Antriebstechnik

Fügen mit Gefühl

Füge- und Prüfeinrichtung mit Linear-Servoantrieb
Mit linearen Servoantrieben lassen sich hochflexible Vorschubsysteme aufbauen, mit denen man Produkte ineinander fügen, prüfen und dynamische Bewegungsabläufe realisieren kann. Die übergeordnete Kraft-Weg-Aufzeichnung dokumentiert diesen Pozess und lässt mit frei programmierbaren Bewertungs­kriterien eine Gut/Schlecht-Aussage für den Prüfling zu.

Elektrisch betriebene Füge-, Niet- und Presseinheiten sind heute Stand der Technik und in den Markt der Prüf- und Fertigungstechnik eingeführt. In der Regel werden diese Einheiten mit Gewinde-Spindeltrieben und Servomotoren realisiert. Die erreichbaren Kräfte liegen weit im Kilonewton-Bereich.

Mit der Einführung kleiner, kostengünstiger Linear-Servoantriebe öffnet sich ein weites Anwendungsfeld der elektrisch betriebenen Einheiten im Bereich der Prüfautomation und der Fertigungstechnik. Die Vorschubkraft (und damit die lineare Bewegung) wird bei diesen Antrieben – ohne mechanische Hilfsmittel – direkt elektromagnetisch erzeugt. Hierdurch sind die realisierbaren Kräfte zwar deutlich niedriger als bei einer Gewinde-Spindeleinheit, aber die Proportionalität zwischen dem eingeprägten Strom und der abgegebenen Kraft ist dafür signifikant besser – besonders bei kleinen Kräften. Es fehlen nämlich reibungsbehaftete mechanische Komponenten, die Drehmoment in Kraft umsetzen. So lassen sich einfache Druck- und Zug­ein­heiten realisieren, die besonders bei kleinen Kräften sensibel die Belange von Fertigungsprozessen und empfindlichen Prüflingen berücksichtigen. Ein zusätzlicher Vorteil der Linearmotortechnik gegenüber Gewindespindeltrieben ist die höhere Bewegungsdynamik. Daraus ergeben sich höhere Fertigungstakte.

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Aufbau

Linearmotoren bestehen aus dem Stator und dem Läufer. Im Stator sind die Wicklungen, die Positionserfassung und die Temperaturüberwachung untergebracht. Im Läufer befinden sich die Antriebsmagnete. Hohe Verfahrgeschwindigkeiten bei kleinen Hüben, daraus resultierende kurze Prozesstaktzeiten, einstellbare Vorschubkräfte und eine gute Wegauflösung sind charakteristische Merkmale dieser Antriebe. In Verbindung mit modular ausbaubaren Führungssystemen, Servocontrollern, Kraftsensoren, einer zusätzlichen Wegsensorik und passenden Auswertegeräten lassen sich kostengünstige Füge- und Prüfeinrichtungen für den kleinen Kraftbereich realisieren.

Zur kraft- und wegüberwachten Bewegungsautomation wurden zwei Fügeeinheiten mit den Bezeichnungen F01-37×120 und F01-37×240 realisiert, die den Spitzenkraftbereich von 80 bis 204 Newton abdecken. (Eine Einheit mit 580 Newton ist derzeit in Vorbereitung.) Als Positionier-Wiederholgenauigkeit wird plus/minus 0,01 Millimeter erreicht. Lieferbar sind Nutzhübe bis 280 Millimeter. Als Kraftsensor dient ein robuster 500-Newton-DMS-Aufnehmer. Zusätzlich zu der im Servomotor integrierten Wegmessung wird ein kostengünstiger, externer Wegsensor auf Leitplastikbasis verwendet, mit dem man gegen eine Referenzfläche messen kann. So lässt sich der Prozesshub direkt darstellen.

Zur Realisierung von vertikalen Bewegungen hat man mit Linearantrieben naturgemäß das Problem, dass die bewegten Komponenten im stromlosen Zustand nach unten sinken. Um das zu verhindern, kann als Option eine magnetische Feder an der Linearführung angebaut werden. Derartige Federn geben eine konstante Kraft in einem definierten Arbeitshub ab. Durch entsprechende Wahl der Feder kann man die gesamte bewegte Masse kompensieren, sodass im stromlosen Zustand der Schlitten mitsamt der Kraftsensorik in Ruhe verharrt oder nach oben bis zum mechanischen Anschlag verfährt.

Controller

Der zur Fügeeinheit passende Servocontroller hat drei Arten von Verfahrbefehlen. Damit lassen sich absolutes und relatives Positionieren sowie die Funktion „Pressen“ realisieren. Bei dieser Funktion handelt es sich um einen Positionierbetrieb mit reduziertem Strom. Hierdurch kann man produktschonende und kraftbegrenzte Antastvorgänge realisieren. Von einer SPS lassen sich acht beziehungsweise 256 Verfahrbefehle ansteuern. Optional ist Profibus lieferbar. Parametriert wird der Servocontroller mit einer leicht zu bedienenden PC-Software. Jedem SPS-Eingang wird ein Verfahrbefehl zugeordnet. So lassen sich sehr einfach Bewegungsvorgänge darstellen und mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung in einen passenden Ablauf bringen.

Um bei Fügevorgängen und in der Qualitätssicherung schnell verwertbare Aussagen zu erhalten, ist eine leicht zu programmierende Kraft-Weg Kennlinienauswertung unerlässlich. Mit dem Auswertegerät DMF-P werden die Analogsignale vom Kraft- und Wegsensor digitalisiert und in einem Kraft-Weg Diagramm gespeichert. Über produktabhängige Parametersätze mit frei programmierbaren Kraft/Weg-Fenstern als Bewertungskriterien lassen sich Gut/Schlecht-Aussagen ableiten. Die Ansteuerung erfolgt über SPS und digitale I/Os – oder optional eine über Profibus-Anbindung.

Einige Anwendungen für die Füge- und Prüfeinrichtung sind das Fügen von Elektronikbauteilen (zum Beispiel Sicherungen) in Halter und von Elektronikplatinen in Gehäuse, ferner das Testen von Schaltern, Tastern und anderen Betätigungselementen sowie das Testen und Fügen von Steckverbindungen. Typische Applikationen aus dem Maschinenbau sind das Fügen von Sicherungsringen und von O-Ringen auf Wellen, das Fügen von Welle-Nabe-Verbindungen sowie von Sicherungsstiften in Wellen und schließlich das Testen von Federn.

Test von ­Handzerstäuberpumpen

Anschaulich lässt sich die Leistungsfähigkeit des vorgestellten Systems am Beispiel des Endtests von Aerosol-Handpumpen darstellen. Diese Pumpen haben etwa zehn Millimeter Hub und benötigen eine Betätigungskraft von circa 20 Newton. Je nach Typ bestehen sie aus bis zu 15 Einzelteilen. Jedes Modell hat seine eigene, chrakteristische Kraft-Weg-Kennlinie.

Bauteiletoleranzen, Montagefehler und Verunreinigungen im Pumpeninnenraum verursachen signifikante Abweichungen von der charakteristischen Kraft-Weg-Kennlinie. Mit der beschriebenen Füge- und Prüfeinrichtung lässt sich der Prüfablauf der Pumpe mit einer Sekunde Taktzeit im Fertigungsfluss realisieren. Wilhelm Jung (gm)

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