EU-Projekt Nr MINOS, Laufzeit von 2005 bis 2007

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1 Mechatronik Modul 3: Fluidtechnik Lösungsbuch (Konzept) Matthias Römer Technische Universität Chemnitz Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse EU-Projekt Nr MINOS, Laufzeit von 2005 bis 2007 Europäisches Konzept für die Zusatzqualifikation Mechatronik für Fachkräfte in der globalisierten industriellen Produktion. Das Projekt wurde gefördert von der Europäischen Union im Rahmen des Aktionsprogramms der Europäischen Union für die berufliche Bildung Leonardo da Vinci.

2 Projektpartner bei der Erarbeitung und Erprobung des Teachwarekonzepts Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse, Deutschland Projektleitung Corvinus Universität Budapest, Institut für Informationstechnologien, Ungarn Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Schweden Technische Universität Wroclaw, Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, Polen Henschke Consulting Dresden, Deutschland Christian Stöhr Unternehmensberatung, Deutschland Neugebauer und Partner OHG Dresden, Deutschland Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Polen Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Ungarn Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Ungarn Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Ungarn Teachwearkonzept: Modul 1: Grundlagen Modul 2: Interkulturelle Kompetenzen, Projektmanagement Modul 3: Fluidtechnik Modul 4: Elektrische Antriebe und Steuerungen Modul 5: Mechatronische Komponenten Modul 6: Mechatronische Systeme und Funktionen Modul 7: Inbetriebnahme, Sicherheit, Teleservice Modul 8: Fernwartung, Diagnose Weitere Informationen: Technische Universität Chemnitz Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Reimund Neugebauer Prof. Dr.-Ing. Dieter Weidlich Reichenhainer Straße 70, Chemnitz Tel.: +49(0) Fax: +49(0) Internet: 2

3 Fluidtechnik Minos 1 Pneumatik 1.1 Druckluftversorgung Aufgabe 1 Wie ändert sich die Temperatur eines Gases, wenn es verdichtet wird? Die Temperatur des Gases erhöht sich. Welche Verdichtertypen werden häufig eingesetzt? Es werden vorallem Hubkolben- und Schraubenverdichter verwendet. Welche häufig genutzten Möglichkeiten zur Trocknung der Druckluft gibt es? Neben der Kältetrocknung wird die Adsorptionstrocknung verwendet. An Wartungseinheiten werden Membrantrockner eingesetzt. In welcher Reihenfolge werden die einzelnen Bauteile einer Wartungseinheit durchströmt? Zunächst wird der Filter durchströmt und danach das Druckregelventil. Das letzte Bauteil ist der Nebelöler, falls vorhanden. Was kennzeichnet der Pfeil durch die Feder am Symbol des Druckregelventils? Der Pfeil symbolisiert, dass die Kraft der Feder einstellbar ist. Dadurch kann der Druck am Druckregelventil verändert werden. Wozu dient die Entlüftungsöffnung an einem Druckregelventil und was geschieht, wenn diese verschlossen ist? Über die Entlüftungsöffnung kann ein zu hoher Druck nach dem Druckregelventil in die Umgebung abgelassen werden. Ist diese Öffnung verschlossen, kann der Druck mit dem Druckregelventil nicht mehr abgesenkt werden. Welche Aufgaben hat ein Druckluftspeicher? Der Druckluftspeicher bevorratet Druckluft und kann dadurch Spitzenverbräuche abdecken. In den Speichern direkt nach dem Verdichter kühlt sich die verdichtete Luft ab. Dadurch wird ein Teil des in der Druckluft befindlichen Wassers bereits abgeschieden. 3

4 Minos Fluidtechnik 1.2 Ansteuerung eines einfachwirkenden Zylinders Aufgabe 2 Ein einfachwirkender Zylinder soll auf Tastendruck ausfahren und nach Loslassen des Tasters sofort wieder einfahren. Ergänzen Sie den Schaltplan! Fragen Wie muss der Schaltplan verändert werden, damit der Zylinder ausgefahren ist und nur auf Tastendruck einfährt? Es ist ein Ventil mit Durchgangsruhestellung zu verwenden. Bei manchen Ventilen ist es auch möglich, die Durchgangsruhestellung dadurch zu realisieren, dass die Druckluft am Anschluss 3 angelegt wird. Was ist in diesem Fall beim Wegeventil zu beachten? Es ist ein Wegeventil zu verwenden, bei dem die Druckluft am Anschuss 1 oder 3 angelegt werden kann. Dies ist bei Schieberventilen häufig möglich. Es gibt aber auch Sitzventile mit Durchgangsruhestellung. Warum kann der einfachwirkende Zylinder nur in eine Richtung Arbeit verrichten? Der Rückhub erfolgt nur durch die Kraft der eingebauten Feder. Diese Kraft ist nicht groß genug um zusätzliche Arbeit zu verrichten. Wozu ist die Entlüftungsöffnung am Kolbenstangenraum des einfachwirkenden Zylinders erforderlich? Die Entlüftungsöffnung verhindert, dass sich beim Ausfahren des Zylinders im Kolbenstangenraum ein Luftpolster bildet. Dadurch würde dem Ausfahren eine Kraft entgegengestellt werden. Beim Einfahren des Zylinders strömt Luft von außen nach und verhindert einen Unterdruck. Was ist in Bezug auf die Betätigungskraft bei einem Sitzventil zu beachten, wenn es verschieden hohe Drücke schaltet? Die Betätigungskraft bei Sitzventilen ist abhängig vom am Ventil angelegten Druck. Je höher der Druck ist, desto höher muss die Betätigungskraft sein. 4

5 Fluidtechnik Minos Didaktische Hinweise Vor dem Aufbau des Schaltplanes sollte zunächst die Wirkungsweise der Wartungseinheit wiederholt werden. Das Einstellen des Druckes sollte demonstriert werden. Es ist darauf hinzuweisen, dass an einem Ende lose Schläuche eine Gefahrenquelle darstellen, wenn sie unter Druck stehen und frei herumschlagen. Im Bild 1 ist die Lösung des Schaltplanes abgebildet. Der Schaltplan sollte nacheinander mit einem Sitzventil und einem Schieberventil aufgebaut werden. Die unterschiedlichen Betätigungskräfte der Ventile bei verschiedenen Drücken sind zu zeigen. Da beim 3/2-Wegeventil in der Schieberbauart die Anschlüsse 1 und 3 vertauscht werden können, sollte der Schaltplan auch so abgeändert werden, dass bei nichtbetätigtem Ventil der Zylinder ausgefahren ist Bild 1: Ansteuerung eines einfachwirkenden Zylinders 5

6 Minos Fluidtechnik 1.3 Ansteuerung eines doppeltwirkenden Zylinders Aufgabe 3 Ein doppeltwirkender Zylinder soll auf Tastendruck ausfahren und nach Loslassen des Tasters sofort wieder einfahren. Ergänzen Sie den Schaltplan! Fragen Was bewirkt die Endlagendämpfung im Zylinder? Mit Hilfe der Endlagendämpfung wird ein hartes Anschlagen des Kolbens in der Endlage vermieden. Das ist vorallem dann erforderlich, wenn der Zylinder größere Massen bewegt. Als Alternative zur Endlagendämpfung können externe Stossdämpfer verwendet werden. Wozu ist ein Magnetring im Kolben erforderlich? Mit Hilfe des Magnetringes ist es möglich, die Position des Kolbens berührungslos zu erfassen. Häufig werden Zylinderschalter in den Endlagen des Zylinders angeordnet. Erreicht der Kolben diese Endlage, so wird durch den Zylinderschalter ein Signal erzeugt. Welche Position nimmt ein normaler doppeltwirkender Zylinder ein, wenn beide Anschlüsse mit Druck beaufschlagt werden? Bei einem normalen Zylinder ist die Kolbenfläche größer als die Kolbenringfläche auf der Kolbenstangenseite. Wird an beide Anschlüsse der gleiche Druck angelegt, so ist wegen der größeren Kolbenfläche die Kraft in Richtung des Ausfahrens größer. Der Zylinder fährt also aus. Wie hoch ist etwa der Luftverbrauch eines doppeltwirkenden Zylinders gegenüber einem einfachwirkendem Zylinder? Der Luftverbrauch eines doppeltwirkenden Zylinders ist etwa doppelt so groß. Für das Verfahren des Zylinders werden abwechselnd Kolbenraum und Kolbenstangenraum mit Duckluft gefüllt. Welchen Unterschied bezeichnen einfache und doppelte Pfeile in einem Wegeventil? Doppelte Pfeile bedeuten, dass das Ventil in beiden Richtungen durchströmt werden kann. Bei einfachen Pfeilen ist dagegen nur eine Durchströmrichtung möglich. 6

7 Fluidtechnik Minos Didaktische Hinweise Zunächst ist der Zylinder mit einem 5/2-Wegeventil anzusteuern. Es ist darauf hinzuweisen, dass der Zylinder durch das Vertauschen der Anschlüsse 2 und 4 bei unbetätigtem Ventil ausgefahren ist. Die Funktion der Endlagendämpfung ist vorzuführen. Dazu lässt man den Zylinder hin- und herfahren und verstellt dabei die Drosselschrauben der Endlagendämpfung. Dabei ist auch zu zeigen, dass bei zu starker Drosselung die Endlage nicht mehr erreicht wird. Anschließend sollte der Zylinder mit zwei 3/2-Wegeventilen angesteuert werden. Das 3/2-Wegeventil zur Kolbenstangenseite muss dabei in Durchgangsruhestellung verschlaucht werden. Beim Betätigen beider Wegeventile gleichzeitig ist die gleiche Funktion wie beim 5/2-Wegeventil vorhanden. Zusätzlich ist es jedoch möglich, durch Betätigen nur eines Wegeventils beide Zylinderräume unter Druck zu setzen oder drucklos zu schalten. Die Möglichkeit des Vorentlüftens ist zu zeigen und damit die Erhöhung der Kolbengeschwindigkeit Bild 2: Ansteuerung eines doppeltwirkenden Zylinders 7

8 Minos Fluidtechnik 1.4 Indirekte Ansteuerung eines Zylinders Aufgabe 4 Ein doppeltwirkender Zylinder soll auf Tastendruck ausfahren und nach Loslassen des Tasters sofort wieder einfahren. Das Wegeventil zur Ansteuerung des Zylinders soll pneumatisch durch einen Taster betätigt werden. Ergänzen Sie den Schaltplan! Bezeichnen Sie alle Anschlüsse der Ventile! Fragen In welchen Fällen wird das Ventil, das den Zylinder ansteuert, nicht direkt betätigt? Großvolumige Zylinder werden mit großen Ventile angesteuert. Bei der indirekten Ansteuerung können kleine Ventile als Taster verwendet werden. Weiterhin kann der Taster etwas entfernt vom Hauptventil angeordnet werden. Wie weit darf der Taster maximal von dem anzusteuernden Ventil entfernt sein? Der Taster und allgemein Signalglieder dürfen nicht weiter als 10 m vom anzusteuernden Ventil entfernt sein. Bei größeren Schlauchlängen besteht die Gefahr, dass das Signal zu schwach wird. Ein pneumatisch betätigtes Wegeventil wird mit Steuerluft mit einem Druck von etwa 1,5 bar beaufschlagt. Warum schaltet es nicht um? Der Druck ist zu klein um in Verbindung mit der Fläche des Steuerkolbens das Ventil umzuschalten. Die Kraft, die durch diesen Druck entsteht, ist kleiner als die Federkraft zur Rückstellung des Ventils. Das Ventil wird deshalb nicht umgeschaltet. Wo befindet sich das 3/2-Wegeventil bei einer Vorsteuerung? Bei einer Vorsteuerung befindet sich das 3/2-Wegeventil direkt am Hauptventil. Die Steuerleitung ist dadurch sehr kurz. Warum wird eine Vorsteuerung eingesetzt? Durch die Vorsteuerung kann das Hauptventil mit sehr kleinen Kräften betätigt werden. Vorallem elektrisch betätigte Ventile sind vorgesteuert. Wegen der geringeren erforderlichen Kräfte können kleine Magnetspulen mit einem geringen Energiebedarf eingesetzt werden. 8

9 Fluidtechnik Minos Didaktische Hinweise Der Versuch ist aufzubauen und durchzuführen. Dabei sollten die einzelnen Komponenten ähnlich angeordnet werden wie im Schaltplan. Es ist auf den Unterschied von Signal- und Stellgliedern hinzuweisen. Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass die Steuerleitungen gestrichelt gezeichnet werden. Dies kann durch die Verwendung von Schläuchen mit unterschiedlichen Farben auch am Versuchsstand gezeigt werden. Anschließend kann in die Zuleitung zum Taster ein Druckregelventil eingebaut werden. Durch Absenken des Steuerdruckes ist zu zeigen, dass das pneumatisch betätigte 5/2-Wegeventil einen bestimmten Mindestdruck am Steuerluftanschluss benötigt. Bei Ventilen mit einer Luftfeder ist zu zeigen, dass die Kraft der Luftfeder vom Betriebsdruck des Ventils abhängt. Dazu ist der erforderliche Steuerdruck bei unterschiedlichen Drücken am Hauptventil zu ermitteln Bild 3: Indirekte Ansteuerung eines doppeltwirkenden Zylinders 9

10 Minos Fluidtechnik 1.5 Ansteuerung eines Zylinders mit einem Impulsventil Aufgabe 5 Ein doppeltwirkender Zylinder soll auf Tastendruck ausfahren und nach Loslassen des Tasters ausgefahren bleiben. Erst nach dem Betätigen eines zweiten Tasters soll der Zylinder wieder einfahren. Ergänzen Sie den Schaltplan! Bezeichnen Sie alle Anschlüsse der Ventile! Fragen Was geschieht, wenn der zweite Taster gedrückt wird, während der erste noch betätigt ist? Das Signal des zweiten Tasters kann das Impulsventil nicht umschalten, solange das Signal des ersten Tasters noch anliegt. In welcher Grundstellung kann das Impulsventil stehen, wenn die Druckluft eingeschaltet wird und noch kein Taster betätigt wurde? Welche Stellung nimmt dann der Zylinder ein? Da das Impulsventil keine festgelegte Grundstellung hat, kann es in jeder der beiden möglichen Stellungen stehen. Dadurch ist es möglich, dass der Zylinder sofort nach dem Einschalten der Druckluft ausfährt. Bei welcher Bauart von Impulsventilen hat ein Steuerluftanschluss Vorrang? Bei Impulsventilen mit Differenzkolben sind die beiden Flächen der Steuerkolben verschieden groß. Bei gleich großen Steuerdrücken hat das Signal Vorrang, das am Steueranschluss mit der größeren Kolbenfläche anliegt. Ein einfachwirkender Zylinder soll mit einem Impulsventil angesteuert werden. Es stehen aber nur 5/2-Wegeventile zur Verfügung. Was ist zu tun? Durch Verschließen eines der beiden Ausgänge kann aus einem 5/2-Wegeventil ein 3/2-Wegeventil werden. Benötigt man ein 3/2-Wegeventil mit Sperr-Ruhestellung so sollte der Zylinder am Anschluss 4 angeschlossen werden. 10