CAM Kapitel 1E230512

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1. Automatisierungstechnik

1.1 Begriffsabgrenzung Automatisierungstechnik

Das Wort "automatisch ist griechischen Ursprungs und bedeutet "von selbst geschehend. Manverwendet diesen Begriff heute im Sinne von selbstttig arbeitend. Automaten sind somitselbststndig arbeitende technische Gebilde.Automat ion ist der durch Automatisierung erreichte Zustand einer technischen Entwicklung,der durch Einsatz weitgehend bedienfreier Arbeits- und Produktionssysteme gekennzeichnetist. In Bild 1.1sind 3 verschiedene Automatisierungsstufen gegenbergestellt.

Bild 1.1: Begriffsabgrenzung Automatisierungstechnik

Unter Hantierungversteht man die vollstndige Ausfhrung des Arbeitsprozesses durch denMenschen. Alle einzelnen Operationen des Arbeitsprozesses werden vom Menschenausgefhrt. Historisch gesehen war diese Fertigung die Domne des Handwerks.

Der Arbeitsprozess kann in verschiedene einzelne Operationen zerlegt werden.

Von Mechanisierung spricht man, wenn diese Teilaufgaben einem Automaten bertragenwerden und nicht mehr vom Menschen ausgefhrt werden. Dies fhrt zu einer Ersetzungmenschlicher Arbeitskraft durch Maschinen. Der vollstndige Arbeitsprozess muss aber vomMenschen ausgefhrt werden, indem er auf die durch Maschinen durchgefhrten Teilaufgabenzurckgreift.. Da diese Teilaufgaben zu Zeitpunkten, die durch die Maschine bestimmt sind, zurVerfgung gestellt werden, ist der Mensch in den Zeittakt der Maschine eingebunden.

Automat is ierung bedeutet die Anwendung von technischen Mitteln mit deren HilfeArbeitsprozesse nach einem vorgegebenen Programm selbstttig ablaufen. Durch dieAutomatisierung wird der Mensch von monotonen Verrichtungen, die an den Zeittakt einerMaschine gebunden sind befreit, und er erhlt eine hherwertige berwachende Aufgabe. DieTechnik, die hierzu notwendig ist wird Automatisierungstechnik genannt. Unter dem Begriff"Automatisierungstechnik" versteht man die interdisziplinre Anwendung von Informatik,Antriebstechnik, Messtechnik, Regelungstechnik und Steuerungstechnik.

1.2 Kennzeichen der Automatisierungstechnik

Whrend die Mechanisierungden Menschen von schwerer krperlicher Arbeit entlastet, befreitihn die Automatisierung von der monotonen, krperlichen Arbeit, die im Zeittakt derMaschinen zu leisten ist. Die Automatisierung bietet so die Mglichkeit Arbeit "sich selbsterledigen zu lassen". Bei der Entwicklung moderner technischer Produktionsverfahren werdenheute gleichzeitig die dazugehrigen automatisierten Einrichtungen geplant und entwickelt. Diehchste Stufe der Automatisierung wurde durch den Einsatz von Prozessrechnern in derVerfahrenstechnik bei der Fliegterproduktion sowie in der Energietechnik bei derRegelung der Leistungsabgabe der heute vollautomatisch betriebenen Kraftwerke erzielt.In der Stckguterzeugung erfolgt die Herstellung von Einzelteilen in groen Mengen durchEinzelautomaten; durch die Automat is ierung des Transports zwischen verkettetenEinzelautomaten werden verschiedene Bearbeitungsgnge auf Transferstraen

Begriff Einzelne Operation Vollstndiger Arbeitsprozess Bemerkung

Hantierung nicht selbstttig nicht selbstttig HandwerkMechanisierung selbstttig nicht selbstttig Mensch ist Teil des

ArbeitsprozessesAutomatisierung selbstttig selbstttig Prozessablauf ohne

menschlichen Eingriff

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zusammengefasst. Die Automatisierung der Montage von Stckgtern ist bei vielenMassenprodukten technisch gelst, oft aber noch nicht wirtschaftlich genug oder in komplexenFllen mit heute eingesetzten numerischen Steuerungen noch nicht erreichbar. Jedoch lassensich in vielen Fllen mit numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinenauch kleinere Serienoder komplizierte Einzelteile wirtschaftlich herstellen und mit Industrierobotern sogarFliebandfertigung vollautomatisch ausfhren (Kraftfahrzeugindustrie).

Mit Hilfe von Automaten knnen Arbeiten nicht nur schneller, sondern berhaupt erst mit dergewnschten Przision durchgefhrt werden, die fr den reibungslosen Ablauf in derGroserien- und Massenfertigung erforderlich ist. Nach vorgegebenen Programmen, die inspeziellen Speichern abgelegt sind, laufen die Arbeitsvorgnge stndig wiederholbar ab. DieProdukte werden bei fortschrittlichen Automat is ierungseinrichtungen automatisch geprft,sortiert und Korrekturen im Fertigungsprozess veranlasst. Die Automatisierung fhrt zurFreisetzung von Arbeitskrften und zur Vernderung des Anforderungsprofils in Richtung aufeine hhere Qualifikation der Arbeitskrfte. Die Entlastung der Arbeitskrfte von krperlichschweren, gefhrlichen, gesundheitsschdlicher und hinsichtlich der geistigen Beanspruchungmonotonen Arbeiten fhrt zur Humanisierung der Arbeitswelt. Ohne Bercksichtigung vonStaatsverbrauch und Unternehmensinvestitionen kann allein der Konsum der privatenHaushalte einer heutigen Volkswirtschaft bei Verzicht auf Automatisierung nicht gedecktwerden.

1.3 Histor ische Entwicklung der Automatisierungstechnik

Die Wurzeln der Automatisierungstechnik liegen im Mittelmeerraum, beginnend mit dem 3. bis4. Jahrhundert vor Christus. Die Griechen waren zu dieser Zeit das gebildetste Volk der Welt.Es gab trotz fehlenden Schulzwangs bei dem Volk von 15 Mio. Griechen kaum Analphabeten.Der Hhepunkt der antiken Technik in der Zeit des Hellenismus verbindet man heute mit denNamen der drei Mechaniker Ktesibios, Philon und Heron. Bei ihnen befinden sich diefrhesten bekannten Regelungen und es lsst sich zeigen, dass die Tradition dieser

Regelungen sich bis ins arabische Mittelalter erhalten hat.Eines der ltesten Automatisierungsgerte ist das Weckwerk (Bild 1.2) von Platon (400 v. Chr.),das im Garten seiner Akademie stand und allmorgendlich seine Schler weckte, die auf demAkademiegelnde schliefen.

Bild 1.2: Weckwerk von Platon (400 v. Chr.)

Einer der bedeutendsten Erfinder des Altertums , Ktesibios, schuf um 280 v. Chr. eineWasseruhr mit Niveauregler und Ablesetrommel (Bild 1.3), bei der erstmals eineSchwimmerregelung eingesetzt wurde. Die Ablesetrommel bercksichtigte die aktuelleTageslnge und wurde nach dem Sternbild ein gerichtet.

Die Bleikugel B fiel von dem Tel-ler A.Als der Teller A durch den Was-serstanddesGefes C angeho-ben wurde.Dies ist dasPrinzip einer Wasser-uhr,beider Wasser von einem

oberen Gef inein unteres, dasmit Zeitmarken versehen ist, berein Ventil(Drossel) abfliet.Die Genauigkeit dieser Zeitmes-sung hngt von der Durchflussge-schwindigkeit des Wassers ab,die vom Wasserstand vorgegebenwird.

A: TellerB: BleikugelC: Unteres Gef der WasseruhrD: ZimbalS: Nase am Teller

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Bild 1.3: Wasseruhr des Ktesibios (280 v. Chr.)

Die erste pneumatische Steuerung wurde von Heron im Jahre 120 v. Chr. bei einemautomatischen Tempelffner (Bild 1.4) eingesetzt.

Bild 1.4: Automatischer Tempelffner nach Heron (120 v. Chr.)

Heron entwickelte auch das erste Automobil (100 v. Chr.). In Bild 1.5ist eine Schnittzeichnungdargestellt. Das Bleigewicht sinkt mit der in den unteren Behlter rieselnden Fllmasse nachunten und treibt ber einen Seilzug den Wagen an.

BCDE: berlaufgef im WasserflussG : Schwimmer des ReglersKLMN: HauptgefP : Schwimmer fr die Anzeige der

UhrzeitO : WasserabflussSTUV: ZeitablesetrommelQ : Figur mit Uhrzeiger

Im Punkt A wurde Wasser zugefhrtund im Punkt O konnte das Wasser zurRckstellung der Uhr abgelassenwerden. Der Schwimmer G sperrt beisteigendem Wasserstand im berlauf-gef den Wasserzufluss, in dem er

nach oben bewegt wird und das Ventilschliet. Bei sinkendem Wasserspiegelwird der Wasserzufluss geffnet. Somitbleibt das Niveau des Wasserstandesund somit der Druck im berlaufgefkonstant. Damit wird dieGanggenauigkeit der antiken Wasser-uhr erheblich verbessert.Selbst Galilei verwendete zur Zeitmes-sung eine Wasseruhr mit Niveaurege-

lung, da diese um 1600 n. Chr. genau-er war als die damals bekannten Uhrenmit Waaghemmung.

Das Auflodern oder Erlschendes Opferfeuers bewirkt eineAufblhung oder Zusammenzie-hung des luftgefllten Sackes

(Gasgesetz:T

Vp = const.).

Somit wird ber ein Gewicht dieTempeltr geffnet (bzw. ge-schlossen) und der Blick auf denAltar freigegeben.

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Bild 1.5: Automobil nach Heron (100 v. Chr.)

Mit der beginnenden Renaissance Mitte des 14. Jahrhunderts wurde die technischeEntwicklung mit mathematischen Methoden beschrieben. Nicolaus von Cues, Bischof vonBrixon, formulierte 1450 den Wissenschaftsanspruch der Techniker:

"Naturwissenschaft habe nur dort ihre Berechtigung, wo sie messen, wgen undzhlen knne. Mechanik ist nur dort zu vertreten, wo sie auf Mathematik gegrn-det ist."

Bild 1.6: Bratenwender nach Leonardo da Vinci

,: Bleigewichte : Fllmasse

Leonardo da Vinci (1452 1519), dasUniversalgenie der Renaissance, schlugneben vielen anderen Erfindungen einenBratenwender (Bild 1.6) vor, der je nachWrmezufuhr, den Braten mehr oder wenigerschnell mit einem Spie dreht. Der Braten-

wender arbeitet also in einem geschlossenenRegelkreis.

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Bild 1.7: Rderuhr mit Waag (etwa 1300)

Bild 1.8: Pendeluhr von Huygens (1656)

Die Uhrenentwicklung wurdemit der Erfindung von derRderuhr (Bild 1.7) mit

Waaghemmung (Erfinderunbekannt) fortgesetzt. DieDrehbewegung des Kronrades Iwird von dem Antriebsgewicht Averursacht. Die Massentrgheitdes Waagbalkens L verursachtdie Hemmung des Kronrades.Die hohe Gangunsicherheitdieser Uhr (0,5 bis 1 Stunde proTag) war dadurch bedingt, dassdie Waag keine freie

Schwingungen ausfhrte.

L: WaagbalkenI : KronradA : AntriebsgewichtO : Uhrzeigerm: Waaggewichte

Von Huygens wurde 1656 dieWaag durch ein Pendel ersetzt(Bild 1.8). Das Pendel fhrtunabhngig vom Pendelaus-schlag eine freie Schwingungmit konstanter Schwingfrequenzaus, was zu einer hohen Gang-genauigkeit fhrt. Dieses Prin-zip wurde von Galilei kurz vorseinem Tod 1641 erst entdeckt,aber nicht mehr realisiert.

Huygens erfand 1674 auch dieUnruhe fr Taschenuhren, dieaus Spiralfeder und Massebesteht.

T: PendelgewichtL: Kronrad

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Im 17. Jahrhundert wurde erstmals ein schnellwechselbarer Programmspeicher in Form derStiftwalzen fr Glockenspiele eingesetzt.B19

Bild 1.9: Glockenspiel mit Laufwerk und Stiftwalze (Kirchner 1650)

Das Zeitalter der Industrialisierung ist mit der Erfindung der Dampfmaschine verbunden. DerenEntwicklung dauerte etwa 150 Jahre und wurde durch James Watt (1736 1819)abgeschlossen. Die im Jahre 1784 gebaute Dampfmaschine mit Drehzahlregler war eine fr diedamaligen technischen Bedrfnisse befriedigende Lsung.

Bild 1.10: Dampfmaschine von Watt (1789 1800)

Im Jahre 1798 entwickelten Watt und Boulton den Fliehkraftregler, mit dem die Drehzahl der

(

Die Stiftwalze stellt einen mechani-schen Speicher dar, der durch um-stecken der Stifte programmierbar ist.Stiftwalzen wurden als Pro-grammspeicher vielfltig eingesetzt,z.B. in Musikwerken, Spielauto-matenoder Kriegsgerten.Bild 1.9)zeigt ein Glockenspiel mitLaufwerk und einer program-mierbaren Stiftwalze, welches vonKirchner 1650 gebaut wurde.

Ein durch Pulverexplosion bewegterKolben wurde bereits 1650 von Huygensgebaut. Papin (1647 1712) verwendetezur Bewegung des KolbensWasserdampf und plante den Einsatz vonHochdruckdampf, worber er mit Leibnitzkorrespondierte.Newcomen (1663 1727) entwickelteeine Maschine, die im englischenBergbau eingesetzt wurde. James Wattverbesserte den Wirkungsgrad dieser

Maschine durch Trennung von Zylinder u.Khlkondensator und in Zusammenarbeitmit Boulton wurde 1782 die trans-latorische Bewegung des Zylinders in ei-ne rotatorische Bewegung umgesetzt. Esentstand die doppelt wirkende Dampfma-schine mit rotierender Bewegung. DieUmsetzung der translatorischen in einerotatorische Bewegung erfolgte aufDrngen Boulton's, dem Watt nurwiderwillig folgte, da er sich von diesem

Antrieb keine groen Geschftserfolgeversprach (Bild 1.10).

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Maschine konstant gehalten wurde (P-Regler) (Bild 1.11). Bemerkenswert ist, dass der Flieh-kraftregler bereits 1787 von Mead im Windmhlenbau eingesetzt wurde, sich dort aber nichtdurchsetzen konnte.

Bild 1.11: Fliehkraftregler von Watt Boulton (1798)

Weitere Regelungen an Dampfmaschinen waren:

- Wasserstandsregelung im Kessel (Schwimmerregelung)- Automatisches Sicherhei tsventi l- Fuchsscheibe zur Regelung der Luftzufuhr in Abhngigkeit vom Dampfdruck

Der Wunsch nach hherer Drehzahlkonstanz brachte die Erkenntnis, dass es nicht gengt dieVerstrkung stndig zu erhhen. Man erkannte auch, dass es Flle gibt (Hammerwerke), bei

denen Fliehkraftregler mehr schaden als ntzten. Ohne die Ursachen dieser Probleme zukennen entwickelten Werner und Wilhelm von Siemens den 1845 gebauten "Differenzregulator"(Bild 1.12).

Bild 1.12: Differenzregulator, Werner & Wilhelm v. Siemens (1845)

Eine Welle ist in der Mitte geteilt und ber ein Schrauben-Gewindestck verbunden. Die

Schraube sitzt axial beweglich im Lager und das Gewindestck ist fest. Die Schraubenwelle sollals Istwert-Eingang und die Gewindewelle als Sollwert betrachtet werden. Sind beideDrehzahlen gleich, bewegt sich die Schraubenwelle nicht. Entsteht eine Differenzdrehzahl,dann bewegt sich die Schraubenwelle axial und kann ein Dampfzufhrventil bettigen. Damitwar der I-Regler erfunden, man wusste aber nicht, dass er spter einmal so genannt werdenwird.

Die Drehzahlregelung von Dampfmaschinen bewegte die Fachwelt das gesamte 19.Jahrhundert. 1877 wurde von Wischnegradski, russischer Finanzminister und Technikprofessor,erstmalig beschrieben, dass der Regelungsablauf nicht vom Regler allein, sondern auch vonder zu regelnden Strecke abhngt.Hurwitz gab erstmals ein exaktes Stabilittskriterium an. 1932 verffentlichte Nyquist seineArbeit ber die mathematische Behandlung von regelungstechnischen Problemen mit Hilfe desFrequenzgangverfahrens, welches Aussagen zur Stabilitt und zur Stabilittsgte gestattet.

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Die erste vollautomatische Fabrik wurde 1784 von Evans als vollautomatische Getreidemhlegebaut. Als Antrieb dienten Wasserrder.Der Produktionsprozess besa drei Mhlsteine, Reini-gungsfugen, Siebwalzen und Khlungsrechen. Die einzelnen Bearbeitungsstufen waren durchautomatische Transporteinrichtungen verbunden. Dies waren Frderschnecken fr die horizon-tale oder schrge Frderrichtung und Schpfeimerketten (Paternosterketten) fr die senkrechteFrderrichtung. Die einzelnen Bauelemente dieses Systems waren bereits bekannt (archi-medische Spirale 250 v. Chr. und Wassermhle, Viturv 24 v. Chr.). Neu aber war die Kombina-

tion der Bauteile zu einer automatisierten Fertigungseinrichtung.

Die Weiterentwicklung von programmierbaren Informationsspeichersystemen wurde durch dieErfindung des lochkartengesteuerten Musterwebstuhls von Jaquard 1805 (Bild 1.13)mageblichgeprgt.

Bild 1.13: Jaquard Webstuhl (1805)

Angeregt durch die Erfindung von Jaquard erfand Hollerith 1880 das nach ihm genannteHollerith-Verfahren zur Auswertung statistischen Materials mit Hilfe von auf Lochkarten

gespeicherten Daten. Damit wurde 1890 die Volkszhlung in den USA in auerordentlich kurzerZeit ausgezhlt und ausgewertet. Die Hollerith-Karte enthlt Daten, die als Lochung eingestanztwerden. Eine Sortiermaschine leitet die Karten gleicher Lochung in Sammelfcher, so dass dieDaten leicht unterschieden werden knnen. 1924 wurde der Name der Hollerith-Maschinenfirmain IBMumgewandelt.

Der Bau von Rechenmaschinen bewegte schon auerordentlich frh den menschlichenErfindungsgeist. Der chinesische Abakus, eine Art Rechenbrett, ist das lteste bekannteInstrument zum Rechnen. Die Griechen nannten eine hnliche Rechenhilfe "Tafel desPythagoras".Die ersten mechanischen Rechenmaschinen wurden im 17. Jahrhundert gebaut. Pascal ent-warf um 1650 eine Rechenmaschine zum Addieren und Subtrahieren mit Whlscheiben,Zahlen-schiebern, Rastrollen und Zahnrdern.Leibnitz konstruierte zunchst eine Rechenmaschine fr alle vier Grundrechenarten unter

Die Lochung entsprach dabei demeinzuwebenden Bildmuster fr die Kettenfden.Auf der Vierkantwalze Q wurden durch die

Lcher einer Lochkarte diejenigen Stelfreigegeben, die vor jedem Schtzenwurf desWebers, die dem Muster entsprechendenKettenfden anheben sollten. Nach jedem Wurfdreht sich die Achse Q um Umdrehungenweiter, so dass ein neuer Lochstreifen das Spielder Stel bestimmt.Von dieser Erfindung wurde das Heben derKettenfden gewhnlich von Kindern inanstrengender Handarbeit besorgt. Jaquarderhielt fr diese Erfindung von Napoleon eine

lebenslange Rente von 3000 frs.Bis zu Jaquard's Tod (1834) arbeiteten allein inLyon 30 000 Jaquard-Musterwebsthle.

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Anwendung der Staffelwalze und entwarf 1679 eine Rechenmaschine , die schon wesentlichePrinzipien heutiger Rechenwerke enthielt. Diese Maschine beruhte auf der binren Arithmetik.Ebenso gehen auf Leibnitz die ersten berlegungen zu einem logischen Kalkl und damit zurGrundlage der Schaltalgebra zurck.Erstaunlich ist, dass in China um 3000 v. Chr. das duale Zahlensystem bereits bekannt war,dann aber wieder in Vergessenheit geriet.

Der erste vollautomatische, programmgesteuerte Digitalrechner, auch Computer oder Daten-verarbeitungsanlage genannt, wurde von Konrad Zusegebaut. 1934 entwickelte er bereits dasKonzept und vollendete 1941 mit der Z3 den ersten programmierbaren Rechner in Relais-technik.Der Zuse-Rechner besa eine zentrale Programmsteuerung und variable Speicher fr Daten.Diese Elemente wurden bei dem 1946 fertiggestellten ENIAC-Rechner (Electronic NumericalIntegratorAnd Computer) erst nachtrglich hinzugefgt. ENIAC arbeitete mit 1800 Rhren undeiner Leistungsaufnahme von etwa 200 kW. Wegen der begrenzten Lebensdauer von Rhren,litt ENIAC stndig an Ausfallerscheinungen. Seine Leistung war damals auerordentlicheindrucksvoll. Eine Multiplikation dauerte 2,8 ms. Durch Anwendung der Halbleitertechnikwurde in 30 Jahren diese Zeit auf den tausendsten Teil reduziert.

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