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Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
Technikerabschlussarbeit Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands
in der zentralen Hydraulikvormontage
Projekt im Rahmen der Weiterbildung zum staatlich geprüften Techniker an den
Schulen Dr. W. Blindow GmbH
in Zusammenarbeit mit der
Firma Lemken GmbH & Co.KG
Eingerichtet von: David Bross, Felix Kasten
Florian Spreen, Benedikt Vieth
Betreuer der Schule: Dipl.-Ing. Puyan Kachani
Betreuer der Firma: Dirk Köhnen (Gruppenleiter Elektro/Hydraulik)
Dipl.-Ing. Andreas Gestal (Produktionsleiter)
Bearbeitungszeit: vom 01.10.2012
bis 23.08.2013
Abgabedatum: 26.08.2013
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
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Teamvorstellung
David Bross Felix Kasten
26.06.1978 30.11.1986
Florian Spreen Benedikt Vieth
22.05.1987 17.09.1987
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
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Teamvorstellung ......................................................................................................................... 2
Einleitung ................................................................................................................................... 6
Aufgabenbeschreibung ............................................................................................................... 7
Firmenvorstellung ...................................................................................................................... 8
1 Analyse ............................................................................................................................... 9
1.1 IST-Zustand ................................................................................................................. 9
1.2 Soll-Zustand................................................................................................................. 9
1.3 Eingrenzung des Themas ........................................................................................... 10
4 Begriffsbestimmung Maschine ......................................................................................... 11
4.1 Auszug aus Artikel 2 ................................................................................................. 11
4.1 Auszug aus Artikel 2 ................................................................................................. 12
5 Zeitplanung ....................................................................................................................... 13
6 zu prüfende Bauteile ......................................................................................................... 14
7 Konstruktion des Prüfstandes / Arbeitsplatz ..................................................................... 15
7.1 Schwenkarm .............................................................................................................. 18
7.2 Rittal Kompakt Schaltschrank AE für Elektronik ..................................................... 21
7.3 Rittal Kompaktschaltschrank für Hydraulik .............................................................. 22
7.4 Auswahl der Baumaterialien für den Arbeitsplatz .................................................... 22
8 Konstruktion der Presse .................................................................................................... 26
8.1 Vorüberlegungen für die Hydraulikpresse ................................................................ 26
8.2 Neukonstruktion der Hydraulikpresse ....................................................................... 28
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
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8.3 Auswahl des Pressenzylinders ................................................................................... 30
8.4 Verbindungsbolzen .................................................................................................... 31
8.4.1 Berechnung des Bolzen .......................................................................................... 31
8.4.2 Berechnung der Vorhanden Fläche ........................................................................ 32
8.4.3 Berechnung der Zulässigen Kraft .......................................................................... 32
8.4.4 Berechnung der Erforderlichen Fläche .................................................................. 32
8.4.5 Erforderlicher Bolzendurchmesser ........................................................................ 33
9 Lochleibungskräfte an Verbindungsgabel ........................................................................ 34
9.1 Berechnung der Lochleibungspressung ..................................................................... 35
10 Schweißnaht an der Führungsschiene ........................................................................... 36
10.1 Berechnung der Schweißnaht an Führungsschiene ................................................... 37
10.1.1 Dickenbeiwert ....................................................................................................... 38
10.1.2 Zul. Schubspannung .............................................................................................. 38
10.1.3 Schubspannung ..................................................................................................... 39
10.1.4 Biegespannung ...................................................................................................... 39
10.1.5 Vergleichsspannung .............................................................................................. 39
11 Bolzen am Führungsschlitten ........................................................................................ 40
11.1 Berechnung ................................................................................................................ 40
11.2 Abscherrbeanspruchung ............................................................................................ 41
12 Schwerpunktermittlung des T-Trägers .......................................................................... 42
13 Hydraulik ....................................................................................................................... 43
13.1 Erstellung Hydraulikschaltplan ................................................................................. 44
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13.2 Hydraulikaggregat ..................................................................................................... 46
13.3 Vormontageplatz ....................................................................................................... 47
13.4 Wege- und Proportionalventile .................................................................................. 47
13.5 Druck- und Volumenstrommessumformer ................................................................ 49
14 Elektrik .......................................................................................................................... 50
14.1 Versorgung ................................................................................................................ 50
14.2 Lastkreis..................................................................................................................... 51
14.3 Signalkreis ................................................................................................................. 51
15 Automatisierung ............................................................................................................ 53
15.1 SPS und Baugruppen ................................................................................................. 53
15.2 Bedienoberfläche ....................................................................................................... 54
16 Aufgetretene Probleme und Problemlösung ................................................................. 55
17 Zusammenfassung ......................................................................................................... 56
18 Danksagung ................................................................................................................... 57
19 Eigenständigkeitserklärung ........................................................................................... 58
20 Abbildungsverzeichnis .................................................................................................. 59
21 Tabellenverzeichnis ....................................................................................................... 64
22 Formelverzeichnis ......................................................................................................... 65
23 Quellenverzeichnis ........................................................................................................ 66
24 Anhang .......................................................................................................................... 67
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Einleitung
Am Ende der zweijährigen Weiterbildung zum staatlich geprüften Techniker ist eine
Technikerarbeit als Teil der Abschlussprüfung vorgesehen. Sie ist in einer Gruppenarbeit aus
mindestens zwei bis maximal vier Personen zu erarbeiten. Das Ziel sollte es sein,
Entwicklungen und Lösungsstrategien selbstständig zu erarbeiten, sowie auch die
Teamfähigkeit zu steigern.
Im Anschluss der Dokumentation ist eine Präsentation der erbrachten Leistung vorzutragen.
Nachdem sich das Team, bestehend aus David Bross, Felix Kasten, Florian Spreen und
Benedikt Vieth, gefunden hat, befasste sich das Team mit den Recherchen und der
Umsetzung des Projektes.
Für die Themenfindung, war es wichtig, eine Firma zu suchen, die uns eine Anspruchsvolle
und geeignete Arbeit anbietet. Bei der Firma Lemken GmbH &Co.KG in Alpen / NRW
fanden wir die richtige Aufgabe. Die Aufgabe umfasste alle Bereiche des Mechatronikers.
Das Projekt hatte für die Firma Lemken & Co.KG auch einen hohen Praktischen Stellenwert.
Nach Absprache mit unseren betreuenden Lehrkraft Dipl.-Ing Puyan Kachani, konnte das
Team der Firma Lemken & Co.KG eine Zusage machen.
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Aufgabenbeschreibung
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen
Hydraulikvormontage
Die Teamaufgabe bestand darin, einen komplett neuen Hydraulikprüfstand in der zentralen
Hydraulikvormontage zu entwickeln.
Die Aufnahme eines Anforderungsprofils für den Prüfstand, sowie die Erstellung aller
Schaltpläne und die Auflistung aller benötigten Teile für den Prüfstand mussten vom Team
erarbeitet werden.
Die Entscheidung in Hinsicht auf die Gestaltung des Prüfstandes wurde dem Team von der
Firma Lemken frei überlassen. Es wurden Vorgaben in Hinsicht von Zukaufteilen gemacht:
- Die SPS-Baugruppen sollten von der Firma Siemens sein.
- Die Hydraulikkomponenten von Firma Hydac oder von Firma Bucher
Die fertige Entwicklung und Konstruktion sollte dann im Hauptwerk der Firma
Lemken&Co.KG in Alpen präsentiert werden.
Eine Produktion des Prüfstandes seitens des Unternehmens ist geplant.
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Firmenvorstellung
Abbildung 1 Hauptwerk der Firma Lemken in Alpen NRW
Der Spezialist für den professionellen Pflanzenbau.
Die Firma LEMKEN wurde im Jahr 1780 als Schmiede von Wilhelmus Lemken gegründet.
Das Unternehmen ist bis heute im Familienbesitz und pflegt die Tradition seiner Erzeugnisse,
die seit langem nach Edelsteinen benannt sind. Als Hersteller von landwirtschaftlichen
Geräten für die Bodenbearbeitung, Aussaat und den Pflanzenschutz beschäftigt LEMKEN
heute weltweit mehr als 1.000 Mitarbeiter. Das Unternehmen befindet sich bereits in der
sechsten und siebten Generation im Besitz der Familie Lemken. Am Stammsitz im
niederrheinischen Alpen, ca. 50 km nordwestlich von Düsseldorf, produziert die Firma
LEMKEN knapp 13.000 Geräte pro Jahr und erwirtschaftete 2011 einen Umsatz von 266
Mio. Euro. LEMKEN gehört zu den führenden Unternehmen der Branche in Europa. Mit
einem Marktanteil in Deutschland bei Drehpflügen und Grubbern von über 40 % ist
LEMKEN die Nr. 1 unter den Anbietern.
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1 Analyse
1.1 IST-Zustand
Der vorhandene Reparaturprüfstand besteht aus einer Werkbank mit zwei Arbeitsplätzen und
einer hydraulischen Presse.
An diesen Arbeitsplätzen werden Tätigkeiten durchgeführt, wie Garantie-, Rückmeldung-,
Reparaturbearbeitung aber auch Montagearbeiten. Jeder Arbeitsplatz hat zwei
Hydraulikkreise, die einzeln über mechanisch betätigte Wegeventile angesteuert werden
müssen. Die Hydraulikpresse erfüllt nicht mehr die heutigen Anforderungen.
Für die Inbetriebnahme der Hydraulikpresse, muss ebenfalls ein elektrisches und ein
mechanisches Wegeventil per Hand betätigt werden.
Der Betriebsdruck an den Arbeitsplätzen ist über je ein Druckminderventil einstellbar. Der
Volumenstrom ist nicht ordentlich einstellbar.
Die Elektromagnetventile werden über ein externes Netzgerät versorgt.
1.2 Soll-Zustand
Jeder Arbeitsplatz soll mit zwei elektrisch zu- und abschaltbaren Hydraulikkreisen
ausgestattet sein. Die Ansteuerung der elektrischen Wegeventile soll logisch und übersichtlich
und von jedem Arbeitsplatz möglich sein. Das derzeit vorhandene Aggregat versorgt
zusätzlich noch einen Vormontagearbeitsplatz.
Die Spannungsversorgung des Prüfstandes muss über ein integriertes Netzgerät erfolgen.
Hierbei ist zu beachten, dass der Schaltschrank über alle nötigen Anschlussmöglichkeiten
verfügt. Der Betriebsdruck und der Volumenstrom sollen proportional steuerbar sein. Der
aufgesteuerte Druck und der Volumenstrom sollen an den Reparaturarbeitsplätzen ablesbar
sein. Die hydraulische Presse muss den heutigen Sicherheitsvorschriften angepasst sein und
die hydraulischen Lastdrücke sollen am Prüfstand simuliert werden können.
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1.3 Eingrenzung des Themas
Nach ersten Besprechungen mit der Firma Lemken, und mit Veranschaulichungen im Werk
wurde der Entwurf des Prüfstandes umgeändert und die Neuerungen hinzugefügt.
Es sollten nicht mehr zwei Arbeitsplätze zum Prüfen entstehen sondern nur noch einer. Dafür
wurde der Zweite in einen Montagestand geändert auf dem man Schlosserarbeiten verrichten
kann. Diese Änderung schlug sich auf die Konstruktion um, denn der Tisch musste neu
konstruiert werden.
Die Arbeitsfläche wurde durchgehend konzipiert und eine Nische in die Platte eingearbeitet
an der man die Hydraulikzylinder zerlegen und Instandsetzen kann.
Die Presse bekam eine neue Aufnahme um die Handhabung besser zu bewerkstelligen und
der Vortrieb des Pressenzylinders wurde abgewandelt.
Abbildung 2 jetziger Prüfstand der Firma Lemken
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4 Begriffsbestimmung Maschine
Die Anlage wurde nach gültigen Maschinenrichtlinien geplant, Entwickelt und Konstruiert.
Auf die Passagen der Richtlinien wurde Rücksicht genommen und die Vorgaben wurden
beachtet.
Im Sinne der „Richtlinie 2006/42/EG Des Europäischen Parlaments und des Rates vom
17. Mai 2006 über Maschinen und zur Änderung der Richtlinie 95/16/EG (Neufassung)“
4.1 Auszug aus Artikel 2
a) „Maschine“
- eine mit einem anderen Antriebssystem als der unmittelbar
eingesetzten menschlichen oder tierischen Kraft ausgestattete
oder dafür vorgesehene Gesamtheit miteinander
verbundener Teile oder Vorrichtungen, von denen
mindestens eines bzw. eine beweglich ist und die für
eine bestimmte Anwendung zusammengefügt sind;
- eine Gesamtheit im Sinne des ersten Gedankenstrichs,
der lediglich die Teile fehlen, die sie mit ihrem Einsatzort
oder mit ihren Energie- und Antriebsquellen verbinden;
- eine einbaufertige Gesamtheit im Sinne des ersten und
zweiten Gedankenstrichs, die erst nach Anbringung auf
einem Beförderungsmittel oder Installation in einem
Gebäude oder Bauwerk funktionsfähig ist;
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
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4.1 Auszug aus Artikel 2
a) „Maschine
- eine Gesamtheit von Maschinen im Sinne des ersten,
zweiten und dritten Gedankenstrichs oder von unvollständigen
Maschinen im Sinne des Buchstabens g, die,
damit sie zusammenwirken, so angeordnet sind und
betätigt werden, dass sie als Gesamtheit funktionieren;
- eine Gesamtheit miteinander verbundener Teile oder
Vorrichtungen, von denen mindestens eines bzw. eine
beweglich ist und die für Hebevorgänge zusammengefügt
sind und deren einzige Antriebsquelle die unmittelbar
eingesetzte menschliche Kraft ist;
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5 Zeitplanung Tabelle 1 Zeitplanung der Projektarbeit
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6 zu prüfende Bauteile
Bei der Erstellung des Prüfstandes für die Firma Lemken, sollte dieser eine Vielzahl von
Baugruppen testen können. Hierbei handelt es sich um die Bauteile, die die Firma Lemken
selbst in ihren Produkten verwendet. Diese sollten alle am Prüfstand begutachtet und
eventuell instandgesetzt werden.
Die vorgegebene Stückzahl der Bauteile beläuft sich momentan auf 206 zu prüfende Bauteile.
Tabelle 2 Auszug aus Prüfteilliste
In Tabelle 2 ist ein Auszug der Teile zu sehen, welche am Prüfstand, getestet werden sollen.
Die Bauteile werden je nach ihren Aufgaben, elektrisch, hydraulisch oder Elektrohydraulisch
geprüft.
Jedes Bauteil hat entsprechende Prüfkriterien, die im Programmablauf berücksichtigt werden
mussten. Hierbei handelt es sich um 206 Unterprogramme des Hauptprogramms. Mit einer
Änderung durch die Firma ist dieser Teil entfallen.
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7 Konstruktion des Prüfstandes / Arbeitsplatz
Bei der Konstruktion des Prüfstandes / Arbeitsplatzes gab es seitens der Firma keine
Vorgaben. Das Team musste sich hierbei doch an die Richtlinie halten, die eine
Ergonomische und sichere Entwicklung fordert.
Eine Risikobeurteilung und ihre Umsetzung werden von der Firma Lemken durchgeführt.
Dennoch musste der sichere Umgang mit Fluiden nach Artikel 1.1.3. ( Maschinenrichtlinien)
„Materialien und Produkten“ sichergestellt sein.
Hier wurde dann eine Lösung gefunden indem man eine Ölauffangwanne unter den
Arbeitsplatz und unter die Presse konstruierte. Diese ist über ein Ölablassventil zu entleeren
und fachgerecht zu entsorgen.
Bei der Ergonomie von beiden Arbeitsbereichen, wurde eine Höhe von 1000 mm gewählt.
Dies gewährt ein sicheres und ermüdungsfreies Arbeiten an den Plätzen.
Bei der Ergonomie des Prüfstandes war auch der Aufstellungsort wichtig. Zur Aufstellung des
Prüfstandes wird der in der Firma Lemken bekannte Platz gewählt. Er erlaubt ausreichend
Bewegungsfreiraum für das Bedienpersonal.
Alle Sicherheitsrelevanten Schalter und Bedienelemente sind nach DIN VDE angebracht und
von jeder Position zu erreichen. Durch eine mechanische Verriegelung am Deckel des
Arbeitsplatzes, ist auch das Einschalten bei geöffnetem Deckel geregelt. Die Prüfung lässt
sich nur Starten wenn der Deckel und das Seitenteil geschlossen sind und in die
entsprechende Sicherheitsrastklinge einrasten. Bei öffnen des Deckels während der Prüfung,
wird diese sofort gestoppt.
Abbildung 3 Plexiglas XT 8mm Farblos
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Der Deckel ist aus 8mm dicken Plexiglas, wie in Abbildung 3 zuerkennen gefertigt und bietet
dem Bediener ausreichend Sicherheit bei seiner Arbeit. Alle Kanten und Ecken sind
abgerundet und entgratet, somit werden Verletzungsgefahren des Bedieners vermieden.
Zur Realisierung der Montage und Demontage von Hydraulikzylindern ist das Team zu dem
Entschluss gekommen eine Verstellbare Aufnahme zu konstruieren.
Abbildung 4 Höhenverstellbare Zylindermontage Halterung
Die Aufnahme muss höhenverstellbar sein, wie in Abbildung 4 zu sehen ist, weil einige
Zylinder senkrecht stehend zerlegt werden müssen. Dies ist möglich über die eingebaute
Handkurbel an dem Arbeitsstand.
Die Fläche des Arbeitsplatzes ist voll nutzbar, somit können auch längere Zylinder auf ihm
abgelegt werden. Zudem ist die Arbeitsfläche mit Löchern versehen, durch sie läuft das Öl in
die Ölauffangwanne ab. Abbildung 5 zeigt eine Hydraulik
Schnellkupplung, mit der alle Zylinder über
Schlauchverbindungen angeschlossen werden.
Abbildung 5 Hydraulik Schnellkupplung
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Bei der Konstruktion des Deckels, wurde darauf geachtet, dass die Prüfung nur starten kann,
wenn der Deckel vollständig geschlossen ist und in die vorgesehenen
Sicherheitspositionsschalter die getrennten Betätiger eingerastet sind. Der Betätiger ist am
Deckel verschraubt, damit ist eine Demontage und die Umgehung des Schutzeinrichtung
gewährleistet. Der Sicherheitsschalter ist an 2 Stellen des Arbeitsplatzes angebracht,
dadurch ist das unbeabsichtigtes in Gang setzen verhindert. Durch einen
Verriegelungsmechnismus wird der Deckel in Position gehalten und muss durch ein leichtes
nach oben drücken entriegelt werden und kann dann erst wieder verschlossen werden.
In Abbildung 6 ist der Deckel des Prüfplatzes zu sehen.
Der Hydraulikanschlussblock mit Schnellkupplung ermöglicht ein anschließen und prüfen der
Hydraulikzylinder am Arbeitsplatz.
Im hinteren Bereich ist der Arbeitsplatz mit einer Blechwand versehen, die das Eingreifen in
den Prüfablauf verhindert. Des Weiteren verhindert sie, sowie der Deckel auch im Falle einer
Leckage, dass Öl aus dem Arbeitsbereich austritt. Weiterhin trennt sie auch den Bereich der
Hydraulikmontage von dem der Presse.
Somit sind 2 voneinander getrennte Arbeitsbereiche vorhanden.
Abbildung 6 Arbeitsplatz Hydraulikmontage mit Deckel
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7.1 Schwenkarm
Der gesamte Prüfablauf wird über ein Touch Panel der Firma Siemens gestartet. Das Touch
Panel ist in einem Rahmen eingebaut. Dieser ist mit einem Schwenkarm der Firma Rittal
verschraubt. Der Schwenkarm lässt sich in alle Richtungen um 270 ° schwenken und erlaubt
so von jedem Bediener gut erreicht zu werden. Er ist in Augenhöhe angebracht.
Bei der Auswahl des Passenden Schwenkarms ist berücksichtigt worden,
- Tragkraft
- Schwenkbereich
- Ergonomie
- leichtes bewegen
- gute Bedienbarkeit an jedem Arbeitsplatz
Hier ist das Team dann zu dem Entschluss gekommen einen serienmäßigen Schwenkarm der
Firma Rittal zu nehmen.
Bei einer benötigten Auslagenlänge von 1000 mm fiel die Wahl auf das Tragarmsystem CP.
Die benötigten Komponenten wurden aus dem Handbuch 33 Ausgabe 2012/2013 der Firma
Rittal entnommen und aufgelistet.
Der Schwenkarm besteht aus folgenden Komponenten
- Rittal Compact Panel mit Tragarmanschluss
- Gehäusekupplung, rund
- Gehäusebefetigung
- Winkelstück 90°
- Wand / Bodenbefestigung
- Tragprofil (Verschieden ablängbar)
- Mastbefestigung
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Um eine gute Belastbarkeit des Schwenkarmes zu gewährleisten und anbei noch Geld zu
sparen wurde die Variante von Rittal gewählt. Sie ist ausreichend Belastbar auch wenn der
Bediener den Schwenkarm von Arbeitsplatz zu Arbeitsplatz schwenkt.
Abbildung 8 Rittal Campact Panelgehäuse Abbildung 7 Gehäusekupplung rund
Abbildung 10 Gehäusebefestigung Abbildung 9 Winkelstück 90 °
Abbildung 11 Tragarmprofil
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Abbildung 12 zeigt das Belastungsdiagramm des Schwenkarms. Die Länge des Auslegers in
diesem Fall beträgt 1000 mm. Die zulässige statische Last beträgt 400 N.
Das Gehäuse hat ein Eigengewicht von 3,8 Kg, auch wenn ein Bediener den Schwenkarm
bewegt ist es stabil genug den Belastungen Stand zu halten.
Abbildung 12 Belastungsdiagramm Tragarm
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7.2 Rittal Kompakt Schaltschrank AE für Elektronik
Um die gesamte Steuerung für den Prüfstand Normgerecht unterzubringen wurde ein
Schaltschrank der Firma Rittal verwendet. Dieser ist verschließbar durch eine Tür. Der
Aufbau ist aus Metall, damit ist er auch robust genug für die Umgebungsanforderung im
Werk der Firma Lemken.
Die Bestückung des Schaltschranks ist mit allen
nötigen Sicherungen und der gesamten SPS (S7
– 315F), wie in Abbildung 13 der Firma
Siemens ausgerüstet.
Der Einbau des Schaltschranks ist im rechten
unteren Bereich des Arbeitsplatzes angeordnet
und mit einer zu dem Schaltschrank passenden
Mastbefestigung für die Tischbeine versehen.
Hier ist auch genügend Bewegungsfreiheit für
Prüfungen und eventuelle Reparaturen, sowie
Erweiterung des Systems. Die komplette Kabelführung für die Steuerung verläuft unter den
Arbeitsplätzen und sie werden dann an den passenden Stellen verlegt und angeschlossen.
Abbildung 14 zeigt die Darstellung und Anordnung in der CAD Zeichnung.
Abbildung 13 Siemens S7 CPU 315
Abbildung 14 Schaltschrank für SPS Steuerung
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7.3 Rittal Kompaktschaltschrank für Hydraulik
Der Schaltschrank für alle Hydraulikkomponenten wie in Abbildung 15 und 16 zusehen ist,
musste groß dimensioniert sein, damit die gesamte Hydraulik mit den Steuerblöcken und
Ventilen Platz findet und der Schrank sollte auch noch ausreichend Platz für
Wartungsarbeiten und Reparatur haben. Hier fiel die Wahl auf den Kompakt Schaltschrank
AE-AE 1100.500 aus Edelstahl. Diese Version ist 2 Türig und hat die Abmaße (BxHxT
1000mm 760mm 210mm).
An der linken Seite befinden sich die Anschlüsse für Hydraulik Zu -und Rücklauf. Diese
werden durch je einen Flansch durch den Schaltschrank in das Innere geleitet und dort auf die
Verschiedenen Zweige aufgeteilt. Alle im Schrank enthaltenen Komponenten sind auf der
Grundplatte befestigt. Die Rohrleitungen verlaufen wie die
Elektroleitungen unter dem Prüfstand und werden an
benötigter Stelle hochgeführt.
Abbildung 16 Originalbild Rittal
Kompakt Schaltschrank
Abbildung 15 Kompakt Schaltschrank Hydraulik
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
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7.4 Auswahl der Baumaterialien für den Arbeitsplatz
Bei der Auswahl des Materials für den Prüfstand, musste das Team auch den Kostenfaktor im
Auge behalten. Deswegen ist die Entscheidung auf S235 JR Baustahl des allgemeinen
Maschinenbaus gefallen. Dieses Material ist in großen Mengen bei der Firma Lemken vor Ort
und wird zum Bau des Prüfstands genutzt.
Für die Tischbeine sind Vierkantrohre (50x50x5) verwendet worden. Sie sind ausreichend
dimensioniert, an ihm treten keine Belastungen auf, die ihn zerstören würden.
Die Arbeitsfläche ist aus 2 verschiedenen Platten gefertigt.
Platte 1 hat die Abmaße in mm (1475x950x10) und ist aufgrund der Arbeiten an den
Hydraulikzylinder dicker gewählt, weil auf ihr mechanische Arbeiten verrichtet werden. Es ist
hier auch noch eine Aussparung für die Höhenverstellung konstruiert worden welche die
Abmaße in mm (350x350) hat. Diese dient zur senkrechten Montage und Aufnahme der
Hydraulikzylinder.
Platte 2 hat die gleichen Abmaße wie Platte 1 jedoch ist sie nur 5mm stark. Dies ist
ausreichend, denn hier werden nur Prüfabläufe getätigt und keine mechanischen Arbeiten
verrichtet.
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
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Beide Platten sind von unten verstrebt und halten den hier anliegenden Belastungen stand.
Die Belastungen wurden mit der FEM Analyse dargestellt. Bei einer angenommenen Last von
150 Kg mittig auf den Platten
Desweitern sind die Platten bündig im Tisch eingebaut und lassen sich zur Reinigung der
Ölwanne ohne großen Aufwand ausbauen. In Abbildung 17 sieht man die FEM Analyse,
welche die Belastungen zeigt die auftreten. Bei einer max. Belastung von 29,9 N/mm² ist die
Platte ausreichend dimensioniert.
Abbildung 17 FEM Analyse Tischplatte Arbeitsplatz
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In Abbildung 18 ist die Konstruktionsansicht der Tischplatten zu sehen.
Abbildung 18 Tischplatten Arbeitsplatz
In der Abbildung 19 kann man den Rahmen des Tischgestells sehen. Hier ist auch klar zu
erkennen dass die Tischplatte zweigeteilt ist. Mittig im Gestell ist eine Schiene verbaut.
Abbildung 19 Gestell Arbeitsplatz
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8 Konstruktion der Presse
Bei der Konstruktion der Presse hatte das Team nur die Vorgabe, dass ein Druck von 0-100
bar stufenlos Regelbar sein sollte. Der Druck sollte dann über einen gewissen Zeitraum zur
Prüfung gehalten werden.
Bei der momentan vorhandenen Presse handelt es sich um eine seit Jahren veraltete Presse die
nicht mehr dem Stand der Technik und den Sicherheitsvorschriften entspricht. Sie ist während
der Prüfung frei zugänglich. Sie besitzt keine Abdeckung und der Druck ist nicht regelbar.
8.1 Vorüberlegungen für die Hydraulikpresse
Bei der ersten Gedankenfindung hatte sich das Team sich für eine waagerechte Presse
entschieden, weil dies aus der Sicht des Teams komfortabler und ergonomischer ist.
Es wurde ein Hydraulikzylinder fest auf dem Gestell montiert, dieser übt den Prüfdruck auf
den zu prüfenden Zylinder aus. Die Aufnahme des zu prüfenden Zylinders ist mit Bolzen auf
der Arbeitsplatte versehen worden. Dies ist jedoch ungünstig gewesen, da die auftretenden
Kräfte zu hoch sind und die Bolzen abgeschärt wurden.
Abbildung 20 Entwurf Hydraulikpresse
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
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Abbildung 21 zeigt die momentan vorhandene Presse im Werk der Firma Lemken.
Abbildung 21 Hydraulikpresse der Firma Lemken
Um die Kräfte aufnehmen zu können, wurde ein T-Träger unter die Arbeitsplatte geschweißt.
Dieser ist groß genug damit sich die Presse bei Belastung nicht verbiegt.
Die Auswahl des Trägers ist nach DIN 1025-2 IPB Reihe getroffen worden.
IPB 200 h=200 b=200
Abbildung 22 Querschnitt Presse mit Sicht auf T- Träger
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8.2 Neukonstruktion der Hydraulikpresse
Der Entwurf berücksichtigt den neuesten Stand der Technik und hält sich an die
Maschinenrichtlinie 2006/42/EG Des EUROPÄSCHEN PARLAMENTS UND DES RATES
vom 17. Mai 2006 und der BGR 500 Kapitel 2.3 Pressen der Metallbe-und –verarbeitung.
Das ungewollte Einschalten bei geöffneter Abdeckung ist nicht mehr möglich.
Es sind Sicherheitsschalter eingebaut worden, die wie auch an dem Arbeitsplatz das
Einschalten bei geöffnetem Deckel verhindern. Des Weiteren sind in den Reichweiten der
Bediener NOT HALT, sowie NOT-AUS eingebaut worden. Weiterhin ist die Presse nur als 2
Hand-Bedienung konstruiert worden.
Bei der Konstruktion der Presse in Abbildung 23 handelt es sich um eine
Entwurfskonstruktion, die vielleicht in dieser Variante gebaut wird. Die Vorschläge seitens
der Firma sind umgesetzt worden und mit in die Konstruktion eingeflossen.
Abbildung 23 letzter Entwurf der Hydraulikpresse
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Abbildung 24 Deckelmechanismus der Presse
Die Presse ist wie auch der Arbeitsplatz aus S235JR Baustahl gefertigt, da bei der
Konstruktion auf möglichst günstige Materialien zurückgegriffen werden sollte.
Das Gestell der Presse ist verschweißt und mit Streben, zur besseren Stabilisierung konstruiert
worden. Der T-Träger befindet sich unter der Arbeitsfläche und nimmt die entstehenden
Kräfte auf, damit sich die Presse nicht verformt.
Um eventuelle Ölverluste auffangen zu können ist eine Ölauffangwanne unter die
Arbeitsplatte angebracht worden. Das hier aufgefangene Öl kann über ein Ventil abgelassen
und Fachgerecht entsorgt werden.
Bei der Abdeckung der Presse musste beachtet werden dass beim Öffnen der Presse die
Abdeckung nicht mit dem Arbeitsplatz kollidiert. Hier ist ein eigens entwickelter
Mechanismus konstruiert worden. Abbildung 24 zeigt die Konstruktionsansicht des
Mechanismus.
Wenn der Deckel geöffnet wird, schwenken die Seitenteile nach unten und das Oberteil mit
der Frontplatte gehen nach oben. So ist gewehrleistet, dass der Deckel der Presse nicht mit
dem Arbeitsplatz kollidiert.
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
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8.3 Auswahl des Pressenzylinders
Bei der Auswahl des Pressenzylinders mussten einige Überlegungen gemacht werden.
- Was muss der Zylinder leisten
- Es muss ein 2-Wegezylinder sein
- Wie lang soll die Hublänge sein
- Aufnahmevarianten
Hierbei hatten wir die Vorgaben der Firma die Presse soll 15 Tonnen drücken können und
einen einstellbaren Druck haben.
Mit diesen Angaben wurde der für die Presse passende Zylinder gewählt.
Abbildung 25 Beispiel Zylinder für Presse
In Abbildung 25 ist der ausgewählte Zylinder nach Datenblatt Typ 46 · Differentialzylinder
ISO 6022 / DIN 24333 zu sehen. Die Abbildung 24 zeigt die gerenderte CAD Konstruktion.
Abbildung 26 Konstruktion Hydraulikzylinder
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8.4 Verbindungsbolzen
Bei der Berechnung des Bolzens ist der Durchmesser schon durch die Bauart vorgegeben.
Bei einer Belastung von max. 15 Tonnen ( 150.000 N) ergibt sich rechnerisch ein
Durchmesser von 21 mm.
8.4.1 Berechnung des Bolzen
Bei der Berechnung des Verbindungsbolzens, mussten die auftretenden Kräfte, wie in
Abbildung 27 dargestellt, aufgenommen werden.
Der Bolzen verbindet den Pressenzylinder mit dem zu prüfenden Zylinder.
Abbildung 27 Auftretende Kräfte am Verbindungsbolzen
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
32
Material Bolzen: S235JR
Anwendungsfaktor gewählt nach:
Arbeitsweise: mittlere Stöße
Antriebsmaschine: leichte Stöße
Betriebsfaktor gewählt nach TB 3-5c
Festigkeitskennwerte gewählt nach TB 1-1
8.4.2 Berechnung der Vorhanden Fläche
[1]
8.4.3 Berechnung der Zulässigen Kraft
[2]
8.4.4 Berechnung der Erforderlichen Fläche
[3]
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
33
8.4.5 Erforderlicher Bolzendurchmesser
√
Es wurde ein Bolzen mit dem Durchmesser von 25mm gewählt. Abbildung 28 zeigt die FEM
Analyse. Die Streckgrenze liegt bei 275 N/mm².
Abbildung 28 Verbindungsbolzen Pressenzylinder
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
34
9 Lochleibungskräfte an Verbindungsgabel
Damit die Kräfte an der Verbindungsgabel aufgenommen werden können, muss zusätzlich
noch die Lochleibungspressung an der Verbindungsgabel wie in Abbildung 29 berechnet
werden. Diese ist jedoch so gering, dass sie vernachlässigt werden kann. Es ist letztendlich
nur ein Beweis erbracht, dass das Bauteil hält.
Abbildung 29 Verbindungsgabel Pressenzylinder
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
35
9.1 Berechnung der Lochleibungspressung
Gewähltes Material: 34CrMo12
gewählt aus Tabelle 1-1
Flächenpressung in Gleitlagern und Bolzenverbindung
[4]
umgestellt nach
Zulässige Flächenpressung
[5]
Der Nachweis ist erfüllt, die zulässige Lochleibungspressung wird nicht überschritten.
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
36
10 Schweißnaht an der Führungsschiene
Bei der Aufnahme des Zylinders auf dem Pressentisch, musste eine Konstruktion entwickelt
werden die den auftretenden Kräften gewachsen ist. Hier war das Problem durch die großen
Kräfte auch die Konstruktion passend zu gestalten und das richtige Material auszusuchen.
Die Führungsschiene muss auf der Tischplatte verschweißt werden. Hier ist durch die
thermische Belastung darauf zu achten das die Schweißnaht nicht auf ganzer länger
geschweißt wird.
Das Team entschied sich für eine 6mm Kehlnaht in Abständen von 221 mm und jeweils 89
mm frei. Die gleiche Aufteilung der Schweißnaht ist auch am Doppel-T-Träger. Die
Abbildung 30 zeigt eine Schematische Darstellung der Schweißnaht. Bei einer gesamt Länge
von 2000 mm, ist die Schweißnaht ausreichend lang und stabil, um die Kräfte aufnehmen zu
können.
Die gesamte Länge der Führungsschiene beträgt 3000 mm.
Abbildung 30 Beispiel der Schweißnaht an Führungsschiene
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
37
10.1 Berechnung der Schweißnaht an Führungsschiene
Um die Nahte zu berechnen musste im Vorfeld überlegt werden, welche Kräfte wirken.
Abbildung 31 zeigt die schematische Darstellung der Kräfte.
aus T-B 3.5c gewählt für Schweiß- Niet-, und Bolzenverbindung. Die gewählte Betriebsart
ist, stoßhafte Bewegung und Art der Maschine ist Spindelpressen, hydraulische
Schmiedepressen, Abkantpressen, Profilscheren, Sägegatter. Dabei entschied sich das Team
für den Anwendungsfaktor von
[6]
[7]
Abbildung 31 Darstellung der Kräfte an der Presse
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
38
10.1.1 Dickenbeiwert
Dickenbeiwert (b) für geschweißte Bauteile im Maschinenbau nach DS 952
[8]
10.1.2 Zul. Schubspannung Nach Tabelle 6.13 S.82
Die Werte mit dem Dickenbeiwert 0,59 multipliziert ergibt,
Diese Werte dürfen nicht überschritten werden.
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
39
10.1.3 Schubspannung
[9]
10.1.4 Biegespannung
[10]
10.1.5 Vergleichsspannung
√ [11]
√
Die Schweißnaht ist ausreichend für die auftretenden Kräfte ausgelegt.
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
40
11 Bolzen am Führungsschlitten
An den Bolzen, die den Schlitten auf der Führungsschiene fixieren tritt eine statische
Belastung auf. Die Bolzen müssen auf Scherung berechnet werden weil die Biegung gering ist
und somit nicht berücksichtigt werden muss. (Bezug auf Abbildung 31)
Das gewählte Material der Bolzen ist C15E.
11.1 Berechnung
√
√
Berechnung der resultierenden Kraft am Führungsschlitten.
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
41
11.2 Abscherrbeanspruchung
Der Schlitten wird mit 2 Bolzen auf der Schiene verbolzt und dadurch teilen sich die Kräfte
gleichmäßig auf beide Bolzen auf.
[12]
[13]
[14]
Die Bolzen halten den Beanspruchungen stand.
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
42
12 Schwerpunktermittlung des T-Trägers
Durch die Verstärkung der Tischplatte mit einem Doppel-T-Träger, verändert sich auch der
Schwerpunkt. Dieser wird in der Folgenden Rechnung neu ermittelt.
Tabelle 3 Schwerpunktberechnung
n An Xn Yn An*Xn An*Yn
1 2000mm² 250mm 35mm 500000mm³ 70000mm³
2 10000mm² 250mm 80mm 2500000mm³ 800000mm³
3 7808,12mm² 250mm 180mm 1952030mm³ 1405461,6mm³
[14]
Bei der Berechnung des Schwerpunktes wie in Tabelle 3 gezeigt, befindet sich der
Schwerpunkt bei 114,88 mm.
Abbildung 32 Schwerpunkt Bestimmung
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
43
13 Hydraulik
Als Vorlage diente der alte Hydraulikschaltplan, da die grundsätzlichen Funktionen der
Anlage sich nicht geändert haben. Um eine Automatisierung der Anlage zu ermöglichen,
mussten alle manuell und mechanisch per Hand betätigten Ventile durch elektrisch
ansteuerbare Ventile ersetzt werden.
Um dieses zu realisieren wurde auf Hydraulikkomponenten der Firma HYDAC
INTERNATIONAL GmbH zurückgegriffen.
Im weiteren Verlauf des Projektes wurde ein Besuch der Firma auf der Hannover Messe
gemacht um direkt vor Ort Gespräche zu führen und im Laufe der Zeit wurden Angebote
eingeholt und Gespräche mit Ingenieuren der Firma HYDAC geführt, die das Team weiter an
das Ziel gebracht haben.
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
44
13.1 Erstellung Hydraulikschaltplan
Abbildung 33 Hydraulikschaltplan
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
45
Zur Erstellung des Schaltplans wurde das Programm Festo Fluidsim© 4 Version 4.2 genutzt.
Hiermit konnten alle erforderlichen Symbole im Schaltplan dargestellt werden.
Bei der Umsetzung des Schaltplans wurde darauf geachtet, die Anforderungen der Firma
Lemken genau umzusetzen.
Es wurde großer Wert darauf gelegt einen Plan zu entwickeln, der eine komplette
Automatisierung der Anlage erlaubt.
Wie in Abbildung 33 zu sehen wurde das Aggregat (rot umrandet), wie auf Wunsch der Firma
Lemken erhalten und unverändert in den Schaltplan eingebunden, sowie der bereits
vorhanden Vormontageplatz (blau umrandet).
Alle Wege- und Proportionalventile sind elektrisch ansteuerbar.
Die Drücke und Volumenströme sind durch Messumformer elektrisch erfassbar.
Zur Aufrechterhaltung konstanter Drücke an der Presse, wurden entsprechende Druckspeicher
verbaut.
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
46
13.2 Hydraulikaggregat
Durch die Vorgaben der Firma Lemken sollte das vorhandene Hydraulikaggregat bestehen
bleiben und den neuen Prüfstand versorgen.
Dieses wurde umgesetzt und die Schaltung und Anschlüsse wurden in den Schaltplan
eingebaut
Abbildung 34 Hydraulikaggregat der Firma Lemken
Technische Daten:
Leistung: 15Kw
Druck: 350 bar
U/min: 1500
Tankinhalt: 120 l
Durchflussleistung: 30 l/min
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
47
13.3 Vormontageplatz
Der Vormontageplatz blieb aus hydraulischer Sicht unberührt und wird bei Bedarf weiterhin
von dem Aggregat versorgt.
13.4 Wege- und Proportionalventile
Die ausgesuchten Ventile sind magnetbetätigt und elektrisch ansteuerbar. Es wurde darauf
geachtet, dass sie dem Betriebsdruck von 200 bar, sowie dem maximalen Volumenstrom von
30 l/min vor dem Stromregelventil, bzw. 25 l/min nach dem Stromregelventil standhalten.
z.B Abbildung 36
Betriebsdruck: pmax. = 320 bar
Volumenstrom: max. 80 l/min
Spannung: 24 V / DC
Abbildung 35 Vormontageplatz der Firma Lemken
Abbildung 36 4 / 3 Wege Schieberventil
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
48
Zur Realisierung der Druckregelung von 0-200 bar hat sich das Team für ein proportional
Druckregelventil entschieden, das elektronisch regelbar ist. Hier wurde seitens der Firma
HYDAC das VP-PDRP6 empfohlen, welches einen Druckbereich von 0-230 bar regeln kann.
Abbildung 37
Betriebsdruck: max. 230 bar
Volumenstrom: max. 60 l/min
Spannung: 24 V / DC
Um den Anforderungen zur stufenlosen Volumenstromregelung gerecht zu werden, wurde
sich auch hier für ein proportionales Stromregelventil entschieden.
Zur Prüfung des Durchflusswächters musste eine feinere Regelung des Volumenstroms
erfolgen, daher werden zwei Stromregelventile eingesetzt. Das erste Ventil 1V5 in Abbildung
33, ermöglicht eine Regelung von 0 – 25 l/min und
das zweite Ventil 1V4 in Abbildung 36 ermöglicht
eine feinere Regelung des Volumenstroms von 0 –
1,5 l/min, somit wird gewährleistet, dass das
Schaltvolumen des Durchflusswächters präzise
erreicht wird.
Abbildung 38
Justage: 1 l/min
Tolleranz: +/- 0,3 l/min
Abbildung 37 Proportional Druckregelventil
Abbildung 38 Durchflusswächter
Abbildung 39 proportional Stromregelventil
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
49
13.5 Druck- und Volumenstrommessumformer
Zur Erfassung der verschiedenen Drücke- und Volumenströme der Anlage wurden
elektronische Messumformer verwendet. Sie ermöglichen über ein analoges Ausgangssignal
das ermitteln des momentan anliegenden Druckes oder Volumenstroms. Auch hier wurde auf
Komponenten der Firma HYDAC zurückgegriffen.
Die Druckmessumformer haben einen Druckbereich von 0 – 250 bar und die
Volumenstrommessumformer haben einen Messbereich von 6 – 60 l/min.
Die Messumformer 1B3 und 1B5 siehe Abbildung 40
haben einen Messbereich von 0,5 – 1,5 l/min, auch sie
wurden speziell für die Prüfung des Durchflusswächters
in Abbildung 40 eingesetzt.
Abbildung 40 Durchfluss Messumformer
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
50
14 Elektrik
Die Umsetzung der Elektrik, orientierte sich an den Vorgaben der Firma Lemken zur
Verwendung der Bauteile auf das Produktportfolio der Firmen EATON, Murr und Siemens,
sowie an die Hydraulikkomponenten und an den Sicherheitsaspekten. Des Weiteren musste
darauf geachtet werden, dass zur Umsetzung einer Automatisierung alle relevanten
Elektronikbauteile an eine SPS angebunden sind. Alle Stromlaufpläne sind mit dem
Programm SEE Electrical Schulversion V5R1 erstellt worden.
14.1 Versorgung
Die Versorgung der Anlage erfolgt über 3x 400V/N 50Hz und wird über den Hauptschalter
Q1 zur Anlage freigeschaltet.
Zur Versorgung des Signalkreises wird die anliegende Spannung über Netzteile auf 24 V/DC
und 12 V/DC gewandelt, dies erfolgt durch die
SITOP Bauteile der Firma Siemens wie in Abbildung
41 dargestellt. Die Bauteile werden durch
Leistungsschalter und Leitungsschutzschalter
abgesichert.Da die vom Team entwickelte Anlage
mit Signalspannungen von 24V/DC arbeitet, jedoch
die durch die Anlage zu prüfenden Teile mit 12V/DC
betrieben werden, mussten zwei verschiedene
Netzteile verwendet werden.
Abbildung 41 SITOP PSU300S 24 V/40A
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
51
Abbildung 42 Stromlaufplan Lastschaltkreis
Abbildung 43 MICO
Lastkreisüberwachung
14.2 Lastkreis
Im Lastkreis befinden sich die Pumpe des Hydraulikaggregats, eine Stern-Dreieck-
Schützkombination für den Anlauf des Pumpenmotors und ein Leistungsschutzschalter zum
Schutz des Pumpenmotors vor zu hohem Betriebsstrom sowie vor Kurzschlüssen.
14.3 Signalkreis
Im Signalkreis sind alle Bauteile enthalten die mit einer Spannung von 24V/DC versorgt
werden und zur Anbindung der SPS sowie zur 12V/DC Ansteuerung der
externen Bauteile dienen. Der gesamte Signalkreis ist über MICO
Lastkreisüberwachungen wie in Abbildung 43 der Firma MURR
abgesichert. Zur Signalerfassung und Visualisierung der START- und
STOP Anforderungen des Vormontageplatzes, der zwei-Hand Bedienung
der Presse und der NOT-AUS sowie der NOT-HALT Einrichtungen der
Anlage wurden Taster, Schalter und Leuchtmittel der Firma EATON mit
Aufbaugehäusen verwendet.
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
52
Die 12 Volt Versorgung der zu prüfenden Teile erfolgt über
Optokoppler der Firma MURR, sie wurden verwendet, da sie einen
geringen Steuerstrom haben und so den Betriebsstrom des
Signalkreises gering halten und eine sichere Trennung des 24 V/DC
und 12V/DC Kreises realisieren.
Um eine sichere Abschaltung aller spannungsführenden Teile die
über 50V/DC durch den NOT-AUS und dessen
Drahtbruchsicherheit zu gewährleisten, wird der NOT-AUS-Kreis
direkt vor der Stern-Dreieck-Schützkombination eingebunden.
Die Umsetzung der NOT-HALT-Funktion, die zur Aufgabe hat alle
sich bewegenden Teile am Prüfstand sofort still zu setzen, werden
ein NOT-HALT-Taster und Sicherheitspositionsschalter wie in
Abbildung 45 der Firma EATON verwendet.
Zur Überwachung der Temperaturen im Schaltschrank „Elektro“
wurde ein Schaltschrankinnentemperaturregler der Firma Rittal
eingesetzt. Bei der Überwachung der Öltemperatur im Tank des
Aggregats wurde ein PT 100 und ein digitaler Thermostat der Firma
JUMO verwendet.
Abbildung 44 Optokoppler der
Firma MURR
Abbildung 45
Sicherheitspositionsschalter
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
53
15 Automatisierung
Für die Automatisierung des Prüfstandes wurde eine SIMATIC S7-315F von der Firma
Siemens gewählt, da diese eine Vorgabe der Firma Lemken war und die Firma diese schon für
ihre anderen Maschinen verwenden. Es mussten 8 Baugruppen als Rack
zusammengeschlossen werden um alle Signal zu erfassen und zu setzen. Zur
Benutzerfreundlichen Bedienung und Visualisierung am Prüfplatz, ist ein SIMATIC HMI
KTP 1000 Basic Touch Panel verwendet worden. Über dieses Touch Panel kann die SPS
gesteuert werden und die verschiedenen Programme können ausgewählt werden.
15.1 SPS und Baugruppen
Bei der Auswahl der S7- 315F wurde besonders darauf geachtet das sie Fehlersicher ist, das
heißt eine zweite CPU parallel zur ersten CPU arbeitet und im Ausfall deren Aufgabe
übernimmt, somit ist eine redundante Ausführung sichergestellt.
Zur Erfassung der Digitalen Eingänge wurde eine SM 321 mit 16 Eingängen verwendet.
Um die analogen Signale der Messumformer zu erfassen, wurden zwei SM 331 mit je 8
Eingängen gewählt.
Die Ansteuerung der Ventile erfolgt über zwei SM 322 mit 8 Ausgängen und einem
Ausgangsstrom von 2 A pro Ausgang, sie wurde gewählt um die Ventile die eine
Stromaufnahme von 1,13 und 1,33 haben direkt anzusteuern.
Zwei weitere SM 322 mit je 16 Ausgängen
kommen zum Einsatz um die Optokoppler
sowie Leuchtmittel zu schalten.
Die proportional Regelventile werden über
eine SM 332 mit 4 Analogen Ausgängen
geregelt.
Da die Regelventile mit 0 – ca. 1A bestromt
werden müssen, die Analogenausgänge
jedoch nur einen Ausgangsstrom von 0 –
20mA realisieren können, sind an dieser
Stelle Leistungsverstärker der Firma
HYDAC Abbildung 46 zum Einsatz
gekommen, um dieses Problem zu beheben.
Abbildung 46 Leistungsverstärker
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
54
15.2 Bedienoberfläche
Durch bereits vorhandene Software zur Programmierung des Touch Panel, wurde das KTP
1000 Basic gewählt. Es ermöglicht die individuelle Bedienung der Anlage und über die
Software WIN CC Flexibel ADVANCED kann es frei programmiert werden.
Die Kommunikation mit der SPS erfolgt mittels PROFIBUS, was auch eine weitere
Anbindung von Geräten erlaubt.
Abbildung 47 KTP 1000 Basic
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
55
16 Aufgetretene Probleme und Problemlösung
Wenn man eine Technikerabschlussarbeit erstellt, ist es fast unmöglich nicht auf Probleme zu
stoßen und konfrontiert zu werden.
Bei diesem Projekt bestand das größte Problem in der Umsetzung und in die Einarbeitung der
Programme sowie die wenig vorhandenen Hydraulikkenntnisse mehr auszuprägen.
Ein weiteres Problem war die große Entfernung zum Projektbetrieb. Es fanden alle
Kommunikationen über Email und Telefon statt. Durch verschiedene Änderungen und
zusätzlichen Anforderungen an den Prüfstand seitens der Firma ging viel Zeit verloren.
Des Weiteren war die Zusammenarbeit mit Fremdfirmen nicht immer ganz einfach und stellte
uns vor gewisse organisatorische Probleme.
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
56
17 Zusammenfassung
Am Ende unserer Technikerabschlussarbeit, können wir auf ein interessantes und
anspruchsvolles Projekt zurückblicken. Die Projektarbeit stellte uns über den gesamten
Zeitraum immer wieder vor eine große Herausforderung. Unser Team hatte bisher nicht mit
solch großen und umfangreichen Projekten zu tun. Wir wurden während der ganzen
Projektarbeit, immer wieder vor neue Aufgaben gestellt. Aufgrund des Umfangs der
Projektarbeit, bekamen wir immer Einblicke in verschiedene technische Bereiche und
konnten unser erlerntes Wissen in unterschiedlichen Bereichen unter Beweis stellen.
Im Lauf der Projektarbeit bekamen wir mehrere Probleme, die aber durch viel Recherche zu
unserer Zufriedenheit lösen konnten. Manche Teammitglieder hatten schon Vorkenntnisse in
Hydraulik und so konnte der Part der Hydraulik auch zur Zufriedenheit fertiggestellt werden.
Am Ende der Arbeit, lässt sich sagen, dass durch die Zusammenarbeit und unserer sozialen
Kompetenzen und der hohen Teamfähigkeit sehr gut zusammengepasst haben und das Projekt
zu einem für uns sehr guten Abschluss gebracht haben.
Mit den gesammelten Erfahrungen, lassen sich für uns in Zukunft andere Projekte besser
planen und noch besser angehen.
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
57
18 Danksagung
Die von uns angefertigte Technikerarbeit entstand im Zeitraum von Oktober 2012 bis August
2013 an der Technikerschule Stadthagen in Zusammenarbeit mit Firma Lemken & Co. KG
The AGROVision Company.
Im Zusammenhang mit unserer Technikerarbeit möchten wir folgenden Personen für Ihre
tatkräftige Unterstützung danken, die uns bei der Umsetzung der von uns gesetzten Ziele
beistanden.
Herr Dipl.-Ing Puyan Kachani und Herrn Dr. Ing. Kachani. Sie standen uns betreuend zur
Seite und halfen uns mit ihren Ratschlägen den Erfolg der Technikerarbeit voran zu treiben.
Für die Zusammenarbeit und dem Entgegenkommen mit der Firma Lemken & Co.KG
möchten wir uns bei Herrn Dirk Köhnen und Frau Anja Scholz besonders bedanken.
Weiter möchten wir uns bei Dipl.–Ing.(FH) Hermann Kolbe der Firma HYDAC
INTERNATIONAL GmbH bedanken die uns mit ihren Ingenieuren tatkräftig bei der
Erstellung der Hydraulikkomponenten unterstützt haben.
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
58
19 Eigenständigkeitserklärung
Wir versichern, dass die vorliegende Technikerarbeit von uns selbstständig angefertigt
worden ist und nur die angegebenen Hilfsmittel benutzt worden sind.
Alle Stellen die den Wortlaut oder den Sinn nach anderen Werken entnommen wurden, haben
wir durch Angaben der Literatur kenntlich gemacht.
Stadthagen
26.08.2013 ________________
Ort, Datum Florian Spreen
Stadthagen
26.08.2013 ________________
Ort, Datum Felix Kasten
Stadthagen
26.08.2013 ________________
Ort, Datum David Bross
Stadthagen
26.08.2013 ________________
Ort, Datum Benedikt Vieth
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
59
20 Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Hauptwerk der Firma Lemken in Alpen NRW .................................................... 8
Bereitgestellt von Firma Lemken GmbH & Co.KG
Abbildung 2 jetziger Prüfstand der Firma Lemken................................................................. 10
Bereitgestellt von Firma Lemken GmbH & Co.KG
Abbildung 3 Plexiglas XT 8mm Farblos ................................................................................ 15
http://www.alles-aus-plexiglas.de/typo3temp/pics/6644c402bc.jpg Abgerufen am 20.05.2013
um 18:30 Uhr
Abbildung 4 Höhenverstellbare Zylindermontage Halterung ................................................. 16
Erstellt mit Solid Works 2010
Abbildung 5 Hydraulik Schnellkupplung ............................................................................... 16
http://www.hydac.com/de-de/produkte.html Abgerufen am 26.07.2013 um 17:40 Uhr
Abbildung 6 Arbeitsplatz Hydraulikmontage mit Deckel ...................................................... 17
Erstellt mit Solid Works 2010
Abbildung 7 Gehäusekupplung rund ...................................................................................... 19
http://www.rittal.com/de-
de/product/list.action;jsessionid=E5C6F33CC73834E75BDA52F6CFA9CEC8?categoryPath
=/PG0001/PG0002SCHRANK1/PG7661SCHRANK1/PG0058SCHRANK1/PG0060SCHRA
NK1 Abgerufen am 20.06.2013 um 19:15 Uhr
Abbildung 8 Rittal Campact Panelgehäuse ............................................................................. 19
http://www.rittal.com/de-
de/product/list.action;jsessionid=E5C6F33CC73834E75BDA52F6CFA9CEC8?categoryPath
=/PG0001/PG0002SCHRANK1/PG7661SCHRANK1/PG0058SCHRANK1/PG0060SCHRA
NK1 Abgerufen am 20.06.2013 um 19:15 Uhr
Abbildung 9 Winkelstück 90 ° ................................................................................................ 19
http://www.rittal.com/de-
de/product/list.action;jsessionid=E5C6F33CC73834E75BDA52F6CFA9CEC8?categoryPath
=/PG0001/PG0002SCHRANK1/PG7661SCHRANK1/PG0058SCHRANK1/PG0060SCHRA
NK1 Abgerufen am 20.06.2013 um 19:15 Uhr
Abbildung 10 Gehäusebefestigung ......................................................................................... 19
http://www.rittal.com/de-
de/product/list.action;jsessionid=E5C6F33CC73834E75BDA52F6CFA9CEC8?categoryPath
=/PG0001/PG0002SCHRANK1/PG7661SCHRANK1/PG0058SCHRANK1/PG0060SCHRA
NK1 Abgerufen am 20.06.2013 um 19:15 Uhr
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
60
Abbildung 11 Tragarmprofil ................................................................................................... 19
http://www.rittal.com/de-
de/product/list.action;jsessionid=E5C6F33CC73834E75BDA52F6CFA9CEC8?categoryPath
=/PG0001/PG0002SCHRANK1/PG7661SCHRANK1/PG0058SCHRANK1/PG0060SCHRA
NK1 Abgerufen am 20.06.2013 um 19:15 Uhr
Abbildung 12 Belastungsdiagramm Tragarm ......................................................................... 20
http://www.rittal.com/de-
de/product/list.action;jsessionid=E5C6F33CC73834E75BDA52F6CFA9CEC8?categoryPath
=/PG0001/PG0002SCHRANK1/PG7661SCHRANK1/PG0058SCHRANK1/PG0060SCHRA
NK1 Abgerufen am 20.06.2013 um 19:15 Uhr
Abbildung 13 Siemens S7 CPU 315 ....................................................................................... 21
https://support.automation.siemens.com/WW/llisapi.dll?func=cslib.csinfo&lang=de&siteid=c
seus&aktprim=0&extranet=standard&viewreg=WW&objid=4000024&treeLang=de
Abgerufen am 22.06.2013 um 20:30 Uhr
Abbildung 14 Schaltschrank für SPS Steuerung ..................................................................... 21
http://www.rittal.com/de-
de/product/list/variations.action?categoryPath=/PG0001/PG0002SCHRANK1/PG0021SCHR
ANK1/PRO0023SCHRANK1&productID=PRO0023 Abgerufen am 20.06.2013 um 19:20
Uhr
Abbildung 15 Kompakt Schaltschrank Hydraulik .................................................................. 22
http://www.rittal.com/de-
de/product/list/variations.action?categoryPath=/PG0001/PG0002SCHRANK1/PG0021SCHR
ANK1/PRO0023SCHRANK1&productID=PRO0023 Abgerufen am 20.06.2013 um 19:20
Uhr
Abbildung 16 Originalbild Rittal Kompakt Schaltschrank ..................................................... 22
http://www.rittal.com/de-
de/product/list/variations.action?categoryPath=/PG0001/PG0002SCHRANK1/PG0021SCHR
ANK1/PRO0023SCHRANK1&productID=PRO0023 Abgerufen am 20.06.2013 um 19:20
Uhr
Abbildung 17 FEM Analyse Tischplatte Arbeitsplatz ............................................................ 24
Erstellt mit Solid Works 2010
Abbildung 18 Tischplatten Arbeitsplatz ................................................................................. 25
Erstellt mit Solid Works 2010
Abbildung 19 Gestell Arbeitsplatz .......................................................................................... 25
Erstellt mit Solid Works 2010
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
61
Abbildung 20 Entwurf Hydraulikpresse ................................................................................. 26
Erstellt mit Solid Works 2010
Abbildung 21 Hydraulikpresse der Firma Lemken ................................................................. 27
Bereitgestellt von Firma Lemken GmbH & Co.KG
Abbildung 22 Querschnitt Presse mit Sicht auf T- Träger ..................................................... 27
Erstellt mit Solid Works 2010
Abbildung 23 letzter Entwurf der Hydraulikpresse ................................................................ 28
Erstellt mit Solid Works 2010
Abbildung 24 Deckelmechanismus der Presse ....................................................................... 29
Erstellt mit Solid Works 2010
Abbildung 25 Beispiel Zylinder für Presse ............................................................................. 30
http://www.hydac.com/de-de/produkte.html Abgerufen am 26.07.2013 um 18:40 Uhr
Abbildung 26 Konstruktion Hydraulikzylinder ...................................................................... 30
Erstellt mit Solid Works 2010
Abbildung 27 Auftretende Kräfte am Verbindungsbolzen ..................................................... 31
Erstellt mit Microsoft Power Point 2010
Abbildung 28 Verbindungsbolzen Pressenzylinder ................................................................ 33
FEM Analyse Erstellt mit Solid Works 2010
Abbildung 29 Verbindungsgabel Pressenzylinder .................................................................. 34
Erstellt mit Microsoft Power Point 2010
Abbildung 30 Beispiel der Schweißnaht an Führungsschiene ................................................ 36
Erstellt mit Microsoft Power Point 2010
Abbildung 31 Darstellung der Kräfte an der Presse ................................................................ 37
Erstellt mit Microsoft Power Point 2010
Abbildung 32 Schwerpunkt Bestimmung ............................................................................... 42
Erstellt mit Microsoft Power Point 2010
Abbildung 33 Hydraulikschaltplan ......................................................................................... 44
Erstellt mit Festo Fluidsim ©4
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
62
Abbildung 34 Hydraulikaggregat der Firma Lemken ............................................................. 46
Bereitgestellt von Firma Lemken GmbH & Co.KG
Abbildung 35 Vormontageplatz der Firma Lemken ............................................................... 47
Bereitgestellt von Firma Lemken GmbH & Co.KG
Abbildung 36 4 / 3 Wege Schieberventil ................................................................................ 47
http://www.hydac.com/de-de/produkte.html Abgerufen am 26.07.2013 um 18:50 Uhr
Abbildung 37 Proportional Druckregelventil.......................................................................... 48
http://www.hydac.com/de-de/produkte.html Abgerufen am 26.07.2013 um 18:50 Uhr
Abbildung 38 Durchflusswächter ........................................................................................... 48
http://www.hydac.com/de-de/produkte.html Abgerufen am 26.07.2013 um 18:50 Uhr
Abbildung 39 proportional Stromregelventil .......................................................................... 48
http://www.hydac.com/de-de/produkte.html Abgerufen am 26.07.2013 um 18:50 Uhr
Abbildung 40 Durchfluss Messumformer ............................................................................... 49
http://www.hydac.com/de-de/produkte.html Abgerufen am 26.07.2013 um 18:50 Uhr
Abbildung 41 SITOP PSU300S 24 V/40A ............................................................................. 50
https://support.automation.siemens.com/WW/llisapi.dll?func=cslib.csinfo&lang=de&siteid=c
seus&aktprim=0&extranet=standard&viewreg=WW&objid=4000024&treeLang=de
Abgerufen am 26.07.2013 um 16:40 Uhr
Abbildung 42 Stromlaufplan Lastschaltkreis .......................................................................... 51
Erstellt mit SEE Electrical Schulversion
Abbildung 43 MICO Lastkreisüberwachung .......................................................................... 51
http://onlineshop.murrelektronik.com/mediandoweb/ Abgerufen am 26.07.2013 21:10 Uhr
Abbildung 44 Optokoppler der Firma MURR ........................................................................ 52
http://onlineshop.murrelektronik.com/mediandoweb/ Abgerufen am 26.07.2013 21:10 Uhr
Abbildung 45 Sicherheitspositionsschalter ............................................................................. 52
http://ecat.moeller.net/catalog Abgerufen am 26.07.2013 um 17:30 Uhr
Abbildung 46 Leistungsverstärker .......................................................................................... 53
http://www.hydac.com/de-de/produkte.html Abgerufen am 26.07.2013 um 18:50 Uhr
Entwicklung und Konstruktion eines Hydraulikprüfstands in der zentralen Hydraulikvormontage
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Abbildung 47 KTP 1000 Basic ............................................................................................... 54
https://support.automation.siemens.com/WW/llisapi.dll?func=cslib.csinfo&lang=de&siteid=c
seus&aktprim=0&extranet=standard&viewreg=WW&objid=4000024&treeLang=de
Abgerufen am 26.07.2013 um 16:40 Uhr
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21 Tabellenverzeichnis
Tabelle 1 Zeitplanung der Projektarbeit .................................................................................. 13
Tabelle 2 Auszug aus Prüfteilliste ........................................................................................... 14
Tabelle 3 Schwerpunktberechnung ......................................................................................... 42
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22 Formelverzeichnis
Seite
[1] Bestimmung der Fläche am Bolzen 33
[2] Bestimmung der zulässigen Kraft am Bolzen 33
[3] Berechnung der erforderlichen Fläche 33
[4] Berechnung des erforderlichen Bolzendurchmessers 34
[5] Berechnung zulässige Flächenpressung an Verbindungsgabel 36
[6] Zulässige Flächenpressung an Verbindungsgabel 36
[7] max. Auftretende Kraft an der Schweissnaht der Presse 38
[8] Momentengleichung um Punkt A 38
[9] Ermittlung des Dickenbeiwerts 39
[10] Berechnung der auftretenden Schubspannung 40
[11] Berechnung der auftretenden Biegespannung 40
[12] Berechnung der Vergleichsspannung 40
[13] Momentengleichung um Punkt A Bolzen Führungsschiene 45
[14] Ermittlung der Resultierenden Kraft 41
[15] Vorhandene Abscherrbeanspruchung 42
[16] Zugfestigkeit 42
[17] Zulässige Abscherrspannung im Bolzen an Führungsschiene 42
[18] Berechnung des Schwerpunkts an der Presse 43
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23 Quellenverzeichnis
Quelle: [1] – [18]
Herbert Wittel, Dieter Muhs, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek, Roloff/Matek
Maschinenelemente Normung, Berechnung, Gestaltung 20. Auflage Wiesbaden 2011, Vieweg
+ Teubner Verlag | GWV Fachverlag GmbH
Alfred Böge Formeln und Tabellen zur Technischen Mechanik 20. Auflage unter mitarbeit
von Walter Schlemmer, Gert Böge und Wolfgang Böge Vieweg + Teubner Verlag | Springer
Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011
Herbert Wittel, Dieter Muhs, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek, Roloff/Matek
Maschinenelemente Tabellenbuch 20. Auflage Wiesbaden 2011, Vieweg + Teubner Verlag |
GWV Fachverlag GmbH
Quelle: 4.1 Auszug aus Artikel 2 a “Maschine“
Amtsblatt der Europäischen Union, RICHTLINIE 2006/42/EG DES EUROPÄISCHEN
PARLAMENTS UND DES RATES vom 17. Mai 2006 über Maschinen und zur Änderung
der Richtlinie 95/16/EG (Neufassung)
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24 Anhang
Im Anhang sind zu finden:
- Hydraulikschaltplan
- Elektroschaltplan
Folgende Daten befinden sich auf dem beiliegendem Datenträger:
- Technische Zeichnungen
- Technische Datenblätter aller verwendeten Baugruppen
- Angebote Firma HYDAC
- BGR 500
- Richtline 2006/42/EG DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES
- Ergonomische Maschinengestaltung
Sonstiges:
Alle CAD 3-D Dateien
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