Sensor-Schrauber mit Feingefühl

Jeder Heimwerker weiß intuitiv, wie man eine Schraube festzieht: nach Gefühl. Im Hobbykeller reicht dies in der Regel aus, um das richtige Maß für das Anzugs-Drehmoment zu finden. In der industriellen Produktion dagegen sind die Anforderungen an eine sichere Schraubmontage sehr viel höher. Das richtige Drehmoment trägt wesentlich zur nachhaltigen Funktionsfähigkeit des Endproduktes bei. Hier ist reproduzierbares Feingefühl gefragt. Clevere Messtechnik und zuverlässige Kleinstantriebe sind der Schlüssel zum Erfolg.


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Bild 1
Mikro-Sensor-Schraubsysteme für die prozesssichere Montage von Kleinstschrauben

Dank Miniaturisierung werden heute  viele  Produkte  immer  kleiner. Mehr  Bauteile  in  engem  Bauraumzu  verbauen  stellt  aber  die  Produktion  vor  Herausforderungen.  Das betrifft auch die prozesssichere Montage  von Kleinstschrauben,  wie  man sie  zum  Beispiel  in  Mobiltelefonen, Smart-Watches  oder  „klassischen“ Armbanduhren  findet.  Die  n-gineric GmbH  (siehe  Kasten)  hat  zu  diesem Zweck  ihre  Mikro-Sensor-Schraubsysteme  entwickelt  (Bild  1).  Diese können  sowohl  handgeführt  als auch  in  der  Automation  eingesetzt werden  (Bild  2).  Verschraubungen von Gewindegröße M0,6 bis M5 werden  durch  mehrere  Schraubspindel-Baugrößen abgedeckt.

Hochpräzise messen

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Bild 2
Sensorschraubwerkzeug für die vollautomatische Schraubmontage

Um  den  sicheren  Schraubprozess zu  gewährleisten,  sind  die  Schraubspindeln  mit  einer  integrierten, mitrotierenden  Drehmoment-  und Drehwinkelsensorik ausgestattet. Diese misst hoch präzise das auf die Schraube wirkende Drehmoment zusammen mit dem  Drehwinkel  direkt  oberhalb  der Klingenaufnahme. Dazu wird eine Art Dehnungsmessstreifen eingesetzt, über dessen  Verformung  Rückschlüsse  auf das  Drehmoment  möglich  sind.  Der Sensorkörper besteht aus einer speziellen  Metalllegierung,  die  sich  proportional  zum  aufgebrachten  Drehmoment verformt. Dadurch ergibt sich eine  Widerstandsänderung  innerhalb des  Dehnungsmessstreifens  und  man erhält ein dem Drehmoment folgendes Messsignal. Dieses wird mit einer Auflösung von 24 Bit hochgenau digitalisiert.  Der  rotationssymmetrische  Sensorkörper  ist  zwischen  dem  Klingenfutter  und  dem  eingesetzten  Antrieb auf  der  Welle  angebracht.  Für  die
Stromversorgung  sorgt  ein  Spulensystem, es versorgt die Mess-Elektronik berührungslos  induktiv  mit  Energie. Um  eine  hohe  Genauigkeit  zu  erreichen, werden pro Sekunde 2000 Drehmoment-Messwerte in Form eines seriellen  Bit-Codes  optoelektronisch  vom Rotor zur Stator-Elektronik übertragen und dort wieder decodiert, also verlustfrei  1:1  abgebildet.  Stefan  Flaig,  Geschäftsführer  von  n-gineric  erläutert: „Meines Wissens sind wir die einzigen, die rotative Drehmomentsensoren mit einer  vergleichbaren  Präzision  in  eine Schraubspindel  für  kleine  Drehmomente einbauen.“

Antrieb und Getriebe als Herzstück

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Bild 3
Liefert die von der Anwendung geforderte Performance: Faulhaber-Antriebseinheit mit bürstenlosem DC-Kleinstmotor und Metall-Planetengetriebe

Weiter betont Flaig, wie wichtig Motor und zugehöriges Getriebe in diesem System sind: „Wir brauchen eine hohe Leistung  bei  sehr  kleinen  Abmessungen  und  eine  große  Dynamik,  da  für jeden Schraubvorgang innerhalb einer Sequenz  von  Schraubstufen  eine schnelle  Regelung  von  Drehmoment und Drehzahl notwendig ist.“ Die Wahl fiel daher auf eine Faulhaber-Antriebseinheit  mit  bürstenlosem  DC-Kleinstmotor und Planetengetriebe. Sie liefert die  für  den  Anwendungsfall  ideale Performance (Bild 3): „Durch das hohe Beschleunigungsvermögen der Antriebe  erreichen  wir  sehr  kurze  Zykluszeiten,  also  eine  hervorragende  Produktivität.  Der  bürstenlose  Antrieb zeichnet  sich  außerdem  durch  eine besonders lange Standzeit aus und qualifiziert  das  Schraubsystem  damit  für die Massenfertigung unter 24/7-Bedingungen“, freut sich Flaig.

Generell  sind  die  bürstenlosen  DC-Servomotoren  von  Faulhaber  für solche  anspruchsvollen  Antriebsaufgaben konzipiert, bei denen Höchstleistung auf kleinstem Raum gefordert ist. Sie  sind  sowohl  in  4-Pol-Technik  mit hohem  Drehmoment  als  auch  in 2-Pol-Technik  für  große  Leistungen erhältlich.  Die  Motoren  überzeugen durch  ihre  effiziente  Bauweise  sowie hohe  Drehzahlen  oder  hohes  Drehmoment  auf  kleinstem  Bauraum.  Dabei sind sie sehr leicht und haben ein hochdynamisches Start-Stopp-Verhalten. Die geräuscharmen Kleinstantriebe werden mit oder ohne Sensoren angeboten. Um ein großes Drehmoment zu erhalten, sind im Sensor-Schrauber Metall-Planetengetriebe  eingesetzt, die sich dank ihrer robusten Bauweise ideal für solche Einsatzzwecke eignen. Je  nach  Anwendungsbedarf  werden für  mittlere  Abtriebsmomente  auch Kunststoff-Planetengetriebe  angeboten,  die  dank  ihrer  außergewöhnlichen Materialkombination  ein  hervorragendes  Preis-/Leistungsverhältnis  ermöglichen.  Unterschiedliche Abtriebslager  (Sinter-,  Kugel-  oder Keramiklager)  sind  ebenso  erhältlich wie  Sonderversionen  mit  Spezialschmierung für einen erweiterten Anwendungsbereich, z. B. im Vakuum.

Redundanz für mehr Sicherheit

Speziell bei sicherheitsrelevanten Verschraubungen  im  in  der  Automobilindustrie  (Risikoklasse-A-Verschraubungen, VDI-Richtlinie 2862) müssen Schraubwerkzeuge  mit  einer  Sensorik zur  Messung  mindestens  einer  Steuergröße  versehen  sein,  erläutert  Stefan Flaig:  „Wir  messen  das  Drehmoment und  den  Drehwinkel  direkt  und  bekommen  dazu  durch  die  simultane Erfassung des Drehmoment-proportionalen Motorstroms eine Redundanz als dritte Größe. Diese wird zur permanenten  Selbst-Überwachung  der  Systemintegrität genutzt.“
Für Anwendungen, in denen Schrauben vollautomatisch montiert werden sollen,  ist  der  Sensor-Schrauber  ideal geeignet.  Auch  für  herausfordernde Schraubprozesse,  bei  denen  die  Toleranz gering ist zwischen dem Punkt, an dem  die  Schraube  zu  lose,  also  ohne Klemmkraft  angezogen  ist,  bzw.  die Schraubverbindung durch Überdrehen zerstört  wird,  gibt  es  eine  zuverlässige Lösung: Die mehrstufige Präzisionsverschraubung hilft hier das ideale Drehmoment  zu  finden. 

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Bild 4
Einfach per Windows-Software zu programmieren.
(Bilder 1, 2, 4 n-gineric)

Da  auch  mangelhafte Werkstücke Schraubfehler verursachen  können,  werden  diese  bei  der automatisierten  Verschraubung  sicher erkannt  und  so  eine  Null-Fehler-Produktion gewährleistet.

Einfache Bedienung

Wichtig  war  den  Entwicklern  zudem,  dass  sich  das  System  einfach über  eine  Windows-Software  bedienen lässt (Bild 4). Mit ihr werden die Schraubparameter  programmiert.  Außerdem  sorgt  sie  durch  die  differenzierte  Darstellung  von  Schraubkurven  für  Prozesstransparenz  in Echtzeit  und  bietet  optimale  Möglichkeiten  für  die  Prozessdatendokumentation.  Die  zuverlässige  Funktionsfähigkeit des Schraubsystems lässt sich ebenfalls automatisiert überprüfen beispielsweise täglich vor Schichtbeginn. Dazu wird die Schraub-Automationsanlage  um  einen  intelligenten  stationären  Schraubfallsimulator ergänzt,  mit  dem  sich  zyklisch  das Drehmoment  überprüfen  lässt.  Der Sensor-Schrauber  macht  wieder  einmal  deutlich,  wie  sich  mit  dem  breiten  Standardprogramm  der  Antriebsspezialisten ganz individuelle Projekte realisieren lassen.

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Kontakte:
R. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG
Daimlerstr. 23/25, 71101 Schönaich
Tel.: 0 70 31/6 38-0
E-Mail: info@faulhaber.de
www.faulhaber.com

n-gineric gmbh
Spittelbronner Weg 59
78056 Villingen-Schwenningen
Tel.: 0 77 20/6 09 91-0
E-mail: info@n-gineric.com
www.n-gineric.com