Steuern und Regeln für Maschinenbau und Mechatronik

Steuern und Regeln für Maschinenbau und Mechatronik
Bibliothek des technischen Wissens
Steuern und Regeln
für Maschinenbau und
Mechatronik
13., überarbeitete Auflage
Die beigefügte CD enthält die Bilder des Buches und
die Lösungen zu den Aufgaben und Übungen
Bearbeitet von Lehrern und Ingenieuren (s. Rückseite)
Lektorat: Prof. Dr.-Ing. Dietmar Schmid, Essingen
VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL • Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG
Düsselberger Straße 23 • 42781 Haan-Gruiten
Europa-Nr.: 10021
Titelei 001-006.indd 1
14.12.12 10:18
2
Die Verfasser des Buches
Schmid, Dietmar
Dr.-Ing., Professor
Essingen
Kaufmann, Hans
Dipl.-Ing. (FH), Studiendirektor
Aalen
Pflug, Alexander
Dipl.-Ing., Studienrat
Schwäbisch Gmünd
Zippel, Bernhard
Dipl.-Ing., Studiendirektor
Stuttgart
Lektorat und Leitung des Arbeitskreises
Prof. Dr.-Ing. Dietmar Schmid, Essingen
Bildbearbeitung
Zeichenbüro des Verlags Europa-Lehrmittel, Ostfildern
Wie in Lehrbüchern üblich, werden etwa bestehende Patente, Gebrauchsmuster oder Warenzeichen
nicht erwähnt. Fehlt ein solcher Hinweis, dann heißt das nicht, dass die behandelten Gegenstände
davon frei sind.
13. Auflage 2013
Druck 5 4 3 2 1
Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Korrektur von Druckfehlern untereinander
unverändert sind.
ISBN 978-3-8085-1119-0
Umschlaggestaltung unter Verwendung eines Fotos der Daimler AG (links), der Robert Bosch GmbH (oben rechts)
und des Lektors.
Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb
der gesetzlich geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden.
© 2013 by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruiten
http://www.europa-lehrmittel.de
Satz: Grafische Produktionen Jürgen Neumann, 97222 Rimpar
Druck: Konrad Triltsch, Print und digitale Medien, 97199 Ochsenfurt-Hohestadt
Titelei 001-006.indd 2
14.12.12 10:18
Vorwort
3
Vorwort zur 13. Auflage
Steuern und Regeln für Maschinenbau und Mechatronik führt die Bausteine der Mechanik, der Pneumatik, der Hydraulik, der Elektrotechnik, der Elektronik und der Kommunikations- und Computertechnik
zusammen zu einem aktuellen Wissensgebiet, nämlich dem der Mechatronik. Die 13. Auflage wurde in
den Kapiteln „Elektrische Antriebstechnik”, „Pneumatik” und „SPS” gründlich überarbeitet. So sind
insbesondere die modernen Technologien der digitalen Drehzahlsteuerung und digitalen Drehzahlregelung von Drehstromsynchronmotoren und Drehstromasynchronmotoren ausführlich dargestellt. In
der Pneumatik sind den Themen „Ventilinseln” und „pneumatische Muskeln” mehr Platz eingeräumt.
Im Bereich der SPS ist u. a. die Darstellung der „Zustandsautomaten” hinzugekommen. Desweiteren
gibt es in allen Kapiteln Einzelverbesserungen und aktualisiertes Bildmaterial.
Das praxisbezogene Lehrbuch richtet sich an alle, die sich in der Steuerungs- und Regelungstechnik
in Verbindung mit moderner Informations- und Kommunikationstechnik ausbilden und weiterbilden
wollen.
Es ist geeignet sowohl für Auszubildende zur Vertiefung ihres Wissens als auch für Meister- und
Technikerschüler, für den Unterricht im Technischen Gymnasium und im Berufskolleg, aber auch als
praktische Ergänzung für Studierende an Hochschulen. Ebenso wird das Buch Praktikern, die sich mit
Steuerungs- und Überwachungsaufgaben sowie mit Qualitätsmanagement befassen, eine wertvolle
Hilfe sein.
Das Buch ist gegliedert in die Lehr- und Lernbereiche:
• Steuern, Regeln, Leiten
(Begriffsbestimmungen),
• Grundkenntnisse der Steuerungstechnik
(mechanische, elektrische, pneumatische, elektropneumatische, hydraulische, binäre und digitale
Steuerungen, SPS und Antriebe),
• Montage und Demontage,
• Qualitätsmanagement,
• Instandhaltung,
• Geschäftsprozesse,
• Sensortechnik,
• Arbeitsgestaltung und Arbeitsschutz,
• Regelungstechnik,
• Informations- und Kommunikationstechnik,
• NC-Technik,
• Aufgaben und Übungen,
• Robotertechnik,
• Fachwörterbuch/Professional Dictionary.
Die einzelnen Kapitel des Buches sind weitgehend in sich abgerundet und können auch in anderer
Reihenfolge, erarbeitet bzw. unterrichtet werden. Damit ergibt sich ein großer Spielraum bei der Stoffauswahl und in der inhaltlichen Schwerpunktsetzung für den Unterricht.
Die Autoren sind Ingenieure und Lehrer, die ihre fachlichen und methodischen Erfahrungen in das Buch
eingebracht haben. Die Autoren und der Verlag sind für Anregungen und Verbesserungsvorschläge aus
dem Kreis der Benutzer dieses Fachbuchs dankbar.
Winter 2012/2013
Titelei 001-006.indd 3
Dietmar Schmid
14.12.12 10:18
4
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1
1.1
1.1.1
1.1.2
1.1.3
Steuern, Regeln, Leiten
Steuern, Steuerung
7
Analoge, binäre und digitale Steuerungen 7
Verknüpfungssteuerungen und
Ablaufsteuerungen
9
Verbindungsprogrammierte Steuerungen und speicherprogrammierte
Steuerungen
10
1.2
Regeln, Regelung
10
1.3
Leiten, Leitung
11
2
Grundkenntnisse der Steuerungstechnik
2.1
Mechanische Steuerungen
2.1.1
2.1.2
2.1.2.1
2.1.2.2
2.1.3
Allgemeines
Verstellbare Getriebe
Stufengetriebe
Stufenlos verstellbare Getriebe
Getriebe mit ungleichförmiger
Übersetzung
Getriebe mit aussetzender Bewegung
2.1.4
2.2
Elektrische Steuerungen
2.2.1
2.2.6.5
2.2.6.6
Bauelemente elektrischer Kontaktsteuerungen
Darstellung elektrischer Kontaktsteuerungen
Grundschaltungen elektrischer
Kontaktsteuerungen
Ablaufsteuerungen
Wegdiagramm und Zustandsdiagramm
GRAFCET
Elektronische Bauelemente
Elektrische Aktoren
Rechnerische Grundlagen
Elektromagnete und Kupplungen
Netzbetriebene Drehstrommotoren
(AC-Motor)
Drehzahlsteuerung und
Drehzahlregelung
Gleichstromantriebe
Schrittmotorantriebe
2.3
Pneumatische Steuerungen
2.3.1
2.3.2
2.3.2.1
2.3.2.2
2.3.2.3
2.3.3
2.3.3.1
2.3.3.2
2.3.3.3
2.3.3.4
2.3.3.5
2.3.3.6
2.3.4
2.3.4.1
Aufbau einer Pneumatikanlage
Drucklufterzeugung
Verdichter (Kompressoren)
Druckluftnetze
Druckluftaufbereitung
Antriebsglieder
Druckluftmotoren
Pneumatischer Muskel
Balgantrieb
Dreh- und Schwenkantriebe
Druckluftzylinder
Zylinderkennwerte
Ventile und Grundsteuerungen
Darstellung der Ventile
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.2.4.1
2.2.4.2
2.2.5
2.2.6
2.2.6.1
2.2.6.2
2.2.6.3
2.2.6.4
Titelei 001-006.indd 4
12
12
13
13
14
17
19
20
20
32
33
35
36
37
43
47
48
51
51
59
65
66
67
68
70
70
73
74
75
75
77
77
78
78
82
84
84
2.3.4.2
2.3.4.3
2.3.4.4
2.3.4.5
2.3.4.6
2.3.5
2.3.6
2.3.7
2.3.7.1
2.3.7.2
2.3.8
2.3.9
Wegeventile
Stromventile
Sperrventile
Druckventile und Absperrventile
Ventilinseln
Aufbau eines Schaltplans
Funktionsdiagramme
Proportionaltechnik
Proportional-Druckregelventile
Proportional-Wegeventile
Beispiele pneumatischer Steuerungen
Elektropneumatische Steuerungen
86
88
89
91
92
93
95
99
99
100
102
105
2.4
Hydraulische Steuerungen
2.4.1
2.4.2
2.4.2.1
2.4.2.2
2.4.3
2.4.4
2.4.5
2.4.6
2.4.7
2.4.8
2.4.8.1
2.4.8.2
2.4.8.3
2.4.8.4
2.4.8.5
2.4.8.6
2.4.8.7
2.4.8.8
Allgemeines
Physikalische Grundlagen
Hydrostatik
Hydrodynamik
Hydraulikflüssigkeiten
Aufbau hydraulischer Steuerungen
Hydraulikpumpen
Hydraulikspeicher
Antriebselemente
Hydraulikventile
Druckventile
Wegeventile
Sperrventile
Stromventile
Ventilaufbauarten
Stetigventile
Proportionalventiltechnik
Servoventile
110
110
110
110
112
113
115
116
118
120
123
124
127
128
129
132
134
135
141
2.5
Binäre und digitale Steuerungen
2.5.1
2.5.2
2.5.3
2.5.4
2.5.5
2.5.6
Dualcode
BCD-Codes
Binäre Verknüpfungen
Schaltalgebra
Kombinatorische Steuerungen
Übungen zu kombinatorischen
Steuerungen
Ablaufsteuerungen
Digitale Speicher
2.5.7
2.5.8
2.6
143
143
144
145
148
149
151
154
160
Gefahren und Schutzmaßnahmen
bei elektrischen Anlagen
164
2.7
Elektromagnetische Verträglichkeit
(EMV)
166
2.8
Speicherprogrammierbare
Steuerungen (SPS)
2.8.1
2.8.2
2.8.2.1
2.8.2.2
2.8.3
2.8.3.1
2.8.3.2
2.8.3.3
2.8.4
Aufbau und Funktionsweise
Programmierung
Programmiersprachen
Programmaufbau
Grundfunktionen
Binäre Abfragen und Verknüpfungen
SR/RS-Speicherfunktionen
Flankenauswertung
Zeitfunktionen
168
168
171
171
174
178
178
181
183
184
14.12.12 10:18
Inhaltsverzeichnis
2.8.5
2.8.6
Zählfunktionen
Arithmetische und numerische
Funktionen
2.8.7
Übertragungsfunktionen und
Programmsteuerfunktionen
2.8.8
Digitale Operationen
2.8.9
Ablaufsteuerungen
2.8.9.1 Gliederung und Darstellung
2.8.9.2 Beispiel einer Ablaufsteuerung
2.8.9.3 Programmierung in Ablaufsprache
2.8.9.4 Betriebsartensignale
2.8.9.5 Funktionsbaustein für Betriebsarten
2.8.9.6 Funktionsbaustein für sequenzielle
Schrittketten
2.8.9.7 Funktionsbaustein für die Befehlsausgabe
2.8.9.8 Zustandsautomaten
2.8.10
Analogwertverarbeitung
2.8.11
Programmieren mit strukturiertem
Text (ST)
2.8.11.1 Digitale Regelung
2.8.11.2 Zweipunktregler
2.8.11.3 PID-Reglerbaustein
2.8.12
Bedienen und Beobachten von
Fertigungsprozessen
2.8.13
Schnelle Zählvorgänge
3
5
186
188
188
189
191
191
192
195
197
198
199
200
200
202
205
205
206
207
209
210
Sensortechnik
3.1
Analoge Sensoren
3.1.1
3.1.4
3.1.5
Sensoren für Wege, Winkel, Abstände
und Dicken
Geschwindigkeitssensoren
Sensoren für Dehnungen, Kräfte,
Drehmomente und Drücke
Beschleunigungssensoren
Temperatursensoren
3.2
Binäre Sensoren
225
3.3
Digitale Sensoren
3.3.1
3.3.2
Inkrementale Wegsensoren
Codemaßstäbe und Winkelcodierer
227
227
229
3.1.2
3.1.3
4
212
212
219
220
222
223
Regelungstechnik
4.4
Regler und Regelkreise
4.4.1
4.4.2
4.4.3
4.4.3.1
4.4.3.2
4.4.4
4.4.5
4.4.6
4.4.7
Schaltende Regler
Analoge Regler
Digitale Regler (Software-Regler)
Digitalisierung und Signalabtastung
Regelungsalgorithmus
Regelung von P-Strecken
Regelung von I-Strecken
Einstellen eines Reglers
Selbstoptimierende Regler
4.5
Lageregelung bei NC-Maschinen
4.5.1
4.5.2
4.5.3
Kaskadenregelung
Geschwindigkeitsvorsteuerung
Analoger und digitaler Drehzahlregelkreis
5
243
243
244
246
246
247
250
251
252
253
254
254
255
256
Computergesteuerte Maschinen
5.1
CNC-Werkzeugmaschinen
5.1.1
5.1.2
5.1.3
5.1.3.1
5.1.3.2
5.1.4
5.1.5
5.1.6
Der Produktionsprozess
NC-Achsen und deren Steuerung
CNC-Programmierung
DIN-Programmierung
Werkstattorientiertes Produzieren
Interpolation
Leistungsfähigkeit
Offene CNC-Steuerung
5.2
Rapid Prototyping (RP)
5.2.1
5.2.2
5.2.3
Allgemeines und Anwendung
Verfahren des RP
Die Informationskette und die
Prozesskette
5.3
Robotertechnik
5.3.1
5.3.2
5.3.3
5.3.4
5.3.5
5.3.5.1
5.3.5.2
5.3.6
5.3.6.1
5.3.6.2
5.3.6.3
5.3.6.4
5.3.6.5
5.3.7
Einteilung
Der kinematische Aufbau
Roboterantriebe
Greifer
Roboterprogrammierung
Programmierverfahren
Koordinatensysteme
Robotersteuerung
Die Bewegungserzeugung
Achsstellungen
Interpolation
Überschleifen und Pendeln
Robotersensorführung
Schutzmaßnahmen
257
257
260
262
262
272
274
276
278
279
279
279
282
283
283
285
288
289
290
290
293
295
295
296
297
298
299
302
4.1
Grundbegriffe
231
4.2
Regelungsarten
232
4.3
Regelkreisglieder
234
6
4.3.1
Proportionalglied ohne Verzögerung
(P-Glied)
Proportionalglied mit Verzögerung
1. Ordnung (P-T1-Glied)
Proportionalglied mit Verzögerung
2. Ordnung (P-T2-Glied) und Schwingungsglied
Integralglied (I-Glied)
Differenzierglied (D-Glied)
Totzeitglied (Tt-Glied)
Zusammenwirken mehrerer
Regelkreisglieder
234
6.1
Grundlagen
303
6.2
Der Materialfluss
6.2.1
6.2.2
6.2.3
6.2.4
6.2.5
Lagern
Puffern
Bunkern
Magazinieren
Fördersysteme
306
306
307
308
309
310
6.3
Fügen in der Montage
6.3.1
6.3.2
Schrauben
Umformen
4.3.2
4.3.3
4.3.4
4.3.5
4.3.6
4.3.7
Titelei 001-006.indd 5
235
236
239
240
240
242
Montage und Demontage
313
313
313
14.12.12 10:18
6
Inhaltsverzeichnis
6.3.3
6.3.4
6.3.5
6.3.6
Kleben und Abdichten (Sealen)
Schweißen und Löten
Zusammenlegen
Schrumpfen
315
316
318
318
319
319
320
6.4
Montageplätze
6.4.1
6.4.2
Manuelle Montage
Maschinelle Montage
6.5
Montageorganisation
6.5.1
6.5.2
Topologie
Montageablauf
7
321
321
321
Qualitätsmanagement
9.8
9.9
Moderation
Präsentation
9.9.1
9.9.2
Inhalt und visuelle Darstellung
Präsentationsgrafik und PowerPoint
10
368
368
371
372
Arbeitsgestaltung und Arbeitsschutz
10.1
Der Mensch ist das Maß
373
10.2
Arbeitsplatzgestaltung
374
10.3
10.3.1
10.3.2
Arbeitsbelastungen
378
Arbeitsbelastung durch die Art der Arbeit 378
Belastungen durch die Arbeitsorganisation
379
7.1
Qualität
7.1.1
7.1.2
Qualitätsmerkmale
Fehler
323
323
324
10.4
EU-Maschinenrichtlinie
381
10.4.1
7.2
Ziele des Qualitätsmanagements
325
10.4.2
Gesichtspunkte zur Sicherheit und zum
Gesundheitsschutz
Kennzeichnung und Betriebsanleitung
381
383
7.3
TQM – Total Quality Management
325
10.5
Europäische Sicherheitsnormen
384
7.4
Qualitätskreis und Qualitätspyramide
326
11
327
327
328
328
330
11.1
Computertechnik
11.1.1
11.1.2
11.1.3
Der PC
Objektorientierte Software
Steuern mit PC
11.2
Kommunikationstechnik
11.2.1
11.2.2
11.2.3
11.2.4
11.2.4.1
11.2.4.2
11.2.4.3
11.2.5
Lokale Kommunikation
Internet und Intranet
Lokale Netze (LAN)
Feldbussysteme
CAN-Bus
PROFIBUS, PROFIBUS-DP
Aktor-Sensor-Interface (AS-I)
Serielle Schnittstelle (V.24)
7.5
Aufbau und Elemente eines
Qualitätsmanagementsystems
7.5.1
7.5.2
7.5.3
7.5.4
Aufbauorganisation
Ablauforganisation
DIN ISO 9000
Zertifizierung
7.6
Statistische Qualitätslenkung
7.6.1
7.6.2
7.6.3
Prozessanalyse
Qualitätsregelkarten
Maschinen- und Prozessfähigkeit
8
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
8.8
8.9
9
330
331
333
334
Instandhaltung und Energie-Monitoring
Begriffe zur Instandhaltung
Wartung
Inspektion
Instandsetzung
Inbetriebnahme
Fehlersuche
Reparatur
Condition-Monitoring (Zustandsbedingte Instandhaltung)
Energie-Monitoring
335
338
342
344
385
385
388
391
396
396
397
400
402
402
403
404
405
Aufgaben und Übungen
12.1
Aufgaben und Übungen zur
Pneumatik
406
348
12.2
Aufgaben und Übungen zur
Hydraulik
411
349
12.3
Aufgaben und Übungen zu
GRAFCET
413
12.4
Aufgaben und Übungen zur SPS
414
12.5
Aufgaben und Übungen zur
Regelungstechnik
427
Aufgaben und Übungen zur
CNC-Technik
429
345
347
353
Geschäftsprozesse
9.1
Managementaufgaben
355
9.2
Prozessmanagement
356
9.3
Produkt-Daten-Management
357
9.4
Gestaltungsmethoden für
Prozessketten
359
9.5
Projektmanagement
361
9.6
9.7
Informationsmanagement
Planungsinstrumente
362
Titelei 001-006.indd 6
12
Informations- und Kommunikationstechnik
364
12.6
Fachwörterbuch: Deutsch-Englisch
(Sachwortverzeichnis)
430
Professional Dictionary: English-German
(Index)
440
Quellenverzeichnis
448
14.12.12 10:18
1.1 Steuern, Steuerung
1
7
Steuern, Regeln, Leiten
Damit Maschinen und Anlagen selbsttätig, also
automatisch, arbeiten können, werden sie mit
Steuerungs-, Regelungs- und Leittechniken ausgerüstet. Diese Einrichtungen sind mechanische,
elektrische, pneumatische und hydraulische Antriebe und Steuerungselemente. Mit Computern
steuert man komplexe Fertigungseinrichtungen
und Produktionsanlagen. Mikroprozessoren und
Mikrocomputer und Industrie-PC sind heute häufig
Bestandteil auch kleinster Steuerungsbaugruppen.
Die Begriffe der Leittechnik, Steuerungstechnik
und Regelungstechnik sind in DIN IEC 60 050-351
„Internationales Elektrotechnisches Wörterbuch –
Teil 351: Leittechnik“ festgelegt (Gesamtumfang
194 Seiten).
Beispiel. Der Bewegungszyklus eines Maschinentisches soll über eine Kurvenscheibe gesteuert werden (Bild 2). Die zu steuernde Größe ist der Weg s des
Maschinentisches. Er wird unter Berücksichtigung
des Getriebes auf den entsprechenden Radius der
Kurvenscheibe umgerechnet. Der Radius der Kurvenscheibe ist analog zur Steuergröße, dem Weg s.
Wird die Kurvenscheibe gedreht, bewegt sich der
Maschinentisch zyklisch vorwärts und rückwärts.
Die wichtigsten Bauelemente analoger Steuerungen
sind Kurvenscheiben, Getriebe, Ventile, Motoren,
analoge Sensoren und Operationsverstärker.
Wirkungsplan
1.1
Steuern, Steuerung
Das Steuern ist ein Vorgang, bei dem eine Anlage oder ein Gerät durch Steuersignale beeinflusst
wird. Kennzeichnend für das Steuern ist der offene Wirkungsweg der Signale.
Die Steuersignale wirken von dem Steuergerät auf
die Anlage oder Maschine ohne ein fortlaufendes
Erfassen und Korrigieren des Steuerungsvorgangs (Bild 1). Bei einer Vorschubsteuerung wird
der Maschinentisch über einen Antrieb bewegt.
Stellsignal ist die Motorspannung UM für den
Vorschubmotor. Dieser bildet zusammen mit dem
Maschinentisch die Steuerstrecke. Steuergröße
ist der Vorschubweg s, den der Maschinentisch
zurücklegt.
Der Begriff Steuerung wird auch für die Gesamtanlage verwendet, in der der Vorgang des Steuerns stattfindet. Im Wirkungsplan wird das Zusammenwirken der einzelnen Steuerungsbaugruppen
mit Blocksymbolen und Wirkungslinien dargestellt. Die Wirkungsrichtung kennzeichnet man mit
Pfeilen.
1.1.1
Steuergröße
Stellsignal
Steuereinrichtung
Steuerstrecke
Steuergröße
Stellsignal
Weg s
Steuerspannung
Steuereinrichtung
UM
n
Tisch
Motor
Spindel
Bild 1: Prinzip einer Steuerung am Beispiel einer
Vorschubeinrichtung
Weg
Maschinentisch
Analoge, binäre und digitale
Steuerungen
Nach der Art der Signaldarstellung unterscheidet
man analoge Steuerungen, binäre Steuerungen
und digitale Steuerungen.
Wechselräder
Bei analogen Steuerungen steuert man überwiegend mit stetig wirkenden Signalen, die ein analoges Abbild der Steuergröße sind.
007-066.indd 7
Kurvenscheibe
Bild 2: Analoge Steuerung eines Maschinentisches
18.12.12 10:53
8
1.1 Steuern, Steuerung
Bei binären Steuerungen steuert man mit binären,
d. h. zweiwertigen Signalen.
Binäre Signale werden durch zwei verschiedene
Werte oder Zustände dargestellt, z. B. durch EIN
und AUS, durch SCHWARZ und WEISS oder
STROMLEITEND und STROMNICHTLEITEND oder
einfach durch 0 und 1. Die meisten Steuerungen
arbeiten mit Schaltsignalen und sind somit binäre
Steuerungen.
Beispiel. Der Vorschubtisch einer Schleifmaschine
soll ständig hin- und herfahren (Bild 1). Über einen Umschalter kann durch eine positive Motorspannung der Tisch nach rechts gesteuert werden.
Trifft der am Tisch befestigte Nocken 2 auf den
Umschalter, wird der Tisch über die negative Motorspannung nach links bewegt, bis der Nocken 1
wieder auf die Gegenbewegung umschaltet.
Die wichtigsten Bauelemente digitaler Steuerungen sind Codierer, Mikroprozessoren, Computer, digitale Speicher, digitale Sensorsysteme
und digitale Netze.
nach rechts
Die Steuersignale sind meist binär verschlüsselt
(codiert). Die einfachste Codierung ist der Zählcode. Dabei werden entsprechend der darzustellenden Zahl Impulse erzeugt und beim Empfänger
gezählt.
Beispiel. Ein Vorschubtisch soll um einen durch Zahlen bestimmbaren Weg zyklisch vor und zurück bewegt werden. Die digitale Steuerung erzeugt abgezählt und abwechselnd Impulse zur Rechtsdrehung
und zur Linksdrehung eines Schrittmotors (Bild 2).
Die Impulszahl und damit der Verfahrweg kann an
einem Vorwahlschalter eingestellt werden (Bild 3).
Mit jedem Impuls wird der Schrittmotor genau um
einen Winkelschritt (Inkrement) gedreht und damit
der Maschinentisch um einen Wegschritt weiterbewegt. Ein solcher Wegschritt ist die kleinste ausführbare Bewegung und entspricht dem niederwertigsten Ziffernschritt am Vorwahlschalter. Je nach Wahl
des Getriebes, des Schrittmotors und der Spindelsteigung entspricht ein solcher Wegschritt z. B. 0,1
mm. Im Unterschied zur analogen Steuerung sind
Stell- und Steuergröße unstetig.
L–
Nocken 2
Nocken 1
Motor
Bild 1: Binäre Steuerung eines Vorschubantriebs
(Pendeln)
Die wichtigsten Bauelemente binärer Steuerungen sind Relais, Schaltventile, Dioden und
binäre elektronische Schaltkreise.
Bei digitalen Steuerungen steuert man mit Zahlen.
nach links
L+
Weg
Schrittimpuls
Digitale
Steuerung
vorwärts
Schrittmotor
rückwärts
Bild 2: Digitale Vorschubsteuerung mit Schrittmotor
Schaltfinger am
10-teiligen Schaltstern
gedruckte Schaltung
Bild 3: Vorwahlschalter
Wiederholung und Vertiefung
1. Wodurch sind analoge Steuerungen gekennzeichnet? Nennen Sie ein Beispiel für eine analoge Steuerung.
2. Welches sind die wichtigsten Bauelemente analoger Steuerungen?
007-066.indd 8
3. Wodurch unterscheiden sich binäre Steuerungen
von digitalen Steuerungen?
4. Welches sind die wichtigsten Bauelemente binärer Steuerungen?
5. Wofür verwendet man Vorwahlschalter?
18.12.12 10:53
1.1 Steuern, Steuerung
1.1.2
9
Verknüpfungssteuerungen und Ablaufsteuerungen
Nach Art der Signalverarbeitung unterscheidet
man Verknüpfungssteuerungen (kombinatorische
Steuerungen) und Ablaufsteuerungen (sequentielle Steuerungen).
Bei Verknüpfungssteuerungen entsteht die Steuergröße durch Verknüpfung (Kombination) mehrerer Signale.
Bei z. B. unerwartet stark belastetem Drehstrommotor wird erst dann in die Dreieckschaltung umgeschaltet, wenn eine hinreichend hohe Drehzahl
erreicht ist.
Schutztüre geschlossen
&
Startvoraussetzung
Z. B. darf eine Drehmaschine nur anlaufen, wenn
die Schutztüre geschlossen ist UND das Werkstück im Spannfutter gespannt ist (Bild 1).
Verknüpfungssteuerungen sind binäre Steuerungen. Man entwickelt sie mit Hilfe der
Schaltalgebra. Die Darstellung erfolgt durch
schaltalgebraische Gleichungen, Kontaktpläne,
Funktionstabellen und Funktionspläne.
Bei Ablaufsteuerungen werden die Steuerungsvorgänge schrittweise ausgelöst. Das Weiterschalten von einem Schritt zum nächsten erfolgt entweder zeitabhängig oder prozessabhängig.
UND
Bild 1: Beispiel einer Verknüpfungssteuerung
Schritt
Bei prozessabhängigen Ablaufsteuerungen wird
das Weiterschalten von einem Schritt zum nächsten durch den Prozess selbst ausgelöst. Im Falle
einer Anlassschaltung für Drehstrommotoren benötigt man einen Sensor für den Betriebszustand
„Leerlaufdrehzahl erreicht“. Ist die Leerlaufdrehzahl erreicht, wird automatisch auf Dreieckschaltung umgeschaltet (Bild 3). Ablaufsteuerungen
stellt man mit Funktionsplänen bzw. Programmablaufplänen (GRAFCET, EN 60 848) oder aber
mit Zustandsdiagrammen (VDI 3260) dar, wenn
das Weiterschalten von einem Weg abhängt.
Schritt
007-066.indd 9
„Grundschritt”
„Taster S1 = EIN”
S1
1
Transition
M
3 s / X1
2
Transition
M
„Schritt 1 schaltet Motor
in Sternschaltung”
„Nach Ablauf von 3 s
wird Schritt 2 aktiviert
und Schritt 1 deaktiviert”
„Schritt 2 schaltet Motor
in Dreieckschaltung”
„Taster S2 = AUS”
S2
Transition = Übergangsbedingung
Bild 2: Funktionsplan einer zeitabhängigen
Anlassschaltung
Schritt
0
Transition
Schritt
Schritt
„Grundschritt”
„Taster S1 = EIN”
S1
1
Transition
Transition
Prozessabhängige Ablaufsteuerungen sind grundsätzlich zeitabhängigen Ablaufsteuerungen vorzuziehen, da bei Störungen der Ablauf unterbrochen
wird oder funktionsgerecht langsamer weiterläuft.
0
Transition
Schritt
Bei zeitabhängigen Ablaufsteuerungen steuern
Taktgeber, Zeitschaltuhren oder Zeitrelais den Ablauf. Ein einfaches Beispiel für eine zeitabhängige
Ablaufsteuerung ist die Steuerung für den automatischen Anlauf von Drehstrommotoren über eine
Stern-Dreieck-Anlassschaltung. Zunächst wird der
Motor in Sternschaltung hochgefahren und nach
Ablauf der geschätzten Hochlaufzeit zuzüglich einer Zeitreserve in Dreieckschaltung umgesteuert.
Danach ist der Motor betriebsbereit (Bild 2). Dargestellt werden Ablaufsteuerungen in Form von
Funktionsplänen.
für Drehmaschine
Spannfutter zu
M
B1
2
M
S2
„Schritt 1 schaltet Motor
in Sternschaltung”
„Drehzahlsensor B1
meldet Leerlaufdrehzahl n 0 erreicht”
„Schritt 2 schaltet Motor
in Dreieckschaltung”
„Taster S2 = AUS”
Bild 3: Funktionsplan einer prozessabhängigen
Schaltung
18.12.12 10:53
10
1.1.3
1.2 Regeln, Regelung
Verbindungsprogrammierte Steuerungen und speicherprogrammierte
Steuerungen
Steuerungen werden auch nach der Art der
Programmverwirklichung eingeteilt. Man unterscheidet verbindungsprogrammierte Steuerungen (VPS) und speicherprogrammierte Steuerungen (SPS) (Tabelle 1).
Bei verbindungsprogrammierten Steuerungen
(VPS) bestimmen die Leitungsverbindungen, z. B.
die Verdrahtung, den Programmablauf.
Wenn keine Programmänderungen vorgesehen
sind, nennt man diese Steuerungen festprogrammiert, sonst umprogrammierbar. Das Umprogrammieren kann z. B. durch den Tausch von
Programmsteckern (mit anderer Verdrahtung) erfolgen.
Speicherprogrammierte Steuerungen (SPS) enthalten einen elektronischen Programmspeicher,
der frei programmiert werden kann.
Das Programm kann über einen PC erstellt und in
die Steuerung übertragen werden. Die Programme
sind austauschbar und können schnell geändert
werden. SPS sind meist bei Maschinensteuerungen
eingesetzt. Es werden z. B. bei Transferstraßen die
Zustellbewegungen einzelner Maschinen mit SPS
1.2
gesteuert. SPS sind als Mehrprozessorsteuerungen
mit hochleistungsfähigen Mikroprozessoren aufgebaut. Über digitale Netze können SPS zusammengeschlossen werden und Daten austauschen. Über
Kommunikationsschnittstellen können SPS aus der
Ferne, z. B. über das Internet, beobachtet und mit
neuer Software ausgestattet werden.
Tabelle 1: Programmverwirklichung
Art
Verbindungsprogrammiert
VPS
Speicherprogrammiert
SPS
Beispiel
festprogrammiert
Relaissteuerung
umprogrammierbar
Programmsteuerung mit
Steckerfeld
austauschprogrammierbar
SPS mit
EPROM1
freiprogrammierbar
SPS mit
EEPROM2 oder
RAM3
1
EPROM von Erasable Programmable Read Only Memory = löschbarer Nur-Lese-Speicher
EEPROM von Eletrically EPROM = elektrisch löschbarer Nur-LeseSpeicher
3 RAM von Random Access Memory = Speicher mit wahlfreiem
Zugriff
2
Regeln, Regelung
Das Regeln bzw. die Regelung ist ein Vorgang, bei dem die zu regelnde Größe (Regelgröße) fortlaufend
erfasst und so beeinflusst wird, dass sie sich der gewünschten Größe (Führungsgröße) angleicht.
Man unterscheidet Festwertregelungen und Folgeregelungen.
Beispiel für eine Festwertregelung. In einem Härteofen soll die Temperatur auf einem gleichbleibenden
Wert (Festwert) gehalten werden (Bild 1). Dieser
Wert ist die Führungsgröße. Die Temperatur ist die
Regelgröße. Zur Regelung kann ein Dehnstab verwendet werden, der sich je nach Höhe der Ofentemperatur verlängert oder verkürzt. Dieser Dehnstab
ist über eine Stellschraube mit dem Schieber fest
verbunden. Mit der Stellschraube kann die Stellung
des Schiebers in Bezug auf den Dehnstab verändert
werden. Wird der Härteofen angefahren, verlängert
sich der Dehnstab mit steigender Temperatur und
der Schieber drosselt die Brenngaszufuhr. Sinkt die
Ofentemperatur, verkürzt sich der Dehnstab und
der Schieber öffnet die Brenngaszufuhr, damit die
Ofentemperatur wieder steigt. Die Ofentemperatur,
die durch diese Einrichtung konstant gehalten wird,
ist die Regelgröße. Der Ofen selbst wird als Regelstrecke bezeichnet. Die Schieberöffnung, mit der die
Brenngasmenge beeinflusst wird, nennt man wie bei
der Steuerung Stellgröße.
007-066.indd 10
a) Schematische
Darstellung
Härteofen
Regelstrecke
Temperatur
Regelgröße
Stellschraube
Schieberöffnung
Stellgröße
Schieber
Stellglied
Dehnstab
b) Wirkungsplan
Vergleichsstelle
Stellgröße y
Regelgröße x
z.B. Stellschraube
u. Schieber
z.B. Schieberöffnung
z.B. Temperatur
Sollwert +
z.B. Stellung –
der Stellschraube
Signalverzweigung
Regeleinrichtung
Regelstrecke
z.B. Dehnstab
u. Schieber
z.B. Härteofen
Bild 1: Historische Regelung eines Härteofens
18.12.12 10:53
1.3 Leiten, Leitung
Der Dehnstab gibt durch seine Länge die vorhandene Ofentemperatur, den Istwert der Regelgröße,
an, während über die Stellschraube die gewünschte Temperatur, der Sollwert der Regelgröße, eingestellt werden kann. Bei einer Differenz des Istwertes zum Sollwert, der Regeldifferenz, z. B. bei
einer Temperaturabsenkung öffnet der Schieber
die Zuleitung und der Ofen wird beheizt, um den
Sollwert wieder zu erreichen. Die Ofentemperatur
sinkt immer, wenn die Ofentür zur Neubeschickung
oder Entnahme der Werkstücke geöffnet wird. Die
dadurch auftretende Abkühlung bezeichnet man als
Störgröße.
Die Aufgabe der Regelung ist es, eine Größe, z. B.
die Temperatur, konstant zu halten. Regelungen
dieser Art nennt man Festwertregelungen.
Beispiel für eine Folgeregelung. Zum Härten von
Stahl soll die Temperatur im Härteofen langsam
bis auf etwa 700 °C erhöht und dann schnell auf
Härtetemperatur gebracht werden. Die Ofentemperatur soll einem bestimmten Temperaturprofil folgen. Dabei wird die Führungsgröße für
die Temperatur z. B. mit einer sich gleichmäßig
drehenden, auf der Achse Dehnstab-Schieber beweglichen Kurvenscheibe vorgegeben (Bild 1).
Schieber und Dehnstab sind mit Rollen versehen,
die in der Nut der Kurvenscheibe abrollen. Durch
die Form der Kurvenscheibe (Führungsgröße) wird
der Werteverlauf der Härtetemperatur (Regelgröße) gesteuert. In der gezeichneten Stellung der
Kurvenscheibe (maximale Härtetemperatur) ist der
Schieber (Stellglied) ganz geöffnet und die Brenn-
1.3
11
gaszufuhr entsprechend erhöht. Die Temperatur
(Regelgröße) steigt an. Mit zunehmender Temperatur dehnt sich der Dehnstab und schließt den
Schieber wieder soweit, dass die gewünschte Härtetemperatur nicht überschritten wird. Ein solches
Ausregeln des jeweiligen Temperaturbereichs geschieht bei jeder Kurvenscheibenstellung.
Regelungen unterscheidet man auch nach der
Art der Signalverarbeitung: Erfolgt die Signalverarbeitung in der Regeleinrichtung überwiegend
durch analoge Signale, spricht man von analoger
Regelung, bei überwiegend binären Signalen von
binärer Regelung und bei überwiegend digitaler
Signalverarbeitung von digitaler Regelung.
Kurvenscheibe
Führungsgröße
Temperatur
Regelgröße
Schieber
Stellglied
Dehnstab
Sensor
Härteofen
Regelstrecke
Bild 1: Historische Folgeregelung der Härtetemperatur
Leiten, Leitung
Den Steuer- und Regeleinrichtungen sind bei komplexen Anlagen, z. B. bei Kraftwerken, Transferstraßen und Verkehrsanlagen, Leiteinrichtungen
übergeordnet.
Das Leiten ist die Gesamtheit aller Maßnahmen,
die bewirken, dass der gewünschte Prozessverlauf erreicht wird. Dabei ist meist auch eine Mitwirkung des Menschen vorgesehen.
Neben dem Messen, Steuern und Regeln sind
die wichtigsten Leitaufgaben: Überwachen, Schützen vor Gefahren, Auswerten, Anzeigen, Melden,
Aufzeichnen, Eingreifen, Datenerfassen, Dateneingeben, Datenverarbeiten, Datenübertragen und Datenausgeben. Leiteinrichtungen sind Computer,
Betriebsdatenerfassungsgeräte und die Datennetze zur Verbindung der Leiteinrichtung mit
den dezentralen Steuerungs-, Regelungs- und
Messeinrichtungen einer Anlage.
Wiederholung und Vertiefung
1. Weshalb ist eine prozessabhängige Ablaufsteuerung einer zeitabhängigen Ablaufsteuerung vorzuziehen?
2. Nennen Sie je ein Beispiel für eine Verknüpfungssteuerung und eine Ablaufsteuerung.
3. Nach Erreichen der Leerlaufdrehzahl schaltet die
Steuerung den Motor von Stern- in Dreieckschaltung um. Handelt es sich dabei um eine zeitabhängige oder um eine prozessabhängige Ablaufsteuerung?
007-066.indd 11
4. Wodurch unterscheiden sich verbindungsprogrammierte Steuerungen von speicherprogrammierten Steuerungen?
5. Erläutern Sie die Begriffe Regelgröße und Führungsgröße.
6. Welches sind die wichtigsten Aufgaben einer Leiteinrichtung?
18.12.12 10:53
12
2.1 Mechanische Steuerungen
2
Grundkenntnisse der Steuerungstechnik
2.1
Mechanische Steuerungen
2.1.1
Allgemeines
Steuersignale
AntriebsEnergie
Mechanisches Getriebe
Mechanische Steuereinrichtungen können mit
großen Stellgeschwindigkeiten genaue Verstellwege fahren. Durch Nockenwellen werden z. B. die
Ventile von Motoren gesteuert. Rundschalttische
werden mit Hilfe von Malteserkreuzgetrieben positioniert oder an Drehautomaten werden Vorschübe
mit Kurvenscheiben gefahren. Mechanische Steuerelemente sind genau, wirken direkt ohne Verzögerung und haben eine hohe Lebensdauer. Sie sind
aber nur mit großem Aufwand herzustellen.
Untersetzungsgetriebe
Stellglied
Kupplung
Start
Stop
Steuereinrichtung
Steuerstrecke
Bild 1: Beispiel einer mechanischen Steuerung
Beispiel. Ein Elektromotor treibt z. B. die Antriebswelle an, die über eine Kupplung mit dem Zahnradpaar der Abtriebswelle verbunden werden kann.
Die Kupplung ist das Stellglied der Steuerung und
erhält die Steuersignale über einen Hebel von der
Kurventrommel. Die Kurventrommel sitzt auf einer
Steuerwelle, die über ein Untersetzungsgetriebe
ebenfalls vom Elektromotor angetrieben wird. Die
Signalgabe für die Betätigung der Kupplung wird
durch die Form der Kurventrommel bestimmt.
Antriebsenergie
Verstellbares
Getriebe
Signalgabe
mechanisch
stufenlos
pneumatisch
gestuft
hydraulisch
Kupplung
Führt die sich drehende Kurvennut in der sich
drehenden Kurventrommel nach rechts, wird die
Kupplung durch den Hebel geschlossen und die
Abtriebswelle eingeschaltet (Start). Führt die Nut
nach links, wird die Kupplung geöffnet und die
Antriebswelle bleibt stehen (Stopp). Die Signalfolge für Start und Stopp wiederholt sich nach jeder
Steuerwellenumdrehung und bildet in diesem Fall
das Programm der Steuerung.
Drehende
Bewegung
elektrisch
Geradlinige
Bewegung
Aussetzende
Bewegung
z.B. Malteserkreuzgetriebe
Die gesamte Steuereinrichtung besteht aus Steuerwelle, Kupplung, Kurventrommel, Hebel und Feder, während die Abtriebswelle die Steuerstrecke
darstellt.
007-066.indd 12
Steuerwelle
Antriebswelle
Mechanische
bestehen aus Getrieben, Kurvenscheiben, Hebeln, Kupplungen und
anderen mechanischen Bauteilen (Bild 1).
Bei Stufengetrieben erfolgt die Signalgabe über
Kupplungen, bei stufenlos verstellbaren Getrieben
über besondere Stelleinrichtungen. An der Abtriebswelle des verstellbaren Getriebes steht eine
gesteuerte Rotationsenergie zur Verfügung. Muss
Kurventrommel
Antriebswelle
Steuerungen1
Die Merkmale mechanischer Steuerungen können folgendermaßen zusammengefasst werden
(Bild 2): Die Antriebsenergie gelangt über einen
Elektromotor in ein verstellbares Getriebe, durch
das die Drehzahl, die Drehrichtung und die Drehdauer (Start-Stopp) über mechanische, pneumatische, hydraulische oder elektrische Signale verstellt werden können.
AbtriebsEnergie
Gleichförmig
z.B. Kugelspindelgetriebe
Ungleichförmig
z.B.
Kurventrieb
Bild 2: Aufbau mechanischer Steuerungen
die Drehbewegung jedoch in eine geradlinige
Bewegung umgewandelt werden, wie z. B. beim
Vorschub des Werkzeugschlittens einer Drehmaschine, kann dies mit einem Zahnrad-Zahnstangengetriebe geschehen.
1
Mechanische Steuerungen sind „aus der Mode“ gekommen.
Dies gilt vor allem für Steuerungen bei Maschinen und Geräten.
Es gibt aber bei vielen Aufgaben, insbesondere, wenn gleichzeitig Bewegungen zu steuern sind, mechanische Lösungen, die
wegen der Einfachheit, Robustheit, Zuverlässigkeit und Schnelligkeit elektronisch nicht oder nur sehr teuer erreichbar sind.
Beispiele sind: die Ventilsteuerungen durch Nocken und die
Lenkungen an Kraftfahrzeugen. Für beides gibt es grundsätzlich
auch elektronische Varianten.
18.12.12 10:53
2.1 Mechanische Steuerungen
700
Ablesebeispiel:
M1 = 200 Nm n1 = 1500 min–1
M2 = 100 Nm n2 = 3000 min–1
Nm
600
500
Drehmoment M
Bei reibungsarmen Antrieben werden Kugelgewindetriebe zur Erzeugung der gleichförmigen,
geradlinigen Bewegung eingesetzt. Soll die geradlinige Bewegung ungleichförmig verlaufen,
um z. B. eine schnelle Zustellbewegung von einer
langsamen Arbeitsbewegung zu trennen, verwendet man Kurbel- und Kurvengetriebe. Kurvengetriebe werden auch zur Signalerzeugung
eingesetzt. Für Transporteinrichtungen werden oft
Schrittbewegungen benötigt. Ein Rundschalttisch
einer Presse muss z. B. nach jedem Arbeitshub
des Presswerkzeugs um einen Teilschritt gedreht
werden und dann wieder stillstehen. Dies kann
durch die Unterbrechung der stetigen Drehbewegung eines verstellbaren Getriebes mit Hilfe eines
nachfolgenden aussetzenden Getriebes erreicht
werden.
13
400
300
gestuft
200
stufenlos
100
0
0
1000
min–1
5000
Drehzahl n
2.1.2
Verstellbare Getriebe
Bild 1: Kennlinie eines verstellbaren Getriebes
Mit verstellbaren mechanischen Getrieben werden die Drehrichtung, Drehzahlen und Drehmomente gesteuert.
Bremse
3
Die Eingangsleistung an der Antriebswelle des
Getriebes ist in vielen Fällen konstant, sodass sich
mit der Änderung der Drehzahl auch das Drehmoment verändert. Bei konstanter Leistung steht
das Drehmoment M in umgekehrtem Verhältnis
zur Drehzahl n: M f 1/n (Bild 1). Die Kennlinie ist
eine Hyperbel. Bei den schlupffreien, stufenlos
verstellbaren Getrieben ist die Kennlinie ein geschlossener Kurvenzug, bei Stufengetrieben werden entsprechend der Zahl der Drehzahlstufen nur
einige Punkte der Hyperbel belegt.
2.1.2.1 Stufengetriebe
Stufengetriebe teilt man in Stufenscheibengetriebe und Stufenrädergetriebe ein.
Stufenscheibengetriebe besitzen zur Kraftübertragung Riemenscheiben und Riemen. Die Kraftübertragung bei Stufenrädergetrieben erfolgt direkt über Zahnräder. Drehrichtung und Drehzahl
werden bei automatischen Stufengetrieben durch
Kupplungen und Bremsen verstellt.
Beispiel. Mit einem Keilriemengetriebe können
z. B. zwei Drehzahlen gesteuert werden, ohne dass
die Riemenlage verändert werden muss (Bild 2).
Die Signalgabe für den Drehzahlwechsel erfolgt
elektrisch über zwei Elektromagnet-Kupplungen
007-066.indd 13
Kupplung 1
4
Abtrieb
Kupplung 2
Antrieb
2
1
Keilriemenscheiben
Bild 2: Drehzahlsteuerung eines Stufenscheibengetriebes
und eine Bremse. Wenn die Elektromagnet-Kupplung 2 geschaltet ist, erfolgt der Abtrieb über
die Riemenscheibe 4 und der Langsamgang des
Getriebes ist angesteuert. Gleichzeitig muss die
Kupplung 1 offen sein, damit die Riemenscheibe 3
auf der Welle frei umlaufen kann.
Beim Umschalten auf den Schnellgang wird die
Elektromagnet-Kupplung 2 geöffnet und die Bremse für die Abtriebswelle angesteuert. Dann kann
die Kupplung 1 mit der Riemenscheibe verbunden
werden und den Abtrieb auf den Schnellgang beschleunigen.
18.12.12 10:53
14
2.1 Mechanische Steuerungen
Beispiel. Bei dem mechanisch gesteuerten Stufenrädergetriebe können zwei Drehzahlen und beide
Drehrichtungen gesteuert werden (Bild 1). Ein
Elektromotor treibt die untere Welle an. Für den
Schnellgang der Arbeitsspindel wird die Kupplung
K2 geschlossen.
Für den Langsamgang wird die obere Welle, die
wegen der Zahnraduntersetzung eine langsamere
Drehzahl als die untere Welle ausführt, durch die
Kupplung K1 und die beiden Kettentriebe mit den
Schalen K4 und K3 verbunden. Der Schaltzeitpunkt
für die mechanische Signalgabe zur Betätigung
der beiden Kupplungen K1 und K2 wird durch die
Steuerwellendrehzahl und die Form der rechten
Kurventrommel bestimmt. Die linke Kurventrommel dient zur Steuerung des Richtungswechsels.
Beim Linkslauf wird die Kupplung K4 geschlossen,
beim Rechtslauf die Kupplung K3.
Solche über Steuerwellen und Kurventrommeln
gesteuerten Stufenrädergetriebe verwendet man
z. B. bei Drehautomaten zum Antrieb der Arbeitsspindel. Die Formen der Kurventrommeln sind
auf ein bestimmtes Werkstück abgestimmt, das
bei sehr großen Stückzahlen preiswert hergestellt
werden kann.
K4
Kupplungsschalen
K3
Spindel
Kurventrommel für
Richtungswechsel
Steuerwelle
Kettentrieb
Kurventrommel
für Geschwindigkeitswechsel
K1
Antriebsmotor
K2
Kupplungen im Eingriff für
Rechtslauf
Linkslauf
schnell
K3 UND K2
K4 UND K2
langsam
K3 UND K1
K4 UND K1
Bild 1: Drehzahl- und Drehrichtungssteuerung eines
Stufenrädergetriebes
2.1.2.2 Stufenlos verstellbare Getriebe
Stufenlos verstellbare Getriebe sind Umschlingungsgetriebe, Reibradgetriebe und Wälzgetriebe.
Umschlingungsgetriebe
Umschlingungsgetriebe sind Stufenscheibengetriebe, bei denen mindestens eine Scheibe aus
zwei kegelförmigen Teilen besteht. Diese kegelförmigen Teile lassen sich axial auf ihrer Welle verschieben, wodurch die Laufradien für die Keilriemen oder Stahlketten verstellt werden. So lassen
sich die Abtriebsdrehzahl und das Drehmoment
des Getriebes steuern (Bild 2).
a)
Kegelförmige Scheiben
b)
Für trocken laufende Umschlingungsgetriebe
werden meist Breitkeilriemen als Zugmittel verwendet. Mit ihnen erreicht man einen besonders
ruhigen, beinahe schlupffreien Lauf.
Für große Zugkräfte und wenn eine lange Lebensdauer des Getriebes gefordert ist, setzt man als
Zugmittel Stahlketten ein. Bei Stahlketten, die in
einem Ölbad laufen, unterscheidet man je nach
Kettengeschwindigkeit und zu übertragender Leistung Lamellenketten, Rollenketten und Wiegedruckstück-Ketten.
007-066.indd 14
Verstelleinrichtung
Keilriemen
c)
Bild 2: Umschlingungsgetriebe
18.12.12 10:53
2.1 Mechanische Steuerungen
Die Drehzahl der Breitkeilriemengetriebe wird entweder durch Verstellen des Achsabstands oder
durch Verstellen der beiden Teile der Kegelscheiben gesteuert (Bild 1).
15
Abtrieb
Um die Keilriemen dabei unter Spannung zu halten, werden die beiden Hälften eines Kegelrades
durch eine konstante Federkraft oder durch eine
drehmomentabhängige Anpresseinrichtung zusammengedrückt. Die beiden Teile des AntriebsKegelrades können z. B. durch ein Handrad auseinander- oder zusammengeschoben werden (Bild 1).
Bei dem Abtriebs-Kegelrad sorgt eine Anpressfeder für den notwendigen Spanndruck und die
Einstellung des Laufradius.
Breitkeilriemen
Verstellung des
Scheibenabstandes
Antrieb
Getriebe mit Stahlketten als Zugmittel werden
meist über eine Verstellspindel und ein Hebelsystem verstellt (Bild 2, vorhergehende Seite).
Die Ansteuerung der Umschlingungsgetriebe erfolgt durch Handverstellung, elektrisch oder durch
Pneumatik- bzw. Hydraulikzylinder. Elektrische
Stelleinrichtungen oder hydraulische Servoantriebe werden besonders dann benötigt, wenn die
Getriebe als Stellglieder in Regelkreisen eingesetzt werden.
Gewindespindel
Handrad
Bild 1: Drehzahlsteuerung durch Verstellen
der Kegelscheiben
Andrückmuffe, axial auf
der Welle verschiebbar
Abtrieb
Kegelscheibe
Antrieb
Reibradgetriebe
Bei stufenlos verstellbaren Reibradgetrieben wird
das Drehmoment durch ein Reibrad und eine Kegelscheibe übertragen (Bild 2). Dabei wird die auf
der Motorwelle sitzende Kegelscheibe während
der Kraftübertragung gegen das Reibrad gedrückt.
Zur Steuerung der Abtriebsdrehzahl werden Motor und Kegelrad senkrecht zur Motorachse verschoben.
Die Kennlinie des Reibradgetriebes verläuft nahezu linear und besitzt wegen des auftretenden
Schlupfes an der Reibstelle eine minimale und
eine maximale Grenzdrehzahl (Bild 3).
007-066.indd 15
Drehmoment
Anpressdruck
Bild 2: Reibradgetriebe mit Anpresseinrichtung
Mmax
Drehmoment
Drehmoment M
Der Anpressdruck des Reibrades wird der jeweiligen Drehmomentbelastung angepasst, um den
Verschleiß möglichst klein zu halten. Die Anpresseinrichtung besteht im Wesentlichen aus einer
Andrückmuffe und einer Feder. Die axial auf einer
Nutwelle verschiebbare Andrückmuffe hat die
Form eines Doppelnockens, der in das entsprechend geformte Gegenstück am Reibring eingreift
und das Drehmoment von der Antriebsseite zur
Abtriebsseite hin überträgt. Wird die Abtriebswelle belastet, gleitet die Andrückmuffe auf den
schrägen Nockenflächen aus dem Gegenstück und
spannt dadurch die Feder. Die entstehende Federkraft presst den Reibring gegen das Kegelrad und
zwar umso stärker, je größer das Drehmoment ist.
Reibring
Drehzahlsteuerung durch
Verstellen der
Kegelscheibe
Mmin
nmin
nmax
Abtriebs-Drehzahl n
Bild 3: Kennlinie eines Reibradgetriebes
18.12.12 10:53
16
2.1 Mechanische Steuerungen
Wälzgetriebe
Planetenscheibe
Bei verstellbaren Wälzgetrieben wird das Drehmoment über kugel- oder kegelförmige Wälzkörper übertragen.
Die Wellen der rotierenden Planetenscheiben sind
in Gleitschuhen in der Abtriebswelle gelagert und
lassen sich radial verschieben. Über die Planetenwellen wird das Drehmoment auf die Abtriebswelle übertragen.
Soll z. B. die Abtriebsdrehzahl erhöht werden,
müssen die Planetenscheiben nach innen zur
Drehachse hin verschoben werden. Dies erfolgt
durch Krafteinwirkung über die beiden Außenringe. Die Planetenscheiben wandern wegen ihrer Kegelform aus den Außenringen heraus und
dringen tiefer in die Flanschklemmung ein. Dabei
verkleinern sich die Abwälzradien. Die Planetenscheiben rollen schneller auf dem Antriebsflansch
ab und erhöhen die Drehzahl der Abtriebswelle.
Wird die Axialkraft auf die Außenringe verkleinert,
wandern die Planetenscheiben durch die Wirkung
der Federkraft wieder nach außen und rollen langsamer ab. Die Abtriebsdrehzahl sinkt. Die Kennlinie des Planetenverstell-Getriebes gleicht der
Kennlinie des Reibradgetriebes (Bild 2).
Verstellkraft
Abtrieb
Antrieb
Flansch
Außenringe
Bild 1: Planetenverstell-Getriebe
Mmax
Drehmoment
Drehmoment M
Die Wälzkörper sind z. B. beim PlanetenverstellGetriebe kegelförmige Scheiben, die sich um die
Antriebswelle drehen (Bild 1). Sie werden auf
einer Seite vom Flansch der Antriebswelle und
einem mitlaufenden Klemmring durch die Kraft
einer Feder festgepresst und in Eigendrehung versetzt. Damit sie nicht aus der Klemmeinrichtung
herauswandern, werden sie an der gegenüberliegenden Seite von zwei feststehenden Außenringen eingeklemmt.
Gleitschuh
Mmin
nmin
nmax
Abtriebs-Drehzahl n
Bild 2: Kennlinie des Planetenverstell-Getriebes
Erzeugung geradliniger Bewegungen
Mit verstellbaren Getrieben lassen sich Drehzahl
und Drehrichtung mechanisch steuern.
Für die Umwandlung der Drehbewegung in eine
geradlinige Bewegung, wie sie bei vielen Arbeitsmaschinen verlangt wird, müssen zusätzliche Getriebe verwendet werden. Bei automatisch gesteuerten Werkzeugmaschinen muss der geradlinige
Antrieb möglichst reibungsarm und spielfrei sein.
Ein Kugelgewindetrieb erfüllt diese Anforderungen (Bild 3). Zwischen der Spindel und der Mutter
tritt wegen der eingelagerten Kugeln nur Rollreibung auf. Durch Verspannen einer zweiteiligen
Mutter kann ein Gewindespiel vollständig vermieden werden.
007-066.indd 16
Bild 3: Kugelgewindetrieb
18.12.12 10:53
2.1 Mechanische Steuerungen
2.1.3
17
Getriebe mit ungleichförmiger
Übersetzung
Kurbelschwinge
Kurbelschleife
Koppel
Zu den ungleichförmig übersetzenden Getrieben
gehören die Kurbel- und Kurvengetriebe.
Kurbel
Schwinge
Kurbel
Koppel
Kurbelgetriebe bestehen aus einer Kurbel, die angetrieben wird, einer Schwinge und einer Koppel.
Die Kurbel, die am Maschinentisch befestigt ist,
treibt die Koppel und damit die Schwinge an. Das
einfachste Kurbelgetriebe ist die Kurbelschwinge
(Bild 1).
Andere Kurbelgetriebe sind ähnlich aufgebaut.
Ist ein Gelenk als Schubkurbel ausgebildet, heißt
das Getriebe Kurbelschleife oder Schubkurbel.
Bei zwei Schubgelenken wird es Kreuzschubkurbel genannt. Schubkurbelgetriebe werden meist
als Kraftgetriebe zur Umwandlung von Dreh- in
Längsbewegungen verwendet, wie z. B. bei Senkrecht- oder Waagrechtstoßmaschinen und bei
Pressen. Auch beim Verbrennungsmotor wird die
geradlinige Bewegung der Kolben mit Hilfe eines
Schubkurbelgetriebes in eine Drehbewegung umgewandelt.
Schubkurbel
Maschinengestell
Kurbel
Kreuzschubkurbel
Koppel
Kurbel
Maschinengestell
Zur Ermittlung der Kurvenform für einen gleichförmigen Hub wird der Grundkreis der Kurvenscheibe
abgewickelt. Für den Anfang der Hubbewegung legt
man den Winkel 0° am Kreis und an der Abwicklung
fest. Dann trägt man den Winkel ein, bei dem der
Hub seinen höchsten Punkt erreichen soll, z. B. 240°.
Den Zwischenraum zwischen den beiden Winkeln
0° und 240° teilt man in beliebig viele gleiche Teile
1
Maschinengestell
Schwinge
Bild 1: Kurbelgetriebe
Sinusförmiger Übergang
Kurvengetriebe verwendet man bei ungleichförmigen Bewegungen, die bei Zustell- und Vorschubbewegungen an Werkzeugmaschinen auftreten können.
Schubkurvengetriebe können streckenweise eine
gleichförmige Bewegung ausführen, wenn die
Kurvenscheibe eine gleichmäßig ansteigende
Form erhält (Archimedische1 Spirale). Die Form
der Kurven richtet sich nach den Wegen, die mit
dem Getriebe gefahren werden sollen (Bild 2).
Koppel
Schwinge
Kurvengetriebe
1
2
3
4
5
6
7
60°
120°
180°
240°
300°
360°
0°
Abgewickelter Umfang
des Grundkreises
Stößel
6
Strahlen
1
7
300
°
360°
0°
Hilfskreis
60°
°
240
180°
Bestehen die Getriebe aus einem sich drehenden
Kurventräger und einem geradlinig geführten
Abtriebsteil, spricht man von einem Schubkurvengetriebe. Bei einem Kurventräger mit nachfolgendem drehbarem Hebel nennt man das Getriebe eine Kurvenschwinge.
Schwinge
Maschinengestell
120
°
2
Grundkreis
Rollenmittelpunkte
3
5
4
Umhüllungslinie =
Kurvenendform
Kurvenscheibe
Bild 2: Schubkurvengetriebe
ein, z. B. in vier. Auf der Kurvenscheibe werden die
Teilungsstrahlen, von 0° beginnend, entgegen der
Drehrichtung der Kurvenscheibe, in gleichen Abständen eingezeichnet. Denkt man sich die Kurvenscheibe festgehalten, während der Stößel um die
Scheibe herumgeführt wird, kann der jeweilige Hub
aus der Abwicklung auf den Grundkreis der Kurvenscheibe übertragen werden.
Archimedes, Mechaniker und Mathematiker des Altertums, gest. 212 v. Chr. bei der Eroberung von Syrakus durch die Römer.
007-066.indd 17
18.12.12 10:53
18
Bei der Kurvenschwinge wird die Kurve für die
Erzeugung eines gleichförmigen Anstiegs in ähnlicher Weise gezeichnet (Bild 1). Auch hier denkt
man sich den Hebel um die Kurvenscheibe bewegt, während die Scheibe selbst festgehalten
wird. Die Strahlen, auf denen sich der Rollenmittelpunkt des Hebels in jedem Moment der Bewegung befinden kann, werden jetzt durch Kreise mit
der Länge des Hebelarms als Radius ersetzt. Der
Drehpunkt des Hebelarms bewegt sich auf einem
Hilfskreis um die Kurvenscheibe mit dem Abstand
Kurvenmittelpunkt zu Hebeldrehpunkt als Radius.
1
2
7
Größter Hub in vier
gleiche Teile zerlegt
45
123
2
5
Umhüllungs- 4
linie = Kurvenendform
3
Grundkreis
Rollenmittelpunkte
Bild 1: Kurvenschwinge
Stangenmaterial
Spanneinrichtung
Spindelantrieb
Nockenscheibe
007-066.indd 18
6
1
6
Kurvenscheiben als Programmspeicher
Mechanisch gesteuerte Drehautomaten werden
über Kurvenscheiben als Programmgeber ge-
5
7
Spindelstockkurve
Durch die Kurvenform ist der Bewegungsablauf
des Stößels oder des Hebels festgelegt. Bei einer
Umdrehung der Kurve wird dann eine bestimmte
Folge von Einzelbewegungen (Programm) ausgeführt. In gleicher Weise werden Nockenscheiben
oder Schalttrommeln verwendet, um mechanische, pneumatische, hydraulische oder elektrische Steuerungselemente zu betätigen.
4
Strahlen
Teilt man den Gesamthub und den Winkel, über
den der Hub erfolgen soll, in gleiche Teile ein,
kann man jedem Strahl einen Hub aus der Abwicklung zuordnen (Nummerierung). Die Bahn
der Rollenmittelpunkte erhält man, wenn man die
gefundenen Schnittpunkte der Strahlen und die
Hubstrecken mit einem Kurvenlineal verbindet.
Man zeichnet wieder beliebig viele Rollenkreise
ein und ermittelt die Kurve als Umhüllende der
Rollenkreise.
Kurvenscheiben sind mechanische Programmspeicher (Informationsspeicher).
3
rp
Für den ersten Strahl durch den Winkel 0° ist die
Hubhöhe Null. Für den zweiten Strahl wird der entsprechende Wert der Hubhöhe aus der Abwicklung
entnommen und vom Hilfskreis aus angetragen.
Das gleiche wird auch für die Strahlen 3 und 4 gemacht. Die auf den Strahlen gefundenen Schnittpunkte werden anschließend mit dem Kurvenlineal
verbunden. Man erhält so die Linie, auf der die
Rollenmittelpunkte liegen. Mit dem Zirkel können
jetzt beliebig viele Rollenkreise gezeichnet werden.
Die innere Umhüllungslinie der Rollenkreise stellt
die gesuchte Kurve für den gleichförmigen Anstieg
des Stößels dar, die dann als äußere Kurvenscheibe ausgeführt wird. Die Genauigkeit der Kurve wird
durch eine feinere Teilung verbessert. Um Kurvenübergänge möglichst stoßfrei zu gestalten, werden
die Ecken der abgewickelten Hublinie z. B. sinusförmig abgerundet.
2.1 Mechanische Steuerungen
Feststehende
Führung
Spindelstock
Drehmeißel 1
Wippe
Steuerwellenantrieb
Drehmeißel 2
Wippenkurve
Steuerwelle
Bild 2: Mechanische Steuerung einer Drehmaschine
steuert. Die Kurvenscheiben befinden sich meist
auf einer Steuerwelle, die sich während des Fertigungsablaufs eines Werkstücks einmal um ihre
Achse dreht (Bild 2). Die wichtigste Aufgabe erfüllt dabei die Spindelstockkurve, mit der die Vorschubbewegungen in Richtung der Drehachse
ausgeführt werden.
18.12.12 10:53
2.1 Mechanische Steuerungen
2.1.4
19
Getriebe mit aussetzender
Bewegung
Getriebe mit aussetzender Bewegung werden
für schrittweise Antriebe von Transportbändern,
Rundschalttischen und Werkzeugrevolvern verwendet.
Malteserkreuzrad
Das bekannteste aussetzende Getriebe ist das
Malteserkreuzgetriebe (Bild 1).
Es besteht aus einer sich mit gleichbleibender
Geschwindigkeit drehenden Scheibe und dem
Malteserkreuzrad, das hier vier Haltestationen besitzt. An der treibenden Scheibe befindet sich eine
Rolle, die jeweils bei einer Umdrehung in einen
Schlitz des Malteserkreuzrades eingreift und das
Rad eine Viertelumdrehung mitnimmt.
Treibende
Scheibe
Rolle
Bild 1: Malteserkreuzgetriebe mit vier Stationen
Für ganze oder halbe Umdrehungen mit nachfolgendem Stillstand werden Sternradgetriebe verwendet.
4
3
Beim Sternradgetriebe bewegt sich das größere
Rad mit gleichmäßiger Geschwindigkeit, das kleinere Sternrad wird dabei in Sperrstellung gehalten
(Bild 2). Sobald die Rollen des treibenden Rades
in die Zahnlücken des Sternrades eingreifen, wird
dieses eine ganze Umdrehung mitgenommen. In
der übrigen Zeit bleibt das Sternrad stehen. Durch
verschiedene Anordnung der Rollen und Zähne
können sehr viele Kombinationen von Umlaufzeit
zu Stillstandzeit erzielt werden.
Beim aussetzenden Getriebe mit sich kreuzenden
Wellen ist das treibende Rad eine Kurventrommel,
die am Umfang eine Rippe mit trapezförmigem
Querschnitt besitzt (Bild 3).
Diese Rippe liegt genau senkrecht zur Drehachse des Rollenrades und verhindert damit dessen Bewegung (Sperrstellung). Über ein Drittel
des Trommelumfangs gehen die beiden Rippen
gewindeartig auseinander, so dass zwischen
den zwei Enden der Rippen gerade soviel Platz
entsteht, um eine Rolle des getriebenen Rades
hindurchzulassen. Das Rollenrad dreht sich dann
um einen Rollenabstand weiter.
5
6
2
7
1
8
Sternrad
Treibendes
Rad
1
8
2
7
3
4
5
6
Rollen
Bild 2: Sternradgetriebe
Rippe
Wiederholung und Vertiefung
1. Beschreiben Sie den Aufbau mechanischer
Steuerungen.
2. Welche Arten von stufenlos verstellbaren Getrieben gibt es?
3. Wie kann mit einem Schubkurvengetriebe eine
Vorschubbewegung erzeugt werden?
4. Wie unterscheidet sich ein Schubkurvengetriebe von einer Kurvenschwinge?
007-066.indd 19
Trommel
Rollenrad
Bild 3: Aussetzendes Getriebe mit sich kreuzenden
Wellen
18.12.12 10:53
20
2.2
2.2 Elektrische Steuerungen
Elektrische Steuerungen
Elektrische Steuerungen bestehen aus elektrischen Steuereinrichtungen und elektrisch betätigten Stellgliedern. Die einfachste elektrische
Steuereinrichtung ist ein Schalter, mit dem z. B.
ein Elektromotor als Stellglied für den Vorschubantrieb einer Werkzeugmaschine ein- und ausgeschaltet wird. Zu einer Steuereinrichtung gehören
noch Sicherheits- und Anzeigegeräte, wie z. B.
Temperaturwächter und Signallampen. Geschieht
das Steuern durch Schalten elektrischer Kontakte,
spricht man von Kontaktsteuerungen, sonst von
kontaktlosen Steuerungen oder elektronischen
Steuerungen.
Wahlschalter
Leuchttaster
EIN/AUSTastschalter
Hauptschalter
Nockenschalter
mit Rolle
Bild 1: Schalter
Schaltstücke
Taste
Rückstellfeder
Betätigungsrichtung
2.2.1
Bauelemente elektrischer
Kontaktsteuerungen
Die wichtigsten Bauelemente elektrischer Kontaktsteuerungen sind: Schaltgeräte, Steckvorrichtungen, Leitungsverbindungen und Anzeigegeräte
(Bild 1). Schaltpläne dienen der übersichtlichen
Darstellung einer elektrischen Steuerung. In ihnen wird die Funktion der Bauelemente durch genormte Sinnbilder, die man Schaltzeichen nennt,
wiedergegeben. Die Schaltzeichen geben grundsätzlich den Zustand des unbetätigten Schaltgerätes an. Schaltkontakte werden z. B. von Hand,
durch Nocken oder durch Fernbedienung betätigt.
Die Fernbedienung erfolgt meist durch elektromagnetische Kraft, wie beim Relais, Schütz und
Schrittschaltwerk.
Bei den Schaltkontakten gibt es Schließer, die
bei Betätigung des Schalters einen Stromkreis
schließen, und Öffner, die einen Stromkreis unterbrechen.
Nach Art der Schalterbetätigung unterscheidet man
Tastschalter, Stellschalter und Schlossschalter.
Tastschalter
Druckknopftastschalter, kurz Taster genannt, wie
z. B. ein Klingelknopf, wirken nur während der
Dauer ihrer Betätigung. Die Kontaktgabe oder
Unterbrechung erfolgt über bewegliche Schaltstücke, die z. B. von Hand betätigt werden (Bild 2).
Taster enthalten oft mehrere Kontakte, z. B. 3
Schließer und 3 Öffner. Eine Feder, die bei Betätigung gespannt wird, bringt die Schaltstücke in
ihre Ausgangslage, wenn die Betätigung aufhört.
Die Taster dienen oft gleichzeitig als Leuchtmelder (Signal-Lampe). Tastschalter mit großer, roter,
007-066.indd 20
Anschlüsse
Öffner Schließer
Schaltzeichen
Bild 2: Druckknopftastschalter (Taster)
Stößel
Schaltzeichen
Bewegliches Schaltstück
Anschlusszungen
Bild 3: Sprungschalter
pilzförmiger Kappe auf gelbem Untergrund verwendet man als NOT-AUS-Taster.
NOT-AUS-Taster sind immer Tastschalter mit
Öffner, da man Notsituationen immer durch Ausschalten, also durch Unterbrechen des Stromkreises, begegnen muss.
Mit Grenztastern, die über Nocken betätigt werden, wird das Erreichen von Grenz- und Endlagen
beweglicher Maschinenteile, z. B. von Werkzeugmaschinenschlitten, signalisiert. Die Grenztaster
sind mit Sprungschaltern (Mikroschalter) ausgestattet, damit man auch bei sehr langsamer Betätigung eine plötzliche Kontaktgabe oder Kontaktunterbrechung erhält (Bild 3).
18.12.12 10:53
Was this manual useful for you? yes no
Thank you for your participation!

* Your assessment is very important for improving the work of artificial intelligence, which forms the content of this project

Download PDF

advertisement