A. Problem- und Aufgabenstellung

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1 A. Problem- und Aufgabenstellung Allgemeines Ein mittelständisches Maschinenbauunternehmen stellt Getriebe für die Autoindustrie in großer Stückzahl her. Dies gilt insbesondere für einen bestimmten Getriebetyp. Deshalb hat die Betriebsleitung entschieden, das Fertigen und Fügen von Zahnrad und Getriebewelle zu automatisieren. Die Anlage besteht im Wesentlichen aus einer Bohrstation für die Rohlinge, einer Station zum Herstellen der Zähne (nicht abgebildet) und einer Fügestation. Als Mitarbeiter dieser Firma sind Sie an diesem Projekt mit der Lösung einzelner Teilaufgaben beteiligt. In Ihrer Verantwortung liegen Automatisierungsaufgaben sowie die Dimensionierung und Auswahl einzelner Komponenten. Ein Technologieplan für die Bohr- und Fügestation liegt vor. Technologieschema Bohrstation Technologieschema Fügestation Beide Abbildungen: Dzieia, Jagla, Kaese: Metalltechnik Lernfelder Fachstufe: Industriemechanik Fachwissen. Schülerbuch, 2. Auflage, S. 381/366, Braunschweig,

2 1. Aufgabe 1.1 Teilsysteme der Anlage (5 Punkte) Arbeiten Sie sich zunächst in die Anlage ein, indem Sie die fünf Teilsysteme der oben abgebildeten Anlage nennen und deren Funktion, Aufgaben und Abhängigkeiten kurz darstellen und erläutern. 1.2 Hydraulikanlage der Fügestation Der Stempel des Hydraulikzylinders nähert sich im Eilgang (EV) mit einer Geschwindigkeit von v EV = 30 mm/s dem Zahnrad und presst dieses danach im langsamen Arbeitsgang (AV) mit einer Geschwindigkeit von v AV = 2 mm/s und einer Einpresskraft von F = N auf die Welle. Der Rückhub des Stempels (ER) erfolgt wieder im Eilgang Hydraulikschaltung (4 Punkte) Der Hydraulikplan der Anlage ist im Anhang abgebildet. Beschreiben Sie für Ihren Kollegen stichwortartig unter Verwendung des Hydraulikplanes die unter 1.2 dargestellte Funktionsweise der Presse (Sensorbetätigungen, Ventilstellungen, Ölströme) Pumpenauslegung (4 Punkte) Um die Hydraulikpumpe bestellen zu können, müssen Sie den erforderlichen Druck p in bar und die notwendige Fördermenge Q in l/min der Pumpe berechnen Pumpenantrieb (Elektromotor) (6 Punkte) Ihre bestellte Pumpe liefert einen Druck von p = 120 bar und fördert eine Ölmenge von Q = 10 l/min. Weiterhin ist dem Datenblatt der Pumpe zu entnehmen, dass sie pro Umdrehung der Pumpenwelle ein Volumen von V = 0,007 Liter/Umdrehung fördert. Der Wirkungsgrad der Pumpe wird mit 80 % angegeben. Die Pumpe wird durch einen Elektromotor angetrieben. (siehe auch Bild im Anhang). Ermitteln Sie für die Kollegen der Elektroabteilung das Drehmoment die Drehzahl und die Leistung des Elektromotors an der Motorwelle. 2

3 2. Aufgabe Funktionsbeschreibung: Nach dem Aktivieren der Anlage über die Start-Taste wird der Arbeitszyklus aus der Grundstellung heraus gestartet. Der Zuführzylinder 2A1 schiebt eine Platte aus dem Magazin und drückt sie gegen den Endanschlag. Dadurch wird das Zahnrad fixiert. Nun beginnt der Bohrvorgang, wobei der Hydraulikzylinder 1A1 zunächst im Eilvorlauf (EV= Schnelle Fahrt) die Bohrspindel bis zum Endschalter B13 abwärts fährt und dann den eigentlich Bohrvorgang im Arbeitsvorschub (AV= Langsame Fahrt) ausführt. Nach einer Verweilzeit von einer Sekunde bewegt der Hydraulikzylinder 1A1 die Bohrspindel im Eilrücklauf (ER= Schnelle Fahrt) wieder nach oben. Nun fährt der Zylinder 2A1 zurück und das fertige gebohrte Teil wird durch den Auswurfzylinder 2A2 auf eine Rutsche befördert, die das Werkstück zum nächsten Arbeitsgang befördert. Die Anlage befindet sich wieder in der Grundstellung. Der Arbeitszyklus soll durch eine Kontrollleuchte P3 angezeigt werden. 2.1 Positionsmessung der Bohrspindel (6 Punkte) Um die Position der Bohrspindel zu messen, ist am Hydraulikzylinder ein Wegmesssystem in Form eines Potentiometers (5kΩ) angebracht. Die gemessene Spannung U M soll in der SPS weiterverarbeitet werden und deshalb auf 0..10V begrenzt werden. Skizzieren Sie eine geeignete Schaltung, die mit U B =24V versorgt wird und die Messspannung entsprechend herunter teilt. Berechnen Sie den benötigten Vorwiderstand. Abbildung: Dzieia, Jagla, Kaese: Metalltechnik Lernfelder Fachstufe: Industriemechanik Fachwissen. Schülerbuch, 2. Auflage, S. 381, Braunschweig,

4 2.2 Reflexions-Lichttaster mit Hintergrundausblendung (5 Punkte) In der Anlage wird zur Erkennung von Bauteilen ein Reflexions-Lichttaster mit Hintergrundausblendung verwendet. Beschreiben Sie anhand des Datenblattes im Anhang die Funktionsweise des Sensors. Der Sender und der Empfänger sind in einem Gehäuse untergebracht und haben einen Abstand von 5 cm. Um die Hintergrundausblendung zu realisieren, strahlt der Sender seine Energie in einem Winkel von 5 ab. Berechnen Sie, in welchem Abstand zum Sensor die Objekte sicher erkannt werden. 4

5 2.3 Zuordnungsliste (8 Punkte) Wie aus dem Technologieschema und dem Hydraulikplan ersichtlich, werden zur Steuerung der Anlage unterschiedliche Sensoren und Aktoren eingesetzt. Ermitteln Sie alle benötigten Sensoren und Aktoren und stellen Sie diese in Form einer Zuordnungsliste dar! Zuordnungsliste Symbol S1 Adresse Datentyp Kommentar B7 B8 B9 B10 B11 B12 B13 B14 B15 P3 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 5

6 2.4 GRAFCET (16 Punkte) Entwickeln Sie einen GRAFCET aus dem aufgezeigten Technologieschema und dessen Anlagenbeschreibung. 3. Aufgabe Das Zahnrad (aus Stahl) mit einem Teilkreisdurchmesser von 160 mm und einer Breite von 20 mm wird mittels Vakuumsaugern vom Werkstückträger zur Welle transportiert und darauf positioniert Dimensionierung der Saugereinrichtung (6 Punkte) Sie erhalten den Auftrag, die Saugereinrichtung zu dimensionieren, indem Sie Durchmesser und Anzahl der Vakuumsauger festlegen (siehe Daten im Anhang). Bei der Berechnung der Masse ist die Bohrung des Zahnrades nicht zu berücksichtigen. Die Vakuumeinheit erzeugt einen Unterdruck von p = - 0,7 bar. 3.2 Überprüfen einer Sicherheitsvorrichtung (8 Punkte) In Ihrem Team wurde beschlossen, dass die Einheit mit dem Vakuumsauger bei Druckoder Spannungsausfall aus Sicherheitsgründen mit einer Feder nach oben fahren soll. Dafür haben Sie bereits eine neue Konstruktion (siehe Bild unten) für den Zylinder 2A1 erstellt. 6

7 Federdaten: Länge unbelastet l 0 = 240 mm Federrate R = 2 N/mm Blocklänge L N = 60 mm Sicherheit: 3fach Sie sollen die Einbaulänge l = 145 mm und den Durchmesser d = 50 mm überprüfen und gegebenenfalls konkrete und begründete Änderungen vorschlagen. 3.3 Pneumatikplan (2 Punkte) Skizzieren Sie für den neuen Zylinder 2A1 (siehe 3.2) den Pneumatikplan, um die technischen Unterlagen zu vervollständigen. Abbildung: Dzieia, Jagla, Kaese: Metalltechnik Lernfelder Fachstufe: Industriemechanik Fachwissen: Schülerbuch, 2. Auflage, S. 371, Braunschweig,

8 4. Aufgabe (Optionales Lerngebiet) Zur Vereinfachung der Montage soll auf das hydraulische Einpressen der Zahnräder verzichtet werden. Dazu werden die Zahnräder in einem elektrischen Ofen aufgeheizt, so dass sie sich anschließend ohne Kraftaufwand auf die Welle schieben lassen. Die Zahnräder müssen dazu auf eine Temperatur von genau 240 C aufgeheizt werden. 4.1 Regelstruktur (7 Punkte) Beschreiben Sie anhand einer Skizze die Regelstruktur und benennen Sie alle regelungstechnischen Größen. Ermitteln Sie mögliche Störgrößen. 4.2 Streckenidentifikation (6 Punkte) Die folgende Sprungantwort der Regelstrecke (Ks=1) wurde durch einen Aufheizversuch ermittelt. Beschreiben Sie den Typ der Regelstrecke. Analysieren Sie die Regelstrecke und ermitteln Sie die Streckenparameter Tu und Tg Temperatur 1 Division (1 Kästchen) = 20 C Start 1 Division (1Kästchen) = 2 Minuten Zeit 8

9 4.3 Reglerentwurf (4 Punkte) Ermitteln Sie die Formeln für die optimalen Reglereinstellungen nach Chien, Hrones und Reswick des PI Reglers für Störungsverhalten mit einem maximalen Überschwingen von 20%. Berechnen Sie die Reglerparameter, für eine Regelstrecke mit den Streckenparametern T u = 20 s und T g = 5 min. 4.4 Realisierung (13 Punkte) Sie möchten den PI Regler durch eine zeitdiskrete Abtastregelung mittels der SPS selbst realisieren. PI Regler: Zeitdiskret: Entwerfen Sie einen geeigneten Baustein für eine strukturierte Programmierung. Wählen Sie einen FC oder FB Baustein und begründen Sie Ihre Auswahl. Definieren Sie alle Ein- und Ausgänge. Überführen Sie die gegebene Differenzialgleichung aus der zeitdiskreten Form in den Geschwindigkeitsalgorithmus und entwickeln Sie den Algorithmus in SCL. 9