Sensor-Schrauber mit Feingefühl

Jeder Heimwerker weiß intuitiv, wie man eine Schraube festzieht: Nach Gefühl. Im Hobbykeller reicht dies in der Regel aus, um das richtige Maß für das Anzugs-Drehmoment zu finden. In der industriellen Produktion dagegen sind die Anforderungen an eine sichere Schraubmontage sehr viel höher, denn es gilt, die Funktionsfähigkeit des Endproduktes während seiner Nutzungsdauer nachhaltig zu gewährleisten.

Die Mikro-Sensor-Schraubsysteme von n-gineric können sowohl handgeführt als auch in der Automation eingesetzt werden. Sie sind für die prozesssichere Montage von Kleinstschrauben (ab Gewindegröße M 0,6) prädestiniert, wie man sie zum Beispiel in Mobiltelefonen, Smart Watches oder „klassischen“ Armbanduhren findet.

Verschraubungen bis zur Gewindegröße M5 werden durch mehrere Schraubspindel-Baugrößen abgedeckt.

Um den sicheren Schraubprozess zu gewährleisten, sind die Schraubspindeln mit einer integrierten mitrotierenden Drehmoment-/Drehwinkelsensorik ausgestattet, durch die das auf die Schraubverbindung wirkende Drehmoment zusammen mit dem Drehwinkel direkt oberhalb der Klingenaufnahme mit höchster Präzision gemessen wird.

Das Messprinzip des Drehmoments dieser Sensorik basiert auf der Verformungsmessung mittels Dehnungsmessstreifen. Ein zwischen dem Klingenfutter und dem FAULHABER-Antrieb angebrachter rotationssymmetrischer Sensorkörper (als Messwelle) aus einer Metalllegierung verformt sich proportional zum aufgebrachten Drehmoment, dadurch ergibt sich eine Widerstandsänderung innerhalb der Dehnungsmessstreifen. Man bekommt ein dem Drehmoment folgendes Messsignal, das auf der rotierenden Messwelle elektronisch aufbereitet und mit einer sehr hohen Auflösung (24 Bit) digitalisiert wird.

Die Energieversorgung der Rotor-Elektronik erfolgt hierbei berührungslos induktiv über ein Spulensystem, davon unabhängig werden 2.000 Drehmoment-Messwerte pro Sekunde in Form eines seriellen Bit-Codes optoelektronisch vom Rotor zur Stator-Elektronik übertragen und dort wieder decodiert, also verlustfrei 1:1 abgebildet.

„Meines Wissens sind wir die einzigen, die rotative Drehmomentsensoren mit einer vergleichbaren Präzision in eine Schraubspindel für kleine Drehmomente einbauen“, sagt Stefan Flaig, Geschäftsführer von n-gineric.

„Motor und Getriebe spielen in diesen Systemen eine ganz zentrale Rolle“, betont Stefan Flaig. „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“.

Motor und Getriebe spielen eine ganz zentrale Rolle

Die FAULHABER-Antriebseinheit mit bürstenlosem Motor und Planetengetriebe liefert die dafür ideale Performance. „Durch das hohe Beschleunigungsvermögen der Antriebe erreichen wir sehr kurze Zykluszeiten, also eine hervorragende Produktivität. Der bürstenlose FAULHABER-Antrieb zeichnet sich außerdem durch eine besonders lange Standzeit aus und qualifiziert das Schraubsystem damit für die Massenfertigung unter 24/7-Bedingungen“.

Speziell bei sicherheitsrelevanten Verschraubungen im Automobil-Bereich (Risikoklasse-AVerschraubungen, 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 Motorstroms eine Redundanz als dritte Größe. Diese wird zur permanenten Selbst-Überwachung der Systemintegrität genutzt.

Mikro-Sensor-Schraubsystem

Wir messen Drehmoment und Drehwinkel direkt

In der vollautomatischen Schraubmontage ist ein solches Sensorschraubwerkzeug die beste Wahl, da damit der Kernprozess der Automationsanlage sichergestellt wird.
Schwer beherrschbare Schraubprozesse mit wenig „Spielraum“ zwischen einer losen Schraube (ohne Klemmkraft) und der Zerstörung der Schraubverbindung (durch Überdrehen) kann man durch eine mehrstufige Präzisionsverschraubung in den Griff bekommen. Mangelhafte Werkstücke verursachen Schraubfehler, die durch mehrfache überlagerte Parameterfenster innerhalb der Schraubstufensequenz sicher erkannt werden (Null-Fehler-Produktion).

Auf eine intuitive und einfache Bedienbarkeit der Systeme durch eine Windows-Software wurde sehr viel Wert gelegt. Sie dient zur Programmierung der Schraubparameter, sorgt durch die differenzierte Darstellung von Schraubkurven für Prozesstransparenz in Echtzeit und bietet optimale Möglichkeiten für die Prozessdatendokumentation.

Die Ergänzung einer Schraubautomationsanlage durch einen intelligenten stationären Drehmomentsensor mit Schraubfallsimulator ermöglicht die automatisierte zyklische Überprüfung der Maschinenfähigkeit des Schraubsystems, beispielsweise täglich vor Schichtbeginn.

Montage von Kleinstschrauben, z.B. im Mobiltelefon