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Monday, 18 Dicembre 2017

Ci vuole il sensore per un’avvitatura più delicata

Dotati di micro sensori, gli avvitatori n-gineric, utilizzabili sia in applicazioni manuali che in sistemi automatizzati, sono progettati per il fissaggio sicuro di viti molto piccole, come quelle che si trovano nei cellulari, negli smartwatch o nei più classici orologi da polso. Gli azionamenti Faulhaber, dotati di motore brushless e riduttore epicicloidale, garantiscono le prestazioni ideali per queste esigenze produttive.

di Cesare Pizzorno

Novembre-Dicembre 2017

Qualsiasi appassionato sa intuitivamente come serrare una vite: in base alle sue sensazioni. Se, però, questo può essere sufficiente per ottenere la giusta quantità di coppia di serraggio quando si lavora in un piccolo laboratorio amatoriale, nella produzione industriale le esigenze di fissaggio delle viti sono sicuramente diverse. Occorre, infatti, garantire che il prodotto finale sia funzionale fino al termine della sua vita utile.
Gli avvitatori n-gineric, dotati di micro sensori, possono essere usati sia in applicazioni manuali che in sistemi automatizzati. Sono progettati per il fissaggio sicuro di viti estremamente piccole (a partire da filettature da 0,6 M), come quelle che si trovano nei cellulari, negli smartwatch o nei più classici orologi da polso.
Gli attacchi filettati, con filettature fino a 5 M, sono coperti da alberi filettati di diverse misure. Per garantire l’affidabilità del processo di avvitatura, questi ultimi sono dotati di un sensore con coppia rotante/angolo di rotazione integrato, in grado di misurare la coppia che agisce sull’attacco filettato e sull’angolo di rotazione con un altissimo livello di precisione direttamente sopra il porta lama.

Alimentazione a induzione tramite un sistema a bobina
Il principio di misurazione della coppia è basato sulla misurazione della deformazione tramite estensimetri. Un corpo del sensore rotativo-simmetrico (sotto forma di un torsiometro), fatto di una lega e posto fra il mandrino della lama e l’azionamento Faulhaber, deforma in misura proporzionale alla coppia applicata, che si traduce in una variazione di resistenza negli estensimetri. Il risultato è un segnale di misura che segue la coppia, preparato elettronicamente sul torsiometro rotativo e digitalizzato con una risoluzione estremamente alta (24 bit).
L’alimentazione dell’elettronica del rotore è fornita senza contatto (a induzione) tramite un sistema a bobina. Indipendentemente da questo processo, vengono trasmesse opto-elettronicamente 2.000 misurazioni della coppia al secondo sotto forma di un codice bit seriale, dal rotore fino all’elettronica dello statore, dove vengono decodificate di nuovo (e cioè visualizzate 1:1 senza perdite).
“Per quanto ne so, siamo l’unica azienda a installare con una simile precisione sensori di coppia rotativi in alberi filettati per coppie ridotte”, afferma Stefan Flaig, General Manager di n-gineric. “Di certo, il motore e il riduttore svolgono un ruolo estremamente importante in sistemi di questo tipo”, sottolinea Flaig. “Abbiamo bisogno di potenze elevate con dimensioni molto ridotte e di una dinamica considerevole, dal momento che in ogni processo di avvitatura è necessario un controllo rapido della coppia e della velocità, all’interno della sequenza delle fasi di avvitatura”.

Auto-monitoraggio permanente dell’integrità di sistema
L’azionamento Faulhaber, dotato di motore brushless e riduttore epicicloidale, garantisce le prestazioni ideali per queste esigenze. “Otteniamo tempi ciclo molto brevi grazie all’elevata capacità di accelerazione degli azionamenti, che garantiscono eccellente produttività. L’azionamento brushless di Faulhaber è caratterizzato anche da una vita utile molto lunga, rendendo il sistema di avvitatura adatto per una produzione seriale h24”.
Come spiega Stefan Flaig, gli avvitatori devono essere dotati di un sistema di sensori per misurare almeno una variabile di controllo, soprattutto nel caso di attacchi filettati, fondamentali per l’aspetto della sicurezza nel settore automobilistico. “Misuriamo direttamente coppia e angolo di rotazione, con la ridondanza come terza variabile e registrando al tempo stesso la corrente del motore. Tutto questo funge da auto-monitoraggio permanente dell’integrità di sistema”.

Controllo periodico e automatizzato dell’avvitatura
I processi di avvitatura difficili da controllare, con un margine molto sottile fra una vite lenta (senza forza di serraggio) e il danneggiamento del collegamento della vite (a causa di una rotazione eccessiva), possono essere tenuti sotto controllo tramite un fissaggio di precisione a fasi multiple. I pezzi difettosi provocano spesso degli errori di avvitatura, che possono essere rilevati in maniera affidabile da più finestre di parametro sovrapposte durante la sequenza del processo (produzione a errori zero).
È stata, inoltre, data grande importanza al fatto che i sistemi fossero intuitivi e semplici da operare, usando i software Windows per programmare i parametri di avvitatura, garantire una buona trasparenza di processo tramite una visualizzazione differenziata delle curve di avvitatura in tempo reale e fornire le migliori opzioni possibili per la documentazione dei dati di processo.
Combinare un sistema di avvitatura automatizzato, dotato un sensore di coppia stazionario e intelligente con un simulatore di caduta delle viti permette il controllo periodico e automatizzato delle capacità del sistema di avvitatura, per esempio, ogni giorno prima dell’inizio del turno.

CASE STORIES

Sensor Screwdriver with a Delicate Touch

The micro sensor screwdriver systems from n-gineric, which can be used both manually and in automation systems, are predestined for process-safe mounting of extremely small screws such as those found in mobile phones, smart watches or traditional wristwatches. The Faulhaber drive unit with brushless motor and planetary gearhead provides the ideal performance for these production requirements.

Every handyman intuitively knows how to tighten a screw: according to feel. In the hobby room, this is generally sufficient for achieving the correct amount of tightening torque. In industrial production, on the other hand, the demand for secure screw fixing is much greater because the intention is to ensure that the end product remains functional until the end of its service life.
The micro sensor screwdriver systems from n-gineric can be used both manually and in automation systems. They are predestined for process-safe mounting of extremely small screws (from thread size of M 0.6) such as those found in mobile phones, smart watches or “classic” wristwatches.
Threaded connections up to a thread size of M5 are covered by several screw spindle sizes. In order to ensure that the screwdriving process is reliable, the screw spindles are equipped with an integrated rotating torque/rotational angle sensor, with which the torque acting upon the threaded connection and the rotational angle is measured with the extremely high precision directly above the blade holder.

Inductive supply via a coil system
The torque measuring principle is based on deformation measurement using strain gauges. A rotation-symmetrical sensor body (in the form of a measurement shaft) made from an alloy attached between the blade chuck and the Faulhaber drive deforms proportionally to the applied torque, resulting in a resistance change within the strain gauges. The result is a measurement signal that follows the torque, which is electronically prepared on the rotating measurement shaft and digitised with an extremely high resolution (24 bits).
The power supply to the rotor electronics is provided contactlessly (inductive) via a coil system, and independently of this 2000 torque measurements per second in the form of a serial bit code are transmitted opto-electronically from the rotor to the stator electronics, where they are decoded again, i.e. depicted 1:1 without losses.
“To my knowledge, we are the only company to install the rotating torque sensors into a screw spindle for small torques with comparable precision”, says Stefan Flaig, General manager of n-gineric. “Of course, the motor and the gearhead play an extremely important part in these systems”, emphasises Mr Flaig. “We need high power with extremely small dimensions and a considerable amount of dynamics, because fast control of the torque and speed is needed for every screwdriving process within a sequence of screwdriving stages”.

Permanent self-monitoring of system integrity
The Faulhaber drive unit with brushless motor and planetary gearhead provides the ideal performance for this. “We achieve very short cycle times due to the high acceleration capacity of the drives, i.e. excellent productivity. The brushless Faulhaber drive is also characterised by having an extremely long service life, therefore qualifying the screwdriving system for mass production under 24/7 conditions”.
Particularly for safety-relevant threaded connections in the automotive area, screwdrivers must be equipped with sensor systems for measuring at least one control variable, explains Stefan Flaig. “We measure the torque and the rotation angle directly, and also have redundancy as a third variable by simultaneously recording the motor current. This is used for permanent self-monitoring of system integrity”.

Automated cyclic checking of the screwdriving process
Screwdriving processes which are difficult to control with little “leeway” between a loose screw (without clamping force) and the destruction of the screw connection (due to over-rotation) can be kept in check by means of multi-stage precision screwdriving. Defective workpieces cause screwdriving errors, which can be reliably detected by multiple overlaid parameter windows within the screwdriving stage sequence (zero error production).
A considerable amount of value was placed on making the systems intuitive and simple to operate using Windows software. This is used to program the screwdriving parameters, provides process transparency by means of a differentiated display of the screwdriving curves in real time and provides the best possible options for process data documentation.
Combining a screwdriving automation system with an intelligent, stationary torque sensor with a screw falling simulator makes automated cyclic checking of the screwdriving system’s machine capability possible, e.g. every day before the start of a shift.

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