Eine Firma aus dem Sondermaschinenbau erhält von einem Betonwerk

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Klausur 2012
Berufliches Gymnasium Technik
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Mechatronik
Datum: ………………………
Eine Firma aus dem Sondermaschinenbau erhält von einem Betonwerk den Auftrag, eine
Anlage zur Befüllung von Betonmischerfahrzeugen zu konzipieren. Der Auftraggeber gibt
die folgenden Vorgaben:
Der Fahrer muss für das Befüllen das Führerhaus nicht verlassen. Das Bedienpult befindet sich in Höhe des Fahrerhauses. Nachdem der Fahrer rückwärts in die Anlage eingefahren ist, erhält er die notwendigen Informationen über Signalleuchten.
Eine Ampelanlage soll dem Fahrer des Betonmischers die richtige Beladeposition des
LKW anzeigen. Die richtige Position wird durch den Sensor B1 erfasst.
Als Mitarbeiter dieser Firma sind Sie an diesem Projekt mit der Lösung einzelner Teilaufgaben beteiligt.
In ihrer Verantwortung liegt das Automatisieren der bereits konstruierten Befüllungsanlage
sowie die Dimensionierung und Auswahl der einzelnen Komponenten.
Ein Technologieplan liegt vor
Hilfsmittel:
 Taschenrechner und Tabellenbuch
Technische Daten:
 Technische Daten, Zeichnungen und Datenblätter siehe Anhang
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1 Aufgabe (17 Punkte)
1.1 Analyse der Anlage (5 Punkte)
Arbeiten Sie sich zunächst in die Befüllungsanlage ein, indem Sie die einzelnen Teilsysteme der Anlage nennen und deren Funktion, Aufgaben und Abhängigkeiten kurz darstellen und erläutern
1.2 Getriebemotor (Getriebe mit E-Motor) (12 Punkte)
Ein Kollege von Ihnen beschäftigt sich mit Getriebemotoren. Für die Auslegung des Getriebemotors bittet er Sie, die folgenden technischen Daten zu berechnen:
 Drehmoment,  Leistung und  Drehzahl an der Getriebewelle bzw. der Bandrolle.
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2 Aufgabe (35 Punkte)
Für die Automatisierungslösung sind zwei Betriebsarten von Ihnen vorzusehen. Ferner
sind elektrische Betriebsmittel auszuwählen und zu dimensionieren. Dazu müssen von Ihnen verschiedene technische Dokumente erstellt werden.
2.1 Sensorauswahl
Am Lager sind drei verschiedene Sensoren vorhanden(OGH 200, IGC 231, KG5065), die
sie zunächst in Betracht ziehen. Durch einen Vergleich wollen Sie herausfinden, welcher
Sensor für die beschriebene Anwendung (B1) am besten geeignet ist.
2.1.1 Ergänzen Sie die Tabelle. Nutzen Sie die angehängten Datenblätter und Einbauanleitungen.(4 Punkte)
(IGC231)
(OGH200)
(KG5065)
Funktionsprinzip
Ausgangsfunktion
Welche Objekte
werden erkannt?
Schaltabstand,
Reichweite
Schaltfrequenz
Stromaufnahme
Preis
Vorteile
Nachteile
AnwendungsBereiche, Besonderheiten
47,10 €
91,10 €
99,70 €
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2.1.2 Wählen Sie einen geeigneten Sensor aus und begründen Sie ihre Auswahl. (2 Punkte)
2.2 Zuordnungsliste ( 5 Punkte)
Ergänzen Sie die Zuordnungsliste unter Verwendung des Technologieschemas und der
Beschaltung der SPS im Anhang (LOGO, S7, Phoenix …). Notieren Sie zusätzlich in den
Bemerkungen die jeweilige Funktion (Öffner/Schließer) des Betriebsmittels.
Zuordnungsliste
Symbol
Adresse
Datentyp
Bemerkung
S0
BOOL
Not-Aus  Sofort stoppen (Öffner)
E 0.0
S1
BOOL
S2
BOOL
S3
BOOL
S4
BOOL
S5
BOOL
B1
BOOL
B2
BOOL
B3
BOOL
Q1
A 0.0
BOOL
Motor für das Förderband Rechts
Q2
A 0.1
BOOL
Motor für das Förderband Links
P1
BOOL
P2
BOOL
P3
BOOL
P4
BOOL
Q3
A 0.6
BOOL
Ventil zum Öffnen des Silos (mit
Federrückstellung)
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2.3 Nachlaufzeit (2 Punkte)
Nach der Befüllung des LKWs mit Beton soll das Transportband noch nachlaufen, um
Reste vom Band zu entfernen. Berechnen Sie die Nachlaufzeit mit den Daten des Transportbandes aus dem Anhang.
2.4 GRAFCET (13 Punkte)
Beschreiben Sie die Funktion der Befüllungsanlage stichpunktartig mit eigenen Worten
und entwickeln Sie einen GRAFCET. Berücksichtigen Sie dabei auch das Nachlaufen des
Transportbandes und alle im Technologieschema aufgeführten Betriebsmittel.
Dokumentieren Sie den GRAFCET mit aussagekräftigem Kommentar.
2.5 Handbetrieb Förderband (3 Punkte)
Um das Transportband auch manuell von Schüttgut befreien zu können, sollen Sie einen
Rechts-/ Linkslauf im Handbetrieb realisieren. Entwickeln Sie das dazugehörige Programm
im Funktionsplan.
2.6 Bestimmung der Beladungsmasse
Das Gewicht des Betonmischers wird über einen Gewichtssensor (Wägezelle) erfasst. Bei
dem verwendeten Gewichtssensor handelt es sich um einen Dehnungsmessstreifen.
Hinweise:
Die Widerstandsänderung eines Dehnungsmessstreifens berechnet man anhand der Formel:
l
R  R 0  k
l0
ΔR : Widerstandsänderung infolge Verformung
R0 : Widerstand vor der Verformumg
k : Materialkonstante
l : lineare Längenänderung des Messdrahtes

l0 : Länge des Messdrahtes vor Verformung
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2.6.1 Widerstandsberechnung (3 Punkte)
Der verwendete Dehnungsmessstreifen (DMS) hat eine Länge von 120 mm. Der Widerstand beträgt vor der Verformung 600  und die entsprechende Materialkonstante k = 4.
Die maximale Stauchung bzw. Dehnung des Messstreifens beträgt 8 mm.
Berechne die Widerstandsänderung und den maximalen sowie minimalen Widerstand des
Dehnungsmessstreifens.
2.6.2 Brückenschaltung (3 Punkte)
In der Messtechnik ist es üblich, Messungen mittels einer Brückenschaltung zu realisieren.
Skizziere eine Brückenschaltung mit dem Dehnungsmessstreifen als Messwiderstand. Ein
Zweig mit zwei 200  Widerständen und ein Zweig mit einem 600  Widerstand und dem
DMS. Zeichne weiterhin alle Spannungen in die Schaltung ein und berechne die Brückenspannung bei einem Widerstand von 650  für den DMS, wenn die Eingangsspannung
24 V beträgt.
3 Konstruktionsänderung (18 Punkte)
Der Kunde wünscht nachträglich eine Änderung der Konstruktion. Um unterschiedliche
Betonmischer befüllen zu können, soll das Förderband hydraulisch in der Höhe verstellbar
sein.
Ø200 (Durchmesser der Bandrolle)
1800
6000
.
+
1550
S
+
Bolzen
Getriebe
M1
230V
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3.1 Dimensionierung eines Zylinders (10 Punkte)
Dimensionieren Sie den erforderlichen Kolbendurchmesser (in 5mm Schritten) des Hydraulikzylinders ( = 90 %). Gehen Sie dabei von einer Gewichtskraft des Bandes von 10,5
KN im Schwerpunkt aus.
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3.2 Überprüfung eines Bolzens (8 Punkte)
Der Zylinder wird unten zweischnittig von einem Bolzen gehalten. Dafür sind 8 mm Bohrungen für einen 8 mm Bolzen vorgesehen.
Überprüfen Sie, ob dieser Bolzen geeignet ist. Leiten Sie gegebenenfalls konkrete Änderungsvorschläge ab.
Gehen Sie von einer Zylinderkraft von 8000 N und einem Sicherheitsfaktor von 4,5 aus.
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Optionale Lerngebiete (Metro 3, 4, 5 oder die optionale Metro)
4 Aufgabe (Metro 3) (30 Punkte) - Regelung
Beton der im Tunnelbau verwendet wird, muss ein chemischer Zusatz beigemischt werden. Ein besonders homogenes Betongemisch erhält man, wenn Beton und Zusatz bei einer festen Temperatur von 45°C vermischt werden. Aus diesem Grund wird außen am Betonsilo eine Heizung angebracht, die über eine Regelung (PID Regler) die Verarbeitungstemperatur konstant halten soll. Die Ist-Temperatur wird über einen PT100 Sensor gemessen.
4.1 Regelstruktur (7 Punkte)
Beschreiben Sie anhand einer Skizze die Regelstruktur und benennen Sie alle regelungstechnische Größen. Ermitteln Sie mögliche Störgrößen.
4.2 Streckenidentifikation (6 Punkte)
Die folgende Sprungantwort der Regelstrecke (Ks=1) wurde durch einen Versuch ermittelt.
Beschreiben Sie den Typ der Regelstrecke und nennen Sie 3 weitere Typen. Identifizieren
Sie die Regelstrecke und ermitteln Sie die Streckenparameter Tu und Tg
Temperatur
1 Division
= 5 °C
Start
1 Division = 5 Minuten
Zeit
4.3 Reglerentwurf (3 Punkte)
Ermitteln Sie die Formeln für die optimalen Reglereinstellungen nach Chien, Hrones und
Reswick des PID Reglers für Führungsverhalten mit einem maximalen Überschwingen von
20%. Und berechnen Sie die Reglerparameter, für eine Regelstrecke mit den Streckenparametern Tu = 20s und Tg = 5min.
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Optimale Reglereinstellung nach Chien, Hrones und Reswick bei bekannten Regelstreckendaten
Gütekriterium
Überschwingen nach Gegenseite
Regler20% von xm, kürzeste Schwingungsdauer
Verhalten
P
PI
Aperiodischer Regelvorgang mit
kürzester Dauer
Störung
Führung
Störung
Führung
kp
0,71/ks  Tg/Tu
0,71/ks  Tg/Tu
0,31/ks  Tg/Tu
0,31/ks  Tg/Tu
kp
0,71/ks  Tg/Tu
0,61/ks  Tg/Tu
0,61/ks  Tg/Tu 0,351/ks  Tg/Tu
Tg
2,3  Tu
4  Tu
1,2  Tg
kp 1,2 1/ks  Tg/Tu 0,951/ks  Tg/Tu 0,951/ks  Tg/Tu 0,61/ks  Tg/Tu
Tn
PID
2  Tu
0,42  Tu
Tn
Tv
1,35  Tg
0,47 Tu
2,4  Tu
0,42  Tu
Tg
0,5  Tu
4.4 Simulation (11 Punkte)
Für das Erwärmen des Betongemisches möchten Sie eine Regelung programmieren. Da
ihnen die Anlage zu Tests nicht zur Verfügung steht, soll das dynamische Verhalten des
Aufheizvorgangs simuliert werden. Entwickeln sie ein SPS Programm in FUP, mit dem
sich das dynamische Verhalten eines Verzögerungsglieds 1. Ordnung (PT1) simulieren
lässt. Realisieren Sie die optimierte Formel aus der folgenden mathematischen Beschreibung.
Bestimmte Regelstrecken lassen sich in guter Näherung durch
ein Verzögerungsglied 1. Ordnung (PT1) nachbilden.
FB5
Behaelter
u
T
deltaT
y
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1
4.5 Test (3 Punkte)
Kann der Aufheizvorgang des Betongemisches mit dem in 4.4 entwickelten PT1 Glied simuliert werden. Beurteilen Sie ihre Entscheidung unter Einbeziehung der Sprungantwort
aus 4.2.
1
Quelle: Wikipedia, http://de.wikipedia.org/wiki/PT1-Glied, 14.11.2012, 16:00
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4 Aufgabe (Metro 4) (30 Punkte)
Für die Produktion von Anhängern, muss im
Montageverlauf
eine
Metallschiene
montiert
werden. Um den Produktionsprozess zu optimieren,
soll dieser Fertigungsschritt in Zukunft von einem
Roboter ausgeführt werden, der mit einer
Schraubereinheit als Werkzeug ausgestattet ist.
Aufgabe 4.1 (3 Punkte)
In dem genannten Beispiel wird der Roboter als
Montageroboter eingesetzt. Nennen Sie weitere
Einsatzgebiete von Industrierobotern.
Aufgabe 4.2 (3 Punkte)
Nennen Sie mindestens drei Koordinatensysteme,
die in der Robotertechnik zur Anwendung kommen:
Welches
Koordinatensystem
wird
im
Technologieschema verwendet?
Aufgabe 4.3 (3 Punkte)
Die Kinematik eines Roboters ist unter anderem abhängig von der Anzahl der Achsen.
Benenne die im Technologieschema ersichtlichen Achsen des Roboters.
Aufgabe 4.4 (15 Punkte)
Entwickeln Sie ein Programm für die Montage der Metallschiene unter Verwendung der
untenstehenden Vorgaben. Dokumentieren Sie das Programm mit aussagekräftigem
Kommentar.
60
70
80
'Variablen (Ein-/Ausgang)
DEF IO Start_Mont = BIT,9
DEF IO End_Mont = BIT,10
90 ' Positionen
100 DEF POS AUX_Sch
110 DEF POS AUX_Pal
120 DEF POS OfSt_Sch
(Schiene)
130 DEF POS OfSt_Pal
lette)
140
150
160
170
'Variablen (Intern)
DEF INTE Slow
DEF INTE Fast
DEF INTE i
' Starte Schraubvorgang
' Schraubvorgang beendet
' Positionsvariable für die Montageposition (Schiene)
' Positionsvariable für die Aufnahmeposition (Palette)
' Offset-Variable zum Verfahren zur nächsten Position
' Offset-Variable zum Verfahren zur nächsten Position (Pa-
' Variable für reduzierte Geschwindigkeit
' Variable für hohe Geschwindigkeit
' Variable für Schleifen
180 'Variablen initialisieren
190 i=1
' initialisieren der Variable i mit einem Startwert
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200 OfSt_Sch = (0,0,+39,0,0) ' Offset zum Verfahren zur nächsten Position (Schiene
Z+39)
210 OfSt_Pal = (0,+39,0,0,0) ' Offset zum Verfahren zur nächsten Position (Palette Y+39)
220 Slow = 50
' initialisieren der Variable Slow mit einem Startwert
230 Fast = 100
' initialisieren der Variable Fast mit einem Startwert
Positionen
P1=(339.00,0.00,550.00,0.00,90.00) *// Grundstellung
P3=(309.75,17.99,37.99,-89.99,179.83,0.00) *// Schraube 1 Palette
P5=(271.00,-101.08,38.00,-90.00,180.00) *// Schraube 1 Schiene
Aufgabe 4.5 (6 Punkte)
In der Robotertechnik können Werkstückpositionen mittels eines Paletten-Befehls angefahren werden. Diskutieren Sie die Vorteile dieses Befehls und skizzieren Sie die Integration des Befehls für die oben genannte Werkstückverschraubung.
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4 Aufgabe (Metro 5) (30 Punkte)
Nach der Inbetriebnahme eines Transportbandes wurde die Abtriebswelle des hierfür vorgesehenen Schneckenradgetriebes durch Gewaltbruch zerstört!
Aus den noch vorhandenenUnterlagen sind folgende Daten bekannt:
Pe = 1,79 kW (Antriebsleistung)
n1 = 2800 min-1
iges = iStirniSchnecke = 34,94
Ft2 = Fa1 = 4908,8 N
Fr2 = Fr1 = 1885,6 N
Fa2 = Ft1 = 1661,5 N
Weiterhin ist aus den Zeichnungen zu entnehmen, dass der Abstand l zwischen den beiden LagernC und D61 mm beträgt,das Schneckenrad mittig zwischen den beiden Lagern
positioniert ist und der Durchmesser der gefährdeten Stelle d = 26 mm beträgt.
Überprüfen Sie, ob die Welle aus C45 mit einer zulässigen Biegewechselspannung
vonWzul.=320 N/mm2 und einer zulässigen Torsionsspannung zul = 340 N/mm2gefertigt
werden kann!
Hinweis:
Zur Beurteilung ermitteln bzw. berechnen Sie:
a) zeichnerisch und rechnerisch das maximale Biegemoment Mzmax in der x-y-Ebene
und Mzmax in der x-z-Ebene, die Kräfte in den beiden Ebenen sind unten skizziert.
b) das resultierende Mbmax,
c) das TorsionsmomentMt,
Seinen Mbmax = 102,6 Nm und Mt = 213,16 Nm
d) das VergleichsmomentMv und
e) den erforderlichen Wellendurchmesser d!
Skizze:
b/2
b/2
1) Kräfte in der x-y-Ebene
FCy
FDy
Ft2
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2) Kräfte in der x-z-Ebene
b/2
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b/2
Fa2
FCz
Fr2
FDz
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