Steuern und Regeln - ReadingSample...Steuern und Regeln Für Maschinenbau und Mechatronik von Hans...

Steuern und Regeln

Für Maschinenbau und Mechatronik

vonHans Kaufmann, Alexander Pflug, Dietmar Schmid, Bernhard Zippel

1. Auflage

Europa Lehrmittel 2013

Verlag C.H. Beck im Internet:www.beck.de

ISBN 978 3 8085 1119 0

schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG

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Bibliothek des technischen Wissens

Steuern und Regeln

für Maschinenbau und

Mechatronik

13., überarbeitete Auflage

Die beigefügte CD enthält die Bilder des Buches und die Lösungen zu den Aufgaben und Übungen

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

Titelei 001-006.indd 1Titelei 001-006.indd 1 14.12.12 10:1814.12.12 10:18

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, Ostfildern

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.

13. Auflage 2013

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 978-3-8085-1119-0

Umschlaggestaltung unter Verwendung eines Fotos der Daimler AG (links), der Robert Bosch GmbH (oben rechts) und des Lektors.

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

© 2013 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, 97199 Ochsenfurt-Hohestadt

2


Vorwort zur 13. 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 13. Auflage wurde in den Kapiteln „Elektrische Antriebstechnik”, „Pneumatik” und „SPS” gründlich überarbeitet. So sind insbesondere die modernen Technologien der digitalen Drehzahlsteuerung und digitalen Drehzahl-regelung von Drehstromsynchronmotoren und Drehstromasynchronmotoren ausführlich dargestellt. In der Pneumatik sind den Themen „Ventilinseln” und „pneumatische Muskeln” mehr Platz eingeräumt. Im Bereich der SPS ist u. a. die Darstellung der „Zustandsautomaten” hinzugekommen. Desweiteren gibt es in allen Kapiteln Einzelverbesserungen und aktualisiertes Bildmaterial.

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.

Das Buch ist gegliedert in die Lehr- und Lernbereiche:

Vorwort 3

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.

Winter 2012/2013 Dietmar Schmid

• Steuern, Regeln, Leiten

(Begriffsbestimmungen),

• Grundkenntnisse der Steuerungstechnik

(mechanische, elektrische, pneumatische, elektro-pneumatische, hydraulische, binäre und digitale Steuerungen, SPS und Antriebe),

• Sensortechnik,

• Regelungstechnik,

• NC-Technik,

• Robotertechnik,

• Montage und Demontage,

• Qualitätsmanagement,

• Instandhaltung,

• Geschäftsprozesse,

• Arbeitsgestaltung und Arbeitsschutz,

• Informations- und Kommunikationstechnik,

• Aufgaben und Übungen,

• Fachwörterbuch/Professional Dictionary.


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 Steue -

rungen und speicher programmierte Steue rungen 10

1.2 Regeln, Regelung 10

1.3 Leiten, Leitung 11

2 Grundkenntnisse der Steuerungstechnik

2.1 Mechanische Steuerungen 122.1.1 Allgemeines 122.1.2 Verstellbare Getriebe 132.1.2.1 Stufengetriebe 132.1.2.2 Stufenlos verstellbare Getriebe 142.1.3 Getriebe mit ungleichförmiger

Übersetzung 172.1.4 Getriebe mit aussetzender Bewegung 19

2.2 Elektrische Steuerungen 202.2.1 Bauelemente elektrischer Kontakt-

steuerungen 202.2.2 Darstellung elektrischer Kontakt-

steuerungen 322.2.3 Grundschaltungen elektrischer

Kontaktsteuerungen 332.2.4 Ablaufsteuerungen 352.2.4.1 Wegdiagramm und Zustandsdiagramm 362.2.4.2 GRAFCET 372.2.5 Elektronische Bauelemente 432.2.6 Elektrische Aktoren 472.2.6.1 Rechnerische Grundlagen 482.2.6.2 Elektromagnete und Kupplungen 512.2.6.3 Netzbetriebene Drehstrommotoren

(AC-Motor) 512.2.6.4 Drehzahlsteuerung und

Drehzahlregelung 592.2.6.5 Gleichstromantriebe 652.2.6.6 Schrittmotorantriebe 66

2.3 Pneumatische Steuerungen 672.3.1 Aufbau einer Pneumatikanlage 682.3.2 Drucklufterzeugung 702.3.2.1 Verdichter (Kompressoren) 702.3.2.2 Druckluftnetze 732.3.2.3 Druckluftaufbereitung 742.3.3 Antriebsglieder 752.3.3.1 Druckluftmotoren 752.3.3.2 Pneumatischer Muskel 772.3.3.3 Balgantrieb 772.3.3.4 Dreh- und Schwenkantriebe 782.3.3.5 Druckluftzylinder 782.3.3.6 Zylinderkennwerte 822.3.4 Ventile und Grundsteuerungen 842.3.4.1 Darstellung der Ventile 84

2.3.4.2 Wegeventile 862.3.4.3 Stromventile 882.3.4.4 Sperrventile 892.3.4.5 Druckventile und Absperrventile 912.3.4.6 Ventilinseln 922.3.5 Aufbau eines Schaltplans 932.3.6 Funktionsdiagramme 952.3.7 Proportionaltechnik 992.3.7.1 Proportional-Druckregelventile 992.3.7.2 Proportional-Wegeventile 1002.3.8 Beispiele pneumatischer Steuerungen 1022.3.9 Elektropneumatische Steuerungen 105

2.4 Hydraulische Steuerungen 1102.4.1 Allgemeines 1102.4.2 Physikalische Grundlagen 1102.4.2.1 Hydrostatik 1102.4.2.2 Hydrodynamik 1122.4.3 Hydraulikflüssigkeiten 1132.4.4 Aufbau hydraulischer Steuerungen 1152.4.5 Hydraulikpumpen 1162.4.6 Hydraulikspeicher 1182.4.7 Antriebselemente 1202.4.8 Hydraulikventile 1232.4.8.1 Druckventile 1242.4.8.2 Wegeventile 1272.4.8.3 Sperrventile 1282.4.8.4 Stromventile 1292.4.8.5 Ventilaufbauarten 1322.4.8.6 Stetigventile 1342.4.8.7 Proportionalventiltechnik 1352.4.8.8 Servoventile 141

2.5 Binäre und digitale Steuerungen 1432.5.1 Dualcode 1432.5.2 BCD-Codes 1442.5.3 Binäre Verknüpfungen 1452.5.4 Schaltalgebra 1482.5.5 Kombinatorische Steuerungen 1492.5.6 Übungen zu kombinatorischen

Steuerungen 1512.5.7 Ablaufsteuerungen 1542.5.8 Digitale Speicher 160

2.6 Gefahren und Schutzmaßnahmen

bei elektrischen Anlagen 164

2.7 Elektromagnetische Verträglichkeit

(EMV) 166

2.8 Speicherprogrammierbare

Steuerungen (SPS) 1682.8.1 Aufbau und Funktionsweise 1682.8.2 Programmierung 1712.8.2.1 Programmiersprachen 1712.8.2.2 Programmaufbau 1742.8.3 Grundfunktionen 1782.8.3.1 Binäre Abfragen und Verknüpfungen 1782.8.3.2 SR/RS-Speicherfunktionen 1812.8.3.3 Flankenauswertung 1832.8.4 Zeitfunktionen 184

Inhaltsverzeichnis4

Inhaltsverzeichnis


2.8.5 Zählfunktionen 1862.8.6 Arithmetische und numerische

Funktionen 1882.8.7 Übertragungsfunktionen und

Programmsteuerfunktionen 1882.8.8 Digitale Operationen 1892.8.9 Ablaufsteuerungen 1912.8.9.1 Gliederung und Darstellung 1912.8.9.2 Beispiel einer Ablaufsteuerung 1922.8.9.3 Programmierung in Ablaufsprache 1952.8.9.4 Betriebsartensignale 1972.8.9.5 Funktionsbaustein für Betriebsarten 1982.8.9.6 Funktionsbaustein für sequenzielle

Schrittketten 1992.8.9.7 Funktionsbaustein für die Befehls- ausgabe 2002.8.9.8 Zustandsautomaten 2002.8.10 Analogwertverarbeitung 2022.8.11 Programmieren mit strukturiertem Text (ST) 2052.8.11.1 Digitale Regelung 2052.8.11.2 Zweipunktregler 2062.8.11.3 PID-Reglerbaustein 2072.8.12 Bedienen und Beobachten von Fertigungsprozessen 2092.8.13 Schnelle Zählvorgänge 210

3 Sensortechnik

3.1 Analoge Sensoren 2123.1.1 Sensoren für Wege, Winkel, Abstände

und Dicken 2123.1.2 Geschwindigkeitssensoren 2193.1.3 Sensoren für Dehnungen, Kräfte,

Drehmomente und Drücke 2203.1.4 Beschleunigungssensoren 2223.1.5 Temperatursensoren 223

3.2 Binäre Sensoren 225

3.3 Digitale Sensoren 2273.3.1 Inkrementale Wegsensoren 2273.3.2 Codemaßstäbe und Winkelcodierer 229

4 Regelungstechnik

4.1 Grundbegriffe 231

4.2 Regelungsarten 232

4.3 Regelkreisglieder 2344.3.1 Proportionalglied ohne Verzögerung

(P-Glied) 2344.3.2 Proportionalglied mit Verzögerung

1. Ordnung (P-T1-Glied) 2354.3.3 Proportionalglied mit Verzögerung

2. Ordnung (P-T2-Glied) und Schwin-gungsglied 236

4.3.4 Integralglied (I-Glied) 2394.3.5 Differenzierglied (D-Glied) 2404.3.6 Totzeitglied (Tt-Glied) 2404.3.7 Zusammenwirken mehrerer

Regelkreisglieder 242

4.4 Regler und Regelkreise 2434.4.1 Schaltende Regler 2434.4.2 Analoge Regler 2444.4.3 Digitale Regler (Software-Regler) 2464.4.3.1 Digitalisierung und Signalabtastung 2464.4.3.2 Regelungsalgorithmus 2474.4.4 Regelung von P-Strecken 2504.4.5 Regelung von I-Strecken 2514.4.6 Einstellen eines Reglers 2524.4.7 Selbstoptimierende Regler 253

4.5 Lageregelung bei NC-Maschinen 2544.5.1 Kaskadenregelung 2544.5.2 Geschwindigkeitsvorsteuerung 2554.5.3 Analoger und digitaler Drehzahl-

regelkreis 256

5 Computergesteuerte Maschinen

5.1 CNC-Werkzeugmaschinen 2575.1.1 Der Produktionsprozess 2575.1.2 NC-Achsen und deren Steuerung 2605.1.3 CNC-Programmierung 2625.1.3.1 DIN-Programmierung 2625.1.3.2 Werkstattorientiertes Produzieren 2725.1.4 Interpolation 2745.1.5 Leistungsfähigkeit 2765.1.6 Offene CNC-Steuerung 278

5.2 Rapid Prototyping (RP) 2795.2.1 Allgemeines und Anwendung 2795.2.2 Verfahren des RP 2795.2.3 Die Informationskette und die Prozesskette 282

5.3 Robotertechnik 2835.3.1 Einteilung 2835.3.2 Der kinematische Aufbau 2855.3.3 Roboterantriebe 2885.3.4 Greifer 2895.3.5 Roboterprogrammierung 2905.3.5.1 Programmierverfahren 2905.3.5.2 Koordinatensysteme 2935.3.6 Robotersteuerung 2955.3.6.1 Die Bewegungserzeugung 2955.3.6.2 Achsstellungen 2965.3.6.3 Interpolation 2975.3.6.4 Überschleifen und Pendeln 2985.3.6.5 Robotersensorführung 2995.3.7 Schutzmaßnahmen 302

6 Montage und Demontage

6.1 Grundlagen 303

6.2 Der Materialfluss 3066.2.1 Lagern 3066.2.2 Puffern 3076.2.3 Bunkern 3086.2.4 Magazinieren 3096.2.5 Fördersysteme 310

6.3 Fügen in der Montage 3136.3.1 Schrauben 3136.3.2 Umformen 313

Inhaltsverzeichnis 5


6.3.3 Kleben und Abdichten (Sealen) 3156.3.4 Schweißen und Löten 3166.3.5 Zusammenlegen 3186.3.6 Schrumpfen 318

6.4 Montageplätze 3196.4.1 Manuelle Montage 3196.4.2 Maschinelle Montage 320

6.5 Montageorganisation 3216.5.1 Topologie 3216.5.2 Montageablauf 321

7 Qualitätsmanagement

7.1 Qualität 3237.1.1 Qualitätsmerkmale 3237.1.2 Fehler 324

7.2 Ziele des Qualitätsmanagements 325

7.3 TQM – Total Quality Management 325

7.4 Qualitätskreis und Qualitäts-

pyramide 326

7.5 Aufbau und Elemente eines

Qualitätsmanagementsystems 3277.5.1 Aufbauorganisation 3277.5.2 Ablauforganisation 3287.5.3 DIN ISO 9000 3287.5.4 Zertifizierung 330

7.6 Statistische Qualitätslenkung 3307.6.1 Prozessanalyse 3317.6.2 Qualitätsregelkarten 3337.6.3 Maschinen- und Prozessfähigkeit 334

8 Instandhaltung und Energie-Monitoring

8.1 Begriffe zur Instandhaltung 3358.2 Wartung 3388.3 Inspektion 3428.4 Instandsetzung 344

8.5 Inbetriebnahme 345

8.6 Fehlersuche 347

8.7 Reparatur 348

8.8 Condition-Monitoring (Zustands- bedingte Instandhaltung) 349

8.9 Energie-Monitoring 353

9 Geschäftsprozesse

9.1 Managementaufgaben 355

9.2 Prozessmanagement 356

9.3 Produkt-Daten-Management 357

9.4 Gestaltungsmethoden für Prozessketten 359

9.5 Projektmanagement 361

9.6 Informationsmanagement 362

9.7 Planungsinstrumente 364

9.8 Moderation 368

9.9 Präsentation 3689.9.1 Inhalt und visuelle Darstellung 3719.9.2 Präsentationsgrafik und PowerPoint 372

10 Arbeitsgestaltung und Arbeitsschutz

10.1 Der Mensch ist das Maß 373

10.2 Arbeitsplatzgestaltung 374

10.3 Arbeitsbelastungen 37810.3.1 Arbeitsbelastung durch die Art der Arbeit 37810.3.2 Belastungen durch die Arbeits- organisation 379

10.4 EU-Maschinenrichtlinie 38110.4.1 Gesichtspunkte zur Sicherheit und zum Gesundheitsschutz 38110.4.2 Kennzeichnung und Betriebsanleitung 383

10.5 Europäische Sicherheitsnormen 384

11 Informations- und Kommunikations-

technik

11.1 Computertechnik 38511.1.1 Der PC 38511.1.2 Objektorientierte Software 38811.1.3 Steuern mit PC 391

11.2 Kommunikationstechnik 39611.2.1 Lokale Kommunikation 39611.2.2 Internet und Intranet 39711.2.3 Lokale Netze (LAN) 40011.2.4 Feldbussysteme 40211.2.4.1 CAN-Bus 40211.2.4.2 PROFIBUS, PROFIBUS-DP 40311.2.4.3 Aktor-Sensor-Interface (AS-I) 40411.2.5 Serielle Schnittstelle (V.24) 405

12 Aufgaben und Übungen

12.1 Aufgaben und Übungen zur Pneumatik 406

12.2 Aufgaben und Übungen zur Hydraulik 411

12.3 Aufgaben und Übungen zuGRAFCET 413

12.4 Aufgaben und Übungen zur SPS 414

12.5 Aufgaben und Übungen zur Regelungstechnik 427

12.6 Aufgaben und Übungen zur CNC-Technik 429

Fachwörterbuch: Deutsch-Englisch (Sachwortverzeichnis) 430

Professional Dictionary: English-German (Index) 440

Quellenverzeichnis 448

Inhaltsverzeichnis6


1.1 Steuern, Steuerung 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 häufig Bestandteil auch kleinster Steuerungsbaugruppen. Die Begriffe der Leittechnik, Steuerungstechnik und Regelungstechnik sind in DIN IEC 60 050-351 „Internationales Elektrotechnisches Wörterbuch – Teil 351: Leittechnik“ festgelegt (Gesamtumfang 194 Seiten).

1.1 Steuern, Steuerung

Die Steuersignale wirken von dem Steuergerät auf die Anlage oder Maschine ohne ein fortlaufendes Erfassen und Korrigieren des Steuerungsvor-gangs (Bild 1). Bei einer Vorschubsteuerung wird der Maschinentisch über einen Antrieb bewegt. Stellsignal ist die Motorspannung UM für den Vorschubmotor. Dieser bildet zusammen mit dem Maschinentisch die Steuerstrecke. Steuergröße ist der Vorschubweg s, den der Maschinentisch zu rücklegt.

Der Begriff Steuerung wird auch für die Gesamt-anlage verwendet, in der der Vorgang des Steu-erns stattfindet. Im Wirkungsplan wird das Zusam-menwirken der einzelnen Steuerungsbaugruppen mit Blocksymbolen und Wirkungslinien darge-stellt. Die Wirkungsrichtung kennzeichnet man mit Pfeilen.

1.1.1 Analoge, binäre und digitale

Steuerungen

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

Maschinentisch

Wechselräder

Weg

Kurvenscheibe

Bild 2: Analoge Steuerung eines Maschinentisches

Beispiel. Der Bewegungszyklus eines Maschinen-tisches soll über eine Kurvenscheibe gesteuert wer-den (Bild 2). Die zu steuernde Größe ist der Weg s des Maschinentisches. Er wird unter Berücksichtigung des Getriebes auf den entsprechenden Radius der Kurvenscheibe umgerechnet. Der Radius der Kur-venscheibe ist analog zur Steuergröße, dem Weg s.Wird die Kurvenscheibe gedreht, bewegt sich der Maschinentisch zyklisch vorwärts und rückwärts.

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 Anla-ge oder ein Gerät durch Steuersignale beeinflusst wird. Kennzeichnend für das Steuern ist der offe-ne Wirkungsweg der Signale.

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

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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.

1.1 Steuern, Steuerung8

Beispiel. Der Vorschubtisch einer Schleifmaschine soll ständig hin- und herfahren (Bild 1). Über ei-nen Umschalter kann durch eine positive Motor-spannung 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 Zah-len bestimmbaren Weg zyklisch vor und zurück be-wegt werden. Die digitale Steuerung erzeugt abge-zählt 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 Maschinentisch um einen Wegschritt weiterbe-wegt. Ein solcher Wegschritt ist die kleinste ausführ-bare Bewegung und entspricht dem niederwertigs-ten 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.

Wiederholung und Vertiefung

1. Wodurch sind analoge Steuerungen gekenn-zeichnet? Nennen Sie ein Beispiel für eine analo-ge Steuerung.

2. Welches sind die wichtigsten Bauelemente ana-loger Steuerungen?

3. Wodurch unterscheiden sich binäre Steuerungen von digitalen Steuerungen?

4. Welches sind die wichtigsten Bauelemente bi-närer Steuerungen?

5. Wofür verwendet man Vorwahlschalter?

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 Schrittmotor

Schaltfinger am 10-teiligen Schaltstern

gedruckte Schaltung

Bild 3: Vorwahlschalter

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 Bauelemente digitaler Steue-rungen sind Codierer, Mikroprozessoren, Com-puter, digitale Speicher, digitale Sensorsysteme und digitale Netze.

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

Bei digitalen Steuerungen steuert man mit Zahlen.

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

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.

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

1.1 Steuern, Steuerung 9

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 Steu-ergröße durch Verknüpfung (Kombination) meh-rerer Signale.

Bei Ablaufsteuerungen werden die Steuerungs-vorgänge schrittweise ausgelöst. Das Weiterschal-ten von einem Schritt zum nächsten erfolgt entwe-der zeitabhängig oder prozessabhängig.

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Steuerungen werden auch nach der Art der Programmverwirklichung eingeteilt. Man un-terscheidet verbindungsprogrammierte Steue-rungen (VPS) und speicherprogrammierte Steue-rungen (SPS) (Tabelle 1).

Wenn keine Programmänderungen vorgesehensind, nennt man diese Steuerungen festprogram-

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

Das Programm kann über einen PC erstellt und in die Steuerung übertragen werden. Die Programme sind austauschbar und können schnell geändert werden. SPS sind meist bei Maschinensteuerungen eingesetzt. Es werden z. B. bei Transferstraßen die Zustellbewegungen einzelner Maschinen mit SPS

1.2 Regeln, Regelung10

Beispiel für eine Festwertregelung. In einem Härte-ofen soll die Temperatur auf einem gleichbleibenden Wert (Festwert) gehalten werden (Bild 1). Dieser Wert ist die Führungsgröße. Die Temperatur ist die Regelgröße. Zur Regelung kann ein Dehnstab ver-wendet werden, der sich je nach Höhe der Ofentem-peratur verlängert oder verkürzt. Dieser Dehnstab ist über eine Stellschraube 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. Die Ofentemperatur, die durch diese Einrichtung konstant gehalten wird, ist die Regelgröße. Der Ofen selbst wird als Regel-strecke bezeichnet. Die Schieberöffnung, mit der die Brenngasmenge beeinflusst wird, nennt man wie bei der Steuerung Stellgröße.

Regel-einrichtung

Stell-schraube

Dehnstab

Stellgröße

Vergleichsstelle

SchieberStellglied

HärteofenRegelstrecke

TemperaturRegelgröße

Stellgröße y Regelgröße x

Sollwert

z.B. Stellungder Stell-schraube

z.B. Dehnstabu. Schieber

z.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

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 wahlfreiem Zugriff

Tabelle 1: Programmverwirklichung

Art

Verbindungs-programmiertVPS

Speicher-programmiertSPS

festpro-grammiert Relaissteuerung

Programm-steuerung mitSteckerfeld

SPS mit EPROM1

SPS mit EEPROM2 oder RAM3

umpro-grammierbar

austausch-programmier-bar

freipro-grammierbar

Beispiel

gesteuert. SPS sind als Mehrprozessorsteuerungen mit hochleistungsfähigen Mikroprozessoren aufge-baut. Über digitale Netze können SPS zusammen-geschlossen werden und Daten austauschen. Über Kommunikationsschnittstellen können SPS aus der Ferne, z. B. über das Internet, beobachtet und mit neuer Software ausgestattet werden.

1.2 Regeln, Regelung

Man unterscheidet Festwertregelungen und Fol-

geregelungen.

1.1.3 Verbindungsprogrammierte Steuerungen und speicherprogrammierte

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) fortlaufend erfasst und so beeinflusst wird, dass sie sich der gewünschten Größe (Führungsgröße) angleicht.

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

1.3 Leiten, Leitung 11


1. Weshalb ist eine prozessabhängige Ablaufsteue-rung einer zeitabhängigen Ablaufsteuerung vor-zuziehen?

2. Nennen Sie je ein Beispiel für eine Verknüpfungs-steuerung und eine Ablaufsteuerung.

3. Nach Erreichen der Leerlaufdrehzahl schaltet die Steuerung den Motor von Stern- in Dreieckschal-tung um. Handelt es sich dabei um eine zeitab-hängige oder um eine prozessabhängige Ablauf-steuerung?

4. Wodurch unterscheiden sich verbindungspro-grammierte Steuerungen von speicherprogram-mierten Steuerungen?

5. Erläutern Sie die Begriffe Regelgröße und Füh-rungsgröße.

6. Welches sind die wichtigsten Aufgaben einer Leit-einrichtung?

Der Dehnstab gibt durch seine Länge die vorhan-dene Ofentemperatur, den Istwert der Regelgröße, an, während über die Stellschraube die gewünsch-te Temperatur, der Sollwert der Regelgröße, ein-gestellt werden kann. Bei einer Differenz des Ist-wertes zum Sollwert, der Regeldifferenz, z. B. bei einer Temperaturabsenkung öffnet der Schieber die Zuleitung und der Ofen wird beheizt, um den Sollwert wieder zu erreichen. Die Ofentemperatur sinkt immer, wenn die Ofentür zur Neubeschickung oder Entnahme der Werkstücke geöffnet wird. Die dadurch auftretende Abkühlung bezeichnet man als Störgröße.

SchieberStellglied

HärteofenRegelstrecke

TemperaturRegelgröße

KurvenscheibeFührungsgröße

DehnstabSensor

Bild 1: Historische Folgeregelung der Härtetemperatur

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 be-weglichen 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 (Regelgrö-ße) gesteuert. In der gezeichneten Stellung der Kurvenscheibe (maximale Härtetemperatur) ist der Schieber (Stellglied) ganz geöffnet und die Brenn-

gaszufuhr entsprechend erhöht. Die Temperatur (Regelgröße) steigt an. Mit zunehmender Tempe-ratur dehnt sich der Dehnstab und schließt den Schieber wieder soweit, dass die gewünschte Här-tetemperatur nicht überschritten wird. Ein solches Ausregeln des jeweiligen Temperaturbereichs ge-schieht bei jeder Kurvenscheibenstellung.

1.3 Leiten, Leitung

Den Steuer- und Regeleinrichtungen sind bei kom-plexen Anlagen, z. B. bei Kraftwerken, Transfer-straßen und Verkehrsanlagen, Leiteinrichtungen 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 Da-tenausgeben. Leiteinrichtungen sind Computer,Betriebsdatenerfassungsgeräte und die Daten-netze zur Verbindung der Leiteinrichtung mit den dezentralen Steuerungs-, Regelungs- und Messeinrichtungen 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.

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.

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2 Grundkenntnisse der Steuerungstechnik

2.1 Mechanische Steuerungen

2.1.1 Allgemeines

Mechanische Steuereinrichtungen können mit großen Stellgeschwindigkeiten genaue Verstell-wege fahren. Durch Nockenwellen werden z. B. die Ventile von Motoren gesteuert. Rundschalttische werden mit Hilfe von Malteserkreuzgetrieben posi-tioniert oder an Drehautomaten werden Vorschübe mit Kurvenscheiben gefahren. Mechanische Steuer-elemente sind genau, wirken direkt ohne Verzöge-rung und haben eine hohe Lebensdauer. 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 Getrieben über besondere Stelleinrichtungen. An der Ab-triebswelle des verstellbaren Getriebes steht eine gesteuerte Rotationsenergie zur Verfügung. Muss

2.1 Mechanische Steuerungen12

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

die Drehbewegung jedoch in eine geradlinige Bewe gung umgewandelt werden, wie z. B. beim Vorschub des Werkzeugschlittens einer Drehma-schine, kann dies mit einem Zahnrad-Zahnstan-gengetriebe geschehen.

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 gleich-zeitig Bewegungen zu steuern sind, mechanische Lösungen, die wegen der Einfachheit, Robustheit, Zuverlässigkeit und Schnel-ligkeit 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).

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Bei reibungsarmen Antrieben werden Kugelge-windetriebe 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, ver-wendet man Kurbel- und Kurvengetriebe. Kur-vengetriebe werden auch zur Signalerzeugung eingesetzt. 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 Drehbewe-gung eines verstellbaren Getriebes mit Hilfe eines nachfolgenden aussetzenden Getriebes erreicht werden.

2.1.2 Verstellbare Getriebe

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, stufenlos verstellbaren Getrieben ist die Kennlinie ein ge-schlossener Kurvenzug, bei Stufengetrieben wer-den entsprechend der Zahl der Drehzahlstufen nur einige Punkte der Hyperbel belegt.

2.1.2.1 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.

2.1 Mechanische Steuerungen 13

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-Kupp-lung 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 Brem-se für die Abtriebswelle angesteuert. Dann kann die Kupplung 1 mit der Riemenscheibe verbunden werden und den Abtrieb auf den Schnellgang be-schleunigen.

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 Stufenscheibenge-triebe und Stufenrädergetriebe ein.

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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.

2.1.2.2 Stufenlos verstellbare Getriebe

Umschlingungsgetriebe

Umschlingungsgetriebe sind Stufenscheibenge-triebe, bei denen mindestens eine Scheibe aus zwei kegelförmigen Teilen besteht. Diese kegelför-migen Teile lassen sich axial auf ihrer Welle ver-schieben, wodurch die Laufradien für die Keilrie-men oder Stahlketten verstellt werden. So lassen sich die Abtriebsdrehzahl und das Drehmoment des Getriebes steuern (Bild 2).

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 Wiege-

druckstück-Ketten.


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.

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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 er-folgt durch Handverstellung, elektrisch oder durch Pneumatik- bzw. Hydraulikzylinder. Elektrische Stelleinrichtungen oder hydraulische Servoan-triebe werden besonders dann benötigt, wenn die Getriebe als Stellglieder in Regelkreisen einge-setzt werden.

Reibradgetriebe

Bei stufenlos verstellbaren Reibradgetrieben wird das Drehmoment durch ein Reibrad und eine Ke-gelscheibe übertragen (Bild 2). Dabei wird die auf der Motorwelle sitzende Kegelscheibe während der Kraftübertragung gegen das Reibrad gedrückt. Zur Steuerung der Abtriebsdrehzahl werden Mo-tor und Kegelrad senkrecht zur Motorachse ver-schoben.

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 ent-weder durch Verstellen des Achsabstands oder durch Verstellen der beiden Teile der Kegelschei-ben 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).

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Wälzgetriebe

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 ver-setzt. Damit sie nicht aus der Klemmeinrichtung herauswandern, werden sie an der gegenüberlie-genden Seite von zwei feststehenden Außenrin-gen 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).

Erzeugung geradliniger Bewegungen

Für die Umwandlung der Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung, wie sie bei vielen Arbeits-maschinen verlangt wird, müssen zusätzliche Ge-triebe verwendet werden. Bei automatisch gesteu-erten Werkzeugmaschinen muss der geradlinige Antrieb möglichst reibungsarm und spielfrei sein. Ein Kugelgewindetrieb erfüllt diese Anforderun-gen (Bild 3). Zwischen der Spindel und der Mutter tritt wegen der eingelagerten Kugeln nur Rollrei-bung auf. Durch Verspannen einer zweiteiligen Mutter kann ein Gewindespiel vollständig vermie-den werden.


Planetenscheibe

Gleitschuh

Abtrieb Antrieb

Flansch

Außenringe

Verstellkraft

Bild 1: Planetenverstell-Getriebe

Drehmoment

Dre

hm

om

ent

M

Abtriebs-Drehzahl n

Mmax

Mmin

nmin nmax

Bild 2: Kennlinie des Planetenverstell-Getriebes

Bild 3: Kugelgewindetrieb

Bei verstellbaren Wälzgetrieben wird das Dreh-moment über kugel- oder kegelförmige Wälzkör-per übertragen.

Mit verstellbaren Getrieben lassen sich Drehzahl und Drehrichtung mechanisch steuern.

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2.1.3 Getriebe mit ungleich förmiger

Übersetzung

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 Kreuzschubkur-

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

Kurvengetriebe

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).

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


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 Abwicklung 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 gleiche Teile

ein, z. B. in vier. Auf der Kurvenscheibe werden die Teilungsstrahlen, von 0° beginnend, entgegen der Drehrichtung der Kurvenscheibe, in gleichen Ab-ständen eingezeichnet. Denkt man sich die Kurven-scheibe festgehalten, während der Stößel um die Scheibe herumgeführt wird, kann der jeweilige Hub aus der Abwicklung auf den Grundkreis der Kurven-scheibe 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 Vor-schubbewegungen an Werkzeugmaschinen auf-treten können.

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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-


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

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.

Kurvenscheiben sind mechanische Programm-speicher (Informationsspeicher).

Für den ersten Strahl durch den Winkel 0° ist die Hubhöhe Null. Für den zweiten Strahl wird der ent-sprechende Wert der Hubhöhe aus der Abwicklung entnommen und vom Hilfskreis aus angetragen. Das gleiche wird auch für die Strahlen 3 und 4 ge-macht. Die auf den Strahlen gefundenen Schnitt-punkte 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 Kurvenschei-be ausgeführt wird. Die Genauigkeit der Kurve wird durch eine feinere Teilung verbessert. Um Kurven-übergänge möglichst stoßfrei zu gestalten, werden die Ecken der abgewickelten Hublinie z. B. sinusför-mig abgerundet.

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2.1.4 Getriebe mit aussetzender

Bewegung

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

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.

Beim Sternradgetriebe bewegt sich das größere Rad mit gleichmäßiger Geschwindigkeit, das klei-nere Sternrad wird dabei in Sperrstellung gehalten (Bild 2). Sobald die Rollen des treibenden Rades in die Zahnlücken des Sternrades eingreifen, wird dieses eine ganze Umdrehung mitgenommen. In der übrigen Zeit bleibt das Sternrad stehen. Durch verschiedene Anordnung der Rollen und Zähne können sehr viele Kombinationen von Umlaufzeit zu Stillstandzeit erzielt werden.

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.


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


1. Beschreiben Sie den Aufbau mechanischer Steuerungen.

2. Welche Arten von stufenlos verstellbaren Ge-trieben gibt es?

3. Wie kann mit einem Schubkurvengetriebe eine Vorschubbewegung erzeugt werden?

4. Wie unterscheidet sich ein Schubkurvengetrie-be von einer Kurvenschwinge?

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

Für ganze oder halbe Umdrehungen mit nachfol-gendem Stillstand werden Sternradgetriebe ver-wendet.

Beim aussetzenden Getriebe mit sich kreuzenden Wellen ist das treibende Rad eine Kurventrommel, die am Umfang eine Rippe mit trapezförmigem Querschnitt besitzt (Bild 3).

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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 Vorschu-bantrieb 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.

2.2.1 Bauelemente elektrischer

Kontaktsteuerungen

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.

Nach Art der Schalterbetätigung unterscheidet man Tastschalter, Stellschalter und Schlossschalter.

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 Betä-tigung gespannt wird, bringt die Schaltstücke in ihre Ausgangslage, wenn die Betätigung aufhört. Die Taster dienen oft gleichzeitig als Leuchtmel-der (Signal-Lampe). Tastschalter mit großer, roter,

2.2 Elektrische Steuerungen20

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: Sprungschalter

pilzförmiger Kappe auf gelbem Untergrund ver-wendet man als NOT-AUS-Taster.

Mit Grenztastern, die über Nocken betätigt wer-den, wird das Erreichen von Grenz- und Endlagen beweglicher Maschinenteile, z. B. von Werkzeug-maschinenschlitten, signalisiert. Die Grenztaster sind mit Sprungschaltern (Mikroschalter) ausge-stattet, damit man auch bei sehr langsamer Betä-tigung eine plötzliche Kontaktgabe oder Kontakt-unterbrechung erhält (Bild 3).

2.2 Elektrische 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.

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