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Abitur 20_ _ Technik - Mechatronik - Lehrermaterial

Vorschlag A eA

BBS ... Berufliches Gymnasium - Technik - Seite 1 von 13

Mustervorschlag_Niedersachsen_BG_Technik_Mechatronik_Lehrermaterial.docx

Unterrichtliche Voraussetzungen

Kursfolge in der Qualifikationsphase

12.1 Lerngebiet Metro 1: Mechatronische Systeme analysieren und erweitern

12.2 Lerngebiet Metro 2: Technische Prozesse steuern

13.1 Lerngebiet Metro 4: Handhabungssysteme programmieren und optimieren

13.2 Lerngebiet Metro 6: Vernetzte mechatronische Systeme

Bezug der Aufgaben zum Unterricht Durch den vorliegenden Abiturvorschlag werden Inhalte aus drei Kurshalbjahren bzw. Lerngebieten abgedeckt. Die erforderlichen Kenntnisse sind im Rahmen praxisorientierter Problem- und Aufga-benstellungen erarbeitet worden. Dabei sind die konkreten Aufgaben dieses Vorschlags im Unterricht nicht eingehend behandelt worden. 1. Aufgabe und 3. Aufgabe Diese Aufgaben der Klausur beziehen sich auf den Kurs 12.1 des Lerngebietes „Mechatronische Systeme analysieren und erweitern“. Innerhalb dieses Kurses wurden einfache Berechnungen zum zentralen- und allgemeinen Kräftesystem durchgeführt. Weiterhin wurden elektrotechnische Grund-lagen zum Verhalten elektrischer Betriebsmittel in Gleich- und Wechselstromkreisen behandelt. Zur praktischen Umsetzung wurden Versuche im Labor durchgeführt. 2. Aufgabe Die Aufgabe bezieht sich im Wesentlichen auf den Kurs 12.2 des Lerngebietes „Technische Prozes-se steuern“. An unterschiedlichen Lehrbeispielen und anhand von Anlagensimulatoren wurden in diesem Kurs die Lerninhalte erarbeitet. Dabei wurden u. a. Schaltungen mit und ohne Speicherverhalten sowie Ab-laufsteuerungen thematisiert. Im Bereich der Ablaufsteuerungen wurden lediglich lineare Abläufe thematisiert. Den Schülerinnen und Schülern standen für die Programmierung die Hard- und Software der Firma Siemens und die Software Omegon zur Verfügung. 4. Aufgabe Die Aufgabe bezieht sich auf den Kurs 13.1 des Lerngebietes „Handhabungssysteme programmie-ren und optimieren“. In diesem Kurs planten und programmierten die Schüler ein Handhabungssys-tem bestehend aus einem Roboter und einer SPS-gesteuerten Zuführstation. Um das Handha-bungssystem zu programmieren, wurden die Grundlagen der Robotik erarbeitet und Programmab-laufbeschreibungen entwickelt. Im Bereich der Programmierung von Robotern wurden einfache Kont-rollstrukturen und roboterspezifische Verfahrbefehle behandelt. Den Schülerinnen und Schülern standen für die Programmierung und Parametrierung der Program-me Roboter der Firma Mitsubishi und SPS-Anlagen der Firma Siemens zur Verfügung. Im Praxisun-terricht wurden unter Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten die Steuerungen der Automatisie-rungskomponenten in Betrieb genommen.

Kommentar [A1]: Um die Zuordnung der Prüfungsleistung zu den Anforde-rungsbereichen und ihre Angemessen-heit insgesamt nachzuweisen, ist der Bezug zu den im Unterricht behandel-ten Lerngebieten in angemessenem Umfang zu beschreiben.


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Erwartungshorizont

Teil-

aufgabe

Erwartete Schülerleistungen

Anforderungsbereiche

Bewertung

I II III ∑

1.1 Nennen von Teilsystemen und Darstellen der jeweili-gen Abhängigkeiten.

4

4

1.2 Nennen von vier Vorteilen einer pneumatischen Linear-einheit.

2

2

1.3 Auswahl einer pneumatischen Lineareinheit. Dokumentieren durch Berechnungen Begründung der Auswahl unter Einbeziehung

eines Datenblattes.

6

6

12

Summen 1. Aufgabe 6 6 6 18

2.1 Benennen von Ein- und Ausgängen der SPS und überneh-

men der Adressen für die Zuordnungsliste.

2

2

2.2 Entwickeln eines GRAFCET richtige Anwendung der Symbole Entwicklung aufgabenspezifischer Lösungen

5

6

11

2.3 Berechnen des benötigten Vorwiderstands

Berechnung der Spannungswerte

3

3 3

9

2.4 Entwickeln einer Maßnahme zur Optimierung der Pro-portionalität

Beurteilen der Einsatzmöglichkeit (Vor- und Nachteile)

2 2

4

2.5 Beschreiben der pneumatischen Betriebsmittel

Erläutern der Schaltungsfunktion

4 5

9


3.1 Analysieren des Kräftesystems Erstellen einer Systemskizze. Ergänzen des freigeschnittene System mit Kräften

2

1

3

3.2 Berechnung der Gewichtskräfte FGM und FGS

Aufstellung des Momentensatzes um den Drehpunkt A.

Bestimmen der Federrate

1 3

2

6

3.3 Bestimmung der werkstoffspezifischen Kennwerte: Rm = 340 N/mm²

Berechnen die Lagerreaktionskraft FA und Berechnung der Scherfestigkeit

Beurteilung der Ergebnisse

1

3

2

6


4.1 Nennen von mindestens vier Sicherheitseinrichtungen in der Robotik

4

4

4.2 Zeichnen eines kinematischen Ersatzschaltbildes

Unterscheidung zwischen fluchtende Achsen und nicht fluchtende Achsen

2 3

5

4.3 Nennen von vier in der Robotertechnik verwendeten Koordinatensystemen.

Erläutern der Bedeutung der Koordinatensysteme fürs „Teachen“ von Positionen.

4

3

7

Kommentar [A2]: Es ist ein aussage-kräftiger Erwartungshorizont mit Zuord-nung zu den Anforderungsbereichen anzugeben. Es werden die wesentli-chen Bearbeitungsschritte der Schüle-rinnen und Schüler stichpunktartig aufgeführt. Diesen werden die Punkte unterteilt nach Anforderungsbereichen zugeordnet. Im Erwartungshorizont sollten ggf. auch alternative Lösungs-wege angedeutet werden.

Kommentar [A3]: Bei der Erstellung des Erwartungshorizontes ist darauf zu achten, dass die Operatoren in den erwarteten Schülerleistungen den Anforderungsbereichen entsprechen.


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4.4 Entwickeln eines Struktogramms nach Nassi-Shneiderman. Positionen anfahren Kontrollstrukturen und Berechnungen

2

8

10

4.5 Entwickeln eines MELFA-BASIC Programms zur Er-kennung einer positiven Flanke am Sensor B1. Verwenden normaler Befehle und Strukturen Abbruchbedingung

4

2

6


Gesamtsummen 29 41 30 100

% 29 41 30 100

Umrechnung der Gesamtpunkte in KMK-Punkte Die Umrechnung der Gesamtpunkte in KMK-Punkte ergibt sich nach folgendem Bewertungsmaß-stab:

Ab Prozent: 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 34 28 20 00

KMK-Punkte: 15 14 13 12 11 10 09 08 07 06 05 04 03 02 01 00

Kommentar [A4]: Bezogen auf die gesamte Prüfungsaufgabe (Klausur) müssen die drei Anforderungsbereiche ungefähr im Verhältnis 30-40-30% stehen.


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Musterlösung

Lösungsvorschlag zur 1. Aufgabe

zu 1.1 Teilsystem Funktion, Aufgaben und Abhängigkeiten

Förderband 1 Transportiert die Pumpengehäuse zum elektromagnetischen Aufneh-mer.

Lineareinheit 2 Nimmt die Pumpengehäuse auf. Positioniert sie auf Höhe des Förder-bandes 2 bzw. Förderband 3.

Lineareinheit 1 Transportiert die aufgenommenen Gehäuse zum Förderband 2 bzw. Förderband 3.

Förderband 2 Transportiert die Pumpengehäuse zur Weiterbearbeitung in Richtung der Station: Schwenkroboter. Transport der Pumpengehäuse mit Einpresshülsen zur pneumatischen Presse.

Förderband 3 Ablage der Pumpengehäuse (Ausschuss, aufgrund fehlender Boh-rung).

Roboter Aufnahme der Pumpengehäuse. Einlegen von Einpresshülsen in die einzelnen Pumpengehäuse. Ablage der Gehäuse mit Einpresshülsen auf das Förderband 2.

pneum. Presse Einpressen der Hülsen in die Pumpengehäuse.

Qualitätskontrolle Kontrolle der durchgeführten Arbeiten.

zu 1.2 - Platzsparender - vielseitige Montagemöglichkeiten - geringes Spiel - verschleißärmer, aufgrund geringerer Reibung - Geräuschärmer - ...

zu 1.3

Die Berechnungen von My , Mz bzw. Fy sind hier nicht erforderlich !

Berechnung von Fges = Σ Fz = FPumpe + FLE2 + FSchlitten = 20 N + 40 N + 50 N = 110 N

Berechnung von Mx = FPumpe * 1700 mm + FLE2 * 950 mm

Mx = 20N * 1700 mm + 40N * 950 mm = 72 Nm

gewählt : DGPL - 63 - 600 - PPV - A - GF (lt. Katalogauszug im Anhang)

FPumpe = 20 N

FLE2 = 40 N

FSchlitten= 50 N

Kommentar [A5]: Die Musterlösung enthält einen kompletten, exemplari-schen Lösungsgang.


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Lösungsvorschlag zur 2. Aufgabe

zu 2.1 Zuordnungsliste

Symbol Adresse Kommentar

S0 E 0.0 Werkstück auf Band 1 vorhanden

S1 E 0.1 Lineareinheit 2 ausgefahren (Pos. Band 1)

S2 E 0.2 Lineareinheit 2 eingefahren (Pos. Band 2)

S5 E 0.3 Lineareinheit 2 in Position Band 3

S3 E 0.4 Lineareinheit 1 ausgefahren (Richtung C)

S4 E 0.5 Lineareinheit 1 eingefahren (Richtung B)

S7 E 0.6 Knebelschalter: Anlage Ein Eins-Signal

B1 E 0.7 Bohrloch vorhanden Einssignal

Q1 A 0.0 Lineareinheit 1 ausfahren (Richtung C)

Q2 A 0.1 Lineareinheit 1 einfahren (Richtung B)

Q3 A 0.2 Lineareinheit 2 ausfahren (Richtung D)

Q4 A 0.3 Lineareinheit 2 einfahren (Richtung A)

Q5 A 0.4 Magnet einschalten

Beschaltung der SPS

S4 S0

Q4

Q3

Q3

Q4

Q2

Q1

Q1

Q2

S1 S2 S5 S3 S7

E 0.0 E 0.1

E 0.2

E 0.3

E 0.4

E 0.5

E 0.6

E 0.7

A 0.0

A 0.1

A 0.2

A 0.3

A 0.4

SPS

Ausgänge

N

+ 24 V

Eingänge

B1

Q5


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zu 2.2


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zu 2.3 Vorwiderstand

Messspannung

zu 2.4 Der Wert des Lastwiderstandes beeinflusst den Widerstandswert der Parallelschaltung von RM und RL. Je größer der Einfluss von RL auf den Widerstandswert der Parallelschaltung ist, desto größer ist auch die Abweichung vom unbelasteten Spannungsteiler. Der Einfluss von RL auf die Parallelschaltung kann verringert werden, wenn RM << RL ist. Der Nach-teil dieser Maßnahme ist, dass die Verlustleistung der Schaltung größer wird.

RM UM

0 kΩ 0 V

1 kΩ 3,10 V

2 kΩ 5,54 V

3 kΩ 7,29 V

4 kΩ 8,78 V

5 kΩ 10 V


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zu 2.5

Symbol Benennung Erläuterung/Funktion

Schnellentlüftungsventil Das Schnellentlüftungsventil wird direkt hinter dem Arbeits-glied gesetzt und erhöht die Geschwindigkeit des Zylinders. Es wird nicht über das Stell-glied entlüftet sondern direkt am Schnellentlüftungsventil.

Drosselrückschlagventil Ist eine Kombination von Drossel- und Rückschlagventil. In Strömungsrichtung ist eine stufenlose Regulierung des Durchflusses möglich, wäh-rend in der Gegenrichtung die Druckluft freien Durchgang hat. Diese Ventile werden zur Beeinflussung der Kolbenge-schwindigkeit eingesetzt.

3/2-Wegeventil mit Sperr-Ruhestellung

Mit diesem Ventil kann z.B. ein Zylinder in beide Richtungen angesteuert werden. Die Pfeile geben die Richtung des Ar-beitsmediums an.

Zweidruckventil UND-Funktion Zweidruckventile erfüllen in der Pneumatik die Funktion des logischen UND-Gliedes. Die Druckluft strömt nur zum Aus-gang, wenn beide Steuerein-gänge unter Druck stehen.

Funktionsbeschreibung

Zum Starten des Einpressvorgangs müssen die Taster 1S1 und 1S2 betätigt werden. Zu-sätzlich muss sich der Zylinder 1A1 in der oberen Endlage befinden (1S5). Diese Signale werden mit den Zweidruckventilen 1V1 und 1V2 UND-verknüpft. Ist dies der Fall, dann wird das 5/2-Wegeventil 1V5 so angesteuert, dass der Zylinder 1A1 ausfährt. Wenn dieser Vorgang abgeschlossen (Passhülse eingepresst) ist, spricht der End-lagentaster 1S3 an und das Ventil 1V5 wird umgesteuert. Jetzt fährt der Zylinder 1A1 wieder in seine Ausgangslage zurück. Das Schnellentlüftungsventil und das Drosselrückschlagventil dienen zur Geschwindigkeits-steuerung des Zylinders 1A1.


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Lösungsvorschlag zur 3. Aufgabe zu 3.1

zu 3.2

geg: l1=0,5m, l2=0,3m, l3=0,15m, l4=0,1m, α=30°,

FS=200N mS=30kg, mM=20kg, le=100mm, la=140mm

ges: R

TB S.31

Mit dem Ersatzwert

FS´=2 x FS

x

y

FGS

FS´

FS´x

FS´y FAx

FAy FF FGM


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zu 3.3 geg: l1=0,5m, l2=0,3m, l3=0,15m, l4=0,1m,

FS=200N mS=30kg, mM=20kg, α=30°,

6-fache Belastung ν=4

FS=504,61N (aus der Aufgabe 1.2) sonst Ersatzwerte

ges: Überprüfung des Sicherheitsfaktors/ Sicherheitszahl

Lösungsweg:

TB S.60 (Europa Mechatronik)

S235JR

TB S.123

(für die weitere Berechnung wird für den schlimmsten Fall die kleinste Zugfestigkeit verwendet)

Der Bolzen ist mit d=5mm ausreichend dimensioniert


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Lösungsvorschlag zur 4. Aufgabe zu 4.1 1. Behausung um den Roboter

2. Not-Aus-Taster

3. Zustimmtaster (Totmannschalter)

4. Trittschutzmatten

5. Lichtschranken

6. Kameraüberwachung

7. Sensorik am Roboter (z.B. Kraftsensor)

zu 4.2

zu 4.3 In der Robotik werden die folgenden kartesischen Koordinatensysteme verwendet

Weltkoordinatensystem (global, meist in einer Ecke des Raums)

Basiskoordinatensysteme (im Sockel jedes Roboters)

Tool- oder Effektorkoordinatensysteme (in der Effektorspitze jedes Roboters)

Objektkoordinatensysteme (an jedem manipulierten Objekt)

Gelenk- bzw. Achskoordinaten (Koordinatensystem in jeder Achse) Neben dem Gelenkkoordinatensystem werden beim „Teachen“ von Positonen das Basis- und das Toolkoordinatensystem verwendet. Das Basiskoordinatensystem ermöglicht ein schnelles Navigieren des Roboters im gesamten Ar-beitsraum. Das Toolkoordinatensystem wird meisten zum genauen Anfahren der Objekte benutzt, da diese häufig nicht waagerecht bzw. senkrecht im Raum liegen.

Quelle: Automatisierungstechnik, Auflage 9, Verlag Europa-Lehrmittel


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zu 4.4

Presshülse einpassen

Variablen/Initialisierung

Positionsvariablen:

POS_Rotation --> Hilfsvariable an der "Drehstelle" Init auf P1

Drehung --> Init mit 1 Grad Drehung

Gedreht_P3 --> Zum Speichern der Drehung auf die Position P3 (Init auf P3)

Variablen:

BO als Input

B1 als Input

B1_OLD als Zusatndsspeicher des alten Signalwertes von B1 --> Init = 0

Fahre P0 schnell an c

Greifer öffnen

Warte auf Werkstück B0=1

Fahre P2 50mm oberhalb schnell an

Fahre P2 linear,langsam an

Greifer mit Verzögerung schließen

Fahre aus P2 linear, langsam raus (50mm)

Fahre P1 schnell 50mm oberhalb an

Fahre P1 linear,langsam an

POS_Rotation = P1

Wiederhole solange kein Signalwechsel an B1

Flanke B1 (B1 = 1) oder (B1_OLD = 0)

Fahre POS_Rotation an (Drehen)

POS_Rotation = POS_Rotation + Drehung

Fahre aus POS_Rotation linear, langsam raus (50mm)

POS_Rotation = POS_Rotation - P1

Gedreht_P3 = P3 + POS_Rotation

Fahre Gedreht_P3 50mm oberhalb schnell an

Fahre Gedreht_P3 linear,langsam an

Greifer mit Verzögerung öffnen

Fahre aus Gedreht_P3 linear, langsam raus (50mm)


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zu 4.5 zwei unterschiedliche Varianten Beispiel 1

10 WHILE Flag = 0

20 If B1 = 1 AND B1OLD = 0 Then Flag =1

30 B1OLD = B1

Weiterer Programmcode

120

130 WEND

Beispiel 2

10 WHILE (B1 = 0) OR (B1OLD = 1)

Weiterer Programmcode

120 B1OLD = B1

130 WEND

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