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Antrieb mit hoher Leistung und grosser Dynamik in kleinem Bauraum : Ausgabe 02/2017, 05.10.2017

Sensorschrauber mit Feingefühl

Dank Miniaturisierung werden heute viele Produkte immer kleiner. Mehr Bauteile in engem Raum zu verbauen stellt aber die Produktion vor Herausforderungen. Das betrifft auch die prozesssichere Montage von Kleinstschrauben, wie man sie zum Beispiel in Mobiltelefonen, Smartwatches oder «klassischen» Armbanduhren findet.

Autor: Andreas Seegen, Leiter Marketing bei Faulhaber, und Nora Crocoll, Redaktionsbüro Stutensee

Bilder: n-gineric

n-gineric GmbH bietet Mikrosensorschraubsysteme zur Montage von Kleinstschrauben in Mobiltelefonen, Smartwatches oder Armbanduhren, die sowohl handgeführt als auch in der Automation eingesetzt werden können. Verschraubungen von Gewindegrösse M0,6 bis M5 werden durch mehrere Schraubspindel-Baugrössen abgedeckt.

Ein Spulensystem versorgt die ­Messelektronik induktiv mit Energie

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 Messelektronik berührungslos induktiv mit Energie. Um eine hohe Genauigkeit zu erreichen, werden pro Sekunde 2000 Drehmomentmesswerte in Form eines seriellen Bit-Codes optoelektronisch vom Rotor zur Statorelektronik übertragen und dort wieder decodiert, also verlustfrei 1:1 abgebildet. Stefan Flaig, Geschäftsführer n-gineric: «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, 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 Sensorschrauber Metallplanetengetriebe eingesetzt, die sich ideal für solche Einsatzzwecke eignen. Je nach Anwendungsbedarf werden für mittlere Abtriebsmomente auch Kunststoffplanetengetriebe 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 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 nutzen wir zur permanenten Selbstüberwachung der Systemintegrität.»

Für Anwendungen, in denen Schrauben vollautomatisch montiert werden sollen, ist der Sensorschrauber 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 Überprüfung der Funktionsfähigkeit

Wichtig war den Entwicklern zudem, dass sich das System einfach über eine Windows-Software bedienen lässt. Mit ihr lassen sich die Schraubparameter programmieren. Ausserdem sorgt sie durch die differenzierte Darstellung von Schraubkurven für Prozess- transparenz 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 Sensorschrauber macht wieder einmal deutlich, wie sich mit dem breiten Standardprogramm der Antriebsspezialisten, individuelle Projekte erfolgreich und effektiv realisieren lassen. 

Infoservice

Faulhaber Minimotor SA
via Cantonale, 6980 Croglio
Tel. 091 611 31 00, Fax 091 611 31 10
info@minimotor.ch, www.faulhaber.com

Motek: Halle 8, Stand 8308



Mikrosensorschraubsysteme für die prozesssichere Montage von Kleinstschrauben


Einfach per Windows-Software zu programmieren