Antrieb mit hoher Leistung und Dynamik auf kleinem Bauraum

Sensorschrauber mit Feingefühl

In der industriellen Produktion sind die Anforderungen an eine sichere Schraubmontage höher als im Hobbykeller des Heimwerkers. Das richtige Drehmoment trägt wesentlich zur nachhaltigen Funktionsfähigkeit des Endproduktes bei. Mikrosensor-Schraubsysteme mit bürstenlosen DC-Kleinstmotoren und Planetengetrieben sorgen vor allem bei sicherheitsrelevanten Verschraubungen in der Automobilindustrie für kurze Zykluszeiten.

Mikrosensor-Schraubsysteme dienen der prozesssicheren Montage von Kleinstschrauben. (Bild: N-Gineric GmbH)

Viele Produkte werden heutzutage immer kleiner. Mehr Bauteile in engem Bauraum zu verbauen stellt aber die Produktion vor Herausforderungen. Das betrifft auch die prozesssichere Montage von Kleinstschrauben, wie sie z.B. in Mobiltelefonen, Smart-Watches oder klassischen Armbanduhren zu finden sind. N-Gineric hat zu diesem Zweck Mikrosensor-Schraubsysteme entwickelt. Diese lassen sich sowohl handgeführt als auch in der Automation einsetzen. Verschraubungen von Gewindegröße M0,6 bis M5 werden durch mehrere Schraubspindel-Baugrößen abgedeckt.

Die Antriebseinheit mit bürstenlosem DC-Kleinstmotor und Metall-Planetengetriebe von Faulhaber liefert die nötige Performance. (Bild: Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG)

Präzise messen

Um den sicheren Schraubprozess zu gewährleisten, sind die Schraubspindeln mit einer integrierten, mitrotierenden Drehmoment- und Drehwinkelsensorik ausgestattet. Diese misst präzise das auf die Schraube wirkende Drehmoment zusammen mit dem Drehwinkel direkt oberhalb der Klingenaufnahme. Dazu wird ein 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 24Bit hochgenau digitalisiert. Der rotationssymmetrische Sensorkörper ist zwischen dem Klingenfutter und dem eingesetzten Antrieb auf der Welle angebracht. Für die Stromversorgung sorgt ein Spulensystem, das die Messelektronik berührungslos induktiv mit Energie versorgt. Um eine hohe Genauigkeit zu erreichen, werden pro Sekunde 2.000 Drehmoment-Messwerte in Form eines seriellen Bit-Codes optoelektronisch vom Rotor zur Statorelektronik übertragen und dort wieder decodiert, also verlustfrei 1:1 abgebildet.

Antrieb und Getriebe

als Herzstück

Stefan Flaig, Geschäftsführer von N-Gineric, betont 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 geeignete Performance: „Durch das hohe Beschleunigungsvermögen der Antriebe erreichen wir sehr kurze Zykluszeiten, also eine hohe 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“, erläutert Flaig. Generell sind bürstenlose DC-Servomotoren für anspruchsvolle Antriebsaufgaben konzipiert, bei denen Höchstleistung auf kleinem Raum gefordert ist. Sie sind sowohl in Vierpoltechnik mit hohem Drehmoment als auch in Zweipoltechnik für große Leistungen erhältlich. Die Motoren zeichnen sich durch ihre effiziente Bauweise sowie hohe Drehzahlen oder ein hohes Drehmoment auf kleinem Bauraum aus. Dabei sind sie sehr leicht und haben ein dynamisches Start-Stopp-Verhalten. Die geräuscharmen Kleinstantriebe werden mit oder ohne Sensoren angeboten. Um ein großes Drehmoment zu erhalten sind im Sensorschrauber Metall-Planetengetriebe eingesetzt, die sich aufgrund ihrer robusten Bauweise gut für solche Einsatzzwecke eignen. Je nach Anwendungsbedarf werden für mittlere Abtriebsmomente auch Kunststoffplanetengetriebe angeboten, die durch ihre außergewöhnliche Materialkombination ein gutes Preis-/Leistungsverhältnis ermöglichen. Unterschiedliche Abtriebslager wie 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. Hierzu erläutert Flaig: „Wir messen das Drehmoment und den Drehwinkel direkt und bekommen dazu durch die simultane Erfassung des Drehmoments des proportionalen Motorstroms eine Redundanz als dritte Größe. Diese wird zur permanenten Selbstüberwachung der Systemintegrität genutzt.“ Für Anwendungen, in denen Schrauben vollautomatisch montiert werden sollen, ist der Sensorschrauber gut 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 passende Drehmoment zu finden. Da auch mangelhafte Werkstücke Schraubfehler verursachen, werden diese bei der automatisierten Verschraubung sicher erkannt und so eine Nullfehlerproduktion 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 gute Möglichkeiten für die Prozessdatendokumentation. Die zuverlässige Funktionsfähigkeit des Schraubsystems lässt sich ebenfalls automatisiert überprüfen, z.B. täglich vor Schichtbeginn. Dazu wird die Schraubautomationsanlage um einen intelligenten stationären Schraubfallsimulator ergänzt, mit dem sich zyklisch das Drehmoment überprüfen lässt.