Steuern und Regeln für Maschinenbau und Mechatronik
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Steuern und Regeln für Maschinenbau und Mechatronik
Bibliothek des technischen Wissens Steuern und Regeln für Maschinenbau und Mechatronik 14., überarbeitete Auflage Die beigefügte CD enthält die Bilder des Buches und die Lösungen zu den Aufgaben und ein Repetitorium. 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 13.08.14 09:52 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 Grafische Produktionen Jürgen Neumann, 97222 Rimpar 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. 14. Auflage 2014 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 978-3-8085-1187-9 Umschlaggestaltung unter Verwendung eines Fotos des Lektors. Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der gesetzlich geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden. © 2014 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 GmbH, 97199 Ochsenfurt-Hohestadt Titelei 001-006.indd 2 13.08.14 09:52 Vorwort 3 Vorwort zur 14. 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 14. Auflage wurde neu strukturiert und in allen Kapiteln aktualisiert. Waren Motoren und SPS meist ohne Kenntnisse der Regelungstechnik und der Sensortechnik verständlich darstellbar, so gilt das heute nicht mehr. Wir haben daher die Regelungstechnik und die Sensortechnik im Buch vorgezogen. Die elektrische Antriebstechnik folgt jetzt auf das SPS-Kapitel. Außer den vielen Text- und Bilderneuerungen wurde die Montagetechnik deutlich aufgestockt. Die Montagetechnik hat sich stark von der manuellen Montage hin zur automatisierten Montage entwickelt. So wurde vor allem die automatisierte Schraubmontage erweitert. Hinzugekommen ist ein Repetitorium auf der CD. Die Fragen zur Wiederholung und Vertiefung erfassen nun alle Kapitel. Sie stehen einerseits am Ende der Abschnitte im Bildteil der CD und bilden andererseits das Repetitorium. Die Fragen sind so gewählt, dass man die zugehörigen Antworten im angegebenen Seitenbereich des Buches findet. 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), • Montagetechnik, • Qualitätsmanagement, • Mechanische Steuerungen, • Elektrische und elektronische Steuerungen, • Pneumatik, • Instandhaltung und Energieeffizienz, • Geschäftsprozesse, • Hydraulik, • Arbeitsgestaltung und Arbeitsschutz, • Regelungstechnik, • Informations- und Kommunikationstechnik, • Speicherprogrammierte Steuerungen (SPS), • Aufgaben und Übungen, • Elektrische Antriebe, • Fachwörterbuch Deutsch-Englisch, Sachwortverzeichnis. • Computergesteuerte Maschinen, 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. Sommer 2014 Titelei 001-006.indd 3 Dietmar Schmid 13.08.14 09:52 4 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.2 1.3 2 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.3 2.4 3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.2 3.3 3.3.1 3.3.1.1 3.3.1.2 3.3.1.3 3.3.1.4 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 2.3.6.1 3.3.6.2 3.3.6.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.5 3.6 3.6.1 3.6.2 3.6.2.1 3.6.2.2 3.6.2.3 3.6.2.4 3.6.2.5 3.6.3 3.6.4 3.6.4.1 3.6.4.2 3.6.4.3 3.7 Steuern, Regeln, Leiten Steuern, Steuerung Analoge, binäre und digitale Steuerungen Verknüpfungssteuerungen und Ablaufsteuerungen Verbindungsprogrammierte Steuerungen und speicherprogrammierte Steuerungen Regeln, Regelung Leiten, Leitung 7 7 9 10 10 11 Mechanische Steuerungen Allgemeines Verstellbare Getriebe Stufengetriebe Stufenlos verstellbare Getriebe Getriebe mit ungleichmäßiger Übersetzung Getriebe mit aussetzender Bewegung 12 13 13 14 17 19 Elektrische und elektronische Steuerungen Elektrische Kontaktsteuerungen Bauelemente und Betriebsmittel Darstellung und Schaltpläne Grundschaltungen Elektronische Bauelemente Binäre und digitale Steuerungen Codierungen Dualcode BCD-Codes Barcodes 2D-Codes Digitale Speicher Binäre Verknüpfungen Schaltalgebra Kombinatorische Steuerungen Ablaufsteuerungen Elektromechanische Ablaufsteuerungen Ablaufsteuerungen mit Kippgliedern (Flipflops) Zähler GRAFCET Schritte Aktionen Transitionen und Ablaufstrukturen Beispiel zu GRAFCET Wegdiagramm und Zustandsdiagramm Sensoren Allgemeines Analoge Sensoren Wege, Winkel, Abstände und Dicken Geschwindigkeiten und Drehzahlen Dehnungen, Kräfte, Drehmomente und Drücke Beschleunigungen Temperaturen Binäre Sensoren Digitale Sensoren Inkrementale Sensoren Codemaßstäbe und Winkelcodierer Drehmelder (Resolver) Titelei 001-006.indd 4 20 20 32 33 35 39 39 39 40 40 40 41 45 48 49 54 55 55 58 61 62 63 64 66 71 68 68 69 69 76 77 79 80 82 83 83 85 86 3.7.1 3.7.2 3.7.3 3.7.4 4 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.5.1 4.3.5.2 4.3.5.3 4.3.5.4 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.2.1 4.4.2.2 4.4.2.3 4.4.2.4 4.4.2.5 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.2.1 4.5.2.2 4.6 4.6.1 4.6.2 4.7 4.8 4.8.1 4.8.2 4.9 4.9.1 4.9.2 4.9.3 4.9.4 4.9.5 4.9.6 5 Gefährdungen und Schutzmaßnahmen Berührungsschutz Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Elektrostatische Entladungen (ESD) Arbeitsschutzmaßnahmen im Rahmen der Fachaufsicht 87 87 88 90 90 Pneumatik Aufbau einer Pneumatikanlage Drucklufterzeugung Verdichter (Kompressioren) Druckluftnetze Druckluftaufbereitung Antriebsglieder Druckluftmotoren Pneumatischer Muskel Balgantrieb Dreh- und Schwenkantrieb Druckluftzylinder Standardzylinder Sonderbauarten Zylinderkennwerte Zylinderberechnungen Ventile und Grundsteuerungen Darstellung der Ventile Einteilung der Ventile Wegeventile Stromventile Sperrventile Druckventile und Absperrventile Ventilinseln Grafische Darstellung Aufbau eines Schaltplans Funktionsdiagramme Wegdiagramm Zustandsdiagramm Proportionaltechnik Proportional-Druckregelventile Proportional-Wegeventile Pneumatische Positioniersysteme Beispiele pneumatischer Steuerungen Wegplansteuerung einer Biegevorrichtung Taktstufensteuerung Elektropneumatische Steuerungen Elektropneumatische Betriebsmittel Direkte und indirekte Steuerung Selbsthalteschaltung Darstellung Stetigantrieb Ablaufsteuerung 92 94 94 97 98 99 99 101 101 102 102 102 105 106 106 108 108 110 110 112 113 115 116 117 117 119 120 120 123 123 124 124 126 126 127 129 129 130 131 131 132 132 Hydraulik 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.3 Allgemeines Physikalische Grundlagen Hydrostatik Hydrodynamik Hydraulikflüssigkeiten 134 134 134 136 137 5.4 5.4.1 5.4.1.1 5.4.1.2 5.4.1.3 Aufbau hydraulischer Steuerungen Hydraulikpumpen Zahnradpumpen Kolbenpumpen Flügelzellenpumpe 139 140 140 141 141 13.08.14 09:52 Inhaltsverzeichnis 5.6 5.7 5.7.1 5.7.2 5.8 5.8.1 5.8.2 5.8.3 5.8.4 5.8.5 5.8.6 5.8.6.1 5.8.6.2 5.8.7 5.8.8 5.8.9 6 6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 6.3.6 6.3.7 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.3.1 6.4.3.2 6.4.4 6.4.5 6.4.6 6.4.7 7 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.3.6 7.3.7 7.3.8 7.3.9 7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.4.4 7.4.5 7.4.6 7.4.7 7.4.8 Hydraulikspeicher Antriebselemente Hydraulikzylinder Hydraulikmotoren Hydraulikventile Allgemeines Druckventile Wegeventile Sperrventile Stromventile Ventilaufbauarten Blockbauweise Patronentechnik Stetigventile Proportionalventiltechnik Servoventile 5 142 144 144 145 147 147 148 151 152 153 156 156 157 158 159 165 Regelungstechnik Grundbegiffe Regelungsarten Regelkreisglieder Proportionalglied ohne Verzögerung (P-Glied) Proportionalglied mit Verzögerung 1. Ordnung (P-T1 -Glied) Proportionalglied mit Verzögerung 2. Ordnung (P-T2 -Glied) Integralglied (I-Glied) Differenzierglied (D-Glied) Totzeitglied (Tt -Glied) Zusammenwirken mehrerer Regelkreisglieder Regler und Regelkreise 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 167 168 170 170 171 172 175 176 176 178 179 179 180 182 182 183 186 187 188 189 Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) Aufbau und Funktionsweise Programmierung Programmiersprachen Programmaufbau Funktionen und Operationen Grundfunktionen Binäre Abfragen und Verknüpfungen SR/RS-Speicherfunktionen Flankenauswertung Zeitfunktionen Zählfunktionen Arithmetische und numerische Funktionen Übertragungsfunktionen und Programmsteuerungsfunktionen Digitale Operationen Ablaufsteuerungen Gliederung und Darstellung Beispiel für eine Ablaufsteuerung Programmierung in Ablaufsprache Betriebsartensignale Funktionsbaustein für Betriebsarten Funktionsbaustein für Schrittketten Funktionsbaustein für die Befehlsausgabe Zustandsautomaten Titelei 001-006.indd 5 190 193 193 196 200 200 200 203 205 206 208 210 210 211 213 213 214 217 219 220 221 222 222 7.5 7.6 7.6.1 7.6.2 7.6.3 7.7 7.8 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.3 8.4.4 8.4.5 8.4.6 8.4.7 8.4.7.1 8.4.7.2 8.4.7.3 8.5 8.5.1 8.5.2 8.5.2.1 8.5.2.2 8.6 8.7 8.7.1 8.7.2 8.7.3 9 9.1 9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.1.3.1 9.1.3.2 9.1.4 9.1.5 9.1.6 9.2 9.2.1 9.2.2 4.2.2.1 5.2.2.2 6.2.2.3 7.2.2.4 8.2.2.5 9.2.2.6 9.2.3 9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.3.4 9.3.5 9.3.5.1 9.3.5.2 9.3.6 9.3.6.1 9.3.6.2 9.3.6.3 Analogwertverarbeitung Programmieren mit strukturiertem Text (ST) Digitale Regelung Zweipunktregler PID-Reglerbaustein Bedienen und Beobachten von Fertigungsprozessen Schnelle Zählvorgänge 224 227 227 228 229 231 232 Elektrische Antriebe Einführung Rechnerische Grundlagen Gleichstrommotoren (DC-Motoren) Drehstromasynchronmotor Aufbau des Kurzschlussläufers Das Drehfeld Funktionsweise Anlasssteuerungen Drehrichtungsumkehr Betriebsarten und Fahrprofile Drehzahlsteuerung und Drehzahlregelung Allgemeines und Einteilung U/f-Steuerung Vektorregelung Drehstromsynchronmotor Servoantriebe Direktantriebe Torquemotoren Linearmotoren Schrittmotoren Lageregelung (Positionsitionierantriebe) Kaskadenregelung Geschwindigkeitsvorsteuerung Analoger und digitaler Drehzahlregelkreis 234 236 239 241 241 242 243 244 245 245 246 246 247 248 250 250 251 251 253 253 254 254 255 256 Computergesteuerte Maschinen CNC-Werkzeugmaschinen Der Produktionsprozess NC-Achsen und deren Steuerung CNC-Programmierung DIN-Programmierung Werkstattorientiertes Produzieren (WOP) Interpolation Leistungsfähigkeit Offene CNC-Steuerung Additive Fertigungsverfahren/3D-Druck Allgemeines AM-Verfahren Stereolithography (SL) 3D Printing (3DP) Selective Laser Sintering (SLS) und Selective Laser Melting (SLM) Selective Mask Sintering (SMS) Fused Deposition Melting (FDM) Laser Laminated Manufacturing (LLM) Die Informations- und Prozesskette Robotertechnik Einteilung Der kinematische Aufbau Roboterantriebe Greifer Roboterprogrammierung Programmierverfahren Koordinatensysteme Robotersteuerung Die Bewegungserzeugung Achsstellungen Interpolation 257 257 260 262 262 272 274 276 278 279 279 280 280 280 281 281 281 282 282 283 283 285 288 289 290 290 293 295 295 296 297 13.08.14 09:52 6 Inhaltsverzeichnis 9.3.6.4 9.3.6.5 9.3.7 10 10.1 10.2 10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.2.4 10.2.5 10.2.5.1 10.2.5.2 10.2.5.3 10.2.5.4 10.2.5.5 10.3 10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.3.4 10.3.5 10.3.6 10.3.7 10.4 10.4.1 10.4.2 10.5 10.5.1 10.5.2 10.6 10.7 Überschleifen und Pendeln Robotersensorführung Schutzmaßnahmen 298 299 302 13 Montagetechnik Grundlagen Der Materialfluss Lagern Puffern Bunkern Magazinieren Fördersysteme Transporttische und Rutschen Rollenförderer Bandförderer Hängeförderer Fahrerlose Transportsysteme (FTS) Fügen in der Montage Fügestrukturen Schrauben Umformen Kleben, Abdichten (Sealen) Schweißen und Löten Zusammenlegen Schrumpfen Montageplätze Manuelle Montage Maschinelle Montage Montageorganisation Topologie Montageablauf Erzeugnisgliederung und Montagefolge Taktbindung 12.3.2 12.3.3 12.4 303 306 306 307 308 309 310 310 310 311 311 312 313 313 313 317 318 319 321 321 322 322 323 324 324 324 326 328 Managementaufgaben Prozessmanagement Produkt-Daten-Management Gestaltungsmethoden für Prozessketten Projektmanagement Informationsmanagement Planungsinstrumente Moderation Präsentation Inhalt und visuelle Darstellung Präsentationsgrafik mit PowerPoint 14 Arbeitsgestaltung und Arbeitsschutz 14.1 14.2 14.3 14.3.1 14.3.2 14.4 14.4.1 14.4.2 14.5 11.1 11.1.1 11.1.2 11.2 11.3 11.4 11.5 11.5.1 11.5.2 11.5.3 11.5.4 11.6 11.6.1 11.6.2 11.6.3 12 12.1 12.1.1 12.1.2 12.1.3 12.1.4 12.1.5 12.1.6 12.1.7 12.2 12.3 12.3.1 Qualitätsmanagement Qualität Qualitätsmerkmale Fehler Ziele des Qualitätsmanagements TQM – Total Quality Management Qualitätskreis und Qualitätspyramide Aufbau und Elemente eines Qualtätsmanagementsystems Aufbauorganisation Ablauforganisation DIN ISO 9000 Zertifizierung Statistische Qualitätslenkung Prozessanalyse Qualitätsregelkarten Maschinen- und Prozessfähigkeit 329 330 330 331 331 332 333 333 334 334 336 336 337 339 340 Instandhaltung und Energieeffizienz Instandhaltung Begriffe Wartung Inspektion Instandsetzung Inbetriebnahme Fehlersuche Reparatur Condition-Monitoring (Zustandsbedingte Instandhaltung) Energieeffizienz Energie-Monitoring Titelei 001-006.indd 6 341 341 344 348 350 351 353 354 355 359 359 15.1 15.1.1 15.1.2 15.1.3 15.2 15.2.1 15.2.2 15.2.3 15.2.4 15.2.4.1 15.2.4.2 15.2.4.3 15.2.5 16 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7 359 360 361 Geschäftsprozesse 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7 13.8 13.9 13.9.1 13.9.2 15 11 Energiewertstrom Lastmanagement Energieeffiziente Geräte und Anlagen Der Mensch ist das Maß Arbeitsgestaltung Arbeitsbelastungen Belastungen durch die Art der Arbeit Belastungen durch die Arbeitsorganisation EU-Maschinenrichtlinie Sicherheit und Gesundheitsschutz Kennzeichnung und Betriebsanleitung Europäische Sicherheitsnormen 362 363 364 366 368 369 371 377 377 378 379 380 381 385 385 386 388 388 390 391 Informations- und Kommunikationstechnik Computertechnik Der PC Objektorientierte Software Steuern mit dem PC Kommunikationstechnik Lokale Kommunikation Internet und Intranet Lokale Netze (LAN) Feldbussysteme CAN-Bus PROFIBUS, PROFIBUS-DP Aktor-Sensor-Interface (AS-i) Serielle Schnittstelle (V.24) 392 392 395 398 403 403 404 407 409 409 410 411 412 Aufgaben und Übungen Aufgaben und Übungen zur Pneumatik Aufgaben und Übungen zur Hydraulik Aufgaben und Übungen zu GRAFCET Aufgaben und Übungen zur SPS Aufgaben und Übungen zur Regelungstechnik Aufgaben und Übungen zu elektrischen Antrieben Aufgaben und Übungen zur CNC-Technik 413 418 420 421 434 436 437 Fachwörterbuch Deutsch-Englisch, Sachwortverzeichnis 438 Quellenverzeichnis 448 13.08.14 09:52 1 Steuern, Regeln, Leiten 1 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). 1.1 7 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 Steuern, Steuerung Steuergröße Stellsignal 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 U M 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 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. Bei analogen Steuerungen steuert man überwiegend mit stetig wirkenden Signalen, die ein analoges Abbild der Steuergröße sind. Kapitel 1 007-011.indd 7 Wechselräder Kurvenscheibe Bild 2: Analoge Steuerung eines Maschinentisches 13.08.14 10:03 8 1 Steuern, Regeln, Leiten Bei binären Steuerungen steuert man mit binären, d. h. zweiwertigen Signalen. nach rechts nach links L+ 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 binärer Steuerungen sind Relais, Schaltventile, Dioden und binäre elektronische Schaltkreise. L– Nocken 2 Nocken 1 Motor Bild 1: Binäre Steuerung eines Vorschubantriebs (Pendeln) Weg Schrittimpuls Digitale Steuerung vorwärts Schrittmotor rückwärts Bei digitalen Steuerungen steuert man mit Zahlen. 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. Bild 2: Digitale Vorschubsteuerung mit Schrittmotor Schaltfinger am 10-teiligen Schaltstern gedruckte Schaltung Bild 3: Vorwahlschalter FPGA SMDBauteile Die wichtigsten Bausteine digitaler Steuerungen sind Mikrocontroller, programmierbare Schaltkreise (FPGAs1, Bild 4), digitale Sensorsysteme und digitale Netze. 1 FPGA, Kunstwort für Field Programmable Gate Array = programmierbare logische Schaltung Kapitel 1 007-011.indd 8 Bild 4: Digitalbaugruppe mit FPGA 13.08.14 10:03 1 Steuern, Regeln, Leiten 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 Kapitel 1 007-011.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 13.08.14 10:03 10 1.1.3 1 Steuern, Regeln, Leiten 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 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. 1.2 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. a) Schematische Darstellung Härteofen Regelstrecke Temperatur Regelgröße Stellschraube Schieberöffnung Stellgröße Schieber Stellglied Dehnstab Tabelle 1: Programmverwirklichung Art Verbindungsprogrammiert VPS Speicherprogrammiert SPS 1 Beispiel festprogrammiert Relaissteuerung umprogrammierbar austauschprogrammierbar freiprogrammierbar Programmsteuerung mit Steckerfeld SPS mit EPROM1 EEPROM2 SPS mit oder RAM3 EPROM von Erasable Programmable Read Only Memory = löschbarer Nur-Lese-Speicher 2 EEPROM von Eletrically EPROM = elektrisch löschbarer Nur-LeseSpeicher 3 RAM von Random Access Memory = Speicher mit wahlfreiem Zugriff Kapitel 1 007-011.indd 10 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 13.08.14 10:03 1 Steuern, Regeln, Leiten 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. 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. 11 1.3 Leiten, Leitung Den Steuer- und Regeleinrichtungen sind bei komplexen Anlagen, z. B. bei Kraftwerken, Transferstraßen und Verkehrsanlagen, Leiteinrichtungen bzw. Leitwarten 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. Kurvenscheibe Temperatur Führungsgröße Regelgröße Schieber Stellglied Dehnstab Sensor Härteofen Regelstrecke Bild 1: Historische Folgeregelung der Härtetemperatur In der gezeichneten Stellung der Kurvenscheibe (maximale Härtetemperatur) ist der Schieber (Stellglied) ganz geöffnet und die Brenngaszufuhr 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. Kapitel 1 007-011.indd 11 © ZF Friedrichshafen AG Bild 2: Leitwarte für Getriebeprüfstand 13.08.14 10:03 12 2 2 Mechanische Steuerungen Mechanische Steuerungen 2.1 Allgemeines 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. Abtriebswelle des verstellbaren Getriebes steht eine gesteuerte Rotationsenergie zur Verfügung. Muss die Drehbewegung jedoch in eine geradlinige Bewegung umgewandelt werden, wie z. B. beim Vorschub des Werkzeugschlittens einer Drehmaschine, kann dies mit einem ZahnradZahnstangengetriebe geschehen. Steuersignale AntriebsEnergie AbtriebsEnergie Mechanisches Getriebe Untersetzungsgetriebe Mechanische Steuerungen1 bestehen aus Getrieben, Kurvenscheiben, Hebeln, Kupplungen und anderen mechanischen Bauteilen (Bild 1). Kurventrommel Antriebswelle Antriebswelle Stellglied Kupplung 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. Steuerstrecke Antriebsenergie Verstellbares Getriebe Signalgabe mechanisch stufenlos pneumatisch gestuft hydraulisch Kupplung Drehende Bewegung elektrisch Geradlinige Bewegung Aussetzende Bewegung z.B. Malteserkreuzgetriebe Kapitel 2 012-019.indd 12 Stop Bild 1: Beispiel einer mechanischen Steuerung Die gesamte Steuereinrichtung besteht aus Steuerwelle, Kupplung, Kurventrommel, Hebel und Feder, während die Abtriebswelle die Steuerstrecke darstellt. Bei Stufengetrieben erfolgt die Signalgabe über Kupplungen, bei stufenlos verstellbaren Getrieben über besondere Stelleinrichtungen. An der Start Steuereinrichtung 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. 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. Steuerwelle Gleichförmig z.B. Kugelspindelgetriebe Ungleichförmig z.B. Kurventrieb Bild 2: Aufbau mechanischer Steuerungen 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. 13.08.14 10:15 2 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 2.2 Verstellbare Getriebe Mit verstellbaren mechanischen Getrieben werden die Drehrichtung, Drehzahlen und Drehmomente gesteuert. Bild 1: Kennlinie eines verstellbaren Getriebes 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. 2.2.1 Stufengetriebe Bremse 3 Kupplung 1 4 Abtrieb Kupplung 2 Antrieb 2 1 Keilriemenscheiben 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 Kapitel 2 012-019.indd 13 Bild 2: Drehzahlsteuerung eines Stufenscheibengetriebes und eine Bremse. Wenn die ElektromagnetKupplung 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. 13.08.14 10:15 14 2 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. 2.2.2 Stufenlos verstellbare Getriebe 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 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). 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. Kapitel 2 012-019.indd 14 a) Kegelförmige Scheiben b) Verstelleinrichtung Keilriemen c) Bild 2: Umschlingungsgetriebe 13.08.14 10:15 2 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). Kapitel 2 012-019.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 13.08.14 10:15 16 2 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). Abtrieb Antrieb Außenringe Flansch Bild 1: Planetenverstell-Getriebe Mmax 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. Verstellkraft Gleitschuh Drehmoment Mmin nmin nmax Abtriebs-Drehzahl n Bild 2: Kennlinie des Planetenverstell-Getriebes Zahnrad Gewindemutter Für die Umwandlung der Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung, wie sie bei vielen Arbeitsmaschinen verlangt wird, müssen zusätzliche Getriebe verwendet werden (Bild 3). Bei automatisch gesteuerten Werkzeugmaschinen muss der geradlinige Antrieb möglichst reibungsarm und spielfrei sein. Ein Kugelgewindetrieb erfüllt diese Anforderungen (Bild 4). 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. Kapitel 2 012-019.indd 16 Zahnstange Alternativ: Zahnstange ortsfest, Zahnrad linearbewegt Erzeugung geradliniger Bewegungen Mit verstellbaren Getrieben lassen sich Drehzahl und Drehrichtung mechanisch steuern. Zugmittel Schiene Gewindespindel Alternativ: Gewindespindel fixiert, Gewindemutter linearbewegt Bild 3: Umwandlung einer Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung Bild 4: Kugelgewindetrieb 13.08.14 10:15 2 Mechanische Steuerungen 2.3 17 Getriebe mit ungleichförmiger Übersetzung Kurbelschwinge Kurbelschleife Koppel Kurbel Schwinge Zu den ungleichförmig übersetzenden Getrieben gehören die Kurbel- und Kurvengetriebe. 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. Schwinge Maschinengestell Schubkurbel Maschinengestell Kurbel Kreuzschubkurbel Koppel Kurbel Maschinengestell Koppel Schwinge Maschinengestell Schwinge Bild 1: Kurbelgetriebe Kurvengetriebe 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). 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 glei1 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. 1 120 ° 2 Grundkreis Rollenmittelpunkte 3 5 4 Umhüllungslinie = Kurvenendform Kurvenscheibe Bild 2: Schubkurvengetriebe che Teile 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. Kapitel 2 012-019.indd 17 13.08.14 10:15 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. 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. 1 2 3 4 5 6 7 Strahlen Größter Hub in vier gleiche Teile zerlegt 7 1 6 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 Mechanische Steuerungen 45 123 2 5 Umhüllungs- 4 linie = Kurvenendform 3 Grundkreis Rollenmittelpunkte Bild 1: Kurvenschwinge Stangenmaterial Spanneinrichtung Spindelantrieb Feststehende Führung Spindelstock Drehmeißel 1 Wippe Spindelstockkurve Drehmeißel 2 Nockenscheibe Steuerwellenantrieb Wippenkurve Steuerwelle Kurvenscheiben als Programmspeicher Bild 2: Mechanische Steuerung einer Drehmaschine Kurvenscheiben sind mechanische Programmspeicher (Informationsspeicher). 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. Kapitel 2 012-019.indd 18 Mechanisch gesteuerte Drehautomaten werden über Kurvenscheiben als Programmgeber gesteuert. 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. 13.08.14 10:15 2 Mechanische Steuerungen 2.4 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 Malteserkreuzgetriebe1 (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. Die Rolle auf der treibenden Scheibe muss leichtgängig sein. Verwendet man statt der Rolle nur einen Stift, so unterliegt dieser einem erheblichen Verschleiß. Treibende Scheibe Rolle Bild 1: Malteserkreuzgetriebe mit vier Stationen 4 Für ganze oder halbe Umdrehungen mit nachfolgendem Stillstand werden Sternradgetriebe verwendet. 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. 5 3 6 2 7 1 8 Sternrad Treibendes Rad 1 8 2 7 3 4 5 6 Rollen Bild 2: Sternradgetriebe 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. 1 benannt nach dem achtspitzigen Kreuz des Malteserordens bzw. Johanniterordens. Kapitel 2 012-019.indd 19 Rippe Trommel Rollenrad Bild 3: Aussetzendes Getriebe mit sich kreuzenden Wellen 13.08.14 10:15 20 3 3 Elektrische und elektronische Steuerungen Elektrische und elektronische 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. 3.1 3.1.1 Wahlschalter Leuchttaster EIN/AUSTastschalter Hauptschalter Nockenschalter mit Rolle Bild 1: Schalter Taste Schaltstücke Rückstellfeder Betätigungsrichtung Elektrische Kontaktsteuerungen Anschlüsse Öffner Schließer Bauelemente und Betriebsmittel 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 Leucht- Kapitel 3 020-090.indd 20 Schaltzeichen Bild 2: Druckknopftastschalter (Taster) Stößel Schaltzeichen Bewegliches Schaltstück Anschlusszungen Bild 3: Positionsschalter (Grenztaster) melder (Signal-Lampe). Tastschalter mit großer, roter, 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 Positionsschaltern (Grenztastern), die über Nocken betätigt werden, wird das Erreichen von Grenz- und Endlagen beweglicher Maschinenteile, z. B. von Werkzeugmaschinenschlitten, signalisiert. Die Positionsschalter sind mit Sprungschaltern (Mikroschalter) ausgestattet, damit man auch bei sehr langsamer Betätigung eine plötzliche Kontaktgabe oder Kontaktunterbrechung erhält (Bild 3). 13.08.14 10:19