Automaten und Roboter

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1 Automaten und Roboter Automaten für schwere Arbeit, für Spiele, für Expeditionen, für den Weltraum, zum Denken und zum Fühlen die Visionen sind seit Menschheitsgedenken vielfältig. Waren es zunächst mechanische Automaten für Kultstätten (Seite 9), so bekamen in der Neuzeit die Geräte auch oft ein mensch - liches Antlitz, z. B. in Form von Spielautomaten. Mit dem Schauspiel R.U.R. (Rossum s Universal Robots) schuf 92 Karel Capek den Begriff des Roboters und der Robo - terin. Die Roboter sind hier menschen - ähnliche Wesen, mit starrem Blick und geschaffen als billige Arbeitskräfte zum Einsatz in der Serienproduktion. Sie erinnern sich an alles, denken aber nichts Neues. Sie haben keine Seele und keine Gefühle, so steht es in der Regie - anweisung. Industrieroboter (Seite 35) sind in diesem Sinne Realität geworden und verrichten, meist als einarmige Gebilde, schwere Arbeit. Sie sind in der Produktion als Mittel zur Automatisierung nicht mehr wegzu - denken. Es sind Bewegungsmaschinen, die mit künstlicher Intelligenz (KI) und mit unterschiedlichster Sensorik ausgestattet sind. So können sie auch sehen, hören und fühlen. Sie sind auch kooperativ, d. h., sie arbeiten zusammen, z. B. während der eine Roboter das Bauteil hält, wird es vom anderen Roboter bearbeitet. Man setzt Roboter auch ein, wenn die Umwelt für den Menschen gefährlich oder feindlich ist, z. B. bei Expeditionen im Weltall (Seite 36), beim Aufspüren von Minen. Es gibt Roboter für viele Anwen - dungen, z. B. zum Ballspielen, zum Saubermachen, zum Fensterputzen oder zum Rasenmähen. Roboter als Spielzeug Roboter in der Kantine Kooperierende Roboter Honda Europe GmbH In der Kunst, in der Literatur, in Filmen und natürlich auch in Videospielen begegnen wir häufig einer Roboter-Fiktion, den Androiden, also künstlichen Menschen. Sie beflügeln unsere Fantasie. Roboter im Film Der 2-Jahre-Mann

2 . Einführung 9 Grundlagen der Automatisierungstechnik. Einführung Die Automatisierung ermöglicht eine weitgehend selbsttätige, nämlich automatische Wirkung, also ohne den ständig steuernden Eingriff des Menschen. Die Automatisierungstechnik hat ihren Ursprung schon in vorchristlicher Zeit als sich z. B. mit dem Entzünden eines Altarfeuers die Tempeltüren automatisch öffneten (Bild ). Heron von Alexandrien entwickelte um v. Chr. einen Automaten (Bild ) zum selbsttätigen öffnen und schließen von Tempeltüren. Er soll so funktioniert haben: Durch das Tempelfeuer erwärmte sich die Luft in einem geschlossenen Behältnis. Über einen Druckbehälter wurde Wasser in ein zweites Gefäß gedrückt, das auf Grund der Schwerkraft sich senkte und dabei die Tempeltüren öffnete. Bei zurückgehender Temperatur strömte durch die wassergefüllte kommunizierende Röhre das Wasser zurück und die Türen haben sich wieder geschlossen. Bis zum Anfang dieses Jahrhunderts waren die Automaten mechanische Geräte. Beispiele sind Musikautomaten. Die sinformation ist mechanisch auf Steuerwalzen oder Lochbändern gespeichert. Die moderne Form der Steuerwalzen oder der Lochbänder sind die CD-ROMs. Hier gibt es mikroskopisch feine Erhebungen (lands) und Vertiefungen (pits) in denen die Schaltinformation gespeichert ist (Bild 2). Hohlraum mit Überdruck bei Befeuerung Wasser Tempelfeuer Bild : Automatisches Schließen und Öffnen von Tempeltüren, etwa v. Chr. CD-ROM Bild 2: CD-ROM Land Pit Ausschnitt aus der CD-ROM Altar Wasser Tempeltür Gewicht kommunizierende Röhre Laserstrahl zur Abtastung der Seite Laserstrahl zur Abtastung der Seite 2,6 µm Panasonic GmbH Elektrische Antriebe und Elektronik ermöglicht eine Fertigungsautomatisierung mit weitgehend auto - matisch arbeitenden Maschinen. Die Arbeitsvorgänge sind programmiert und werden Schritt für Schritt ausgeführt. Mit hoher Perfektion wird dies in der Automobilindustrie gemacht (Bild 3). Die Werkstücke, z. B. blöcke oder Karosserien kommen über ein Transportband in die Arbeits - stationen, werden identifiziert und entsprechend dem Kundenwunsch und der Typklasse bearbeitet oder montiert. Die Fertigung ist weitestgehend automatisiert. Der Durchlauf von der Geburt eines Autos bis zu seiner Auslieferung dauert nur einige Stunden. Die eigentlichen Fertigungsprozesse, wie z. B. das Herstellen der Blechteile, das Fertigen des blocks und der Getriebe erfolgt mit automatisierten Maschinen und Robotern. Auch die Montage wird zunehmend mit Robotern oder Spe - zialmaschinen gemacht. Comau S.p.A. Bild 3: Automatisierung mit Robotern

3 Grundlagen der Automatisierungstechnik Damit dies alles reibungslos, d. h. ohne Störungen abläuft, benötigt man eine ausgeklügelte Organisation. Man sagt dazu Logistik. Bewältigt wird dies mit einer Computerunterstützung in Form von Produktionsplanungs- und -steuerungs- Systemen (PPS). Durch Automatisierung können Vorgänge mit geringeren Kosten, besserer Qualität und schneller ausgeführt werden als bei manueller Tätigkeit. Die Automatisierung wird jetzt vor allem durch die Telematik 2 und durch die Virtualisierung 3 aller Geschehnisse geprägt. Unter Telematik versteht man die Fernwirkung automatischer und informationstechnischer Systeme mit den Aufgaben des Teleservice, der Telecontrol, der Television, der Tele - arbeit. Träger dieser Telematik ist das Internet. Es erlaubt die weltweite Verkopplung von Computern und computerisierter Maschinen und Anlagen (Bild ). Die Virtualisierung ist eine Methode reale, also wirkliche Geschehnisse durch Simulation vorweg zunehmen. So können Produkte in allen Phasen, von der Entstehung über die Produktion bis hin zur Nutzung und Verschrottung getestet werden bevor sie wirklich in Produktion gehen. Notwendig ist eine datentechnische Aufbereitung eines solchen Produktlebenszyklusses. Man spricht von Produkt- Daten-Management (PDM). Telearbeit Telebearbeitung Internet Telebeobachtung Bild : Telematik mit Internet Design, Konstruktion Service, Tele-Service Berechnung, Bauteilsimulation Produkt-Daten- Modell PDM Telekonferenz und Telelearning Telecontrol Teleservice virtuelle Produktion, Fertigung Digital Mock up, Montage Die Lebenszeit eines Produktes wird von seiner Entstehung bis zu seiner Entsorgung durch das PDM begleitet (Bild 2). Die Geschäftsprozesse der Unternehmen, das sind die Aufgaben, welche Unternehmen wahrnehmen, werden mit dem Produkt-Daten-Management so strukturiert, dass der gesamte Produklebenszyklus durch die betriebliche Informationstechnik begleitet wird. Das Produktdatenmodell beschreibt das Produkt durch Dateien für: die Geometrie insgesamt und die der Einzel teile (Bild 3), die Stücklisten, die Fertigungsvorgänge mit NC-Daten und Roboter - programmen, die Werkstoffe und Prüfprogrammen, die Montagevorgänge. griech. logistike = Rechenkunst, hier: berechneter organisato - rischer Ablauf; 2 griech. tele = fern, weit 3 lat. virtus = der Möglichkeit nach, hier: mit Hilfe des Computers bildlich dargestellt Vermarktung Vertrieb Bild 2: Produkt-Daten-Management Basisdaten Kipphebel Länge, Gewicht Funktion Daten für Transport der Rohteile Rohstoffe Fertigteile Werkzeuge... Daten zu den Fertigungsverfahren Bild 3: Produktdatenmodell Daten für Werkzeuge Daten für die Oberflächenbehandlung Ein-/Ausbausimulation, Bauraumsimulation (Digital Mock Up) Kalkulation Daten der Werkstoffe und Lieferanten Berechnung der Kosten Berechnung von Festigkeiten, Verformungen (statisch/dynamisch)

4 . Einführung die Produktpräsentation gegenüber Kunden, die Kostenrechnung, die Vertriebs- und Marketingvorgänge, die Wartung und den Service, das Recycling. Internet Experte/ Expertin Das Produkt-Daten-Management (PDM) ermöglicht eine ganzheitliche Darstellung aller produktrelevanten Eigenschaften. Webcam Service - Werkzeuge Die Kommunikationstechnik vor allem mit dem Internet ermöglicht für alle Beteiligte einen Zugriff auf diese Produktdaten, also auf das Produktmodell sofern für den Betreffenden eine Berechtigung dafür vorliegt. Diese Dateien müssen und sollen nicht an einem einzigen Ort gespeichert sein. Über das Internet können sich weltweit verteilte Computer-Systeme und damit auch weltweit verteilte Produktionsstätten als ein Unternehmen darstellen. Man spricht von virtuellen Unternehmen und Märkten. Die Automatisierung spielt dabei eine sehr große Rolle. Service-Box Bild : Teleservice Prüfgerät Video der Teilnehmer Whiteboard Videokamera Mikrofon Mit Hilfe automatisierter Transportsysteme gelangen die Waren termingerecht zu den Kunden. Mit Hilfe automatisierter Fertigungsprozesse werden aus Rohteilen oder Rohstoffen Fertigteile und Produkte. Mit Hilfe automatisierter Qualitätsprüfung wird eine fehlerarme und damit eine wirtschaftliche Produktion sichergestellt. Mit Hilfe automatisierter Entwurfsverfahren und der Technik des Rapid Prototypings werden Produkte beschleunigt entwickelt. Mit Hilfe der Teleservice-Technik werden Produkte weltweit automatisch oder teilautomatisch gewartet und betreut (Bild ). Durch Videokonferenzen über das Internet werden Geschäftsprozesse weltweit getätigt (Bild 2). Bild 2: Videokonferenz Mit Hilfe der automatisierten Informationsverteilung gelangen die Informationen dorthin wo sie benötigt werden und zwar fehlerfrei und termingerecht. Teilnehmer mit Zugriff auf das Whiteboard Whiteboard Die Geschäftspartner sehen sich und sie können die Objekte über Kameraaufnahmen zeigen oder am Whiteboard (weiße Tafel) mit Hand bzw. mit Hilfe der Maus zeichnen oder Dateien, Zeichnungen und Diagramme austauschen (Bild 3). Bild 3: Das Whiteboard

5 2 Grundlagen der Automatisierungstechnik Produktionsfaktoren Die Automatisierungssysteme steuern und regeln die Produktionsvorgänge, das Qualitätswesen, die Telekommunikation und die innerbetrieblichen Transportsysteme. Die wichtigsten technischen Produktionsfaktoren sind: Energie, Werkstoffe, Werkzeuge, Information, Telekommunikation, Transportsysteme (Bild ). Die wichtigsten, nicht technischen Produktionsfaktoren sind: Kapital, menschliche Arbeitskraft mit hohem Bildungsstand und politisch/wirtschaftliche Stabilität. Bevor ein Produkt wirklich hergestellt wird, kann man den vollständigen Produktionsprozess mit allen Werkstücken und Bearbeitungsmaschinen durch Simulation mit dem Computer durchführen, am Bildschirm betrachten und optimieren. Nicht nur, dass ausgehend von der Konstruktion die eigentlichen Bearbeitungsvorgänge, wie z. B. das Zerspanen an der Fräsmaschine simuliert werden, sondern auch die Transportvorgänge, das Prüfen, das Ein- und Auslagern, die Montageschritte (Bild 2) und die Montage selbst (Bild 3). Bild 2: Virtuelles Prüfen einer Montagefolge in einer 3D-Umgebung Bild 3: Virtuelle Radmontage Energie Werkstoffe Werkzeuge Information globaler Transport globale Kommunikation Produkt Bild : Produktionsfaktoren

6 . Einführung 3 Systeme der Automatisierung Die Integration (Einbindung) von Computern in die Fertigung (Computer Integrated Manufacturing, CIM) hat einen Wandlungsprozess in den Fabriken eingeleitet. Zur Herstellung von Produkten sind neben Werkstoffen, Energie und Werkzeugen auch Informationen notwendig (Bild ). Informationen benötigt man beim Entwurf der Werkstücke. Wenn dieser Entwurf mit Hilfe des Computers erfolgt, spricht man von CAD (Computer Aided Design = computerunterstützte Konstruktion). Dabei können Teile einer Konstruktion auch automatisiert strukturiert werden, z. B. in dem man natürliche Wachstumsprozesse nachbildet (Bionik) und dabei ein Bauteil, abhängig von seinen Belastungen wachsen lässt (Bild 2). Zur Herstellung eines Produkts werden mit Hilfe des Computers Arbeitspläne erstellt. Dies bezeichnet man als CAP (Computer Aided Planning = computerunterstützte Planung). Die Herstellung der Produkte selbst geschieht mit computergesteuerten Maschinen CAM (Computer Aided Manufacturing = computerunterstützte Fertigung). Zur Sicherung der Fertigungsqualität werden zum Prüfen computergesteuerte Messmaschinen eingesetzt und die Prüfergebnisse mit Computern verarbeitet. Mit CAQ umschreibt man die computerunter - stützte Qualitätssicherung (Computer Aided Quality Assurance). Der gesamte Produktionsablauf muss geplant und gesteuert werden. Es müssen zur richtigen Zeit an den betreffenden Maschinen die Werkstoffe, Werkzeuge und Zukaufteile vorhanden sein. Für diese Planung und gibt es Programmsysteme, die auf Computern laufen. Man bezeichnet dies als Produktionsplanung und -steuerung, abgekürzt PPS. Diese PPS-Systeme müssen laufend mit Daten über den Stand der Produktion versorgt werden. Kräfte Gestaltfindung Aufgabenstellung Bauteilkonstruktion Bild 2: Automatisierte Bauteilentwicklung Sachs-Engineering GmbH CAD CAP CAM CAQ Intranet, Extranet und Internet mit verteilten Datenbanken Bild : Automatisierungssysteme in der Produktion

7 4 Grundlagen der Automatisierungstechnik Automatisierungskomponenten Die Fertigungsautomatisierung ermöglicht eine weitgehend selbsttätige, nämlich automatische Fertigung, also ohne den ständig steuernden Eingriff des Menschen. Der Automatisierungsgrad ist um so größer je weniger der Mensch in den Fertigungsprozess eingreifen muss. Die vollautomatisierte Werkzeugmaschine führt sowohl alle Arbeitsschritte hinsichtlich des räumlichen Bewegungsvorganges als auch hinsichtlich ihrer Ablauffolge selbsttätig aus. Der Mensch ist hauptsächlich überwachend tätig. Bei Teilautomaten werden Teilaufgaben, wie z. B. das Einspannen von Werkstücken, von Hand ausgeführt. Die Vorteile der Automatisierung sind: Senkung der Kosten, Erhöhung der Qualität und Humanisierung der Arbeit. Unseren heutigen hohen Lebensstandard, mit der gleichfalls hohen Lebenserwartung, verdanken wir im wesentlichen der Automatisierung in der Fertigung. Durch die Automatisierung der Fertigung können mehr Waren bei geringer werdendem Zeitaufwand produziert werden, sodass mehr Menschen im Bereich der Dienstleistungsaufgaben, im Bereich der Wissenschaft und Forschung tätig werden können. Die Automatisierung ermöglicht ferner eine Gestaltung der Arbeitsplätze, die weitgehend frei sind von schweren Arbeitsbelastungen. Die Muskelkraft wird durch en ersetzt und die saufgaben, die für den Menschen besonders durch Stress belastend sind, werden von automatisch arbeitenden elektronischen en wahrgenommen. Die Komponenten (Bild ) der Fertigungsautomatisierung sind: en, häufig in Form von Computern zur des Fertigungsprozesses mit Bedienfeld und Anschluss zu übergeordneten Automatisierungssystemen. Antriebe (Aktoren) zur Bewegung von Werkstücken und Werkzeugen. Sensoren zur ständigen Kontrolle des Fertigungsprozesses und zur Signalgebung für den Fertigungsablauf. Software-Bausteine zur, Regelung und Simulation des Fertigungsprozesses. Telekommunikations-Systeme zur Informa - tionsübertragung, zur Fernsteuerung, zur Fernwartung und zur Fernbeobachtung. en Computer Aktoren Sensoren Tachogenerator Programmiergerät Scheibenläufermotor Inkrementalgeber Hübner Elektromaschinen AG Bild : Komponenten der Fertigungsautomatisierung

8 .2 stechnik 5.2 stechnik Eine erzeugt aufgrund von Eingangssignalen und aufgrund seiner inneren Gesetzmäßigkeit, z. B. einer Schaltung oder eines Programms, Ausgangs signale für die Aktoren, für das Anzeigefeld und für andere en. Die innere Gesetzmäßigkeit bestimmt die Ausgangssignale in Abhängigkeit von der Information der Eingangssignale und in Abhängigkeit von dem bisherigen Prozessgeschehen. Demnach enthalten en Bausteine oder Funktionen zur Entschlüsselung und Bewertung von Eingangs - signalen und Speicher (Gedächtnisse, Merker) für vorangegangene Ereignisse (Bild )..2. sarten Nach Art der Signalverarbeitung unterscheidet man zwischen analogen en, binären en und digitalen en (Tabelle ). Analoge en Bei analog arbeitenden en werden die Ausgangssignale mit Hilfe eines analogen Signalumformers gebildet, z. B. wird die Vorschubbewegung für ein Werkzeug über eine Kurvenscheibe (Bild 2) gesteuert. Das Eingangssignal ist der Drehwinkel der Kurvenscheibe. Die Kurvenscheibe wird z. B. mit einem langsam laufenden gleichmäßig gedreht. Ausgangsgröße ist die Vorschubbewegung des Werkzeugs, entsprechend der Steigung der Kurvenscheibe. Eingangssignale Ausgang innere Gesetzmäßigkeit mit Funktionen zur Bild : Struktur einer Entschlüsselung Bewertung Speicherung Tabelle : sarten Art Signaldarstellung Beispiel Analoge Binäre Digitale Zeit Zeit Maschinentisch Ausgangssignale mit Kurvenscheibe mit Schaltern und Relais Numerische Analoge en werden immer weniger zur Automatisierung der Fertigung eingesetzt, da die Veränderung der inneren Gesetzmäßigkeit nur durch Austausch von Bauelementen, z. B. Kurvenscheiben, vorgenommen werden kann und somit teuer und zeitaufwendig ist. Bild 2: Analoge Kurvenscheibe Binäre en Binäre en arbeiten mit Binärsignalen. Binärsignale sind zweiwertige Signale, also Schaltsignale mit den Eigenschaften EIN/AUS bzw. mathematisch ausgedrückt mit den Werten und. Beispiel: Der Vorschubtisch einer Schleifmaschine soll ständig hin- und herfahren (Bild 3). Über einen Umschalter kann durch eine positive spannung der Tisch nach rechts gesteuert werden. Trifft der am Tisch befestigte Nocken auf den Umschalter, wird der Tisch über die negative spannung nach links bewegt, bis der Nocken 2 wieder auf die Gegenbewegung umschaltet. nach rechts nach links L+ L Nocken 2 Nocken Bild 3: Binäre eines Vorschubantriebs für eine Schleifmaschine

9 6 Grundlagen der Automatisierungstechnik Werden aus der Kombination mehrerer Eingangssignale die ssignale erzeugt, so spricht man von kombinatorischen en oder von Verknüpfungssteuerungen. Beispiel für eine kombinatorische Voraussetzung für das Zünden des Schweißbrenners in einer Roboterarbeitszelle ist, dass die Zellentüre geschlossen ist, dass die Kühlwasserpumpe läuft, dass der Roboter betriebsbereit meldet und dass die Überwachung für den Drahtvorschub keine Störung meldet. Erst die vollständige Kombination dieser einzelnen Bedingungen führt zur Zündfreigabe (Bild ). Zellentüre geschlossen Kühlwasserpumpe EIN & Roboter betriebsbereit Störung & UND-Verknüpfung Negation keine Störung Bild : Kombinatorische Zünden des Schweißbrenners Häufig ist ein schrittweiser Ablauf zu steuern. Dann wird abhängig von dem vorhergehenden Schritt und nach Erfüllung von Weiterschaltbedingungen der Folgeschritt ausgelöst. Man spricht von Ablaufsteuerungen. Hängen die Weiterschaltbedingungen nur von der Zeit ab, heißen diese en zeitgeführte Ablaufsteuerungen. So ist z. B. die für das langsame Hochlaufen großer en zeitgeführt, wenn abhängig von einer Zeitschaltuhr (Bild 2) die spannung schrittweise erhöht wird. Erfolgt die der spannung jedoch abhängig von der jeweils erreichten und gemessenen Drehzahl, so spricht man von einer prozessabhängigen Ablaufsteuerung (Bild 3). Transitionen (Weiterschaltbedingungen) EIN Wartezeit t abgelaufen Wartezeit t 2 abgelaufen Schritte T4 S T S2 T2 S3 T3 Aktionen betriebsbereit anfahren mit 5 V Wartezeit t = 2 s anfahren mit V Wartezeit t 2 = 3 s Digitale en In digitalen en erfolgt die Signalverarbeitung vorwiegend mit Zahlen. So gehören alle numerischen Werkzeugmaschinensteuerungen zu den digitalen en (Bild 4). Die Verschlüsselung der Zahlen und das Verarbeiten der Zahlen erfolgt meist in Form binärer Codes mit Mikroprozessoren und Computern. In digitalen en erfolgt die Signalverarbeitung mit Zahlen. AUS Bild 2: Zeitgeführte Ablaufsteuerung Transitionen (Weiterschaltbedingungen) EIN S4 Schritte S T4 S T4 in Betrieb mit 23 V Aktionen betriebsbereit Initialschritt (Grundschritt) T digitale vorwärts Schrittimpuls Schrittmotor rückwärts Weg Drehzahl n = 5 min erreicht Drehzahl n = min erreicht AUS S2 S3 S4 T2 T3 anfahren mit 5 V anfahren mit V in Betrieb mit 23 V T4 Schritt zurück zum Grundschritt Bild 4: Digital gesteuerter Vorschubantrieb Bild 3: Prozessabhängige Ablaufsteuerung

10 .2 stechnik 7 Codierungen in digitalen en Der meistbenützte Code ist der Dualcode (BCN von Binary Coded Natural = natürlicher Binär code). Der Dualcode ist ein Zahlencode mit der Basis B = 2. Alle Zahlenwerte können durch eine Folge mit Ziffern und ausgedrückt werden, wobei der Stellenwert der -Ziffern Potenzen von 2 entspricht und zwar links vom Komma 2, 2, 2 2 und rechts vom Komma 2, 2 2, 2 3 Wenn eine solche 2er- Potenz berücksichtigt wird, schreibt man in die jeweilige Stelle eine sonst eine. Diese Ziffern nennt man Binärziffern (binary digit) oder abgekürzt Bit (Mehrzahl: Bits). Beispiel: Bestimmen Sie die zur Dualzahl, gleichwertige Dezimalzahl! Lösung:, = ,25 = 3,25 Das Rechnen mit Dualzahlen geschieht ähnlich wie im Dezimalzahlensystem (Tabelle ). Man kann mit n Bits 2 n Zeichen darstellen. Mit 4 Bits kann man 2 4 = 6 verschiedene Zeichen darstellen, z. B. die Zahlen bis 5. Will man positive und negative Zahlen darstellen, dann benötigt man ein weiteres Bit. Die Darstellung negativer Zahlen geschieht durch Komplementbildung. Die Zahlen in der linken Hälfte des Zahlenrings (Bild ) sind die negativen Zahlen. Neben dem Dualcode gibt es eine Vielzahl weiterer Codierungen. Im Gray-Code wechselt von einer Ziffer zur nächsten immer nur Bit (Tabelle 2). Der Gray-Code ist daher gut geeignet zur Zahlendarstellung auf Codelinealen und Codescheiben. Will man Dezimalzahlen direkt binär darstellen, dann verschlüsselt man jede einzelne Ziffer durch einen BCD-Code (binary coded decimal = binäre Dezimalverschlüsselung). Man benötigt für jede Ziffer einer Dezimalzahl eine binäre Zahl mit mindestens 4 Bits. Frank Gray, amerik. Wissenschaftler (887 bis 969) Tabelle : Rechnen mit Dualzahlen Grundregeln: + = = = : = + = = = : = + = = = + = = = plus Übertrag und belaste in die nächste die nächste Stelle Stelle mit Beispiele: = = = 3 3 Bild : Zahlenring für 4-Bit-Zahlendarstellung negative positive Zahlen Zahlen 4 3 Tabelle 2: Codierungen (Beispiele) Stellenwert 2 3 Bei der Codierung (Tabelle 2) wird jede Dezimalziffer durch die entsprechende Dualzahl ausgedrückt. Es gibt eine Vielzahl von BCD-Codes. Beim 2-aus-5-Code (Tabelle 2) müssen z. B. immer 2 Bits mit dem Wert vorhanden sein. Codes die mehr Bits für eine Verschlüsselung verwenden als notwendig sind heißen weitschweifig (redundant). Dezimalzahl Dualcode Graycode Code aus-5- Code kein

11 8 Grundlagen der Automatisierungstechnik.2.2 Programmsteuerungen Bei en für automatisch ablaufende Fer - tigungsvorgänge unterscheidet man zwischen verbindungsprogrammierten en, speicherprogrammierten en und frei programmierten en (Tabelle ). Verbindungsprogrammierte (VPS) Bei einer verbindungsprogrammierten ist das Programm durch die Wahl der Bauelemente und deren Verdrahtung (Verbindung) festgelegt (Bild ). Die wird z. B. für einen ganz bestimmten Fertigungsprozess entwickelt und in Form einer Elektronikplatine hergestellt. Eine solche hat Einzweckcharakter und kann nicht für andere Aufgaben verwendet werden. Tabelle : Programmverwirklichung Art Beispiel Verbindungs- fest- Relaisprogrammiert programmierbar steuerung VPS um- Programm programmierbar steuerung mit Steckerfeld Speicherpro- austausch- SPS mit grammiert SPS programmierbar EPROM engl. frei- SPS mit Programmable programmierbar EEPROM 2 oder Logic Controller mit RAM 3 PLC EPROM von Erasable Programmable Read Only Memory = löschbarer Nur-Lese-Speicher 2 EEPROM von Electrically EPROM = elektrisch löschbarer Nur-Lese-Speicher 3 RAM von Random Access Memory = Speicher mit wahl - freiem Zugriff Bei der VPS werden die seigenschaften durch die Bauelemente und ihre Verbindung festgelegt. Schütz Verdrahtung Zeitrelais schutzschalter Speicherprogrammierte (SPS) Eine speicherprogrammierte enthält intern Mikroprozessoren und erzeugt die Steuersignale abhängig von einem Programm, das in einem Programmspeicher gespeichert ist. Der saufgabe muss somit nur das Programm angepasst werden, jedoch nicht die shardware. Diese ist universell verwendbar. Speicherprogrammierte en können also leicht an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden, nämlich einfach durch Austausch der Programme. Die meisten en zur Fertigungsautomatisierung sind speicherprogrammierte en. Bei der SPS werden die seigenschaften durch ein Programm in einem elektronischen Programmspeicher festgelegt. Kabelkanal Transformator Bild : Verbindungsprogrammierte (VPS) Programmspeicher Lageregelkreiskarte Zusatz - PC Freiprogrammierbare en Eine freiprogrammierbare enthält im Unterschied zur speicherprogrammierten einen Schreib-Lese-Speicher, dessen gesamter Inhalt stets ohne mechanischen Eingriff auch in beliebig kleinem Umfang schnell verändert werden kann. Freiprogrammierbare en sind meist en mit Mikrocomputern oder Indus trie-pcs. Stromversorgung CPU- Karte Kommunikationsbaugruppen Ein-/Ausgabebaugruppen Bild 2: Speicherprogrammierte (SPS)

12 .2 stechnik Elektrische Bauelemente Die wichtigsten Bauelemente elektrischer Kontaktsteuerungen sind Schalter, Schütze, Relais, Sicherungen und Schutzeinrichtungen, sowie Meldeeinrichtungen (Bild ). Die wichtigsten Bauelemente der elektronischen (kontaktlosen) en sind integrierte Schaltkreise mit Verknüpfungsgliedern, Kippgliedern (Flipflops) und Speicherelementen. Schaltgeräte Bei den Schaltkontakten der Schaltgeräte gibt es Schließer und Öffner (Bild 2). Schließer-Kontakte sind solche, die bei Betätigung einen Stromkreis schließen. Öffner-Kontakte unterbrechen bei Be - tätigung den Stromkreis. Die Schaltzeichen symbolisieren stets den unbetätigten Zustand. Mechanisch betätigte Schalter Der Druckknopftastschalter (Bild 2), kurz Taster genannt, schließt mit dem Schließer-Kontakt nur während der Betätigung den Stromkreis und geht nach der Betätigung wieder selbsttätig in seine Ausgangslage zurück. Tastschalter kehren nach ihrer Betätigung in die Ausgangslage zurück. Tastschalter werden häufig durch Nocken über einen Stößel betätigt. Bild 3 zeigt einen, über eine Rolle betätigbaren, Nockenschalter mit Wechselkontakt. Bei Betätigung kann mit dem Öffner ein Stromkreis ausgeschaltet und mit dem Schließer ein Stromkreis eingeschaltet werden. Alle Schalter haben eine Schaltdifferenz, d. h. der Einschaltpunkt wird bei einem anderen Betätigungsweg erreicht als der Rückschaltpunkt (Bild 3). Bei Nockensteuerungen muss dies immer beachtet werden. Häufig haben Nockenschaltwerke (Bild 4) daher direkt am Schalter eine Leuchtdiodenan - zeige für den Schaltzustand, sodass die Justage der Nocken exakt vorgenommen werden kann. Schalter haben stets eine Schaltdifferenz. Hauptschalter Nockenschalter mit Rolle Leuchttaster EIN/AUS- Tastschalter Bild : Wichtige Bauelemente für Kontaktsteuerungen Wahlschalter Betätigungsrichtung Taste Schaltzeichen Bild 2: Druckknopftastschalter (Taster) Rückschaltpunkt Schaltdifferenz Schaltdifferenz AUS Schaltpunkt Weg Öffner Schließer Anschlüsse EIN Öffner Bild 3: Schaltdifferenz bei Nockenschaltern Funktionsanzeige Schließer Schaltstücke Rückstellfeder Schaltzeichen Nockenschaltwerke verwendet man z. B. zur Synchronisation von Hilfsantrieben bei Verpackungsmaschinen. Mit jeder Umdrehung wird ein Paket hergestellt und bei verschiedenen Drehpunkten werden mit Hilfe der Nocken Abfüllvorgänge und Schließvorgänge eingeleitet. Sensor Nocken synchron = gleichzeitig, von griech. syn = mit und griech. chronos = Zeit Bild 4: Nockenschaltwerk mit berührungslosen Näherungsschaltern

13 2 Grundlagen der Automatisierungstechnik Positionsschalter, auch Grenzschalter bzw. Grenztaster genannt (Bild ), sind wie Nockenschalter aufgebaut. Sie verwendet man zur Endbegrenzung, z. B. von Werkzeugmaschinenschlitten. Neben der Betätigung der Schaltkontakte durch Hand oder auch durch Nocken gibt es eine Vielzahl weiterer Betätigungsmöglichkeiten (Tabelle ). Stößel Schaltzeichen Stellschalter Stellschalter haben eine Raste (Bild 2). Sie verharren in der zuletzt geschalteten Stellung. Bei Drehschaltern (Bild 3) gibt es häufig Schalter mit zwei mittleren Schaltstellungen als Stellschalter und den äußeren Schaltstellungen als Tastschalter. In Schaltstellung 2 wird z. B. eine Vorschubbewegung vorwärts und in Schaltstellung 3 eine Vorschubbewegung rückwärts eingeschaltet, während mit den Schaltstellungen und 4 der jeweilige Eilgang ausgelöst wird. bewegliches Schaltstück Bild : Positionsschalter (Grenztaster) Tabelle : Betätigungsarten von Hand allgemein Drücken Ziehen Drehen Anschlusszungen Fußantrieb abnehmbarer Antrieb Nockenantrieb Hauptschalter Jede Maschine und Anlage in der Industrie muss mit einem Hauptschalter ausgestattet sein (Bild 4). Dieser muss die gesamte Maschine oder Anlage vom Stromversorgungsnetz abtrennen, z. B. damit Reinigungsarbeiten ohne Gefahr vorgenommen werden können. Kippen Betätigungsblech Kraftantrieb allgemein Schieber Schaltzeichen Der Hauptschalter ist üblicherweise handbetätigt und hat eine AUS -Stellung und eine EIN -Stellung. AUS wird mit O gekennzeichnet (Out) und EIN mit I (In). Die AUS-Stellung ist abschließbar. Die stromführenden Anschlussklemmen müssen gegen Berührung abgedeckt sein und der Schaltzustand muss sichtbar sein oder zwangs läufig angezeigt werden. Gummimembran Kontaktwippe 3 2 Bild 2: Stellschalter (handbetätigt) 2 3 Stellschalter verharren in der jeweiligen Schaltstellung bis diese verändert wird ,3 Einschalten Schaltstellung 2 und 3 rastend GE-Fanuc Bild 3: Drehschalter mit vier Schaltstellungen Bild 4: Hauptschalter