Pneumatische Antriebe

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1 Pneumatische Antriebe Arbeitsbuch TP 220 Mit CD-ROM Festo Didactic DE

2 Bestimmungsgemäße Verwendung 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. Bestell-Nr.: Stand: 01/2008 Autoren: Frank Ebel, Jürgen Hasel Grafik: Frank Ebel, Doris Schwarzenberger Layout: 01/2008 Festo Didactic GmbH & Co. KG, D Denkendorf, 2008 Internet: Weitergabe sowie Vervielfältigung dieses Dokuments, Verwertung und Mitteilung seines Inhalts verboten, soweit nicht ausdrücklich gestattet. Zuwiderhandlungen verpflichten zu Schadenersatz. Alle Rechte vorbehalten, insbesondere das Recht, Patent-, Gebrauchsmuster- oder Geschmacksmusteranmeldungen durchzuführen. Teile dieser Unterlagen dürfen vom berechtigten Verwender ausschließlich für Unterrichtszwecke vervielfältigt werden. 2 Festo Didactic GmbH & Co. KG

3 Inhalt Vorwort 7 Einleitung 9 Sicherheits- und Arbeitshinweise 11 Technologiepaket für Elektropneumatik (TP 200) 13 Lernziele der Aufbaustufe (TP 220) 15 Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben 16 Gerätesatz der Aufbaustufe (TP 220) 18 Zuordnung von Geräten und Aufgaben 22 Methodische Hilfen für den Ausbilder 24 Methodische Struktur der Aufgaben 25 Bezeichnung der Geräte 26 Inhalte der CD-ROM 27 Teil A Aufgaben Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes (Theorie) A-3 Aufgabe 2: Dimensionieren des pneumatischen Leistungsteils (Theorie) A-9 Aufgabe 3: Dimensionieren des pneumatischen Leistungsteils in Abhängigkeit von der geforderten Hubzeit (Theorie) A-15 Aufgabe 4: Dimensionieren von Zylindern in Abhängigkeit von der geforderten Geschwindigkeit und dem gegebenen Druck (Theorie) A-23 Aufgabe 5: Dimensionieren der Zylinderanschlussleitungen (Theorie) A-27 Aufgabe 6: Untersuchen der Fahrgeschwindigkeit von Linearantrieben (Praxis) A-33 Aufgabe 7: Kosten reduzieren durch unterschiedliche Drücke für Vor- und Rückhub (Theorie) A-53 Aufgabe 8: Kosten reduzieren durch Vermeidung von Leckagen (Theorie) A-59 Aufgabe 9: Untersuchen des Laufverhaltens von Linearantrieben (Praxis) A-63 Aufgabe 10: Beschreiben der Endlagendämpfung von Linearantrieben (Theorie) A-81 Aufgabe 11: Berechnen von Massenträgheitsmomenten (Theorie) A-87 Festo Didactic GmbH & Co. KG

4 Inhalt Aufgabe 12: Untersuchen des Laufverhaltens von Drehantrieben (Praxis) A-93 Aufgabe 13: Beschreiben von Funktion und Ansteuerung des Pneumatischen Muskels (Praxis) A-107 Aufgabe 14: Auswählen eines Pneumatischen Muskels (Theorie) A-119 Aufgabe 15: Vergleichen von Standardzylindern und Pneumatischen Muskeln (Praxis) A-123 Aufgabe 16: Bewerten von pneumatischen Steuerungen bei Energieausfall (Praxis) A-133 Teil B Grundlagen 1. Pneumatik in der Automation B Überblick B Anwendungsgebiete der Pneumatik B Vergleich mit anderen Energieformen B-6 2. Wirtschaftlichkeit von Druckluftgeräten B Druckluftkosten B Ein Beispiel für den richtigen Einsatz von Druckluft B Ein Beispiel für den falschen Einsatz von Druckluft B Kosten von Leckagen in Druckluftnetzen B Druckluftverteilung und Wartungseinheiten B Luftverteilung B Dimensionierung der Leitungen B Wartungseinheit B Pneumatische Antriebe B Lineare Antriebe B Drehantriebe B Pneumatischer Muskel B Optimierung des Leistungsteiles B Struktur und Aufbau einer Druckluftanlage B Arbeitszylinder B Kosten reduzieren durch den Einsatz kleinerer Ventile B-64 4 Festo Didactic GmbH & Co. KG

5 Inhalt Teil C Lösungen Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes Lösung C-3 Aufgabe 2: Dimensionieren des pneumatischen Leistungsteils Lösung C-7 Aufgabe 3: Dimensionieren des pneumatischen Leistungsteils in Abhängigkeit von der geforderten Hubzeit Lösung C-11 Aufgabe 4: Dimensionieren von Zylindern in Abhängigkeit von der geforderten Geschwindigkeit und dem gegebenen Druck Lösung C-17 Aufgabe 5: Dimensionieren der Zylinderanschlussleitungen Lösung C-19 Aufgabe 6: Untersuchen der Fahrgeschwindigkeit von Linearantrieben Lösung C-23 Aufgabe 7: Kosten reduzieren durch unterschiedliche Drücke für Vor- und Rückhub Lösung C-37 Aufgabe 8: Kosten reduzieren durch Vermeidung von Leckagen Lösung C-41 Aufgabe 9: Untersuchen des Laufverhaltens von Linearantrieben Lösung C-43 Aufgabe 10: Beschreiben der Endlagendämpfung von Linearantrieben Lösung C-55 Aufgabe 11: Berechnen von Massenträgheitsmomenten Lösung C-59 Aufgabe 12: Untersuchen des Laufverhaltens von Drehantrieben Lösung C-63 Aufgabe 13: Beschreiben von Funktion und Ansteuerung des Pneumatischen Muskels Lösung C-71 Aufgabe 14: Auswählen eines Pneumatischen Muskels Lösung C-77 Aufgabe 15: Vergleichen von Standardzylindern und Pneumatischen Muskeln Lösung C-79 Aufgabe 16: Bewerten von pneumatischen Steuerungen bei Energieausfall Lösung C-83 Festo Didactic GmbH & Co. KG

6 Inhalt Teil D Anhang Ordnungsmittel D-2 Befestigungstechnik D-3 Kunststoffschlauch D-4 Datenblätter Kunststoffschlauch PUN, außenkalibriert (3/5.2-15) Absperrventil HE (2/5.2-7) Filterregelventil LFR/LFRS, Baureihe D, Metall (3/1.2-3) Druckluftspeicher CRVZS (3/6.2-2) /3-Wege-Magnetventil (2/1.1-48) Fluidic Muscle DMSP , mit gepresster Anbindung (1/5.6-10) /2-Wege-Magnetventil, Schnellschaltventil (2/3.2-61) Schwenkantrieb DSR (1/4.1-38) Funktionsgenerator Näherungsschalter SMT-8-SL, für T-Nut (1/ ) Drossel-Rückschlagventil, Typ GR-M5x2 (4.2/21-1) Linearantrieb DGC GF, mit Gleitführung (1/3.1-26) Festo Didactic GmbH & Co. KG

7 Vorwort Das Lernsystem Automatisierung und Technik von Festo Didactic orientiert sich an unterschiedlichen Bildungsvoraussetzungen und beruflichen Anforderungen. Abgeleitet hieraus ergibt sich die Gliederung der Trainingspakete: Grundlagenpakete vermitteln technologieübergreifendes Basiswissen Technologiepakete greifen die wichtigen Themen Steuerungs- und Regelungstechnik auf Funktionspakete erklären die Grundfunktionen automatisierter Systeme Anwendungspakete ermöglichen eine an der betrieblichen Realität ausgerichtete Aus- und Weiterbildung Die Technologiepakete befassen sich mit den Technologien Pneumatik, Elektropneumatik, Speicherprogrammierbare Steuerungen, Hydraulik, Elektrohydraulik, Proportionalhydraulik und elektrischer Antriebstechnik. Festo Didactic GmbH & Co. KG

8 Vorwort 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. Alle Lernpakete besitzen eine identische Struktur: Hardware Teachware Software Seminare Die Hardware setzt sich aus didaktisch aufbereiteten Industriekomponenten und Anlagen 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, Lösungen und Datenblättern) 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 (WBTs), Simulationssoftware und Programmiersoftware für Speicherprogrammierbare Steuerungen bereitgestellt. Ein umfassendes Seminarangebot zu den Inhalten der Technologiepakete rundet das Angebot in Aus- und Weiterbildung ab. 8 Festo Didactic GmbH & Co. KG

9 Einleitung Das vorliegende Arbeitsbuch ist ein Element aus dem Lernsystem Automatisierung und Technik von Festo Didactic GmbH & Co. KG. Das System bildet eine solide Grundlage für eine praxisorientierte Aus- und Weiterbildung. Das TP 220 ergänzt die Trainingspakete TP 201 und TP 202 um Grundlagen zu pneumatischen Antrieben. Lerninhalte sind die Auswahl und Dimensionierung verschiedener moderner Antriebsarten unter Berücksichtung der besonderen Eigenschaften, sowie wirtschaftliche und sicherheitstechnische Überlegungen. Voraussetzung für den Aufbau der Steuerungen ist ein fester Arbeitsplatz ausgestattet mit einer Festo Didactic Profilplatte. Die Profilplatte hat 14 parallele T-Nuten im Abstand von je 50 mm. Als Gleichspannungsquelle dient ein kurzschlusssicheres Netzgerät (Eingang: 230 V, 50 Hz, Ausgang: 24 V, max. 5 A). Zur Druckluftversorgung kann ein mobiler, schallgedämpfter Verdichter (230 V, ca. 50 l/min, maximal 800 kpa = 8 bar) verwendet werden. Der Arbeitsdruck soll maximal p = 600 kpa = 6 bar betragen. Eine optimale Ablaufsicherheit erreichen Sie, wenn die Steuerung bei einem Arbeitsdruck von p = 5oo kpa = 5 bar ölfrei betrieben wird. Zur praktischen Durchführung der Übungen benötigen Sie Komponenten der Gerätesatze TP 101, TP 201 und TP 202. Die theoretischen Grundlagen für das Verständnis dieser Aufgabensammlung entnehmen Sie dem B-Teil dieses Arbeitsbuchs. Des weiteren stehen Datenblätter der einzelnen Geräte (Zylinder, Ventile, Messgeräte) zur Verfügung. Festo Didactic GmbH & Co. KG

10 Einleitung 10 Festo Didactic GmbH & Co. KG

11 Sicherheits- und Arbeitshinweise Im Interesse Ihrer eigenen Sicherheit sollten Sie folgende Hinweise beachten: Durch Druckluft abspringende Schläuche können Unfälle verursachen. Nehmen Sie den Druck sofort weg. Festo Didactic empfiehlt Ihnen das Tragen einer Schutzbrille bei der Bearbeitung der Aufgaben der Technologiepakete Pneumatik (TP 100) und Elektropneumatik (TP 200). Wählen Sie die Schlauchlänge so, dass die kürzeste Verbindung zwischen zwei Anschlüssen hergestellt werden kann. Verschlauchen Sie zuerst, schalten Sie dann die Druckluft ein. Vorsicht! Beim Einschalten der Druckluft können Zylinder selbsttätig losfahren. Betätigen Sie Rollenhebelventile bei Fehlersuche nicht von Hand. Benutzen Sie ein Werkzeug. Montieren Sie Grenztaster nur seitlich zum Schaltnocken (nicht frontal). Überschreiten Sie den zulässigen Arbeitsdruck nicht (siehe Datenblätter). Pneumatischer Schaltungsaufbau: Verbinden Sie die Geräte mit dem Kunststoffschlauch mit 4 mm/6 mm Außendurchmesser. Stecken Sie dabei den Schlauch bis zum Anschlag in die Steckverbindung. Es ist kein Sichern notwendig! Schalten Sie vor dem Schaltungsabbau die Druckluftversorgung ab. Pneumatischer Schaltungsabbau: Drücken Sie den blauen Lösungsring nieder, der Schlauch kann abgezogen werden. Beachten Sie die Angaben der Datenblätter im Teil D zu den einzelnen Geräten. Festo Didactic GmbH & Co. KG

12 Sicherheits- und Arbeitshinweise Die Trägerplatten der Geräte sind mit der Befestigungsvariante A, B oder C ausgestattet: Variante A, Rastsystem Leichte nicht belastbare Geräte (z.b. Wege-Ventile). Geräte einfach in die Nut der Profilplatte einklipsen. Lösen der Geräte durch Betätigung des blauen Hebels. Variante B, Drehsystem Mittelschwere belastbare Geräte (z.b. Antriebe). 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. Zur Auswertung der aufgebauten Steuerungen wird der Funktionsgenerator eingesetzt. Mit dem Funktionsgenerator werden: Fahrzeiten des Linearantriebs und des Schwenkantriebs gemessen und die Ansteuerung des Schnellschaltventils realisiert. 12 Festo Didactic GmbH & Co. KG

13 Technologiepaket für Elektropneumatik (TP 200) Das Technologiepaket TP 200 besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Ausbildungsmitteln sowie Seminaren. Gegenstand dieses Paketes sind ausschließlich elektropneumatische Steuerungen. Einzelne Elemente aus dem Technologiepaket TP 200 können auch Bestandteil anderer Pakete sein. Wichtige Elemente des TP 200 Fester Arbeitsplatz mit Festo Didactic Profilplatte Verdichter (230 V, 0,55 kw, maximal 800 kpa = 8 bar) Gerätesätze oder Einzelkomponenten Optionale Lernmittel Praxismodelle komplette Laboreinrichtungen Ausbildungsunterlagen Lehrbücher Elektropneumatik, Grundstufe Grundlagen der pneumatischen Steuerungstechnik Arbeitsbücher Grundstufe TP 201 Aufbaustufe TP 202 Aufbaustufe TP 220 Optionale Teachware Transparentfoliensätze und Tageslichtprojektor Haftbildzeichen, Zeichenschablone Lernprogramm Elektropneumatik Schnittmodell Satz mit Aufbewahrungskoffer Simulationssoftware FluidSIM Pneumatik Messsoftware Fluid Lab -P Festo Didactic GmbH & Co. KG

14 Technologiepaket für Elektropneumatik (TP 200) Seminare P111 P121 IW-PEP EP-AL Grundlagen der Pneumatik und der Elektropneumatik Instandhaltung und Fehlersuche an pneumatischen und elektropneumatischen Anlagen Instandhaltung und Wartung in der Steuerungstechnik pneumatische und elektropneumatische Steuerungen Elektropneumatik für die berufliche Ausbildung KONST1 Energieeffiziente Auslegung von Anlagen Teil 1 KONST2 Energieeffiziente Auslegung von Anlagen Teil 2 Veranstaltungsorte, Termine und Preise entnehmen Sie bitte dem aktuellen Seminarplaner. Weitere Ausbildungsmittel ersehen Sie aus unseren Katalogen und im Internet. Das Lernsystem Automatisierung und Technik wird laufend aktualisiert und erweitert. Die Foliensätze, Filme, CD-ROMs und DVDs sowie die Fachbücher werden in mehreren Sprachen angeboten. 14 Festo Didactic GmbH & Co. KG

15 Lernziele der Aufbaustufe (TP 220) Auslegung eines Druckluftnetzes Dimensionierung des pneumatischen Leistungsteils Einfluss von Schläuchen und Verschraubungen auf die Verfahrgeschwindigkeit Kosten reduzieren durch unterschiedliche Drücke für den Vor- und Rückhub Kosten reduzieren durch Vermeidung von Leckagen Laufverhalten von Linearantrieben Berechnung von Massenträgheitsmomenten Laufverhalten von Drehantrieben Funktion, Ansteuerung und Auswahl des Pneumatischen Muskels Vergleich zwischen Standardzylindern und dem Pneumatischen Muskel Verhalten von pneumatischen Steuerungen bei Energieausfall Festo Didactic GmbH & Co. KG

16 Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben Lernziele Aufgabe Sie können Druckluftnetze dimensionieren Sie kennen den Einfluss Druckluftnetzes auf das Medium Druckluft Sie können mit Hilfe von Diagrammen den Leistungsteil einer gegebenen pneumatischen Steuerung dimensionieren Sie können mit Hilfe von Nomogrammen Zylinderanschlussleitungen dimensionieren Sie kennen den Einfluss von Verschraubungen auf die Verfahrgeschwindigkeit eines Zylinders Sie kennen den Einfluss von Schlauchlänge und Schlauchdurchmesser auf die Verfahrgeschwindigkeit eines Zylinders Sie kennen das Einsparpotenzial beim Betrieb einer Anlage mit unterschiedlichen Drücken für Vor- und Rückhub Sie kennen die Auswirkung von Leckagen auf die Kosten einer Anlage Sie kennen Parameter, die dass Laufverhalten von Zylindern beeinflussen Sie können abhängig vom Einsatzfall Maßnahmen zur Optimierung treffen Sie kennen den Unterschied zwischen Zuund Abluftdrosselung 16 Festo Didactic GmbH & Co. KG

17 Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben Lernziele Aufgabe Sie kennen verschiedene Arten der Endlagendämpfung Sie können mit einem Softwaretool Stoßdämpfer für eine Anwendung auswählen Sie können mit einem Softwaretool Massenträgheitsmomente verschiedener Körper berechnen Sie kennen die Bedeutung des Massenträgheitsmoments bei der Auswahl von Schwenkantrieben Sie kennen Parameter, die dass Laufverhalten von Schwenkantrieben beeinflussen Sie kennen den Aufbau und die Funktion des Pneumatischen Muskels Sie können typische Anwendungen für den Pneumatischen Muskel nennen Sie können mit Hilfe eines Softwaretools einen Pneumatischen Muskel für eine Anwendung auswählen Sie können die Vor- und Nachteile von Pneumatischen Muskeln abschätzen Sie können das Verhalten pneumatischer Steuerungen bei Energieausfall bewerten Sie kennen unterschiedliche Randbedingungen für die NOT-AUS Situation Sie können entsperrbare Rückschlagventile in Steuerungen fachgerecht einsetzen Sie kennen Auswirkungen von Fehlern in pneumatischen Steuerungen Festo Didactic GmbH & Co. KG

18 Gerätesatz der Aufbaustufe (TP 220) Dieser Gerätesatz der Aufbaustufe ist für die Weiterbildung in elektropneumatischer Steuerungstechnik zusammengestellt. Die Gerätesätze (TP 201, TP 202 und TP 220) enthalten Elemente, die für die Erarbeitung der vorgegebenen Lernziele erforderlich sind und können mit anderen Gerätesätzen des Lernsystems Automatisierung und Technik beliebig erweitert werden. Gerätesatz der Aufbaustufe (TP 220 Bestell-Nr.: ) Benennung Bestell-Nr. Menge 3/2-Wege-Magnetventil, in Ruhestellung gesperrt, Schnellschaltventil /3-Wege-Magnetventil, Mittelstellung gesperrt Drossel-Rückschlagventil, zweifach Druckluftspeicher Einschaltventil mit Filterregelventil Funktionsgenerator Gewicht, 0,175 kg Gewicht, 2 kg Kleinteile Kunststoffschlauch 3 x 0,5, 5 m Kunststoffschlauch 4 x 0,75, 10 m Kunststoffschlauch 6 x 1, 5 m Linearantrieb Näherungsschalter, elektronisch Pneumatischer Muskel Schwenkantrieb Festo Didactic GmbH & Co. KG

19 Gerätesatz der Aufbaustufe (TP 220) Übersicht der Kleinteile (544316) Benennung Bestell-Nr. Menge Sperr-Steckverschraubung, für Schlauch Außendurchmesser 6 mm T-Steckverbindung, für Schlauch Außendurchmesser 4 mm T-Steckverbindung, reduzierend, zweifach für Schlauch Außendurchmesser 6 mm und einfach für Schlauch Außendurchmesser 4 mm Steckverbindung, für Schlauch Außendurchmesser 6 mm Steckverbindung mit Steckhülse, reduzierend, Steckhülse Außendurchmesser 4 mm, für Schlauch Außendurchmesser 3 mm L-Steckverbindung mit Steckhülse, Steckhülse Außendurchmesser 4 mm, für Schlauch Außendurchmesser 4 mm Steckhülse, reduzierend, Steckhülse Außendurchmesser 6 mm und Steckhülse Außendurchmesser 4 mm Steckhülse, Steckhülse Außendurchmesser 4 mm Festo Didactic GmbH & Co. KG

20 Gerätesatz der Aufbaustufe (TP 220) Symbole des Gerätesatzes Benennung 3/2-Wege-Magnetventil, in Ruhestellung gesperrt, Schnellschaltventil Symbol 1M M1 5/3-Wege-Magnetventil, in Mittelstellung gesperrt 1M M2 1M1 1M2 Drossel-Rückschlagventil, zweifach 1 2 Druckluftspeicher Einschaltventil mit Filterregelventil Funktionsgenerator mit Zähler und Stoppuhr G 20 Festo Didactic GmbH & Co. KG

21 Gerätesatz der Aufbaustufe (TP 220) Symbole des Gerätesatzes (Fortsetzung) Benennung Gewicht Linearantrieb Symbol m Näherungsschalter, elektronisch Pneumatischer Muskel Schwenkantrieb Festo Didactic GmbH & Co. KG

22 Zuordnung von Geräten und Aufgaben Hinweis Die Aufgaben 1 bis 5, 7, 8, 10, 11 und 14 sind theoretische Aufgaben, in denen Berechnungen, teilweise unter Einsatz von Softwaretools, durchgeführt werden. Gerätesatz TP 220 Geräte Aufgabe /2-Wege-Magnetventil, in Ruhestellung gesperrt, Schnellschaltventil 1 1 5/3-Wege-Magnetventil, Mittelstellung gesperrt 1 Drossel-Rückschlagventil, zweifach 1 2 Druckluftspeicher 1 1 Einschaltventil mit Filterregelventil Funktionsgenerator mit Zähler und Stoppuhr Gewicht, 0,175 kg 2 Gewicht, 2 kg 1 Linearantrieb Näherungsschalter, elektronisch 1 Pneumatischer Muskel 1 1 Schwenkantrieb 1 22 Festo Didactic GmbH & Co. KG

23 Zuordnung von Geräten und Aufgaben Gerätesatz TP 201 Geräte Aufgabe x 3/2-Wege-Magnetventil, in Ruhestellung gesperrt 1 5/2-Wege-Magnet-Impulsventil /2-Wege-Magnetventil 1 Doppeltwirkender Zylinder Drossel-Rückschlagventil 2 2 Drucksensor 1 1 Einfachwirkender Zylinder 1 Einschaltventil mit Filterregelventil 1 1 Näherungsschalter, elektronisch Relais, 3-fach Signaleingabe, elektrisch Verteilerblock Gerätesatz TP 202 Geräte Aufgabe NOT-AUS Taster 1 Rückschlagventil, entsperrbar 2 Gerätesatz TP 101 Geräte Aufgabe Druckregelventil mit Druckmessgerät 1 1 Druckmessgerät 2 Festo Didactic GmbH & Co. KG

24 Methodische Hilfen für den Ausbilder Lernziele Die Groblernziele der vorliegenden Aufgabensammlung sind die Dimensionierung des pneumatischen Leistungsteils, das Verhalten pneumatischer Antriebe und die Sicherheit von elektropneumatischen Steuerungen bei Energieausfall. Durch die direkte Wechselwirkung von Theorie und Praxis ist ein schneller Lernfortschritt gewährleistet. Die Feinlernziele sind in der Matrix dokumentiert. Konkrete Einzellernziele sind jeder Aufgabenstellung zugeordnet. Richtzeit Die benötigte Zeit für das Durcharbeiten der Aufgabenstellung hängt vom Vorwissen der Lernenden ab. Mit Facharbeiterausbildung im Metall- oder Elektrobereich: ca. 1 Woche. Mit Techniker- oder Ingenieurausbildung: ca. 2 Tage. Elemente des Gerätesatzes Aufgabensammlung und Gerätesatz sind aufeinander abgestimmt. Für die Aufgaben 6, 9, 12, 13, 15 und 16 benötigen Sie Elemente des Gerätesatzes der Aufbaustufe TP 220. Zusätzliche Elemente zum Aufbau der Steuerungen aus den Gerätesätzen Grundstufe TP 101, Grundstufe TP 201 und der Aufbaustufe TP 202 entnehmen Sie bitte der Geräte-Aufgaben Matrix. Die oben genannten Aufgaben der Aufbaustufe können auf einer Profilplatte aufgebaut werden. Theoretische Aufgaben Die Aufgaben 1 bis 5, 7, 8, 10, 11 und 14 sind theoretische Aufgaben, in denen Berechnungen, teilweise unter Einsatz von Softwaretools, durchgeführt werden. 24 Festo Didactic GmbH & Co. KG

25 Methodische Struktur der Aufgaben Alle 16 Aufgaben im Teil A haben den gleichen methodischen Aufbau. Die Aufgaben sind gegliedert in: Titel Lernziele Problemstellung Lageplan Arbeitsauftrag Arbeitsblätter Die Lösungsvorschläge im Teil C sind gegliedert in: Lösungsbeschreibung Schaltplan Festo Didactic GmbH & Co. KG

26 Bezeichnung der Geräte Die Bezeichnung der Elemente erfolgt in den Schaltplänen nach Norm DIN-ISO Alle Bauteile eines Schaltkreises besitzen dieselbe Hauptkennziffer. In Abhängigkeit des Bauteiles werden Buchstaben vergeben. Mehrere Bauteile innerhalb eines Schaltkreises werden durchnummeriert. Druckstränge erhalten die Bezeichnung P und werden getrennt durchnummeriert. Antriebe: 1A1, 2A1, 2A2,... Ventile: 1V1, 1V2, 1V3, 2V1, 2V2, 3V1,... Magnetspulen: 1M1, 1M2, 2M1,... Sensoren: 1B1, 1B2,... Signaleingabe: 1S1, 1S2,... Zubehör: 0Z1, 0Z2, 1Z1,... Druckstränge: P1, P2, Festo Didactic GmbH & Co. KG

27 Inhalte der CD-ROM Die mitgelieferte CD-ROM stellt Ihnen zusätzliche Medien zur Verfügung. Die Inhalte der Teile A Aufgaben und C Lösungen sind als pdf-dateien gespeichert. Die CD-ROM hat folgende Struktur: Bedienungsanleitungen Datenblätter Industrielle Anwendungen Softwaretools Videos Bedienungsanleitungen Bedienungsanleitungen und Produktinformationen für verschiedene Geräte des Technologiepakets stehen zur Verfügung. Diese Anleitungen helfen bei Einsatz und Inbetriebnahme der Geräte. Datenblätter Die Datenblätter der Geräte des Technologiepakets stehen als pdf-dateien zur Verfügung. Industrielle Anwendungen Grafiken industrieller Anwendungen werden bereitgestellt. Hiermit können eigene Aufgabenstellungen illustriert werden. Auch Projektpräsentationen können durch den Einsatz dieser Abbildungen ergänzt werden. Softwaretools Die Softwaretools, die zum Bearbeiten von einzelnen Aufgaben erforderlich sind, werden Ihnen auf der CD-ROM zur Verfügung gestellt. Hinweis Aktualisierungen und weitere Softwaretools finden Sie im Internet: > Engineering > Auswahl & Dimensionierung. Videos Videos industrieller Anwendungen runden die Medien zum Technologiepaket ab. In kurzen Sequenzen werden Anwendungen in realer Umgebung dargestellt. Festo Didactic GmbH & Co. KG

28 28 Festo Didactic GmbH & Co. KG

29 Teil A Aufgaben Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes (Theorie) A-3 Aufgabe 2: Dimensionieren des pneumatischen Leistungsteils (Theorie) A-9 Aufgabe 3: Dimensionieren des pneumatischen Leistungsteils in Abhängigkeit von der geforderten Hubzeit (Theorie) A-15 Aufgabe 4: Dimensionieren von Zylindern in Abhängigkeit von der geforderten Geschwindigkeit und dem gegebenen Druck (Theorie) A-23 Aufgabe 5: Dimensionieren der Zylinderanschlussleitungen (Theorie) A-27 Aufgabe 6: Untersuchen der Fahrgeschwindigkeit von Linearantrieben (Praxis) A-33 Aufgabe 7: Kosten reduzieren durch unterschiedliche Drücke für Vor- und Rückhub (Theorie) A-53 Aufgabe 8: Kosten reduzieren durch Vermeidung von Leckagen (Theorie) A-59 Aufgabe 9: Untersuchen des Laufverhaltens von Linearantrieben (Praxis) A-63 Aufgabe 10: Beschreiben der Endlagendämpfung von Linearantrieben (Theorie) A-81 Aufgabe 11: Berechnen von Massenträgheitsmomenten (Theorie) A-87 Aufgabe 12: Untersuchen des Laufverhaltens von Drehantrieben (Praxis) A-93 Aufgabe 13: Beschreiben von Funktion und Ansteuerung des Pneumatischen Muskels (Praxis) A-107 Aufgabe 14: Auswählen eines Pneumatischen Muskels (Theorie) A-119 Aufgabe 15: Vergleichen von Standardzylindern und Pneumatischen Muskeln (Praxis) A-123 Aufgabe 16: Bewerten von pneumatischen Steuerungen bei Energieausfall (Praxis) A-133 Festo Didactic GmbH & Co. KG A-1

30 A-2 Festo Didactic GmbH & Co. KG

31 Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes (Theorie) Lernziele Die Lerner können Druckluftnetze dimensionieren kennen den Einfluss der Auslegung des Druckluftnetzes auf das Medium Druckluft Problemstellung Der Zweck eines optimal ausgelegten Druckluftnetzes ist, das Medium Druckluft möglichst verlustfrei zu den Verbrauchern zu transportieren. Das heißt ohne Minderung der Qualität (Wasser, Rost, Schmutzpartikel usw.), der Luftmenge (Leckage) und des Druckes (unzureichende Dimensionierung). Es sollte also das Bestreben sein, die vom Verdichter erzeugte und danach aufbereitete Druckluft unter möglichst unveränderten Bedingungen zu den Verbrauchern zu führen. Um eine sichere und problemlose Luftverteilung zu gewährleisten, sind mehrere Punkte zu beachten. Dabei spielt die richtige Dimensionierung des Rohrleitungsnetzes eine ebenso große Rolle wie das Material, die Strömungswiderstände, die Verlegung und die Wartung. Bei der Neuinstallation sollte in jedem Fall eine spätere Steigerung des Luftbedarfs berücksichtigt werden. Die aus dem momentanen Bedarf ermittelte Größe der Hauptleitung sollte deshalb mit einem entsprechenden Zuschlag versehen werden. Blindstopfen und Absperrventile erlauben später eine problemlose Erweiterung. Lageplan Schematische Darstellung eines Druckluftnetzes Festo Didactic GmbH & Co. KG A-3

32 Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes (Theorie) Arbeitsaufträge 1. Ermitteln Sie den Durchmesser der Rohrleitung mit Hilfe des Nomogramms. 2. Ermitteln Sie Ersatzlängen der Widerstände im Druckluftnetz. 3. Bestimmen Sie die Gesamtlänge des Druckluftnetzes. A-4 Festo Didactic GmbH & Co. KG

33 Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes (Theorie) Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes Name: Datum: Gegebene Werte des Druckluftnetzes Blatt 1 von 4 Gegebene Werte momentaner Bedarf = 1000,0 m 3 /h geplante Steigerung = 50 % = 500,0 m 3 /h max. zulässige Leckage = 10 % = 150,0 m 3 /h Gesamtbedarf = 1650,0 m 3 /h Betriebsdruck min. = 700,0 kpa zulässiger Druckabfall Δp = 10,0 kpa gestreckte Länge des Hauptnetzes = 400,0 m Widerstände in der Hauptleitung Die Ersatzlängen der folgenden Widerstände müssen ermittelt werden: Normalkrümmer (90 ) 30 Stück T-Stücke 20 Stück Schieber oder Kugelhähne 20 Stück Durchgangsventile 5 Stück Festo Didactic GmbH & Co. KG A-5

34 Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes (Theorie) Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes Name: Datum: Bestimmen des Rohrdurchmessers Blatt 2 von 4 Schritt 1 Ermitteln Sie den vorläufigen Durchmessers mit dem Nomogramm Bestimmung des Rohrdurchmessers. Hinweise zur Benutzung des Nomogramms Bestimmung des Rohrdurchmessers 1. Zeichnen Sie eine Gerade von Achse A (Rohrlänge) zur Achse B (Durchflussmenge). 2. Verlängern Sie die Gerade, bis sie die Achse 1 (C) schneidet. 3. Zeichnen Sie eine zweite Gerade von der Achse E (Betriebsdruck) zur Achse G (Druckverlust). Sie erhalten einen Schnittpunkt auf der Achse 2 (F). 4. Mit einer dritten Geraden verbindet Sie die Schnittpunkte von Achse 1 und Achse 2. Diese dritte Gerade schneidet die Achse D (lichte Rohrweite). vorläufiger Durchmesser =... mm Schritt 2 Ermitteln Sie die Ersatzlängen für die Widerstände aus dem Nomogramm Bestimmung der Ersatzlängen. Als Wert für den Durchmesser verwenden Sie den in Schritt 1 ermittelten vorläufigen Durchmesser. Normalkrümmer (90 ) 30 Stück á... m =... m T-Stücke 20 Stück á... m =... m Schieber oder Kugelhähne 20 Stück á... m =... m Durchgangsventile 5 Stück á... m =... m Gesamtersatzlänge =... m Gesamtlänge =... m Schritt 3 Ermitteln Sie den endgültigen Durchmesser mit dem Nomogramm Bestimmung des Rohrdurchmessers. endgültiger Durchmesser =... mm A-6 Festo Didactic GmbH & Co. KG

35 Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes (Theorie) Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes Name: Datum: Nomogramm Bestimmung des Rohrdurchmessers Blatt 3 von 4 Rohrlänge [m] 3 Durchflussmenge [m /h] Achse 1 lichte Rohrweite [mm] Achse 2 Betriebsdruck 2 [10 kpa (bar)] Druckverlust 2 [10 kpa (bar)] , ,04 0, ,07 0, ,15 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7 1, , A B C D E F G Festo Didactic GmbH & Co. KG A-7

36 Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes (Theorie) Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes Name: Datum: Nomogramm Bestimmung der Ersatzlängen Blatt 4 von 4 A 1 1, Zoll 80 m B Ersatzlänge ,8 0,6 0,5 0,4 0,3 0, mm 400 Nennweite C 1: Durchgangsventil, 2: Eckventil, 3: T-Stück, 4: Schieber, 5: Normalkrümmer A-8 Festo Didactic GmbH & Co. KG

37 Teil C Lösungen Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes Lösung C-3 Aufgabe 2: Dimensionieren des pneumatischen Leistungsteils Lösung C-7 Aufgabe 3: Dimensionieren des pneumatischen Leistungsteils in Abhängigkeit von der geforderten Hubzeit Lösung C-11 Aufgabe 4: Dimensionieren von Zylindern in Abhängigkeit von der geforderten Geschwindigkeit und dem gegebenen Druck Lösung C-17 Aufgabe 5: Dimensionieren der Zylinderanschlussleitungen Lösung C-19 Aufgabe 6: Untersuchen der Fahrgeschwindigkeit von Linearantrieben Lösung C-23 Aufgabe 7: Kosten reduzieren durch unterschiedliche Drücke für Vor- und Rückhub Lösung C-37 Aufgabe 8: Kosten reduzieren durch Vermeidung von Leckagen Lösung C-41 Aufgabe 9: Untersuchen des Laufverhaltens von Linearantrieben Lösung C-43 Aufgabe 10: Beschreiben der Endlagendämpfung von Linearantrieben Lösung C-55 Aufgabe 11: Berechnen von Massenträgheitsmomenten Lösung C-59 Aufgabe 12: Untersuchen des Laufverhaltens von Drehantrieben Lösung C-63 Aufgabe 13: Beschreiben von Funktion und Ansteuerung des Pneumatischen Muskels Lösung C-71 Aufgabe 14: Auswählen eines Pneumatischen Muskels Lösung C-77 Aufgabe 15: Vergleichen von Standardzylindern und Pneumatischen Muskeln Lösung C-79 Aufgabe 16: Bewerten von pneumatischen Steuerungen bei Energieausfall Lösung C-83 Festo Didactic GmbH & Co. KG C-1

38 C-2 Festo Didactic GmbH & Co. KG

39 Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes Lösung Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes Name: Datum: Gegebene Werte des Druckluftnetzes Blatt 1 von 4 Gegebene Werte momentaner Bedarf = 1000,0 m 3 /h geplante Steigerung = 50 % = 500,0 m 3 /h max. zulässige Leckage = 10 % = 150,0 m 3 /h Gesamtbedarf = 1650,0 m 3 /h Betriebsdruck min. = 700,0 kpa zulässiger Druckabfall Δp = 10,0 kpa gestreckte Länge des Hauptnetzes = 400,0 m Widerstände in der Hauptleitung Die Ersatzlängen der folgenden Widerstände müssen ermittelt werden: Normalkrümmer (90 ) 30 Stück T-Stücke 20 Stück Schieber oder Kugelhähne 20 Stück Durchgangsventile 5 Stück Festo Didactic GmbH & Co. KG C-3

40 Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes Lösung Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes Name: Datum: Bestimmen des Rohrdurchmessers Blatt 2 von 4 Schritte zur optimalen Auslegung des Druckluftnetzes Schritt 1 Ermitteln Sie den vorläufigen Durchmessers mit dem Nomogramm Bestimmung des Rohrdurchmessers. vorläufiger Durchmesser = 120 mm Schritt 2 Ermitteln Sie die Ersatzlängen für die Widerstände aus dem Nomogramm Bestimmung der Ersatzlängen. Als Wert für den Durchmesser verwenden Sie den in Schritt 1 ermittelten vorläufigen Durchmesser. Normalkrümmer (90 ) 30 Stück á 1,6 m = 48,0 m T-Stücke 20 Stück á 16,0 m = 320,0 m Schieber oder Kugelhähne 20 Stück á 2,3 m = 46,0 m Durchgangsventile 5 Stück á 49,0 m = 246,0 m Gesamtersatzlänge = 660,0 m Gesamtlänge = 1060,0 m Schritt 3 Ermitteln Sie den endgültigen Durchmesser mit dem Nomogramm Bestimmung des Rohrdurchmessers. endgültiger Durchmesser = 140 mm C-4 Festo Didactic GmbH & Co. KG

41 Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes Lösung Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes Name: Datum: Nomogramm Bestimmung des Rohrdurchmessers Blatt 3 von 4 Rohrlänge [m] 3 Durchflussmenge [m /h] Achse 1 lichte Rohrweite [mm] Achse 2 Betriebsdruck 2 [10 kpa (bar)] Druckverlust 2 [10 kpa (bar)] , ,04 0, ,07 0, ,15 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7 1, , A B C D E F G Festo Didactic GmbH & Co. KG C-5

42 Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes Lösung Aufgabe 1: Auslegen eines Druckluftnetzes Name: Datum: Nomogramm Bestimmung der Ersatzlängen Blatt 4 von 4 A 1 1, Zoll 80 m B Ersatzlänge ,8 0,6 0,5 0,4 0,3 0, mm 400 Nennweite C 1: Durchgangsventil, 2: Eckventil, 3: T-Stück, 4: Schieber, 5: Normalkrümmer C-6 Festo Didactic GmbH & Co. KG

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