Automatisierungstechnik in der Fertigung: Grundlagen, Komponenten und Systeme
Gespeichert in:
| Späterer Titel: | Automatisierungstechnik mit Informatik und Telekommunikation |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Haan-Gruiten
Verl. Europa-Lehrmittel Nourney, Vollmer
1996
|
| Ausgabe: | 2. neu bearb. Aufl. |
| Schriftenreihe: | BDT Bibliothek des Technikers
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | 448 S. Ill., zahlr. graph. Darst. 1 Diskette, 3,5" |
| ISBN: | 3808551526 |
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| adam_text | Titel: Automatisierungstechnik in der Fertigung
Autor: Baumann, Albrecht
Jahr: 1996
HRMITTEL BIBLIOTHEK DES TECHNIKERS HHW Automatisierungstechnik in der Fertigung Grundlagen, Komponenten und Systeme 2. neu bearbeitete Auflage Bearbeitet von Lehrern und Ingenieuren (s. Rückseite) Lektorat: Prof. Dr.-Ing. Dietmar Schmid, Aalen VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL • Nourney, Vollmer GmbH Co. Düsseiberger Straße 23 ? 42781 Haan-Gruiten Europa-Nr.: 51518
Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen der Fertigungsautomatisierung................... 9 1.1 Einführung........................ 9 1.2 Grundlagender Steuerungstechnik................ 12 1.2.1 Steuerungsarten.................... 12 1.2.2 Programmsteuerungen.............. 15 1.2.3 Elektrische Bauelemente............. 16 1.2.4 Schaltungsunterlagen für Kontaktsteuerungen.............. 23 1.2.5 Grundschaltungen elektrischer Kontaktsteuerungen...... 24 1.2.6 Verknüpfungen mit Integrierten Schaltkreisen............ 25 1.2.7 Schaltalgebra...................... 26 1.2.8 Kombinatorische Steuerungen........ 27 1.2.9 Sequentielle Steuerungen............ 31 1.2.9.1 RS-Flipflop........................ 31 1.2.9.2 Taktgesteuerte Flipflop.............. 33 1.2.9.3 Zustandsfolgediagramm (Graph)...... 34 1.3 Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)................ 35 1.3.1 Aufbau und Funktionsweise.......... 35 1.3.2 Programmierung................... 37 1.3.3 Grundverknüpfungen............... 39 1.3.4 Speicher (Merker)................... 42 1.3.5 Flankenauswertung................. 44 1.3.6 Ablaufsteuerung.................... 45 1.3.7 Zähloperationen.................... 47 1.3.8 Programmieren von Zelten........... 48 1.3.9 Digitale Grundoperationen ........... 49 1.3.10 Datenbausteine.................... 50 1.3.11 Analogwertverarbeitung............. 51 1.3.12 Schnelle Zählvorgänge.............. 52 1.3.13 Bedienen und Beobachten........... 52 1.3.14 IEC 1131 für SPS.................... 53 1.3.15 Zuverlässigkeit und Sicherheit der SPS. 54 1.4 Grundlagender Analogsignalverarbeitung.......... 55 1.4.1 Operationsverstärker (OP)............ 55 1.4.2 Grundschaltungen.................. 56 1.4.3 Analog-Digital-Umsetzer und Digital-Analog-Umsetzer......... 59 1.5 Grundlagen der Regelungstechnik... 61 1.5.1 Begriffe........................... 61 1.5.2 Regelungsarten.................... 62 1.5.3 Regelkreisglieder................... 63 1.5.3.1
Proportionalglied ohne Verzögerung (P-Glied) 63 1.5.3.2 Proportionalglied mit Verzögerung 1. Ordnung (PT r Glied).............. 64 1.5.3.3 Proportionalglied mit Verzögerung 2. Ordnung (PT 2 -Glled) und Schwingungsglied.............. 65 1.5.3.4 Integralglied (I-Glied)................ 66 1.5.3.5 Differenzierglied (D-Glled)............ 67 1.5.3.6 Totzeltglied (T t -Glled)................ 67 1.5.4 Regler............................ 68 1.5.4.1 Schaltende Regler.................. 68 1.5.4.2 Analoge Regler..................... 69 1.5.4.3 Signalabtastung und digitale Regler .. . 70 1.5.5 Regelkreise (Beispiele)............... 73 1.5.5.1 Regelung von P-Strecken............ 73 1.5.5.2 Regelung von I-Strecken............. 74 1.5.5.3 Einstellen eines Reglers.............. 76 2 Aktoren und ihre Ansteuerung...... 77 2.1 Pneumatische Aktoren............. 77 2.1.1 Einführung........................ 77 2.1.2 Komponenten der Pneumatik......... 78 2.1.2.1 Wartungsgeräte.................... 78 2.1.2.2 Aktoren........................... 79 2.1.2.3 Ventile............................ 81 2.1.2.4 Signalgeber und Signalwandler....... 84 2.1.3 Pneumatische Steuerungen.......... 85 2.1.3.1 Schaltplanaufbau................... 85 2.1.3.2 Pneumatische Verknüpfungssteuerungen 87 2.1.3.3 Pneumatische Ablaufsteuerungen..... 89 2.1.3.4 Beispiele für Ablaufsteuerungen...... 91 2.1.3.5 Randbedingungen für Ablaufsteuerungen 94 2.1.3.6 Elektropneumatische Taktstufensteuerung 96 2.1.3.7 Rundtisch mit pneumatischem Prägezylinder...................... 97 2.2 Hydraulische Aktoren.............. 99 2.2.1 Einführung........................ 99 2.2.2 Physikalische Grundlagen............ 99 2.2.3 Flydraullkflüssigkeiten...............102 2.2.3.1 Mineralöle.........................102 2.2.3.2 Schwerentflammbare Hydraulikflüssigkelten .......................102 2.2.3.3 Umweltverträgliche Hydraulikflüssigkelten 103 2.2.4 Aufbau hydraulischer
Steuerungen ... . 103 2.2.5 Hydraulikpumpen...................104 2.2.5.1 Zahnradpumpen....................104 2.2.5.2 Flügelzellenpumpen.................105 2.2.5.3 Kolbenpumpen.....................106 2.2.6 Hydraulikspeicher..................108 2.2.7 Antriebselemente...................110 2.2.7.1 Hydraulikzylinder...................110 2.2.7.2 Schwenkmotore....................111 2.2.7.3 Hydraulikmotore...................111 2.2.8 Hydraulikventile....................114 4
Inhaltsverzeichnis 2.2.8.1 Druckventile.......................114 2.2.8.2 Wegeventile.......................117 2.2.8.3 Sperrventile.......................118 2.2.8.4 Stromventile.......................119 2.2.9 Stetigventile.......................121 2.2.10 Proportionaltechnik.................122 2.2.10.1 Proportionalmagnet.................122 2.2.10.2 Proportional-Wegeventile............123 2.2.10.3 Durchflußkennlinie U-Q-Kennlinie) .....124 2.2.10.4 Elektronische Steuerkarte............125 2.2.10.5 Digitale Ansteuerelektronik...........128 2.2.10.6 Hydraulische Vorschubeinheit........130 2.2.11 Servoventile.......................131 2.3 Elektrische Aktoren................133 2.3.1 Elektromagnete....................133 2.3.2 Gleichstromantriebe (DC-Antriebe) .... 134 2.3.2.1 Das elektrodynamische Prinzip........134 2.3.2.2 Stationäres Betriebsverhalten.........135 2.3.2.3 Dynamisches Betriebsverhalten.......136 2.3.2.4 Steller............................137 2.3.2.5 Bauformen........................140 2.3.3 Netzbetriebene Drehstrommotore (AC-Motore).......................141 2.3.3.1 Das Drehfeld.......................141 2.3.3.2 Funktionsweise des Drehstromasynchronmotors...................142 2.3.3.3 Anlaßsteuerungen..................143 2.3.3.4 Drehrichtungsumkehr...............145 2.3.4 Drehstromantriebe mit elektronischer Drehzahlregelung (AC-Antriebe).......146 2.3.4.1 Drehstromsynchronantrieb ..........146 2.3.4.2 Drehstromasynchronantrieb mit feldorientierter Kommutierung ......150 2.3.4.3 Mehrmotorenantrieb für Werkzeugmaschinen.............153 2.3.5 Elektrische Linearantriebe............154 2.3.6 Schrittmotorantriebe................155 2.3.7 Elektrische Antriebe mit hydraulischen Kraftverstärkern .... 156 2.3.8 Piezoaktoren.......................157 2.3.9 Magnetostriktive Aktoren............-157 2.3.10 Memory-Metall-Aktoren.............158 3 Sensoren.........................159 3.1 Allgemeines zur
Sensortechnik.....159 3.2 Sensoren für Wege, Winkel und Abstände.....................161 3.2.1 Sensorsignalerzeugung durch Widerstandsänderung...............161 3.2.2 Sensorsignalerzeugung durch Änderung der magnetischen Kopplung..........166 3.2.2.1 Differentialtransformator (LVDT)......166 3.2.2.2 Drehmelder und Inductosyn..........167 3.2.3 Sensorsignalerzeugung durch Erfassen magnetischer und elektrischer Felder . . 169 3.2.4 Kapazitiver Abstandssensor mit Oszillator 170 3.2.5 Optische Sensoren..................170 3.2.6 Sensorsignalerzeugung durch Laufzeitmessung..............172 3.2.7 Näherungsempfindliche Schalter (binäre Sensoren)...................174 3.2.8 Digitale Weg-und Winkelmessung .... 175 3.2.8.1 Übersicht..........................175 3.2.8.2 Inkrementale Weg- und Winkelmessung....................175 3.2.8.3 Absolute Weg-und Winkelmessung ... 178 3.2.8.4 Zyklisch analoge Weg- und Winkelmessung....................179 3.3 Geschwindigkeitssensoren.........180 3.3.1 Tachogeneratoren..................180 3.3.2 Induktive Sensoren für Lineargeschwindigkeiten..........180 3.3.3 Wiegand-Sensoren.................180 3.3.4 Radar-Geschwindigkeitssensor........180 3.4 Sensoren für Dehnungen, Kräfte, Drehmomente und Drücke..........181 3.4.1 Dehnungsmessung.................181 3.4.2 Kraftsensoren......................183 3.4.3 Drehmomentsensoren...............184 3.4.4 Sensoren für Drücke................184 3.5 Beschleunigungssensoren..........185 3.5.1 Beschleunigungsmessung mit Piezo-Sensoren.................185 3.5.2 Beschleunigungsmessung durch Wirbelstromerzeugung.........185 3.6 Temperatursensoren...............186 3.6.1 Thermoelemente...................186 3.6.2 Strahlungspyrometer................186 3.6.3 Widerstandsthermometer............187 3.6.4 Heißleiter (NTC-Sensoren)...........188 3.6.5 Kaltleiter (PTC-Sensoren)............188 3.6.6 Halbleitertemperatursensoren........188 3.7 Sensoren
und Meßwertgeber für elektrische Größen.............189 3.8 Störungen in Sensorleitungen......190 4 CIMC-Achsantriebssysteme.........191 4.1 Struktur..........................191 4.2 Art der Wegmessung..............191 4.2.1 Indirekte Wegmessung..............191 4.2.2 Direkte Wegmessung................193 4.3 Antriebsarten.....................193 4.4 Mechanische Übertragungsglieder .. 194 5
Inhaltsverzeichnis 4.5 Lageregelung.....................196 4.5.1 Kaskadenregelung..................196 4.5.1.1 Geschwindigkeitsvorsteuerung.......197 4.5.1.2 Modellnachführung.................198 4.5.2 Zustandsregelung..................198 4.5.3 Trennstelle zwischen digitalem und analogem Signalbereich.............199 4.6 SERCOS-Interface.................200 5 Computeranwendungen...........201 5.1 Programmierung..................201 5.1.1 Programmiersprachen...............201 5.1.2 Software Engineering...............202 5.1.3 Qualität der Software................203 5.1.4 Sicherung gegen unberechtigte Nutzung 203 5.1.5 Algorithmen.......................204 5.1.6 Strukturierte Programmierung........205 5.1.7 Rechnerinterne Darstellung von Daten . 206 5.1.8 Programmaufbau und wichtige Funktionen zur Programmerstellung . . . 208 5.1.9 Strukturierte Anweisungen...........209 5.1.10 Programmstrukturierung mit Funktionen 211 5.1.11 Fallbeispiel: Steuerkurve.............212 5.1.11.1 Technologische Beschreibung........212 5.1.11.2 Gesamtstruktur der Software.........212 5.1.11.3 Codierung in PASCAL und C..........213 5.1.11.4 Erzeugen eines CNC-Programmes.....218 5.1.11.5 Serielle Datenübertragung...........221 5.1.12 Arbeiten mit Windows...............223 5.1.13 Objektorientierte Programmierung .... 226 5.1.14 Grafische Programmierung...........228 5.2 Steuern mit Computer.............230 5.2.1 Aufbau der Systeme................230 5.2.2 Die Schnittstellenkarte...............230 5.2.3 Verknüpfungssteuerung ohne Speicher. 233 5.2.4 Verknüpfungssteuerung mit Speicher . . 2 34 5.2.5 Ablaufsteuerung....................234 5.2.6 Analoge Signale verarbeiten..........237 5.3 Regelungstechnik mit dem Computer................240 5.3.1 Hardware und Software.............240 5.3.2 Aufbau der Programme..............240 5.3.3 Regelkreisglieder...................243 5.3.3.1 Proportionalglied ohne Verzögerung
(P-Glied)..........................243 5.3.3.2 Integralglied (I-Glied)................244 5.3.3.3 Totzeitglied (T r Glied)................245 5.3.3.4 Proportionalglied mit Verzögerung 1. Ordnung (PT r Glied)..............246 5.3.3.5 Proportionalglied mit Verzögerung 2. Ordnung (PT 2 -Glied) und Schwingungsglied..................247 5.3.4 Regelkreise........................248 5.3.4.1 P-Regelung mit PT r Strecke..........248 5.3.4.2 I-Regelung mit PT r Strecke...........249 5.3.4.3 Füllstandsregelung mit I-Regler.......249 5.3.4.4 Drehzahlregelung mit PI-Regler.......251 5.3.4.5 Optimierung der Reglerparameter..... (Beispiel)..........................252 5.3.4.6 P-Regler mit PT r l-Strecke {Lageregelung).....................253 5.3.4.7 Lageregelkreis mit Totzeit............254 5.3.4.8 Lageregelung mit 2 Achsen..........254 5.3.5 Fuzzy-Logic........................256 5.3.5.1 Grundlagen der Fuzzy-Technologie .... 256 5.3.5.2 Fuzzy-Regelung einer Bandsägemaschine..........................257 6 CAD..............................259 6.1 Anforderungen an CAD..............259 6.1.1 Allgemeines.......................259 6.1.2 Begriffsdefinition von CAD...........259 6.1.3 Die Aufgaben der Konstruktion.......260 6.1.4 CAD als Informationssystem..........260 6.1.5 Das Archiv.........................261 6.1.6 Datenintegration...................261 6.1.7 Kosten und Nutzen..................262 6.2 Arbeiten mit CAD..................263 6.2.1 CAD-Ausrüstung...................263 6.2.2 Konstruieren am Bildschirm..........263 6.3 2D-Modus........................266 6.3.1 2D-Konstruktion....................266 6.3.2 Geometrieelemente.................266 6.3.3 Erzeugungslogik....................267 6.3.4 Änderungsfunktionen...............268 6.3.5 Bemaßung........................270 6.3.6 Schraffur..........................271 6.3.7 Darstellung auf dem Bildschirm.......271 6.3.8 Zeichnungs-Archivierung............272 6.4
3D-Modus........................273 6.4.1 Allgemeines.......................273 6.4.2 Koordinatensysteme................273 6.4.3 Modelldarstellung..................274 6.4.4 Arbeitsweise.......................275 6.4.5 3D-Geometrieelemente..............276 6.4.6 Änderungsfunktionen...............278 6.4.7 Darstellungshilfen..................279 6.5 Konstruktionshilfen................280 6.5.1 Gruppenbildung, Ebenentechnik......280 6.5.2 Variantentechnik....................280 6.5.3 Makrotechnik......................281 6.5.4 Bibliotheken (Norm- und Zukaufteile) . . 281 6.5.5 Berechnen.........................281 6.6 Schnittstellen für den CAD-Datenaustausch..............282 6.6.1 Allgemeines.......................282 6
Inhaltsverzeichnis 6.6.2 Schnittstellenarten und Datenaustauschformate ..................282 6.6.3 IGES, VDAIS.......................283 6.6.4 VDAFS............................284 6.6.5 DXF..............................285 6.6.6 STEP.............................285 7 Computergesteuerte Maschinen .... 287 7.1 Produktionsprozeß mit CNC-Maschinen...................287 7.2 NC-Achsen und deren Steuerung.... 290 7.2.1 Achsen von CNC-Maschinen..........290 7.2.2 Steuerungsarten....................290 7.2.3 Maschinennullpunkt und Referenzpunkt......................291 7.3 CNC-Programmierung..............292 7.3.1 DIN-Programmierung...............292 7.3.1.1 Programmaufbau...................292 7.3.1.2 Programmstrukturen................300 7.3.1.3 Maschinenparameter................301 7.3.2 Werkstattorientiertes Produzieren.....302 7.4 Interpolation......................304 7.4.1 Interpolation bei analytisch bestimmter Geometrie..............304 7.4.2 Interpolation bei freier Geometrie.....304 7.4.3 Interpolationsart und CAD............306 7.5 Leistungsfähigkeit.................306 7.6 Offene CNC-Steuerung.............308 7.7 Maschinelle NC-Programmierung ... 309 7.7.1 Allgemeines.......................309 7.7.2 NC-Programmierverfahren...........310 7.7.3 NC-Teileprogramm..................312 7.7.4 NC-Prozessor-Funktionen............313 7.7.5 CLDATA...........................316 7.7.6 Postprozessor......................316 8 Robotertechnik....................317 8.1 Einteilung der Handhabungssysteme 317 8.2 Kinematischer Aufbau.............319 8.3 Koordinatensysteme...............321 8.3.1 Anwenderkoordinatensysteme........321 8.3.2 Roboterachswinkel und Maschinenkoordinaten........................323 8.3.3 Definitionen für die Orientierungswinkel ............................323 8.3.4 Koordinaten des TCP................324 8.4 Die Bewegungssteuerung..........325 8.4.1 Der Informationsfluß................325 8.4.2
Koordinatentransformation...........328 8.4.3 Interpolation.......................329 8.4.4 Überschleifen......................330 8.4.5 Die Bahngeschwindigkeit............331 8.4.6 Betriebsarten......................333 8.5 Die Programmierung von Robotern.. 334 8.5.1 Die Play-back-Programmierung.......334 8.5.2 Die Teach-in Programmierung........335 8.5.3 Die Off-Line-Programmierung........337 8.6 Sensorführung von Robotern.......338 8.6.1 Allgemeines.......................338 8.6.2 Beispiele zur Sensoranwendung......339 8.7 Schutzmaßnahmen................343 9 Qualitätsmanagement.............345 9.1 Qualität..........................345 9.1.1 Qualitätsmerkmale..................345 9.1.2 Fehler............................346 9.2 Ziele des Qualitätsmanagements.... 347 9.3 TQM - Total Quality Management. . . 347 9.4 Qualitätskreis und Qualitätspyramide 348 9.5 Aufbau und Elemente eines Qualitätsmanagementsystems......349 9.5.1 Aufbauorganisation.................349 9.5.2 Ablauforganisation.................350 9.5.3 Qualitätsmanagementhandbuch......350 9.5.4 Die Normenreihe DIN ISO 9000-9004 . . 351 9.5.5 Qualitätsaudits.....................352 9.5.6 Zertifizierung......................352 9.6 Werkzeuge des Qualitätsmanagements 353 9.6.1 QFD - Quality Function Deployment . . . 353 9.6.2 FMEA - Failure Mode and Effects Analysis....................355 9.6.3 Statistische Qualitätsüberwachung .... 358 9.6.3.1 Aufbereitung und Darstellung vorr Prüfdaten......................358 9.6.3.2 Normalverteilung...................359 9.6.3.3 Wahrscheinlichkeitsnetz.............360 9.6.3.4 Auswertung einer Stichprobe.........360 9.6.3.5 Qualitätsregelkarten.................364 9.6.3.6 Maschinen- und Prozeßfähigkeit......368 10 Messen und Prüfen mit Koordinatenmeßgeräten.......................369 10.1 Aufbau und Wirkungsweise von Koordinatenmeßgeräten...........370 10.2 Bauarten .........................371
10.3 Meßsysteme......................371 10.4 Tastsysteme......................372 7
Inhaltsverzeichnis 10.4.1 Elektromechanische Tastsysteme......372 10.4.2 Optoelektronische Tastsysteme.......373 10.5 Zusatzausstattungen..............374 10.6 Steuerungen und Antriebe.........375 10.7 Meßwertverarbeitung und Meßwertauswertung..............375 10.8 Tastelementkalibrierung............378 10.9 Planung und Durchführung eines Meßauftrags......................379 11 Bildverarbeitung...................385 11.1 Allgemeines.......................385 11.2 Die Look-Up-Tabelle (LUT)...........386 11.3 Lokale Filter.......................387 11.4 Etikettieren........................390 11.5 Binärbildverarbeitung...............390 11.6 Bildverarbeitung mit PC.............391 12 Produktionsplanung und Produktionssteuerung (PPS)........393 12.1 Zielkonflikt der PPS................393 12.2 Informationsfluß und Hauptfunktionen 394 12.3 Anforderungen an ein PPS-System . . 396 12.4 Datenverwaltung..................398 12.4.1 Datenarten........................398 12.4.2 Nummerung.......................399 12.4.3 Erzeugnisgliederung................400 12.4.4 Stücklisten ........................402 12.4.5 Telleverwendungsnachwels..........404 12.4.6 Arbeitsplan........................404 12.4.7 Grunddatenorganisation.............405 12.5 Produktionsprogrammplanung......406 12.6 Mengenplanung...................407 12.6.1 Materialarten......................407 12.6.2 ABC-Analyse.......................407 12.6.3 XYZ-Analyse.......................407 12.6.4 Materialbestandsführung............408 12.6.5 Materialbedarfsermittlung...........408 12.6.6 Beschaffungsrechnung..............410 12.6.7 Verbrauchsgesteuerte und bedarfsgesteuerte Disposition...............411 12.7 Termin-und Kapazitätsplanung.....412 12.7.1 Durchlauftermlnierung..............412 12.7.2 Kapazitätsterminierung ..............414 12.8 Auftragsveranlassung und Auftragsüberwachung ......................415 13 Betriebsdatenerfassung (BDE)......416
13.1 Allgemeines zu BDE...............416 13.2 Strichcodes (Barcodes).............417 13.3 Strichcodeleser....................419 13.4 Identifikationssysteme mit Datenspeicher.....................420 14 Kommunikationstechnik...........421 14.1 Allgemeines zur Kommunikationstechnik ...........................421 14.2 Weltweite Kommunikation mit Internet.......................423 14.3 Lokale Netze (LAN)................425 14.3.1 Topologien ........................425 14.3.2 Zugriffsverfahren ...................426 14.3.3 Ethernet-LAN ......................428 14.3.4 Token-Ring-LAN ....................429 14.3.5 FDDI ..............................430 14.4 Das MAP-Übertragungsprotokoll.... 431 14.4.1 Allgemeines .......................431 14.4.2 Netzwerkmanagement und Directory-Service ...................431 14.4.3 FTAM .............................432 14.4.4 MMS .............................432 14.4.5 ACSE .............................434 14.4.6 MAP-Anschaltung von Maschinen .....434 14.5 Feldbussysteme...................435 14.5.1 BITBUS ...........................435 14.5.2 PROFIBUS .........................436 14.5.3 CAN-BUS .........................437 14.5.4 Aktor-Sensor-Interface (ASI) ..........439 14.5.5 Interbus-S .........................440 14.6 V.24-Schnittstelle..................441 Sachwortverzeichnis......................443 Bildnachweis und Quellenverzeichnis.......448 8
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