Grundlagen der Elektro-pneumatik - · PDF file1 - Grundlagen der Elektropneumatik Einführung Firmenvorstellung Firmenchronik: Die Firma Automatico ist eine traditionsreiche Firma

1 - Grundlagen der Elektropneumatik

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Impressum

An dieser Qualifizierungseinheit haben mitgewirkt

Herausgeber:

IHK für Oberfranken Bahnhofstr. 23-27 95444 Bayreuth

Inhaltliche Konzeption:

ets GmbH, Halblech ihk.online&medien.gmbh, Bayreuth

Produktion/ Umsetzung:

ihk.online&medien.gmbh, Bayreuth

Redaktionelle Betreuung:

Andrea Nüssel, ihk.online&medien.gmbh Claudia Hohdorf, ets Halblech

Rechte:

Copyright© ets GmbH, Halblech. Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form (durch Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren) ohne schriftliche Genehmigung des Herausgebers reproduziert oder un-ter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Auch die Rechte der Wiedergabe durch Vortrag, Funk und Fernsehen sind vorbehalten. Text, Abbildungen und Programme wurden mit größter Sorgfalt erarbeitet. Herausgeber, Programmie-rer und Autoren können jedoch für eventuell verbliebene fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen.

Namensschutz:

Die meisten in dieser Einheit erwähnten Soft- und Hardwarebezeichnungen sind auch eingetragene Marken und unterliegen als solche den gesetzlichen Bestimmungen. Microsoft, Windows und andere Namen von Produkten der Firma Microsoft, die in dieser Qualifizie-rungseinheit erwähnt werden, sind eingetragene Warenzeichen der Microsoft Corporation. Inhaltliche Verantwortung: Diese Qualifizierungseinheit enthält Verweise (sogenannte Hyperlinks) auf Seiten im World Wide Web. Wir möchten darauf hin weisen, dass wir keinen Einfluss auf die Gestaltung sowie die Inhalte der ge-linkten Seiten haben. Deshalb distanzieren wir uns hiermit ausdrücklich von allen Inhalten der Seiten, auf die aus unserem Lerninhalt verwiesen wird. Diese Erklärung gilt für alle in diesem Lerninhalt aus-gebrachten Links und für alle Inhalte der Seiten, zu denen Links oder Banner führen.

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Impressum ........................................................................................................................................... 2 Firmenvorstellung ................................................................................................................................ 4 Leitfragen ............................................................................................................................................. 6 1.0 Kapitelübersicht ............................................................................................................................. 7

1.1 Funktionsablauf der Presse.................................................................................................. 8 1.2 Funktionsplan in Grobform ................................................................................................. 11 1.3 Funktionsplan in Feinform .................................................................................................. 12

2.0 Kapitelübersicht ........................................................................................................................... 13 2.1 Funktionsdiagramm ............................................................................................................ 14 2.2 Informationen zum Funktionsdiagramm ............................................................................. 15 2.3 Praktische Umsetzung eines Funktionsdiagramms ........................................................... 16

3.0 Kapitelübersicht ........................................................................................................................... 17 3.1 Bauteile............................................................................................................................... 18 3.2.0 3/2-Wegeventile............................................................................................................... 19 3.2.1 4/2-Wegeventile............................................................................................................... 20 3.3 Schließer, Öffner und Wechsler ......................................................................................... 21 3.4 Relais.................................................................................................................................. 23 3.5 Grenztaster ......................................................................................................................... 24

4.0 Kapitelübersicht ........................................................................................................................... 25 4.1 Darstellung.......................................................................................................................... 26 4.2 Pneumatischer Schaltplan.................................................................................................. 27 4.3 Elektrischer Schaltplan ....................................................................................................... 28

5.0 Kapitelübersicht ........................................................................................................................... 29 5.1 Grundschaltungen .............................................................................................................. 30 5.2 Direkte - Indirekte Steuerung.............................................................................................. 31 5.3 Elektrische Selbsthaltung ................................................................................................... 32 5.4 Verknüpfung von Signalen ................................................................................................. 33

Trainingsaufgabe 1 ............................................................................................................................ 36 Trainingsaufgabe 2 ............................................................................................................................ 37 Trainingsaufgabe 3 ............................................................................................................................ 38 Trainingsaufgabe 4 ............................................................................................................................ 39 Trainingsaufgabe 5 ............................................................................................................................ 40 Bearbeitung der Fallstudie................................................................................................................. 42

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Einführung Firmenvorstellung

Firmenchronik: Die Firma Automatico ist eine traditionsreiche Firma mit langjähriger Erfah-rung auf dem Gebiet der Automatisierungstechnik. Sie entstand aus einem Familienbetrieb, der sich mit Maschinen für die Blechumformung befasste. Anfang 1995 wurde auf die stark wachsende Automatisierungstechnik mit der Suche nach Vertriebspartnern reagiert. Heute beschäftigt die Firma Automatico 60 Mitarbeiter, die für viele metall-verarbeitende Branchen Automatisierungsmöglichkeiten konstruieren und umsetzen.

Produktgeschichte: Von einem reinen Maschinenbauunternehmen entwickelte sich die Automatico in den 90er Jahren zu einer mittelständischen Automatisierungsfirma, was auch zur Umbenennung in den jetzigen Namen führte. Nicht zuletzt bescherte der Wunsch nach mehr Automatisierung der Firma eine große Anzahl neuer Kunden. Schon bei der ersten Herstellung von Blechbearbeitungsmaschinen lag der Firmen-schwerpunkt auf der Automatisierung von Fertigungsabläufen der Blechbearbeitung.

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Fallstudie

Eine bestehende rein pneumatische Pressensteuerung soll durch eine elektropneumatische Steuerung ersetzt werden. Franz Huber: Erinnern Sie sich noch an die Presse mit der pneumatischen Steuerung? In den

nächsten Tagen werden wir uns vornehmen, diese durch eine elektropneumatische Steuerung zu ersetzen.

Bernd Wolf: (etwas ungläubig) Wenn es weiter nichts ist ... Franz Huber: Moment ... vorab möchte ich, dass Sie sich einen genauen Funktionsplan

überlegen. Dazu Funktionsdiagramme erstellen und die Stückzahl der erforderlichen Bauteile berücksichtigen. Bitte vergessen Sie den elektrischen Schaltplan nicht.

Bernd Wolf: ... okay, alles klar.

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Einführung Leitfragen

Im Laufe der weiteren Bearbeitung sollten Sie mehrmals auf Ihre Notizen zurückgreifen und die Ant-worten ergänzen. Bitte verwenden Sie daher einfach ein Blatt Papier für Ihre Antworten. Wenn Sie das vorbereitete Antwortdokument nutzen, speichern Sie es an einem Ort ab, zu dem Sie jederzeit Zu-gang haben. Das Antwortdokument finden Sie in den Anlagen am Ende des Skripts.

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1 Erstellen eines Funktionsplans 1.0 Kapitelübersicht

Kapitelbezogene Eingangsfragen: Wie funktioniert eine pneumatische Presse? Was sind Funktionspläne? Themen: 1.1 Funktionsablauf der Presse 1.2 Funktionsplan in Grobform 1.3 Funktionsplan in Feinform

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1 Erstellen eines Funktionsplans 1.1 Funktionsablauf der Presse

Für die Lösung von steuerungstechnischen Aufgabenstellungen werden Funktionspläne erstellt.

Die Aufgabe eines Funktionsplans ist es, den Ablauf des mechatronischen Systems darzustellen. Ein mechatronisches System kann dabei eine Handhabungseinrichtung, eine Bohrvorrichtung oder eine Spannvorrichtung sein. Die Steuerung kann dabei pneumatisch, elektrisch, elektropneumatisch oder durch eine andere Steuerungsart ausgeführt sein.

Das Ziel eines Funktionsplans ist es, die einzelnen Ablaufschritte einer Steuerung in eine logi-sche Reihenfolge zu stellen.

In der Norm DIN 40 719-6 werden die Symbole für die Beschreibung von Steuerungsabläufen be-schrieben. Für den Praktiker sind diese Symbole in jedem Tabellenbuch für Metalltechnik oder Mechatronik zu finden.

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1 Erstellen eines Funktionsplans 1.2 Funktionsplan in Grobform

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1 Erstellen eines Funktionsplans 1.3 Funktionsplan in Feinform

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2 Erstellen eines Funktionsdiagramms 2.0 Kapitelübersicht

Kapitelbezogene Eingangsfragen: Wie kann man die Arbeitsschritte einer Presse noch darstellen? Was sind Funktionsdiagramme? Themen: 2.1 Funktionsdiagramm 2.2 Informationen zum Funktionsdiagramm 2.3 Praktische Umsetzung eines Funktionsdiagramms

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2 Erstellen eines Funktionsdiagramms 2.1 Funktionsdiagramm

Ein Funktionsdiagramm beschreibt den Steuerungsablauf von Stellgliedern und Arbeitsgliedern in graphischer Form. Da die einzelnen Bewegungen der Arbeitsschritte dargestellt werden, wird es auch als Weg – Schritt – Diagramm bezeichnet. Die Diagramme erleichtern die Planung, Erstellung und Wartung der Steuerung. Sie sind außerdem ein wichtiges Hilfsmittel für die Fehlersuche. Das Funktionsdiagramm wird bei pneumatischen, elektri-schen, elektropneumatischen und speicherprogrammierbaren Steuerungen eingesetzt. Die im Funktionsdiagramm verwendeten Symbole wurden in der VDI–Richtlinie 3260 festgelegt und sind in den Tabellenbüchern Metalltechnik oder Mechatronik dokumentiert.

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2 Erstellen eines Funktionsdiagramms 2.2 Informationen zum Funktionsdia-

gramm

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2 Erstellen eines Funktionsdiagramms 2.3 Praktische Umsetzung eines Funk-

tionsdiagramms

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3 Bauteile in der Elektropneumatik 3.0 Kapitelübersicht

Kapitelbezogene Eingangsfragen: Welche Bauteile aus der Elektropneumatik kennen Sie? Wie funktionieren Schließer, Öffner und Wechsler? Themen: 3.1__Bauteile 3.2.0 3/2-Wegeventile 3.2.1 4/2-Wegeventile 3.3__Schließer, Öffner und Wechsler 3.4__Relais 3.5__Grenztaster

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3 Bauteile in der Elektropneumatik 3.1 Bauteile

Bauteile der Pneumatik: Stromventile (z.B. Drosselventil)

Sperrventile (z.B. Wechsel- und Zweidruckventil)

Wegeventile (z.B. 3/2-, 4/2-, 5/2-Wegeventil)

Arbeitsglieder (z.B. Zylinder, Lineareinheiten)

Bauteile der Elektrik: Taster (z.B. Schließer, Öffner, Wechsler)

Relais (z.B. für indirekte Steuerungen)

Sensoren (z.B. mechanische Grenztaster)

Spulen (z.B. für die Ansteuerung von Wegeventilen)

Die genannten Bauteile werden in elektropneumatischen Steuerungen eingesetzt, um mit Hilfe des elektrischen Stroms pneumatische Schaltvorgänge auszulösen. Dabei wird der Strom als Steuerener-gie und die Druckluft als Arbeitsenergie verwendet.

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3 Bauteile in der Elektropneumatik 3.2.0 3/2-Wegeventile

Die Wegeventile der Elektropneumatik unterscheiden sich lediglich durch die elektromagnetische Be-tätigung von denen der Pneumatik. Die folgenden beiden Abbildungen stellen zwei Beispiele dar: 3/2-Wegeventil mit elektromagnetischer Betätigung und Federrückstellung

Bild links Bild rechts

Wird die Magnetspule Y1 bestromt, schaltet das Wegeventil und Druckluft strömt vom Eingang 1 zum Ausgang 2. Im unbetätigten Zustand d.h. die Magnetspule Y1 wird nicht bestromt, drückt die Feder-rückstellung das Wegeventil in die Sperrstellung (Anschluss 1 ist verschlossen). Merke: Wegeventile mit elektromagnetischer Betätigung und Federrückstellung besitzen im Spannungsfreien Zustand eine definierte Ausgangslage und schalten nur solange die Spule Y mit Spannung versorgt wird.

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3 Bauteile in der Elektropneumatik 3.2.1 4/2-Wegeventile

4/2-Wegeventil mit beidseitiger elektromagnetischer Betätigung

Bild links Bild rechts

Wegeventile mit beidseitiger elektromagnetischer Betätigung werden auch Impulsventile genannt. Durch Anlegen eines kurzzeitigen Spannungsimpulses an der Spule Y1 wechselt das Wegeventil in den Schaltzustand b. Wird die Spule Y2 mit Spannung versorgt, wird Schaltzustand a erreicht. Merke: Wegeventile mit beidseitiger elektromagnetischer Betätigung ändern ihren Schaltzustand durch kurz-zeitiges Anlegen einer Spannung an einer Spule. Daher werden Sie auch als Impulsventile bezeich-net. Ein Nachteil von Impulsventilen ist die nichtbestimmte Schaltstellung bei spannungsfreier Steue-rung. Daher ist oftmals eine Richten Funktion für eine definierte Ausgangslage notwendig. Bild rechts.

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3 Bauteile in der Elektropneumatik 3.3 Schließer, Öffner und Wechsler

Schalter als Schließer Schließer sind Schalter oder Taster, die einen Stromkreis wie der Na-me bereits ausdrückt schließen. Schalter werden von Hand betätigt und das Signal wird mit einer Raste gespeichert. Um den Stromkreis zu unterbrechen, muss der Schalter nochmals betätigt werden. Die Anschlussbezeichnungen 3 und 4 auf dem Schaltergehäuse kenn-zeichnen einen Schließer.

Taster als Schließer Taster geben kurzzeitige Signale die nicht gespeichert werden. Wird ein gespeichertes Signal benötigt, so verwendet man eine Selbsthalteschaltung.

Schalter als Öffner Öffner sind Schalter oder Taster, die einen Stromkreis unterbrechen. Öffner erhalten als Anschlussbezeichnung die Ziffern 1 und 2. Der Schalter als Öffner wird hauptsächlich als NOT–AUS-Taster ver-wendet.

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Wechsler Wechsler bestehen aus einem Schließer und einem Öffner. Bei Betätigung eines Wechslers wird ein Stromkreis geschlossen (An-schluss 1 nach Anschluss 4) und gleichzeitig ein anderer geöffnet (An-schluss 1 nach Anschluss 2). Die Anschlüsse eines Schließers werden mit den Ziffern 3 und 4 ge-kennzeichnet, während die Anschlüsse eines Schließers beim Wechs-ler mit den Ziffern 1 und 4 gekennzeichnet werden.

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3 Bauteile in der Elektropneumatik 3.4 Relais

Ein Relais schaltet Öffner, Schließer oder Wechsler durch die elektromagnetische Kraft einer Spule.

Am Anschluss A1 wird der Steuerstrom, am Anschluss A2 die Masse angeschlossen. Die Spule baut ein Magnetfeld auf und zieht somit den Anker an. Dabei werden Schließer, Öffner und Wechsler gleichzeitig geschalten. Relais werden in Schaltplänen mit dem Buchstaben K und einer Ziffer ge-kennzeichnet z.B. K1, K2, K3. In der Praxis werden Relais verwendet für:

Signalvervielfältigung Eine Relaisspule schaltet mehrere Schließer, Öffner oder Wechsler.

Signalverstärkung Die Relaisspule wird mit einer Steuerspannung von 24V betrieben, während die Schließer, Öffner oder Wechsler 230V oder 400V schalten.

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3 Bauteile in der Elektropneumatik 3.5 Grenztaster

Um die Stellung eines Arbeitsgliedes z.B. Zylinder oder Lineareinheit einer Steuerung mitzuteilen ver-wendet man Grenztaster. Über diese Taster werden Endlagen von Arbeitselementen erfasst. So wird beispielsweise die Information "Zylinder ausgefahren" oder "Zylinder eingefahren", über Grenztaster, die als Schließer, Öffner oder Wechsler ausgeführt sein können, an die Steuerung wei-tergegeben.

Die hintere Endlage ("Zylinder eingefahren") wird im Beispiel durch den Schließer S1 abgefragt, wäh-rend die vordere Endlage durch den Schließer S2 abgefragt wird. Die beiden Taster S1 und S2 werden in der Praxis im Arbeitsbereich des Zylinders montiert, im Schaltplan sind sie jedoch im elektrischen Steuerungsteil zu finden.

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4 Darstellung von elektropneumatischen Schal-tungen

4.0 Kapitelübersicht

Kapitelbezogene Eingangsfragen: Was ist ein Schaltplan? Wie kann man den Schaltplan darstellen? Themen: 4.1 Darstellung 4.2 Pneumatischer Schaltplan 4.3 Elektrischer Schaltplan

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4.1 Darstellung

Mit elektropneumatischen Schaltungen werden Vorrichtungen und Maschinen elektrisch gesteuert und pneumatisch angetrieben. Der Schaltplan besteht daher aus einem pneumatischen und einem elektrischen Teil.

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4.2 Pneumatischer Schaltplan

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4.3 Elektrischer Schaltplan

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5 Elektropneumatische Grundschaltungen 5.0 Kapitelübersicht

Kapitelbezogene Eingangsfragen: Welche Grundschaltungen sind Ihnen bekannt? Nennen Sie den Unterschied zwischen direkter und indirekter Steuerung! Themen: 5.1 Grundschaltungen 5.2 Direkte - Indirekte Steuerung 5.3 Elektrische Selbsthaltung 5.4 Verknüpfung von Signalen

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5 Elektropneumatische Grundschaltungen 5.1 Grundschaltungen

Für die Realisierung der unterschiedlichsten steuerungstechnischen Aufgaben benötigt man eine Rei-he von elektropneumatischen Grundschaltungen. Dazu zählen:

Direkte und indirekte Steuerung

Elektrische Selbsthalteschaltung

UND-Verknüpfung

ODER-Verknüpfung

NICHT-Verknüpfung

Durch Kombination der Grundschaltungen können die anspruchsvollsten Steuerungen realisiert wer-den. Lediglich der hohe Verdrahtungsaufwand und die damit verbundenen hohen Kosten, stellen für die Elektropneumatik eine Grenze dar. Ist eine steuerungstechnische Aufgabe sehr umfangreich, wird eine speicherprogrammierbare Steue-rung (SPS) oder ein Feldbussystem (z.B. AS-Interface) zum Einsatz kommen.

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5 Elektropneumatische Grundschaltungen 5.2 Direkte - Indirekte Steuerung

Der Unterschied zwischen einer direkten und indirekten Steuerung liegt im elektrischen Schaltplan. Bei einer direkten Steuerung wird der Strompfad des Ventils unmittelbar über einen Schließer gesteu-ert.

Bei der indirekten Steuerung sind die Bedientaster an Relais angeschlossen, die den Strompfad des Magnetventils steuern. Der Vorteil einer indirekten Steuerung liegt darin, dass sie mit einer SPS be-trieben werden kann.

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5 Elektropneumatische Grundschaltungen 5.3 Elektrische Selbsthaltung

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5 Elektropneumatische Grundschaltungen 5.4 Verknüpfung von Signalen

5 Elektropneumatische Grundschaltungen 5.4 Verknüpfung von Signalen

UND Das Relais K1 wird erst mit Strom versorgt, wenn S1 und S2 betätigt werden. Merke: Eine UND–Verknüpfung entspricht einer elektrischen Reihenschaltung!

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ODER Das Relais K2 wird mit Strom versorgt, wenn S1 oder S2 betätigt wer-den. Merke: Eine ODER–Verknüpfung entspricht einer elektrischen Parallelschal-tung!

NICHT Wird die Relaisspule K3 mit Strom versorgt, unterbricht der Öffner K3 den Stromkreis und das Magnetventil Y1 wird nicht mit Strom versorgt. Merke: Eine NICHT–Verknüpfung entspricht in einer elektrischen Schaltung einem Öffner! Öffner mit Raste werden in elektrischen Schaltungen als NOT–AUS-Schalter verwendet.

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Trainingsaufgaben Trainingsaufgabe 1

Bitte verwenden Sie die vorbereitete Antwortdatei für Ihren Lösungsvorschlag. Sie finden die Ant-wortdatei in den Anlagen am Ende des Skripts.

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Fallstudie

Eine bestehende rein pneumatische Pressensteuerung soll durch eine elektropneumatische Steuerung ersetzt werden. Franz Huber: Erinnern Sie sich noch an die Presse mit der pneumatischen Steuerung? In den

nächsten Tagen werden wir uns vornehmen, diese durch eine elektropneumatische Steuerung zu ersetzen.

Bernd Wolf: (etwas ungläubig) Wenn es weiter nichts ist ... Franz Huber: Moment ... vorab möchte ich, dass Sie sich einen genauen Funktionsplan

überlegen. Dazu Funktionsdiagramme erstellen und die Stückzahl der erforderlichen Bauteile berücksichtigen. Bitte vergessen Sie den elektrischen Schaltplan nicht.

Bernd Wolf: ... okay, alles klar.

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Abschluss Lerneinheit Bearbeitung der Fallstudie

Bitte bearbeiten Sie zur Fallstudie folgende Aufgabe: Rüsten Sie die pneumatische Pressensteuerung in eine elektropneumatische Steuerung um. Erstellen Sie dafür eine Dokumentation mit Funktionsplan, Funktionsdiagramm, Stückliste der erfor-derlichen Bauteile und den elektrischen Schaltplan! Verwenden Sie die vorbereitete Antwortdatei für Ihren Lösungsvorschlag. Sie finden die Antwortda-tei in dem Anlagen am Ende des Skripts.

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Anlagen

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LEITFRAGEN

Hinweis: Anhand dieser Leitfragen werden Sie die Qualifizierungseinheit erarbeiten. Notieren Sie die Antworten zu den Fragen, die Ihnen spontan einfallen. Speichern Sie diese Datei anschließend in einem Ordner, auf den Sie stets zugreifen können und ergänzen jeweils diese Fragen um das erlernte Wissen. Am Ende der Qualifizierungseinheit sollten Sie die Antworten komplett überarbeitet haben.

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Ausbildung zum Mechatroniker Grundlagen der Elektropneumatik

Trainingsaufgabe 1 zum Themenblock

Erstellen eines Funktionsplans

Name:

Vorname:

Klasse/Kurs:

Datum:

Erstellen Sie einen Funktionsplan in Grobform für die Pressensteuerung!

Erstellen Sie den Funktionsplan in Feinform für die Pressensteuerung!

Hinweis: Lösen Sie hierfür den Drag & Drop Test unter der TA 1 im Kapitel Trainingsaufgabe.

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Erstellen eines Funktionsdiagramms

Name:

Vorname:

Klasse/Kurs:

Datum:

Ausgangssituation: Das Werkstück ist gespannt und der Pressenstempel fährt gerade in seine hintere Endlage (Position 100mm). Aufgabenstellung: Ordnen Sie die Textbausteine entsprechend dem Funktionsdiagramm! Hinweis: Lösen Sie hierfür den Drag & Drop Test unter der TA 2 im Kapitel Trainingsaufgabe.

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Bauteile in der Elektropneumatik

Name:

Vorname:

Klasse/Kurs:

Datum:

Ordnen Sie den Schaltzeichen die entsprechende Bezeichnung und Beschreibung zu! Hinweis: Lösen Sie hierfür den Drag & Drop Test unter der TA 3 im Kapitel Trainingsaufgabe.

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Darstellung von elektropneumatischen Schaltungen

Name:

Vorname:

Klasse/Kurs:

Datum:

Stellen Sie den Funktionsablauf der Steuerung für das Ausfahren des Zylinders in die richti-ge Reihenfolge und bestimmen Sie in welchem Schaltplan die Aktion stattfindet. Hinweis: Lösen Sie hierfür den Drag & Drop Test unter der TA 4 im Kapitel Trainingsaufgabe.

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Elektropneumatische Grundschaltungen

Name:

Vorname:

Klasse/Kurs:

Datum:

Ausgangssituation: Ein einfachwirkender Zylinder soll ausfahren, wenn S1 und S2 kurzzeitig betätigt werden. Wird S3 oder S4 betätigt soll der Zylinder wieder einfahren. Aufgabenstellung: Entwickeln Sie den elektrischen Schaltplan! Hinweis: Lösen Sie hierfür den Drag & Drop Test unter der TA 5 im Kapitel Trainingsaufgabe.

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Bearbeitung der Fallstudie

Name:

Vorname:

Klasse/Kurs:

Datum:

Rüsten Sie die pneumatische Pressensteuerung in eine elektropneumatische Steuerung um. Erstellen Sie dafür eine Dokumentation mit Funktionsplan, Funktionsdiagramm, Stückliste der erforderlichen Bauteile und den elektrischen Schaltplan!

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Documents

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