Sensoren zur Objekterkennung

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1 Sensoren zur Objekterkennung Arbeitsbuch TP 3 Mit CD-ROM 50 mm mm 40 S V 24 V B 4 Q 0V 3 P 0V Festo Didactic de

2 Bestell-Nr.: Stand: 09/20 Autoren: Frank Ebel, Markus Pany Grafik: Doris Schwarzenberger Layout: 09/20, Frank Ebel Festo Didactic GmbH & Co. KG, Denkendorf, 203 Internet: Der Käufer erhält ein einfaches, nicht-ausschließliches, zeitlich unbeschränktes und geografisch nur auf die Nutzung innerhalb des Standortes/Sitz des Käufers beschränktes Nutzungsrecht wie folgt. Der Käufer ist berechtigt, die Inhalte des Werkes zur Fortbildung seiner Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, des Standortes zu nutzen und hierzu auch Teile der Inhalte zur Erstellung eigener Fortbildungsunterlagen zur Fortbildung seiner Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Standortes unter Angabe der Quelle zu verwenden und für die Fortbildung am Standort zu kopieren. Bei Schulen/Hochschulen und Ausbildungsstätten umfasst das Nutzungsrecht auch die Nutzung für deren Schüler, Lehrgangsteilnehmer und Studenten des Standortes für den Unterricht. Ausgeschlossen ist in jedem Fall das Recht zur Veröffentlichung sowie zur Einstellung und Nutzung in Intranet- und Internet- sowie LMS-Plattformen und Datenbanken wie z. B. Moodle, die den Zugriff einer Vielzahl von Nutzern auch außerhalb des Standortes des Käufers ermöglichen. Weitere Rechte zu Weitergabe, Vervielfältigungen, Kopien, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen sowie die Übertragung, Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen, unabhängig ob ganz oder in Teilen, bedürfen der vorherigen Zustimmung der Festo Didactic GmbH & Co. KG. Hinweis Soweit in dieser Broschüre nur von Lehrer, Schüler etc. die Rede ist, sind selbstverständlich auch Lehrerinnen, Schülerinnen etc. gemeint. Die Verwendung nur einer Geschlechtsform soll keine geschlechtsspezifische Benachteiligung sein, sondern dient nur der besseren Lesbarkeit und dem besseren Verständnis der Formulierungen.

3 Inhalt Bestimmungsgemäße Verwendung IV Vorwort V Einleitung VII Arbeits- und Sicherheitshinweise VIII Trainingspaket Sensoren zur Objekterkennung (TP 3) IX Lernziele X Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben XI Gerätesatz XIII Zuordnung von Komponenten und Aufgaben XV Hinweise für den Lehrer/Ausbilder XVI Struktur der Aufgaben XVII Bezeichnung der Komponenten XVIII Inhalte der CD-ROM XVIII Aufgaben und Lösungen Aufgabe Erfassen der Drehzahl eines Zahnrads Aufgabe 2 Abfragen der Stellung eines Ventilschiebers 9 Aufgabe 3 Kontrollieren von Konservendosen 9 Aufgabe 4 Sortieren von Unterlegscheiben 25 Aufgabe 5 Messen der Dicke von Stahlscheiben 30 Aufgabe 6 Sortieren von Flachdichtungen 38 Aufgabe 7 Regeln des Durchhangs an einer Bandzugeinrichtung 45 Aufgabe 8 Überwachen eines elektrisch angetriebenen Hoftors 55 Aufgabe 9 Zuführen von Kronkorken 63 Aufgabe 0 Sortieren von Werkstücken 72 Aufgabe Nachweisen von Leitersprossen 80 Aufgabe 2 Überwachen von Füllständen 88 Aufgabe 3 Erfassen verschiedenfarbiger Transportkisten 97 Aufgabe 4 Kontrollieren von Gewinden 02 Aufgabe 5 Überwachen der Materialzufuhr einer Presse 06 Festo Didactic GmbH & Co. KG III

4 Bestimmungsgemäße Verwendung Das Trainingspaket Sensoren zur Objekterkennung ist nur zu benutzen: für die bestimmungsgemäße Verwendung im Lehr- und Ausbildungsbetrieb in sicherheitstechnisch einwandfreiem Zustand Die Komponenten des Trainingspakets sind nach dem heutigen Stand der Technik und den anerkannten sicherheitstechnischen Regeln gebaut. Dennoch können bei unsachgemäßer Verwendung Gefahren für Leib und Leben des Benutzers oder Dritter und Beeinträchtigungen der Komponenten entstehen. Das Lernsystem von Festo Didactic ist ausschließlich für die Aus- und Weiterbildung im Bereich Automatisierung und Technik entwickelt und hergestellt. Das Ausbildungsunternehmen und/oder die Ausbildenden hat/haben dafür Sorge zu tragen, dass die Auszubildenden die Sicherheitsvorkehrungen, die in diesem Arbeitsbuch beschrieben sind, beachten. Festo Didactic schließt hiermit jegliche Haftung für Schäden des Auszubildenden, des Ausbildungsunternehmens und/oder sonstiger Dritter aus, die bei Gebrauch/Einsatz dieses Gerätesatzes außerhalb einer reinen Ausbildungssituation auftreten; es sei denn Festo Didactic hat solche Schäden vorsätzlich oder grob fahrlässig verursacht. IV Festo Didactic GmbH & Co. KG 56699

5 Vorwort Das Lernsystem Automatisierung und Technik von Festo Didactic orientiert sich an unterschiedlichen Bildungsvoraussetzungen und beruflichen Anforderungen. Abgeleitet hieraus ergibt sich die Gliederung des Lernsystems: Technologieorientierte Trainingspakete Mechatronik und Fabrikautomation Prozessautomation und Regelungstechnik Robotino Lernen und forschen mit mobilen Robotern Hybride Lernfabriken Die technologieorientierten Trainingspakete befassen sich mit den Technologien Pneumatik, Elektropneumatik, Hydraulik, Elektrohydraulik, Proportionalhydraulik, Speicherprogrammierbare Steuerungen, Sensorik, Elektrotechnik und elektrischen Antrieben. Der modulare Aufbau des Lernsystems ermöglicht Anwendungen, die über die Grenzen der einzelnen Pakete hinausgehen. Beispielsweise sind SPS-Ansteuerungen von pneumatischen, hydraulischen und elektrischen Antrieben möglich. Festo Didactic GmbH & Co. KG V

6 Alle Lernpakete besitzen eine identische Struktur: Hardware Teachware Software Seminare Die Hardware setzt sich aus didaktisch aufbereiteten Industriekomponenten und Systemen zusammen. Die didaktisch-methodische Aufbereitung der Teachware ist auf die Trainings-Hardware abgestimmt. Die Teachware umfasst: Lehrbücher (mit Übungen und Beispielen) Arbeitsbücher (mit praktischen Aufgaben, ergänzenden Hinweisen und Lösungen) Aufgabensammlungen (mit praktischen Aufgaben und ergänzenden Hinweisen) Transparentfolien und Videos (zur lebendigen Unterrichtsgestaltung) Die Lehr- und Lernmedien sind in mehreren Sprachen verfügbar. Sie sind für den Einsatz im Unterricht konzipiert, aber auch für ein Selbststudium geeignet. Aus dem Bereich Software werden Computer-Lernprogramme, Simulations-, Visualisierungs-, Projektierungs-, Konstruktions- und Programmiersoftware bereitgestellt. Ein umfassendes Seminarangebot zu den Inhalten der Trainingspakete rundet das Angebot in Aus- und Weiterbildung ab. Haben Sie Anregungen oder Kritikpunkte zu diesem Buch? Dann senden Sie eine an: Die Autoren und Festo Didactic freuen sich auf Ihre Rückmeldung. VI Festo Didactic GmbH & Co. KG 56699

7 Einleitung Das vorliegende Arbeitsbuch ist ein Element aus dem Lernsystem Automatisierung und Technik der Firma Festo Didactic GmbH & Co. KG. Das System bildet eine solide Grundlage für eine praxisorientierte Aus- und Weiterbildung. Das Trainingspaket TP 3 behandelt das Thema Sensoren zur Objekterkennung. Besonders hervorzuheben sind dabei die Inhalte Aufbau, Funktion, Anschluss, Einsatzgebiete und Auswahl von Sensoren auf der Grundlage der Anforderungen einer Anwendung. Voraussetzung für den Aufbau der Schaltungen ist ein fester Arbeitsplatz ausgestattet mit einer Festo Didactic Profilplatte und einem kurzschlusssicheren Netzgerät mit einer Ausgangsspannung von 24 V DC. Mit dem Gerätesatz TP 3 werden die kompletten Schaltungen der 5 Aufgabenstellungen aufgebaut. Die theoretischen Grundlagen für das Verständnis dieser Aufgaben enthält das Lehrbuch Näherungsschalter, Bestell-Nr Des Weiteren stehen Datenblätter der einzelnen Komponenten (Sensoren, Messgeräte usw.) zur Verfügung. Unterrichtsmaterial Auf dieses Arbeitsbuch abgestimmt erhalten Sie als Unterrichtsmaterial für Auszubildende und Schüler die Aufgabensammlung Sensoren zur Objekterkennung, Bestell-Nr Die Aufgabensammlung kann unabhängig vom Arbeitsbuch bestellt werden. So können die Arbeitsblätter für Auszubildende und Schüler ohne Aufwand bereitgestellt werden. Festo Didactic GmbH & Co. KG VII

8 Arbeits- und Sicherheitshinweise Allgemein Die Auszubildenden dürfen nur unter Aufsicht einer Ausbilderin/eines Ausbilders an den Schaltungen arbeiten. Beachten Sie die Angaben der Datenblätter zu den einzelnen Komponenten, insbesondere auch alle Hinweise zur Sicherheit! Störungen, die die Sicherheit beeinträchtigen können, dürfen beim Schulungsbetrieb nicht erzeugt werden und sind umgehend zu beseitigen. Mechanik Montieren Sie alle Komponenten fest auf die Profilplatte. Beachten Sie Angaben zur Platzierung der Komponenten. Elektrik Verwenden Sie nur Kleinspannungen, maximal 24 V DC. Herstellen bzw. Abbauen von elektrischen Anschlüssen nur in spannungslosem Zustand! Verwenden Sie für die elektrischen Anschlüsse nur Verbindungsleitungen mit Sicherheitssteckern. Ziehen Sie beim Abbauen der Verbindungsleitungen nur an den Sicherheitssteckern, nicht an den Leitungen. Befestigungstechnik Die Trägerplatten der Geräte sind mit der Befestigungsvariante A, B oder C ausgestattet: Variante A, Rastsystem Leichte nicht belastbare Geräte (z.b. Wege-Ventile, Sensoren). Geräte einfach in die Nut der Profilplatte einklipsen. Lösen der Geräte durch Betätigung des blauen Hebels. Variante B, Drehsystem Mittelschwere belastbare Geräte (z.b. Pneumatikzylinder). Diese Geräte werden durch Hammerschrauben auf die Profilplatte gespannt. Das Spannen bzw. Lösen erfolgt über die blaue Griffmutter. Variante C, Schraubsystem Für schwer belastbare Geräte bzw. Geräte die selten von der Profilplatte gelöst werden (z.b. Einschaltventil mit Filterregelventil). Die Geräte werden mit Zylinderschrauben und Hammermutter befestigt. Empfohlenes Zubehör Zur Auswertung der aufgebauten Schaltungen werden ein Lineal und ein Digital-Multimeter benötigt. Mit dem Lineal werden Aufbaumaße und Tastweiten gemessen. Mit dem Digital-Multimeter werden Betriebsspannungen, Ausgangsspannungen und Ausgangsströme gemessen. VIII Festo Didactic GmbH & Co. KG 56699

9 Trainingspaket Sensoren zur Objekterkennung (TP 3) Das Trainingspaket TP 3 besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Ausbildungsmitteln. Gegenstand dieses Paketes sind Sensoren zur Objekterkennung. Einzelne Komponenten aus dem Trainingspaket TP 3 können auch Bestandteil anderer Pakete sein. Wichtige Komponenten des TP 3 Fester Arbeitsplatz mit Festo Didactic Profilplatte Gerätesätze oder Einzelkomponenten (z.b. Sensoren, Meldeeinrichtungen, Objektsortiment, Verschiebeschlitten) Komplette Laboreinrichtungen Medien Die Teachware zum Trainingspaket TP 3 besteht aus einem Lehrbuch, einem Arbeitsbuch und einer Aufgabensammlung. Das Lehrbuch vermittelt die physikalischen und technischen Grundlagen der Sensoren zur Objekterkennung. Das Arbeitsbuch enthält zu jeder der 5 Aufgaben die Lösungen zu jedem einzelnen Arbeitsblatt, die Aufgabenblätter der Aufgabensammlung und eine CD-ROM. Die Aufgabensammlung besteht aus einem Satz gebrauchsfertiger Aufgaben- und Arbeitsblätter zu jeder Aufgabe. Datenblätter zu den Hardware-Komponenten werden mit dem Trainingspaket und auf der CD-ROM zur Verfügung gestellt. Medien Lehrbuch Arbeitsbuch Aufgabensammlung Foliensammlung Digitales Lernprogramm Näherungsschalter Sensoren zur Objekterkennung Sensoren zur Objekterkennung Sensorik WBT Sensorik 2 Sensoren zur Objekterkennung Übersicht der Medien zum Trainingspaket TP 3 Als Software zum Trainingspaket TP 3 steht das digitale Lernprogramm (WBT) Sensorik 2 Sensoren zur Objekterkennung zur Verfügung. Dieses Lernprogramm beschäftigt sich ausführlich mit Sensoren zur Erkennung von Objekten in automatisierten Anlagen. Anhand eines komplexen Beispiels aus der industriellen Praxis erarbeitet der Lernende die Grundlagen der Sensortechnik und kann geeignete Sensoren auswählen. Weitere Ausbildungsmittel ersehen Sie aus unseren Katalogen und im Internet. Das Lernsystem Automatisierung und Technik wird laufend aktualisiert und erweitert. Die Foliensätze, die Filme, CD-ROMs, DVDs und Lernprogramme sowie die weitere Teachware werden in mehreren Sprachen angeboten. Festo Didactic GmbH & Co. KG IX

10 Lernziele Magnetische Näherungsschalter Sie kennen Aufbau und Funktion eines magnetoresistiven Näherungsschalters. Sie kennen das Schaltverhalten eines magnetoresistiven Näherungsschalters. Sie kennen den Einfluss von Position und Orientierung eines Magneten auf das Schaltverhalten. Sie kennen die Grundlagen der Anschluss- und Schaltungstechnik. Induktive Näherungsschalter Sie kennen Aufbau und Funktion eines induktiven Näherungsschalters. Sie kennen Begriffe, die das Schaltverhalten eines induktiven Näherungsschalters beschreiben. Sie kennen den Einfluss verschiedener Bauformen und Werkstückmaterialien auf das Schaltverhalten induktiver Sensoren. Sie kennen die Materialabhängigkeit des Schaltabstandes induktiver Näherungsschalter beim Nachweis verschiedener Metalle. Sie kennen den Aufbau von logischen Verknüpfungen mit Näherungsschaltern. Sie können auf Grundlage von Randbedingungen den geeigneten Sensor auswählen. Optische Näherungsschalter Sie kennen Begriffe, die das Schaltverhalten optischer Näherungsschalter beschreiben. Sie kennen das Ansprechverhalten einer Einweg-Lichtschranke. Sie können ermitteln, welche Materialien mit ihr nachgewiesen werden können. Sie kennen die Einsatzmöglichkeiten und das Ansprechverhalten einer Reflex-Lichtschranke. Sie kennen Aufbau und Funktion eines optischen Reflex-Lichttasters. Sie kennen die Einsatzgebiete und die Tastweite eines Reflex-Lichttasters mit Lichtleiter-Vorsatz. Sie kennen Einsatzmöglichkeiten optischer Näherungsschalter mit Lichtleitern. Sie können auf Grundlage von Randbedingungen den geeigneten Sensor auswählen. Kapazitive Näherungsschalter Sie kennen Aufbau und Funktion eines kapazitiven Näherungsschalters. Sie kennen den Einfluss der Materialart auf den Schaltabstand eines kapazitiven Näherungsschalters. Sie kennen den Aufbau von logischen Verknüpfungen mit Näherungsschaltern. X Festo Didactic GmbH & Co. KG 56699

11 Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben Lernziel Aufgabe Sie kennen Aufbau und Funktion eines magnetoresistiven Näherungsschalters. Sie kennen das Schaltverhalten eines magnetoresistiven Näherungsschalters. Sie kennen Grundlagen der Anschlusstechnik und Schaltungstechnik von Näherungsschaltern. Sie kennen Aufbau und Funktion eines induktiven Näherungsschalters. Sie kennen Begriffe, die das Schaltverhalten eines induktiven Näherungsschalters beschreiben. Sie kennen die Materialabhängigkeit des Schaltabstandes induktiver Näherungsschalter beim Nachweis verschiedener Metalle. Sie kennen den Einfluss unterschiedlich großer Objekte auf den Schaltabstand eines induktiven Näherungsschalters. Sie kennen das Ansprechverhalten eines induktiven Sensors mit Analogausgang. Sie können die Kennlinie des induktiven Sensors mit Analogausgang ermitteln. Sie können die Empfindlichkeit des induktiven Sensors mit Analogausgang bestimmen. Sie können die Reproduzierbarkeit, die Linearität und den Hysteresefehler der Messungen beurteilen. Sie kennen die Abhängigkeit des Ausgangsstromes vom Material und vom Abstand des Messobjektes. Sie kennen die Abhängigkeit des Ausgangsstromes von der Größe der Querschnittsfläche und vom Abstand des Messobjektes. Festo Didactic GmbH & Co. KG XI

12 Aufgabe Lernziel Sie kennen den Aufbau und die Funktion einer Einweg-Lichtschranke. Sie kennen das Ansprechverhalten einer Einweg-Lichtschranke kennen. Sie kennen die Materialien, die mit einer Einweg-Lichtschranke nachgewiesen werden können. Sie kennen Aufbau und Funktion einer Reflex-Lichtschranke. Sie kennen das Schaltverhalten einer Reflex- Lichtschranke Sie kennen Einsatzmöglichkeiten für eine Reflex-Lichtschranke. Sie kennen Aufbau und Funktionsweise eines Reflex-Lichttasters. Sie kennen den Einfluss der Oberfläche von Werkstücken auf die Tastweite eines Reflex- Lichttasters. Sie kennen Aufbau und Funktion von Lichtwellenleitern. Sie kennen Einsatzgebiete von Lichtwellenleitern. Sie kennen Aufbau und Funktion eines kapazitiven Näherungsschalters. Sie kennen das Schaltverhalten eines kapazitiven Näherungsschalters. Sie kennen Einsatzmöglichkeiten kapazitiver Näherungsschalters. Sie können den Füllstand mit kapazitiven und optischen Näherungsschaltern erfassen. Sie können Näherungsschalter zur Überprüfung von Werkstücken einsetzen. Sie können geeignete Näherungsschalter auswählen. Sie kennen Einsatzmöglichkeiten optischer Näherungsschalter Sie kennen Grundlagen der Anschlusstechnik und Schaltungstechnik von Näherungsschaltern Sie können logische Verknüpfungen mit Näherungsschaltern aufbauen XII Festo Didactic GmbH & Co. KG 56699

13 Gerätesatz Der Gerätesatz Sensoren zur Objekterkennung (TP 3) vermittelt Kenntnisse über die Grundprinzipien und den Einsatz von magnetoresistiven, induktiven, kapazitiven und optischen Näherungsschaltern. Er enthält alle Komponenten, die für die Erarbeitung der vorgegebenen Lernziele erforderlich sind und kann mit anderen Gerätesätzen beliebig erweitert werden. Zum Aufbau funktionsfähiger Schaltungen werden zusätzlich die Profilplatte, ein Netzgerät und ein Digital-Multimeter benötigt. Gerätesatz Sensoren zur Objekterkennung, Bestell-Nr Komponente Bestell-Nr. Menge Meldeeinrichtung und Verteiler, elektrisch Näherungsschalter, induktiv, M Sensor, induktiv, mit Analogausgang, M Näherungsschalter, induktiv, M Einweg-Lichtschranke, Empfänger Einweg-Lichtschranke, Sender Reflex-Lichtschranke Reflektor (Tripelspiegel), 20 mm Näherungsschalter, kapazitiv, M Lichtleitergerät Reflex-Lichttaster mit Hintergrundausblendung Lichtleiter Objektsortiment Verschiebeschlitten Näherungsschalter, magnetoresistiv Festo Didactic GmbH & Co. KG XIII

14 Grafische Symbole des Gerätesatzes Komponente Grafisches Symbol Komponente Grafisches Symbol Meldeeinrichtung und Verteiler, elektrisch Reflex-Lichtschranke 4 3 Näherungsschalter, induktiv, M2 4 Näherungsschalter, kapazitiv, M Sensor, induktiv, mit Analogausgang, M2 U 4 Lichtleitergerät 4 I Näherungsschalter, induktiv, M8 4 Reflex-Lichttaster mit Hintergrundausblendung Einweg-Lichtschranke, Empfänger 4 Näherungsschalter, magnetoresistiv Einweg-Lichtschranke, Sender 2 3 XIV Festo Didactic GmbH & Co. KG 56699

15 Zuordnung von Komponenten und Aufgaben Komponente Aufgabe Meldeeinrichtung und Verteiler, elektrisch Näherungsschalter, induktiv, M2 Sensor, induktiv, mit Analogausgang, M2 Näherungsschalter, induktiv, M8 Einweg-Lichtschranke, Empfänger Einweg-Lichtschranke, Sender Reflex-Lichtschranke Reflektor (Tripelspiegel), 20 mm Näherungsschalter, kapazitiv, M2 Lichtleitergerät Reflex-Lichttaster mit Hintergrundausblendung Lichtleiter Objektsortiment Verschiebeschlitten Näherungsschalter, magnetoresistiv Lineal Digital-Multimeter Netzgerät 24 V DC Festo Didactic GmbH & Co. KG XV

16 Hinweise für den Lehrer/Ausbilder Lernziele Das Groblernziel des vorliegenden Arbeitsbuchs ist das Kennenlernen von Sensoren zur Objekterkennung sowie der praktische Aufbau der Schaltungen auf der Profilplatte. Durch diese direkte Wechselwirkung von Theorie und Praxis ist ein schneller und nachhaltiger Lernfortschritt gewährleistet. Die Feinlernziele sind in der Matrix dokumentiert. Konkrete Einzellernziele sind jeder Aufgabenstellung zugeordnet. Richtzeit Die benötigte Zeit für das Durcharbeiten der Aufgabenstellungen hängt vom Vorwissen der Lernenden ab. Auszubildende im Metall- oder Elektrobereich: ca. 2 Wochen. Mit Facharbeiterausbildung: ca. Woche. Komponenten des Gerätesatzes Arbeitsbuch, Aufgabensammlung und Gerätesatz sind aufeinander abgestimmt. Für alle 5 Aufgaben benötigen Sie nur Komponenten eines Gerätesatzes TP 3. Jede Aufgabe kann auf einer Schlitzmontageplatte oder einer Profilplatte mit mindestens 350 mm Breite aufgebaut werden. Normen Im vorliegenden Arbeitsbuch werden die folgenden Normen angewendet: EN : Graphische Symbole für Schaltpläne EN : Niederspannungsschaltgeräte Steuergeräte und Schaltelemente Näherungsschalter EN : Industrielle Systeme, Anlagen und Ausrüstungen und Industrieprodukte; Strukturierungsprinzipien und Referenzkennzeichnung Kennzeichnungen im Arbeitsbuch Lösungstexte und Ergänzungen in Grafiken oder Diagrammen sind rot dargestellt. Kennzeichnungen in der Aufgabensammlung Zu ergänzende Texte sind durch Schreiblinien oder graue Tabellenzellen gekennzeichnet. Zu ergänzende Grafiken sind durch Raster hinterlegt. Hinweise für den Unterricht Hier werden zusätzliche Informationen zu den einzelnen Näherungsschaltern gegeben. Diese Hinweise sind in der Aufgabensammlung nicht enthalten. XVI Festo Didactic GmbH & Co. KG 56699

17 Lösungen Die in diesem Arbeitsbuch angegebenen Lösungen sind Ergebnisse von Testmessungen. Die Resultate Ihrer Messungen können von diesen Daten abweichen. Dies trifft besonders bei Näherungsschaltern mit Einstellmöglichkeit zu. Bei optischen Näherungsschaltern können sich abweichende Resultate zusätzlich abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit der untersuchten Materialien ergeben. Auch die Schnittkante des Lichtleiters und der optische Übergang von Sender-/Empfängeroptik zum Lichtleiter haben einen Einfluss auf das Messergebnis. Lernfelder Im Folgenden ist eine Zuordnung der Lernfelder der Berufsschule auf das Ausbildungsthema Sensoren zur Objekterkennung für ausgewählte Ausbildungsberufe dargestellt. Ausbildungsberuf Lernfeld Thema Elektroniker/in für Automatisierungstechnik 3 Steuerungen analysieren und anpassen 6 Anlagen analysieren und deren Sicherheit prüfen 7 Steuerungen für Anlagen programmieren und realisieren 8 Antriebssysteme auswählen und integrieren 0 Automatisierungssysteme in Betrieb nehmen und übergeben Automatisierungssysteme in Stand halten und optimieren Mechatroniker/in 7 Realisieren mechatronischer Teilsysteme Inbetriebnahme, Fehlersuche und Instandsetzung Industriemechaniker 6 Installieren und in Betrieb nehmen steuerungstechnischer Systeme Struktur der Aufgaben Alle 5 Aufgaben haben den gleichen methodischen Aufbau. Die Aufgaben sind gegliedert in: Titel Lernziele Problemstellung Lageplan Projektauftrag Arbeitshilfen Arbeitsblätter Das Arbeitsbuch enthält die Lösungen zu jedem Arbeitsblatt der Aufgabensammlung. Festo Didactic GmbH & Co. KG XVII

18 Bezeichnung der Komponenten Die Bezeichnung der Komponenten in den Schaltplänen erfolgt nach der Norm DIN EN In Abhängigkeit der Komponente werden Buchstaben vergeben. Mehrere Komponenten innerhalb eines Schaltkreises werden durchnummeriert. Sensoren: B, B, B2,... Signalgeräte: P, P, P2,... Inhalte der CD-ROM Das Arbeitsbuch ist auf der mitgelieferten CD-ROM als pdf-datei gespeichert. Zusätzlich stellt die CD-ROM Ihnen ergänzende Medien zur Verfügung. Die CD-ROM enthält folgende Ordner: Bedienungsanleitungen Bilder Datenblätter Präsentationen Produktinformationen Bedienungsanleitungen Bedienungsanleitungen für verschiedene Komponenten des Trainingspakets stehen zur Verfügung. Diese Anleitungen helfen bei Einsatz und Inbetriebnahme der Komponenten. Bilder Fotos und Grafiken von Komponenten und industrieller Anwendungen werden bereitgestellt. Hiermit können eigene Aufgabenstellungen illustriert werden. Auch Projektpräsentationen können durch den Einsatz dieser Abbildungen ergänzt werden. Datenblätter Die Datenblätter der Komponenten des Trainingspakets stehen als pdf-dateien zur Verfügung. Präsentationen Kurzpräsentationen für Komponenten des Trainingspakets sind in diesem Verzeichnis gespeichert. Diese Präsentationen können z.b. bei der Erstellung von Projektpräsentationen verwendet werden. Produktinformationen Für ausgesuchte Komponenten erhalten Sie Produktinformationen des Herstellers. Die Darstellung und Beschreibung der Komponenten in dieser Form soll zeigen, wie diese Komponenten in einem industriellen Katalog dargestellt sind. Zusätzlich finden Sie hier ergänzende Informationen zu den Komponenten. XVIII Festo Didactic GmbH & Co. KG 56699

19 Aufgabe Erfassen der Drehzahl eines Zahnrads Lernziele Wenn Sie diese Aufgabe bearbeitet haben kennen Sie Aufbau und Funktion eines magnetoresistiven Näherungsschalters kennen Sie das Schaltverhalten eines magnetoresistiven Näherungsschalters kennen Sie Grundlagen der Anschlusstechnik und Schaltungstechnik von Näherungsschaltern Problemstellung Zur Drehzahlerfassung an einem nichtmetallischen Zahnrad ist der Einsatz eines kontaktlosen Näherungsschalters vorgesehen. Hierzu wird auf einem Zahn des Zahnrades ein Magnet montiert. Ein sicheres Schalten muss gewährleistet sein. Es soll die Schaltkurve des Näherungsschalters ermittelt werden. Hierbei ist auch der Einfluss durch die Orientierung der magnetischen Polachse zu untersuchen. Lageplan Magnetischer Näherungsschalter zur Drehzahlerfassung Festo Didactic GmbH & Co. KG 56699

20 Aufgabe Erfassen der Drehzahl eines Zahnrads Projektauftrag. Beschreiben Sie den Aufbau und die Funktion eines magnetoresistiven Näherungsschalters. 2. Untersuchen Sie das Schaltverhalten des magnetoresistiven Näherungsschalters. 3. Untersuchen Sie den Einfluss der Orientierung der magnetischen Polachse. Arbeitshilfen Datenblätter Lehrbuch Näherungsschalter Hinweis Die elektrische Spannungsversorgung ist erst einzuschalten, nachdem alle Anschlüsse hergestellt und kontrolliert sind. Nach Abschluss der Aufgabe ist die Spannungsversorgung wieder auszuschalten, bevor die Komponenten abgebaut werden. Hinweis für den Unterricht Bedienungsanleitungen, Bilder, Datenblätter, Präsentationen und Produktinformationen zu einzelnen Komponenten des Gerätesatzes finden Sie auf der mitgelieferten CD-ROM im Arbeitsbuch. 2 Festo Didactic GmbH & Co. KG 56699

21 Aufgabe Erfassen der Drehzahl eines Zahnrads Beschreiben der Funktion Beschreiben Sie die Funktion des magnetoresistiven Näherungsschalters. Der magnetoresistive Näherungsschalter erfasst das Magnetfeld durch magnetfeldabhängige Widerstände. Eine Brückenschaltung der Widerstände erzeugt bei der Annäherung eines Magneten kontaktlos eine Spannung. Diese Spannung wird in der eingebauten Auswerteelektronik verarbeitet und in ein Ausgangssignal umgesetzt. Bei dem eingesetzten kontaktlosen Näherungsschalter ist die magnetfeldsensitive Fläche durch einen blauen Punkt gekennzeichnet. Ergänzen Sie das Schaltzeichen des magnetoresitiven Näherungsschalters. Vorgaben: Der Näherungsschalter arbeitet berührungslos, reagiert auf Annäherung eines Magneten und hat als Schaltausgang einen Schließerkontakt. 4 3 Füllen Sie die folgende Tabelle vollständig aus. Entnehmen Sie die erforderlichen Daten dem Datenblatt des magnetoresistiven Näherungsschalters. Parameter Wert Betriebsspannung (DC) 0 30 V DC Schaltstrom maximal 200 ma Schaltfrequenz maximal 500 Hz Schaltausgang PNP, Schließer Schaltzustandsanzeige LED gelb Reproduzierbarkeit des Schaltwertes ± 0, mm Festo Didactic GmbH & Co. KG

22 24V Q Q2 Q3 0V Aufgabe Erfassen der Drehzahl eines Zahnrads Ermitteln des Schaltverhaltens Montieren Sie die Meldeeinrichtung, den Verschiebeschlitten und den magnetoresistiven Näherungsschalter auf die Profilplatte. Montieren Sie den magnetoresistiven Näherungsschalter Nut versetzt zu der Nut, in der Sie den Verschiebeschlitten montiert haben Aufbau Schließen Sie die elektrische 24 V Spannungsversorgung und den magnetoresistiven Näherungsschalter an die Meldeeinrichtung an. Ergänzen Sie den Schaltplan. 24 V 24 V B 4 Q 0V 3 P 0V Elektrischer Schaltplan 4 Festo Didactic GmbH & Co. KG 56699

23 Aufgabe Erfassen der Drehzahl eines Zahnrads Ergänzen Sie die Geräteliste. Tragen Sie alle Komponenten ein, die Sie zur Untersuchung des Schaltverhaltens benötigen. Menge Komponente Näherungsschalter, magnetoresistiv Verschiebeschlitten Meldeeinrichtung und Verteiler, elektrisch Netzgerät 24 V DC Nr. Einzelteil Werkstückhalter 2 Magnet, auf Trägerplatte 3 Magnet 2, auf Trägerplatte Einzelteile des Objektsortiments Versuch Setzen Sie den Werkstückhalter aus dem Objektsortiment in die Werkstückaufnahme des Verschiebeschlittens ein. Nehmen Sie Magnet aus dem Objektsortiment und schieben Sie ihn in den Werkstückhalter. Schieben Sie die Werkstückaufnahme des Verschiebeschlittens an den Anschlag (Skalenwert 0 mm ). Positionieren Sie den Näherungsschalter und den Verschiebeschlitten so, dass der Abstand zwischen Magnet und Näherungsschalter möglichst gering ist. Bewegen Sie den Magneten entlang der Näherungsschalterlängsachse. Tragen Sie im Diagramm die Punkte ein, bei denen der Näherungsschalter auf den Magneten anspricht. Dieses Ansprechen erkennen Sie daran, dass die in den Näherungsschalter eingebaute Leuchtdiode aufleuchtet. Die in der Meldeeinrichtung eingebaute Leuchtdiode leuchtet ebenfalls auf. Der Abstand zwischen Magnet und Näherungsschalter wird in 2 mm Schritten erhöht. Der Trägerstreifen des Magneten wird jeweils 50 mm bzgl. der Mitte der aktiven Fläche des Näherungsschalters (blauer Punkt) bewegt. Der Fahrweg ist bei jeder Messung komplett zu durchfahren. Festo Didactic GmbH & Co. KG

24 Aufgabe Erfassen der Drehzahl eines Zahnrads Hinweis Beachten Sie bei Ihren Messungen, dass für den Näherungsschalter die Einschaltpunkte und die Ausschaltpunkte nicht zusammenfallen. Nähern Sie den Magneten z.b. von links an den unbetätigten Näherungsschalter bis dieser seinen Schaltzustand ändert, so erhalten Sie den Einschaltpunkt. Entfernen Sie den Magneten nun wieder nach links, bis der Näherungsschalter vom betätigten in den unbetätigten Schaltzustand übergeht, so erhalten Sie den Ausschaltpunkt. Die Wegdifferenz zwischen diesen beiden Punkten bezeichnet man als Hysterese. 50 mm mm 40 S Schaltkurve Magnet 6 Festo Didactic GmbH & Co. KG 56699

25 Aufgabe Erfassen der Drehzahl eines Zahnrads Versuch 2 Nehmen Sie nun Magnet 2 aus dem Objektsortiment, und wiederholen Sie den oben beschriebenen Vorgang. Tragen Sie im Diagramm die Punkte ein, bei denen der Näherungsschalter auf diesen Magneten anspricht. 50 mm mm 40 S Schaltkurve Magnet 2 Festo Didactic GmbH & Co. KG

26 Aufgabe Erfassen der Drehzahl eines Zahnrads Einfluss der Orientierung der Polachse Beschreiben Sie den Einfluss der Orientierung der magnetischen Polachse. Wie man aus den Schaltkurven erkennt, sind je nach Orientierung der magnetischen Polachse zwei bzw. drei Schaltbereiche zu beobachten. Einer der drei Schaltbereiche ist deutlich als Hauptschaltbereich zu erkennen. Vermeiden kann man die Mehrdeutigkeit der Ausgangssignale, indem man den Magneten in der richtigen Polachsenorientierung und, bei festgelegter Feldstärke, im richtigen Abstand anbringt. Bei Näherungsschalter-Magnet-Kombinationen, die man als Einzelteile kauft, ist immer zu überprüfen, welches Schaltverhalten erzielt wird. Nur so ist ein sicherer Einsatz dieser Näherungsschalter gewährleistet. Beantworten Sie die folgenden Fragen. Nennen Sie zwei weitere Möglichkeiten, ein Magnetfeld nachzuweisen. Erklären Sie kurz die Funktion dieser Näherungsschalter. Reedschalter Schaltkontaktzungen aus ferromagnetischem Material sind in einen Glaskolben eingeschmolzen. Durch ein Magnetfeld werden die Kontaktzungen magnetisiert. Sie ziehen sich an, der Kontakt wird geschlossen. Induktiv-magnetische Näherungsschalter Der Zustand eines Schwingkreises wird ausgewertet. Die Spule des Schwingkreises ist mit einem Ringkern versehen. Durch ein Magnetfeld wird das Ringkernmaterial gesättigt und der Schwingkreisstrom geändert. Diese Änderung wird ausgewertet. Erklären Sie den Begriff magnetoresistiv. Unter dem Begriff magnetoresistiv versteht man die Änderung des Widerstandes von ferromagnetischen Materialien unter dem Einfluss eines Magnetfeldes. Die Widerstände bestehen z. B. aus Nickel-Eisen-Legierungen. Die Widerstände werden in Wheatstone-Brücken geschaltet. Unter dem Einfluss des äußeren Magnetfeldes ändert sich die Brückenspannung. Diese Änderung wird ausgewertet. 8 Festo Didactic GmbH & Co. KG 56699

27 Aufgabe Erfassen der Drehzahl eines Zahnrads Lernziele Wenn Sie diese Aufgabe bearbeitet haben kennen Sie Aufbau und Funktion eines magnetoresistiven Näherungsschalters kennen Sie das Schaltverhalten eines magnetoresistiven Näherungsschalters kennen Sie Grundlagen der Anschlusstechnik und Schaltungstechnik von Näherungsschaltern Problemstellung Zur Drehzahlerfassung an einem nichtmetallischen Zahnrad ist der Einsatz eines kontaktlosen Näherungsschalters vorgesehen. Hierzu wird auf einem Zahn des Zahnrades ein Magnet montiert. Ein sicheres Schalten muss gewährleistet sein. Es soll die Schaltkurve des Näherungsschalters ermittelt werden. Hierbei ist auch der Einfluss durch die Orientierung der magnetischen Polachse zu untersuchen. Lageplan Magnetischer Näherungsschalter zur Drehzahlerfassung Festo Didactic GmbH & Co. KG

28 Aufgabe Erfassen der Drehzahl eines Zahnrads Projektauftrag. Beschreiben Sie den Aufbau und die Funktion eines magnetoresistiven Näherungsschalters. 2. Untersuchen Sie das Schaltverhalten des magnetoresistiven Näherungsschalters. 3. Untersuchen Sie den Einfluss der Orientierung der magnetischen Polachse. Arbeitshilfen Datenblätter Lehrbuch Näherungsschalter Hinweis Die elektrische Spannungsversorgung ist erst einzuschalten, nachdem alle Anschlüsse hergestellt und kontrolliert sind. Nach Abschluss der Aufgabe ist die Spannungsversorgung wieder auszuschalten, bevor die Komponenten abgebaut werden. 2 Name: Datum: Festo Didactic GmbH & Co. KG

29 Aufgabe Erfassen der Drehzahl eines Zahnrads Beschreiben der Funktion Beschreiben Sie die Funktion des magnetoresistiven Näherungsschalters Ergänzen Sie das Schaltzeichen des magnetoresitiven Näherungsschalters. Vorgaben: Der Näherungsschalter arbeitet berührungslos, reagiert auf Annäherung eines Magneten und hat als Schaltausgang einen Schließerkontakt. 4 3 Füllen Sie die folgende Tabelle vollständig aus. Entnehmen Sie die erforderlichen Daten dem Datenblatt des magnetoresistiven Näherungsschalters. Parameter Wert Betriebsspannung (DC) Schaltstrom Schaltfrequenz Schaltausgang Schaltzustandsanzeige Reproduzierbarkeit des Schaltwertes Festo Didactic GmbH & Co. KG Name: Datum: 3

30 24V Q Q2 Q3 0V Aufgabe Erfassen der Drehzahl eines Zahnrads Ermitteln des Schaltverhaltens Montieren Sie die Meldeeinrichtung, den Verschiebeschlitten und den magnetoresistiven Näherungsschalter auf die Profilplatte. Montieren Sie den magnetoresistiven Näherungsschalter Nut versetzt zu der Nut, in der Sie den Verschiebeschlitten montiert haben Aufbau Schließen Sie die elektrische 24 V Spannungsversorgung und den magnetoresistiven Näherungsschalter an die Meldeeinrichtung an. Ergänzen Sie den Schaltplan. 24 V 24 V B 4 Q 0 V 3 Elektrischer Schaltplan 4 Name: Datum: Festo Didactic GmbH & Co. KG

31 Aufgabe Erfassen der Drehzahl eines Zahnrads Ergänzen Sie die Geräteliste. Tragen Sie alle Komponenten ein, die Sie zur Untersuchung des Schaltverhaltens benötigen. Menge Komponente Netzgerät 24 V DC Nr. Einzelteil Werkstückhalter 2 Magnet, auf Trägerplatte 3 Magnet 2, auf Trägerplatte Einzelteile des Objektsortiments Versuch Setzen Sie den Werkstückhalter aus dem Objektsortiment in die Werkstückaufnahme des Verschiebeschlittens ein. Nehmen Sie Magnet aus dem Objektsortiment und schieben Sie ihn in den Werkstückhalter. Schieben Sie die Werkstückaufnahme des Verschiebeschlittens an den Anschlag (Skalenwert 0 mm ). Positionieren Sie den Näherungsschalter und den Verschiebeschlitten so, dass der Abstand zwischen Magnet und Näherungsschalter möglichst gering ist. Bewegen Sie den Magneten entlang der Näherungsschalterlängsachse. Tragen Sie im Diagramm die Punkte ein, bei denen der Näherungsschalter auf den Magneten anspricht. Dieses Ansprechen erkennen Sie daran, dass die in den Näherungsschalter eingebaute Leuchtdiode aufleuchtet. Die in der Meldeeinrichtung eingebaute Leuchtdiode leuchtet ebenfalls auf. Der Abstand zwischen Magnet und Näherungsschalter wird in 2 mm Schritten erhöht. Der Trägerstreifen des Magneten wird jeweils 50 mm bzgl. der Mitte der aktiven Fläche des Näherungsschalters (blauer Punkt) bewegt. Der Fahrweg ist bei jeder Messung komplett zu durchfahren. Festo Didactic GmbH & Co. KG Name: Datum: 5

32 Aufgabe Erfassen der Drehzahl eines Zahnrads Hinweis Beachten Sie bei Ihren Messungen, dass für den Näherungsschalter die Einschaltpunkte und die Ausschaltpunkte nicht zusammenfallen. Nähern Sie den Magneten z.b. von links an den unbetätigten Näherungsschalter bis dieser seinen Schaltzustand ändert, so erhalten Sie den Einschaltpunkt. Entfernen Sie den Magneten nun wieder nach links, bis der Näherungsschalter vom betätigten in den unbetätigten Schaltzustand übergeht, so erhalten Sie den Ausschaltpunkt. Die Wegdifferenz zwischen diesen beiden Punkten bezeichnet man als Hysterese. 50 mm mm Schaltkurve Magnet 6 Name: Datum: Festo Didactic GmbH & Co. KG

33 Aufgabe Erfassen der Drehzahl eines Zahnrads Versuch 2 Nehmen Sie nun Magnet 2 aus dem Objektsortiment, und wiederholen Sie den oben beschriebenen Vorgang. Tragen Sie im Diagramm die Punkte ein, bei denen der Näherungsschalter auf diesen Magneten anspricht. 50 mm mm Schaltkurve Magnet 2 Festo Didactic GmbH & Co. KG Name: Datum: 7

34 Aufgabe Erfassen der Drehzahl eines Zahnrads Einfluss der Orientierung der Polachse Beschreiben Sie den Einfluss der Orientierung der magnetischen Polachse. Beantworten Sie die folgenden Fragen. Nennen Sie zwei weitere Möglichkeiten, ein Magnetfeld nachzuweisen. Erklären Sie kurz die Funktion dieser Näherungsschalter. Erklären Sie den Begriff magnetoresistiv. 8 Name: Datum: Festo Didactic GmbH & Co. KG