Motion Control für die Mikromontage

Der Servo macht´s!

Kleinstschraubprozesse in der Mikromontage von Mobiltelefonen oder Hörgeräten – mit schnellen Taktzeiten und integrierter Zuführung – stellen höchste Anforderungen an automatisierte Schraubsysteme. Mit Kleinservomotoren und echtzeitfähigen Antriebsverstärkern von Wittenstein hat Stöger Automation eine wegweisende Handlings- und Montagelösung entwickelt.

Mit den Kleinmotoren und Antriebsverstärkern von Wittenstein konnte eine Lösung für das prozesssichere Bereitstellen, Eindrehen und Anziehen von Miniaturschrauben realisiert werden. (Bild: Wittenstein)

Die bauraumsparenden Außenmaße der industrietauglichen Kleinservomotoren und ihre geringe Masse sowie intelligente Antriebsverstärker mit einer hohen Schaltfrequenz und einer außergewöhnlich hohen Stromauflösung sind für Stöger Automation entscheidenden Merkmale dieser servotechnischen Antriebslösung. Hinzu kommt die variable Gestaltung der Schnittstellen zu übergeordneten Steuerungen, denn die Schraubroboter lassen sich sowohl als Einzelgeräte als auch in großen Anlagen einsetzen und einbinden. Mit den Kleinmotoren und Antriebsverstärkern von Wittenstein konnte eine Lösung für das prozesssichere Bereitstellen, Eindrehen und Anziehen von Miniaturschrauben realisiert werden, wie sie es auf dem Beschaffungsmarkt von Elektronikherstellern und ähnlichen Anwendern bislang nicht gab, erklärt Stöger. Wittenstein seinerseits ist es gelungen, für die Z-Achse auf der Basis von Standardkomponenten einen Linearaktuator zu entwickeln, der durch Funktionalitäten und Wirtschaftlichkeit überzeugt.

Stöger Automation im bayrischen Königsdorf ist technologisch führend in der Entwicklung und Herstellung von Lösungen für das prozesssichere Verschrauben von Bauteilen. Das Spektrum reicht vom Handschrauber im Stand-alone-Betrieb bis zum integrationsfähigen, komplexen Vollautomaten mit automatischer Zuführung der Verbindungselemente für die Mittel- und Großserienfertigung. In weniger als einer Sekunde eine Schraube eindrehen, die nur zwei Millimeter lang ist, die einen Gewindedurchmesser von gerade einmal einem Millimeter hat, deren Schraubenkopf lediglich zwei Millimeter breit ist und die ohne sensorische Drehmomentmessung sicher verarbeitet werden soll – das ist eine Aufgabenstellung, die es in sich hat. Hinzu kommt eine weitere Herausforderung: die hohe Prozessgeschwindigkeit. Taktzyklen von weniger als einer Sekunde sind nur mit einer intelligent konzipierten Schraubenzuführung möglich. Stöger hat sich dieser Herausforderung gestellt.

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Kleinantriebssysteme Baureihe simco für den Kleinstschrauber. (Bild: Wittenstein)

Zuführschläuche schieden aufgrund der Schraubendimensionen aus, Pick-and-Place wäre zu langsam gewesen. Stöger hat deshalb ein Doppelschraubersystem entwickelt, bei dem ein Antrieb schraubt, während dem anderen bereits eine neue Schraube bereitgestellt wird. Das drückt die Nebenzeit. Stöger kann somit zuverlässig einen Maschinentakt von 0,8 Sekunden einhalten. Außerdem sind die filigranen Schrauben mit hohem Feingefühl einzudrehen; dies geschieht mit einem Drehmoment von weniger als 0,05 Newtonmeter. Die Drehzahl beim Anziehen der Schraube wird über einen MotionTask gesenkt, um eine optimale, fehlerfreie Verbindung mit definiertem Anzugsmoment sicherzustellen. 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 war eine servotechnische Lösung einsetzbar, die alle relevanten Anforderungen der Kleinstschraubprozesse erfüllt.

Kennzeichen der Kleinservomotoren in ihren robusten Edelstahlgehäusen mit verschiedenen Durchmessern ist die hohe Drehmomentdichte. Die von Stöger eingesetzte Baugröße dynamic line 22 bietet für diese Applikation ein optimales Leistungsverhältnis von Drehzahl und Drehmoment und minimiert auch den Achsabstand der beiden Doppelschraubersegmente. Dadurch ist das Schrauben auch an schwer zugänglichen Stellen möglich. Der Motor ist aufgrund seines hohen Dynamikfaktors für schnelle Beschleunigungen ebenso geeignet wie für kurze Bewegungen mit häufigen Geschwindigkeitsänderungen. 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.

Teil zwei der Kleinantriebssysteme für den Kleinstschrauber ist für jeden Motor ein Antriebsverstärker der Baureihe simco drive. Entwickelt wurde der Servoregler für Hochleistungsanwendungen mit sinuskommutierten Servomotoren im Spannungsbereich von 24 und 48 Volt DC und einer Spitzenleistung bis 1,5 Kilowatt. Messtechnische Merkmale des simco drive ist die hochauflösende Stromregelung mit bis zu 14 Bit und eine hohe Abtastrate von 32 Kilohertz. Dies ist ideal für eine hohe Dynamik im Stromregelkreis sowie für die Messung und Regelung der Drehmomente direkt über die Stromaufnahme. Drehmomentmessungen mit einem externen Sensor haben die hohe Systemgenauigkeit von Kleinmotor und Servoregler bestätigt. pb

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