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Antrieb für Sensor-Schrauber

Antrieb für Sensor-SchrauberLeise Schrauber mit Feingefühl

Mikro-Sensor-Schraubsysteme

Leise, hoch dynamische Kleinstantriebe mit großer Leistung in kleinem Bauraum erlauben es, Kleinkomponenten sachgemäß mit Hilfe von robusten Sensor-Schraubern zu montieren.

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Antrieb für Sensor-SchrauberLeise Schrauber mit Feingefühl

Leise, hoch dynamische Kleinstantriebe mit großer Leistung in kleinem Bauraum erlauben es, Kleinkomponenten sachgemäß mit Hilfe von robusten Sensor-Schraubern zu montieren, deren Drehmoment und Drehzahl schnell zu regeln sind.

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Mikro-Sensor-Schraubsysteme

Auch wenn Smartphones oft einige Hundert Euro kosten, der Zusammenbau liegt in der Größenordnung von weniger als 10 Euro. Das liegt zum Teil daran, dass viele Komponenten „integriert“ gefertigt werden, sprich keine nachträgliche Montage mehr brauchen. Aber ganz ohne Schrauben kommen diese Hightechteile dann doch nicht aus. Ähnlich geht’s Taschenrechnern oder Uhren, egal wie smart. Die Gewinde der verwendeten Schrauben fangen bei M0,6 an, und es ist einfach, sich vorzustellen, dass diese Winzlinge nur mit sehr viel Gefühl beziehungsweise sehr sensibler Sensorik und Schraubern mit schnell regelbaren Antrieben eingedreht werden können. Das Unternehmen N-Gineric hat zu diesem Zweck Mikro-Sensor-Schraubsysteme entwickelt, die sich sowohl von Hand wie auch in der Automation einsetzen lassen.

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Für einen sicheren Schraubprozess verfügen die Schraubspindeln über eine integrierte, mitrotierende Drehmoment- und Drehwinkelsensorik. Diese misst hoch präzise das auf die Schraube wirkende Drehmoment, zusammen mit dem Drehwinkel, direkt oberhalb der Klingenaufnahme. Wichtig sind hier der Motor und das zugehörige Getriebe. „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“, fasst Stefan Flaig, Geschäftsführer von N-Gineric zusammen. Die Wahl fiel daher auf Faulhaber-Antriebe mit bürstenlosem DC-Kleinstmotor und Planetengetriebe. Sie liefern die nötige ideale Performance, denn durch deren hohes Beschleunigungsvermögen erreicht man 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.

Sensorschraubwerkzeug

Generell sind die bürstenlosen DC-Servomotoren von Faulhaber für solche anspruchsvolle Antriebsaufgaben konzipiert, bei denen höchste Listung 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 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. Für großes Drehmoment arbeiten im Sensor-Schrauber Metall-Planetengetriebe, die sich dank ihrer robusten Bauweise ideal für solche Einsatzzwecke eignen, für mittlere Abtriebsmomente gibt es auch Kunststoff-Planetengetriebe. Unterschiedliche Abtriebslager (Sinter-, Kugel- oder Keramiklager) sind ebenso erhältlich wie Sonderversionen mit Spezialschmierung für einen erweiterten Anwendungsbereich, zum Beispiel im Vakuum.

Speziell bei sicherheitsrelevanten Verschraubungen in der Automobilindustrie (Risikoklasse-A-Verschraubungen, VDI-Richtlinie 2862) benötigen die Schraubwerkzeuge eine Sensorik zur Messung mindestens einer Steuergröße, erläutert Stefan Flaig: „Wir messen das Drehmoment und den Drehwinkel direkt und bekommen durch die simultane Erfassung des zum Drehmoment proportionalen Motorstroms eine Redundanz als dritte Größe. Diese wird zur permanenten Selbst-Überwachung der Systemintegrität genutzt.“

Ziel: Null-Fehler-Produktion

Für Anwendungen mit vollautomatischer Montierung der Schrauben ist der Sensor-Schrauber ideal geeignet. Auch für herausfordernde Schraubprozesse mit geringer Toleranz zwischen dem Punkt, an dem die Schraube zu lose, also ohne Klemmkraft angezogen ist beziehungsweise 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.

Faulhaber-Antriebseinheit

Wichtig war den Entwicklern zudem, dass sich das System über eine Windows-Software bedienen lässt. Mit ihr werden die Schraubparameter programmiert und die Prozessdaten dokumentiert. Außerdem sorgt sie durch die differenzierte Darstellung von Schraubkurven für Prozesstransparenz in Echtzeit. Die zuverlässige Funktionsfähigkeit des Schraubsystems lässt sich ebenfalls automatisiert überprüfen, beispielsweise täglich zu Schichtbeginn. Dazu wird die Schraub-Automationsanlage um einen intelligenten stationären Schraubfallsimulator ergänzt, mit dem sich zyklisch das Drehmoment überprüfen lässt.

Der Sensorkörper besteht aus einer speziellen Metalllegierung, die sich proportional zum aufgebrachten Drehmoment verformt. Durch die Änderung des Widerstands innerhalb eines Dehnungsmessstreifens wird ein dem Drehmoment folgendes Messsignal generiert, das mit einer Auflösung von 24 Bit digitalisiert wird. Der rotationssymmetrische Sensorkörper ist zwischen dem Klingenfutter und dem eingesetzten Antrieb auf der Welle angebracht. Die Energieversorung erfolgt via Induktion. Um eine hohe Genauigkeit zu erreichen werden pro Sekunde 2.000 Messwerte in Form eines seriellen Bit-Codes optoelektronisch vom Rotor zur Stator-Elektronik übertragen und dort wieder decodiert. Stefan Flaig ist überzeugt, dass sein Unternehmen das einzige ist, das rotative Drehmomentsensoren mit einer vergleichbaren Präzision in eine Schraubspindel für kleine Drehmomente einbauen. bs

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