Stöger Automation im bayrischen Königsdorf entwickelt und produziert Lösungen für das prozesssichere Verschrauben von Bauteilen. Mehr als 8.000 Systeme sind weltweit in verschiedenen Industriezweigen im Einsatz. Das Spektrum reicht vom Handschrauber im Stand-Alone-Betrieb bis zum integrationsfähigen, komplexen Vollautomaten mit automatischer Zuführung der Verbindungselemente für die Mittel- und Großserienfertigung.
Für seine servotechnischen Antriebslösungen sind bauraumsparende Außenmaße und geringe Massen bei industrietauglichen Kleinservomotoren sowie intelligente Antriebsverstärker mit einer hohen Schaltfrequenz und einer außergewöhnlich hohen Stromauflösung entscheidende Merkmale. Deshalb setzt Stöger Automation auf die Servoprodukte und Antriebsverstärker von Wittenstein Cyber Motor. Hinzu kommt die variable Gestaltung der Schnittstellen zu übergeordneten Steuerungen, denn „unsere Schraubroboter können sowohl als Einzelgeräte als auch in großen Anlagen eingesetzt und eingebunden werden“, erklärt Artur Kornelsen von der Entwicklung bei Stöger Automation. „Mit den Kleinmotoren und Antriebsverstärkern von Wittenstein Cyber Motor konnten wir eine Lösung für das prozesssichere Bereitstellen, Eindrehen und Anziehen von Miniaturschrauben realisieren, wie es sie auf dem Beschaffungsmarkt von Elektronikherstellern und ähnlichen Anwendern bislang nicht gab.“ Wittenstein Cyber Motor seinerseits ist es gelungen, für die Z-Achse auf der Basis von Standardkomponenten einen Linearaktuator zu entwickeln, der nicht nur durch ideale Funktionalitäten, sondern gleichzeitig auch durch hohe Wirtschaftlichkeit überzeugen will.
Doppelschraubersystem
„In weniger als einer Sekunde eine Schraube eindrehen, die nur zwei Millimeter lang ist, die einen Gewindedurchmesser von gerade einmal einem Millimeter aufweist, deren Schraubenkopf lediglich zwei Millimeter breit ist und die ohne sensorische Drehmomentmessung sicher verarbeitet werden soll – das war eine Aufgabenstellung, die es in sich hatte“, sagt Artur Kornelsen im Rückblick. Hinzu kommt eine weitere Herausforderung: die hohe Prozessgeschwindigkeit. „Geforderte Taktzyklen von weniger als einer Sekunde sind nur mit einer intelligent konzipierten Schraubenzuführung zu erreichen“, sagt Lorenz Stöger. „Zuführschläuche schieden aufgrund der Schraubendimensionen aus, Pick-and-Place wäre zu langsam gewesen – wir haben daher ein Doppelschraubersystem realisiert, bei dem ein Antrieb schraubt, während dem anderen bereits eine neue Schraube bereitgestellt wird. Dies minimiert die Nebenzeit des Schraubsystems, sodass wir zuverlässig einen Maschinentakt von 0,8 Sekunden einhalten können.“
Geschwindigkeit war aber nicht alles, denn die filigranen Schrauben müssen mit hohem Feingefühl eingedreht werden. Dies geschieht mit einem Drehmoment von kleiner 0,05 Nm, wobei die Drehzahl beim Anziehen der Schraube über einen Motion-Task gesenkt wird, um eine optimale, fehlerfreie Verbindung mit definiertem Anzugsmoment zu gewährleisten. Schließlich hatte Stöger bei der Entwicklung auch die Varianz möglicher Schraubfälle im Blick, an die sich das System hinsichtlich der Schraubengrößen, der Schraubenart, der Gewindelängen sowie der Drehmomente und -geschwindigkeiten leicht anpassen lassen sollte. „Mit den Kleinservomotoren der Familie Cyber Dynamic Line für die Schraubbewegung und für das Heranführen der Schraube an das Werkstück sowie den Antriebsverstärkern der Baureihe Simco Drive können wir eine servotechnische Lösung einsetzen, die alle relevanten Anforderungen der Kleinstschraubprozesse erfüllt“, fasst Artur Kornelsen zusammen.
Kompakt, dynamisch, präzise
Die Kleinservomotoren der Familie Cyber Dynamic Line in ihren robusten Edelstahlgehäusen mit verschiedenen Durchmessern zeichnen sich durch eine hohe Drehmomentdichte aus. Die von Stöger Automation eingesetzte Baugröße Dynamic Line 22 bietet nicht nur ein für diese Applikation optimales Leistungsverhältnis von Drehzahl und Drehmoment, sondern minimiert auch den Achsabstand der beiden Doppelschraubersegmente. Dadurch ist das Schrauben auch an schwer zugänglichen Stellen möglich und das mit einem möglichst kleinen Footprint der Schrauberzelle. Der Motor ist aufgrund seines hohen Dynamikfaktors für schnelle Beschleunigungen ebenso geeignet wie für kurze Bewegungen mit häufigen Geschwindigkeitsänderungen.
„Durch das hervorragende Verhältnis von hohen Drehmomenten zu geringem Motorgewicht muss in der bewegten Achse des Kleinstschraubsystems wenig Masse beschleunigt und gebremst werden – was die auf die Mechanik einwirkenden Störgrößen minimiert“, führt Artur Kornelsen aus. Insgesamt kommen im Doppelschraubsystem vier Kleinservomotoren zum Einsatz. Zwei von ihnen sind mit einem integrierten Kugelgewindetrieb ausgeführt. Sie bilden eine hochpräzise Lösung für die Z-Achse zum Heranführen der Schraube an das Werkstück. Die anderen beiden Kleinservomotoren führen die rotative Schraubbewegung aus – entsprechend einer individuell programmierten und im Simco-Drive-Antriebsverstärker hinterlegten Bewegungssteuerung (Motion Task). Dies ermöglicht eine exakte Drehmomenterfassung ohne zusätzliche Sensorik.
Antriebsverstärker-Überblick
Den zweiten Teil der Kleinantriebssysteme für den Kleinstschrauber stellt für jeden Motor ein Antriebsverstärker der Baureihe Simco Drive dar. Entwickelt wurde der Servoregler für Hochleistungsanwendungen mit sinuskommutierten Servomotoren im Spannungsbereich von 24 und 48 VDC und einer Spitzenleistung von bis zu 1,5 kW. Messtechnisch zeichnet sich der Simco Drive durch eine hochauflösende Stromregelung mit bis zu 14 Bit und eine hohe Abtastrate von 32 kHz aus. „Dies ist nicht nur ideal für eine hohe Dynamik im Stromregelkreis, sondern auch für die Messung und Regelung der Drehmomente direkt über die Stromaufnahme“, erläutert Artur Kornelsen. „Wir haben uns dadurch den kompletten Entwicklungsschritt für einen miniaturisierten Drehmomentsensor gespart. Drehmomentmessungen mit einem externen Sensor haben die hohe Systemgenauigkeit von Kleinmotor und Servoregler bestätigt.“
Stöger Automation spart aber nicht nur den Messwertaufnehmer, sondern kann durch die individuell programmierte Motion Task die komplette Schraubbewegung hochpräzise steuern – bis hin zur Senkung der Drehzahl beim Anziehen der Schraube. Zudem eröffnet die hohe Messwertauflösung des Simco Drive auch Möglichkeiten für das Condition Monitoring: die Strommessung beim Initialisieren des Systems, während eines Prüflaufs oder im Betrieb kann sehr genau auf mögliche Störungen oder Prozessfehler hinweisen.
Servoantriebe skalieren
Mit den Simco-Drive-Antriebsverstärkern und den Kleinservomotoren der Cyber Dynamic Line konnte Stöger Automation eine hochperformante Antriebslösung für sein Kleinstschraubsystem realisieren. Der Schraubsystemhersteller kann die industriegerecht ausgeführte Lösung auf einfache Weise parametrieren, anbinden und in Betrieb nehmen. Die partnerschaftliche Zusammenarbeit mit Wittenstein Cyber Motor während der gesamten Projektphase hat sich bewährt – bei Stöger Automation kann man sich eine Adaption des Doppelschraubsystems an weitere Maschinentypen – mit anderen Baugrößen der Antriebe – gut vorstellen.
