Steuern und Regeln für Maschinenbau und Mechatronik · erweitert. Hinzugekommen ist ein...

Bibliothek des technischen Wissens

Steuern und Regeln

für Maschinenbau und

Mechatronik

14., überarbeitete Auflage

Die beigefügte CD enthält die Bilder des Buches und die Lösungen zu den Aufgaben und ein Repetitorium.

Bearbeitet von Lehrern und Ingenieuren (s. Rückseite)

Lektorat: Prof. Dr.-Ing. Dietmar Schmid, Essingen

VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL • Nourney, Vollmer GmbH & Co. KGDüsselberger Straße 23 • 42781 Haan-Gruiten

Europa-Nr.: 10021

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Die Verfasser des Buches

Schmid, Dietmar Dr.-Ing., Professor Essingen

Kaufmann, Hans Dipl.-Ing. (FH), Studiendirektor Aalen

Pflug, Alexander Dipl.-Ing., Studienrat Schwäbisch Gmünd

Zippel, Bernhard Dipl.-Ing., Studiendirektor Stuttgart

Lektorat und Leitung des Arbeitskreises

Prof. Dr.-Ing. Dietmar Schmid, Essingen

Bildbearbeitung

Zeichenbüro des Verlags Europa-Lehrmittel, OstfildernGrafische Produktionen Jürgen Neumann, 97222 Rimpar

Wie in Lehrbüchern üblich, werden etwa bestehende Patente, Gebrauchsmuster oder Waren zeichen nicht erwähnt. Fehlt ein solcher Hinweis, dann heißt das nicht, dass die behandelten Gegenstände davon frei sind.

14. Auflage 2014

Druck 5 4 3 2 1

Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Korrektur von Druckfehlern untereinander unverändert sind.

ISBN 978-3-8085-1187-9

Umschlaggestaltung unter Verwendung eines Fotos des Lektors.

Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der gesetzlichgeregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden.

© 2014 by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruiten

http://www.europa-lehrmittel.de

Satz: Grafische Produktionen Jürgen Neumann, 97222 Rimpar

Druck: Konrad Triltsch, Print und digitale Medien GmbH, 97199 Ochsenfurt-Hohestadt

2


Vorwort zur 14. Auflage

Steuern und Regeln für Maschinenbau und Mechatronik führt die Bausteine der Mechanik, der Pneu-matik, der Hydraulik, der Elektrotechnik, der Elektronik und der Kommunikations- und Computertechnik zusammen zu einem aktuellen Wissensgebiet, nämlich dem der Mechatronik. Die 14. Auflage wurde neu strukturiert und in allen Kapiteln aktualisiert. Waren Motoren und SPS meist ohne Kenntnisse der Regelungstechnik und der Sensortechnik verständlich darstellbar, so gilt das heute nicht mehr. Wir haben daher die Regelungstechnik und die Sensortechnik im Buch vorgezogen. Die elektrischeAntriebstechnik folgt jetzt auf das SPS-Kapitel. Außer den vielen Text- und Bilderneuerungen wurde die Montagetechnik deutlich aufgestockt. Die Montagetechnik hat sich stark von der manuellen Montagehin zur automatisierten Montage entwickelt. So wurde vor allem die automatisierte Schraubmontageerweitert. Hinzugekommen ist ein Repetitorium auf der CD. Die Fragen zur Wiederholung und Ver-tiefung erfassen nun alle Kapitel. Sie stehen einerseits am Ende der Abschnitte im Bildteil der CD und bilden andererseits das Repetitorium. Die Fragen sind so gewählt, dass man die zugehörigenAntworten im angegebenen Seitenbereich des Buches findet.

Das praxisbezogene Lehrbuch richtet sich an alle, die sich in der Steuerungs- und Regelungstechnik in Verbindung mit moderner Informations- und Kommunikationstechnik ausbilden und weiterbilden wollen.

Es ist geeignet sowohl für Auszubildende zur Vertiefung ihres Wissens als auch für Meister- undTechnikerschüler, für den Unterricht im Technischen Gymnasium und im Berufskolleg, aber auch als praktische Ergänzung für Studierende an Hochschulen. Ebenso wird das Buch Praktikern, die sich mit Steuerungs- und Überwachungsaufgaben sowie mit Qualitätsmanagement befassen, eine wertvolle Hilfe sein.

Vorwort 3

• Steuern, Regeln, Leiten

(Begriffsbestimmungen),

• Mechanische Steuerungen,

• Elektrische und elektronische Steuerungen,

• Pneumatik,

• Hydraulik,

• Regelungstechnik,

• Speicherprogrammierte Steuerungen (SPS),

• Elektrische Antriebe,

• Computergesteuerte Maschinen,

• Montagetechnik,

• Qualitätsmanagement,

• Instandhaltung und Energieeffizienz,

• Geschäftsprozesse,

• Arbeitsgestaltung und Arbeitsschutz,

• Informations- und Kommunikationstechnik,

• Aufgaben und Übungen,

• Fachwörterbuch Deutsch-Englisch, Sachwort-

verzeichnis.

Das Buch ist gegliedert in die Lehr- und Lernbereiche:

Die einzelnen Kapitel des Buches sind weitgehend in sich abgerundet und können auch in anderer Reihenfolge erarbeitet bzw. unterrichtet werden. Damit ergibt sich ein großer Spielraum bei der Stoff-auswahl und in der inhaltlichen Schwerpunktsetzung für den Unterricht.

Die Autoren sind Ingenieure und Lehrer, die ihre fachlichen und methodischen Erfahrungen in das Buch eingebracht haben. Die Autoren und der Verlag sind für Anregungen und Verbesserungsvorschläge aus dem Kreis der Benutzer dieses Fachbuchs dankbar.

Sommer 2014 Dietmar Schmid


1 Steuern, Regeln, Leiten

1.1 Steuern, Steuerung 71.1.1 Analoge, binäre und digitale Steuerungen 71.1.2 Verknüpfungssteuerungen und

Ablaufsteuerungen 91.1.3 Verbindungsprogrammierte Steuerungen

und speicherprogrammierte Steuerungen 101.2 Regeln, Regelung 101.3 Leiten, Leitung 11

2 Mechanische Steuerungen

2.1 Allgemeines 122.2 Verstellbare Getriebe 132.2.1 Stufengetriebe 132.2.2 Stufenlos verstellbare Getriebe 142.3 Getriebe mit ungleichmäßiger

Übersetzung 172.4 Getriebe mit aussetzender

Bewegung 19

3 Elektrische und elektronischeSteuerungen

3.1 Elektrische Kontaktsteuerungen 203.1.1 Bauelemente und Betriebsmittel 203.1.2 Darstellung und Schaltpläne 323.1.3 Grundschaltungen 333.2 Elektronische Bauelemente 353.3 Binäre und digitale Steuerungen 393.3.1 Codierungen 393.3.1.1 Dualcode 393.3.1.2 BCD-Codes 403.3.1.3 Barcodes 403.3.1.4 2D-Codes 403.3.2 Digitale Speicher 413.3.3 Binäre Verknüpfungen 453.3.4 Schaltalgebra 483.3.5 Kombinatorische Steuerungen 493.3.6 Ablaufsteuerungen 542.3.6.1 Elektromechanische Ablaufsteuerungen 553.3.6.2 Ablaufsteuerungen mit Kippgliedern

(Flipfl ops) 553.3.6.3 Zähler 583.4 GRAFCET 613.4.1 Schritte 623.4.2 Aktionen 633.4.3 Transitionen und Ablaufstrukturen 643.4.4 Beispiel zu GRAFCET 663.5 Wegdiagramm und

Zustandsdiagramm 713.6 Sensoren 683.6.1 Allgemeines 683.6.2 Analoge Sensoren 693.6.2.1 Wege, Winkel, Abstände und Dicken 693.6.2.2 Geschwindigkeiten und Drehzahlen 763.6.2.3 Dehnungen, Kräfte, Drehmomente

und Drücke 773.6.2.4 Beschleunigungen 793.6.2.5 Temperaturen 803.6.3 Binäre Sensoren 823.6.4 Digitale Sensoren 833.6.4.1 Inkrementale Sensoren 833.6.4.2 Codemaßstäbe und Winkelcodierer 853.6.4.3 Drehmelder (Resolver) 86

3.7 Gefährdungen undSchutzmaßnahmen 87

3.7.1 Berührungsschutz 873.7.2 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) 883.7.3 Elektrostatische Entladungen (ESD) 903.7.4 Arbeitsschutzmaßnahmen im Rahmen

der Fachaufsicht 90

4 Pneumatik

4.1 Aufbau einer Pneumatikanlage 924.2 Drucklufterzeugung 944.2.1 Verdichter (Kompressioren) 944.2.2 Druckluftnetze 974.2.3 Druckluftaufbereitung 984.3 Antriebsglieder 994.3.1 Druckluftmotoren 994.3.2 Pneumatischer Muskel 1014.3.3 Balgantrieb 1014.3.4 Dreh- und Schwenkantrieb 1024.3.5 Druckluftzylinder 1024.3.5.1 Standardzylinder 1024.3.5.2 Sonderbauarten 1054.3.5.3 Zylinderkennwerte 1064.3.5.4 Zylinderberechnungen 1064.4 Ventile und Grundsteuerungen 1084.4.1 Darstellung der Ventile 1084.4.2 Einteilung der Ventile 1104.4.2.1 Wegeventile 1104.4.2.2 Stromventile 1124.4.2.3 Sperrventile 1134.4.2.4 Druckventile und Absperrventile 1154.4.2.5 Ventilinseln 1164.5 Grafi sche Darstellung 1174.5.1 Aufbau eines Schaltplans 1174.5.2 Funktionsdiagramme 1194.5.2.1 Wegdiagramm 1204.5.2.2 Zustandsdiagramm 1204.6 Proportionaltechnik 1234.6.1 Proportional-Druckregelventile 1234.6.2 Proportional-Wegeventile 1244.7 Pneumatische Positioniersysteme 1244.8 Beispiele pneumatischer Steuerungen 1264.8.1 Wegplansteuerung einer

Biegevorrichtung 1264.8.2 Taktstufensteuerung 1274.9 Elektropneumatische Steuerungen 1294.9.1 Elektropneumatische Betriebsmittel 1294.9.2 Direkte und indirekte Steuerung 1304.9.3 Selbsthalteschaltung 1314.9.4 Darstellung 1314.9.5 Stetigantrieb 1324.9.6 Ablaufsteuerung 132

5 Hydraulik

5.1 Allgemeines 1345.2 Physikalische Grundlagen 1345.2.1 Hydrostatik 1345.2.2 Hydrodynamik 1365.3 Hydraulikfl üssigkeiten 137

5.4 Aufbau hydraulischer Steuerungen 1395.4.1 Hydraulikpumpen 1405.4.1.1 Zahnradpumpen 1405.4.1.2 Kolbenpumpen 1415.4.1.3 Flügelzellenpumpe 141

Inhaltsverzeichnis4

Inhaltsverzeichnis


5.6 Hydraulikspeicher 1425.7 Antriebselemente 1445.7.1 Hydraulikzylinder 1445.7.2 Hydraulikmotoren 1455.8 Hydraulikventile 1475.8.1 Allgemeines 1475.8.2 Druckventile 1485.8.3 Wegeventile 1515.8.4 Sperrventile 1525.8.5 Stromventile 1535.8.6 Ventilaufbauarten 1565.8.6.1 Blockbauweise 1565.8.6.2 Patronentechnik 1575.8.7 Stetigventile 1585.8.8 Proportionalventiltechnik 1595.8.9 Servoventile 165

6 Regelungstechnik

6.1 Grundbegiffe 1676.2 Regelungsarten 1686.3 Regelkreisglieder 1706.3.1 Proportionalglied ohne Verzögerung

(P-Glied) 1706.3.2 Proportionalglied mit Verzögerung

1. Ordnung (P-T1-Glied) 1716.3.3 Proportionalglied mit Verzögerung

2. Ordnung (P-T2-Glied) 1726.3.4 Integralglied (I-Glied) 1756.3.5 Differenzierglied (D-Glied) 1766.3.6 Totzeitglied (Tt-Glied) 1766.3.7 Zusammenwirken mehrerer

Regelkreisglieder 1786.4 Regler und Regelkreise 1796.4.1 Schaltende Regler 1796.4.2 Analoge Regler 1806.4.3 Digitale Regler (Software-Regler) 1826.4.3.1 Digitalisierung und Signalabtastung 1826.4.3.2 Regelungsalgorithmus 1836.4.4 Regelung von P-Strecken 1866.4.5 Regelung von I-Strecken 1876.4.6 Einstellen eines Reglers 1886.4.7 Selbstoptimierende Regler 189

7 Speicherprogrammierbare Steuerungen(SPS)

7.1 Aufbau und Funktionsweise 1907.2 Programmierung 1937.2.1 Programmiersprachen 1937.2.2 Programmaufbau 1967.3 Funktionen und Operationen 2007.3.1 Grundfunktionen 2007.3.2 Binäre Abfragen und Verknüpfungen 2007.3.3 SR/RS-Speicherfunktionen 2037.3.4 Flankenauswertung 2057.3.5 Zeitfunktionen 2067.3.6 Zählfunktionen 2087.3.7 Arithmetische und numerische

Funktionen 2107.3.8 Übertragungsfunktionen und

Programmsteuerungsfunktionen 2107.3.9 Digitale Operationen 2117.4 Ablaufsteuerungen 2137.4.1 Gliederung und Darstellung 2137.4.2 Beispiel für eine Ablaufsteuerung 2147.4.3 Programmierung in Ablaufsprache 2177.4.4 Betriebsartensignale 2197.4.5 Funktionsbaustein für Betriebsarten 2207.4.6 Funktionsbaustein für Schrittketten 2217.4.7 Funktionsbaustein für die Befehlsausgabe 2227.4.8 Zustandsautomaten 222

7.5 Analogwertverarbeitung 2247.6 Programmieren mit strukturiertem Text

(ST) 2277.6.1 Digitale Regelung 2277.6.2 Zweipunktregler 2287.6.3 PID-Reglerbaustein 2297.7 Bedienen und Beobachten von

Fertigungsprozessen 2317.8 Schnelle Zählvorgänge 232

8 Elektrische Antriebe

8.1 Einführung 2348.2 Rechnerische Grundlagen 2368.3 Gleichstrommotoren (DC-Motoren) 2398.4 Drehstromasynchronmotor 2418.4.1 Aufbau des Kurzschlussläufers 2418.4.2 Das Drehfeld 2428.4.3 Funktionsweise 2438.4.4 Anlasssteuerungen 2448.4.5 Drehrichtungsumkehr 2458.4.6 Betriebsarten und Fahrprofi le 2458.4.7 Drehzahlsteuerung und Drehzahlregelung 2468.4.7.1 Allgemeines und Einteilung 2468.4.7.2 U/f-Steuerung 2478.4.7.3 Vektorregelung 2488.5 Drehstromsynchronmotor 2508.5.1 Servoantriebe 2508.5.2 Direktantriebe 2518.5.2.1 Torquemotoren 2518.5.2.2 Linearmotoren 2538.6 Schrittmotoren 2538.7 Lageregelung (Positionsitionierantriebe) 2548.7.1 Kaskadenregelung 2548.7.2 Geschwindigkeitsvorsteuerung 2558.7.3 Analoger und digitaler Drehzahlregelkreis 256

9 Computergesteuerte Maschinen

9.1 CNC-Werkzeugmaschinen 2579.1.1 Der Produktionsprozess 2579.1.2 NC-Achsen und deren Steuerung 2609.1.3 CNC-Programmierung 2629.1.3.1 DIN-Programmierung 2629.1.3.2 Werkstattorientiertes Produzieren (WOP) 2729.1.4 Interpolation 2749.1.5 Leistungsfähigkeit 2769.1.6 Offene CNC-Steuerung 2789.2 Additive Fertigungsverfahren/3D-Druck 2799.2.1 Allgemeines 2799.2.2 AM-Verfahren 2804.2.2.1 Stereolithography (SL) 2805.2.2.2 3D Printing (3DP) 2806.2.2.3 Selective Laser Sintering (SLS)

und Selective Laser Melting (SLM) 2817.2.2.4 Selective Mask Sintering (SMS) 2818.2.2.5 Fused Deposition Melting (FDM) 2819.2.2.6 Laser Laminated Manufacturing (LLM) 2829.2.3 Die Informations- und Prozesskette 2829.3 Robotertechnik 2839.3.1 Einteilung 2839.3.2 Der kinematische Aufbau 2859.3.3 Roboterantriebe 2889.3.4 Greifer 2899.3.5 Roboterprogrammierung 2909.3.5.1 Programmierverfahren 2909.3.5.2 Koordinatensysteme 2939.3.6 Robotersteuerung 2959.3.6.1 Die Bewegungserzeugung 2959.3.6.2 Achsstellungen 2969.3.6.3 Interpolation 297

Inhaltsverzeichnis 5


9.3.6.4 Überschleifen und Pendeln 2989.3.6.5 Robotersensorführung 2999.3.7 Schutzmaßnahmen 302

10 Montagetechnik

10.1 Grundlagen 30310.2 Der Materialfl uss 30610.2.1 Lagern 30610.2.2 Puffern 30710.2.3 Bunkern 30810.2.4 Magazinieren 30910.2.5 Fördersysteme 31010.2.5.1 Transporttische und Rutschen 31010.2.5.2 Rollenförderer 31010.2.5.3 Bandförderer 31110.2.5.4 Hängeförderer 31110.2.5.5 Fahrerlose Transportsysteme (FTS) 31210.3 Fügen in der Montage 31310.3.1 Fügestrukturen 31310.3.2 Schrauben 31310.3.3 Umformen 31710.3.4 Kleben, Abdichten (Sealen) 31810.3.5 Schweißen und Löten 31910.3.6 Zusammenlegen 32110.3.7 Schrumpfen 32110.4 Montageplätze 32210.4.1 Manuelle Montage 32210.4.2 Maschinelle Montage 32310.5 Montageorganisation 32410.5.1 Topologie 32410.5.2 Montageablauf 32410.6 Erzeugnisgliederung und Montagefolge 32610.7 Taktbindung 328

11 Qualitätsmanagement

11.1 Qualität 32911.1.1 Qualitätsmerkmale 33011.1.2 Fehler 33011.2 Ziele des Qualitätsmanagements 33111.3 TQM – Total Quality Management 33111.4 Qualitätskreis und Qualitätspyramide 33211.5 Aufbau und Elemente eines

Qualtätsmanagementsystems 33311.5.1 Aufbauorganisation 33311.5.2 Ablauforganisation 33411.5.3 DIN ISO 9000 33411.5.4 Zertifi zierung 33611.6 Statistische Qualitätslenkung 33611.6.1 Prozessanalyse 33711.6.2 Qualitätsregelkarten 33911.6.3 Maschinen- und Prozessfähigkeit 340

12 Instandhaltung und Energieeffi zienz

12.1 Instandhaltung 34112.1.1 Begriffe 34112.1.2 Wartung 34412.1.3 Inspektion 34812.1.4 Instandsetzung 35012.1.5 Inbetriebnahme 35112.1.6 Fehlersuche 35312.1.7 Reparatur 35412.2 Condition-Monitoring

(Zustandsbedingte Instandhaltung) 35512.3 Energieeffi zienz 35912.3.1 Energie-Monitoring 359

12.3.2 Energiewertstrom 35912.3.3 Lastmanagement 36012.4 Energieeffi ziente Geräte und Anlagen 361

13 Geschäftsprozesse

13.1 Managementaufgaben 36213.2 Prozessmanagement 36313.3 Produkt-Daten-Management 36413.4 Gestaltungsmethoden für Prozessketten 36613.5 Projektmanagement 36813.6 Informationsmanagement 36913.7 Planungsinstrumente 37113.8 Moderation 37713.9 Präsentation 37713.9.1 Inhalt und visuelle Darstellung 37813.9.2 Präsentationsgrafi k mit PowerPoint 379

14 Arbeitsgestaltung und Arbeitsschutz

14.1 Der Mensch ist das Maß 38014.2 Arbeitsgestaltung 38114.3 Arbeitsbelastungen 38514.3.1 Belastungen durch die Art der Arbeit 38514.3.2 Belastungen durch die

Arbeitsorganisation 38614.4 EU-Maschinenrichtlinie 38814.4.1 Sicherheit und Gesundheitsschutz 38814.4.2 Kennzeichnung und Betriebsanleitung 39014.5 Europäische Sicherheitsnormen 391

15 Informations- undKommunikationstechnik

15.1 Computertechnik 39215.1.1 Der PC 39215.1.2 Objektorientierte Software 39515.1.3 Steuern mit dem PC 39815.2 Kommunikationstechnik 40315.2.1 Lokale Kommunikation 40315.2.2 Internet und Intranet 40415.2.3 Lokale Netze (LAN) 40715.2.4 Feldbussysteme 40915.2.4.1 CAN-Bus 40915.2.4.2 PROFIBUS, PROFIBUS-DP 41015.2.4.3 Aktor-Sensor-Interface (AS-i) 41115.2.5 Serielle Schnittstelle (V.24) 412

16 Aufgaben und Übungen

16.1 Aufgaben und Übungen zur Pneumatik 41316.2 Aufgaben und Übungen zur Hydraulik 41816.3 Aufgaben und Übungen zu GRAFCET 42016.4 Aufgaben und Übungen zur SPS 42116.5 Aufgaben und Übungen zur

Regelungstechnik 43416.6 Aufgaben und Übungen zu elektrischen

Antrieben 43616.7 Aufgaben und Übungen zur CNC-Technik 437

Fachwörterbuch Deutsch-Englisch,Sachwortverzeichnis 438

Quellenverzeichnis 448

Inhaltsverzeichnis6


1 Steuern, Regeln, Leiten 7

1 Steuern, Regeln, LeitenDamit Maschinen und Anlagen selbsttätig, also automatisch, arbeiten können, werden sie mit Steuerungs-, Regelungs- und Leittechniken aus-gerüstet. Diese Einrichtungen sind mechanische, elektrische, pneumatische und hydraulische An-triebe und Steuerungselemente. Mit Computern steuert man komplexe Fertigungseinrichtungen und Produktionsanlagen. Mikroprozessoren und Mikrocomputer und Industrie-PC sind heute häu-fig Bestandteil auch kleinster Steuerungsbau-gruppen. Die Begriffe der Leittechnik, Steuerungs-technik und Regelungstechnik sind in DIN IEC 60 050-351 „Internationales ElektrotechnischesWörterbuch – Teil 351: Leittechnik“ festgelegt (Gesamtumfang 194 Seiten).

1.1.1 Analoge, binäre und digitale

Steuerungen

Nach der Art der Signaldarstellung unterscheidet man analoge Steuerungen, binäre Steuerungen und digitale Steuerungen.

Die Steuersignale wirken von dem Steuergerät auf die Anlage oder Maschine ohne ein fortlau-fendes Erfassen und Korrigieren des Steuerungs-vorgangs (Bild 1). Bei einer Vorschubsteuerung wird der Maschinentisch über einen Antrieb be-wegt. Stellsignal ist die Motorspannung UM für den Vorschubmotor. Dieser bildet zusammen mit dem Maschinentisch die Steuerstrecke. Steuer-

größe ist der Vorschubweg s, den der Maschinen-tisch zu rücklegt.

Der Begriff Steuerung wird auch für die Gesamt-anlage verwendet, in der der Vorgang des Steu-erns stattfindet. Im Wirkungsplan wird das Zu-sammenwirken der einzelnen Steuerungsbau-gruppen mit Blocksymbolen und Wirkungslinien dargestellt. Die Wirkungsrichtung kennzeichnet man mit Pfeilen.

1.1 Steuern, Steuerung

Maschinentisch

Wechselräder

Weg

Kurvenscheibe

Bild 2: Analoge Steuerung eines Maschinentisches

Steuer-einrichtung

Steuer-strecke

Stellsignal Steuergröße

Stellsignal Steuergröße

Wirkungsplan

Steuer-einrichtung Motor

Steuer-spannung

Tisch

Spindel

Weg s

nUM

Bild 1: Prinzip einer Steuerung am Beispiel einer

Vorschubeinrichtung

Die wichtigsten Bauelemente analoger Steuerungen sind Kurvenscheiben, Getriebe, Ventile, Moto ren, analoge Sensoren und Operationsverstärker.

Das Steuern ist ein Vorgang, bei dem eine Anlage oder ein Gerät durch Steuersignale beeinflusst wird. Kennzeichnend für das Steuern ist deroffene Wirkungsweg der Signale.

Bei analogen Steuerungen steuert man überwie-gend mit stetig wirkenden Signalen, die ein analo-ges Abbild der Steuergröße sind.

Beispiel. Der Bewegungszyklus eines Maschinen-tisches soll über eine Kurvenscheibe gesteuert werden (Bild 2). Die zu steuernde Größe ist der Weg s des Maschinentisches. Er wird unter Be-rücksichtigung des Getriebes auf den entspre-chenden Radius der Kurvenscheibe umgerech-net. Der Radius der Kurvenscheibe ist analog zur Steuergröße, dem Weg s. Wird die Kurvenscheibe gedreht, bewegt sich der Maschinentisch zyklisch vorwärts und rückwärts.

Kapitel 1 007-011.indd 7Kapitel 1 007-011.indd 7 13.08.14 10:0313.08.14 10:03

1 Steuern, Regeln, Leiten8

Binäre Signale werden durch zwei verschiedene Werte oder Zustände dargestellt, z. B. durch EIN und AUS, durch SCHWARZ und WEISS oder STROMLEITEND und STROMNICHTLEITEND oder einfach durch 0 und 1. Die meisten Steuerungen arbeiten mit Schaltsignalen und sind somit binäre Steuerungen.

Beispiel. Der Vorschubtisch einer Schleifmaschinesoll ständig hin- und herfahren (Bild 1). Über einen Umschalter kann durch eine positive Motorspan-nung der Tisch nach rechts gesteuert werden. Trifft der am Tisch befestigte Nocken 2 auf den Umschalter, wird der Tisch über die negative Mo-torspannung nach links bewegt, bis der Nocken 1 wieder auf die Gegenbewegung umschaltet.

Beispiel. Ein Vorschubtisch soll um einen durch Zahlen bestimmbaren Weg zyklisch vor und zu-rück bewegt werden. Die digitale Steuerung erzeugt abgezählt und abwechselnd Impulse zur Rechtsdrehung und zur Linksdrehung eines Schrittmotors (Bild 2). Die Impulszahl und damit der Verfahrweg kann an einem Vorwahlschalter eingestellt werden (Bild 3). Mit jedem Impuls wird der Schrittmotor genau um einen Winkelschritt (Inkrement) gedreht und damit der Maschinen-tisch um einen Wegschritt weiterbewegt. Ein solcher Wegschritt ist die kleinste ausführbare Bewegung und entspricht dem niederwertigsten Ziffernschritt am Vorwahlschalter. Je nach Wahl des Getriebes, des Schrittmotors und der Spindel-steigung entspricht ein solcher Wegschritt z. B. 0,1 mm. Im Unter schied zur analogen Steuerung sind Stell- und Steuergröße unstetig.

nach rechts nach links

Nocken 2 Nocken 1

Motor

L+ L–

Bild 1: Binäre Steuerung eines Vorschubantriebs

(Pendeln)

vorwärts rückwärts

DigitaleSteuerung

Schritt-motor

SchrittimpulsWeg

Bild 2: Digitale Vorschubsteuerung mit Schritt-

motor

Schaltfinger am 10-teiligen Schaltstern

gedruckte Schaltung

Bild 3: Vorwahlschalter

SMD-Bauteile

FPGA

Bild 4: Digitalbaugruppe mit FPGA

Die Steuersignale sind meist binär verschlüsselt (codiert). Die einfachste Codierung ist der Zähl-

code. Dabei werden entsprechend der darzustel-lenden Zahl Impulse erzeugt und beim Empfänger gezählt.

Bei binären Steuerungen steuert man mit binären,d. h. zweiwertigen Signalen.

Die wichtigsten Bausteine digitaler Steuerungen sind Mikrocontroller, programmierbare Schalt-kreise (FPGAs1, Bild 4), digitale Sensorsysteme und digitale Netze.

Die wichtigsten Bauelemente binärer Steue-rungen sind Relais, Schaltventile, Dioden und binäre elektronische Schaltkreise.

Bei digitalen Steuerungen steuert man mit Zahlen.

1 FPGA, Kunstwort für Field Programmable Gate Array = pro-grammierbare logische Schaltung



Nach Art der Signalverarbeitung unterscheidet man Verknüpfungssteuerungen (kombinatorische Steuerungen) und Ablaufsteuerungen (sequenti-elle Steuerungen).

Bei zeitabhängigen Ablaufsteuerungen steuern Taktgeber, Zeitschaltuhren oder Zeitrelais den Ab-lauf. Ein einfaches Beispiel für eine zeit abhängige Ablaufsteuerung ist die Steuerung für den auto-matischen Anlauf von Drehstrommo toren über eine Stern-Dreieck-Anlassschaltung. Zu nächst wird der Motor in Sternschaltung hochgefahren und nach Ablauf der geschätzten Hochlaufzeit zuzüglich einer Zeitreserve in Dreieckschaltung umgesteuert. Danach ist der Motor betriebsbereit (Bild 2). Dargestellt werden Ablaufsteuerungen in Form von Funktionsplänen.

Bei prozessabhängigen Ablaufsteuerungen wird das Weiterschalten von einem Schritt zum nächs-ten durch den Prozess selbst ausgelöst. Im Falle einer Anlassschaltung für Drehstrommotoren be-nötigt man einen Sensor für den Betriebs zustand „Leerlaufdrehzahl erreicht“. Ist die Leerlaufdreh-zahl erreicht, wird automatisch auf Dreieckschal-tung umgeschaltet (Bild 3). Ablaufsteuerungen stellt man mit Funktionsplänen bzw. Program-mablaufplänen (GRAFCET, EN 60 848) oder aber mit Zustandsdiagrammen (VDI 3260) dar, wenn das Weiterschalten von einem Weg abhängt.

Prozessabhängige Ablaufsteuerungen sind grund-sätzlich zeitabhängigen Ablaufsteuerungen vorzu-ziehen, da bei Störungen der Ablauf unterbrochen wird oder funktionsgerecht langsamer weiterläuft.

Z. B. darf eine Drehmaschine nur anlaufen, wenn die Schutztüre geschlossen ist UND das Werk-stück im Spannfutter gespannt ist (Bild 1).

Verknüpfungssteuerungen sind binäre Steu-erungen. Man entwickelt sie mit Hilfe der Schaltalgebra. Die Darstellung erfolgt durch schaltal gebraische Gleichungen, Kontaktpläne, Funktionstabellen und Funktionspläne.

UND

Schutztüre geschlossen

Spannfutter zu

Startvoraussetzung

für Drehmaschine

&

Bild 1: Beispiel einer Verknüpfungssteuerung

Schritt

Transition

Schritt

Transition

Schritt

Transition

3 s / X1

M

M

Transition = Übergangsbedingung

„Grundschritt”

„Taster S1 = EIN”

„Schritt 1 schaltet Motorin Sternschaltung”„Nach Ablauf von 3 swird Schritt 2 aktiviertund Schritt 1 deaktiviert”„Schritt 2 schaltet Motorin Dreieckschaltung”

„Taster S2 = AUS”

S1

S2

0

1

2

Bild 2: Funktionsplan einer zeitabhängigen

Anlassschaltung

0

1

2

S1

S2

B1

M

M

Schritt

Transition

Schritt

Transition

Schritt

Transition

„Grundschritt”

„Taster S1 = EIN”

„Schritt 1 schaltet Motorin Sternschaltung”

„Drehzahlsensor B1meldet Leerlaufdreh-zahl n0 erreicht”

„Schritt 2 schaltet Motorin Dreieckschaltung”

„Taster S2 = AUS”

Bild 3: Funktionsplan einer prozessabhängigen

Schaltung

Bei z. B. unerwartet stark belastetem Drehstrom-motor wird erst dann in die Dreieckschaltung um-geschaltet, wenn eine hinreichend hohe Drehzahl erreicht ist.

1.1.2 Verknüpfungssteuerungen und Ablaufsteuerungen

Bei Verknüpfungssteuerungen entsteht die Steuergröße durch Verknüpfung (Kombination) mehrerer Signale.

Bei Ablaufsteuerungen werden die Steuerungs-vorgänge schrittweise ausgelöst. Das Weiter-schalten von einem Schritt zum nächsten erfolgt entweder zeitabhängig oder prozessabhängig.


1 Steuern, Regeln, Leiten10

Steuerungen werden auch nach der Art derProgrammverwirklichung eingeteilt. Man unter-scheidet verbindungsprogrammierte Steuerungen(VPS) und speicherprogrammierte Steuerungen (SPS) (Tabelle 1).

Das Programm kann über einen PC erstellt und in die Steuerung übertragen werden. Die Pro-gramme sind austauschbar und können schnell geändert werden. SPS sind meist bei Maschi-nensteuerungen eingesetzt. Es werden z. B. bei Transferstraßen die Zustellbewegungen einzel-ner Maschinen mit SPS gesteuert. SPS sind als Mehrprozessorsteuerungen mit hochleistungs-fähigen Mikroprozessoren aufgebaut. Über digi-tale Netze können SPS zusammengeschlossen werden und Daten austauschen. Über Kommuni-kationsschnittstellen können SPS aus der Ferne, z. B. über das Internet, beobachtet und mit neuer Software ausgestattet werden.

Wenn keine Programmänderungen vorgesehen sind, nennt man diese Steuerungen festprogram-

miert, sonst umprogrammierbar. Das Umpro-gram mieren kann z. B. durch den Tausch von Programm steckern (mit anderer Verdrahtung) erfolgen.

Beispiel für eine Festwertregelung. In einem Härteofen soll die Temperatur auf einem gleich-bleibenden Wert (Festwert) gehalten werden (Bild 1). Dieser Wert ist die Führungsgröße. Die Temperatur ist die Regelgröße. Zur Regelung kann ein Dehnstab verwendet werden, der sich je nach Höhe der Ofentemperatur verlängert oder verkürzt. Dieser Dehnstab ist über eine Stell-schraube mit dem Schieber fest verbunden. Mit der Stellschraube kann die Stellung des Schiebers in Bezug auf den Dehnstab verändert werden. Wird der Härteofen angefahren, verlängert sich der Dehnstab mit steigender Temperatur und der Schieber drosselt die Brenngaszufuhr. Sinkt die Ofentemperatur, verkürzt sich der Dehnstab und der Schieber öffnet die Brenngaszufuhr, damit die Ofentemperatur wieder steigt.

Regel-einrichtung

Stell-schraube

Dehnstab

Stellgröße

Vergleichsstelle

SchieberStellglied

HärteofenRegelstrecke

TemperaturRegelgröße

Stellgröße y Regelgröße x

Sollwert

z.B. Stellungder Stell-schraube z.B. Dehnstab

u. Schieberz.B. Härteofen

Regel-strecke

z.B. Stellschraubeu. Schieber

z.B. Schieber-öffnung

z.B. Temperatur

Signalver-zweigung+

–

Schieber-öffnung

a) Schematische Darstellung

b) Wirkungsplan

Bild 1: Historische Regelung eines Härteofens

Man unterscheidet Festwertregelungen und Fol-

geregelungen.

1.2 Regeln, Regelung1.1.3 Verbindungsprogrammierte

Steuerungen und speicher-

programmierte Steuerungen

Bei verbindungsprogrammierten Steuerungen (VPS) bestimmen die Leitungsverbindungen, z. B. die Verdrahtung, den Programmablauf.

Speicherprogrammierte Steuerungen (SPS) ent-halten einen elektronischen Programmspeicher, der frei programmiert werden kann.

Das Regeln bzw. die Regelung ist ein Vorgang, bei dem die zu regelnde Größe (Regelgröße) fort-laufend erfasst und so beeinflusst wird, dass sie sich der gewünschten Größe (Führungsgröße) angleicht.

Tabelle 1: Programmverwirklichung

Art Beispiel

Verbindungs-programmiertVPS

festpro grammiert Relaissteuerung

umpro grammier-bar

Programm-steuerung mitSteckerfeld

Speicher-programmiertSPS

austausch-programmierbar SPS mit EPROM1

freipro grammier-bar

SPS mit EEPROM2 oder RAM3

1 EPROM von Erasable Programmable Read Only Memory = lösch-barer Nur-Lese-Speicher

2 EEPROM von Eletrically EPROM = elektrisch löschbarer Nur-Lese-Speicher

3 RAM von Random Access Memory = Speicher mit wahlfreiemZugriff



Die Ofentemperatur, die durch diese Einrichtung konstant gehalten wird, ist die Regelgröße. Der Ofen selbst wird als Regelstrecke bezeichnet. Die Schieberöffnung, mit der die Brenngasmenge be-einflusst wird, nennt man wie bei der Steuerung Stellgröße.

Der Dehnstab gibt durch seine Länge die vor-handene Ofentemperatur, den Istwert der Regel-größe, an, während über die Stellschraube die gewünschte Temperatur, der Sollwert der Regel-größe, eingestellt werden kann. Bei einer Diffe-renz des Istwertes zum Sollwert, der Regeldiffe-renz, z. B. bei einer Temperaturabsenkung öffnet der Schieber die Zuleitung und der Ofen wird be-heizt, um den Sollwert wieder zu erreichen. Die Ofentemperatur sinkt immer, wenn die Ofentür zur Neubeschickung oder Entnahme der Werk-stücke geöffnet wird. Die dadurch auftretendeAbkühlung bezeichnet man als Störgröße.

SchieberStellglied

HärteofenRegelstrecke

Temperatur

Regelgröße

Kurvenscheibe

Führungsgröße

DehnstabSensor

Bild 1: Historische Folgeregelung der Härte-

temperatur

© ZF Friedrichshafen AG

Bild 2: Leitwarte für Getriebeprüfstand

Beispiel für eine Folgeregelung. Zum Härten von Stahl soll die Temperatur im Härteofen langsam bis auf etwa 700 °C erhöht und dann schnell auf Härtetemperatur gebracht werden. Die Ofen-temperatur soll einem bestimmten Temperatur-profil folgen. Dabei wird die Führungsgröße für die Temperatur z. B. mit einer sich gleichmäßig drehenden, auf der Achse Dehnstab-Schieber beweglichen Kurvenscheibe vorgegeben (Bild 1). Schieber und Dehnstab sind mit Rollen versehen, die in der Nut der Kurvenscheibe abrollen. Durch die Form der Kurvenscheibe (Führungsgröße) wird der Werteverlauf der Härtetemperatur (Re-gelgröße) gesteuert.

In der gezeichneten Stellung der Kurvenschei-be (maximale Härtetemperatur) ist der Schieber (Stellglied) ganz geöffnet und die Brenngaszufuhr entsprechend erhöht. Die Temperatur (Regel-größe) steigt an. Mit zunehmender Temperatur dehnt sich der Dehnstab und schließt den Schie-ber wieder soweit, dass die gewünschte Härte-temperatur nicht überschritten wird. Ein solches Ausregeln des jeweiligen Temperaturbereichs ge-schieht bei jeder Kurvenscheibenstellung.

1.3 Leiten, Leitung

Den Steuer- und Regeleinrichtungen sind bei komplexen Anlagen, z. B. bei Kraftwerken,Transferstraßen und Verkehrsanlagen, Leitein-

richtungen bzw. Leitwarten übergeordnet.

Neben dem Messen, Steuern und Regeln sind die wichtigsten Leitaufgaben: Überwachen, Schüt-zen vor Gefahren, Auswerten, Anzeigen, Melden, Aufzeichnen, Eingreifen, Daten erfassen, Datenein-geben, Datenverarbeiten, Datenübertragen und Datenausgeben. Leiteinrichtungen sind Computer,Betriebsdatenerfassungsgeräte und die Daten-netze zur Verbindung der Leiteinrichtung mit den dezentralen Steuerungs-, Regelungs- und Mess-einrichtungen einer Anlage.

Regelungen unterscheidet man auch nach der Art der Signalverarbeitung: Erfolgt die Signalver-arbeitung in der Regeleinrichtung überwiegend durch analoge Signale, spricht man von analoger Regelung, bei überwiegend binären Signalen von binärer Regelung und bei überwiegend digitaler Signalverarbeitung von digitaler Regelung.

Die Aufgabe der Regelung ist es, eine Größe, z. B. die Temperatur, konstant zu halten. Regelungen dieser Art nennt man Festwertregelungen.

Das Leiten ist die Gesamtheit aller Maßnahmen, die bewirken, dass der gewünschte Prozessver-lauf erreicht wird. Dabei ist meist auch eine Mit-wirkung des Menschen vorgesehen.


2 Mechanische Steuerungen12

2 Mechanische Steuerungen

2.1 Allgemeines

Mechanische Steuereinrichtungen können mit großen Stellgeschwindigkeiten genaue Verstell-wege fahren. Durch Nockenwellen werden z. B. die Ventile von Motoren gesteuert. Rundschalt-tische werden mit Hilfe von Malteserkreuzgetrie-ben positioniert oder an Drehautomaten werden Vorschübe mit Kurvenscheiben gefahren. Mecha-nische Steuer elemente sind genau, wirken direkt ohne Verzögerung und haben eine hohe Lebens-dauer. Sie sind aber nur mit großem Aufwand herzustellen.

Die Merkmale mechanischer Steuerungen kön-nen folgendermaßen zusammengefasst werden (Bild 2): Die Antriebsenergie gelangt über einen Elektromotor in ein verstellbares Getriebe, durch das die Drehzahl, die Drehrichtung und die Dreh-dauer (Start-Stopp) über mechanische, pneuma-tische, hydraulische oder elektrische Signale ver-stellt werden können.

Bei Stufengetrieben erfolgt die Signalgabe über Kupplungen, bei stufenlos verstellbaren Getrie-ben über besondere Stelleinrichtungen. An der

Abtriebswelle des verstellbaren Getriebes steht eine gesteuerte Rotationsenergie zur Verfügung. Muss die Drehbewegung jedoch in eine gerad-linige Bewe gung umgewandelt werden, wie z. B. beim Vorschub des Werkzeugschlittens einer Drehmaschine, kann dies mit einem Zahnrad-Zahnstangengetriebe geschehen.

Beispiel. Ein Elektromotor treibt z. B. die Antriebs-welle an, die über eine Kupplung mit dem Zahnrad-paar der Abtriebswelle verbunden werden kann. Die Kupplung ist das Stellglied der Steuerung und erhält die Steuersignale über einen Hebel von der Kurventrommel. Die Kurventrommel sitzt auf einer Steuerwelle, die über ein Untersetzungsgetriebe ebenfalls vom Elektromotor angetrieben wird. Die Signalgabe für die Betätigung der Kupplung wird durch die Form der Kurventrommel bestimmt.

Führt die sich drehende Kurvennut in der sich drehenden Kurventrommel nach rechts, wird die Kupplung durch den Hebel geschlossen und die Abtriebswelle eingeschaltet (Start). Führt die Nut nach links, wird die Kupplung geöffnet und die Antriebswelle bleibt stehen (Stopp). Die Signalfol-ge für Start und Stopp wiederholt sich nach jeder Steuerwellenumdrehung und bildet in diesem Fall das Programm der Steuerung.

Die gesamte Steuereinrichtung besteht aus Steu-erwelle, Kupplung, Kurventrommel, Hebel und Fe-der, während die Abtriebswelle die Steuerstrecke darstellt.

Antriebsenergie

stufenlos

gestuft

Signalgabe

pneumatisch

mechanisch

hydraulisch

elektrischKupplung

z.B. Malteser-kreuzgetriebe

z.B. Kugel-spindel-getriebe

z.B.Kurven-trieb

DrehendeBewegung

GeradlinigeBewegung

Verstell-bares

Getriebe

AussetzendeBewegung

Gleich-förmig

Ungleich-förmig

Bild 2: Aufbau mechanischer Steuerungen

Steuersignale

Antriebs-Energie

Abtriebs-Energie

Untersetzungs-getriebe

Kurventrommel Steuer-welle

Antriebswelle

Antriebs-welle

StellgliedKupplung Start Stop

Steuer-einrichtung

Steuer-strecke

Mechanisches Getriebe

Bild 1: Beispiel einer mechanischen Steuerung

1 Mechanische Steuerungen sind „aus der Mode“ gekommen. Dies gilt vor allem für Steuerungen bei Maschinen und Geräten. Es gibt aber bei vielen Aufgaben, insbesondere, wenn gleichzeitig Bewegungen zu steuern sind, mechanische Lösungen, die wegen der Einfachheit, Robustheit, Zuverlässigkeit und Schnelligkeit elektronisch nicht oder nur sehr teuer erreichbar sind. Beispiele sind: die Ventilsteuerungen durch Nocken und die Lenkungen an Kraftfahrzeugen. Für beides gibt es grundsätzlich auch elektronische Varianten.

Mechanische Steuerungen1 bestehen aus Getrie-ben, Kurvenscheiben, Hebeln, Kupplungen und anderen mechanischen Bauteilen (Bild 1).


2 Mechanische Steuerungen 13

Bei reibungsarmen Antrieben werden Kugel-gewindetriebe zur Erzeugung der gleichförmigen, geradlinigen Bewegung eingesetzt. Soll die ge-radlinige Bewegung ungleichförmig verlaufen, um z. B. eine schnelle Zustellbewegung von einer langsamen Arbeitsbewegung zu trennen, verwen-det man Kurbel- und Kurvengetriebe. Kurven-getriebe werden auch zur Signalerzeugung ein-gesetzt. Für Transporteinrichtungen werden oft Schrittbewegungen benötigt. Ein Rundschalttisch einer Presse muss z. B. nach jedem Arbeitshub des Presswerkzeugs um einen Teilschritt gedreht werden und dann wieder stillstehen. Dies kann durch die Unterbrechung der stetigen Drehbe-wegung eines verstellbaren Getriebes mit Hilfe eines nachfolgenden aussetzenden Getriebeserreicht werden.

2.2.1 Stufengetriebe

Stufenscheibengetriebe besitzen zur Kraftüber-tragung Riemenscheiben und Riemen. Die Kraft-übertragung bei Stufenrädergetrieben erfolgt di-rekt über Zahnräder. Drehrichtung und Drehzahl werden bei automatischen Stufengetrieben durch Kupplungen und Bremsen verstellt.

Die Eingangsleistung an der Antriebswelle des Getriebes ist in vielen Fällen konstant, sodass sich mit der Änderung der Drehzahl auch das Dreh-moment verändert. Bei konstanter Leistung steht das Dreh moment M in umgekehrtem Verhältnis zur Drehzahl n: M f 1/n (Bild 1). Die Kennlinie ist eine Hyperbel. Bei den schlupffreien, stufen-los verstellbaren Getrieben ist die Kennlinie eingeschlossener Kurvenzug, bei Stufengetrieben werden entsprechend der Zahl der Drehzahl-stufen nur einige Punkte der Hyperbel belegt.

2.2 Verstellbare Getriebe

Keilriemenscheiben

Kupplung 1 Kupplung 2

Bremse Abtrieb

Antrieb

12

3 4

Bild 2: Drehzahlsteuerung eines Stufenscheiben-

getriebes

Ablesebeispiel:M1 = 200 Nm n1 = 1500 min–1

M2 = 100 Nm n2 = 3000 min–1

gestuft

stufenlos

Dre

hm

om

ent

M

Drehzahl nmin–1500010000

0

100

200

300

400

500

600

Nm

700

Bild 1: Kennlinie eines verstellbaren Getriebes

und eine Bremse. Wenn die Elektromagnet-Kupplung 2 geschaltet ist, erfolgt der Abtrieb über die Riemenscheibe 4 und der Langsamgang des Getriebes ist angesteuert. Gleichzeitig muss die Kupplung 1 offen sein, damit die Riemenscheibe 3 auf der Welle frei umlaufen kann.

Beim Umschalten auf den Schnellgang wird die Elektromagnet-Kupplung 2 geöffnet und die Bremse für die Abtriebswelle angesteuert. Dann kann die Kupplung 1 mit der Riemenscheibe ver-bunden werden und den Abtrieb auf den Schnell-gang beschleunigen.

Beispiel. Mit einem Keilriemengetriebe können z. B. zwei Drehzahlen gesteuert werden, ohne dass die Riemenlage verändert werden muss (Bild 2).

Die Signalgabe für den Drehzahlwechsel erfolgt elektrisch über zwei Elektromagnet-Kupplungen

Mit verstellbaren mechanischen Getrieben wer-den die Drehrichtung, Drehzahlen und Dreh-momente gesteuert.

Stufengetriebe teilt man in Stufenscheiben-getriebe und Stufenrädergetriebe ein.



Solche über Steuerwellen und Kurventrommeln gesteuerten Stufenrädergetriebe verwendet man z. B. bei Drehautomaten zum Antrieb der Arbeits-spindel. Die Formen der Kurventrommeln sind auf ein bestimmtes Werkstück abgestimmt, das bei sehr großen Stückzahlen preiswert hergestellt werden kann.

Für große Zugkräfte und wenn eine lange Lebens-dauer des Getriebes gefordert ist, setzt man als Zugmittel Stahlketten ein. Bei Stahlketten, die in einem Ölbad laufen, unterscheidet man je nach Kettengeschwindigkeit und zu übertragender Leis tung Lamellenketten, Rollenketten und Wie-

gedruckstück-Ketten.

Umschlingungsgetriebe

Umschlingungsgetriebe sind Stufenscheibenge-triebe, bei denen mindestens eine Scheibe aus zwei kegelförmigen Teilen besteht. Diese kegel-förmigen Teile lassen sich axial auf ihrer Welle verschieben, wodurch die Laufradien für die Keil-riemen oder Stahlketten verstellt werden. So las-sen sich die Abtriebsdrehzahl und das Drehmo-ment des Getriebes steuern (Bild 2).

2.2.2 Stufenlos verstellbare Getriebe

Kurventrommelfür Geschwindig-keitswechsel

Antriebsmotor

Kurventrommel fürRichtungswechsel

KupplungsschalenSpindel

Steuer-welle

Ketten-trieb K1

K2

K4 K3

Kupplungen im Eingriff für

Rechtslauf

schnell

langsam

Linkslauf

K3 UND K2 K4 UND K2

K3 UND K1 K4 UND K1

Bild 1: Drehzahl- und Drehrichtungssteuerung

eines Stufenrädergetriebes

a)

b)

c)

Kegelförmige Scheiben

Keilriemen Verstelleinrichtung

Bild 2: Umschlingungsgetriebe

Beispiel. Bei dem mechanisch gesteuerten Stufen rädergetriebe können zwei Drehzahlen und beide Drehrichtungen gesteuert werden (Bild 1). Ein Elektromotor treibt die untere Welle an. Für den Schnellgang der Arbeitsspindel wird die Kupplung K2 geschlossen.

Für den Langsamgang wird die obere Welle, die wegen der Zahnraduntersetzung eine langsamere Drehzahl als die untere Welle ausführt, durch die Kupplung K1 und die beiden Kettentriebe mit den Schalen K4 und K3 verbunden. Der Schaltzeitpunkt für die mechanische Signalgabe zur Betätigung der beiden Kupplungen K1 und K2 wird durch die Steuerwellendrehzahl und die Form der rechten Kurventrommel bestimmt. Die linke Kurventrom-mel dient zur Steuerung des Richtungswechsels. Beim Linkslauf wird die Kupplung K4 geschlossen, beim Rechtslauf die Kupplung K3.

Stufenlos verstellbare Getriebe sind Umschlin-gungsgetriebe, Reibradgetriebe und Wälzgetriebe.

Für trocken laufende Umschlingungsgetriebe werden meist Breitkeilriemen als Zugmittel ver-wendet. Mit ihnen erreicht man einen besonders ruhigen, beinahe schlupffreien Lauf.



Um die Keilriemen dabei unter Spannung zu hal-ten, werden die beiden Hälften eines Kegelrades durch eine konstante Federkraft oder durch eine drehmomentabhängige Anpresseinrichtung zu-sammengedrückt. Die beiden Teile des Antriebs-Kegelrades können z. B. durch ein Handrad ausein-ander- oder zusammengeschoben werden (Bild 1).Bei dem Abtriebs-Kegelrad sorgt eine Anpress-feder für den notwendigen Spanndruck und die Einstellung des Laufradius.

Getriebe mit Stahlketten als Zugmittel werden meist über eine Verstellspindel und ein Hebel-system verstellt (Bild 2, vorhergehende Seite).

Die Ansteuerung der Umschlingungsgetriebe erfolgt durch Handverstellung, elektrisch oder durch Pneumatik- bzw. Hydraulikzylinder. Elek-trische Stelleinrichtungen oder hydraulische Servoantriebe werden besonders dann benötigt, wenn die Getriebe als Stellglieder in Regelkreisen eingesetzt werden.

Reibradgetriebe

Bei stufenlos verstellbaren Reibradgetrieben wird das Drehmoment durch ein Reibrad und eine Kegelscheibe übertragen (Bild 2). Dabei wird die auf der Motorwelle sitzende Kegelscheibe wäh-rend der Kraftübertragung gegen das Reibrad gedrückt. Zur Steuerung der Abtriebsdreh-zahl werden Motor und Kegelrad senkrecht zurMotorachse verschoben.

Der Anpressdruck des Reibrades wird der jewei-ligen Drehmomentbelastung angepasst, um den Verschleiß möglichst klein zu halten. Die Anpress-einrichtung besteht im Wesentlichen aus einer Andrückmuffe und einer Feder. Die axial auf einer Nutwelle verschiebbare Andrückmuffe hat die Form eines Doppelnockens, der in das entspre-chend geformte Gegenstück am Reibring eingreift und das Drehmoment von der Antriebsseite zur Abtriebsseite hin überträgt. Wird die Abtriebs-welle belastet, gleitet die Andrückmuffe auf den schrägen Nockenflächen aus dem Gegenstück und spannt dadurch die Feder. Die entstehende Feder-kraft presst den Reibring gegen das Kegelrad und zwar umso stärker, je größer das Drehmoment ist.

Abtrieb

Verstellung desScheibenabstandes

Antrieb

Gewinde-spindel Handrad

Breitkeilriemen

Bild 1: Drehzahlsteuerung durch Verstellen

der Kegelscheiben

Anpressdruck

Abtrieb Antrieb

Andrückmuffe, axial aufder Welle verschiebbar

Kegelscheibe

Reibring

Drehmoment

Drehzahlsteue-rung durchVerstellen derKegelscheibe

Bild 2: Reibradgetriebe mit Anpresseinrichtung

Drehmoment

Dre

hm

om

ent

M

Abtriebs-Drehzahl n

Mmax

Mmin

nmin nmax

Bild 3: Kennlinie eines Reibradgetriebes

Die Drehzahl der Breitkeilriemengetriebe wird entweder durch Verstellen des Achsabstands oder durch Verstellen der beiden Teile der Kegel-scheiben gesteuert (Bild 1).

Die Kennlinie des Reibradgetriebes verläuft na-hezu linear und besitzt wegen des auftretenden Schlupfes an der Reibstelle eine minimale und eine maximale Grenzdrehzahl (Bild 3).



Wälzgetriebe

Für die Umwandlung der Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung, wie sie bei vielen Arbeits-maschinen verlangt wird, müssen zusätzliche Getriebe verwendet werden (Bild 3). Bei auto-matisch gesteuerten Werkzeugmaschinen muss der geradlinige Antrieb möglichst reibungsarm und spielfrei sein. Ein Kugelgewindetrieb erfüllt diese Anforderungen (Bild 4). Zwischen der Spin-del und der Mutter tritt wegen der eingelagerten Kugeln nur Rollreibung auf. Durch Verspannen einer zweiteiligen Mutter kann ein Gewindespiel vollständig vermieden werden.

Erzeugung geradliniger Bewegungen

Die Wälzkörper sind z. B. beim Planetenverstell-

Getriebe kegelförmige Scheiben, die sich um die Antriebswelle drehen (Bild 1). Sie werden auf einer Seite vom Flansch der Antriebswelle und einem mitlaufenden Klemmring durch die Kraft einer Feder festgepresst und in Eigendrehung versetzt. Damit sie nicht aus der Klemmeinrich-tung herauswandern, werden sie an der gegen-überliegenden Seite von zwei feststehenden Au-ßenringen eingeklemmt.

Die Wellen der rotierenden Planetenscheiben sind in Gleitschuhen in der Abtriebswelle gelagert und lassen sich radial verschieben. Über die Planeten-wellen wird das Drehmoment auf die Abtriebs-welle übertragen.

Soll z. B. die Abtriebsdrehzahl erhöht werden, müssen die Planetenscheiben nach innen zur Drehachse hin verschoben werden. Dies erfolgt durch Kraft einwirkung über die beiden Außen-ringe. Die Planetenscheiben wandern wegen ih-rer Kegelform aus den Außenringen heraus und dringen tiefer in die Flanschklemmung ein. Dabei verkleinern sich die Abwälzradien. Die Planeten-scheiben rollen schneller auf dem Antriebsflansch ab und erhöhen die Drehzahl der Abtriebswelle.

Wird die Axialkraft auf die Außenringe verkleinert, wandern die Planetenscheiben durch die Wirkung der Federkraft wieder nach außen und rollen lang-samer ab. Die Abtriebsdrehzahl sinkt. Die Kenn-linie des Planetenverstell-Getriebes gleicht der Kennlinie des Reibradgetriebes (Bild 2).

Planetenscheibe

Gleitschuh

Abtrieb Antrieb

Flansch Außenringe

Verstellkraft

Bild 1: Planetenverstell-Getriebe

DrehmomentD

reh

mo

men

t M

Abtriebs-Drehzahl n

Mmax

Mmin

nmin nmax

Bild 2: Kennlinie des Planetenverstell-Getriebes

Bild 4: Kugelgewindetrieb

ZugmittelSchiene

Zahnstange

Alternativ: Zahnstange ortsfest,Zahnrad linearbewegt

Zahnrad

Gewindemutter Gewinde-spindel

Alternativ: Gewindespindel fixiert,Gewindemutter linearbewegt

Bild 3: Umwandlung einer Drehbewegung in eine

geradlinige Bewegung

Bei verstellbaren Wälzgetrieben wird das Dreh-moment über kugel- oder kegelförmige Wälz-körper übertragen.

Mit verstellbaren Getrieben lassen sich Drehzahl und Drehrichtung mechanisch steuern.



Kurbelgetriebe bestehen aus einer Kurbel, die an-getrieben wird, einer Schwinge und einer Koppel.Die Kurbel, die am Maschinentisch befestigt ist, treibt die Koppel und damit die Schwinge an. Das einfachste Kurbelgetriebe ist die Kurbelschwinge

(Bild 1).

Andere Kurbelgetriebe sind ähnlich aufgebaut. Ist ein Gelenk als Schubkurbel ausgebildet, heißt das Getriebe Kurbelschleife oder Schubkurbel. Bei zwei Schubgelenken wird es Kreuzschub-

kurbel genannt. Schubkurbelgetriebe werden meist als Kraft getriebe zur Umwandlung von Dreh- in Längs bewegungen verwendet, wie z. B. bei Senkrecht- oder Waagrechtstoßmaschinen und bei Pressen. Auch beim Verbrennungsmotor wird die geradlinige Bewegung der Kolben mit Hilfe eines Schubkurbelgetriebes in eine Dreh-bewegung umgewandelt.

Bestehen die Getriebe aus einem sich drehenden Kurventräger und einem geradlinig geführten Abtriebsteil, spricht man von einem Schubkur-

vengetriebe. Bei einem Kurventräger mit nachfol-gendem drehbarem Hebel nennt man das Getrie-be eine Kurvenschwinge.

Schubkurvengetriebe können streckenweise eine gleichförmige Bewegung ausführen, wenn die Kurvenscheibe eine gleichmäßig ansteigende Form erhält (Archimedische1 Spirale). Die Form der Kurven richtet sich nach den Wegen, die mit dem Getriebe gefahren werden sollen (Bild 2).

Kurvengetriebe

2.3 Getriebe mit ungleich-

förmiger Übersetzung

Zur Ermittlung der Kurvenform für einen gleichför-migen Hub wird der Grundkreis der Kurvenscheibe abgewickelt. Für den Anfang der Hubbewegung legt man den Winkel 0° am Kreis und an der Ab-wicklung fest. Dann trägt man den Winkel ein, bei dem der Hub seinen höchsten Punkt erreichen soll, z. B. 240°. Den Zwischenraum zwischen den beiden Winkeln 0° und 240° teilt man in beliebig viele glei-

che Teile ein, z. B. in vier. Auf der Kurvenscheibe werden die Teilungsstrahlen, von 0° beginnend, entgegen der Drehrichtung der Kurvenscheibe, in gleichen Abständen eingezeichnet. Denkt man sich die Kurvenscheibe festgehalten, während der Stö-ßel um die Scheibe herumgeführt wird, kann der jeweilige Hub aus der Abwicklung auf den Grund-kreis der Kurvenscheibe übertragen werden.

Koppel

Kurbelschleife

Kurbel Schwinge

Koppel

Kurbel

Schwinge

Maschinen-gestell

KoppelKurbel

Schwinge

Koppel

Kurbel

Schwinge

Kurbelschwinge

Maschinengestell

Maschinen-gestell

Schubkurbel

Kreuzschubkurbel

Maschinen-gestell

Bild 1: Kurbelgetriebe

KurvenscheibeUmhüllungslinie =Kurvenendform

Grundkreis

Rollenmittelpunkte

Stößel

Hilfskreis

Strahlen

60° 120° 180° 240° 300° 360°

0°

1 2 3 4 5 6 7

1

2

3

4

5

6

7

360° 0°

60°

120°

180°

240°

300°

Abgewickelter Umfangdes Grundkreises

Sinusförmiger Übergang

Bild 2: Schubkurvengetriebe

Zu den ungleichförmig übersetzenden Getrieben gehören die Kurbel- und Kurvengetriebe.

Kurvengetriebe verwendet man bei ungleich-förmigen Bewegungen, die bei Zustell- und Vorschubbewegungen an Werkzeugmaschinen auftreten können.

1 Archimedes, Mechaniker und Mathematiker des Altertums, gest. 212 v. Chr. bei der Eroberung von Syrakus durch die Römer.



Bei der Kurvenschwinge wird die Kurve für die Erzeugung eines gleichförmigen Anstiegs in ähn-licher Weise gezeichnet (Bild 1). Auch hier denkt man sich den Hebel um die Kurvenscheibe be-wegt, während die Scheibe selbst festgehalten wird. Die Strahlen, auf denen sich der Rollenmit-telpunkt des Hebels in jedem Moment der Bewe-gung befinden kann, werden jetzt durch Kreise mit der Länge des Hebelarms als Radius ersetzt. Der Drehpunkt des Hebelarms bewegt sich auf einem Hilfskreis um die Kurvenscheibe mit dem Abstand Kurvenmittelpunkt zu Hebeldrehpunkt als Radius.

Teilt man den Gesamthub und den Winkel, über den der Hub erfolgen soll, in gleiche Teile ein, kann man jedem Strahl einen Hub aus der Ab-wicklung zuordnen (Nummerierung). Die Bahn der Rollenmittelpunkte erhält man, wenn man die gefundenen Schnittpunkte der Strahlen und die Hubstrecken mit einem Kurvenlineal verbindet. Man zeichnet wieder beliebig viele Rollenkreise ein und ermittelt die Kurve als Umhüllende der Rollen kreise.

Kurvenscheiben als Programmspeicher

Durch die Kurvenform ist der Bewegungsablauf des Stößels oder des Hebels festgelegt. Bei einer Umdrehung der Kurve wird dann eine bestimmte Folge von Einzelbewegungen (Programm) ausge-führt. In gleicher Weise werden Nockenscheiben oder Schalttrommeln verwendet, um mecha-nische, pneumatische, hydraulische oder elek-trische Steuerungselemente zu betätigen.

Mechanisch gesteuerte Drehautomaten werden über Kurvenscheiben als Programmgeber ge-steuert. Die Kurvenscheiben befinden sich meist auf einer Steuerwelle, die sich während des Fer-tigungsablaufs eines Werkstücks einmal um ihre Achse dreht (Bild 2). Die wichtigste Aufgabe er-füllt dabei die Spindelstockkurve, mit der die Vor-schubbewegungen in Richtung der Drehachse ausgeführt werden.

Umhüllungs-linie = Kurven-endform

Größter Hub in viergleiche Teile zerlegt

Grundkreis

Strahlen

1 2 3 4 5 6 7

1

2

34

5

67

Rollenmittelpunkte

1 2 3 4 5

rp

Bild 1: Kurvenschwinge

Stangenmaterial Spanneinrichtung

Spindel-antrieb

Spindel-stock

FeststehendeFührung

Dreh-meißel 1

Wippe

Dreh-meißel 2

SteuerwelleWippenkurveSteuerwellenantrieb

Nockenscheibe

Spindelstock-kurve

Bild 2: Mechanische Steuerung einer Drehmaschine

Kurvenscheiben sind mechanische Programm-speicher (Informationsspeicher).

Für den ersten Strahl durch den Winkel 0° ist die Hubhöhe Null. Für den zweiten Strahl wird der entsprechende Wert der Hubhöhe aus der Abwicklung entnommen und vom Hilfskreis aus angetragen. Das gleiche wird auch für die Strah-len 3 und 4 gemacht. Die auf den Strahlen gefun-denen Schnittpunkte werden anschließend mit dem Kurven lineal verbunden. Man erhält so die Linie, auf der die Rollenmittelpunkte liegen. Mit dem Zirkel können jetzt beliebig viele Rollenkreise gezeichnet werden. Die innere Umhüllungslinie der Rollenkreise stellt die gesuchte Kurve für den gleichförmigen Anstieg des Stößels dar, die dann als äußere Kurvenscheibe ausgeführt wird. Die Genauigkeit der Kurve wird durch eine feinere Teilung verbessert. Um Kurvenübergänge mög-lichst stoßfrei zu gestalten, werden die Ecken der abgewickelten Hublinie z. B. sinusförmig abge-rundet.



2.4 Getriebe mit aussetzender

Bewegung

Getriebe mit aussetzender Bewegung werden für schrittweise Antriebe von Transportbändern, Rundschalttischen und Werkzeugrevolvern ver-wendet.

Diese Rippe liegt genau senkrecht zur Drehach-se des Rollenrades und verhindert damit des-sen Bewegung (Sperrstellung). Über ein Drittel des Trommelumfangs gehen die beiden Rippen gewinde artig auseinander, so dass zwischen den zwei Enden der Rippen gerade soviel Platz entsteht, um eine Rolle des getriebenen Rades hindurchzu lassen. Das Rollenrad dreht sich dann um einen Rollenabstand weiter.

Beim Sternradgetriebe bewegt sich das größereRad mit gleichmäßiger Geschwindigkeit, das kleinere Sternrad wird dabei in Sperrstellung ge-halten (Bild 2). Sobald die Rollen des treibenden Rades in die Zahnlücken des Sternrades eingrei-fen, wird dieses eine ganze Umdrehung mitge-nommen. In der übrigen Zeit bleibt das Sternrad stehen. Durch verschiedene Anordnung der Rol-len und Zähne können sehr viele Kombinationen von Umlaufzeit zu Stillstandzeit erzielt werden.

Es besteht aus einer sich mit gleichbleibender Geschwindigkeit drehenden Scheibe und dem Mal teserkreuzrad, das hier vier Haltestationen be-sitzt. An der treibenden Scheibe befindet sich eine Rolle, die jeweils bei einer Umdrehung in einen Schlitz des Malteserkreuzrades eingreift und das Rad eine Viertelumdrehung mitnimmt. Die Rolle auf der treibenden Scheibe muss leichtgängig sein. Verwendet man statt der Rolle nur einen Stift, so unterliegt dieser einem erheblichen Ver-schleiß.

Rollenrad

Trommel

Rippe

Bild 3: Aussetzendes Getriebe mit sich kreuzenden

Wellen

Malteser-kreuzrad

TreibendeScheibe

Rolle

Bild 1: Malteserkreuzgetriebe mit vier Stationen

Sternrad

TreibendesRad

Rollen

1

2

3

4 5

8

7

6

1

2

34

8

7

65

Bild 2: Sternradgetriebe

Das bekannteste aussetzende Getriebe ist das Malteserkreuzgetriebe1 (Bild 1).

Für ganze oder halbe Umdrehungen mit nach-folgendem Stillstand werden Sternradgetriebe verwendet.

Beim aussetzenden Getriebe mit sich kreuzen-den Wellen ist das treibende Rad eine Kurven-trommel, die am Umfang eine Rippe mit trapez-förmigem Querschnitt besitzt (Bild 3).

1 benannt nach dem achtspitzigen Kreuz des Malteserordens bzw. Johanniterordens.


3 Elektrische und elektronische Steuerungen20

Tastschalter

Druckknopftastschalter, kurz Taster genannt, wie z. B. ein Klingelknopf, wirken nur während der Dauer ihrer Betätigung. Die Kontaktgabe oder Unterbrechung erfolgt über bewegliche Schalt-stücke, die z. B. von Hand betätigt werden (Bild 2). Taster enthalten oft mehrere Kontakte, z. B. 3 Schließer und 3 Öffner. Eine Feder, die bei Be-tätigung gespannt wird, bringt die Schaltstücke in ihre Ausgangslage, wenn die Betätigung auf-hört. Die Taster dienen oft gleichzeitig als Leucht-

melder (Signal-Lampe). Tastschalter mit großer, roter, pilzförmiger Kappe auf gelbem Untergrund verwendet man als NOT-AUS-Taster.

Mit Positionsschaltern (Grenztastern), die über Nocken betätigt werden, wird das Erreichen von Grenz- und Endlagen beweglicher Maschinen-teile, z. B. von Werkzeugmaschinenschlitten, sig-nalisiert. Die Positionsschalter sind mit Sprung-schaltern (Mikroschalter) ausgestattet, damit man auch bei sehr langsamer Betä tigung eine plötz-liche Kontaktgabe oder Kontaktunterbrechung erhält (Bild 3).

Nach Art der Schalterbetätigung unterscheidet man Tastschalter, Stellschalter und Schloss-

schalter.

3.1 Elektrische Kontaktsteuerungen

3.1.1 Bauelemente und Betriebsmittel

Die wichtigsten Bauelemente elektrischer Kon-taktsteuerungen sind: Schaltgeräte, Steckvorrich-tungen, Leitungsverbindungen und Anzeigegeräte (Bild 1). Schaltpläne dienen der übersichtlichen Darstellung einer elektrischen Steuerung. In ih-nen wird die Funktion der Bauelemente durch ge-normte Sinnbilder, die man Schaltzeichen nennt, wiedergegeben. Die Schaltzeichen geben grund-sätzlich den Zustand des unbetätigten Schaltge-rätes an. Schaltkontakte werden z. B. von Hand, durch Nocken oder durch Fernbedienung betätigt. Die Fernbedienung erfolgt meist durch elektro-magnetische Kraft, wie beim Relais, Schütz und Schrittschaltwerk.

Taste

Betätigungs-richtung

Schaltstücke Rückstell-feder

AnschlüsseÖffner Schließer

Schaltzeichen

Bild 2: Druckknopftastschalter (Taster)

Leucht-taster

EIN/AUS-Tastschalter

Haupt-schalter

Nocken-schaltermit Rolle

Wahl-schalter

Bild 1: Schalter

Stößel

Schaltzeichen

Bewegliches Schaltstück Anschlusszungen

Bild 3: Positionsschalter (Grenztaster)

3 Elektrische und elektro-nische Steuerungen

Elektrische Steuerungen bestehen aus elektri-schen Steuereinrichtungen und elektrisch betä-tigten Stellgliedern. Die einfachste elektrische Steuereinrichtung ist ein Schalter, mit dem z. B. ein Elektromotor als Stellglied für den Vorschub-antrieb einer Werkzeugmaschine ein- und ausge-schaltet wird. Zu einer Steuereinrichtung gehören noch Sicherheits- und Anzeigegeräte, wie z. B. Temperaturwächter und Signallampen. Geschieht das Steuern durch Schalten elektrischer Kontakte, spricht man von Kontaktsteuerungen, sonst von kontaktlosen Steuerungen oder elektronischen

Steuerungen.

Bei den Schaltkontakten gibt es Schließer, die bei Betätigung des Schalters einen Stromkreis schließen, und Öffner, die einen Stromkreis unter brechen.

NOT-AUS-Taster sind immer Tastschalter mit Öffner, da man Notsituationen immer durch Aus-schalten, also durch Unterbrechen des Strom-kreises, begegnen muss.


Steuern und Regeln für Maschinenbau und Mechatronik · erweitert. Hinzugekommen ist ein...

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