Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg · LS-FB 4 03.07.13/Gi...

Berufliches Gymnasium der dreijährigen Aufbauform Schulversuch 45-6512-2410/78 vom 02.07.2013 LS-FB 4 03.07.13/Gi BG2-TG-Mechatr_Mechatronik_12_3790.doc

Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg

Erprobungslehrplan 45-6512-2410/78 vom 2. Juli 2013

Lehrplan für das berufliche Gymnasium der dreijährigen Aufbauform Technische Richtung (TG) Profil Mechatronik Mechatronik Eingangsklasse Jahrgangsstufe 1 und 2 Der Lehrplan tritt für die Eingangsklasse mit Wirkung vom 1. August 2012, für die Jahrgangsstufe 1 am 1. August 2013, für die Jahrgangsstufe 2 am 1. August 2014 in Kraft.

2 Mechatronik (Profilfach TG)


Vorbemerkungen Zukunftsfähige technische Lösungen erfordern neben fundiertem technischem Fachwissen ver-stärkt vernetztes Denken, um auch bei komplexen Problemstellungen erfolgreiche und nachhaltig wirksame Entscheidungen treffen zu können. Die Mechatronik als Ingenieurwissenschaft stellt die Funktionalität eines komplexen technischen Systems sicher, indem mechanische, elektronische und datenverarbeitende Komponenten verknüpft werden. Zielsetzung des Profils Mechatronik ist es, die in technischen Produkten und in der betrieblichen Praxis gängige Verschränkung von Maschinenbau und Elektrotechnik auch im Unterricht abzubil-den. Daher sind in den profilbezogenen Fächern neben den klassischen Themen aus diesen bei-den Ingenieurdisziplinen auch Elemente der Mechatronik enthalten. Die Schülerinnen und Schüler erwerben dadurch Fähigkeiten, die ihnen die systemische Denk- und Arbeitsweise der Ingenieur-wissenschaften erschließen und somit einen wissenschaftspropädeutischen Ansatz sicherstellen. Weitere Ziele des Unterrichts sind im Einzelnen: – technisches Grundlagenwissen aus den Bereichen Maschinenbau und Elektrotechnik sowie der

Mechatronik am Beispiel ausgewählter Themen zu vermitteln, – typische Arbeitsmethoden wie Analysieren, Problem lösen, experimentelles Arbeiten sowie Mo-

dellbildung und -bewertung einzusetzen, – disziplinübergreifende Fachsprache anzuwenden, – die Einsicht vermitteln, dass die Realisierung technischer Ideen von einer Vielzahl von Faktoren

wie z.B. von Werkstoffen, Fertigungsverfahren, ökonomischen und ökologischen Aspekten oder gesellschaftlicher Akzeptanz abhängt sowie

– durch verantwortungsbewusstes Handeln und Beachtung von Umweltschutz- und Sicherheits-vorschriften negative Auswirkungen des Arbeitsprozesses auf die Umwelt zu minimieren.

Im Profilfach Mechatronik werden die Themengebiete Maschinenbau und Elektrotechnik in den Lehrplaneinheiten der Mechatronischen Systeme aufeinander bezogen und vernetzt. Diese drei Bereiche werden parallel von der Eingangsklasse bis zur Jahrgangsstufe 2 entwickelt. Die Lehrplaneinheiten der Mechatronischen Systeme I bis II enthalten Themen der Steuerungs-technik, die Mechatronischen Systeme III Teilbereiche der Antriebstechnik. Die wesentlichen In-halte der Steuerungstechnik in der Eingangsklasse und der Jahrgangsstufe 1 sind dabei Elektro-pneumatik, verbindungsprogrammierte Steuerungen, Grundlagen der speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und Ablaufsteuerungen. In der Jahrgangsstufe 2 werden in den Mechatroni-schen Systemen III Problemstellungen der Antriebstechnik mit einem Drehstromasynchronmotor (DASM) sowie ergänzend hierzu Getriebe behandelt. In den Lehrplaneinheiten des Maschinenbaus werden die Grundlagen der technischen Mechanik, der Werkstoffkunde, der Fertigungs- und der Energietechnik erarbeitet. In der Eingangsklasse werden ergänzend hierzu Grundlagen in der technischen Kommunikation und der Pneumatik ge-legt. Im Rahmen der Lehrplaneinheit Fertigungs- und Prüfverfahren erwerben die Schülerinnen und Schüler durch eigenständige praktische Tätigkeit Kenntnisse im Umgang mit Werkzeugen und Maschinen in der Werkstatt sowie mit Prüfgeräten bei Laborversuchen. In den Jahrgangsstufen 1 und 2 erfahren die Schülerinnen und Schüler in den Lehrplaneinheiten Werkstoffe, Statik sowie Festigkeitslehre und Getriebe, dass die Anforderungen an eine techni-sche Konstruktion und die Art der Fertigung von Bauteilen eine gezielte Auswahl Beeinflussung der Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe erfordern. Sie lernen, wie diese Beeinflussung technisch durchgeführt wird.

Mechatronik (Profilfach TG) 3


Während in den übrigen Lehrplaneinheiten der Schwerpunkt in der mathematischen Beschreibung von technischen Fragestellungen liegt, sollen in der Lehrplaneinheit Energietechnik vermehrt übergreifende, systemtechnische Kenntnisse und Einsichten vermittelt werden. Hier können die Schülerinnen und Schüler bei der Beschäftigung mit den Grundbegriffen der Energietechnik und deren praktischer Anwendung in großtechnischen Energiewandlern in besonderem Maße die Zu-sammenhänge zwischen technischen Problemstellungen und gesellschaftspolitischen Fragestel-lungen kennen lernen. In den Lehrplaneinheiten der Elektrotechnik werden die Grundlagen der Elektronik, der Wechsel- und Drehstromtechnik und der Antriebstechnik ausführlich behandelt. In der Eingangsklasse werden neben elektrotechnischen Grundlagen auch Fragestellungen elek-trischer Energieversorgung angesprochen. Neben der grundsätzlichen Bedeutung der Diode und des Transistors als elektronische Bauteile wird auf die Bedeutung des Operationsverstärkers als universell einsetzbares Bauteil eingegangen. Die Einsatzgebiete des Operationsverstärkers wer-den in der Jahrgangsstufe 1 dann vertieft, insbesondere mit dem für die Mechatronischen Sys-teme wichtigen Gebiet der Analog-Digital-Wandlung. Im Teilgebiet Elektrische Energietechnik wird auf die Eigenschaften elektrischer Energiespeicher eingegangen. Die Schülerinnen und Schüler erwerben darüber hinaus Kenntnisse über die Grund-begriffe der Wechselspannung und führen Berechnungen mithilfe grafischer Methoden zu einfa-chen Wechselstromkreisen durch. Sie erlernen die Bedeutung der Kompensation und die Anwen-dungsmöglichkeiten von Filterschaltungen. Aufbauend auf den Inhalten der Jahrgangsstufe 1 werden die Schülerinnen und Schüler in der Jahrgangsstufe 2 mit Fragestellungen der elektrischen Energieerzeugung und -verteilung vertraut gemacht. Als Voraussetzung zur Motorauswahl in den Mechatronischen Systemen III wird im Teil-gebiet Drehstromantrieb die Funktionsweise des Drehstromasynchronmotors behandelt. Die in Jahrgangsstufe 2 angegebenen Wahlthemen ermöglichen es den Lehrkräften, in pädagogi-scher Verantwortung je nach Interessenlage der Klasse und den Gegebenheiten der Schule ein neues Wissensgebiet aufzugreifen. Das Profilfach beinhaltet zahlreiche Anknüpfungspunkte zu den Fächern Computertechnik in der Eingangsklasse sowie zum Wahlfach Sondergebiete der Technik. Das profilbezogene Pflichtfach Computertechnik greift informationstechnische Aspekte der Mechatronik auf und ergänzt das Pro-filfach durch ein mechatronisches Projekt. Um die angestrebte thematische Vernetzung im Profil Mechatronik zu ermöglichen, ist eine intensive Abstimmung der Fachlehrkräfte erforderlich. Die inhaltlichen Bezüge des Faches Mechatronik zu den Nachbarfächern Mathematik, Physik und Chemie sollten im Unterricht besonders berücksichtigt und den Schülerinnen und Schülern ein-sichtig gemacht werden. Die gewonnenen Erkenntnisse lassen sich Fächer übergreifend in den Seminarkurs einbinden.



Lehrplanübersicht Schuljahr L e h r p l a n e i n h e i t e n Zeitricht-

wert Gesamt-stunden

Seite

Eingangs- 1 Elektrotechnische Grundlagen 30(15) 7 klasse 2 Elektronische Bauelemente 30(15) 7

3 Technische Kommunikation 15 8 4 Grundlagen der Pneumatik 10 8 5 Fertigungstechnik 15 9 6 Werkstoffe I 20 9 7 Mechatronische Systeme I: Steuerungstechnik I 30(30) 10 8 Fertigungs- und Prüfverfahren 30(30) 180 11 Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 60

240 Jahrgangs- Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 30 13

stufe 1 9 Anwendungen von Operationsverstärkern 5 13 10 Analog- und Digitalwandlung 16 13

11 Elektrische Energietechnik I 41 14 12 Energietechnik 30 15 13 Statik 18 16 14 Werkstoffe II 15 16 15 Mechatronische Systeme II: Steuerungstechnik II 25(25) 180 17 Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 60

240 Jahrgangs- Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 24 19

stufe 2 16 Elektrische Energietechnik II 12 19 17 Drehstromantrieb 28 19

18 Festigkeitslehre und Getriebe 40 20 19 Mechatronische Systeme III: Antriebstechnik 16(16) 21

Wahlthemen* 22 20 Leistungselektronik 12(2) 22 21 Regelung mit einer SPS 12(2) 22 22 Schaltwerke 12(2) 22 23 CNC-Technik 12(2) 23 24 Qualitätsmanagement 12(2) 144 23 Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 48

192 Die Zeitrichtwerte in Klammern geben den Anteil Stunden in Gruppenteilung an. * Von den Lehrplaneinheiten 20 bis 24 sind zwei Themen auszuwählen.



Eingangsklasse Zeitrichtwert

1

Elektrotechnische Grundlagen 30(15)

Die Schülerinnen und Schüler berechnen einfache Grundschaltungen mithilfe von elektrischen Grundgrößen und erklären das elektrische Verhalten von Spannungs- und Stromquellen mit dem Modell der Ersatzquelle. Sie stellen verschiedene Stromversorgungen einander gegenüber und bewerten das elektrische Verhalten von Bauteilen und deren Kennlinien. Sie beschreiben den Einsatz von Sensoren in mechatronischen Systemen. Elektrische Grundgrößen – Potential – Spannung – Strom – elektrische Arbeit – elektrische Leistung – Wirkungsgrad

Potentialdifferenz Energieinhalt einer Batterie, Kosten einer kWh

Elektrische Grundschaltungen – Stromkreis – Ohmsches Gesetz – lineare und nichtlineare Kennlinien – Reihenschaltung – Parallelschaltung – belasteter Spannungsteiler

NTC, PTC Maschenregel Knotenregel

Sensortechnik – Brückenschaltung – Näherungssensoren

Aktive und passive Sensoren

Spannungs- und Stromquellen – Innenwiderstand – Belastungsarten – Leerlauf – Kurzschluss – Anpassung

Ersatzschaltbild Belastungskennlinie Solarzelle

2

Elektronische Bauelemente 30(15)

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Schaltungen mit Dioden und LEDs und stellen die Kennlinie mit Arbeitspunkt dar. Sie erklären die Funktionsweise des NPN-Transistors als Schalter. Die Schülerinnen und Schüler entwerfen und analysieren Grundschaltungen des Operationsver-stärkers. Diode und LED – Vorwiderstand – Kennlinie – Arbeitspunkt



NPN-Transistor – Funktionsprinzip – Anwendung als Schalter

Gesteuerter Widerstand

Operationsverstärker – Verstärkungsfaktor – Funktionsprinzip – Gegen- und Mitkopplung – Grundschaltungen – invertierender Verstärker – nichtinvertierender Verstärker

Vgl. LPE 9 Spannungsverstärkung Differenzverstärker Messverstärker

3

Technische Kommunikation 15

Die Schülerinnen und Schüler analysieren Gesamtzeichnungen von Baugruppen einfacher me-chatronischer Systeme. Sie fertigen Einzelteilzeichnungen von Komponenten der Baugruppen an und wenden dabei die Regeln der technischen Kommunikation an.

Grundlagen der technischen Kommunikation – Darstellungsregeln – normgerechte Bemaßung – Toleranzen und Passungen – Oberflächenangaben – Projektionsmethode 1 – Schnittdarstellungen – Teilzeichnungen – Gesamtzeichnung – Stückliste

Vgl. LPE 8 sowie Lehrplan Computertechnik, LPE 1 und LPE 3 Exemplarische Berechnung einer Passung Vgl. LPE 6

4

Grundlagen der Pneumatik 10

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau einer pneumatischen Anlage. Sie lösen steuerungstechnische Aufgaben der Pneumatik, indem sie einfache pneumatische Schaltungen entwerfen. Hierzu berechnen sie pneumatische Kenngrößen und wählen geeignete Zylinder aus. Die Schülerinnen und Schüler berechnen und bewerten die Kosten für den Luftverbrauch eines Zylinders. Grundbegriffe der Pneumatik – physikalische Größen – Steuerungsarten – Komponenten einer pneumatischen Anlage

Aufbereitungseinheit



Pneumatische Schaltungen – Entwurf

– Schaltungslogik – Schaltplan

Nach DIN ISO 1219

– Ventil- und Zylinderauswahl – Fahrgeschwindigkeiten – Kennlinien – pneumatische Kenngrößen – Luftverbrauch

Druckaufbau im Zylinder Kolbenkraft, Zylinderdurchmesser Energieeffizienz

5

Fertigungstechnik 15

Die Schülerinnen und Schüler unterscheiden Fertigungsverfahren und wählen geeignete Ferti-gungsverfahren für die Herstellung von Bauteilen aus. Sie analysieren Arbeitspläne und berech-nen die Prozessdaten. Fertigungsverfahren – Umformen – Trennen

Zerspanungsdaten – Haupnutzungszeit – Arbeitsplanung

– Fügen

Verfahren exemplarisch nach Fertigungs-hauptgruppen DIN 8580 Betriebsbesichtigungen Vgl. LPE 8 Schneidstoffe

6

Werkstoffe I 20

Die Schülerinnen und Schüler unterscheiden Stahlarten, Gusswerkstoffe, Nichteisenmetalle und innovative Werkstoffe bezüglich ihrer Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten und wenden die Systematik der Werkstoffnormung an. Sie ermitteln charakteristische Werkstoffkennwerte aus dem Zugversuch und der Härteprüfung. Sie wählen bauteilabhängig geeignete Härteprüfverfahren aus. Bei der Werkstoffauswahl beachten die Schülerinnen und Schüler die Wiederverwertbarkeit und Umweltaspekte. Werkstoffe – Normung – Eigenschaften

Zugversuch – Proportionalstab – Kraft-Verlängerungs-Diagramm – Spannungs-Dehnungs-Diagramm – elastische und plastische Verformung – E-Modul – Streckgrenze, Dehngrenze, Zugfestigkeit,

Bruchdehnung

Vgl. LPE 8 und LPE 18 Re, Rp 0,2, Rm,

A



Härteprüfung – Brinell – Vickers – Rockwell

Vgl. LPE 8 Nur HRC

Innovative Werkstoffe – Kunststoffe – Verbundwerkstoffe

Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte

7

Mechatronische Systeme I: Steuerungstechnik I 30(30)

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau einer elektropneumatischen Anlage. Sie lösen steuerungstechnische Aufgaben der Elektropneumatik, indem sie einfache elektropneuma-tische Schaltungen entwerfen. Sie erstellen Stromlaufpläne und bauen Schaltungen ausstattungs-abhängig praktisch auf oder simulieren diese mit einer Software, überprüfen deren Funktion und beseitigen auftretende Steuerungsfehler. Die Schülerinnen und Schüler erstellen SPS-Programme für steuerungstechnische Problem-stellungen bei mechatronischen Systemen unter Beachtung der Sicherheitsbestimmungen. Grundlagen der Elektropneumatik – Ventilansteuerung – steuerungstechnische Bauelemente – Endlagenerfassung

Relais Reedkontakt

Verbindungsprogrammierte Steuerung zur Ansteuerung in der Elektropneumatik – Entwurf

– Schaltungslogik – Schaltplan, Stromlaufplan

– Aufbau oder Simulation – Fehlerbehebung

Nach DIN EN 60617

Sicherheitstechnische Maßnahmen – Drahtbrucherkennung – Verriegelungen – NOT-AUS

Grundlagen der speicherprogrammierbaren Steuerungen – analoge, digitale und binäre Signale – binäre Grundverknüpfungen – Funktionstabelle – Schaltfunktion – Funktionsdarstellung – kombinatorische Schaltungen

Schaltsymbole



Aufbau und Wirkungsweise einer SPS – Programmbearbeitung – Adressierung

Keine Übergabe-(IN_OUT-)Variablen

Programmerstellung mit einer SPS – Technologieschema – strukturierte Programmierung

– Hauptprogramm – Funktion – Funktionsbaustein

– Speicherfunktionen – Flankenauswertung – Zeitfunktion

DIN EN 61131-3

8

Fertigungs- und Prüfverfahren 30(30)

Die Schülerinnen und Schüler beachten die Sicherheitsbestimmungen einer Werkstatt. Sie führen nach Einweisung selbstständig manuelle und maschinelle Arbeiten projektorientiert durch. An-schließend überprüfen sie die Qualität der hergestellten Bauteile mit Hilfe von Mess- oder Prüf-mitteln. Sie vertiefen die Kenntnisse aus der LPE 5 Fertigungstechnik und der LPE 6 Werkstoffe I durch Laborversuche. Sicherheitsregeln – Werkstattordnung – Unfallverhütung – Umweltschutz

Abfallbeseitigung

Prüfverfahren – Messmittel – Lehren – Zugversuch – Härteprüfung

Manuelles, maschinelles und computerge-stütztes Fertigen – Anreißen – Sägen – Bohren, Senken, Reiben – Gewindeherstellung – Drehen – Fräsen

Kleinprojekt



Jahrgangsstufe 1 Zeitrichtwert

Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT)

30

Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Themen handlungsorientiert. Dabei soll der disziplin-übergreifende Aspekt der Mechatronik Berücksichtigung finden. Z. B. Projekt, Fallstudie, Planspiel, Rollenspiel

Die Themenauswahl hat aus den nachfol-genden Lehrplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.

9

Anwendungen von Operationsverstärkern 5

Die Schülerinnen und Schüler analysieren und dimensionieren Schaltungen mit Operationsver-stärkern. Operationsverstärker – Komparator – Schmitt-Trigger – Differenzverstärker

Hysterese Verstärkung eines Messsignals

10

Analog- und Digitalwandlung 16

Die Schülerinnen und Schüler erklären die unterschiedlichen Zahlensysteme. Sie erläutern die Wirkungsweise von A/D- und D/A-Umsetzern. Die Schülerinnen und Schüler beurteilen deren Ei-genschaften hinsichtlich des Einsatzes in mechatronischen Systemen. Zahlensysteme – Dezimalzahlensystem – Dualzahlensystem – Hexadezimalzahlensystem

A/D-Umsetzer – Abtastung – Quantisierung – Codierung – Auflösung – Einsatz in SPS

Messen physikalischer Größen

D/A-Umsetzer – Widerstandsnetzwerk – Summierer mit OP



11

Elektrische Energietechnik I 41

Die Schülerinnen und Schüler benennen elektrische Energiespeicher und bewerten deren elektri-sches Verhalten sowie den Einsatz in verschiedenen Anwendungen. Sie erläutern die Grundbe-griffe der Wechselspannung. Sie beschreiben und unterscheiden das Wechsel-stromverhalten idealer und realer Bauelemente mithilfe eines grafischen Verfahrens. Die Schülerinnen und Schü-ler entwickeln Schaltungen zur Blindleistungskompensation. Sie beurteilen den Frequenzgang einfacher Filterschaltungen und stellen diesen zeichnerisch dar. Energiespeicher – Kondensator

– Auf- und Entladevorgang – Zeitkonstante

– Spule – Selbstinduktion – Prinzip Schaltnetzteil

Relais, Transformator

Grundbegriffe der Wechselspannung – Kurvenformen – Momentanwert und Scheitelwert – Mittel- und Effektivwert – Periodendauer und Frequenz – Kreisfrequenz – Linien- und Zeigerdiagramm – Phasenlage

Sinus, Rechteck Nullphasenlage, Phasenverschiebungswinkel

Einfache Schaltungen an Wechselspannung – ideale und reale Spule – Wirk-, Blind- und Scheinwiderstand – RC-Reihenschaltung

Spannungs- und Widerstandsdreieck

Wechselspannung und Leistung – Wirk-, Blind-, Scheinleistung – Leistungsfaktor – Parallelkompensation

Leistungsdreieck Berechnung über Leistungen

Einfache RC- und RL-Filterschaltungen – Hoch- und Tiefpass – Frequenzgang – Grenzfrequenz – logarithmischer Maßstab – Glättung und Siebung



12

Energietechnik 30

Die Schülerinnen und Schüler werten eigenständig Informationsquellen zur Energieversorgung und zum Energieverbrauch aus. Sie formulieren Energiebilanzen und stellen diese auch im Ener-gieflussbild dar. Sie wenden thermodynamische Gesetze an und berechnen die Umwandlungen von Energie und Arbeit anhand links- und rechtsgängiger Kreisprozesse. Die Schülerinnen und Schüler beschreiben großtechnische Energiewandler. Dazu vergleichen sie die unterschiedlichen Bauarten der Kraftwerke und skizzieren diese auch als Blockschaltbild. Bei den Wasserkraftwerken unterscheiden die Schülerinnen und Schüler die gängigen Bauarten der Wasserturbinen und begründen deren Einsatz. Sie berechnen die Energieumsetzung unter Berücksichtigung der Druckverluste in Rohrleitungssystemen. Energie – Energieträger

– nichterneuerbare Vorräte – erneuerbare Vorräte

Energieformen – Weltenergieverbrauch – Primärenergieverbrauch in Deutschland – Energieverbrauch im Haus

– Energiebilanz – Energieeinsatz – Nutzenergie – Wirkungsgrad – Energieflussbild

Vgl. Lehrplan Physik, LPE 3 Kosten pro kWh Vgl. Lehrplan Physik, LPE 3 und LPE 4

Allgemeine Gasgesetze – p-V-Diagramm – Zustandsänderungen idealer Gase

Vgl. Lehrplan Physik, LPE 4 Vergleich: reale Gase Carnot-Kreisprozess, Carnot-Wirkungsgrad

Links- und rechtsgängige Kreis-Prozesse – Ottoprozess – Dieselprozess – Stirlingprozess – Wärmepumpe

Wirkungsgrad Leistungszahl

Großtechnische Energiewandler – konventionelles (Dampf-)Kraftwerk

– Dampferzeuger – Turbinenanlage – Generator

– Gas- und Dampfturbinenkraftwerk – Kraft-Wärme-Kopplung – Pumpspeicherkraftwerk – Laufwasserkraftwerk

Exkursion in ein Kraftwerk Auch am Blockheizkraftwerk Grundlast, Spitzenlast



– Wasserturbinen

– Pelton-, – Francis-, – Kaplanturbine

Förder- und Fallhöhe, Leistungsabgabe Ohne Kavitation

Druckverluste im Rohrleitungssystem – Rohrreibungszahl – Widerstandsbeiwert

Massenstrom, Volumenstrom, Druckdifferenz

13

Statik 18

Die Schülerinnen und Schüler unterscheiden zentrale und allgemeine Kräftesysteme. Sie ermitteln angreifende und gesuchte Kräfte durch Freimachen unterschiedlicher Systeme. Sie lösen zentrale Kräftesysteme und einfache allgemeine Kräftesysteme mit 3 Kräften zeichnerisch und rechne-risch. Sie berechnen ein beliebiges bestimmtes Kräftesystem mit Hilfe der Gleichgewichtsbedin-gungen. Freimachen von Bauteilen – Kraft – Reibungskraft

Nur Statik in der Ebene bzw. räumliche Darstellung in die Ebene überführen FR=µ*FN

Zentrales Kräftesystem – Kräfteaddition und -zerlegung – unbekannte Kräfte bei Gleichgewicht – Resultierende

Zeichnerische und rechnerische Lösung

Allgemeines Kräftesystem – 3-Kräfteverfahren – Momentengleichgewicht – Kippbedingung – Gleichgewichtsbedingungen – Resultierende mit Lage

Kräfteplan und Lageplan Drehpunktauswahl, Drehrichtung Nur in der Ebene

14

Werkstoffe II 15

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Abkühlvorgänge bei Legierungen und entwickeln Ab-kühlungskurven aus Zustandsschaubildern. Sie erläutern den Einfluss der Wärmebehandlung auf das Gefüge und die Eigenschaften von Stahl. Sie wählen Wärmebehandlungsverfahren anwen-dungsbezogen aus und begründen ihre Wahl. Zweistofflegierungen – Mischkristallbildung – Kristallgemischbildung – Gefügebilder

Betrachtung der Grenzfälle



Eisen-Kohlenstoff-Diagramm – Raumgittertypen – Erstarrungsvorgänge – Abkühlkurven – Gefügebestandteile

Fe-Fe3C- Legierung nur Stahlseite

Wärmebehandlungsverfahren – Abschreckhärten – Randschichthärten – Vergüten – Normalglühen – Gefügebeurteilung – Einsatzbereiche von Stählen

Nur Einsatz-, Flamm- und Induktionshärten

15

Mechatronische Systeme II: Steuerungstechnik II 25(25)

Die Schülerinnen und Schüler planen eine Ablaufsteuerung mithilfe eines Funktionsablaufplans, stellen ihn normgerecht dar und setzen diesen in einer elektropneumatischen Steuerung mit einer SPS-Steuerung um. SPS-Ablaufsteuerung – Funktionsablaufplan – Umsetzung mit SR-Speicherfunktion – mit Zeitfunktionen – Funktion, Funktionsbausteine – Aufbau oder Simulation – Fehlerbehebung

Grafische Darstellung Mit statischen Variablen



Jahrgangsstufe 2 Zeitrichtwert

Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT)

24

Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Themen handlungsorientiert. Dabei soll der disziplin-übergreifende Aspekt der Mechatronik Berücksichtigung finden. Z. B. Projekt, Fallstudie, Planspiel, Rollenspiel

Die Themenauswahl hat aus den nachfol-genden Lehrplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.

16

Elektrische Energietechnik II 12

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Erzeugung von Dreiphasenwechselstrom. Sie un-terscheiden die Eigenschaften von Verbrauchern in Stern- und Dreieckschaltung und berechnen die elektrischen Größen. Drehstrom – Erzeugersystem in Sternschaltung

– Verkettung – Verkettungsfaktor – Leiter- und Strangsspannungen

– Verbraucher in Sternschaltung – symmetrische Belastung mit Wirk- und

Blindwiderständen – unsymmetrisch mit Wirkwiderständen

– Verbraucher in Dreieckschaltung – symmetrische Belastung

– Wirk-, Blind-, und Scheinleistung – Leistungsfaktor

17

Drehstromantrieb 28

Die Schülerinnen und Schüler erklären die grundsätzliche Funktionsweise eines Drehstromasyn-chronmotors (DASM) und ermitteln aus dem Leistungsschild seine Kenngrößen. Sie unterschei-den verschiedene Anlaufverfahren und führen Berechnungen zur Blindleistungskompensation durch. Drehstromasynchronmotor – Prinzip der Entstehung der Drehbewegung

– Drehfeld – Polpaarzahl – Drehzahl – Drehmoment – Schlupf



– Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie – Leistungsschild

– mechanische Leistung – Stromaufnahme – Leistungsfaktor – Nennspannung

– Wirkungsgrad – Prinzipien verschiedener Anlaufverfahren

– Stern-Dreieck – Frequenzumrichter – Softstarter

– Kompensation in Dreieckschaltung

18

Festigkeitslehre und Getriebe 40

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben wirkende Belastungen und unterscheiden sich daraus ergebende Beanspruchungsarten an Bauteilen. Sie berechnen und dimensionieren diese Bauteile. mit Hilfe von Werkstoffkennwerten. Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Funktion eines Getriebes und berechnen Getriebe-kenngrößen. Beanspruchungsarten Nur Belastungsfall I Festigkeitsberechnungen und Dimensionie-rung von Bauteilen – Zug, Druck – Flächenpressung – Abscherung – Biegung

– Lage und Betrag des maximalen Biege-moments

– Torsion – Sicherheitszahl

Kein Scherschneiden Ohne Durchbiegung Ohne Verdrehwinkel

Getriebe – Zahnradtrieb – Zahnradabmessungen – Drehzahl – Übersetzung

– einzeln – gesamt

– Drehmoment, Leistung, Wirkungsgrad – Auswahl

Drehmoment- und Drehzahlwandler



19

Mechatronische Systeme III: Antriebstechnik 16(16)

Die Schülerinnen und Schüler vertiefen ihre Kenntnisse durch Analysieren der Bauteile eines Ge-triebes. Sie beschreiben die Funktion der Baugruppen und planen die Montage und Demontage oder führen diese nach schulspezifischer Ausstattung praktisch aus. Sie erläutern die Aufgabe und Funktionsweise eines Getriebes als Teilsystem einer Antriebseinheit. Die Schülerinnen und Schüler wählen einen geeigneten Motor sowie ein Getriebe für ein mecha-tronisches System aus. Getriebebaugruppen – Lager – Passfedern – Zahnräder – Wellen – Radialwellendichtringe – Gesamtzeichnung – Stückliste

Montage und Demontage, Werkzeuge und Hilfsmittel, Funktionsprüfung

Mechatronisches Antriebssystem – Technologieschema – Getriebeberechnung – Motorauswahl

DASM-Normtabellen



Wahlthemen

20

Leistungselektronik 12(2)

Die Schülerinnen und Schüler erklären den Aufbau eines Frequenzumrichters (FU). Sie nehmen einen Drehstromasynchronmotor an einem Frequenzumrichter in Betrieb. Frequenzumrichter – Aufbau (Blockschaltbild) – Wirkungsweise

– Gleichrichter – Zwischenkreis – Wechselrichter – Bremschopper

– U/f-Kennlinie – Eckfrequenz – Boost

DASM am Frequenzumrichter – Parametrierung – Inbetriebnahme

21 Regelung mit einer SPS 12(2)

Die Schülerinnen und Schüler erklären den Hardwareaufbau zum Messen der Ist-Größe mit einer SPS. Sie normieren das digitalisierte Signal für die Weiterverarbeitung im SPS-Programm. Die Schülerinnen und Schüler entwickeln das Programm zur Ansteuerung eines binären Ausgangs. Sie testen die Funktion einer Zwei-Punkt-Regelung. Hardwareaufbau – Sensor – Messwandler – Analogeingang mit A/D-Wandler

Zwei-Punkt-Regelung – Normierung des Istwerts – Vergleich mit Sollwert – Ansteuern des binären Ausgangs

Füllstand, Kompressor, Heizung

22 Schaltwerke 12(2)

Die Schülerinnen und Schüler erklären die Funktionsweise eines Schaltwerks. Sie beschreiben die zeitabhängige Zustandsfolge. Sie entwerfen synchrone Schaltwerke mit dynamischen Flipflops. Funktionsweise – Zustandsdiagramm – Taktsignal



Dynamische Flipflops – Taktflankensteuerung – Vorbereitungseingänge

Nur eine Flipflop-Art

Synchrone Schaltwerke – Zustandsfolgetabelle – minimierte Schaltfunktionen

Synchronzähler, Schieberegister

23

CNC-Technik 12(2)

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Funktion einer computergesteuerten Maschine. Sie entwerfen Bearbeitungsprogramme mit Unterprogrammen für CNC-Maschinen und simulieren diese mit einer Software. Sie ermitteln die erforderlichen technologischen Daten für die Program-mierung und berechnen die notwendigen Konturpunkte. Aufbau einer Werkzeugmaschine – Antriebssystem – Wegmesssystem – Bezugspunkte

Programmaufbau – Wegbedingung – technologische Daten – Zusatzfunktionen – Werkzeugbahnkorrektur – Unterprogramme – Zyklen – Wiederholung

Koordinatenberechnung 24

Qualitätsmanagement

12(2)

Die Schülerinnen und Schüler erläutern die geschichtliche Entwicklung der modernen Qualitätssi-cherung und nennen typische Maßnahmen. Sie werten statistische Daten aus, bewerten und len-ken Prozesse. Qualitätsmanagement – Produkthaftung – Qualitätskreis – Qualitätsprüfung

– Prüfmittel – Messwertabweichung

Statistische Größen – 100%-Prüfung oder Stichprobe – Qualitätsregelkarte – Prozess- und Maschinenfähigkeit

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