Handhabungstechnik

Gefühle im Sekundentakt

,,Eine kleine Axt kann einen starken Baum umhauen," so ein Sprichwort, und ein winziger Sensor kann einen Prozess nachhaltig umkrempeln. Es gibt gegenwärtig wohl nur wenige Technologien, die eine so große Schlüsselwirkung auf den technischen Fortschritt hervorbringen, wie die Integration von Sensoren in Maschinen, Vorrichtungen, Produkte, Medizingeräte, ja sogar in supermoderne Kleidungsstücke. Sensoren können den bedienenden und überwachend tätigen Menschen in Fertigungsprozessen durchaus ersetzen, wenn auch nur begrenzt. Gleichzeitig repräsentiert innovative Sensorik einen beachtlichen und stabilen Wachstumsmarkt. Der mitteleuropäischen Sensortechnik wird etwa ein Drittel Anteil am Weltmarkt zugesprochen. Das Arsenal reicht vom einfachen Näherungssensor, über den Füllstandsregler bis zum bildgebenden System.

Erst Messen, dann Regeln

Wer etwas Steuern oder Regeln will, muss vorher Messen. Das war schon für dem schottischen Ingenieur und Erfinder James Watt (1736 bis 1819) die Grundlage für seine Arbeit, wenn man an seinen Drehzahlregler denkt. Oft genügt schon die bloße Erfassung von Flüssigkeits-Grenzständen in Behältern; in der Fertigungstechnik steht vor allem die Messung von Abständen und Positionen im Vordergrund. In Bild 1 wird eine Übersicht für Regelgrößen und Anwendungen sowie deren Wichtigkeit in der Fertigungstechnik gegeben. Viele Bewegungseinheiten, Greifer und Vorrichtungen sind deshalb zumindest für den Einbau von Sensoren, wie Näherungsschalter oder Wegmesssysteme, vorbereitet oder enthalten diese bereits.

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Einige Unternehmen kommen dem Anwender entgegen, indem sie für ihre Messsysteme sehr praktische Schnittstellen schaffen. Das Bild 2 zeigt ein einbaufertiges Winkelmesssystem mit Hohlwelle. Handrad und Verstellspindel sind bereits eingebaut dargestellt. Das Messsystem ermöglicht den einfachen mechanischen Anschluss an Verstellspindeln, beispielsweise an Holzbearbeitungsmaschinen wie Plattenformatsägen und Kehlautomaten, an Wickelvorrichtungen, Spindelhubeinrichtungen und Stellventile. Es ist ein über Bus koppelbares, absolutes Multiturn-Messsystem. Weil der Grad der Automatisierung vor allem vom Kosten-Nutzen-Verhältnis abhängt, können das auch heute noch handverstellbare Achsen sein. Einmal gemachte Einstellungen lassen sich speichern und auf Knopfdruck jederzeit wieder abrufen. Das erspart die Herstellung von Probestücken nach einer Umrüstung. Die Einstellung von Führungen oder Anschlägen kann ebenfalls einfach nach Musterteilen erfolgen, mit nachfolgender Speicherung des Positionswertes. Der einfache Aufbau des Messsystems begünstigt ebenso den nachträglichen Anbau an Altanlagen, auch dann, wenn die Verstellung motorisch erfolgt. Mehrere Spindelpositionsanzeigen lassen sich über eine serielle Schnittstelle untereinander und mit einem Memory Controller (Zubehör) verbinden. Die Positionswerte gehen auch bei Stromausfall nicht verloren, weil eine interne Batterie für eine langjährige Pufferung sorgt.

Kontrolle ist besser

Vertrauen allein genügt nicht. Die Qualität eines Produkts beginnt beim Zulieferer, von dem zunehmend 100-prozentig geprüfte Komponenten verlangt werden, weil man aus Effektivitätsgründen zum Beispiel automatische Montageanlagen nicht zum Prüfsystem degradieren darf. Das gilt zuerst auch für solche Massenprodukte wie Muttern und Maschinenschrauben. In Bild 3 wird ein Prüfsystem gezeigt, mit dem man bis zu sechs Schrauben je Sekunde prüfen und vermessen kann. Die vereinzelten Schrauben werden mit Hilfe eines Magnethaft-Förderbandes an einer Kamera vorbeigeführt, die ein Schattenbild der Schraube aufnimmt. Geprüft werden mit einer speziellen Software Gewindeaußen- und Gewindekerndurchmesser, Kopfhöhe und Nennlänge und je nach Schraubentyp bis zu 13 weitere Merkmale mit einer Messgenauigkeit von etwa 40 Mikrometer.

Eine Triggerlichtschranke startet den nächsten Mess- und Prüfvorgang, das heißt Auslösen der Kamera. Mit einer Belichtungszeit von 1/10 000 Sekunde wird ein 8-Bit-Grauwertbild der Schraube aufgenommen und in einem Industrie-PC ausgewertet. Für die Auswertung stehen bei sechs Schrauben je Minute abzüglich der Bildeinlesezeit maximal 120 Millisekunden zur Verfügung. Erfüllt eine Schraube die Prüfparameter nicht, z.B. bei Steigungsfehlern oder Verwalzungen des Gewindes, dann wird in der Folgestation ein pneumatischer Auswerfer aktiv, der die Schraube vom Magnethaftband abschiebt. Die Messungen werden von Zählvorgängen begleitet, um die Prüfdaten statistisch aufarbeiten und die nachfolgende Verpackungseinheit steuern zu können. Das Prüfsystem ist auf eine gleichmäßige Beleuchtung angewiesen, damit die Konturen der Schrauben scharf und reflexfrei mit großer Tiefenschärfe und hohem Kontrast abgebildet werden. Das wird im Beispiel mit einer telezentrischen (parallelstrahligen) LED-Matrix-Lichtquelle mit Streuscheibe und Fresnellinse erreicht.

Erprobt und zuverlässig

Vor 100 Jahren gaben die beiden Wissenschaftler H. Geitel und J. Elster die Grundform einer Fotozelle an. Das automatische Ein- und Ausschalten der Straßenbeleuchtung war 1929 der letzte Schrei. Zu dieser Zeit hielt die Fotozelle auch Einzug in Fabrikbetriebe, zum Beispiel in der Zigarrenproduktion zur selbsttätigen Sortierung der Zigarren nach ihrer Farbe. In der Bauform einer Einweg-Lichtschranke gibt es heute sehr viele und immer wieder neue Anwendungen in der Automatisierung. In Bild 4 wird gezeigt, wie an einer Wickelmaschine die Umschaltung der Bewegungsrichtung des Führungsarmes ausgelöst werden kann. Eine Lichtschranke tastet den Flansch der Spule ab, eingeschlossen eines kleinen Vorhaltewinkels. Damit orientiert sich der Wickelapparat selbsttätig an den geometrischen Abmessungen und der Aufspannposition der Spule. Nimmt die Drehzahl der Verlegewelle mit zunehmendem Füllgrad der Spule ab, verkürzt sich der Hub, da die Umschaltzeit konstant bleibt. Um diese Hubverkürzung auszugleichen, sind noch Aktivitäten in einer anzuschließenden SPS erforderlich. Zusammen mit einem Wälzringgetriebe und einer SPS ergibt das eine technisch elegante und flexible Lösung für das Wickeln von Strang- und Fadenformgut auf Spulen.Stefan Hesse

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