Elija el control de posición cuando la máquina deba alcanzar y mantener una ubicación medida. Elija el control de fuerza cuando el proceso deba generar y regular una carga contra una pieza. Si ambas variables son importantes, utilice una secuencia supervisada: aproximación con control de posición, confirmación del contacto, regulación de la fuerza y, por último, retroceso con control de posición.
A nivel de sistema, comparar el modo de control de fuerza con el modo de control de posición en cilindros inteligentes consiste realmente en decidir qué medición cierra el lazo. La presión de las cámaras puede servir para estimar la fuerza, pero no mide directamente la fuerza sobre la pieza. Del mismo modo, un encoder de posición puede cerrar un lazo de movimiento, pero no garantiza una carga de contacto segura. En este artículo, «cilindro inteligente» significa un eje servoneumático con realimentación continua, una válvula direccional proporcional y un controlador de eje, no un cilindro estándar equipado únicamente con finales de carrera.
Puntos clave
- Festo define un sistema de posicionamiento servoneumático formado por 3 elementos básicos: un cilindro con encoder, una válvula direccional proporcional y un controlador de posición.
- La incertidumbre de la fuerza calculada a partir de la presión incluye la fricción no modelada y los efectos posteriores en la trayectoria de carga.
- Utilice el modo de posición para el desplazamiento, realimentación directa de fuerza para cargas de contacto críticas y una conmutación supervisada cuando un mismo ciclo necesite ambos modos.
¿Qué diferencia el control de fuerza del control de posición?
Festo describe un sistema de posicionamiento servoneumático como 3 elementos conectados: un cilindro con encoder de desplazamiento, una válvula direccional proporcional y un controlador de posición. El mismo sistema puede buscar una posición o generar una fuerza objetivo, pero la variable de realimentación seleccionada y la prueba de aceptación siguen siendo distintas (sistemas de posicionamiento servoneumático de Festo, consultado en 2026).
El control de posición minimiza el error de posición:
La variable es el error de posición, es la posición ordenada y es la posición indicada por el encoder. Las tres utilizan la misma unidad de distancia. El controlador dosifica la entrada y la salida de aire de las cámaras del cilindro hasta que la posición medida cumple los criterios definidos de posición alcanzada.
El control de fuerza minimiza el error de fuerza:
En esta ecuación, es el error de fuerza, es la fuerza solicitada y es una estimación derivada de la presión o una medición directa mediante un sensor de fuerza. Estas dos opciones de realimentación no son intercambiables. El controlador puede indicar una fuerza estimada estable mientras la carga real en la herramienta cambia debido a la fricción de las guías, la flexión del útil o la geometría de contacto.
| Cuestión de ingeniería | Control de posición | Control de fuerza derivado de la presión | Control directo de fuerza |
|---|---|---|---|
| Variable controlada | Posición medida del eje | Fuerza calculada del pistón | Carga medida en la trayectoria de fuerza |
| Sensores principales | Encoder de desplazamiento continuo | Sensores de presión en ambas cámaras y realimentación de posición para la supervisión | Célula de carga o transductor de fuerza, normalmente con realimentación de posición |
| Uso más adecuado | Desplazamiento, indexado y manipulación multiposición | Esfuerzo neumático controlado cuando la incertidumbre por fricción es aceptable | Prensado, ensayo o montaje con un límite contractual de fuerza sobre la pieza |
| Principal punto ciego | Fuerza de contacto | Fricción y efectos de la trayectoria de carga | Posición después de la elasticidad o deformación de la pieza |
Para conocer las opciones de detección del lazo de posición, consulte la guía sobre tecnologías de detección de posición en cilindros neumáticos. El comportamiento de la válvula y la precisión del eje también se tratan por separado en la guía de control de posición con válvulas proporcionales.
¿Qué mide realmente cada dispositivo de realimentación?
El manual del CPX-CMAX de Festo establece una distinción decisiva: su modo de fuerza controla las fuerzas de presión en las 2 cámaras del cilindro e indica que el control directo de la fuerza sobre la pieza exigiría un sensor de fuerza. También señala que la fricción del cilindro y de la guía no se incluye en la fuerza calculada (manual de control CPX-CMAX de Festo, consultado en 2026).
Un esquema de control útil debe mostrar el punto físico de medición. Si el sensor está situado en una conexión del cilindro, mide la presión en esa conexión. Si está instalado en el carro, mide la posición del carro. Si hay una célula de carga entre el actuador y la herramienta, mide la carga transmitida por esa trayectoria mecánica concreta.
Esta distinción también evita un error frecuente de especificación. Un regulador proporcional de presión puede tener valores publicados de linealidad e histéresis, pero estos describen la presión regulada en su sensor. ISO 10094-1:2021 exige que los proveedores publiquen características definidas para las válvulas electroneumáticas de control continuo de presión; no convierte la especificación de un regulador en precisión de fuerza del eje del cilindro (ISO 10094-1:2021).
La fuerza basada en presión es solo una estimación
La fuerza derivada de la presión sigue siendo una estimación incluso después de medir la presión de ambas cámaras. El algoritmo CPX-CMAX de Festo también utiliza los diámetros del pistón y del vástago, la posición de montaje, la carga base y la carga útil, pero su manual indica que subsiste una incertidumbre del orden de la fricción estática del accionamiento porque no se modela la fricción del cilindro ni de la guía (manual de control CPX-CMAX de Festo, consultado en 2026).
Para la extensión de un cilindro de doble efecto y vástago simple, comience por las dos áreas efectivas:
El área total del pistón es , el área anular del lado del vástago es , el diámetro del pistón es y el diámetro del vástago es . Utilice metros y pascales para obtener el resultado en newtons, o aplique una conversión coherente de unidades de ingeniería.
Para un eje horizontal que se mueve lentamente en extensión, la estimación cuasiestática es:
Los términos y son las presiones manométricas de las cámaras posterior y del lado del vástago. El término se opone al inicio de la extensión, pero no es un único valor fijo conocido. Cerca del reposo o de una inversión del movimiento, trate la fricción como una banda de incertidumbre dependiente de la dirección.
Para un eje dinámico inclinado un ángulo sobre la horizontal, con la extensión definida como sentido positivo, utilice el balance de fuerzas con signo:
La masa móvil total es , la aceleración a lo largo del eje de extensión positivo es y la aceleración gravitatoria es . El ángulo es positivo cuando el eje se eleva sobre la horizontal. El término es la magnitud no negativa de la fuerza de fricción que se opone a la extensión positiva. Para la retracción, replantee el balance invirtiendo las funciones de presión y área, así como la dirección de la fricción. Por tanto, una restricción en el escape puede reducir la fuerza utilizable aunque la presión de alimentación parezca estable.
Considere un cilindro horizontal de 50 mm de diámetro y vástago de 20 mm durante una extensión cuasiestática. Con 5,0 bar en la cámara posterior y 0,8 bar en la cámara del lado del vástago, la estimación ideal con dos presiones antes de descontar la fricción es de unos 850 N. El cálculo abreviado da unos 982 N. Ignorar la presión del lado del vástago sobrestima este caso en aproximadamente 132 N, es decir, un 15,5 %. Este cálculo es una referencia de dimensionamiento, no una afirmación de precisión en lazo cerrado. Mida las presiones de ambas cámaras durante el evento real, compruebe la contrapresión de escape y utilice una célula de carga si el criterio de aceptación del proceso es la fuerza en la herramienta. La guía sobre fuerza por diferencial de presión y la guía sobre contrapresión explican estos dos términos con mayor detalle.
Criterios para seleccionar el modo de control de posición
El control de posición es adecuado para desplazamientos programables, indexado y tareas basadas en una ubicación medida. Festo indica 128 conjuntos de posición configurables para el CPX-CMAX y permite que funcionen de forma independiente hasta 8 módulos, pero estas cifras específicas del modelo no establecen una precisión universal del eje (documentación del producto CPX-CMAX de Festo, consultado en 2026).
Elija el control de posición cuando el resultado aceptado sea una ubicación, trayectoria o perfil de movimiento medidos. Algunos ejemplos habituales son cambiar posiciones de formato, alinear un carro con varias estaciones, seguir una trayectoria ordenada y devolver una herramienta a una posición segura verificada. La realimentación continua de posición es esencial. Un sensor reed puede confirmar un extremo de carrera, pero no mantener un lazo de posición a media carrera con corrección continua. No especifique la «precisión» como una cifra aislada. Defina la referencia de medición y realice la prueba en la herramienta terminada, no solo en el carro del cilindro. Registre la posición ordenada, la posición medida, la dirección de aproximación, la carga útil, la velocidad, la presión de alimentación, la longitud del tubo, la temperatura y el tiempo de permanencia. Distinga después estos conceptos:
- Resolución es el menor incremento indicado.
- Repetibilidad es la dispersión al repetir el mismo movimiento en condiciones definidas.
- Exactitud compara el resultado medido con una referencia trazable.
- Estabilidad en posición describe el movimiento mientras se ordena al eje permanecer inmóvil.
- Tiempo de establecimiento mide cuánto tarda el eje en entrar y permanecer dentro de la banda de aceptación.
¿Qué sucede si la herramienta encuentra un obstáculo antes de alcanzar su posición? El error de posición se mantiene, por lo que el controlador puede seguir ordenando la apertura de la válvula. Por eso, un lazo de posición de producción necesita límites de fuerza, presión, salida, velocidad y tiempo. El control de posición no sustituye la seguridad de contacto.
Criterios para seleccionar el modo de control de fuerza
El modo de fuerza debe utilizarse en un proceso de contacto supervisado, no durante un desplazamiento sin control hasta que aumente la presión. El manual del CPX-CMAX trata como parámetros separados la consigna de fuerza, la tolerancia de fuerza, la rampa de fuerza, las posiciones finales por software, la supervisión de velocidad y la supervisión de carrera, lo que confirma que la regulación de carga y la supervisión del movimiento deben funcionar conjuntamente (manual de control CPX-CMAX de Festo, consultado en 2026).
Elija el control de fuerza cuando varíen la altura o la elasticidad de la pieza y la calidad del proceso dependa de la carga de contacto. El montaje a presión, la sujeción, el seguimiento de superficies, el tensado y los ensayos de fuerza-desplazamiento pueden responder a este patrón. Decida primero si basta con una fuerza derivada de la presión. Si la fricción, la flexión de las herramientas o el riesgo de dañar el producto reducen el error permitido, mida la fuerza directamente en la trayectoria de carga. El control de fuerza también necesita supervisión de posición. Si falta la pieza esperada, un actuador que busca alcanzar una fuerza puede seguir moviéndose porque no aparece ninguna contrafuerza. El manual de Festo advierte que esta situación puede producir una velocidad elevada y un final de carrera sin frenado; por eso su modo de fuerza incluye supervisión de velocidad crítica y de carrera crítica.
Utilice una rampa de fuerza en lugar de un escalón brusco cuando importe el impacto de contacto. Defina también el desplazamiento máximo tras detectar el contacto, la presión máxima en cada cámara, el mando máximo de la válvula, el tiempo de permanencia y la respuesta ante un sensor averiado. El lazo de control no sustituye la capacidad de carga mecánica, una función de seguridad independiente ni una evaluación de riesgos. La regulación de presión puede seguir siendo útil dentro de la arquitectura: puede establecer una orden de presión repetible o limitar el esfuerzo disponible. Sin embargo, un regulador proporcional de presión y una válvula proporcional de caudal controlan variables distintas, y ninguno de ellos garantiza por sí solo la fuerza sobre la pieza.
¿Cómo deben secuenciarse los modos de posición y fuerza?
Una secuencia fiable de posición a fuerza minimiza el desplazamiento sin control antes de que comience la regulación de fuerza. Para obtener la generación controlada de fuerza más rápida, el manual del CPX-CMAX de Festo recomienda situar el accionamiento a menos de 1 mm de la posición de prensado. Se trata de un método específico del modelo, no de una distancia de transición universal (manual de control CPX-CMAX de Festo, consultado en 2026).
Utilice una máquina de estados, no un cambio de modo basado únicamente en un temporizador. El temporizador puede agotarse aunque falte la pieza, el eje llegue tarde o la señal de presión se haya desviado. Cada transición debe exigir condiciones medidas y disponer de un tiempo límite independiente.
| Estado | Evidencia necesaria para entrar | Datos que deben registrarse | Ejemplo de fallo |
|---|---|---|---|
| Aproximación | Eje referenciado; orden dentro del intervalo seguro | Orden, posición, velocidad | Error de seguimiento o tiempo agotado |
| Búsqueda de contacto | Dentro de la ventana de aproximación validada | Posición, ambas presiones, señal de fuerza | Límite de carrera alcanzado sin contacto |
| Rampa de fuerza | Contacto confirmado y sensores plausibles | Consigna, realimentación, rampa y salida de válvula | Sobreimpulso de fuerza o ausencia de aumento |
| Permanencia | Fuerza dentro de la banda de aceptación | Media, pico, mínimo, duración y deriva de posición | La fuerza sale de la banda |
| Liberación y retracción | Fuerza bajo el umbral de liberación | Fuerza residual, traza de retracción y posición final | La carga permanece atrapada |
La conmutación de modo no debe especificarse como un número universal de milisegundos. La transición física depende de la lógica del controlador, la dinámica de la válvula, el volumen de los tubos, el volumen de las cámaras, la rigidez de contacto, la carga útil y la rampa de fuerza. Apruebe la secuencia medida completa.
Límites de seguridad y pruebas de aceptación
ISO 4414:2010 es una norma internacional de 38 páginas que trata los peligros importantes de los sistemas neumáticos durante el diseño, la instalación, el ajuste, el funcionamiento y el mantenimiento. Por tanto, un lazo normal de posición o fuerza es solo una capa; la máquina sigue necesitando un estado seguro definido y medidas de protección basadas en el riesgo (ISO 4414:2010).
Comience por definir qué sucede cuando se pierde la alimentación eléctrica o neumática, falla el encoder, discrepan los sensores de presión, se sobrecarga la célula de carga, se rompe un tubo, se pierde la comunicación con la válvula o se activa una parada de emergencia. Una carga vertical puede requerir un freno o dispositivo de bloqueo con capacidad mecánica certificada. Descargar un circuito también puede liberar energía almacenada o dejar caer una masa suspendida, por lo que «evacuar el aire» no es una respuesta segura universal. La puesta en servicio debe generar trazas, no impresiones. Registre la posición ordenada y medida, la presión posterior y del lado del vástago, la fuerza directa si existe, el mando de la válvula, el estado del controlador, los indicadores de límite y las marcas de tiempo. Ensaye con cargas útiles mínima y máxima, presiones de alimentación baja y alta, ambas direcciones de aproximación, límites de temperatura relevantes y longitudes de tubo representativas.
Utilice criterios de aceptación separados para cada modo:
| Métrica del modo de posición | Métrica del modo de fuerza | Métrica de secuencia y seguridad |
|---|---|---|
| Exactitud en la referencia definida | Exactitud de fuerza en la célula de carga definida | Recorrido máximo tras detectar el contacto |
| Repetibilidad según la dirección de aproximación | Repetibilidad en el intervalo de piezas y temperaturas | Sobreimpulso máximo de fuerza o presión |
| Sobreimpulso y tiempo de establecimiento | Estabilidad de la rampa y permanencia de fuerza | Tiempo límite de transición y respuesta a fallos |
| Deriva en posición | Deriva de posición durante la permanencia de fuerza | Respuesta segura cuando falta la pieza |
| Error de seguimiento durante el perfil de movimiento | Diferencia entre fuerza estimada y medida directamente | Comportamiento de reinicio tras interrumpir el ciclo |
La ficha técnica de un componente no puede validar esta tabla. Por ejemplo, la documentación del CPX-CMAX enumera válvulas proporcionales VPWP de 350, 700, 1.400 y 2.000 L/min. Estas cuatro clases de caudal nominal ayudan a seleccionar componentes, pero la respuesta del eje terminado sigue dependiendo de todo su volumen neumático, restricciones, carga y ajuste.
¿Qué modo de control se adapta a su aplicación?
El CPX-CMAX asigna el bit B1 del control en modo directo al valor 0 para posición y 1 para fuerza, pero su manual sigue definiendo límites, rampas y comportamientos de supervisión diferentes para cada estado. Un bit de software puede seleccionar un modo, pero no hacer equivalentes ambos objetivos de control (manual de control CPX-CMAX de Festo, consultado en 2026). Tome la decisión a partir del criterio de aceptación del proceso:
| Requisito principal | Arquitectura recomendada | Prueba de aceptación esencial |
|---|---|---|
| Alcanzar varias ubicaciones programadas | Control de posición con encoder continuo | Error de posición, repetibilidad, establecimiento y respuesta a fallos con carga |
| Aplicar un esfuerzo neumático aproximado | Estimación de fuerza con dos presiones y posición supervisada | Comparar la fuerza calculada con una célula de carga de referencia en todo el intervalo operativo |
| Proteger un conjunto delicado o regulado | Control directo mediante célula de carga con supervisión de posición | Sobreimpulso de fuerza, estabilidad en permanencia, límite de recorrido y respuesta ante fallo del sensor |
| Mover con rapidez y después prensar | Aproximación de posición por etapas, contacto protegido, rampa de fuerza y retracción por posición | Traza completa y sincronizada de posición, presión, fuerza y estado |
| Sostener una carga suspendida | Control de movimiento evaluado según el riesgo y una medida mecánica de retención adecuada | Pruebas de pérdida de energía y aire, freno, reinicio y energía atrapada |
Si la RFQ solo indica «cilindro inteligente con control de fuerza y posición», está incompleta. Añada la variable controlada, el tipo y la ubicación del sensor, el método de estimación de fuerza, la carga útil, la orientación, la carrera, el perfil de velocidad, los tubos, el intervalo de presión, el error permitido, el estado seguro y el procedimiento de aceptación. Esta información determina si el proyecto necesita una estimación basada en presión, realimentación directa de fuerza u otra tecnología de actuador.
Preguntas frecuentes sobre los modos de control de cilindros inteligentes
El CPX-CMAX ofrece 2 modos de control directo seleccionables, posición y fuerza, pero su realimentación interna de fuerza sigue derivándose de la presión. El control directo de la fuerza sobre la pieza requiere un controlador o una arquitectura de lazo externo de supervisión que acepte la señal de una célula de carga externa. Estas preguntas frecuentes mantienen este ejemplo de producto separado de los requisitos universales (manual de control CPX-CMAX de Festo, consultado en 2026).
¿Pueden los sensores de presión sustituir una célula de carga para controlar la fuerza?
Los sensores de presión pueden estimar la fuerza del pistón cuando se conocen las presiones de ambas cámaras, las áreas efectivas, la carga útil, la orientación y el margen de fricción. No miden directamente la fuerza de la herramienta. Si la aceptación del proceso depende de la carga real sobre la pieza, instale un sensor de fuerza calibrado en la trayectoria de carga correspondiente y verifique su alineación, intervalo, capacidad de sobrecarga e incertidumbre de medición.
¿Puede un controlador cambiar entre los modos de posición y fuerza?
Sí, algunos controladores servoneumáticos admiten ambos modos. El CPX-CMAX de Festo, por ejemplo, ofrece órdenes de posición y fuerza, además de secuenciación de registros. Confirme las funciones exactas del controlador antes de seleccionarlo. La conmutación debe realizarse mediante una máquina de estados supervisada, con confirmación del contacto, límites de fuerza y recorrido, tiempos límite y una respuesta definida cuando falte la pieza prevista.
¿Garantiza el control de posición una fuerza de contacto fija?
No. Un lazo de posición corrige el error de posición, por lo que la fuerza de contacto puede variar con la altura y rigidez de la pieza, la fricción, la flexión del útil, la presión y los límites de salida del controlador. Proteja el proceso con límites de fuerza o presión. Cuando la tolerancia de carga de contacto sea contractual, mida directamente la fuerza en lugar de inferirla a partir de la posición final o del mando de la válvula.
¿Cómo debo establecer el punto de transición antes del contacto?
Establézcalo a partir de la variación medida de altura de la pieza, la distancia de parada, la incertidumbre del sensor, la repetibilidad del eje y el recorrido permitido para buscar el contacto. Festo indica menos de 1 mm para un método de prensado con CPX-CMAX, pero no es un valor universal. Valide la ventana de transición con la velocidad, carga útil y presión de alimentación más desfavorables, además de la tolerancia del utillaje y el estado de la pieza.
¿Qué pruebas de aceptación deben registrarse?
Registre de forma sincronizada la posición, las presiones de ambas cámaras, la fuerza directa cuando esté disponible, el mando de la válvula, el estado del controlador y los indicadores de fallo. Ejecute ciclos repetidos con distintas cargas útiles, presiones, temperaturas, direcciones de aproximación y variaciones de pieza. Informe por separado de la exactitud y la repetibilidad de posición, y de la exactitud de fuerza y la linealidad del regulador de presión o la fuerza calculada del pistón.
Fuentes y referencias técnicas
Las afirmaciones técnicas se vinculan con la fuente correspondiente de ISO o Festo cuando aparecen por primera vez; las cifras específicas de un modelo no deben trasladarse a otro controlador sin comprobar su documentación vigente.