Viele Produkte werden dank Miniaturisierung heute immer kleiner. Mehr Bauteile in engem Bauraum zu verbauen, stellt die Produktion allerdings vor Herausforderungen. Das betrifft auch die prozesssichere Montage von Kleinstschrauben, wie man sie zum Beispiel in Mobiltelefonen, Smart-Watches oder klassischen Armbanduhren findet. Das Unternehmen n-gineric 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.
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 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 abgebildet.
Antrieb als Herzstück
Motor und das zugehöriges Getriebe sind in diesem System wichtig. Das weiß auch Stefan Flaig, Geschäftsführer von n-gineric: „Wir brauchen eine hohe Leistung bei sehr kleinen Abmessungen sowie 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.
„Durch das hohe Beschleunigungsvermögen der Antriebe erreichen wir kurze Zykluszeiten", freut sich Flaig. Der bürstenlose Antrieb zeichnet sich außerdem durch eine besonders lange Standzeit aus und qualifiziert das Schraubsystem damit für die Massenfertigung unter 24/7-Bedingungen. Die Antriebe sind sowohl in Vier-Pol-Technik mit hohem Drehmoment als auch in Zwei-Pol-Technik für große Leistungen erhältlich. Sie sind 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. Je nach Anwendungsbedarf werden für mittlere Abtriebsmomente auch Kunststoff-Planetengetriebe angeboten. Unterschiedliche Abtriebslager (Sinter-, Kugel- oder Keramiklager) sind ebenso erhältlich wie Sonderversionen mit Spezialschmierung für einen erweiterten Anwendungsbereich beispielsweise im Vakuum.
Redundanz für mehr Sicherheit
Speziell bei sicherheitsrelevanten Verschraubungen in der Automobilindustrie (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.
Auch für herausfordernde Schraubprozesse, bei denen die Toleranz zwischen dem Punkt, an dem die Schraube ohne Klemmkraft angezogen ist oder die Schraubverbindung durch Überdrehen zerstört werden könnte, gibt es eine Lösung: Die mehrstufige Präzisionsverschraubung hilft hier das richtige 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 gute Möglichkeiten für die Prozessdatendokumentation. Die Funktionsfähigkeit des Schraubsystems lässt sich ebenfalls automatisiert, beispielsweise täglich vor Schichtbeginn, überprüfen. Dazu wird die Schraub-Automationsanlage um einen intelligenten stationären Schraubfallsimulator ergänzt, mit dem sich zyklisch das Drehmoment überprüfen lässt.
