Abiturklausur 2013 BG Technik – Mechatronik - SchülermaterialVorschlag A-M4 eA Fach: Technik Bearbeitungszeit: 300 Min.

A. Problemstellung

Ein mittelständisches Maschinenbauunternehmen stellt Getriebe für die Autoindustrie in großer Stückzahl her. Dies gilt insbesondere für einen bestimmten Getriebetyp. Deshalb hat die Betriebsleitung entschieden, das Fertigen und Fügen von Zahnrad und Getriebewelle zu automatisieren. Die Anlage besteht im Wesentlichen aus einer Bohrstation für die Rohlinge, einer Station zum Herstellen der Zähne (nicht abgebildet) und einer Fügestation.Als Mitarbeiter dieser Firma sind Sie an diesem Projekt mit der Lösung einzelner Teilaufgaben beteiligt.In Ihrer Verantwortung liegen Automatisierungsaufgaben sowie die Dimensionierung und Auswahl einzelner Komponenten.Ein Technologieplan für die Bohr- und Fügestation liegt vor.

Technologieschema FügestationTechnologieschema

Bohrstation

Beide Abbildungen: Dzieia, Jagla, Kaese: Metalltechnik Lernfelder Fachstufe: Industriemechanik Fachwissen. Schülerbuch, 2. Auflage, S. 381/366, Braunschweig, 2009

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1. Aufgabenstellung (19 Punkte)

1.1 Teilsysteme der Anlage (3 Punkte)Arbeiten Sie sich zunächst in die Anlage ein, indem Sie die fünf Teilsysteme der oben abgebildeten Anlage nennen und deren Funktion, Aufgaben und Abhängigkeiten kurz darstellen und erläutern.

1.2 Hydraulikschaltung der Fügestation (4 Punkte)Der Stempel des Hydraulikzylinders nähert sich im Eilgang (EV) mit einer Geschwindigkeit von vEV = 30 mm/s dem Zahnrad und presst dieses danach im langsamen Arbeitsgang (AV) mit einer Geschwindigkeit von vAV = 2 mm/s und einer Einpresskraft von F = 50000 N auf die Welle. Der Rückhub des Stempels (ER) erfolgt wieder im Eilgang.Der Hydraulikplan der Anlage ist im Anhang abgebildet.

Beschreiben Sie für Ihren Kollegen stichwortartig unter Verwendung des Hydraulikplanes Funktionsweise der Presse (Sensorbetätigungen, Ventilstellungen, Ölströme).

1.3 Pumpenauslegung der Fügestation (4 Punkte)Um die Hydraulikpumpe bestellen zu können, müssen Sie den erforderlichen Druck p in bar und die notwendige Fördermenge Q in l/min der Pumpe kennen.

Führen Sie die dafür nötigen Berechnungen durch.

1.4 Pumpenantrieb der Fügestation (Elektromotor) (6 Punkte)Ihre bestellte Pumpe liefert einen Druck von p = 120 bar und fördert eine Ölmenge von Q = 10 l/min. Weiterhin ist dem Datenblatt der Pumpe zu entnehmen, dass sie pro Umdrehung der Pumpenwelle ein Volumen von V = 0,007 Liter/Umdrehung fördert. Der Wirkungsgrad der Pumpe wird mit 80 % angegeben. Die Pumpe wird durch einen Elektromotor angetrieben. (siehe auch Bild im Anhang).

Ermitteln Sie für die Kollegen der Elektroabteilung

das Drehmoment die Drehzahl und die Leistung

des Elektromotors an der Motorwelle.

1.4 Hydraulikventil überprüfen (2 Punkte)Das Hydraulikventil 1V1 steht in Ruhestellung in „Umlaufmittelstellung“ (Verbindung von P zu T). Überprüfen Sie, ob der Einsatz eines solchen Ventils in dieser Anlage sinnvoll ist.

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2. Aufgabenstellung (35 Punkte)

Funktionsbeschreibung:Nach dem Aktivieren der Anlage über die Start-Taste wird der Arbeitszyklus aus der Grundstellung heraus gestartet. Der Zuführzylinder 2A1 schiebt eine Platte aus dem Magazin und drückt sie gegen den Endanschlag. Dadurch wird das Zahnrad fixiert. Nun beginnt der Bohrvorgang, wobei der Hydraulikzylinder 1A1 zunächst im Eilvorlauf (EV= Schnelle Fahrt) die Bohrspindel bis zum Endschalter B13 abwärts fährt und dann den eigentlich Bohrvorgang im Arbeitsvorschub (AV= Langsame Fahrt) ausführt. Nach einer Verweilzeit von einer Sekunde bewegt der Hydraulikzylinder 1A1 die Bohrspindel im Eilrücklauf (ER= Schnelle Fahrt) wieder nach oben. Nun fährt der Zylinder 2A1 zurück und das fertige gebohrte Teil wird durch den Auswurfzylinder 2A2 auf eine Rutsche befördert, die das Werkstück zum nächsten Arbeitsgang befördert. Die Anlage befindet sich wieder in der Grundstellung. Der Arbeitszyklus soll durch eine Kontrollleuchte P3 angezeigt werden.

2.1 Positionsmessung der Bohrspindel (6 Punkte)Um die Position der Bohrspindel zu messen, ist am Hydraulikzylinder ein Wegmesssystem in Form eines Potentiometers (RM = 5 kΩ) angebracht. Die gemessene Spannung UM soll in der SPS weiterverarbeitet werden und deshalb auf 0..10V begrenzt werden.

Skizzieren Sie eine geeignete Schaltung, die mit UB=24V versorgt wird und die Messspannung entsprechend herunter teilt.

Berechnen Sie den benötigten Vorwiderstand.

Abbildung: Dzieia, Jagla, Kaese: Metalltechnik Lernfelder Fachstufe: Industriemechanik Fachwissen. Schülerbuch, 2. Auflage, S. 381, Braunschweig, 2009

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2.2 Reflexions-Lichttaster mit Hintergrundausblendung (5 Punkte)In der Anlage wird zur Erkennung von Bauteilen ein Reflexions-Lichttaster mit Hintergrundausblendung verwendet.

Beschreiben Sie anhand des Datenblattes im Anhang die Funktionsweise des Sensors.

Der Sender und der Empfänger sind in einem Gehäuse untergebracht und haben einen Abstand von 5 cm. Um die Hintergrundausblendung zu realisieren, strahlt der Sender seine Energie in einem Winkel von 5° ab. Berechnen Sie, in welchem Abstand zum Sensor die Objekte sicher erkannt werden.

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2.3 Zuordnungsliste (8 Punkte)Wie aus dem Technologieschema und dem Hydraulikplan ersichtlich, werden zur Steuerung der Anlage unterschiedliche Sensoren und Aktoren eingesetzt.

Ermitteln Sie alle benötigten Sensoren und Aktoren und stellen Sie diese in Form einer Zuordnungsliste dar!

Zuordnungsliste

Symbol Adresse Datentyp KommentarS1

B7

B8

B9

B10

B11

B12

B13

B14

B15

P3

M1

M2

M3

M4

M5

M6

M7

M8

5

20 20

160

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2.4 GRAFCET (16 Punkte)Entwickeln Sie einen GRAFCET aus dem aufgezeigten Technologieschema und dessen Anlagenbeschreibung.

3. Aufgabe (16 Punkte)

Das Zahnrad (aus Stahl) mit einem Teilkreisdurchmesser von 160 mm und einer Breite von 20 mm wird mittels Vakuumsaugern vom Werkstückträgerzur Welle transportiert und darauf positioniert.

3.1 Dimensionierung der Saugereinrichtung (6 Punkte)Sie erhalten den Auftrag, die Saugereinrichtung zu dimensionieren, indem Sie Durchmesser und Anzahl der Vakuumsauger festlegen (siehe Daten im Anhang). Bei der Berechnung der Masse ist die Bohrung des Zahnrades nicht zu berücksichtigen. Die Vakuumeinheit erzeugt einen Unterdruck von p = - 0,7 bar.

3.2 Überprüfen einer Sicherheitsvorrichtung (8 Punkte)In Ihrem Team wurde beschlossen, dass die Einheit mit dem Vakuumsauger bei Druck- oder Spannungsausfall aus Sicherheitsgründen mit einer Feder nach oben fahren soll. Dafür haben Sie bereits eine neue Konstruktion (siehe Bild unten) für den Zylinder 2A1 erstellt.

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Federdaten:

Länge unbelastet l0 = 240 mm Federrate R = 2 N/mm Blocklänge LN = 60 mm

Sicherheit: 3fach

Sie sollen die Einbaulänge l = 145 mm und den Durchmesser d = 50 mm überprüfen und gegebenenfalls konkrete und begründete Änderungen vorschlagen.

3.3 Pneumatikplan (2 Punkte)Skizzieren Sie für den neuen Zylinder 2A1 (siehe 3.2) den Pneumatikplan, um die technischen Unterlagen zu vervollständigen.

Abbildung: Dzieia, Jagla, Kaese: Metalltechnik Lernfelder Fachstufe: Industriemechanik Fachwissen: Schülerbuch, 2. Auflage, S. 371, Braunschweig, 2009

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4. Aufgabe (30 Punkte)

Nach der Zahnradfertigung sollen die Zahnräder zu einem Roboter befördert und in Kartons verpackt werden.

Funktionsbeschreibung:Der Roboter soll aus der Grundstellung die Position „Zahnrad auf Transportband“ bei eingehendem Signal vom Sensor „B20“ anfahren. Anschließend soll das Zahnrad in den Karton transportiert werden. Dieser Vorgang soll so lange wiederholt werden, bis der Karton mit seinen neun Plätzen belegt ist. Ist der Karton bestückt, wird vom Roboter eine Signalleuchte P30 angesteuert. Ein Bediener soll nach Entnahme des Kartons über eine Quittier-Taste (S21) einen neuen Vorgang vorbereiten.

Aufgabe 4.1 Roboterachsen (3 Punkte)Die Kinematik eines Roboters ist unter anderem abhängig von der Anzahl der Achsen. Benenne die im Technologieschema ersichtlichen Achsen des Roboters.

Aufgabe 4.2 Einsatzgebiete von Robotern (3 Punkte)In dem genannten Beispiel wird der Roboter als Montageroboter eingesetzt. Erläutern Sie weitere Einsatzgebiete von Industrierobotern.

Aufgabe 4.3 Roboterkoordinaten (3 Punkte)Nennen Sie mindestens drei Koordinatensysteme, die in der Robotertechnik zur Anwendung kommen.

Aufgabe 4.4 Interpolationsverfahren (4 Punkte)In der Robotertechnik können Positionen durch unterschiedliche Interpolationsverfahren angesteuert werden. Erläutere zwei unterschiedliche Verfahren und benutze diese in dem unten geforderten Programm zum Beladen der Kartons.

Aufgabe 4.5 Programmentwicklung (17 Punkte)Entwickeln Sie das entsprechende Programm (s. Befehlsliste im Anhang) zur Realisierung der Aufgabe unter Verwendung der dargestellten Positionsliste und dem gezeigten Grundgerüst des MB4-Programms! Beachten Sie dabei Verzögerungszeiten zum sicheren Greifen und Verfahrgeschwindigkeiten zum adäquaten Anfahren der Positionen.Dokumentieren Sie das Programm mit aussagekräftigem Kommentar!

Abbildung: Dzieia, Jagla, Kaese: Metalltechnik Lernfelder Fachstufe: Industriemechanik Fachwissen: Schülerbuch, 2. Auflage, S. 393, Braunschweig, 2009 8

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Positionen

P1=(339.00, 0.00, 550.00,0.00, 0.00, 0.00)(6,0) *// GrundstellungP2=(370.00, 0.00, 38.00, 0.00, 0.00, 0.00)(6,0) *// Aufnahme TransportbandP12=(241.00,158.10,38.00, 0.00, 0.00, 0.00)(6,0) *// Startpunkt des KartonsP13=(241.00,118.10,38.00, 0.00, 0.00, 0.00)(6,0) *// Spaltenendpunkt des KartonsP15=(361.00,118.10,38.040.00, 0.00, 0.00)(6,0) *// Paletteneckpunkt des KartonsP14=(361.00,158.10,38.0,20.00, 0.00, 0.00)(6,0) *// Zeilenendpunkt des Kartons

Grundstruktur MB4-Programm:10 ' *************************20 ' ** Zahnrad Palette **30 ' ** Abiturprüfung **40 ' ***************** ****50 60 DEF POS PKarton70 DEF INTE Slow80 DEF INTE Fast90 DEF INTE NumPos100

110 DEF IO B20 = BIT,8 'Zahnrad auf Transportband angekommen120 DEF IO S21 = BIT,9 'Quittiertaste: Karton vom Bediener entnommen130 DEF IO P30 = BIT,10 'Karton voll140

150 NumPos =1160 Slow = 50170 Fast = 100180

190 *MAINLOOP 'Hauptschleife200 GOSUB *Packen210 GOTO *MAINLOOP220 END

230 *Packen

600 RETURN

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