Abitur Hessen Mechatronik 2021 · LK

Material 1

Waschmaschinen - Antrieb

Funktionsbeschreibung

Die Waschtrommel der gewerblichen Waschmaschine wird durch einen Elektromotor mit einem nachgeschalteten, stufenlos verstellbaren Kegelscheiben-Getriebe angetrieben.

Ein Kegelscheibenpaar ist mit dem Antrieb verbunden, das andere mit dem Abtrieb. Jeweils eine diagonal gegenüberliegende Hälfte der Kegelscheibenpaare ist auf den Wellen fixiert, während die jeweils andere Scheibe auf der Welle axial geführt, gesteuert verschoben werden kann.

Dem stufenlos verstellbaren Kegelscheiben-Getriebe ist eine Stirnrad-Getriebestufe nachgeschaltet.

Technische Daten:

Motor:

Nennleistung: $P = 3600\text{ W}$

Nenndrehzahl: $n = 1850\text{ min}^{-1}$

Zweistufiges Stirnradgetriebe:

Zähnezahlen der Zahnräder: $z_1 = 20,\ z_2 = 32$

Normalmodul: $m_{\text{n}(z_1, z_2)} = 1{,}5\text{ mm}$

Schrägungswinkel aller Zahnräder: $\beta = 19{,}5^\circ$

Wirkungsgrade: $\eta_{\text{stufenloses Getriebe}} = 92\,\%$, $\eta_{\text{Stirnrad-Getriebe}} = 97\,\%$

1 Antrieb der Waschmaschine

Industrielle Waschmaschinen besitzen einen leistungsstarken Motor mit nachgeschaltetem Getriebe zum Antrieb der Waschtrommel.

1.1

Die Trommel der Waschmaschine wird über einen stufenlosen Riementrieb mit anschließender Stirnrad-Getriebestufe angetrieben. Der Motor besitzt eine konstante Drehzahl von $n_1 = 1850\,\text{min}^{-1}$. Die Übersetzungsverhältnisse des stufenlosen Riementriebs liegen zwischen den Grenzen $i_g = 7{,}2$ (ins Langsame) und $i_k = 0{,}55$ (ins Schnelle).

Berechnen Sie die kleinste und die größte Drehzahl der Waschtrommel. Ermitteln Sie weiterhin die Riemengeschwindigkeit bei maximaler Waschtrommel-Drehzahl. (7 BE)

1.2

Bestimmen Sie das maximale Drehmoment der Abtriebswelle sowie die abgegebene Getriebeleistung $P_2$. (8 BE)

1.4

Erklären Sie allgemein die Funktion von stufenlosen Getrieben, gehen Sie weiterhin auf die Besonderheiten bzw. Eigenschaften und die Funktionsweise des vorliegenden stufenlosen Getriebes ein.

Nennen Sie außerdem typische Anwendungsbeispiele dieser Getriebeart. (11 BE)

Material 1

Waschmaschinen - Antrieb

Funktionsbeschreibung

Die Waschtrommel der gewerblichen Waschmaschine wird durch einen Elektromotor mit einem nachgeschalteten, stufenlos verstellbaren Kegelscheiben-Getriebe angetrieben.

Ein Kegelscheibenpaar ist mit dem Antrieb verbunden, das andere mit dem Abtrieb. Jeweils eine diagonal gegenüberliegende Hälfte der Kegelscheibenpaare ist auf den Wellen fixiert, während die jeweils andere Scheibe auf der Welle axial geführt, gesteuert verschoben werden kann.

Dem stufenlos verstellbaren Kegelscheiben-Getriebe ist eine Stirnrad-Getriebestufe nachgeschaltet.

Technische Daten:

Motor:

Nennleistung: $P = 3600\text{ W}$

Nenndrehzahl: $n = 1850\text{ min}^{-1}$

Zweistufiges Stirnradgetriebe:

Zähnezahlen der Zahnräder: $z_1 = 20,\ z_2 = 32$

Normalmodul: $m_{\text{n}(z_1, z_2)} = 1{,}5\text{ mm}$

Schrägungswinkel aller Zahnräder: $\beta = 19{,}5^\circ$

Wirkungsgrade: $\eta_{\text{stufenloses Getriebe}} = 92\,\%$, $\eta_{\text{Stirnrad-Getriebe}} = 97\,\%$

1.3 Dimensionieren Sie die folgenden Abmessungen der Stirnradstufe: Stirnmodul, Teilkreis-, Kopf- und Fußkreisdurchmesser sowie die Stirnteilung und den Achsabstand. Zeigen Sie die Vor- und Nachteile der schrägverzahnten Getriebestufe für diesen Einsatzzweck auf. [14 BE]

a)

b)

c)

d)

e)

f)

g)

Material 2

Abbildung 2.2: Datenblattauszug der roten LED

Electrical / Optical Characteristics at T A =25°C Symbol · Parameter · Device · Min. · Typ. · Max. · Units · Test Conditions

λpeak · Peak Wavelength · Super Bright Red · · 660 · · nm

λD · Dominant Wavelength · Super Bright Red · · 640 · · nm

Δλ1/2 · Spectral Line Half-width · Super Bright Red · · 20 · · nm

I F · Forward Current · Super Bright Red · 8 · 22 · · mA · Min: V F =3.5V

Typ: V F =5V

I SON · Supply Current · Super Bright Red · · 8 · · mA · V F = 3.5V

I SON · Supply Current · Super Bright Red · · 44 · · mA · V F = 14V

f · Blink Frequency · Super Bright Red · 1.5 · · 3 · Hz · V F = 3.5V ~ 14V

https://asset.conrad.com/media10/add/160267/c1/-/en/000173479DS01/datenblatt-173479-kingbright-l-56bsrd-b-led-bedrahtet-super-rot-rund-5-mm.pdf (abgerufen am 20.8.2020).

2 Schaltung zur Kontrolle der Waschtemperatur

Die in Material 2 dargestellte Schaltung liefert das entsprechende Signal an die Steuerung der Waschmaschine um die Waschtemperatur zu erfassen. Die niedrigste Waschtemperatur beträgt $30^\circ\text{C}$. Die Operationsverstärker (OP) haben eine Versorgungsspannung von $12\text{ V}$ und werden als ideal betrachtet.

2.1

Als Temperatursensor ist ein PT1000 verbaut. Dieser besitzt bei einer Temperatur von $0^\circ\text{C}$ einen Widerstandswert von $1\text{ k}\Omega$. Bei einer Temperaturerhöhung um $10\text{ K}$ steigt der Widerstandswert linear um $39\,\Omega$ an. Zeichnen Sie die Kennlinie des PT1000 im Bereich von $0^\circ\text{C}$ bis $100^\circ\text{C}$ und berechnen Sie für die Temperaturen von $30^\circ\text{C}$, $40^\circ\text{C}$ und $60^\circ\text{C}$ den entsprechenden Widerstandswert. [6 BE]

2.2

Um die Eigenerwärmung des PT1000 gering zu halten, soll ein maximaler Strom von $1\text{ mA}$ fließen. Berechnen Sie den Widerstand $R_1$ und die dadurch entstehenden Spannungswerte $U_{\text{e}1}$ am invertierenden Eingang des OPs für die drei Waschtemperaturen $30^\circ\text{C}$, $40^\circ\text{C}$ und $60^\circ\text{C}$. [9 BE]

Hinweis: Wenn Sie die Widerstandswerte in Aufgabe 2.1 nicht ermittelt haben, ist mit $R_2(30^\circ\text{C}) = 1120\,\Omega$, $R_2(40^\circ\text{C}) = 1160\,\Omega$ und $R_2(60^\circ\text{C}) = 1240\,\Omega$ weiterzurechnen.

2.3

Bestimmen Sie den Bereich der Spannungsänderung von $U_{\text{e}1}$, wenn die Temperatur von $30^\circ\text{C}$ bis $60^\circ\text{C}$ variiert. [3 BE]

Hinweise: Die Messbrücke ist bei $30^\circ\text{C}$ abgeglichen.

Wenn Sie die Spannungen in Aufgabe 2.2 nicht ermittelt haben, ist mit $U_{\text{e}1}(30^\circ\text{C}) = 10{,}880\text{ V}$ und $U_{\text{e}1}(60^\circ\text{C}) = 10{,}780\text{ V}$ weiterzurechnen.

Material 2

Abbildung 2.2: Datenblattauszug der roten LED

Electrical / Optical Characteristics at T A =25°C Symbol · Parameter · Device · Min. · Typ. · Max. · Units · Test Conditions

λpeak · Peak Wavelength · Super Bright Red · · 660 · · nm

λD · Dominant Wavelength · Super Bright Red · · 640 · · nm

Δλ1/2 · Spectral Line Half-width · Super Bright Red · · 20 · · nm

I F · Forward Current · Super Bright Red · 8 · 22 · · mA · Min: V F =3.5V

Typ: V F =5V

I SON · Supply Current · Super Bright Red · · 8 · · mA · V F = 3.5V

I SON · Supply Current · Super Bright Red · · 44 · · mA · V F = 14V

f · Blink Frequency · Super Bright Red · 1.5 · · 3 · Hz · V F = 3.5V ~ 14V

https://asset.conrad.com/media10/add/160267/c1/-/en/000173479DS01/datenblatt-173479-kingbright-l-56bsrd-b-led-bedrahtet-super-rot-rund-5-mm.pdf (abgerufen am 20.8.2020).

2.4

Der Ausgangsspannungsbereich des Differenzverstärkers liegt bei $0-10\text{ V}$. Bei $30^\circ\text{C}$ Waschtemperatur soll die Ausgangsspannung $0\text{ V}$ betragen und bei $60^\circ\text{C}$ Waschtemperatur $10\text{ V}$. Dimensionieren Sie die Widerstände $R_\text{k}$ und $R_\text{q}$ des Differenzverstärkers. [4 BE]

Hinweis: Wenn Sie die Differenzspannung in Aufgabe 2.3 nicht bestimmt haben, ist mit einer Differenzspannung von $\Delta U = 100\text{ mV}$ weiterzurechnen.

2.5

Am Ausgang des Differenzverstärkers ist ein weiterer OP angeschlossen. Erklären Sie die Funktion dieses zweiten Schaltungsteils (Abbildung 2.1) mithilfe der Widerstandsgrößen des Spannungsteilers am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers U2 und dimensionieren Sie den Widerstand $R_\text{v}$. [8 BE]

Material 3

Ansteuerung der Motorelektronik · Zustand / Aktion

R=1 · L=0 · G1=1 · G2=0 · Rechtslauf mit Geschwindigkeit G1

R=1 · L=0 · G1=0 · G2=1 · Rechtslauf mit Geschwindigkeit G2

R=0 · L=1 · G1=1 · G2=0 · Linkslauf mit Geschwindigkeit G1

R=0 · L=1 · G1=0 · G2=1 · Linkslauf mit Geschwindigkeit G2

R=0 · L=0 · G1=X · G2=X · M1=0

Funktionsbeschreibung – Hauptwaschgang ohne Vorwäsche und Spülen

Wenn der Programmschalter auf „Hauptwäsche“ steht und die Tür geschlossen ist (Kontakt S2_Tür, NO), wird mit Betätigung des Start-Tasters die Tür verriegelt (Q2_Tür) und das Zulaufventil Q1 geöffnet. Nun läuft das Wasser durch das Waschmittelfach ein. Um das Waschmittel in der Wäsche zu verteilen, wird während des Wasserzulaufs die Waschtrommel mit der Geschwindigkeit G1 nach rechts gedreht. Sobald der Füllstandssensor B1 (Öffner, NC) aktiviert wird, schließt das Zulaufventil und der Waschprozess beginnt. Ungefähr 40 Minuten lang dreht sich die Waschtrommel mit der Geschwindigkeit G1 abwechselnd jeweils 15 Sekunden lang rechts- und linksherum mit einer Umschaltpause von jeweils fünf Sekunden. Wenn die Waschzeit abgelaufen ist, bleibt die Waschtrommel stehen und die Laugenpumpe M2 pumpt das Wasser ab bis der Füllstandssensor B2 (Öffner, NC) anspricht. Nun wird in der Schleuderphase die Waschtrommel für vier Minuten mit der hohen Geschwindigkeit G2 rechtsherum gedreht, während die Laugenpumpe weiterhin läuft. Wenn die Schleuderphase beendet ist, wird nach einer Minute die Tür entriegelt, die Tür kann nun geöffnet werden.

3.1 Zuordnungstabelle der Waschmaschinensteuerung [5 BE]

Erfassen Sie alle für die Steuerung der Waschmaschine erforderlichen Eingangs- und Ausgangssignale sowie die Timer in einer Zuordnungstabelle (Bezeichnung, Adresse/Operand, Typ, Kommentar).

3.3 FUP-Steuerungsprogramm [11 BE]

In Abbildung 3.2 ist der Ablauf für den Abpump- und Schleudervorgang dargestellt. Überführen Sie den Ablauf in das entsprechende Steuerungsprogramm und stellen Sie die zugehörigen Netzwerke einschließlich der Befehlsausgabe dar.

Hinweis: Eingangssignale, die ggf. aus einem anderen Programmabschnitt hinzukommen könnten, bleiben unberücksichtigt.

Material 3

Ansteuerung der Motorelektronik · Zustand / Aktion

R=1 · L=0 · G1=1 · G2=0 · Rechtslauf mit Geschwindigkeit G1

R=1 · L=0 · G1=0 · G2=1 · Rechtslauf mit Geschwindigkeit G2

R=0 · L=1 · G1=1 · G2=0 · Linkslauf mit Geschwindigkeit G1

R=0 · L=1 · G1=0 · G2=1 · Linkslauf mit Geschwindigkeit G2

R=0 · L=0 · G1=X · G2=X · M1=0

Funktionsbeschreibung – Hauptwaschgang ohne Vorwäsche und Spülen

Wenn der Programmschalter auf „Hauptwäsche“ steht und die Tür geschlossen ist (Kontakt S2_Tür, NO), wird mit Betätigung des Start-Tasters die Tür verriegelt (Q2_Tür) und das Zulaufventil Q1 geöffnet. Nun läuft das Wasser durch das Waschmittelfach ein. Um das Waschmittel in der Wäsche zu verteilen, wird während des Wasserzulaufs die Waschtrommel mit der Geschwindigkeit G1 nach rechts gedreht. Sobald der Füllstandssensor B1 (Öffner, NC) aktiviert wird, schließt das Zulaufventil und der Waschprozess beginnt. Ungefähr 40 Minuten lang dreht sich die Waschtrommel mit der Geschwindigkeit G1 abwechselnd jeweils 15 Sekunden lang rechts- und linksherum mit einer Umschaltpause von jeweils fünf Sekunden. Wenn die Waschzeit abgelaufen ist, bleibt die Waschtrommel stehen und die Laugenpumpe M2 pumpt das Wasser ab bis der Füllstandssensor B2 (Öffner, NC) anspricht. Nun wird in der Schleuderphase die Waschtrommel für vier Minuten mit der hohen Geschwindigkeit G2 rechtsherum gedreht, während die Laugenpumpe weiterhin läuft. Wenn die Schleuderphase beendet ist, wird nach einer Minute die Tür entriegelt, die Tür kann nun geöffnet werden.

3.2 GRAFCET-Ablaufplan für den Waschvorgang [14 BE]

Entwerfen Sie gemäß der Funktionsbeschreibung in Abbildung 3.1 einen GRAFCET-Ablaufplan für den Waschvorgang.

Hinweis: Der Schlussteil des GRAFCET-Ablaufplans für den Abpump- und Schleudervorgang ist in Abbildung 3.2 gegeben.

Material 1: Dreharmwickler - Rotationseinheit

Funktionsbeschreibung

Kern jedes Dreharmwicklers bildet eine Rotationseinheit. Im vorliegenden Fall wird der Dreharm mittels Servo-Elektromotor und einem nachgeschalteten Stirnrad-Schneckenradgetriebe angetrieben. Damit im Notfall (z.B. bei Stromausfall) der Dreharm von Hand bewegt werden kann, ist zwischen Rotationseinheit (Ausgang Schneckenradgetriebe = Abtriebs-Gewindehülse (Pos. 7, Abbildung 1.2) und Dreharm eine Sicherheitskupplung (Rutschkupplung) verbaut.

Technische Daten:

Motor:

Leistungsaufnahme: $P_1 = 0{,}54\text{ kW}$

Drehfrequenz: $n = 460\text{ min}^{-1}$

Wirkungsgrad: $\eta = 68\,\%$

Stirnrad-Schneckenradgetriebe:

Durchmesser der Abtriebswelle: $d_\text{w} = 20\text{ mm}$

Wirkungsgrad: $\eta = 65\,\%$

Rutschkupplung:

Reibungsmoment $M_\text{R}$ wirkt auf: $d = 100\text{ mm}$

Länge des Dreharms: $l = 760\text{ mm}$

Abbildung 1.2 – Getriebe mit Schrägkugellager und Stückliste

Stückliste (Auszug):

Pos.-Nr. · Benennung · Normblatt · Werkstoff · Anz. · Bemerkung

1 · Gehäuse SOG 50 · · EN-GJL 150 · 1

2 · Lagerdeckel · · EN-GJL 200 · 1

3 · Schnecke · · 10MnCrS5 · 1 · $m=2$, 2-gängig

4 · Schneckenrad · · GC-CuZn12Ni · 1 · $m=2$, $z=38$

5 · Zahnrad · · 16MnCrS5 · 1 · $m=1{,}25$, $z=20\text{L}$

6 · Zahnrad · · 16MnCrS5 · 1 · $m=1{,}25$, $z=45\text{R}$

7 · Abtriebs-Gewindehülse · · 42CrMo4 · 1 · $d_\text{m}=20\text{ mm}$

8 · Flansch · · EN-GJL 200 · 1

9 · Ring · · S235JRG2 · 1

10 · Schrägkugellager 7204 B · DIN 628 · · 2

11 · Rillenkugellager 6009 · DIN 625 · · 2

12 · Dichtring A 10x13,5 · DIN 7603 · Cu · 7

13 · Verschlussschraube M10x1 · DIN 908 · St · 7

15 · Passfeder B - 10x8x32 · DIN 6885 · E335 · 1

16 · Passfeder B - 6x6x14 · DIN 6885 · C45 · 1

17 · Passfeder B - 4x4x18 · DIN 6885 · C45 · 1

23 · Passscheibe 37x47x0,20 · DIN 988 · St · 1

24 · Passscheibe 37x47x0,15 · DIN 988 · St · 2

25 · Stützscheibe 20x28x2,00 · DIN 988 · St · 2

26 · Stützscheibe 37x47x2,50 · DIN 988 · St · 1

27 · O-Ring 90x2,5 · DIN 3771 · FPM · 1

28 · Sicherungsring 11x1 · DIN 471 · · 1

29 · Sicherungsring 18x1,2 · DIN 471 · · 1

30 · Sicherungsring 47x1,75 · DIN 471 · · 1

32 · Verschlusskappe 47x8 · · · 1

33 · RWDR AS 45x62x8 · DIN 3760 · NB · 2

1.1 Berechnen Sie die abgegebene Getriebeleistung des Stirnrad-Schneckenradgetriebes sowie die Drehgeschwindigkeit des Dreharms.

a)

b)

c)

d)

e)

Material 1: Dreharmwickler - Rotationseinheit

Funktionsbeschreibung

Kern jedes Dreharmwicklers bildet eine Rotationseinheit. Im vorliegenden Fall wird der Dreharm mittels Servo-Elektromotor und einem nachgeschalteten Stirnrad-Schneckenradgetriebe angetrieben. Damit im Notfall (z.B. bei Stromausfall) der Dreharm von Hand bewegt werden kann, ist zwischen Rotationseinheit (Ausgang Schneckenradgetriebe = Abtriebs-Gewindehülse (Pos. 7, Abbildung 1.2) und Dreharm eine Sicherheitskupplung (Rutschkupplung) verbaut.

Technische Daten:

Motor:

Leistungsaufnahme: $P_1 = 0{,}54\text{ kW}$

Drehfrequenz: $n = 460\text{ min}^{-1}$

Wirkungsgrad: $\eta = 68\,\%$

Stirnrad-Schneckenradgetriebe:

Durchmesser der Abtriebswelle: $d_\text{w} = 20\text{ mm}$

Wirkungsgrad: $\eta = 65\,\%$

Rutschkupplung:

Reibungsmoment $M_\text{R}$ wirkt auf: $d = 100\text{ mm}$

Länge des Dreharms: $l = 760\text{ mm}$

Abbildung 1.2 – Getriebe mit Schrägkugellager und Stückliste

Stückliste (Auszug):

Pos.-Nr. · Benennung · Normblatt · Werkstoff · Anz. · Bemerkung

1 · Gehäuse SOG 50 · · EN-GJL 150 · 1

2 · Lagerdeckel · · EN-GJL 200 · 1

3 · Schnecke · · 10MnCrS5 · 1 · $m=2$, 2-gängig

4 · Schneckenrad · · GC-CuZn12Ni · 1 · $m=2$, $z=38$

5 · Zahnrad · · 16MnCrS5 · 1 · $m=1{,}25$, $z=20\text{L}$

6 · Zahnrad · · 16MnCrS5 · 1 · $m=1{,}25$, $z=45\text{R}$

7 · Abtriebs-Gewindehülse · · 42CrMo4 · 1 · $d_\text{m}=20\text{ mm}$

8 · Flansch · · EN-GJL 200 · 1

9 · Ring · · S235JRG2 · 1

10 · Schrägkugellager 7204 B · DIN 628 · · 2

11 · Rillenkugellager 6009 · DIN 625 · · 2

12 · Dichtring A 10x13,5 · DIN 7603 · Cu · 7

13 · Verschlussschraube M10x1 · DIN 908 · St · 7

15 · Passfeder B - 10x8x32 · DIN 6885 · E335 · 1

16 · Passfeder B - 6x6x14 · DIN 6885 · C45 · 1

17 · Passfeder B - 4x4x18 · DIN 6885 · C45 · 1

23 · Passscheibe 37x47x0,20 · DIN 988 · St · 1

24 · Passscheibe 37x47x0,15 · DIN 988 · St · 2

25 · Stützscheibe 20x28x2,00 · DIN 988 · St · 2

26 · Stützscheibe 37x47x2,50 · DIN 988 · St · 1

27 · O-Ring 90x2,5 · DIN 3771 · FPM · 1

28 · Sicherungsring 11x1 · DIN 471 · · 1

29 · Sicherungsring 18x1,2 · DIN 471 · · 1

30 · Sicherungsring 47x1,75 · DIN 471 · · 1

32 · Verschlusskappe 47x8 · · · 1

33 · RWDR AS 45x62x8 · DIN 3760 · NB · 2

1.2 Der Dreharm soll im Notfall von Hand mit einer Hebelkraft von $F_1 = 200\,\text{N}$ bewegbar sein. Die beiden kreisringförmigen Reibflächen der Rutschkupplung (Stahl auf Reibbelag) werden über mittelharte Tellerfedern angepresst. Der wirksame Innendurchmesser der Abtriebs-Gewindehülse (Pos. 7, Abbildung 1.2) beträgt $d_w = 20\,\text{mm}$. Berechnen Sie die max. Gesamtfederkraft $F_{\text{ges}}$ der Tellerfedern und dimensionieren Sie Größe und Anzahl der erforderlichen Tellerfedern.

a)

b)

c)

d)

e)

Material 1: Dreharmwickler - Rotationseinheit

Funktionsbeschreibung

Kern jedes Dreharmwicklers bildet eine Rotationseinheit. Im vorliegenden Fall wird der Dreharm mittels Servo-Elektromotor und einem nachgeschalteten Stirnrad-Schneckenradgetriebe angetrieben. Damit im Notfall (z.B. bei Stromausfall) der Dreharm von Hand bewegt werden kann, ist zwischen Rotationseinheit (Ausgang Schneckenradgetriebe = Abtriebs-Gewindehülse (Pos. 7, Abbildung 1.2) und Dreharm eine Sicherheitskupplung (Rutschkupplung) verbaut.

Technische Daten:

Motor:

Leistungsaufnahme: $P_1 = 0{,}54\text{ kW}$

Drehfrequenz: $n = 460\text{ min}^{-1}$

Wirkungsgrad: $\eta = 68\,\%$

Stirnrad-Schneckenradgetriebe:

Durchmesser der Abtriebswelle: $d_\text{w} = 20\text{ mm}$

Wirkungsgrad: $\eta = 65\,\%$

Rutschkupplung:

Reibungsmoment $M_\text{R}$ wirkt auf: $d = 100\text{ mm}$

Länge des Dreharms: $l = 760\text{ mm}$

Abbildung 1.2 – Getriebe mit Schrägkugellager und Stückliste

Stückliste (Auszug):

Pos.-Nr. · Benennung · Normblatt · Werkstoff · Anz. · Bemerkung

1 · Gehäuse SOG 50 · · EN-GJL 150 · 1

2 · Lagerdeckel · · EN-GJL 200 · 1

3 · Schnecke · · 10MnCrS5 · 1 · $m=2$, 2-gängig

4 · Schneckenrad · · GC-CuZn12Ni · 1 · $m=2$, $z=38$

5 · Zahnrad · · 16MnCrS5 · 1 · $m=1{,}25$, $z=20\text{L}$

6 · Zahnrad · · 16MnCrS5 · 1 · $m=1{,}25$, $z=45\text{R}$

7 · Abtriebs-Gewindehülse · · 42CrMo4 · 1 · $d_\text{m}=20\text{ mm}$

8 · Flansch · · EN-GJL 200 · 1

9 · Ring · · S235JRG2 · 1

10 · Schrägkugellager 7204 B · DIN 628 · · 2

11 · Rillenkugellager 6009 · DIN 625 · · 2

12 · Dichtring A 10x13,5 · DIN 7603 · Cu · 7

13 · Verschlussschraube M10x1 · DIN 908 · St · 7

15 · Passfeder B - 10x8x32 · DIN 6885 · E335 · 1

16 · Passfeder B - 6x6x14 · DIN 6885 · C45 · 1

17 · Passfeder B - 4x4x18 · DIN 6885 · C45 · 1

23 · Passscheibe 37x47x0,20 · DIN 988 · St · 1

24 · Passscheibe 37x47x0,15 · DIN 988 · St · 2

25 · Stützscheibe 20x28x2,00 · DIN 988 · St · 2

26 · Stützscheibe 37x47x2,50 · DIN 988 · St · 1

27 · O-Ring 90x2,5 · DIN 3771 · FPM · 1

28 · Sicherungsring 11x1 · DIN 471 · · 1

29 · Sicherungsring 18x1,2 · DIN 471 · · 1

30 · Sicherungsring 47x1,75 · DIN 471 · · 1

32 · Verschlusskappe 47x8 · · · 1

33 · RWDR AS 45x62x8 · DIN 3760 · NB · 2

1.3 Die Schnecke wird mit zwei Schrägkugellagern gelagert (Abbildung 1.2). Nennen Sie die möglichen Lageranordnungen von Schrägkugellagern und die im vorliegenden Getriebe verwendete Lageranordnung. Ergänzen Sie in der Gesamtzeichnung durch Kraftpfeile die Kräfte, die von dem jeweiligen Lager aufgenommen werden können. Erläutern Sie allgemein die Vor- und Nachteile der beiden Lageranordnungen.

(12 BE)

Material 1: Dreharmwickler - Rotationseinheit

Funktionsbeschreibung

Kern jedes Dreharmwicklers bildet eine Rotationseinheit. Im vorliegenden Fall wird der Dreharm mittels Servo-Elektromotor und einem nachgeschalteten Stirnrad-Schneckenradgetriebe angetrieben. Damit im Notfall (z.B. bei Stromausfall) der Dreharm von Hand bewegt werden kann, ist zwischen Rotationseinheit (Ausgang Schneckenradgetriebe = Abtriebs-Gewindehülse (Pos. 7, Abbildung 1.2) und Dreharm eine Sicherheitskupplung (Rutschkupplung) verbaut.

Technische Daten:

Motor:

Leistungsaufnahme: $P_1 = 0{,}54\text{ kW}$

Drehfrequenz: $n = 460\text{ min}^{-1}$

Wirkungsgrad: $\eta = 68\,\%$

Stirnrad-Schneckenradgetriebe:

Durchmesser der Abtriebswelle: $d_\text{w} = 20\text{ mm}$

Wirkungsgrad: $\eta = 65\,\%$

Rutschkupplung:

Reibungsmoment $M_\text{R}$ wirkt auf: $d = 100\text{ mm}$

Länge des Dreharms: $l = 760\text{ mm}$

Abbildung 1.2 – Getriebe mit Schrägkugellager und Stückliste

Stückliste (Auszug):

Pos.-Nr. · Benennung · Normblatt · Werkstoff · Anz. · Bemerkung

1 · Gehäuse SOG 50 · · EN-GJL 150 · 1

2 · Lagerdeckel · · EN-GJL 200 · 1

3 · Schnecke · · 10MnCrS5 · 1 · $m=2$, 2-gängig

4 · Schneckenrad · · GC-CuZn12Ni · 1 · $m=2$, $z=38$

5 · Zahnrad · · 16MnCrS5 · 1 · $m=1{,}25$, $z=20\text{L}$

6 · Zahnrad · · 16MnCrS5 · 1 · $m=1{,}25$, $z=45\text{R}$

7 · Abtriebs-Gewindehülse · · 42CrMo4 · 1 · $d_\text{m}=20\text{ mm}$

8 · Flansch · · EN-GJL 200 · 1

9 · Ring · · S235JRG2 · 1

10 · Schrägkugellager 7204 B · DIN 628 · · 2

11 · Rillenkugellager 6009 · DIN 625 · · 2

12 · Dichtring A 10x13,5 · DIN 7603 · Cu · 7

13 · Verschlussschraube M10x1 · DIN 908 · St · 7

15 · Passfeder B - 10x8x32 · DIN 6885 · E335 · 1

16 · Passfeder B - 6x6x14 · DIN 6885 · C45 · 1

17 · Passfeder B - 4x4x18 · DIN 6885 · C45 · 1

23 · Passscheibe 37x47x0,20 · DIN 988 · St · 1

24 · Passscheibe 37x47x0,15 · DIN 988 · St · 2

25 · Stützscheibe 20x28x2,00 · DIN 988 · St · 2

26 · Stützscheibe 37x47x2,50 · DIN 988 · St · 1

27 · O-Ring 90x2,5 · DIN 3771 · FPM · 1

28 · Sicherungsring 11x1 · DIN 471 · · 1

29 · Sicherungsring 18x1,2 · DIN 471 · · 1

30 · Sicherungsring 47x1,75 · DIN 471 · · 1

32 · Verschlusskappe 47x8 · · · 1

33 · RWDR AS 45x62x8 · DIN 3760 · NB · 2

1.4 Die schrägverzahnten Stirnräder sollen durch geradverzahnte Stirnräder ersetzt werden. Vergleichen Sie beide Verzahnungsarten und erläutern Sie die Auswirkungen auf Laufruhe und Lagerung.

a)

b)

c)

Material 2

2 Schaltung zur Begrenzung der Zugkraft (Material 2)

Um die maximale Wickelkraft des Palettenwicklers zu begrenzen wird ein Zugkraftsensor (Dehnungsmessstreifen) verwendet. Der Sensor benötigt eine stabilisierte Spannung von 5 V. Die Stabilisierung soll mit einer Z-Diode Typ BZX 85 realisiert werden. Der Sensor ist als Messbrücke konstruiert, damit wirken sich mögliche Spannungsschwankungen der Betriebsspannung direkt auf den Messwert aus.

2.1

Zeichnen Sie eine einfache Spannungsstabilisierung mit Z-Diode in die Schaltung (Abbildung 2.1) ein. Wählen Sie eine passende Z-Diode mithilfe des Datenblattauszugs BZX 85 (Abbildung 2.2) aus und berechnen Sie den erforderlichen Vorwiderstand in der Schaltung.

Hinweise: Der Strom durch die Z-Diode ist so zu wählen, dass die Sensorspannung exakt 5 V beträgt. Der Innenwiderstand des Sensors beträgt 350 Ω.

2.2

Analysieren Sie die möglichen Auswirkungen auf die Belastung der Z-Diode, wenn durch einen Kabelbruch die Last (Sensor) nicht mehr mit der Spannungsversorgung verbunden ist und beurteilen Sie mithilfe des Datenblattauszugs BZX 85 (Abbildung 2.2), ob dieses Problem auch in der konkreten Schaltung auftreten kann.

Hinweis: Wenn Sie den Strom durch den Vorwiderstand in Aufgabe 2.1 nicht ermittelt haben, ist mit I = 150 mA weiterzurechnen.

2.4

Berechnen Sie $R_2$ im Spannungsteiler der Sensorschaltung (Abbildung 2.1) für einen Strom von 0,5 mA. Überprüfen Sie, ob das Potentiometer geeignet ist, die Spannung nach den Vorgaben ($U_{R2} = 5{,}5\,\mathrm{mV}$) einzustellen.

Hinweis: In die Eingänge des Operationsverstärkers fließt kein Strom.

Material 2

2.3 Erklären Sie die Funktionsweise des Operationsverstärkers in der vorgegebenen Sensorschaltung (Abbildung 2.1).

Material 2

2.5 Um den Transistor zu schalten, liegt am Ausgang des Operationsverstärkers eine Spannung von $11\,\text{V}$ an. Dimensionieren Sie den Basisspannungsteiler $R_3$, $R_4$ so, dass der Transistor BC338 (Abbildung 2.3) bei einem Spulenwiderstand des Relais von $120\,\Omega$ sicher durchschaltet.

Hinweis: Der Wert für den Querstromfaktor ist mit $q = 8$ und der Wert für den Übersteuerungsfaktor ist mit $\ddot{u} = 2$ festgelegt.

1.

2.

3.

4.

5.

Material 3

Hinweis: die Sensoren B1_Pos, B2_u, B2_o, B4, B5, B6 sind Öffnerkontakte, B3 ist eine Reflexionslichtschranke zur Höhenerfassung der zu verpackenden Palettenladung. B3 liefert ein 1-Signal, wenn keine Palettenladung im Erfassungsbereich ist.

Im Ruhezustand befindet sich der Dreharm unter dem Ausleger, der Sensor B1 ist betätigt, und der Folienschlitten befindet sich etwa einen Meter über dem Boden. Nun kann eine Palette in den Wickelbereich gefahren werden. Sobald der Start-Taster betätigt wird, fährt der Folienschlitten abwärts bis B2_u die untere Endlage signalisiert. Das lose Folienende wird an der Palette befestigt und ggf. weitere Einstellungen vorgenommen. Nach erneuter Betätigung des „Start“-Tasters beginnt der Wickelvorgang.

Betriebsmodus Automatik (Auto):

Der Dreharm (M1_Arm) fährt zunächst dreimal um die Palette, um drei Fußwicklungen zu erstellen. Dann wird der Folienschlitten (M2) aufwärts gefahren, während der Dreharm weiter um die Palette fährt. Sobald der Sensor B3 das Erreichen der maximalen Höhe der Ladung signalisiert oder B2_o betätigt wird, stoppt M2. Der Dreharm fährt noch dreimal um die Palette, um drei Kopfwicklungen zu erstellen. Dann wird der Folienschlitten wieder nach unten gefahren. Sobald B2_u betätigt wird, stoppt der Folienschlitten während der Dreharm noch bis unter den Ausleger fährt und dort stehen bleibt. Die Folie wird nun mit einem automatischen Cutter (M3) abgeschnitten. 3 Sekunden nachdem der Cutter ausgelöst wurde, fährt der Folienschlitten aufwärts und bleibt nach 5 Sekunden etwa einen Meter über dem Boden stehen.

Betriebsmodus Tippbetrieb (Tipp):

Nach Betätigung des „Start“-Tasters beginnt der Dreharm um die Palette zu fahren. Bei Betätigung der Taster „Auf“ bzw. „Ab“ fährt der Folienschlitten aufwärts bzw. abwärts innerhalb der durch B2_u, B2_o und B3 (Höhe des Verpackungsguts) definierten Grenzen.

In beiden Betriebsmodi beendet der „Stopp“-Taster den Wickelvorgang, wobei eine begonnene Umdrehung des Dreharms noch vollendet wird.

Sicherheitsvorkehrungen:

Die druckempfindlichen Leisten B4, B5, B6 dienen als Kollisions- und Klemmschutz. Sobald einer dieser Sensoren aktiviert wird, bleiben sowohl der Dreharm als auch der Folienschlitten stehen.

3.1 Zuordnungstabelle erstellen

Erfassen Sie alle für die Steuerung erforderlichen Eingangs- und Ausgangssignale sowie die Timer und Zähler aus Abbildung 3.1 in einer Zuordnungstabelle (Bezeichnung, Adresse/Operand, Typ, Kommentar).

3.3 SPS-Programmierung in FUP

Setzen Sie die fünf Schritte der in Abbildung 3.2 begonnenen Schrittkette unter Berücksichtigung der Sicherheitsaspekte einschließlich der Signale NOT_AUS sowie B4–B6 in ein Steuerungsprogramm unter Verwendung der Funktionsplandarstellung (FUP) um und stellen Sie die zugehörigen Netzwerke dar.

Hinweis: Erforderliche Signale von weiteren, nicht gegebenen Schritten oder Ereignissen (z. B. Richtimpuls) sind zu ergänzen und zu berücksichtigen.

Material 3

Hinweis: die Sensoren B1_Pos, B2_u, B2_o, B4, B5, B6 sind Öffnerkontakte, B3 ist eine Reflexionslichtschranke zur Höhenerfassung der zu verpackenden Palettenladung. B3 liefert ein 1-Signal, wenn keine Palettenladung im Erfassungsbereich ist.

Im Ruhezustand befindet sich der Dreharm unter dem Ausleger, der Sensor B1 ist betätigt, und der Folienschlitten befindet sich etwa einen Meter über dem Boden. Nun kann eine Palette in den Wickelbereich gefahren werden. Sobald der Start-Taster betätigt wird, fährt der Folienschlitten abwärts bis B2_u die untere Endlage signalisiert. Das lose Folienende wird an der Palette befestigt und ggf. weitere Einstellungen vorgenommen. Nach erneuter Betätigung des „Start“-Tasters beginnt der Wickelvorgang.

Betriebsmodus Automatik (Auto):

Der Dreharm (M1_Arm) fährt zunächst dreimal um die Palette, um drei Fußwicklungen zu erstellen. Dann wird der Folienschlitten (M2) aufwärts gefahren, während der Dreharm weiter um die Palette fährt. Sobald der Sensor B3 das Erreichen der maximalen Höhe der Ladung signalisiert oder B2_o betätigt wird, stoppt M2. Der Dreharm fährt noch dreimal um die Palette, um drei Kopfwicklungen zu erstellen. Dann wird der Folienschlitten wieder nach unten gefahren. Sobald B2_u betätigt wird, stoppt der Folienschlitten während der Dreharm noch bis unter den Ausleger fährt und dort stehen bleibt. Die Folie wird nun mit einem automatischen Cutter (M3) abgeschnitten. 3 Sekunden nachdem der Cutter ausgelöst wurde, fährt der Folienschlitten aufwärts und bleibt nach 5 Sekunden etwa einen Meter über dem Boden stehen.

Betriebsmodus Tippbetrieb (Tipp):

Nach Betätigung des „Start“-Tasters beginnt der Dreharm um die Palette zu fahren. Bei Betätigung der Taster „Auf“ bzw. „Ab“ fährt der Folienschlitten aufwärts bzw. abwärts innerhalb der durch B2_u, B2_o und B3 (Höhe des Verpackungsguts) definierten Grenzen.

In beiden Betriebsmodi beendet der „Stopp“-Taster den Wickelvorgang, wobei eine begonnene Umdrehung des Dreharms noch vollendet wird.

Sicherheitsvorkehrungen:

Die druckempfindlichen Leisten B4, B5, B6 dienen als Kollisions- und Klemmschutz. Sobald einer dieser Sensoren aktiviert wird, bleiben sowohl der Dreharm als auch der Folienschlitten stehen.

Entwerfen Sie ausschließlich für den Betriebsmodus „Automatik“ gemäß der Funktionsbeschreibung in Abbildung 3.1 einen GRAFCET-Ablaufplan als Fortsetzung der Schrittkette in Abbildung 3.2.

Hinweis: Die Sicherheitsaspekte bleiben hier unberücksichtigt.

Material 1

Förderband - Antrieb

Funktionsbeschreibung

Das Leergut (leere Flasche oder Dose) wird in die horizontale Aufnahmeöffnung des Leergutautomaten einzeln eingeführt. Zur Pfanderkennung wird die Flasche oder Dose automatisch gedreht, gescannt und identifiziert. Für eine anschließende Weiterverarbeitung wird das Leergut mittels Förderband weitertransportiert und entsprechend ausgeschleust bzw. in Auffangbehältern gesammelt.

Technische Daten:

Motor:

Nenndrehzahl: $n = 780\text{ min}^{-1}$

Wirkungsgrad: $\eta_{\text{Motor}} = 86\,\%$

Erste Kegelradgetriebestufe:

Übersetzung: $i = 2{,}5$

Stirnradstufe:

Zähnezahlen der Zahnräder: $z_3 = 20$, $z_4 = 60$

Zweite Kegelradgetriebestufe:

Übersetzung: $i = 1$

Wirkungsgrad je Kegelradgetriebestufe: $\eta_{\text{Kegelradstufe}} = 92\,\%$

Wirkungsgrad Stirnradstufe: $\eta_{\text{Stirnradstufe}} = 97\,\%$

Stückliste Kegelradgetriebe (Auszug)

Pos.

Benennung / Normbezeichnung

1 · Antriebswelle ($m = 1{,}5$, $z = 20$)

2 · Abtriebswelle

3 · Kegelrad ($m = 1{,}5$, $z = 50$)

4 · Stirnrad $z_3$

5 · Rillenkugellager DIN 625-6001 ($d = 12$, $D = 28$, $B = 8$)

6 · Schrägkugellager DIN 628-3001 ($d = 12$, $D = 32$, $B = 15{,}9$)

7 · Rillenkugellager DIN 625-6000-2RS ($d = 10$, $D = 26$, $B = 8$)

8 · Schrägkugellager DIN 628-3000 ($d = 10$, $D = 30$, $B = 14$)

9 · Passfeder DIN 6885-A-3x3x18

10 · Passfeder DIN 6885-A-

11 · Passfeder DIN 6885-A-4x4x10

12 · Sicherungsring DIN 471

13 · RWDR DIN 3760-AS 15x26x7 NBR

14 · Sicherungsring DIN 471

15 · RWDR DIN 3760 AS 10x22x7 NBR

16 · Verschlussschraube mit Dichtung

17 · Flachdichtung

18 · Passscheibe

1 Antrieb des Förderbands

1.1

Zum Transport der Leergutbehältnisse ist die Bandgeschwindigkeit des Förderbandes begrenzt. Berechnen Sie die Geschwindigkeit des Bandantriebs und überprüfen Sie, ob die zulässige Geschwindigkeit von $v_{\text{max}} = 35\text{ cm/s}$ eingehalten wird (Abbildung 1.1 und Abbildung 1.2).

Hinweis: Die Antriebsrollen haben einen Durchmesser von $60\text{ mm}$.

Ja

Nein

1.2

Das Förderband soll in Längsrichtung eine maximale Geschwindigkeit von $v_{\text{max}} = 35\text{ cm/s}$ bei einer Kraft von $150\text{ N}$ ermöglichen (Abbildung 1.1 und Abbildung 1.2). Bestimmen Sie die erforderliche Leistung $P_{\text{v}}$ zum Verfahren des Transportbands sowie die Leistungsaufnahme $P_1$ des Motors.

Material 1

Förderband - Antrieb

Funktionsbeschreibung

Das Leergut (leere Flasche oder Dose) wird in die horizontale Aufnahmeöffnung des Leergutautomaten einzeln eingeführt. Zur Pfanderkennung wird die Flasche oder Dose automatisch gedreht, gescannt und identifiziert. Für eine anschließende Weiterverarbeitung wird das Leergut mittels Förderband weitertransportiert und entsprechend ausgeschleust bzw. in Auffangbehältern gesammelt.

Technische Daten:

Motor:

Nenndrehzahl: $n = 780\text{ min}^{-1}$

Wirkungsgrad: $\eta_{\text{Motor}} = 86\,\%$

Erste Kegelradgetriebestufe:

Übersetzung: $i = 2{,}5$

Stirnradstufe:

Zähnezahlen der Zahnräder: $z_3 = 20$, $z_4 = 60$

Zweite Kegelradgetriebestufe:

Übersetzung: $i = 1$

Wirkungsgrad je Kegelradgetriebestufe: $\eta_{\text{Kegelradstufe}} = 92\,\%$

Wirkungsgrad Stirnradstufe: $\eta_{\text{Stirnradstufe}} = 97\,\%$

Stückliste Kegelradgetriebe (Auszug)

Pos.

Benennung / Normbezeichnung

1 · Antriebswelle ($m = 1{,}5$, $z = 20$)

2 · Abtriebswelle

3 · Kegelrad ($m = 1{,}5$, $z = 50$)

4 · Stirnrad $z_3$

5 · Rillenkugellager DIN 625-6001 ($d = 12$, $D = 28$, $B = 8$)

6 · Schrägkugellager DIN 628-3001 ($d = 12$, $D = 32$, $B = 15{,}9$)

7 · Rillenkugellager DIN 625-6000-2RS ($d = 10$, $D = 26$, $B = 8$)

8 · Schrägkugellager DIN 628-3000 ($d = 10$, $D = 30$, $B = 14$)

9 · Passfeder DIN 6885-A-3x3x18

10 · Passfeder DIN 6885-A-

11 · Passfeder DIN 6885-A-4x4x10

12 · Sicherungsring DIN 471

13 · RWDR DIN 3760-AS 15x26x7 NBR

14 · Sicherungsring DIN 471

15 · RWDR DIN 3760 AS 10x22x7 NBR

16 · Verschlussschraube mit Dichtung

17 · Flachdichtung

18 · Passscheibe

1.3 Dimensionierung der Passfeder

Das Kegelrad (Pos. 3) der ersten Kegelradgetriebestufe (Abbildung 1.3) soll mit einer Passfeder, Form A (Pos. 10) mit der Abtriebswelle (Pos. 2) verbunden werden.

Dimensionieren Sie die Abmessungen der Passfeder bei einer Flächenpressung von $75\text{ N/mm}^2$ sowie einer Sicherheit von vier. Geben Sie weiterhin die komplette Normbezeichnung der Passfeder an.

Hinweis: Wenn Sie die Leistungsaufnahme des Antriebsmotors in Aufgabe 1.2 nicht bestimmt haben, ist mit $P_1 = 80\text{ W}$ weiterzurechnen.

Material 1

Förderband - Antrieb

Funktionsbeschreibung

Das Leergut (leere Flasche oder Dose) wird in die horizontale Aufnahmeöffnung des Leergutautomaten einzeln eingeführt. Zur Pfanderkennung wird die Flasche oder Dose automatisch gedreht, gescannt und identifiziert. Für eine anschließende Weiterverarbeitung wird das Leergut mittels Förderband weitertransportiert und entsprechend ausgeschleust bzw. in Auffangbehältern gesammelt.

Technische Daten:

Motor:

Nenndrehzahl: $n = 780\text{ min}^{-1}$

Wirkungsgrad: $\eta_{\text{Motor}} = 86\,\%$

Erste Kegelradgetriebestufe:

Übersetzung: $i = 2{,}5$

Stirnradstufe:

Zähnezahlen der Zahnräder: $z_3 = 20$, $z_4 = 60$

Zweite Kegelradgetriebestufe:

Übersetzung: $i = 1$

Wirkungsgrad je Kegelradgetriebestufe: $\eta_{\text{Kegelradstufe}} = 92\,\%$

Wirkungsgrad Stirnradstufe: $\eta_{\text{Stirnradstufe}} = 97\,\%$

Stückliste Kegelradgetriebe (Auszug)

Pos.

Benennung / Normbezeichnung

1 · Antriebswelle ($m = 1{,}5$, $z = 20$)

2 · Abtriebswelle

3 · Kegelrad ($m = 1{,}5$, $z = 50$)

4 · Stirnrad $z_3$

5 · Rillenkugellager DIN 625-6001 ($d = 12$, $D = 28$, $B = 8$)

6 · Schrägkugellager DIN 628-3001 ($d = 12$, $D = 32$, $B = 15{,}9$)

7 · Rillenkugellager DIN 625-6000-2RS ($d = 10$, $D = 26$, $B = 8$)

8 · Schrägkugellager DIN 628-3000 ($d = 10$, $D = 30$, $B = 14$)

9 · Passfeder DIN 6885-A-3x3x18

10 · Passfeder DIN 6885-A-

11 · Passfeder DIN 6885-A-4x4x10

12 · Sicherungsring DIN 471

13 · RWDR DIN 3760-AS 15x26x7 NBR

14 · Sicherungsring DIN 471

15 · RWDR DIN 3760 AS 10x22x7 NBR

16 · Verschlussschraube mit Dichtung

17 · Flachdichtung

18 · Passscheibe

1.4

Die Lagerung der Antriebs- und Abtriebswelle des Kegelradgetriebes (Abbildung 1.3) erfolgt jeweils durch unterschiedliche Wälzlager.

Begründen Sie Auswahl und Anordnung der verwendeten Wälzlager. Vergleichen Sie in diesem Zusammenhang auch die Funktion von Fest- und Loslagern unter Berücksichtigung der Lagerbelastung. [11 BE]

1.5

Das Kegelradgetriebe (Abbildung 1.3) wird mittels Ölbadschmierung geschmiert. Bestimmen Sie die Bauteile, an denen Sie das Schmierkonzept des Kegelradgetriebes erkennen können. [3 BE]

Material 2

2 Dimensionierung einer Lichtschranke

Mit der Lichtschranke wird eine Plastikflasche erkannt und zum Scannen in den Pfandautomaten transportiert. Um im Temperaturbereich von $25^\circ\text{C}$ bis $40^\circ\text{C}$ die optische Leistung der Laserdiode auf maximal $5\text{ mW}$ zu begrenzen, wird der Strom durch die Laserdiode mit der Schaltung (Material 2, Abbildung 2.1) konstant gehalten.

2.1

Ermitteln Sie anhand der Kennlinien in den Abbildungen 2.2 und 2.3 den Kollektorstrom des Transistors BC847 unter der Bedingung, dass die optische Leistung der Laserdiode im Temperaturbereich von $25^\circ\text{C}$ bis $40^\circ\text{C}$ den Wert $5\text{ mW}$ nicht überschreiten darf. [5 BE]

2.2

Erläutern Sie die Funktionsweise des Schaltungsteils 1 in Abbildung 2.1, insbesondere die Stabilisierungswirkung durch die Z-Diode. [7 BE]

2.3

Dimensionieren Sie die Widerstände $R_E$ und $R_1$ bei $25^\circ\text{C}$ und $U_{CE} = 5\text{ V}$ mithilfe der Datenblattauszüge aus Material 2, Abbildungen 2.2, 2.3 und 2.4.

Hinweise: Die Z-Diode wird mit 50 % ihrer maximalen Verlustleistung betrieben. Zur Vereinfachung ist der Strom mit $I_E = I_C$ anzunehmen. Wenn Sie den Kollektorstrom in Aufgabe 2.1 nicht bestimmt haben, ist mit $I_C = 30\text{ mA}$ weiterzurechnen. [13 BE]

Material 2

2.4

Erklären Sie die Funktionsweise des Schaltungsteils 2 in Abbildung 2.1. [5 BE]

Material 3

Funktionsbeschreibung:

Bei der Eingabe des Leerguts (Flasche oder Getränkedose) wird die Lichtschranke LS1 aktiviert und das Förderband M1 fährt nach rechts. Sobald die Lichtschranke LS2 das Leergut erkennt, stoppt das Band für 1,5 Sekunden. Während dieser Zeit scannt die Kamera die Form des Leerguts und vergleicht diese mit den bekannten Konturen (vgl. Abbildung 3.2). Zudem wiegt der Sensor B1 das Leergut und liefert das Ergebnis als BCD-Wort. Anschließend wird geprüft, ob das Gewicht zu einer der bekannten Leergutkonturen passt. Wenn dieser Test positiv ausfällt, fährt das Band weiter nach rechts. Die Klappe M2 schiebt Einwegbehälter auf die Rutsche zur Weiterverarbeitung. M2 wird für zwei Sekunden aktiviert, sobald der Sensor B2 ein Leergut erkennt und dieses zuvor als Einwegbehälter klassifiziert wurde. Mehrwegbehälter bleiben auf dem Band. Wenn für drei Sekunden keine weitere Leerguteingabe erfolgt, stoppt das Band.

Wenn der Kontur- oder der Gewichtstest negativ war, wird das Leergut durch eine Linksfahrt des Förderbands wieder zur Eingabeöffnung transportiert. Sobald dort erneut die Lichtschranke LS1 aktiviert wird, stoppt das Band und die rote Lampe P2_rt blinkt mit einer Frequenz von 1 Hertz.

Die grüne Lampe P1_gn leuchtet, sobald die Lichtschranke LS1 aktiviert wird und erlischt, wenn das Band nach links fährt oder wenn der Startschritt aktiviert ist (vgl. Abbildung 3.3). Während der Linksfahrt leuchtet die rote Lampe P2_rt.

3 Steuerung des Transportbands (Material 3)

Gemäß dem Technologieschema und der Funktionsbeschreibung in Abbildung 3.1 wird hier ausschließlich der Transport eines einzigen Leerguts betrachtet. Die Konturerfassung durch die Kamera und die Gewichtserfassung bleiben hier unberücksichtigt. Gleichwohl stehen die Resultate dieser Analyse in Bitmerkern zur Verfügung und sollen gemäß der Entscheidungsmatrix in Abbildung 3.2 in die Steuerung des Förderbands einbezogen werden.

3.1

Erfassen Sie alle für die Steuerung des Transportbands erforderlichen Ein- und Ausgangssignale sowie die Timer und die Merker aus Abbildung 3.2 in einer Zuordnungstabelle (Bezeichnung, Adresse/Operand, Typ, Kommentar).

Tragen Sie Ihre Zuordnungstabelle für die SPS-Ein-/Ausgänge, Merker und Timer ein oder laden Sie eine handschriftliche Ausarbeitung hoch:

3.3

Bestimmen Sie anhand der Entscheidungsmatrix in Abbildung 3.3 die logischen Funktionsgleichungen für:

a) die Aktivierung der Klappe für Einwegbehälter und

b) für den Linkslauf des Förderbands.

Zeichnen Sie den Funktionsplan (FUP) für diese beiden Teilfunktionen unter Beachtung der jeweiligen Aktivierungsbedingungen gemäß der Funktionsbeschreibung.

Material 3

Funktionsbeschreibung:

Bei der Eingabe des Leerguts (Flasche oder Getränkedose) wird die Lichtschranke LS1 aktiviert und das Förderband M1 fährt nach rechts. Sobald die Lichtschranke LS2 das Leergut erkennt, stoppt das Band für 1,5 Sekunden. Während dieser Zeit scannt die Kamera die Form des Leerguts und vergleicht diese mit den bekannten Konturen (vgl. Abbildung 3.2). Zudem wiegt der Sensor B1 das Leergut und liefert das Ergebnis als BCD-Wort. Anschließend wird geprüft, ob das Gewicht zu einer der bekannten Leergutkonturen passt. Wenn dieser Test positiv ausfällt, fährt das Band weiter nach rechts. Die Klappe M2 schiebt Einwegbehälter auf die Rutsche zur Weiterverarbeitung. M2 wird für zwei Sekunden aktiviert, sobald der Sensor B2 ein Leergut erkennt und dieses zuvor als Einwegbehälter klassifiziert wurde. Mehrwegbehälter bleiben auf dem Band. Wenn für drei Sekunden keine weitere Leerguteingabe erfolgt, stoppt das Band.

Wenn der Kontur- oder der Gewichtstest negativ war, wird das Leergut durch eine Linksfahrt des Förderbands wieder zur Eingabeöffnung transportiert. Sobald dort erneut die Lichtschranke LS1 aktiviert wird, stoppt das Band und die rote Lampe P2_rt blinkt mit einer Frequenz von 1 Hertz.

Die grüne Lampe P1_gn leuchtet, sobald die Lichtschranke LS1 aktiviert wird und erlischt, wenn das Band nach links fährt oder wenn der Startschritt aktiviert ist (vgl. Abbildung 3.3). Während der Linksfahrt leuchtet die rote Lampe P2_rt.

3.2 Entwerfen Sie gemäß der Funktionsbeschreibung in Abbildung 3.1 und basierend auf der Entscheidungsmatrix in Abbildung 3.2 einen GRAFCET-Ablaufplan als Fortsetzung der Schrittkette in Abbildung 3.3. (14 BE)