Mechatronik: Grundlagen und Komponenten

327 Pages·2004·12.65 MB·German

by  Berthold Heinrich

Berthold Heinrich (Hrsg.)
Mechatronik
Aus dem Programm ____________ _____..
Automatisierungstechnik
Speicherprogrammierbare Steuerungen
in der Praxis
von W. Braun
Regelungstechnik fiir Ingenieure
von M. Reuter und S. Zacher
Kaspers/Kiifner Messen - Steuern - Regeln
von B. Heinrich (Hrsg.), B. Berling, W. Thrun und W. Vogt
Automatisieren mit SPS
Theorie und Praxis
von G. Wellenreuther und D. Zastrow
Automatisieren mit SPS
Ubersicht und Ubungsaufgaben
von G. Wellenreuther und D. Zastrow
Steuerungstechnik mit SPS
von G. Wellenreuther und D. Zastrow
Bussysteme in der Automatisierungs
und Prozesstechnik
herausgegeben von G. Schnell
Automatisierungstechnik kompakt
herausgegeben von S. Zacher
Springer Fachmedien
Wiesbaden GmbH ---------------~
Berthold Heinrich (Hrsg.)
Peter D6ring
Lutz Kliiber
Stefan Nolte
RolfSimon
Mechatronik
Grundlagen und Komponenten
Mit 398 Abbildungen und 34 Tabellen
Springer Fachmedien
Wiesbaden GmbH
Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet iiber <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
1. Auflage September 2004
Alle Rechte vorbehalten
© Springer Fachmedien Wiesbaden 2004
Urspriinglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2004
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sondere fur Vervielfaltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und
die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
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Technische Redaktion: Hartmut Kiihn von Burgsdorf und Andreas MeiBner, Wiesbaden
Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
ISBN 978-3-528-03957-8 ISBN 978-3-663-05745-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-05745-1
v
Vorwort
Dieses Lehrbuch richtet sich an Studierende an Fachschulen fiir Technik und an Fachhoch
schulen sowie an alle technisch Interessierten.
Ais Lemtrager wurde ein Transportsystem gewiihlt, anhand dessen als groBe Klammer dieses
Buches die Aspekte der Systemanalyse, der Systemsynthese und der Inbetriebnahme vorge
stellt werden. Es wurde auf den Einsatz hOherer Mathematik bewusst verzichtet, da sie ftir den
Adressatenkreis nicht immer zur Verftigung steht. Abstrakte Zusammenhiinge werden mit
relativ einfachen Mitteln allgemeinverstiindlich und anschaulich dargestellt.
1m Kapitel zur Systemanalyse werden ausgehend von dem konkreten Transportproblem die
Phasen einer Systemanalyse vorgestellt. Der systemische Ansatz ist typisch fur die mechatro
nische Denkweise und wurde deshalb an den Anfang gestellt. Dadurch lassen sich die weiteren
Kapitel zielorientiert integrieren.
Das Kapitel Funktionseinheiten der Meehanikgtbteinen Uberblick tiber die wichtigsten Funk
tionseinheiten im Maschinenbau. Dabeisteht nicht die Berechnung von Maschinenelementen
wie Wellen, Zahnradem oder Lagem un Vordergrund, sondem die Auswahl von Funktions
einheiten und deren Verbindung zu Gesamtsystemen auf Grund ihrer speziellen Eigenschaften.
Die wichtigsten technischen Eigenschaften und GroBeli werden beschrieben, urn ein technisch
funktionsfahiges und kostengtinstiges mechanisches Gesamtsystem entwerfen oder ein beste
hendes System reparieren zu konnen. Dabei werden auch Umweltschutz- und Arbeits
sicherheitsaspekte berucksichtigt.
1m Kapitel Funktionseinheiten der Elektronik werden zunachst Sensoren vorgestellt, die in
mechatronischen Systemen die verschiedenen nichtelektrischen GroBen zur Steuerung, Rege
lung bzw. Uberwachung erfassen und in elektrische GroBen umwandeln. Da Sensoren haufig
nur sehr kleine Spannungs-bzw. Stromwerte liefem, die nicht ausreichend genau ausgewertet
werden konnen, werden Verstiirkerschaltungen benotigt. Aktoren schlieBlich sind die Stell
glieder, welche die aufgabenmiiBig zu ededigende Aktion durchfuhren.
Mithilfe von speicherprogrammierbaren Steuerungen sind erst komplexe mechatronische
Systeme zu installieren und flexibel zu steuem. Die Beispiele werden durchgangig an der Si
matic S7 von Siemens mit der Programmiersoftware STEP 7 realisiert, da sich diese Kombina
tion zur Zeit als Standard zeigt. Die Darstellung ist aber so allgemein gehalten, dass eine Co
dierung in einer anderen Software auch moglich ist.
Bussysteme bilden heute einen wichtigen Part bei der Kommunikation zwischen den einzelnen
Teilkomponenten eines mechatronischen Systems. Nach einer theoretischen Einftihrung wer
den die wichtigsten Feldbussysteme vorgestellt.
Die Robotertechnik ist ein Teil der Automatisierungstechnik. Infolge der steigenden Automati
sierung der Betriebe wurde es notig, flexible Bewegungsautomaten zu entwickeln, welche die
hiiufig monotonen, gefiihrlichen oder besonders schnellen Bewegungen dem Menschen ab
nehmen. Nach einer Vorstellung von Robotersystemen werden Programmiertechniken und
Ubedegungen zum Planen eines Fertigungsablaufs dargestellt.
1m Kapitel Regelungstechnik werden Regelkreis und Regelkreisglieder analysiert und Mog
lichkeiten zur Beschreibung ihres Verhaltens behandelt. Damit lassen sich dann Aussagen tiber
VI Vorwort
das Verhalten beim Zusammenwirken machen und Einstellregeln herleiten. Abgeschlossen
wird dieser Teil mit einem Beispiel zur Regelung mit einer SPS.
Nach diesen grundlegenden Kapiteln wird die Systemsynthese durchgefUhrt, die eine magliche
Lasung ftir das in Kapitel I vorgestellte Problem liefert. Unabhangig von der konkreten Pro
blemstellung werden aber auch Synthesestrategien behandelt.
Abgerundet wird das Buch durch ein Kapitel, in dem einige Punkte der Inbetriebnahme behan
delt werden. Da die Inbetriebnahme einer Anlage sehr von der konkreten Situation abhangig
ist, werden hier im Wesentlichen allgemeine Aspekte aufgegriffen.
Die Benutzung der englischen Fachsprache wird fUr moderne Technologien immer wichtiger.
Wir haben versucht, dem Leser daftir Hilfestellungen zu geben. Einmal findet man unter jeder
nummerierten Uberschrift die englische Ubersetzung. Dies ist ftir Leser gedacht, die in eng
lischsprachiger Literatur weiter recherchieren wollen.
Ftir Leser, die z. B. aus einem Firmenkatalog oder aus dem Internet einen englischen Begriff
aus dem Bereich der Mechatronik gefunden haben, ist ein Glossar aufgenommen, in dem zu
wichtigen englischsprachigen Begriffen eine deutsche "Obersetzung gegeben wird. Da der
Sprachgebrauch in beiden Sprachen oft unterschiedlich ist, wurden dort, wo es uns sinnvoll
erschien, auch Doppelnennungen aufgenommen.
Die Idee war dabei, dass der Leser die deutsche "Obersetzung im Glossar nachschlagt. Zu vie
len Begriffen findet er dann im Sachwortverzeichnis einen Verweis auf die Fundstelle im
Buch.
Besonders bedanken machte ich mich bei den Mitarbeitern des Vieweg Verlags, Herm Kuhn
von Burgsdorff und Herm Zipsner fUr die immer engagierte Hilfe.
Fur die Bearbeitung des englischen Glossars danken wir Frau Imke Zander M.A., Wiesbaden
und Herm Professor Dr. Ariacutty Jayendran, Witten.
Heme, August 2004 Berthold Heinrich
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Systemanalyse ............ ........................................................................ .... .... .... .... .... ...... 1
1.1 Definition von Systemen........................................................................................ 1
1.1.1 Ein mechatronisches System......................................................................... 1
1.1.2 Eigenschaften mechatronischer Systeme ...................................................... 2
1.1.3 Vereinfachte Systemdarstellung als "black-box" ......................................... 3
1.2 Komponenten von Systemen ................................................................................. 4
1.2.1 System und Teilsystem ............................................................................ ..... 4
1.2.2 Darstellung von Systemstrukturen................................................................ 6
1.3 Stoff, Energie und Information ................. :............................................................ 8
1.3.1 Beschreibung von Stoffstromen.................................................................... 8
1.3.2 Beschreibung von Energiestromen ............................................................... 9
1.3.3 Beschreibung von Informationsstromen....................................................... 12
2 Funktionseinheiten in der Mechanik ......................................................................... 13
2.1 Der Baukasten ........................................................................................................ 13
2.2 Trag-und Stiitzeinheiten........................................................................................ 16
2.3 Lager-und Fiihrungseinheiten ............................................................................... 18
2.3.1 Gleitlager ...................................................................................................... 18
2.3.2 Wlilzlager ...................................................................................................... 25
2.3.3 Linearfiihrungen ........................................................................................... 34
2.4 Energieiibertragungseinheiten................................................................................ 35
2.4.1 Kupplungen ............................................................................. ..................... 36
2.4.2 Getriebe ...................................... :.................................................................. 41
2.5 Verbindungseinheiten ........................................................................................... . 51
2.5.1 Verbindungsarten ......................................................................................... . 51
2.5.2 Befestigungsschrauben ................................................................................ . 53
2.5.3 Elemente zum Verbinden von Wellen und Naben ...................................... .. 65
2.6 Antriebseinheiten .................................................................................................. . 70
2.7 Umweltschutz-und Arbeitssicherheitseinrichtungen ............................................ . 73
3 Funktionseinheiten Elektronik ................................................................................... 76
3.1 Sensoren................................................................................................................. 76
3.1.1 Allgemeines zu Sensoren.............................................................................. 76
3.1.2 KenngroBen von Sensoren............................................................................ 77
3.1.3 Sensoren zur Temperaturerfassung............................................................... 79
3.1.4 Sensoren zur Weg-und Winkelmessung ...................................................... 83
3.1.5 Sensoren zur Kraft-und Druckmessung....................................................... 87
3.1.6 Naherungssensoren....................................................................................... 88
3.1.7 Optische Sensoren ........................................................................................ 90
3.2 Verstiirkerschaltungen............................................................................................ 92
3.2.1 Bipolare Transistoren.................................................................................... 92
3.2.2 Feldeffekttransistoren (FET)......................................................................... 94
VIII Inhaltsverzeichnis
3.2.3 SchaltversHirker ........................................................................................... 94
3.2.4 Anwendungen .............................................................................................. 96
3.2.5 Analoge Verstarker ...................................................................................... 97
3.2.6 Operationsverstarker .................................................................................... 101
3.3 Aktoren................................................................................................................... 112
3.3.1 Allgemeines................................................................................................. 112
3.3.2 Induktionsmaschinen ................................................................................... 113
3.3.3 Grundlagen der Steuerungstechnik.............................................................. 125
3.3.4 Antriebe mit festen Drehzahlen ................................................................... 134
3.3.5 Antriebe mit variablen Drehzahlen .............................................................. 138
3.3.6 Auswahl, Dimensionierung und Schutz elektrischer Maschinen................. 156
3.3.7 Auswahl des Frequenzurnrichters ................................................................ 166
3.3.8 Projektierungsablauf .................................................................................... 169
3.3.9 Elektromagnetische Vertraglichkeit (EMV) ................................................ 170
3.3.10 Stormechanismen bei Frequenzurnrichtem......................... ......................... 174
3.3.11 Vorschriften, Richtlinien, EN-Normen ........................................................ 176
4 Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) ......................................................... 183
4.1 Aufgabenstellung: Abftillanlage ............................. ............................................... 184
4.2 Zustandsdiagramm .......... ........................................................................ ............... 184
4.3 Hardwarekonfiguration .......................................................................................... 186
4.4 SPS Programrnierung ............................................................................................. 187
4.4.1 Schrittkettenprogrammierung mit der SPS .................................................. 192
4.4.2 Analogwertverarbeitung in der SPS-Technik .............................................. 201
5 Bussysteme......................... ............... ........................................................................... 206
5.1 Die fiinf Hierarchieebenen in der Automatisierung ............... ................................ 207
5.2 Feldbussysteme ...................................................................................................... 207
5.3 Das ISO/OSI Schichtenmodell............................................................................... 208
5.4 Netz-Zugriffs-Steuerung ............................................... ......................................... 209
5.4.1 Verfahrensgruppen....................................................................................... 209
5.4.2 Die wichtigsten Feldbussysteme .................................................................. 210
6 Robotik ......................................................................................................................... 214
6.1 Arten der Roboter-Kinematik................................................................................. 215
6.2 Das System Roboter ........................................................... .................................... 217
6.3 Greifer .............. ............................................ ............................. ............................. 218
6.4 Freiheitsgrade............................................. ......... ................................................... 221
6.5 Programmierung von Robotersystemen .......... ......... ......... .............. ....................... 222
6.6 Programmiertechniken ........................................................................................... 225
6.7 Planen und Programmieren eines Fertigungsablaufes............................................ 226
7 Regelung ....................................................................................................................... 232
7.1 Grundbegriffe......................................................................................................... 232
7.2 Beschreibung des Verhaltens von Regelkreisgliedem........................................... 233
7.3 Regelstrecken ..... ........... ............................. ................ ............................................ 237
7.4 Regier ..................................................................................................................... 245
Inhaltsverzeichnis IX
7.5 Zusammenwirken zwischen RegIer und Strecke ........................................... ........ 259
7.5.1 Beurteilungskriterien .................................................................................... 260
7.5.2 Regelung mit stetigen RegIern ...................................................................... 262
7.5.3 Regelung mit Zweipunktreglern ................................................................... 269
7.5.4 Regelung mit einer SPS ................................................................................ 271
8 Systemsynthese .................................................................. ................... ....................... 272
8.1 Methodische Synthese eines mechatronischen Systems ................................ ........ 272
8.2 Analyse der Aufgabenstellung ............................................................................... 274
8.3 Konzipieren............................................................................................................ 276
8.4 Bewerten ................................................................................................................ 276
8.5 Mogliches Konzept ................................................................................................ 277
8.5.1 Umwandeln einer Energieform in mechanische Energie .............................. 277
8.5.2 Transportieren von Stiickgiitern ................................................................... 282
8.5.3 Andern der Transportrichtung und der Transportgeschwindigkeit... ............ 282
8.5.4 Verarbeiten von Informationen ..................................................................... 282
9 Inbetriebnahme ............................................. ....................................................... ....... 283
9.1 Einleitung............................................................................................................... 283
9.2 Grundlagen der Mess-und Priiftechnik ................................................................. 283
9.3 Elektrische Messtechnik ........................................................................................ 287
9.3.1 Spannungsmessung ....................................................................................... 287
9.3.2 Strommessung ............................................................................................... 288
9.3.3 Widerstandsmessung .................................................................................... 289
9.3.4 Messen mit dem Oszilloskop ........................................................................ 290
9.4 Inbetriebnahme des BandIaufwerks aus KapiteIl................................................. 295
9.4.1 Teilkomponenten .......................................................................................... 295
9.4.2 Teillastbetrieb ............................................................................................... 296
9.4.3 VoIllastbetrieb ............................................................................................... 296
9.5 Inbetriebnahmeunterlagen...................................................................................... 296
Glossar .................... ........................... ................................................................................ 298
Literaturverzeichnis .......................................................................................................... 310
Sachwortverzeichnis .......... ......................................................... ................... .... ............... 311
1 Systema nalyse
System analysis
1.1 Definition von Systemen
Definition of systems
1.1.1 Ein mechatronisches System
A mechatronic system
Der Einstieg in die Welt mechatronischer Systeme erfolgt an dieser Stelle tiber ein praktisches
Beispiel, auf das in den Kapiteln des Buches Bezug genommen wird. Weitere Beispiele fUr
mechatronische Systeme finden sich im Kapitel 4.
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Bedienfeld
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Bild 1-1 TransportfOrderband als schematische Darstellung
Die in Bild 1-1 gezeigte schematische Anlage transportiert Kisten aus einem Lager im
Untergeschoss in das Erdgeschoss einer Frabrikationshalle und sortiert die Stapelboxen nach
der Bauhohe. Ein Mitarbeiter startet die Anlage tiber das Bedienfeld. Die Stapel box fahrt mit
dem Band an zwei Lichtschranken vorbei, mit der die Bauhohe der Box im Vorbeifahren er
mittelt wird. 1m weiteren Verlauf der Fahrt schwenkt die bewegliche Weiche je nach BaugroBe
auf das obere oder das untere Transportband. Wenn die Box das richtige Band erreicht hat,
meldet eine Lichtschranke den korrekten Vollzug des Vorganges und schaltet die Signalleuch
te "Bereit" auf Freigabe.
Die Steuerung erfolgt tiber ein Bedienfeld. Dabei kann der Vorgang nur gestartet werden,
wenn die Signalleuchte "Bereit" leuchtet. Mit der Stopp-Taste kann der Bediener den Vorgang
des Sortierens und Transportierens voriibergehend unterbrechen. Eine Not-Aus BeHitigung
unterbricht den kompletten Ablauf und schaltet die Anlage aus.
B. Heinrich et al. (eds.), Mechatronik
© Springer Fachmedien Wiesbaden 2004