Regelhydraulik Arbeitsbuch TP 511

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1 Regelhydraulik Arbeitsbuch TP 511 Festo Didactic de

2 Bestimmungsgemäße Verwendung Das Lernsystem von Festo Didactic ist ausschließlich für die Aus- und Weiterbildung im Bereich Automatisierung und Kommunikation 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 der Anlage außerhalb einer reinen Ausbildungssituation auftreten; es sei denn Festo Didactic hat solche Schäden vorsätzlich oder grob fahrlässig verursacht. Bestell-Nr.: Benennung: ARBB.REGELH.GS Bezeichnung: D:S511-C-SIBU-D Stand: 07/2003 Layout: , OCKER Ingenieurbüro Grafik: OCKER Ingenieurbüro Autoren: A. Zimmermann, D. Scholz Festo Didactic GmbH & Co. KG, Denkendorf, 2003 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.

3 3 Vorwort Das Lernsystem Automatisierung und Kommunikation 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, Regelpneumatik und -hydraulik. Aufnahmerahmen Bild 1: Hydraulik 2000 z.b. fahrbarer Laborwagen U = 230V~ Profilplatte p = 6 MPa Ordnungsmittel

4 4 Der modulare Aufbau des Lernsystems ermöglicht Anwendungen, die über die Grenzen der einzelnen Pakete hinausgehen. Beispielsweise sind SPS-Ansteuerungen von pneumatischen, hydraulischen und elektrischen Aktuatoren 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 und Programmiersoftware für Speicherprogrammierbare Steuerungen bereitgestellt. Ein umfassendes Seminarangebot zu den Inhalten der Technologiepakete rundet das Angebot in Aus- und Weiterbildung ab.

5 5 Wir informieren Sie über das Technologiepaket Regelhydraulik TP511. Neu bei Hydraulik 2000: Industriekomponenten mit Nenngröße 4 auf der Profilplatte. Aufgaben mit Arbeitsblättern und Lösungen, Leitfragen Fördern der Schlüsselqualifikationen: Fachkompetenz, Methodenkompetenz, Sozialkompetenz und Persönlichkeitskompetenz. Üben von Teamfähigkeit, Kooperationsbereitschaft, Lernbereitschaft, Selbständigkeit und Organisationsvermögen. Ziel Handlungskompetenz Inhalt Teil A Kurs Aufgabenstellungen und Arbeitsblätter Teil B Grundlagen Hinweis auf das Lehrbuch Teil C Lösungen Funktionsdiagramm, Schaltplan, Lösungsbeschreibung und Geräteliste Teil D Anhang Ordnungsmittel, Befestigungstechnik, Kupplungstechnik und Datenblätter

6 6 Inhaltsverzeichnis Das Technologiepaket TP511 Regelhydraulik 12 Sicherheitshinweise, Arbeitshinweise 13 Normgerechte Darstellung der Schaltpläne 14 Technische Hinweise 15 Geräte-Aufgaben-Matrix TP Konzeption des Arbeitsbuches 17 Gerätesatz TP Symbole des Gerätesatzes TP Teil A Kurs 1. Druckregelkreis Aufgabe 1: Aufgabe 2: Aufgabe 3: Aufgabe 4: Aufgabe 5: Aufgabe 6: Aufgabe 7: Aufgabe 8: Aufgabe 9: Aufgabe 10: Aufgabe 11: Rohrbiegemaschine Kennlinie eines Drucksensors A-3 Umformen von Kunststoffplatten Druck-Kennlinie eines stetigen Wegeventils A-13 Kaltfließpresse Regelstrecke zur Druckregelung A-25 Gewindewalzmaschine Kenngrößen einer PID-Reglerkarte A-33 Stempelmaschine Übergangsfunktion eines P-Reglers A-39 Spannvorrichtung Regelgüte eines Druckregelkreises mit P-Regler A-49 Spritzgießmaschine Übergangsfunktionen von I- und PI-Reglern A-61 Einpressen von Lagern Übergangsfunktionen von D-, PD- und PID-Reglern A-75 Schweißzange eines Roboters Empirisches Parametrieren eines PID-Reglers A-89 Andruckrolle einer Walzmaschine Parametrieren nach dem Ziegler-Nichols-Verfahren A-97 Abkantpresse mit Zuführeinrichtung Veränderte Regelstrecke mit Störgrößen A-105

7 7 2. Lageregelkreis Aufgabe 12: Aufgabe 13: Aufgabe 14: Aufgabe 15: Aufgabe 16: Aufgabe 17: Aufgabe 18: Aufgabe 19: Aufgabe 20: Aufgabe 21: Tischvorschub einer Fräsmaschine Kennlinie eines Wegsensors A-115 Kreuztisch einer Bohrmaschine Durchfluss-Kennlinien eines stetigen Wegeventils A-125 Vorschubeinheit einer Montagestation Lineareinheit als Regelstrecke zur Lageregelung A-141 Fahrzeugsimulator Aufbau und Inbetriebnahme eines Lageregelkreises A-159 Konturenfräsen Schleppfehler im Lageregelkreis A-173 Bearbeitungszentrum Lageregelung mit veränderter Regelstrecke A-185 Bohren von Lagersitzen Inbetriebnahme eines Lageregelkreises mit Störgrößen A-191 Vorschub einer Stoßmaschine Kenngrößen und Übergangsfunktionen eines Zustandsreglers A-205 Papierzufuhr einer Druckmaschine Parametrieren eines Zustandsreglers A-215 Flachschleifmaschine Lageregelkreis mit Störgrößen und aktiver Last A-227

8 8 Teil B Grundlagen Kapitel 1 Grundlagen B Signal B Blockschaltbild B Signalflussplan B Testsignale B Steuerung und Regelung B Begriffe der Regelungstechnik B Stabilität und Instabilität B Stationäres und dynamisches Verhalten B Führungs- und Störverhalten B Festwert-, Folge- und Zeitplanregelung B Differenzierung eines Signals B Integration eines Signals B-36 Kapitel 2 Hydraulische Regelstrecken B Regelstrecken mit und ohne Ausgleich B Verzögerungsarme hydraulische Regelstrecken B Hydraulische Regelstrecke erster Ordnung B Hydraulische Regelstrecke zweiter Ordnung B Hydraulische Regelstrecke dritter Ordnung B Einteilung von Regelstrecken nach ihrem Sprungantwortverhalten B Arbeitspunkt und Streckenverstärkung B-52 Kapitel 3 Reglerstrukturen B Unstetige Regler B Blockschaltbilder für unstetige Regler B P-Regler B I-Regler B D-Regleranteil B PI-,PD- und PID-Regler B-67

9 9 3.7 Blockschaltbilder für stetige Standardregler B Zustandsregler B Auswahl der Reglerstruktur B Störverhalten und Regelfaktor B-83 Kapitel 4 Technische Realisierung von Reglern B Aufbau von Regelkreisen B Hydraulisch/mechanische und elektrische Regler B Analoge und digitale Regler B Auswahlkriterien für Regler B-100 Kapitel 5 Wegeventile B Ventilbauformen B Aufgaben und Baugruppen eines Wegeventils B Bezeichnungen und Schaltzeichen für stetige Wegeventile B Funktionsweise eines stetigen 4/3-Wegeventils B Stationäre Kennlinien von stetigen Wegeventilen B Dynamisches Verhalten von stetigen Wegeventilen B Auswahlkriterien für Wegeventile B-126 Kapitel 6 Druck-Regelventile B Aufgaben eines Druck-Regelventils B Bauformen von Druck-Regelventilen B Funktionsweise eines Druckregelventils B Druckregelung mit einem Wegeventil B Auswahlkriterien für Druck-Regelventile B-134 Kapitel 7 Messsysteme B Aufgabe eines Messsystems B Messsystembauformen und -schnittstellen B Auswahlkriterien für Messsysteme B-139

10 10 Kapitel 8 Aufbau, Inbetriebnahme und Fehlersuche B Regelkreise in der Automatisierungstechnik B Projektierung B Aufbau B Inbetriebnahme B Reglereinstellung B Fehlersuche B-158 Teil C Lösungen Aufgabe 1: Rohrbiegemaschine C-3 Aufgabe 2: Umformen von Kunststoffplatten C-5 Aufgabe 3: Kaltfließpresse C-11 Aufgabe 4: Gewindewalzmaschine C-13 Aufgabe 5: Stempelmaschine C-15 Aufgabe 6: Spannvorrichtung C-19 Aufgabe 7: Spritzgießmaschine C-23 Aufgabe 8: Einpressen von Lagern C-25 Aufgabe 9: Schweißzange eines Roboters C-29 Aufgabe 10: Andruckrolle einer Walzmaschine C-31 Aufgabe 11: Abkantpresse mit Zuführeinrichtung C-35 Aufgabe 12: Tischvorschub einer Fräsmaschine C-39 Aufgabe 13: Kreuztisch einer Bohrmaschine C-41 Aufgabe 14: Vorschubeinheit einer Montagestation C-49 Aufgabe 15: Fahrzeugsimulator C-55 Aufgabe 16: Konturenfräsen C-61 Aufgabe 17: Bearbeitungszentrum C-65 Aufgabe 18: Bohren von Lagersitzen C-67 Aufgabe 19: Vorschub einer Stoßmaschine C-73 Aufgabe 20: Papierzufuhr einer Druckmaschine C-77 Aufgabe 21: Flachschleifmaschine C-81

11 11 Teil D Anhang Arbeitshinweise 2 Ordnungsmittel 3 Befestigungstechnik 4 Anschlussplatte 6 Kupplungstechnik 7 Richtlinien und Normen 9 Literaturliste 10 Index 11 Datenblätter 19

12 12 Das Technologiepaket TP511 Regelhydraulik Das Technologiepaket TP511 "Regelhydraulik" ist Bestandteil des Lernsystems Automatisierung und Kommunikation der Festo Didactic GmbH & Co. Die Lernziele des TP511 liegen im Erlernen der Grundlagen der analogen Regelungstechnik. Mit elektrischen Steuer- und Regelungselementen werden hydraulische Aktoren angesteuert. Zur Bearbeitung des Technologiepakets TP511 sind Grundkenntnisse in der Elektrohydraulik und in der elektrischen Messtechnik empfehlenswert. Die Aufgaben des TP511 beschäftigen sich mit folgenden Schwerpunktthemen: Druckregelung mit PID-Regler (Aufgabe 1 11) Lageregelung mit PID-Regler (Aufgabe 12 18) Lageregelung mit Zustandsregler (Aufgabe 19 21) Die Grundlagen des TP511 enthalten: eine Klassifizierung hydraulischer Regelstrecken eine Beschreibung verschiedener Reglerstrukturen Hinweise zur technischen Realisierung von Reglern, Ventilen und Sensoren Tipps zu Aufbau und Inbetriebnahme von hydraulischen Regelkreisen Die Zuordnung von Geräten des Gerätesatzes TP511 zu den Aufgaben kann der Geräte-Aufgaben-Matrix entnommen werden.

13 13 Sicherheitshinweise Im Interesse Ihrer eigenen Sicherheit sollten Sie folgende Hinweise unbedingt beachten: Vorsicht beim Einschalten des Hydraulik-Aggregats: Es können Zylinder selbsttätig ausfahren! Zulässigen Arbeitsdruck nicht überschreiten (siehe Datenblätter). Allgemeine Sicherheitsbestimmungen beachten (DIN und VDE100). Arbeitshinweise Beim Aufbau einer hydraulischen Steuerung sind folgende Schritte unbedingt einzuhalten. 1. Während des Aufbaus der Schaltung müssen das hydraulische Antriebsaggregat und das elektrische Netzteil ausgeschaltet sein. 2. Alle Komponenten müssen sicher auf der Profilplatte befestigt sein, d.h. sicher eingerastet oder fest verschraubt. 3. Es ist zu kontrollieren, ob alle Rücklaufleitungen angeschlossen und alle Schlauchleitungen fest aufgesteckt sind. 4. Zuerst elektrisches Netzteil einschalten, danach das hydraulische Antriebsaggregat. 5. Vor dem Abbau der Schaltung auf Druckentlastung der hydraulischen Komponenten achten, denn: Kupplungen müssen drucklos gekuppelt werden! 6. Zuerst hydraulisches Antriebsaggregat und danach elektrisches Netzteil abschalten. Normgerechte Darstellung der Schaltpläne

14 14 Normgerechte Darstellung der Schaltpläne Bei der Darstellung der hydraulischen Schaltpläne wurden folgende Regeln beachtet: Übersichtliche, möglichst kreuzungsfreie Darstellung Symbole nach DIN/ISO 1219 Teil 1 Schaltpläne mit mehreren Verbrauchern in Steuerketten aufteilen Kennzeichnung der Geräte nach DIN/ISO 1219 Teil 2: Jede Steuerkette erhält eine Ordnungszahl 1xx, 2xx, usw. Das Antriebsaggregat ist Steuerkette 0xx. Kennzeichnung der Geräte mit Buchstaben: A Arbeitselement P Pumpe S Signalaufnehmer V Ventil Z Sonstiges Bauteil Die vollständige Kennzeichnung eines Geräts besteht aus einer Ziffer für die Steuerkette, einem Buchstaben für das Gerät, einer Ziffer, mit der die Geräte durchnumeriert werden entsprechend der Flussrichtung in der Steuerkette. Beispiel: 1V2 = zweites Ventil in Steuerkette 1.

15 15 Technische Hinweise Um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten, sind nachstehende Hinweise zu beachten. In das Hydraulik-Aggregat TN ist ein einstellbares Druckbegrenzungsventil integriert. Sicherheitshalber ist der Systemdruck auf ca. 6 MPa (60 bar) begrenzt. Der zulässige Höchstdruck für alle hydraulischen Komponenten beträgt 12 MPa (120 bar). Der Arbeitsdruck soll bei maximal 6 MPa (60 bar) liegen. Bei doppeltwirkenden Zylindern kann durch die Druckübersetzung ein entsprechend dem Flächenverhältnis erhöhter Druck entstehen. Bei einem Flächenverhältnis von 1:1,7 und einem Betriebsdruck von 6 MPa (60 bar) können es über 10 MPa (100 bar) sein! Bild 2: Druckübersetzung Werden Verbindungen unter Druck gelöst, wird durch das Rückschlagventil in der Kupplung Druck in das Ventil oder in das Gerät eingesperrt. Mit der Druckentlastung TN kann dieser Druck abgebaut werden. Ausnahme: bei Schlauchleitungen und Rückschlagventilen ist dies nicht möglich. Sämtliche Ventile, Geräte und Schlauchleitungen haben selbstschließende Verschlusskupplungen. Diese verhindern, dass unbeabsichtigt Öl ausströmen kann. Bei der Darstellung im Schaltplan werden diese Verschlusskupplungen der Einfachheit halber weggelassen. Drossel Schlauch Absperrventil Bild 3: Ausführliche und vereinfachte Darstellung der Verschlusskupplungen

16 16 Geräte-Aufgaben-Matrix TP 511 Aufgaben Benennung Aggregat (2l) Aggregat (2x4l) Druckfilter Bremszylinder 1 Lineareinheit Gewicht (5kg) 2 2 Druckbegrenzungsventil Drosselventil Absperrventil 1 4/3-Wege-Regelventil Hydromotor 1 1 Durchflussmessgerät 1 1 Druckmessgerät Drucksensor Schlauch, 600mm Schlauch, 1000mm Schlauch, 3000mm T-Verteiler PID-Regler Zustands-Regler Universalanzeige 1 1 Digitalmultimeter Oszilloskop Funktionsgenerator Kabel, BNC/4mm Kabel, BNC/BNC T-Stück, BNC Kabelsatz, universal Netzgerät

17 17 Konzeption des Arbeitsbuches Das Arbeitsbuch gliedert sich wie folgt: Teil A Kurs Teil B Grundlagen Teil C Lösungen Teil D Anhang Im Teil A, Kurs, wird anhand von aufeinander aufbauenden Übungsaufgaben der Aufbau und die Inbetriebnahme von analogen Regelkreisen erlernt. Zu Anfang einer jeden Aufgabe wird das zur Bearbeitung notwendige Fachwissen vermittelt. Die Ausführungen sind auf das Notwendige beschränkt. Weitergehende Kenntnisse können im Teil B erworben werden. Im Teil C, Lösungen, sind die Ergebnisse der Übungsaufgaben dargestellt und mit kurzen Erläuterungen versehen. Der Teil B, Grundlagen, erhält allgemeingültiges Fachwissen ergänzend zu den Lerninhalten der Übungsaufgaben in Teil A. Es werden die theoretischen Zusammenhänge hergestellt und notwendige Fachbegriffe anhand von Beispielen anschaulich erklärt. Der Teil D, Anhang, dient als Nachschlagewerk. Er enthält Datenblätter, Literaturhinweise und ein Stichwortverzeichnis. Die Struktur des Buches ist so angelegt, dass der fachliche Inhalt sowohl durch praktisches Üben, z.b. in Seminaren, als auch durch reines Selbststudium erlernt werden kann.

18 18 Gerätesatz TP511 Gerätesatz Regelhydraulik TP511, komplett, Bestell-Nr Benennung Bestell-Nr. Menge Geräte Hydraulik allgemein Geräte für Druckregelung Geräte für Lageregelung Geräte Hydraulik allgemein Bestell-Nr Benennung Bestell-Nr. Menge Druckfilter Druckbegrenzungsventil Drosselventil Hydromotor Druckmessgerät T-Verteiler Geräte für Druckregelung, Bestell-Nr Benennung Bestell-Nr. Menge 4/3-Wege-Regelventil PID-Regler Geräte für Lageregelung, Bestell-Nr Benennung Bestell-Nr. Menge Linearantrieb, 200 mm Hub Gewicht (5kg) Zustands-Regler Zusätzliche Geräte für Aufgabe 21 Benennung Bestell-Nr. Menge Bremszylinder TP511 Festo Didactic

19 19 Benennung Bestell-Nr. Menge Liste der Zusatzgeräte Aggregat (1 x 4l) Aggregat (2 x 4l) Arbeitsbuch, DE Arbeitsbuch, GB Digitalmultimeter Drucksensor (im Mess-Set enthalten) Durchflussmesseinrichtung (im Mess-Set enthalten) Funktionsgenerator Kabel, BNC/4mm Kabel, BNC/BNC Kabelsatz mit Sicherheitsstecker Mess-Set Netzgerät für den Aufnahmerahmen Oszilloskop Profilplatte, 550 x 700 mm Schlauch, 600 mm Schlauch, 1000 mm Schlauch, 3000 mm Tischnetzgerät T-Stück, BNC Universalanzeige (im Mess-Set enthalten)

20 20 Symbole des Gerätesatzes TP511 Benennung Erklärung Symbol Doppeltwirkender Zylinder mit einfacher Kolbenstange Doppeltwirkender Zylinder mit durchgehender Kolbenstange Manometer Drosselventil einstellbar Druckbegrenzungsventil einstellbar Druckregelventil einstellbar Absperrventil Speicher beidseitiger Anschluss Energiequelle hydraulisch Muskelkraftbetätigung allgemein Verschluss 2/2-Wegeventil Ruhestellung gesperrt

21 21 Benennung Erklärung Symbol Symbole des Gerätesatzes TP511 4/3-Wegeventil Mittelstellung gesperrt 4/3-Stetigventil Mittelstellung gesperrt Umformer, Wandler allgemein Einsteller allgemein Sensor hydraulisch/elektrisch Druckmesser allgemein Durchflusssensor elektrisch Begrenzer elektrisch Drucksensor elektrisch Durchflussmesser allgemein Verstärker allgemein Operationsverstärker allgemein

22 22 Symbole des Gerätesatzes TP511 Benennung Erklärung Symbol Regler allgemein Elektrische Betätigung durch Elektro-Magnet mit einer Wicklung Elektrische Betätigung durch Elektro-Magnet mit zwei gegensinnigen Wicklungen, stufenlos einstellbar Mechanische Betätigung durch Feder Vorsteuerventil Schalter mit Raststellung Arbeitsleitung Leitung zur Energieübertragung Leitungsverbindung feste Verbindung Verknüpfung Summenpunkt Elektrische Leitung Leitung zur elektrischen Energieübertragung Längenmeßsystem Masse

23 23 Benennung Erklärung Symbol Symbole des Gerätesatzes TP511 Übertragungsglied mit Proportional-Zeitverhalten Übertragungsglied mit PT1-Zeitverhalten Übertragungsglied mit Integral-Zeitverhalten Übertragungsglied mit Differential-Zeitverhalten Übertragungsglied mit Zwei-Punkt-Verhalten Übertragungsglied mit Zwei-Punkt-Verhalten und Hysterese, Schaltdifferenz Übertragungsglied mit Drei-Punkt-Verhalten Übertragungsglied mit Drei-Punkt-Verhalten und zwei Schaltdifferenzen Übertragungsglied mit PD-Zeitverhalten Übertragungsglied mit PI-Zeitverhalten Übertragungsglied mit PID-Zeitverhalten

24 24 Symbole des Gerätesatzes TP511 Benennung Erklärung Symbol Spannungsgenerator konstante Spannung Spannungsgenerator Rechteckspannung Spannungsgenerator Sinusspannung Spannungsgenerator Dreieckspannung Oszilloskop Optische Anzeige Leuchtmelder Voltmeter Spannungsmesser

25 A-1 Teil A Kurs 1. Druckregelkreis Aufgabe 1: Aufgabe 2: Aufgabe 3: Aufgabe 4: Aufgabe 5: Aufgabe 6: Aufgabe 7: Aufgabe 8: Aufgabe 9: Aufgabe 10: Aufgabe 11: Rohrbiegemaschine Kennlinie eines Drucksensors A-3 Umformen von Kunststoffplatten Druck-Kennlinie eines stetigen Wegeventils A-13 Kaltfließpresse Regelstrecke zur Druckregelung A-25 Gewindewalzmaschine Kenngrößen einer PID-Reglerkarte A-33 Stempelmaschine Übergangsfunktion eines P-Reglers A-39 Spannvorrichtung Regelgüte eines Druckregelkreises mit P-Regler A-49 Spritzgießmaschine Übergangsfunktionen von I- und PI-Reglern A-61 Einpressen von Lagern Übergangsfunktionen von D-, PD- und PID-Reglern A-75 Schweißzange eines Roboters Empirisches Parametrieren eines PID-Reglers A-89 Andruckrolle einer Walzmaschine Parametrieren nach dem Ziegler-Nichols-Verfahren A-97 Abkantpresse mit Zuführeinrichtung Veränderte Regelstrecke mit Störgrößen A-105

26 A-2 2. Lageregelkreis Aufgabe 12: Aufgabe 13: Aufgabe 14: Aufgabe 15: Aufgabe 16: Aufgabe 17: Aufgabe 18: Aufgabe 19: Aufgabe 20: Aufgabe 21: Tischvorschub einer Fräsmaschine Kennlinie eines Wegsensors A-115 Kreuztisch einer Bohrmaschine Durchfluss-Kennlinien eines stetigen Wegeventils A-125 Vorschubeinheit einer Montagestation Lineareinheit als Regelstrecke zur Lageregelung A-141 Fahrzeugsimulator Aufbau und Inbetriebnahme eines Lageregelkreises A-159 Konturenfräsen Schleppfehler im Lageregelkreis A-173 Bearbeitungszentrum Lageregelung mit veränderter Regelstrecke A-185 Bohren von Lagersitzen Inbetriebnahme eines Lageregelkreises mit Störgrößen A-191 Vorschub einer Stoßmaschine Kenngrößen und Übergangsfunktionen eines Zustandsreglers A-205 Papierzufuhr einer Druckmaschine Parametrieren eines Zustandsreglers A-215 Flachschleifmaschine Lageregelkreis mit Störgrößen und aktiver Last A-227

27 A-3 Aufgabe 1 Regelhydraulik Rohrbiegemaschine Sachgebiet Titel Die Funktionsweise des Drucksensors kennenlernen Eine Kennlinie aufnehmen und auswerten können Die Bedeutung einer Kennlinie verstehen Lernziel Der Sensor Fachwissen Ein Sensor erfasst eine physikalische Größe wie z.b. Druck, Temperatur, Durchfluss oder Drehzahl und wandelt diese in ein elektrisches oder mechanisches Signal um. Die Form des Ausgangssignals kann binär, digital oder analog sein. Das binäre Ausgangssignal beschreibt zwei Schaltzustände, z.b. EIN und AUS oder 0V und 10V. Das digitale Ausgangssignal entspricht einer Addition von gleich großen Impulsen, z.b. Inkremente eines Maßstabs oder Bits. Das analoge Ausgangssignal hat einen kontinuierlichen Verlauf. Es kann theoretisch jeden beliebigen Zwischenwert annehmen. Beispiele sind der Zeigerausschlag eines Manometers oder eines Voltmeters. Sensoren werden auch als Signalumformer, Signalwandler oder im Zusammenhang mit Regelkreisen als Messsystem oder Messumformer bezeichnet. Der analoge Drucksensor Dieser Sensor wandelt die Messgröße Druck in ein analoges, elektrisches Signal um. Die Kenndaten des Sensors sind: Versorgungsspannung Eingangsgröße Ausgangsgröße 13V bis 30V 0bar bis 100bar 0V bis 10V oder 4mA bis 20mA

28 A-4 Aufgabe 1 Bild A1.1: Schaltung und Blockschaltbild des analogen Drucksensors Die Kennlinie Der Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsgröße eines Sensors wird durch die Kennlinie beschrieben. Es lassen sich folgende Kenngrößen ablesen (Siehe auch Bild A1.2): Eingangsbereich oder Messbereich zwischen kleinstem und größtem messbaren Eingangswert. Ausgangsbereich zwischen kleinstem und größtem möglichen Ausgangssignal. Im linearen Bereich verläuft die Kennlinie als Gerade. Hier ist die Steigung konstant, und es gibt eine eindeutige Zuordnung zwischen der Änderung des Eingangssignals und der Änderung des Ausgangssignals. Zur Messung von Eingangsgrößen in diesem Bereich ist der Sensor besonders geeignet. Der Übertragungsfaktor (häufig auch Verstärkung genannt) entspricht der Steigung der Kennlinie im linearen Bereich. Er errechnet sich dementsprechend aus der Änderung des Ausgangssignals im Verhältnis zur Änderung des Eingangssignals: Ausgangssignal Übertragungsfaktor K = Eingangssignal Die Hysterese beschreibt den Unterschied zwischen Kennlinien, die mit steigender und solchen die mit fallender Messgröße aufgenommen wurden. Sie soll möglichst klein sein. Als Kenngröße gilt der maximale Unterschied prozentual bezogen auf den Eingangsbereich: max. Aufweitung Hysterese H = 100% Eingangsbereich

29 A-5 Aufgabe 1 Bild A1.2: Kennlinie eines Sensors

30 A-6 Aufgabe 1 Problembeschreibung Mit einer Rohrbiegemaschine werden Rohre verschiedener Durchmesser, Wandstärken und Werkstoffe mit unterschiedlichen Radien gebogen. Die jeweils benötigte Biegekraft wird von einem Hydraulikzylinder aufgebracht. Der Druck im Hydraulikzylinder wird mit einem Druckregelkreis konstant gehalten. Das Messsystem im Druckregelkreis ist ein Drucksensor. Im Rahmen von Wartungsarbeiten soll der Regelkreis neu eingestellt werden. Zuerst werden die Kenndaten des Messsystems überprüft. Hierfür wird die Kennlinie des Drucksensors aufgenommen. Lageplan Aufgabenstellung Kennlinie des Drucksensors 1. Messschaltung entwerfen und aufbauen 2. Kennlinie des Drucksensors aufnehmen 3. Kenngrößen des Drucksensors aus den Messergebnissen ableiten

31 A-7 Aufgabe 1 1. Messschaltung Durchführung Oft muss eine Kennlinie vor Ort mit den dort vorhandenen Geräten aufgenommen werden. So wird die Eingangsgröße des Drucksensors (= Druck in bar) mit einem Manometer und die Ausgangsgröße (= Spannung in V) mit einem Multimeter gemessen. Die Genauigkeit einer solchen Messschaltung ist für eine Überprüfung der Funktion des Sensors meistens ausreichend. In die hydraulische Schaltung wird ein Druckbegrenzungsventil eingebaut, mit dem unterschiedliche Drücke eingestellt werden. Diese werden mit dem Manometer angezeigt. Die elektrische Schaltung besteht aus der Spannungsversorgung des Drucksensors und einem Spannungsmessgerät für das Ausgangssignal des Drucksensors. 2. Kennlinie Zunächst wird das Druckbegrenzungsventil ganz auf gedreht. Der gesamte Ölstrom fließt drucklos von der Pumpe zum Tank zurück. Die Anzeige des Drucksensors beträgt 0V. Dann wird durch Zudrehen des Druckbegrenzungsventils der Druck stufenweise erhöht. Die Druckstufen und die Anzeige des Drucksensors werden in die Wertetabelle eingetragen. Nachdem der Maximaldruck der Pumpe erreicht ist, wird die Messreihe mit fallendem Druck wiederholt. Beim Aufnehmen der Kennlinie ist zu achten auf genaue Einstellung der Druckwerte und steigende bzw. fallende Messrichtung. Die Kennlinie des Drucksensors wird dargestellt durch Auftragen von Eingangsgröße (Druck p in bar) auf der x-achse und Ausgangsgröße (Spannung U in V) auf der y-achse.

32 A-8 Aufgabe 1 3. Kenngrößen Die wichtigsten Kenngrößen des Drucksensors sind: Messbereich, Anschlusswerte, Übertragungsfaktor, Hysterese. Diese Werte können aus dem Datenblatt entnommen werden. Oft ist jedoch eine Überprüfung durch eine Messreihe notwendig. Mit den vorhandenen Geräten kann der Messbereich des Drucksensors nicht vollständig dargestellt werden. Da die Pumpe weniger als 100bar liefert, kann nicht der gesamte Eingangsbereich des Drucksensors durchfahren werden. Trotzdem kann der Übertragungsfaktor im linearen Bereich errechnet werden, der für die Einstellung eines Regelkreises am wichtigsten ist. Eine Hysterese zu errechnen ist nicht sinnvoll, da eventuell vorhandene Unterschiede eher durch die Ungenauigkeit des Manometers bedingt sind als durch die Eigenschaften des Drucksensors.

33 A-9 Aufgabe 1 ARBEITSBLATT Kennlinie des Drucksensors 1. Messschaltung Machen Sie sich mit den benötigten Geräten vertraut. Welche Kenngrößen beschreiben den Drucksensor? Eingangsbereich: Ausgangsbereich: Versorgungsspannung: Nennen Sie auch Kenngrößen des Manometers: Messbereich: Messgenauigkeit: Bauen Sie die Messschaltung auf, zuerst den hydraulischen, dann den elektrischen Teil. Schaltplan, hydraulisch

34 A-10 Aufgabe 1 Schaltplan, elektrisch 2. Kennlinie Drehen Sie das Druckbegrenzungsventil ganz auf. Schalten Sie zuerst die Spannung ein. Schalten Sie dann die Hydraulikpumpe ein. Welches Ausgangssignal liefert der Drucksensor? Drehen Sie das Druckbegrenzungsventil langsam zu. Fahren Sie so den Messbereich einmal probehalber durch.

35 A-11 Aufgabe 1 ARBEITSBLATT Nehmen Sie die Kennlinie des Drucksensors auf. Beachten Sie die Messrichtung: steigende oder fallende Eingangsgröße! Messgröße und Einheit Messwerte Messrichtung Wertetabelle Druck p in bar Spannung U in V steigend Spannung U in V fallend Tragen Sie die Messwerte in das Diagramm ein. Kennzeichnen Sie die Achsen: x-achse mit der Eingangsgröße y-achse mit der Ausgangsgröße Diagramm

36 A-12 Aufgabe 1 3. Kenngrößen Ermitteln Sie folgende Kenngrößen aus dem Diagramm: Eingangsbereich: Ausgangsbereich: Messbereich: Linearer Bereich: Übertragungsfaktor: Hysterese: Wie beurteilen Sie die Verwendung dieses Drucksensors im Rahmen der mit diesem Gerätesatz vorgesehenen Schaltungen? Begründen Sie Ihre Meinung: