leitura da posição angular do motor. No Módulo de Comandos da banca é disponibilizado um termómetro digital que fornece informação sobre a temperatura do óleo. De momento, este termómetro não se encontra em funcionamento. Considera-se particularmente útil o restabelecimento do funcionamento deste, uma vez que a temperatura do óleo é um fator que poderá influenciar os resultados obtidos em cada um dos exercícios. Nesta dissertação foi dada especial atenção ao comando de movimento do atuador linear de duplo efeito simétrico, do atuador linear assimétrico vertical e do motor hidráulico. Em trabalhos futuros, sugere-se o desenvolvimento de exercícios didáticos que envolvam a utilização do conjunto de atuadores de duplo efeito assimétricos conjugados com célula de carga. O comando de movimento deste conjunto envolve a utilização simultânea dos dois grupos hidráulicos, estando assim presente uma potência de acionamento considerável. Dada a quantidade de componentes hidráulicos disponibilizados pela banca, e as capacidades que esta oferece, sugere-se também o desenvolvimento de novos exercícios que possam ser englobados no conjunto Exercícios G – Caraterização de elementos da banca. Estes novos exercícios poderão envolver a determinação experimental da curva caraterística de válvulas fluxométricas e de válvulas manométricas, ou a caraterização das perdas de carga em tubagens de diferentes comprimentos. Por fim, sendo esta uma banca onde estão presentes vários elementos sensores e transdutores, é bastante conveniente o futuro desenvolvimento do modo de utilização “Manutenção”. Este deverá permitir o acesso às informações que dizem respeito a esses elementos, ao conhecimento das suas caraterísticas e à possibilidade de efetuar a respetiva calibração. Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 129 8 Bibliografia 1. Fernandes, Sara Fonseca Bazenga. Requalificação Tecnológica de Banca Óleohidráulica. 2012. Dissertação do MIEM. 2. Campos, André Filipe Soares. Controlo de Manipulador Hidráulico de Três Eixos. 2013. Dissertação do MIEM. 3. Schneider Electric. Modicon M340 Using Unity Pro - Discrete Input/Output Modules User Manual. 2011. 4. —. Modicon M340 with Unity Pro - Analog Input/Output Modules User Manual. 2012. 5. —. Magelis HMIGTO 5310 . Product Data Sheet. 2013. 6. Freitas, Francisco. Elementos de hidráulica proporcional. Porto : Hidromática, Soluções de Automação, 1998. 7. Turolla OpenCircuitGear . Gear Motors Group 1, 2 and 3 - Technical Information. 2010. 8. Freitas, Francisco. Apontamentos de Sistemas Hidráulicos e Pnemáticos. Porto : FEUP, 2012. 9. Ogata, Katsuhiko. Modern Control Engineering. 5th Edition. s.l. : Prentice Hall, 2010. 10. Mannesmann Rexroth. 4/2 and 4/3- way Proportional Valve, Type 4 WRE. RDE 29 060-01-E/4.87 11. Schneider Electric. Modicon M340 with Unity Pro - Counting Module BMX EHC 0800 User Manual. 2012. 12. —. Unity Pro - Program Languages and Structure Reference Manual. 2009. 13. Almeida, Fernando Gomes de. Apontamentos de Sistemas de Controlo. Porto : FEUP, 2012. 14. Gustavo Cudell. Formação em Óleo-hidráulica. Porto : s.n., 1987. Bibliografia 130 Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 131 Anexo A – Componentes hidráulicos da Banca Módulo de Comandos  1 Atuador linear de duplo efeito assimétrico, disposto verticalmente, de dimensões 50x28 – 300;  1 Acumulador hidráulico de membrana de 0.75 l de capacidade;  3 Manómetros de Bourdon Módulo de Atuadores  Central hidráulica 1 o Motor elétrico de 7.5 kW de potência; o Bomba hidráulica de engrenagem interior com 16 cm3 de cilindrada; o Referência da bomba – 1PF2GU1-11/016RE07ME4  Central hidráulica 2 o Motor elétrico de 7.5 kW de potência; o Bomba hidráulica de êmbolos axiais, de cilindrada variável até 28 cm3; o Referência da bomba – A10VSO28 FED/30RPPA 12 NOO  Central hidráulica de refrigeração do óleo o Motor elétrico; o Bomba hidráulica de engrenagens exteriores.  1 Atuador linear de duplo efeito simétrico, de dimensões 50x36 – 500;  2 Atuadores lineares de duplo efeito assimétricos, de dimensões 50x36-500;  1 Motor hidráulico de engrenagem exterior: o Cilindrada geométrica: 4,3 cm3; o Cilindrada efetiva: 4,19 cm3; o Referência – TFM 100/4.3 CI 02 (SKM1NN 4.3)  1 Vaso de medida;  4 Manómetros de Bourdon. Anexo A – Componentes hidráulicos da banca 132 Válvulas direcionais Descrição Qtd. Símbolo Referência 4/2 2 Mannesman Rexroth 4WE 6 C53/AG24NZ4 4WE 6 D53/AG 24NZ4 4/3, centro em “Y” 1 Mannesman Rexroth 4WE 6 J53/AG24NZ4 4/3, centro aberto 1 Mannesman Rexroth 4WE 6 H53/AG24NZ4 4/3, P ligado a T 1 Mannesman Rexroth 4WE 6 G53/AG24NZ4 4/3, proporcional com feedback 1 Mannesman Rexroth 4WRE 6 E32-11/24Z4/M Válvulas manométricas Descrição Qtd. Símbolo Referência Limitadora de pressão 2 Mannesmann Rexroth DBDH 6 P16/200 Contrapressão 2 Mannesmann Rexroth DZ 6 DP1-51/210XY Redutora de pressão 1 Mannesmann Rexroth DR 6 DP1-52/75Y Redutora de pressão proporcional 1 Rexroth 3DREP 6 A-11/45A24NZ4M Limitadora de pressão proporcional 1 Mannesmann Rexroth DBE6-10/315YG24NZ4M Banca de Ensaios de Sistemas Eletro-hidráulicos 133 Válvulas fluxométricas Descrição Qtd. Símbolo Referência Estranguladora de regulação fina 1 Mannesmann Rexroth F 5 P3-32/10Q Estranguladora unidirecional 4 Sem referência Reguladora de caudal de 2 orifícios 1 Rexroth 2FRM 6 76 20/32 QRJ/V Reguladora de caudal de 3 orifícios 1 Mannesmann Rexroth 3 FRM 10-24/50L Reguladora de caudal de 2 orifícios proporcional 1 Mannesmann Rexroth 2FRE 6B-21/25QRV Retenção com pilotagem 2 Mannesmann Rexroth SL 10 PA 1-42 K03 Retenção simples 4 Sem referência