Konzeption und Entwurf eines Antriebs für eine Fördereinrichtung
Ausgangssituation:
Sie arbeiten in einer Projektgruppe für den Entwurf von Transport- und Abfüllanlagen.
Bei der aktuellen Aufgabe sind über ein Laufband Saftflaschen zur Abfüllstation zu
transportieren. Es handelt sich um 0,5 l-, 0,7 l- und 1 l-Flaschen.
Das Projektteam hat die Steuerung inklusive Programmierung und die mechanische sowie die elektrische Konstruktion zu konzipieren. Die Abfüllung erfordert ein vorgegebenes Zeitintervallprofil.
Ihre Aufgabe in diesem Projektteam ist es:
• einen Antrieb für die Transportanlage mit den notwendigen Maschinenelementen
auszuwählen,
• ein grobes mechanisches Konzept zu entwerfen,
• diesen Teil des Konstruktionsauftrags zu definieren und
• die Steuerung dazu zu entwerfen und zu programmieren.
Abb. 1.1: Flaschenabfüllanlage Transportband (https://www.evoqua.com/de/case-studies/
beverage-bottler-uv/)
Problemstellung:
Analyse der funktionalen Randbedingungen einer solchen Transportanlage, Beschreibung zu allen nötigen Bauteilen und die konstruktive Umsetzung. Dafür sind geeignete Aggregate und Maschinenelemente zusammenzustellen, eine konstruktive Entscheidung zu treffen und diese zu berechnen und als Inventor-Entwurf mit
allen nötigen Informationen zu konstruieren, die ein Produktdesigner nicht wissen kann,
zu versehen.
Das Projekt ist in den folgenden 6 Aufgaben zu bearbeiten.
Aufgabe 1.1:
Problemanalyse, Informationen zusammentragen, Lösungsansatz erarbeiten
• Informationen über Antriebsstrecken und ihre Einsatzmöglichkeiten sowie über
Fördereinrichtungen sammeln
• Darin notwendige Aggregate mit ihren Funktionen herausfinden und zusammenstellen
• 3 mögliche Varianten konzipieren
Aus Platzgründen müssen Sie eine Lösung wählen, die den Antrieb an der Anlage über einen 90°-Winkel erreicht. Das Förderband soll ebenfalls aus diesen
Platzgründen direkt an den Antrieb angeschlossen werden.
• Entscheiden Sie sich für eine Variante, erstellen Sie dazu eine Anlagenskizze und
tragen Sie dort die folgenden Randbedingungen ein:
3 Pkt.
Das Förderband läuft direkt über das Rad/die Scheibe. Es soll eine Geschwindigkeit von v = 0,4 m/s haben. Es ist mit stoßfreiem Betrieb zu rechnen. Die maximale Gewichtskraft auf das Laufband beträgt 1,2 kN.
Ihr Chef lässt sich Ihre mechanischen Konzepte für die Aufgabe schriftlich vorstellen. Diese Ausarbeitung muss folgende Punkte beinhalten:
• Zusammenstellung der benötigten Aggregate für die mechanische Antriebsstrecke mit Beschreibung derer Funktionen (geeignete Motoren, Getriebetypen, Fördermittel, Kupplungen),
• für den geforderten Einsatz die Vor- und Nachteile zusammenstellen,
• qualitativer Kostenvergleich zwischen diesen,
• 3 mögliche Lösungsvarianten erarbeiten,
• Skizzen dazu zeichnen,
• ausgewählte Variante hervorheben.
Handlungsergebnisse:
Schriftliche Ausarbeitung der Lösungskonzepte von 3 Varianten der Antriebsstrecke
und über eine Entscheidungsmatrix eine Variante auswählen.
Aufgabe 1.2:
Berechnung der nötigen Kräfte, Momente und Leistung etc. und Auswahl der
Größe der nötigen Aggregate
Ausgehend von der geforderten Leistung am Transportband wird die Antriebsstrecke berechnet und die dafür erforderlichen Größen für die gewählten Aggregate
werden ermittelt.
• Ausgehend von der geforderten Geschwindigkeit und der maximalen Gewichtskraft auf das Laufband werden die erforderlichen Kräfte am Transportband sowie eine eventuelle Vorspannkraft berücksichtigt. Es wird von einer Leistung
von 3 kW ausgegangen.
• Nachdem die Tangentialkraft für den Transport berechnet wurde, muss ein Riemenscheiben- oder ein Kettenraddurchmesser ausgewählt und das erforderliche
Antriebsmoment für das Kettenrad berechnet werden.
Zu diesem Moment ist der erforderliche Durchmesser für die Transportbandwelle zu berechnen, eine passende Welle/Nabeverbindung und der Wellendurchmesser nach Normmaßen auszuwählen.
• Konstruktiv ist anschließend der Innendurchmesser für die Lagerung festzulegen
und ein geeignetes Lager zu berechnen und festzulegen.
• Der Innendurchmesser ist über die Torsionsbelastung zu kontrollieren und eine
Kupplung, falls dort eine geplant ist, nach Innendurchmesser und zu übertragendem Moment auszuwählen.
• Für die erforderliche Antriebsleistung und das berechnete Abtriebsdrehmoment
ist ein Elektromotor zu berechnen und dieser von Herstellern aus dem Internet
zu wählen.
• Da ein 90°-Winkel zwischen Motor und Transportbandwelle besteht, muss ein
Getriebe vorgesehen werden, welches auch die notwendige Übersetzung der
Motordrehzahl zur nötigen Drehzahl am Transportband beinhaltet.
Hinweis: Da Hersteller der Aggregate diese nur in gestaffelten Abständen anbieten,
kann es sein, dass dadurch mancher Wellendurchmesser überdimensioniert werden
muss und auch die dazu passenden weiteren Aggregate notwendig werden.
Diese schriftliche Berechnung soll in einer Excel-Tabelle ausgeführt werden und
muss folgende Punkte berücksichtigen:
• Schrittweise Berechnung und daneben Dokumentation durch die Formeln ggf.
ergänzt durch Skizzen,
• Datenblätter der Aggregate, die von Herstellern im Internet angeboten werden
und die ausgewählt wurden.
Handlungsergebnisse:
Dokumentierte Excel-Tabelle mit den ausgewählten Aggregaten der Hersteller und
zugehörige Datenblätter
Aufgabe 1.3:
Inventor-Projekt anlegen und grober Gesamtentwurf der Antriebsstrecke
• Projekt anlegen (1 P.) und Gesamtentwurf im CAD-System Inventor
• Grobentwurf der Antriebsstrecke (7 P.) und Anschlusskonstruktion (2 P.)
• Suchen von geeigneten Aggregaten von Anbietern (Kette und Kettenrad (2 P.),
Motor, Getriebe und Kupplung (5 P.)) und grobe Erstellung im Inventor über
Maße aus Maßblattskizze des Anbieters.
Hinweis: Viele Anbieter haben ein grobes Modell ihrer Aggregate, welches heruntergeladen und für konstruktive Entwürfe verwendet werden kann.
• Ableitung einer Zusammenbauentwurfszeichnung: In dieser sind die Informationen, die ein Produktdesigner nicht wissen kann, wie z.B. bestimmte Passungsangaben, Oberflächenbehandlungen von Teilflächen etc., zu ergänzen.
• Erzeugung einer getrennten normgerechten Stückliste
• Erzeugung einer Inventor-Präsentation und mp4-Video optional statt Zusammenbauentwurf.
Dazu sind weitere Kenntnisse des Arbeitens des Inventors notwendig.
• Erweitertes Kennenlernen des Entwerfens mit dem CAD-System-Inventor, Wellengenerator und weiterer konstruktiver Generatoren
• Grobe Erzeugung der Aggregate nach Herstellerangaben bzw. Verwendung von
Herstellermodellen
• Importieren von Fremdmodellen und Zusammenfügen der Aggregate zu einem
groben Gesamtentwurf
• Normgerechte Aufbereitung der getrennten Stückliste
• Arbeiten mit der Inventor-Präsentation und daraus Erzeugung einer Explosionszeichnung oder eines Präsentationsvideos (optional)
Handlungsergebnisse:
Inventor-Gesamtentwurf mit Entwurfszeichnung als ZSB mit ergänzenden notwendigen Informationen, eine normgerechte getrennte Stückliste, optional zur Entwurfszeichnung eine Inventor-Präsentation für Montage bzw. Demontage der
Antriebsstrecke und ein Präsentationsvideo.
Diese Ergebnisse sind elektronisch abzugeben.
Teil 2 (Aufgabe 4–6)
Ausgangssituation
Ihre Firma ist bekannt für die konstant gute Qualität ihrer Säfte. Das bezieht sich auf den
Geschmack wie auch auf die optische Erscheinung. Um dieses zu erreichen, müssen vor
der endgültigen Abfüllung z.B. Vorprodukte gemischt werden.
Hieraus ergeben sich die folgenden Teilaufgaben der Steuerung der Abfüll- und Förderstrecke aus dem Teil 1.
Aufgabe 1.4:
Zwei verschiedene Flüssigkeiten werden zur Weiterverarbeitung mittels Pumpen
durch zwei verschiedene Ventile bzw. Ausflussrohre gefördert.
Das bisherige Programm realisiert die im Folgenden beschriebenen Funktionen.
Einen Ausdruck dieses Programms finden Sie auf den nächsten Seiten.
Technologieschema:
Funktionsbeschreibung des bisherigen Programms:
Über die Taster „T_EIN“ und „T_AUS“ (Öffner) wird die gesamte Anlage „H_Anlage“
ein- und ausgeschaltet.
Über bisher zwei Betriebsarten ist festgelegt, welche Flüssigkeit (Pumpe) über welches Ventil (Ausfluss) gefördert wird (siehe unten). Die Betriebsarten sind per Code
anwählbar und werden wie folgt ein- und ausgeschaltet:
Das Einschalten einer Betriebsart ist nur möglich, wenn die Anlage „H_Anlage“ eingeschaltet ist und keine Betriebsart aktiv ist. Es muss der entsprechende Code (siehe
unten) am BCD-Zifferneinsteller „EW_Code“ eingestellt und per Taster „T_Uebern“
übernommen werden.
Eine Betriebsart wird deaktiviert durch Betätigen des Tasters „T_STOP“ oder durch
Abschalten der Anlage „H_Anlage“.
Die Codes sind hinterlegt im Datenbaustein „DB_Codes“ (DB 30).
Ausdruck des bisherigen Programms
„DB_Codes“ (DB 30)
„EW_Code“: Betriebsart:
BA_11: Flüssigkeit 1 („K_Pumpe1“) auf Ausfluss 1 („K_Ventil1“)
BA_22: Flüssigkeit 2 („K_Pumpe2“) auf Ausfluss 2 („K_Ventil2“) Aufgabenstellung und Vorgehensweise:
Programmieren Sie die folgenden Funktions- bzw. Programmerweiterungen. Alle
Erweiterungen sind unabhängig voneinander und können deshalb in beliebiger Reihenfolge programmiert werden!
1) Programmieren Sie die folgenden Meldefunktionen im neu anzulegenden Baustein „FC_Meldungen“ (FC 33):
a) Die Meldeleuchte „H_Vent-offen“ soll mit 2,5 Hz blinken (Bit Nr. 2 des CPUTakt-MB), solange eines oder beide Ventile geöffnet (von der SPS mit „1“ angesteuert) sind.
b) Bei eingeschalteter Anlage „H_Anlage“ soll die Meldeleuchte „H_no-BA“ mit
1 Hz blinken (Bit Nr. 5 des CPU-Takt-MB), solange keine Betriebsart aktiviert ist.
c) Am Ziffernanzeiger „BCD_ZiffAnz“ soll der Code der gerade aktiven Betriebsart (= „0000“, wenn die Anlage abgeschaltet oder gerade keine Betriebsart aktiv ist) angezeigt werden.
(Lösungs-Tipp: Der Code der gerade aktiven Betriebsart ist in einer globalen
Variablen als Integer (!) hinterlegt → siehe Symboltabelle.)
2) Um Fehlbedienungen auszuschließen, soll sichergestellt sein, dass für jedes
Übernehmen eines am Zifferneinsteller „EW_Code“ eingestellten Codes der Taster „T_Uebern“ erneut betätigt werden muss.
3) Damit bei Betriebsart BA_11 (Flüssigkeit 1 auf Ausfluss 1) die Restflüssigkeit vor
Ventil 1 noch ablaufen kann, soll …
a) ... nach dem Abschalten dieser Betriebsart das Ventil 1 noch für die Nachlaufzeit von 3 s geöffnet bleiben, …
b) ... und während dieser Zeit – anstelle von „0000“ für keine Betriebart aktiv –
die noch verbleibende Nachlaufzeit am BCD-Ziffernanzeiger dezimal (!) angezeigt werden.
c) Stellen Sie sicher, dass erst nach Ablauf dieser Nachlaufzeit wieder eine Betriebsart eingeschaltet werden kann.
4) Die Anlage soll wie folgt in einer weiteren Betriebsart arbeiten können:
a) Die neue Betriebsart soll so realisiert bzw. programmiert werden, wie die
bereits vorhandenen Betriebsarten:
• gleiche Einschaltbedingungen
• zugehöriger Code (s.o.) in „DB_Codes“ (DB 30) hinterlegt
• Berücksichtigung im FC 33 bei der Ansteuerung der Meldeleuchte
„H_no-BA“
b) Nach dem Abschalten dieser neuen Betriebsart soll – wie bei Betriebsart
BA_11 – das Ventil 1 noch für die Nachlaufzeit von 3 s geöffnet bleiben.
„EW_Code“: Betriebsart:
BA_112: Flüssigkeit 1 („K_Pumpe1“) auf Ausfluss 1
(„K_Ventil1“) und Ausfluss 2 („K_Ventil2“)
Aufgabe 1.5:
Es soll eine Stromstoßschaltung (Eltako) entworfen werden. Der Kontakt E0.0 schaltet bei der ersten Betätigung den Ausgang A4.0 ein und bei der nächsten Betätigung
aus. Bei weiterer Betätigung erfolgt die Impulsfolge 1-0-1-0-1-0 usw.
Im Entwurf sind ausschließlich die Befehle U, O, UN, ON, S, R, = zulässig.
Aufgabe 1.6:
Für die Auswertung von Prozesssignalen werden häufig Flankenauswertungen
benötigt. Skizzieren Sie eine negative Flankenauswertung im Funktionsplan.
Beschreiben Sie diese mit einem Impuls-Zeit-Diagramm ausführlich. Analysieren
Sie den Unterschied zur positiven Flankenauswertung.
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