Jörg Nies. Entwurf und Realisierung der Mechanik, Elektronik und digitalen Steuerung einer automatischen Produktionsstrecke

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1 1 Jörg Nies Entwurf und Realisierung der Mechanik, Elektronik und digitalen Steuerung einer automatischen Produktionsstrecke

2 Inhaltsverzeichnis 2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Gesellschaftliche Bedeutung Zielsetzung Theoretische Grundlagen Grundlagen zur Steuerung Grundlagen zur Druckluft Einsatz von Produktionsstrecken Abstraktion und Forderungen an die Produktionsstrecke Konstruktion des Modells Aufbau der gesamten Produktionssrecke Mechanik (Bauteile) Wartungseinheit Verteilerblock Schaltventile /2- Wege- Magnetventil mit Leuchtdiode, in Ruhestellung gesperrt /2- Wege- Magnetventil mit Leuchtdiode Drosselrückschlagventil Aktoren... 24

3 Inhaltsverzeichnis Einfach wirkender Zylinder Doppelt wirkender Zylinder Hebevorrichtung Rotationsantrieb Unterdruckerzeugung Materialspeicher (Werkstückspeicher) Bohrvorrichtung Vorrichtung zum Drehen der Werkstücke Metallaussonderung Elektronik Sensoren Induktiver Näherungsschalter Lichtschranke Optokoppler Digitale Steuerung und Programmierung der Produktionsstrecke C- Control Hardware C- Control Software Programmlogik / Programmablaufplan Anforderungen an das Programm Erste Programmierung Programmierung der effektiven Steuerung... 49

4 Inhaltsverzeichnis Erläuterung der Programmteile Handhabung und Anwendung des Modells Vorbereitungen Durchführung Schlussbetrachtung Anhang Programmlisting Übersicht über die verwendeten Befehle Technische Daten und Anschlußschemata des C- Control Steuercomputers Abbildungsverzeichnis Internetlinks Quellenverzeichnis Literaturverzeichnis... 72

5 Einleitung Gesellschaftliche Bedeutung 5 1 Einleitung 1.1 Gesellschaftliche Bedeutung Die Aufgaben und Anforderungen, die sich beim Entwurf und der Realisierung einer automatischen Produktionsstrecke ergeben, fallen in den Bereich der Informationstechnik, noch genauer in den Bereich Steuer- und Regelungstechnik. Die technische Entwicklung der letzten Jahre hat gezeigt, dass die Informationstechnik eine immer wichtigere Rolle in unserer Gesellschaft spielt (vgl. HARTMANN, HEIN 2001). Der technische Fortschritt der Informationstechnik und die sich daraus ergebenden produktionsökonomischen Vorteile wie z.b. Erhöhung der Stückzahlen, Senkung der Produktionskosten, Verbesserung der Qualität; also die Einsparung von Material, Energie, Arbeitskräften und Zeit machen diese Entwicklung unabdingbar. In jedem modernen Betrieb finden sich immer mehr automatisierte Produktionsprozesse wieder, die digital gesteuert werden: Eine ganzheitliche automatische Produktion wird angestrebt. Arbeitskräfte werden hauptsächlich zur Installation und Überwachung automatischer Anlagen eingesetzt. Die Weiterentwicklung der Informationstechnik geht soweit, dass selbst im Haushalt Mikrocontroller nicht mehr wegzudenken sind. Ob in einer neuen Spüloder Waschmaschine 1, in Spielzeugen 2, in der Heimelektronik oder Fahrzeugtechnik 3, überall findet man diese Elektronik wieder. Sie dient zur komplexen Steuerung und Regelung und ist gekennzeichnet durch eine digitale Programmierung. Erst in jüngster Zeit ist dieses möglich geworden. Die Mikrocontroller erreichen bei sehr geringen Baugrößen eine vor Jahren undenkbare Leistungsfähigkeit zu relativ geringen Preisen. Zudem bieten sich flexible Programmierungsmöglichkeiten an, die für jeden Einsatz eine passende Lösung bieten. Eine neuere Variante der Programmierung stellen hierbei grafische 1 Beispiel Waschmaschine: In der Waschmaschine hat der Mikrocontroller die Funktion verschiedenste Programme zu steuern. Die Programme (Kaltwaschen, Feinwäsche, Handwäsche, etc.) werden beim Start gewählt. Der Controller steuert nun die Waschmaschine, so dass das geeignete Waschprogramm ausgeführt wird. 2 In den verschiedensten Spielzeugen finden sich Mikrocontroller wieder. Ein Beispiel ist das LEGO Mindstorm System. Bei diesem Spielzeug kann ein Mikrocontroller von den Kindern programmiert werden, wobei dieser dann in eigens gebaute Roboter integriert wird. Weitere Beispiele speziell für Roboter können auf der Internetseite nachgelesen werden. 3 Beispiele in der Fahrzeugtechnik: ABS (Antiblockiersystem); ASR (Antischlupfregelung) (vgl. HARTMANN, HEIN 2001)

6 Einleitung Zielsetzung 6 Programmieroberflächen dar. Diese wurden durch die rasante Weiterentwicklung der Leistungsfähigkeit der Personal Computer ermöglicht. Die grafischen Programmieroberflächen gestatten einen vereinfachten Einstieg in die Programmierung 4. Daraus wird deutlich, dass das Themengebiet Informationstechnik, Automatisierungstechnik aus unserer modernen Gesellschaft nicht mehr wegzudenken ist. Ein allgemeines Verständnis und die Entwicklung einer allgemein naturwissenschaftlich technischen Bildung müssen daher ein wesentlicher Bestandteil unserer Gesellschaft sein und so intensiv wie möglich gefördert werden. Im Folgenden werden immer wieder die Synonyme Produktionsstraße, Automatisierungsstraße, Automatisierungsstrecke oder Produktionsanlage für die entwickelte Produktionsstrecke verwendet. 1.2 Zielsetzung Als Ergebnis dieser Arbeit liegt eine Produktionsanlage vor, die als Demonstrations- und Versuchsobjekt genutzt werden kann. Anhand dieses Modells soll die digitale Steuerung einer komplexen Produktionsanlage modellhaft demonstriert werden. Das Modell soll als Versuchsobjekt dienen. Es können also Programme zur digitalen Steuerung programmiert und diese am Modell getestet werden. Hierzu mussten umfangreiche Überlegungen angestellt und Probleme sowie Fehler, die beim Programmieren entstehen, bewältigt werden. Da die Möglichkeit einer Programmsimulation gegeben ist, muss ein Transfer von der Simulation auf das Modell erreicht werden. Dabei ist auch von Interesse, dass die einzelnen Einheiten der aufgebauten elektropneumatischen Anlage verdeutlich werden und das Prinzip der vorliegenden Steuerung verständlich wird. Zudem wird die Programmierung mit 4 Bei den grafischen Programmieroberflächen wird mit Hilfe grafischer Symbole durch Click and Choose oder Drag and Drop programmiert. Dieses ermöglicht einen erleichterten Einstieg in die Programmierung, so dass schon Kindern ab der 4. Klasse das Programmieren ermöglicht wird. Ein Beispiel ist die Robolab Oberfläche. Hier bestimmen die Kinder selbst ihre Lernfortschritte und komplexe Programmierungsaufgaben werden durch die Symbole einfach programmiert und verstanden (vgl. LINDER 2001, NIES 2001).

7 Einleitung Zielsetzung 7 Hilfe des C- Control 5 Computers und der damit zusammenhängenden Programmieroberfläche CCBASIC 6 erläutert werden. Die mechanische Grundlage der Anlage bilden Bauteile des Unternehmens FESTO 7. Diese in der realen Produktion eingesetzten Bauteile werden außerdem beschrieben. Auch wenn das Modell zunächst nicht für den Einsatz in der Schule konzipiert wurde (Kosten der FESTO Bauteile), kann es im Schulbetrieb effektiv zur Demonstration von automatischen Prozessen herangezogen werden. Die Realisierung einer vergleichbaren Produktionsanlage könnte in diesem Fall auch mit der in den Schulen häufig zu findenden fischertechnik 8 erfolgen. Die Schule soll die Schülerinnen und Schüler auf das tägliche Leben vorbereiten und Ihnen Hilfen zur Lebensbewältigung an die Hand geben. Da die Automatisierungstechnik überall in unserem täglichen Leben eine wichtige Rolle spielt, ist es von entscheidender Bedeutung, diese automatischen Vorgänge zu verstehen. Daher findet sich dieser Bereich auch in den Richtlinien und Lehrplänen für den Technikunterricht wieder. Der in dieser Arbeit behandelte Bereich ist dem Thema Information und Kommunikation zugeordnet, der in den Lehrplänen der Jahrgangstufen 7 bis 10 zu finden ist. Bis zur Jahrgangstufe 10 sollen folgende Themen behandelt werden: Schalten, Steuern, Regeln von Prozessen und Anlagen ; Aufbau, Funktion und Zusammenwirken von elektrischen/elektronischen Bauteilen in Prozessen (Jahrgangstufe 7 und 8); Übertragung, Verknüpfung und Speicherung von Informationen ; Verknüpfungslogik, Übertragungsmethoden und Speicherungsformen von Informationen ; Prozessdatenverarbeitung durch Rechner ; Automatisierte Informationsverarbeitung durch Rechner (Jahrgangstufe 9 und 10); Wandel der Arbeitswelt durch Einsatz von Computern (Projekt Jahrgangsstufe 9 und 10) (vgl. KULTUSMINISTER DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN 1989). Um das Thema in der Schule umfassend behandeln zu können bietet es sich an, bei allen 5 C- Control: Steuercomputer der Firma Conrad 6 CCBASIC: Programmieroberfläche für den C- Control Steuercomputer. Software wird bei Erwerb mitgeliefert und steht zum Download unter bereit. 7 FESTO: Produzent von pneumatischen und elektropneumatischen Bauteilen. Veranstaltung und Durchführung von Seminaren zu ausgewählten Themen. 8 fischertechnik : Produzent von Konstruktionsbausätzen: Beispiel eines geeigneten Baukastens:

8 Einleitung Zielsetzung 8 Vorteilen der Automatisierung auch über deren Nachteile, wie zum Beispiel Auswirkungen auf den Arbeitsmarkt, Stellenabbau usw. zu diskutieren. Neben dem allgemeinen Verständnis soll mit Hilfe dieser Produktionsanlage zusätzlich spezielles praktisches und theoretisches Wissen vermittelt werden. Die praktische Auseinandersetzung mit automatisierten Steuerungen ermöglicht einen Einblick in die computergestützte Programmierung. Ein Verständnis sowohl für moderne Produktionsanlagen als auch für moderne Technik wird entwickelt. Zugleich ermöglicht die Beschäftigung mit dem Thema einen Transfer auf andere Lebensbereiche bzw. technische Modelle, Anlagen und Steuerungen. Da die Konstruktion der Anlage abgeschlossen ist, aber eine neue Programmierung jederzeit möglich und wünschenswert ist, möchte ich das Hauptaugenmerk in meiner Arbeit auf die Programmierung legen. Gerade das praktische Arbeiten und Experimentieren und damit Programmieren an solchen Modellen ermöglicht einen größt möglichen Lernerfolg. Deshalb sollten leichte Programmierungsaufgaben auch in der Schule gelöst werden. Je eher sich Schülerinnen und Schüler mit einfachen und anschließend komplexen Programmierungen beschäftigen, desto mehr Verständnis und Interesse kann für die Mikroelektronik, die Automatisierung und die damit einhergehende Programmierung geweckt werden. Ein früher Kontakt kann zudem das Entstehen spezifischer Unterschiede zwischen Mädchen und Jungen vermeiden 9. Die im Modell beschriebenen Prozessvorgänge sowie die Realisierung können als Grundlage für Nachbauten verwendet werden. Die Realisierung einer solchen Anlage sollte dann in jedem Fall als Projekt durchgeführt werden. Der hier eingesetzte C- Control Steuercomputer kann für wesentlich komplexere Aufgaben und zum Erfassen von Messwerten eingesetzt werden. Die Arbeit versteht sich also als Einstieg in die Automatisierung von Produktionsprozessen am Beispiel einer elektropneumatischen Produktionsstraße, die mit Hilfe der Programmieroberfläche CCBASIC programmiert und mit C- Control Rechner gesteuert wird. Diese Dokumentation soll dabei die theoretischen Grundlagen erläutern und die Realisierung der Mechanik, Elektronik und digitalen Steuerung des Modells verdeutlichen. 9 In einer vom Autor durchgeführten AG hat sich gezeigt, dass es keine Unterschiede macht, ob Jungen oder Mädchen Programmierungsaufgaben lösen. Wichtig ist nur die frühe Konfrontation mit solchen Aufgaben (vgl. LINDER 2001, NIES 2001).

9 Einleitung Zielsetzung 9 Eine weitere Optimierung bzw. Automatisierung der Anlage kann durch zusätzliche Sensoren realisiert werden, so dass jederzeit Veränderungen oder Erweiterungen vorgenommen werden können. Für einen Einstieg in die Automatisierungs- bzw. Steuerungstechnik ist die vorliegende Produktionstrecke mehr als ausreichend. In der nun folgenden Arbeit werden zunächst einige theoretische Grundlagen zum Verständnis der entstandenen Produktionsstraße erläutert. Anschließend folgt der Hauptteil der Arbeit. Dieser gliedert sich in drei Teile. Der erste Teil beschäftigt sich mit der Konstruktion und damit mit der Beschreibung der verwendeten Bauteile. Der zweite Teil erläutert die elektronischen Bauteile der Straße. Im dritten und ausführlichsten Teil geht es um die digitale Steuerung der Produktionsstraße und damit um die Programmierung. Daran schließen sich noch die Kapitel Handhabung und Anwendung des Modells und eine kurze Schlussbetrachtung an.

10 Theoretische Grundlagen Grundlagen zur Steuerung 10 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Grundlagen zur Steuerung Bei einer Steuerung werden die Outputs in Abhängigkeit von den Inputs beeinflusst, d.h. dass in Folge der Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen angesteuert werden (vgl. HARTMANN, HEIN 2001). Steuerungen lassen sich nach verschiedenen Eigenschaften unterscheiden. Man unterscheidet Steuerungen nach der Art der verwendeten Signale (analog, binär, digital) und der Art der Antriebsenergie der Steuerstrecke (elektrisch, hydraulisch, pneumatisch) (vgl. EUROPA LEHRMITTEL ). Zudem wird nach der zu steuernden Größe (Mengen, Drehzahl) und der im Stellglied verwendeten Bauelemente (Transistor, Relais, Ventil) unterschieden. Außerdem gibt es verschiedene Führungsweisen, mit deren Hilfe die Steuerung realisiert wird. Bei der Speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) befindet sich das Programm auf einem Speicher, von dem aus die komplette Steuerung abgerufen wird. Dieser Speicher kann in der Regel umprogrammiert werden oder es besteht die Möglichkeit, diesen auszutauschen. Von einer automatischen Steuerung ist die Rede, wenn alle Funktionen der Steuerung oder Steuerungskette von Geräten ausgeführt werden, die diese automatisch abarbeiten (vgl. BROCKHAUS 2001). Bei der vorliegenden Produktionsstrecke handelt es sich auch um eine automatische Steuerung. Der komplette Programmcode wird auf dem EEPROM 10, der sich auf dem C- Control Steuercomputer befindet, gespeichert. Auf diese Weise kann die Anlage unabhängig von einem Computer betrieben werden. Die Steuerung wird vollautomatisch durchgeführt. Sie erfolgt nach einem zeitlichen Ablauf und wird dadurch Schritt für Schritt nach einer vom Programmierer festgelegten Reihenfolge abgearbeitet. Dabei besteht die Möglichkeit, dass mehrere Schritte zusammengefasst werden. Eine solche Steuerung nennt man Ablauf- oder Folgesteuerung. Die Antriebsenergie, mit deren Hilfe die Kolben ihre Arbeit durchführen, ist in diesem Fall die Druckluft. Um diese anzusteuern, werden elektrische Relais 10 EEPROM [Abk. für engl. Electrically erasable programmable read-only memory, >>elektrisch lösch- und programmierbarer Nur-Lese-Speicher<<],Festwertspeicher, der mit einer definierten elektr. Spannung gelöscht werden kann. (S.110 BROCKHAUS 2001) Ältere bekannte Speicher sind zum Beispiel Lochkarten, Lochstreifen, Magnetbänder. Diese wurden jedoch von den elektronischen Speichermodulen abgelöst.

11 Theoretische Grundlagen Grundlagen zur Druckluft 11 eingesetzt, so dass man in diesem Fall von einer automatischen, elektropneumatischen, speicherprogrammierten Automatisierungsstrecke sprechen kann (vgl. EUROPA LEHRMITTEL ). 2.2 Grundlagen zur Druckluft Damit die Anlage in Betrieb genommen werden kann, muss sie mit Druckluft beaufschlagt werden. Die zur Verfügung stehende Druckluft muss allerdings erst erzeugt werden. Dieses geschieht normalerweise an zentralen Orten, die über ein Druckluftnetz ganze Gebäude oder Gebäudekomplexe versorgen. Es gibt verschieden Möglichkeiten, die Luft zu verdichten. Dabei unterscheidet man zwischen Kolbenverdichtern (Hubkolbenverdicher, Drehkolbenverdicher) und Strömungs- bzw. Turboverdichtern. Kolbenverdichter arbeiten nach dem Verdrängungsprinzip, d. h. die Luft wird in den Zylinder angesaugt, eingeschlossen, komprimiert und in einen Druckluftbehälter ausgelassen. (S. 59, EUROPA LEHRMITTEL ) Strömungs- oder Turboverdichter saugen über Schaufelräder oder Propeller die atmosphärische Luft an und beschleunigen sie. In nachgeschalteten Behältern wird die Strömungsenergie der Luft in Druckenergie umgewandelt. (S. 60 EUROPA LEHRMITTEL ) Da die Druckluft nach dem Verdichten eine wesentlich höhere Temperatur aufweist, muss sie anschließend abgekühlt werden 11. Das Wasser - nach der Verdichtung auf 7bar besitzt 1 m 3 Druckluft die achtfache Menge Wasser wie zuvor - bleibt zunächst noch gebunden, da die Luft bei erhöhter Temperatur mehr Wasser aufnehmen kann.. Auf dem Weg zur Anlage würde sich die Druckluft, die eine relative Luftfeuchtigkeit von % aufweist, abkühlen was zur Kondensation führen würde. Daher befindet sich im Anschluss des Verdichters ein Nachkühler mit Abscheider, der Wasser (meist durch Kältetrocknung) und Öl (von der Schmierung des Verdichters) absondert. Die Verunreinigungen, die sich noch in der Druckluft befinden, müssen gereinigt werden, da diese den Verschleiß von Gleitflächen und Dichtungen fördern und die Funktion und Lebensdauer der Pneumatik Elemente beeinträchtigen können % der überschüssigen Wärme wird in Nutzwärme zu Heizzwecken umgewandelt (vgl. EUROPA LEHRMITTEL ).

12 Theoretische Grundlagen Grundlagen zur Druckluft 12 Der Volumenstrom kann bis 15bar verdichtet werden. Die meisten Anlagen arbeiten mit 6bar. Wegen der Verluste - unter anderem in den Druckluftnetzen - sollte der erzeugte Wert 2bar über dem Arbeitsdruck liegen. Der Verdichter muss nicht ständig arbeiten, da Druckluft speicherbar ist. Dieses geschieht im sogenannten Zwischenspeicher. Hierdurch wird gewährleistet, dass der erforderliche Arbeitsdruck konstant bleibt. Auch hier können die Abkühlung und Kondensatausscheidung (zusätzlich) durchgeführt werden. Über ein Druckbegrenzungsventil kann die maximale Druckeinstellung erreicht werden. Die Druckluft gelangt über ein Druckluftnetz zum Verbraucher bzw. zu den technischen Anlagen. Hier besteht die Möglichkeit einer Ring- oder Stichleitung. Die Ringleitung hat den Vorteil, dass bei hohem Verbrauch die Druckluft von zwei Richtungen nachströmen kann. Als Rohrleitungen werden Stahl, Kupfer (für hitzebeständige Leitungen) oder PVC Rohre verlegt. Kunststoff hat den Vorteil, dass das Material sehr glatt, leicht und korrisionsbeständig ist. Da undichte Stellen im Druckluftnetz hohe Energieverluste bedeuten, müssen die Leitungen regelmäßig auf Dichtigkeit überprüft werden. Die Druckluft sollte nach Möglichkeit immer von der Oberseite abgenommen werden, so dass noch vorhandenes Kondenswasser, das von der Unterseite abgenommen werden kann, nicht mitgerissen wird (vgl. EUROPA LEHRMITTEL ). Die Dimensionierung der Anlage hängt natürlich von der Wirtschaftlichkeit ab. Abbildung 1: Druckluftnetz Einen höheren Betriebsdruck erreicht man durch Verringerung der Durchmesser. Je größer der Durchmesser desto weniger Druck fällt zwischen Verdichter und Verbraucher ab. Der Durchmesser steigt mit dem Verbrauch und der Länge der Leitung. Bei der Entwicklung von Druckluftanlagen und Netzen muss der allgemeine sowie der Strömungswiderstand von Abzweigungen mit eingerechnet werden (vgl. FESTO Fluid Studio ).

13 Theoretische Grundlagen Einsatz von Produktionsstrecken Einsatz von Produktionsstrecken Die FESTO Produktreihe wird wie erwähnt in der realen Produktion eingesetzt, so dass man in diesem Fall von einem praxisnahen Modell sprechen kann. Es stellt sich natürlich die Frage, warum man solche Produktionsanlagen nicht ausschließlich elektrisch sondern elektropneumatisch 12 steuert. Druckluft besitzt einige Vorteile als Medium zum Arbeiten, Steuern und Regeln automatisierter Anlagen. Pneumatik ist schnell, d.h. automatische Montageanlagen können mit sehr kurzen Taktzeiten 13 betrieben werden. Zudem ist die aufbereitete Druckluft sauber, so dass sie vor allem in der Pharmazie-, Textil- und Lebensmittelindustrie und bei der Reinraumfertigung genutzt wird. Die saubere Luft hat weiterhin den Vorteil, dass sie, ohne die Natur zu belasten, in die Umwelt geleitet werden kann. Druckluft kann in dafür vorgesehenen Druckluftbehältern gespeichert und direkt vor Ort gewonnen werden. Die komprimierte Luft ist unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen. Daher zeichnen sich die pneumatischen Anlagen durch eine hohe Betriebssicherheit aus. Zudem sind die Herstellung sowie Wartung der Anlagen vergleichsweise preiswert, da Dichtungsprobleme nicht sehr häufig auftreten und sich die übertragenen Kräfte in Grenzen halten (vgl. FESTO Fluid Studio ). 2.4 Abstraktion und Forderungen an die Produktionsstrecke In diesem Fall wurde ein Modell realisiert, bei dem die wichtigsten Grundlagen einer Automatisierung simuliert werden können. Ein reales Produkt wird hier nicht hergestellt, sondern es werden Werkstücke bearbeitet. Bei den Werkstücken, handelt es sich um rechteckige Werkstücke aus Holz und Metall. Bei der Bearbeitung werden verschiedene Produktionsprozesse dargestellt, die sich auch in realen Produktionsanlagen wiederfinden. Pneumatische Anlagen können eine Reihe von Bewegungen (Linearbewegungen, Rotationsbewegungen (endlos drehend, oder begrenzter Schwenkbereich)) bzw. ständig wiederkehrende Teilarbeiten ausführen. Hierzu gehören das Zuführen, Einspannen, Bearbeiten, 12 Pneumatik: Luft zur Übertragung von Arbeitskraft & Steuerung von Anlagen; Bei elektropneumatischen Steuerungen werden Maschinen und Vorrichtungen pneumatisch angetrieben und elektrisch gesteuert. (S. 97 EUROPA LEHRMITTEL ) 13 Takt: Elektronik, Informatik: Folge gleicher Impulse mit konstanter Pulsfrequenz (T.- Freuqenz), die einem Schaltwerk zugeführt wird (S. 501 BROCKHAUS 2001)

14 Theoretische Grundlagen Abstraktion und Forderungen an die Produktionsstrecke 14 Drehen und Weiter- Transportieren in verschiedenen Ebenen (Schieben, Heben, Transportieren mit Hilfe eines Hebelarmes über bestimmte Hindernisse) sowie das Sortieren. Diese wiederkehrenden Prozesse sollen automatisiert werden. Nach der mechanischen Realisierung der Anlage soll eine Programmierung der Anlage erfolgen. Zunächst wurde ein einfaches Programm erstellt. Auf dieser Grundlage ist dann der Produktionsprozess optimiert worden, um die Produktion möglichst effizient zu gestalten.

15 Konstruktion des Modells Aufbau der gesamten Produktionsstrecke 15 3 Konstruktion des Modells 3.1 Aufbau der gesamten Produktionsstrecke Die Bauteile befinden sich auf drei von der Firma FESTO gelieferten Profilplatten. Diese sind miteinander verbunden, so dass ein reibungsloser Ablauf der Produktion ermöglicht wird. Um die nachfolgenden Elemente der Produktionstraße in die Gesamtheit einordnen zu können, möchte ich zunächst die gesamte Produktionsstraße vorstellen. Es wird deutlich, welche Bauteile verwendet werden und an welcher Stelle sich diese befinden. Eine genauere Erläuterung des Aufbaus und der Funktion der Bauteile erfolgt dann im Anschluss an diesen Teil. Zudem möchte ich zunächst den Produktionsablauf und damit die Verarbeitung der Werkstücke kurz vorstellen. Dieses erleichtert das Verständnis der Produktionsanlage. Abbildung 2: Produktionsstraße in der Totalansicht Der Produktionsprozess soll folgendermaßen ablaufen: Zunächst werden die Werkstücke mit Hilfe des Kolben1 aus dem Materialspeicher1 befördert. Hier liegen sie bereit für den ersten Bohrvorgang. Der Mini-Bohrer1 bewegt sich langsam nach unten, wobei dieser sich automatisch einschaltet, so dass das Werkstück zunächst gebohrt wird. Anschließend fährt der Bohrer in die Ausgangsstellung zurück und schaltet sich automatisch ab. Nun wird ein weiteres

16 Konstruktion des Modells Aufbau der gesamten Produktionsstrecke 16 Werkstück aus dem Speicher befördert, so dass das zuvor gebohrte Werkstück ebenfalls weiter geschoben wird. Schlauch Wartungseinheit1 Druckluftversorgung Verteilerblock1 Kolben1 Werkstück aus dem Materialspeicher 1 schieben Materialspeicher1 Kolben zum Senken des Mini- Bohrers1 Bohrvorrichtung Mini- Bohrer1 Netzgerät Anschlüsse für die Betriebsspannung C- Control Steuercomputer Ein 3/2 Wege Ventil Optokoppler Platine Schächte für die Verkabelung FESTO Profilplatte Abbildung 3: Erster Teil der Produktionsstraße Danach schwenkt der Hebelarm1 direkt über das Werkstück. Es wird Unterdruck erzeugt und das Werkstück wird mit Hilfe des Saugnapf1 am Hebelarm fixiert. Nun fährt der Hebelarm mit dem Werkstück in die Ausgangslage zurück. Der Unterdruck wird aufgelöst und das Werkstück direkt auf der Hebevorrichtung platziert. Damit der Fahrstuhl nun nach oben fahren kann, muss der Hebelarm1 zunächst wieder in die vorherige Position geschwenkt werden. Anschließend fährt der Fahrstuhl aufwärts, bis er sich oberhalb der Füllhöhe des Materialspeichers2 befindet. Dieses erfolgt mit Hilfe der integrierten Lichtschranke (siehe Kapitel ). Das Werkstück wird mit dem Kolben2 in den Materialspeicher2 geschoben, und der Fahrstuhl fährt wieder zurück in seine Ausgangslage.

17 Konstruktion des Modells Aufbau der gesamten Produktionsstrecke 17 Saugnapf1 Hebelarm1 C Wartungseinheit2 Kolben2 Werkstück in den Materialspeicher2 schieben Verteilerblock2 Ventilkombination Ansteuerung Hebevorrichtung Unterdruckerzeugung1 Rotationsantrieb1 Hebevorrichtung Linearantrieb Plattform mit Lichtschranke Materialspeicher2 Kolben 3 Werkstück aus dem Materialspeicher2 schieben Abbildung 4: Zweiter Teil der Produktionsstraße Nun wird wieder ein Werkstück mit dem Kolben3 aus dem Werkstückspeicher2 und damit vor den induktiven Näherungsschalter geschoben. Mit Hilfe des Näherungsschalters wird geprüft, ob es sich um ein Metall- oder Holzwerkstück handelt. Metallwerkstücke werden an dieser Stelle mit Hilfe des Kolben4 ausgesondert, so dass in diesem Fall der Produktionsprozess beendet wäre. Wenn es sich jedoch um ein Holzwerkstück handelt, wird der Produktionsprozess weiter durchlaufen. Der Hebelarm2 schwenkt über das Werkstück, saugt es an und schwenkt wieder zurück. Hier wird es dann in die Drehvorrichtung fallen gelassen, so dass es ab sofort hochkant weiterverarbeitet wird. Der Kolben5 schiebt das Werkstück unter den Mini Bohrer2. Hier muss es vor dem Bohrvorgang noch mit dem Kolben6 gegen eine Aluminiumplatte fixiert werden. Anschließend fährt der Mini Bohrer2 in die Ausgangsstellung. Die Fixierung wird gelöst, und das Werkstück wird mit dem Kolben7 ausgeworfen.

18 Konstruktion des Modells Mechanik (Bauteile) 18 Der Produktionsprozess ist damit auch für die Holzwerkstücke beendet, so dass die folgenden Werkstücke verarbeitet werden können. Hebelarm2 Unterdruckerzeugung2 Wartungseinheit3 Kolben4 Auswerfen von Metallwerkstücken Induktiver Näherungsschalter Verteilerblock3 Bohrvorrichtung2 Kolben zum Senken des Mini- Bohrer2 Mini- Bohrer2 Saugnapf2 Kolben7 Werkstück auswerfen Vorrichtung zum Drehen der Werkstücke Kolben6 (Werkstück fixieren) Kolben5 (Werkstück unter die Bohrvorrichtung2 schieben) Rotationsantrieb2 Abbildung 5: Drittel Teil der Produktionsstraße 3.2 Mechanik (Bauteile) Wartungseinheit In einigen Fällen ist die Druckluft, die zur Anlage gelangt, weiterhin mit Kompressoröl, Korrisionsrückständen, Dichtungsverschleiß, Staub oder Kondenswasser verschmutzt. Um also ein einwandfreies Funktionieren der Anlage zu gewährleisten und um den gewünschten Betriebsdruck einzustellen, wird vor der eigentlichen Anlage eine Wartungseinheit installiert. Diese besteht aus einem Druckluft-Filter mit einem Wasserabscheider, einem Öler und einem Druck-Regelventil mit Manometer zur Druckanzeige. An dieser Stelle

19 Konstruktion des Modells Mechanik (Bauteile) 19 wird die Druckluft abermals gereinigt, und es kann gegebenenfalls Spezialöl, welches einige pneumatische Antriebe zur Schmierung beweglicher Teile benötigen, den Pneumatik Elementen in Form eines Ölnebels zugeführt werden. Die Druckreglung erfolgt mit Hilfe einer Einstellschraube. So kann die Vorspannung einer Feder über einer Tellermembran eingestellt werden. In Abhängigkeit von der eingestellten Vorspannung stellt sich der benötigte Betriebsdruck ein, der auf dem Manometer sichtbar gemacht wird. Ist der Druck am Ausgang der Wartungseinheit niedriger als der gewünschte Druck, so wird die Membran mit Hilfe der vorgespannten Feder nach oben gedrückt und somit das Ventil weiter geöffnet. Falls der Druck am Abbildung 6: Wartungseinheit Ausgang zu hoch ist, wird die Membran nach unten gedrückt, so dass die überschüssige Luft über eine Entlüftungsbohrung ins Freie gelangt. Diese auszugleichenden Druckschwankungen treten vor allem in großen Netzen, bei vielen Verbrauchern oder durch Zu- und Abschalten der Kompressoren auf. Der Vordruck darf maximal 16 bar betragen. Dabei ist der Arbeitsdruck auf 12 bar begrenzt. Für die vorliegende Produktionsstrecke wird ein Arbeitsdruck von 6 bar benötigt (vgl. EUROPA LEHRMITTEL ). Beim Aufbau ist zu beachten, dass das Filterventil senkrecht stehen soll (+ - 5 ). In der Produktionsstrecke sind drei Wartungseinheiten installiert. Dieses ist eigentlich nicht notwendig, bedingt sich aber aufgrund von Sicherheitsvorteilen beim Experimentieren mit der Anlage. So kann jeweils bei einzelnen Produktionsabschnitten die Druckluft abgeschaltet werden, so dass Veränderungen und Fehler in den einzelnen Produktionsabschnitten beseitigt werden können. Um die gesamte Produktionsanlage mit Druckluft versorgen zu können, wird ein Verteilerblock an den Ausgang der Wartungseinheit mit einem Druckluftschlauch angeschlossen. Dieser wird im Folgenden erläutert.

20 Konstruktion des Modells Mechanik (Bauteile) Verteilerblock In der Produktionsstrecke befinden sich aufgrund der drei Wartungseinheiten auch drei Verteilerblöcke, die den von den Wartungseinheiten bereitgestellten Luftstrom aufteilen. Über den Sammeleingang wird der Verteilerblock mit Druckluft versorgt. Mit Hilfe der acht Steckverschraubungen kann die Druckluft nun verteilt werden. Die Steckverbindungen, die sich an allen pneumatischen Bauteilen von FESTO befinden, ermöglichen ein schnelles Auf-, Ab- und Umbauen einer Verschlauchung. Zudem müssen nicht alle Ausgänge verschlaucht werden, da sich die Ausgangsventile ohne eine Verschlauchung automatisch sperren. Der Eingang und die acht Ausgänge sind zusammen auf einer Profilplatte untergebracht, so dass der Verteilerblock leicht auf einer Profilplatte befestigt werden kann. Von hier aus werden die einzelnen Ventile und damit Aktoren mit Druckluft versorgt. Die Schläuche sind für einen Betriebsdruck bis maximal 10bar geeignet, so dass sie in der Produktionsanlage, die mit 6bar betrieben wird, bedenkenlos eingesetzt werden können. Bei der Verlegung der Schläuche dürfen diese keinesfalls geknickt Abbildung 7: Verteilerblock werden. Eine Knickstelle wirkt wie ein teilweise oder völlig geschlossenes Rückschlagventil. Die Verschlauchung erfolgt möglichst auf direktem Weg, um Signalverzögerungen zu vermeiden Schaltventile Zur Betätigung der Aktoren in der Produktionsstraße wird pneumatische Antriebsenergie benötigt. Die Ansteuerung der Produktionsstraße erfolgt allerdings mit Hilfe von elektronischen Signalen vom C- Control Steuercomputer. Die elektronischen Signale müssen also zum Öffnen und Schließen des Luftstroms verwendet werden. Dieses ermöglichen die elektropneumatischen Ventile, die den elektrischen Steuerteil mit dem pneumatischen Energieteil verbinden. Beide beschriebenen Ventile befinden sich auf Funktionsplatten, die ohne Schwierigkeiten mit der Profilplatte verbunden werden können. Zudem sind die

21 Konstruktion des Modells Mechanik (Bauteile) 21 Platten mit einem Schalldämpfer ausgestattet, um die Geräusche bei der Entlüftung zu reduzieren. Es befindet sich jeweils ein Drucklufteingang auf der Vorderseite der Ventile. Die integrierten Relais der Ventile werden mit einem elektrischen Signal von 24V Gleichspannung angesteuert. Dadurch werden jeweils zwei Schaltstellungen (high, low) zugelassen. Dieses bedeutet, dass die Ausgangstellung des Ventils bei einem Signal von 0V vorliegt und die Schaltstellung1 bei einem Signal von 24V erreicht wird. Bei den integrierten Relais handelt es sich um Gepolte Relais, also um elektromagnetischer Schalter. Wenn die (1) Gehäuse (2) Spule Wicklung im Inneren des (3) Ankerführungsrohr Ventils erregt wird, bewegt (4) Anker (Stößel des sich der Anker und der Ventils) (5,6) Dichtung damit verbundene Stößel (7) Druckfeder im Ankerführungsrohr des Ventils nach oben. Die Anhebung ermöglicht Abbildung 8: Elektropneumatisches 3/2-Wege- Ventil (Schnittzeichnung) nun, dass die Druckluft vom Eingang zum Ausgang strömen kann. Bei einem Signal von 0V bewegt sich der Anker mit dem Stößel zurück in die Ausgangslage, so dass die Druckluft wieder gesperrt wird. Die Magnetspulen zeichnen sich durch eine geringe Leistungsaufnahme (1,5 W) aus. Sie erwärmen sich nur gering. (vgl. EUROPA LEHRMITTEL ). Je nach Schaltstellung wird der gewünschte Betriebsdruck auf die angeschlossenen Aktoren umgelenkt oder freigegeben. Spannung V Schaltventil Durchfluss q Abbildung 9: Blockschaltbild für ein 3/2- Wege- Schaltventil Zudem enthalten die elektrischen Anschlüsse einen Verpolungsschutz für die Leuchtdioden und Schutzbeschaltungen. In schematischen Darstellungen erhält der Eingang immer die Nummer 1, die Ausgänge werden fortlaufend mit geraden Ziffern und die Entlüftungen fortlaufend mit ungeraden Ziffern nummeriert.

22 Konstruktion des Modells Mechanik (Bauteile) 22 Die hier beschriebenen Ventile kommen bei den einfach und doppelt wirkenden Zylindern zum Einsatz /2- Wege- Magnetventil mit Leuchtdiode, in Ruhestellung gesperrt Das 3/2- Wege- Ventil wird zur Ansteuerung der einfach wirkenden Zylinder benötigt. Mit Hilfe des Magnetventils kann die Druckluft gesteuert werden. Bei Anlegen einer Gleichspannung von 24V wird ein Anker mit Stößel an die Magnetspule umgesteuert. Im Inneren des Ventils wird in diesem Moment ein Teller bewegt, der den Entlüftungsausgang schließt und gleichzeitig den Durchfluss öffnet, so dass die Druckluft vom Eingang (1) zum Ausgang (2) strömen kann. Durch Wegnahme des Signals Abbildung 10: 3/2- Wege- wird das Ventil mit Hilfe einer Rückstellfeder Magnetventil wieder in die Ausgangsstellung gebracht. Über die Abflussbohrung (Entlüftungsanschluss (3)) entweicht die noch vorhandene Druckluft. Gleichzeitig wird die Betriebsdruckluft am Eingang (1) zum Ausgang (2) gesperrt. Der Schaltzustand des Magnetventils wird durch eine Leuchtdiode sichtbar gemacht. Der einstellbare Druckbereich liegt bei 2,5 bis 6 bar, wobei die Schaltzeit bei 6bar beim Einschalten 20ms beträgt und beim Ausschalten 30ms. Die Bezeichnung des Ventils ergibt sich aufgrund seiner drei Anschlüsse (Eingang (1), Ausgang (2), Entlüftungsanschluss (3)) und seiner zwei möglichen Schaltstellungen (vgl. SIMONS 1997). Das hier beschriebene Ventil kommt in der Anlage an verschiedenen Stellen zum Einsatz. Überall, wo ein einfach wirkender Zylinder benötigt wird (zum Beispiel Einspannen von Werkstücken oder zur Unterdruckerzeugung), wird dieser mit einem 3/2- Wege- Ventil angesteuert /2- Wege- Magnetventil mit Leuchtdiode Bei diesem Ventil handelt es sich um ein 5/2- Wege- Ventil. Im Unterschied zum vorherigen Ventil besitzt es zwei Ausgänge, also zwei Zylinderzuleitungen, so dass dieses Ventil für doppelt wirkende Zylinder eingesetzt werden kann. Dieses Ventil kann ebenfalls zwei Schaltstellungen einnehmen, besitzt allerdings fünf

23 Konstruktion des Modells Mechanik (Bauteile) 23 Anschlüsse: Eingang (1), Ausgang1 (2), Ausgang2 (4), Entlüftungsanschluss1 (3), Entlüftungsanschluss2 (5); daher der Name 5/2- Wege- Ventil. In Ruhestellung strömt die Druckluft vom Eingang (1) zum Ausgang1 (2). Die Entlüftung findet über den Ausgang2 (4) zum Entlüftungsanschluss2 (5) statt. Bei Anschluss einer Gleichspannung von 24V wird ein Magnetfeld um die Spule aufgebaut, so dass sich ein Kolben im Inneren des Ventils Abbildung 11: 5/2- Wege- Magnetventil verschiebt. An diesem Kolben befinden sich drei Teller, die mit dem Kolben bewegt werden. Diese schließen und öffnen die jeweiligen Anschlüsse. Im Unterschied zum 3/2- Wege- Ventil strömt ebenfalls Druckluft in den Zylinder, die den Kolben im Inneren bewegt. Die Druckluft strömt nun vom Eingang (1) zum Ausgang2 (4). Die Entlüftung findet über den Ausgang1 (2) zum Entlüftungsanschluss1 (3) statt (vgl. FESTO Fluid Studio ) Ruhestellung Schaltstellung 2 Abbildung 12: Schematische Zeichnung eines 5/2- Wege- Ventils. Anschlüsse: (1) Druckluftversorgung, (2) Verbraucheranschluss1, (3) Entlüftungsanschluss1, (4) Verbraucheranschluss2, (5) Entlüftungsanschluss2 Die 5/2- Wege- Magnetventile befinden sich in der Anlage, um die doppelt wirkenden Aktoren und damit auch die Rotationsantriebe anzusteuern Drosselrückschlagventil Mit Hilfe von Drosselrückschlagventilen kann der Betriebsdruck der Anlage vor den Aktoren gedrosselt werden. Einige Bauteile benötigen nicht den gesamten Betriebsdruck. Zudem lässt sich durch eine Verringerung des Durchflussquerschnitts der Betriebsdruck und Abbildung 13: Drosselrückschlagventil

24 Konstruktion des Modells Mechanik (Bauteile) 24 damit die Reaktionszeit und die Kraft eines Aktors herab setzen. Über eine Stellschraube kann der Durchflussquerschnitt stufenlos variiert werden. Bei den Drosselrückschlagventilen wird die Druckluft mit Hilfe eines Dichtelements nur in Arbeitsrichtung gedrosselt. Das Ventil lässt dann bei der Rückluft über das Rückschlagventil den vollen Rückstrom zu. Am Blockschaltbild für einen Pneumatikzylinder lässt sich das Verhalten eines Drosselventils direkt ablesen. Jedoch mindern auch andere Faktoren wie Reibkräfte, Leckagen, Querschnitt des Schlauches usw. den Durchfluss. Jedoch werden diese Faktoren als gegeben angenommen und sollen nicht unmittelbar beeinflusst werden. Durchfluss q Zylinder Geschwindigkeit v Die Ventile müssen möglichst nah am Zylinder angebracht werden, wobei die Möglichkeit besteht, die Zuluft oder die Abluft zu drosseln. Es befinden sich mehrere Drosselventile in der Produktionsstraße. Sie dienen der Geschwindigkeitsdrossellung beim Bohrvorgang, das heißt, dass die Geschwindigkeit, mit der der Kolben den Bohrer nach unten bewegt, gedrosselt wird. Weitere Drosselventile befinden sich in der Konstruktion der Hebevorrichtung, um ein exaktes Ansteuern von Positionen zu ermöglichen und an den Rotationsantrieben. Des Weiteren befinden sich die Ventile an verschiedenen einfach oder zweifach wirkenden Zylindern. Diese haben aber keinen unmittelbaren Einfluss auf die Funktionalität der Anlage (vgl. SIMONS 1997) Aktoren Abbildung 14: Blockschaltbild für einen Pneumatikzylinder Einfach wirkender Zylinder Abbildung 15: Einfach wirkender Zylinder Bei den vorliegenden Zylindern handelt es sich um Kolbenzylinder. Der Kolben im Zylinder ist in der Lage, einen linearen, in der Länge definierten Vorhub von maximal 100mm

25 Konstruktion des Modells Mechanik (Bauteile) 25 auszuführen. Der einfach wirkende Zylinder besitzt einen Eingangs- Anschluss, der mit einem 3/2- Weg- Ventil verschlaucht ist, über den der Zylinder mit Druckluft beaufschlagt werden kann, die ausreicht, die Kraft der Rückstellfeder, mit der der Kolben in der Ausgangstellung gehalten wird, zu überwinden. Daraufhin wird der Kolben im Inneren des Zylinders gegen die Kraft der Rückstellfeder in Bewegung gesetzt. Sobald keine Druckluft mehr anliegt, drückt die Feder den Kolben in die Ausgangslage zurück, wobei der Zylinder gleichzeitig über eine Entlüftungsbohrung entlüftet wird. Zwischenpositionen kann der Kolben nicht einnehmen, so dass es sich um einen binär arbeitenden Aktor handelt, der aber nur in eine Richtung Arbeit ausüben kann. Der Zylinder wird also benötigt, um Werkstücke gegen einen Anschlag einzuspannen, auszuwerfen, zu pressen und anzuheben (vgl. EUROPA LEHRMITTEL ). Es befinden sich in der Produktionsstraße eine Reihe dieser Aktoren. Damit werden die Werkstücke in den Materialspeicher2 geschoben, weitertransportiert, der Bohrer an der zweiten Bohrvorrichtung nach unten gefahren und die Werkstücke ausgeworfen und fixiert Doppelt wirkender Zylinder Von doppelt wirkenden Zylindern befinden sich ebenfalls einige in der Produktionsstraße. Sie werden benötigt, um die Werkstücke aus den Materialspeichern zu schieben und den Mini- Bohrer1 nach unten zu bewegen. Am doppelt wirkenden Zylinder befinden sich zwei Druckluftanschlüsse, so dass er in beide Richtungen mit Abbildung 16: Doppelt wirkender Druckluft beaufschlagt werden kann. Zylinder Also müssen die doppelt wirkenden Zylinder mit einem 5/2 Weg- Ventils verschlaucht werden. Diese können mit diesem Ventil angesteuert werden. Das hat den Vorteil, dass der Kolben im Inneren des Zylinders in beide Richtungen - also im Vorhub sowie im Rückhub - Arbeit verrichten kann. Im Prinzip ist die Hublänge unbegrenzt, jedoch muss zum Beispiel das Gewicht der Werkstücke im Auge behalten werden. Sobald Druckluft

26 Konstruktion des Modells Mechanik (Bauteile) 26 anliegt, fährt der Kolben im Inneren des Zylinders aus und behält seine Position solange, bis der zweite Anschluss mit Druckluft beaufschlagt wird. In diesem Moment fährt der Kolben in seine Ausgangslage zurück und verrichtet die Arbeit im Rückhub. Ein Abschalten der Druckluft ändert die Position des Kolbens nicht, sondern hat eine nicht definierte Position des Kolbens zur Folge. Bei diesem Aktor handelt es sich also auch um einen binär arbeitenden Aktor. Einsatzgebiete dieses Zylinders ergeben sich dort, wo die Kraft einer Rückstellfeder nicht ausreichen würde, um den Kolben wieder zurückzubewegen und zudem bei speziellen zweifach wirkenden Zylindern (z.b. Rotationsantriebe), die im Folgenden noch beschrieben werden (vgl. EUROPA LEHRMITTEL ) Hebevorrichtung In der Produktionsstrecke befindet sich ein Fahrstuhl bzw. eine Hebevorrichtung, die es ermöglicht, die bearbeiteten Werkstücke, die auf einer vorgesehenen Plattform abgelegt werden, anzuheben und in den Materialspeicher2 einzulegen. Da die Füllhöhe des zweiten Speichers variieren kann, ist der Fahrstuhl mit einem Lichtsensor ausgestattet, so dass die Hebevorrichtung immer die exakte Position anfährt, in der das Werkstück in den Materialspeicher geschoben werden kann. Die Funktion der Lichtschranke wird im Kapitel genauer erläutert. In der Fahrstuhleinheit befindet sich ein Linearantrieb zum Anheben der Werkstücke. Dieser funktioniert im Prinzip wie ein doppelt wirkender Zylinder. Im Unterschied zu den Kolbenzylindern ist die Kolbenstange fixiert und der Zylinder verrichtet die Arbeit. Bei dem Mitnahmeprinzip handelt es sich um eine kraftschlüssige Verbindung, die mit einem Magnet realisiert wird. Dieser Magnet ist also dafür verantwortlich, dass der äußere Teil des Fahrstuhls mit gehoben und gesenkt wird. Abbildung 17: Hebevorrichtung Da der Fahrstuhl nicht nur zwei Positionen anfahren, sondern kurzfristig in Abhängigkeit von der Lichtschranke beim Anheben bzw. Hochfahren gestoppt werden soll, ist hier eine Kombination von

27 Konstruktion des Modells Mechanik (Bauteile) 27 zwei elektropneumatischen Ventilen notwendig. Solange die Lichtschranke ein high Signal liefert, wird ein 3/2- Wege- Ventil mit diesem Signal versorgt, so dass bei Ansteuerung der Ausgang mit Druckluft versorgt wird. Dieser Ausgang versorgt gleichzeitig den Eingang des zweiten 5/2- Wege- Ventils mit Druckluft, der bei angeschlossenem Signal den Ausgang zwei (4) mit Druckluft versorgt. Dieser ist dafür verantwortlich, dass der Fahrstuhl nach oben gefahren wird. Sobald die Lichtschranke am 3/2- Wege- Ventil kein Signal mehr gibt, wird die Druckluft am 3/2- Wege- Ventil abgeschaltet, so dass das zweite 5/2- Wege- Ventil nicht mehr mit Druckluft versorgt wird. Da dieses aber noch ein Signal von der automatischen Steuerung erhält, bleibt der Fahrstuhl stehen. Erst wenn dieses Signal abgeschaltet wird, wird der Ausgang eins (2) des 5/2- Wege- Ventils wieder mit Druckluft beaufschlagt, so dass der Fahrstuhl in die Ausgangsposition, also nach unten, zurück fährt Rotationsantrieb Der Rotationsantrieb ist so ähnlich aufgebaut wie ein doppelt wirkender Zylinder. Es besteht demnach die Möglichkeit, in beide Richtungen Arbeit zu verrichten. Eingesetzt werden die Rotationsantriebe zum Beispiel, um Werkstücke zu wenden, Metallrohre zu biegen und - in diesem Fall - um das Werkstück über Hindernisse hinweg zu transportieren und dann exakt wieder abzusetzen. Bei dem in der Produktionsstrecke eingesetzten Aktor handelt es sich um einen Drehflügelzylinder mit zwei Eingängen. Im Inneren des Zylinders befindet sich ein Schwenkflügel. Je nachdem, welcher Eingang mit Druckluft beaufschlagt wird, lässt er den Schwenkflügel und damit den Transporthebel, der über eine Antriebswelle mit dem Schwenkflügel verbunden ist, in die jeweilige genau definierte Endposition fahren (vgl. FESTO Fluid Studio ). Der Schwenkflügel ist im Drehwinkel begrenzt. Die Rotationsantriebe können Schwenkbewegungen von 45 bis 360 Abbildung 18: Rotationsantrieb durchführen. Eingebaut ist ein Anschlagsystem, mit Hebelarm und Saugnapf

28 Konstruktion des Modells Mechanik (Bauteile) 28 so dass die Weite der Schwenkbewegungen stufenlos variiert werden kann. In der Anlage sind zwei Rotationsantriebe zu finden. Der erste transportiert die Werkstücke weg von der Bohrvorrichtung auf die folgende Hebevorrichtung und übt einen Schwenkbereich von etwa 230 aus. Auch der zweite Antrieb transportiert wieder Werkstücke. Aufgrund der Konstruktion der Anlage benötigt dieser nur einen Schwenkbereich von ca Angesteuert werden die Schwenkflügel Antriebswelle Abbildung 19: schematische Zeichnung eines Drehflügelzylinders Rotationsantriebe mit einem 5/2- Wege- Ventil. Dieses ist notwendig, da der Schwenkantrieb in beide Richtungen Arbeit verrichten muss und nicht über eine Rückstellfeder verfügt, die den Transportarm in die Ausgangslage bewegen könnte. Um das Werkzeug transportieren zu können, ist an der Spitze des Hebelarms ein Saugnapf angebracht. Das Ansaugen des Werkstücks wird im Folgenden erläutert Unterdruckerzeugung Um das Werkstück transportieren zu können, muss dieses am Transporthebel fixiert werden. Mit Hilfe von Unterdruck kann ein Saugnapf das Werkstück fixieren und transportieren. Um den erforderlichen Unterdruck zu erreichen, ist vor dem Saugnapf ein Unterdruckerzeuger angeschlossen. Der gesamte Druckluftstrom wird an einer Öffnung vorbeigeleitet, so dass an dieser Öffnung ein Abbildung 20: Unterdruckerzeuger Unterdruck entsteht 14. Bei einem Betriebsdruck von 6bar entsteht so ein Unterdruck von -0,8bar. Für die Ansteuerung der Unterdruckerzeugung ist ein 3/2- Wege- Ventil in Ruhestellung 14 Venturi Prinzip: durch eine Verkleinerung des Leitungsquerschnittes wird an der Engstelle die Geschwindigkeit des Luftstroms erhöht, wobei in der Strömung ein Unterdruck entsteht. (vgl. EUROPA LEHRMITTEL ) vgl. Wasserstrahlpumpe

29 Konstruktion des Modells Mechanik (Bauteile) 29 gesperrt notwendig. Durch Ansteuerung dieses Ventils wird die Druckluft freigegeben und gleichzeitig Unterdruck erzeugt. Da dabei eine größere Menge Betriebsdruck verloren geht, dürfen an dieser Stelle nicht zu viele Aktoren gleichzeitig arbeiten. Außerdem ist es erforderlich, dass die Werkstücke eine saubere und glatte Oberfläche besitzen. Auf diese Weise wird die erforderliche Saugkraft gesteigert. Es befinden sich zwei Unterdruckerzeuger in der Produktionsstraße. Diese sind jeweils an den Transporthebeln zu finden. Sie sind mit den Saugnäpfen verschlaucht, so dass an dieser Stelle der gewünschte Unterdruck zur Fixierung der Werkstücke am Rotationsantrieb erzeugt werden kann Materialspeicher (Werkstückspeicher) In der vorliegenden Anlage befinden sich zwei Material- oder Werkstückspeicher. Der erste befindet sich direkt am Anfang der Straße. Von hier aus werden die Werkstücke in die Anlage befördert. Nach dem ersten Verarbeitungsprozess gelangen die Werkstücke in den zweiten Materialspeicher. Von hier aus startet der zweite Produktionsprozess. Der Werkstückspeicher dient dazu die zu bearbeitenden Werkstücke bereitzustellen. Mit Hilfe des Speichers werden alle Werkstücke der Anlage in der gleichen Lage zugeführt. Im Speicher werden die Werkstücke gesammelt und aufgefüllt, um nach und nach bearbeitet zu werden. Falls Störungen in der Produktion auftreten, muss nicht die gesamte Anlage still gelegt werden. Die nicht unterbrochenen Produktionseinheiten können solange weiterlaufen, bis das letzte Werkstück aus dem Materialspeicher verarbeitet und der Speicher leer ist bzw. die Kapazitäten des folgenden Speichers komplett ausgenutzt sind Bohrvorrichtung In der Produktionsanlage befinden sich zwei Bohrvorrichtungen, bei denen die Werkstücke an verschiedenen Positionen gebohrt werden. Die Bohrvorrichtungen sind mit Mini- Bohrern ausgestattet, die in einer Halterung fixiert sind. Ein Kolbenzylinder führt ein Werkstück unter die Bohrvorrichtung. Anschließend wird das Werkstück mit einem weiteren Kolbenzylinder gegen eine Vorrichtung fixiert, so dass es nun fest eingespannt ist. Dieses ist bei der ersten Bohrung nicht

30 Konstruktion des Modells Mechanik (Bauteile) 30 notwendig. Hier presst bereits der erste Kolben das Werkstück gegen eine Vorrichtung. In die Bohrvorrichtung ist ein doppelt wirkender Zylinder integriert, der über ein 5/2- Wege- Ventil angesteuert wird. Am Eingang des Zylinders befindet sich ein Drosselrückschlagventil, so dass bei Beaufschlagung des Zylinders mit dem Betriebsdruck dessen Kolben und damit der Mini- Bohrer Abbildung 21: Bohrvorrichtung langsam nach unten fährt. Sobald der Kolben einen Vorhub von einem halben Zentimeter absolviert hat, wird ein integrierter Schalter geöffnet. An der Mini- Bohrmaschine liegt eine Betriebsspannung von 18V an, so dass das Werkstück bearbeitet werden kann. Anschließend bewegt die Bohrvorrichtung die Mini-Bohrmaschine in die Ausgangsstellung und schaltet diese über den Schalter wieder aus. Gleichzeitig kann der Kolben, der das Werkstück fixiert, wieder seine Ausgangsstellung einnehmen. Um das Bohren zu simulieren, muss entweder die Mini- Bohrmaschine über den Schalter ausgestellt oder der Bohrer in einer höheren Position fixiert oder entfernt werden. Die Produktionsanlage ist so konstruiert, dass das folgende Werkstück, das unter die Bohrvorrichtung geschoben wird, das bereits gebohrte Werkstück weiterschiebt und es somit dem nächsten Bearbeitungsprozess zuführt Vorrichtung zum Drehen der Werkstücke Da die Werkstücke beim zweiten Bohren auf der Längsseite gebohrt werden sollen, muss das Werkstück zunächst gedreht werden. Daher befindet sich direkt vor der Bohrung eine eigens geformte Aluminiumkonstruktion. Das Werkstück wird mit Hilfe von Unterdruck am Saugnapf des Transporthebels fixiert. Nachdem der Hebelarm mit Hilfe des Rotationsantriebs zurück in seine Ausgangsstellung und damit über die Drehvorrichtung geschwenkt wurde, kann die Unterdruckerzeugung abgeschaltet werden. Dadurch wird das Werkstück fallen gelassen. Das Werkstück trifft auf die Kante der Aluminiumkonstruktion