Dank Miniaturisierung werden heute viele Produkte immer kleiner. Mehr Bauteile in engem Bauraum zu 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 hat zu diesem Zweck ihre Mikro-Sensor-Schraubsysteme entwickelt. Diese können sowohl handgeführt als auch in der Automation eingesetzt werden. Verschraubungen von Gewindegröße M0,6 bis M5 werden durch mehrere Schraubspindel-Baugrößen abgedeckt.
Hochpräzise messen
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 2.000 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
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: „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 optimales 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 Drehmoments 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. 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. 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.
www.faulhaber.com; www.n-gineric.com
Die Autoren sind Dipl.-Ing. (BA) Andreas Seegen (l.), Leiter Marketing bei Faulhaber und Dipl.-Ing. (FH)
Nora Crocoll (rechts), Redaktionsbüro Stutensee.
Foto: Faulhaber
Foto: Redaktionsbüro StutenseeDie n-gineric GmbH
Die n-gineric GmbH mit Stammsitz in Villingen-Schwenningen ist spezialisiert auf die Entwicklung und Produktion innovativer Drehmomentmesstechnik und gesteuerter Schraubsysteme im Bereich kleiner Drehmomente. Die „technischen Köpfe“ und Gründer des Unternehmens, Stefan Flaig und Michael Hauser, haben mit 20-jährigem Know-how ihre neuartige Messtechnologie entwickelt und bieten diese auf dem globalen Markt an.
Die Antriebsexperten aus Schönaich
Die Faulhaber-Gruppe mit ihren 1.800 Mitarbeitern ist spezialisiert auf Entwicklung, Produktion und Einsatz von hochpräzisen Klein- und Kleinstantriebssystemen, Servokomponenten und Steuerungen bis zu 200 Watt Abgabeleistung. Dazu zählt die Realisierung von kundenspezifischen Komplettlösungen ebenso wie ein umfangreiches Programm an Standardprodukten wie bürstenlose Motoren, DC Kleinstmotoren, Encoder und Motion Controller. Die Marken der Unternehmensgruppe gelten weltweit als Zeichen für hohe Qualität und Zuverlässigkeit in komplexen und anspruchsvollen Anwendungsgebieten wie Medizintechnik, Bestückungsautomaten, Präzisionsoptik, Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt sowie Robotik.
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