Magnetische Positionssensoren verbessern Ultraschall-Schweißprozesse

Automatisierungsaufgabe effizient gelöst

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Zuverlässig, schnell, flexibel, effizient – mit diesen Attributen punkten die Ultraschall-Schweißanlagen der MS Spaichingen in der internationalen Automobil- und Verpackungsindustrie. Die gleichen Merkmale gelten auch für die magnetischen Positionssensoren MPS von Sick, die an den Sonotroden zur analogen Schweißtiefenmessung eingesetzt werden und so die Qualität der thermischen Kunststoff-Fügeprozesse sicherstellen.

Sebastian Schwarz, Product Manager Business Unit Sensors & Connectivity in der Division Industrial Sensors der Sick AG in Waldkirch, und Manfred Lay, Vertriebs- außendienst der Sick Vertriebs GmbH in Düsseldorf

Das Festlegen mehrerer Schaltpunkte mit einem Sensor in Verbindung mit einer hochauflösenden analogen Messung des Kolbenweges in einem Pneumatikzylinder ist ein automatisierungstechnischer Vorteil, den der magnetische Positionssensor MPS Anwendern wie der MS Spaichingen bietet. Darüber hinaus vereint die innovative Sensortechnologie hohen Bedien- und Montagekomfort mit einer besonderen Präzision. „Der kompakte MPS ist ein wirtschaftlich interessantes Wegmesssystem mit hoher Genauigkeit, mit dem wir zahlreiche Applikationen in unseren Anlagen zum Schweißen und Stanzen mit Ultraschall lösen“, bestätigt Dipl.-Ing. (TH) Bernhard Muth, Leiter Konstruktion und Entwicklung Schweißtechnik bei MS. „Da der MPS Messbereiche von 32 mm bis 256 mm abdeckt, können wir unsere selbst entwickelten Präzisionszylinder immer mit dem gleichen Sensortyp in der passenden Baulänge ausrüsten. Das spart Zeit und Kosten bei der Beschaffung, bei der Montage und bei der Inbetriebnahme.“
Kunststoffschweißen mit Ultraschall
Seit fast 50 Jahren am Markt, ist MS heute eine weltweit tätige Unternehmensgruppe mit über 500 Mitarbeitern und Produktionsstandorten in Deutschland (Spaichingen und Zittau) und USA (Fowlerville, MI). In den Geschäftsfeldern Motorentechnik und Schweißtechnik werden Baugruppen und Systeme für Nutzfahrzeugmotoren sowie Sonderschweißmaschinen für die Automobilindustrie und Komponenten und Module für das Ultraschallschweißen von Verpackungen gefertigt. „In diesem Geschäftsfeld verfügen wir über langjähriges Know How beim optimalen Schweißen, Verbinden und Bearbeiten von thermoplastischen Kunststoffen“, sagt Joachim Engenhart, Leiter der Steuerungstechnik bei MS. „Wir kombinieren modernste Ultraschall-Schweißtechnologie mit intelligenten Lösungen zur Werkstückführung, z.B. per Drehteller oder Schiebetisch. Dadurch können wir den Kunden zuverlässige, flexible und effiziente Prozesslösungen liefern, z.B. für das Ultraschall-Schweißen von Türseitenverkleidungen oder beim Ultraschall-Stanzen von Kunststoff-Stoßfängern. „So wird in einer kurz vor der Auslieferung stehenden Anlage für das Schweißen von Heckspoilern an etwa 30 verschiedenen Schweißpunkten ein Trägerteil mit einer fertig lackierten Außenschale verschweißt.“
Damit das Schweißen mit hoher Qualität erfolgt, kommt es entscheidend auf das Kontaktieren der Kunststoffkomponenten durch die Sonotroden an. Diese – in der Regel aus Titan, Aluminium oder Stahl gefertigten – Werkzeuge haben als einziges Bauteil einer Ultraschall-Schweißanlage einen direkten Kontakt zum Schweißteil. Auf jeden Schweißpunkt kommt einen Sonotrode. „Je nach Teil, das es zu Schweißen gilt, kann eine Anlage, zum Beispiel bei aufwändigen Türseitenverkleidungen, über bis zu 80 Sonotroden verfügen“, sagt Bernhard Muth. Jede Sonotrode muss mit Hilfe von 2,5 bis 3 bar pneumatischem Druck die richtige Schweißtiefe erreichen, damit die hochfrequenten Schwingungen in das Werkstück übertragen werden und die nötige Wärme erzeugt werden kann, um die Kunststoffe an dieser Kontaktzone zu erweichen und dauerhaft zu verbinden.
Gesucht: Wegmesssystem zur Sonotrodenführung
„Bei zu geringer Schweißtiefe wird keine oder nur eine unzureichende Verbindung der Kunststoffe erreicht, eine zu große Schweißtiefe erweicht unter Umständen zu viel Material und kann darüber hinaus zu unerwünschten Abdrücken auf den Bauteilen führen“, erklärt Joachim Engenhart. „Aus diesen Gründen ist es erforderlich, dass die Pneumatikzylinder die Sonotroden mit einer Genauigkeit von 1/10 mm positionieren und verfahren.“ Umgesetzt wurde diese Aufgabe zunächst mit einer mechanisch justierbaren Potenziometer-Lösung, die allerdings aus verschiedenen Gründen an ihre Grenzen stieß.
„Immer mehr Schweißpunkte, immer kompaktere Maschinen bedeuten immer weniger Platz in den Maschinen und an den Sonotroden“, beschreibt Joachim Engenhart eine der Randbedingungen. Hinzu kam die mangelnde Flexibilität und schlechte Bedienbarkeit der analogen Weggeber-Lösung, denn unterschiedliche Chargen oder Toleranzen bei eigentlich gleichen Schweißteilen machen es erforderlich, die Schweißtiefen bei Bedarf anzupassen. „Hierzu war es notwendig, die Poti-Wegmessung direkt an jeder einzelnen Sonotrode, d.h. im Werkraum der Maschine, mechanisch zu justieren“, sagt Joachim Engenhart. „Das bedeutete nicht nur einen enormen Arbeitsaufwand, sondern auch eine besonders für das Automobilumfeld viel zu lange Umrüstdauer, in der die Schweißanlage keine Teile bearbeiten konnte. Der MPS von Sick vermeidet all diese Nachteile und war daher für uns die perfekte Lösung.“
Wegmessung mit dem MPS
Mit dem MPS ist es möglich, mit einem einzigen Sensor Kolbenbewegungen in Pneumatikzylinder kontinuierlich zu erfassen. Neben der Ausgabe mehrerer eingestellter Schaltpunkte kann der magnetische Posi- tionssensor auch eine zuverlässige, analoge Wegmessung vornehmen und als 4-20-mA-Stromausgang oder als 0-10-V-Spannungssignal ausgeben. Die Kolbenabfrage erfolgt sehr schnell und genau − bei Verfahrgeschwindigkeiten bis 3 m/s und einer Abtastrate von 1 ms. Bei einem MPS mit einem Messbereich von 64 mm beträgt die Auflösung 0,05 mm, der Linearitätsfehler liegt bei nur 0,3 mm und die Wiederholgenauigkeit beträgt 0,1 mm.
Aus montagetechnischer Sicht ist von Vorteil, dass das IP67-Gehäuses des MPS so gestaltet wurde, dass auch bei den MS-Pneumatikzylindern eine schnelle Drop-in-Montage von oben in die T-Nut sowie eine sichere Fixierung mit zwei Schrauben möglich ist. Hinzu kommt, dass beim MPS die Einbaurichtung flexibel gewählt und das abgehende Kabel so immer optimal verlegt werden kann. Das Besondere am Sensor ist zudem, dass über den Teachknopf der Messbereich auf den tatsächlichen Weg des Kolbens eingestellt und damit die Auflösung weiter optimiert werden kann. „Wir haben uns allerdings für den MPS ohne Teach-Taste entschieden, weil wir alle Einstellungen nicht mehr im Werkraum, sondern nur noch über die Maschinensteuerung vornehmen möchten“, sagt Joachim Engenhart. Das gilt nicht nur für die Erstinbetriebnahme, sondern auch beim Wechsel von Produkten oder Prozessabläufen im Betrieb.
Die Schaltpunkte für die Nulllage, der erste Kontaktpunkt beim Aufsetzen auf dem Kunststoffteil, der zweite Kontaktpunkt als Endlage der Schweißtiefe sowie dadurch automatisch auch die Wegmessung der Schweißtiefe können dem MPS als Prozessdaten auf verschiedene Weise mitgeteilt werden: über das Bedienpanel bzw. das Automatisierungssystem der Anlage, durch Erfassen von Barcodes bzw. Matrix-Codes oder direkt aus einem ERP-System, z.B. SAP. „Der Software-Download auf alle Sonotroden und ihre MPS gleichzeitig ist schneller als das Einstellen der Wegmessung per Schraubendreher nacheinander an jeder Sonotrode“, bringt es Joachim Engenhart auf den Punkt.
Hochauflösende Tiefenmessung
„Durch die hohe Auflösung der MPS erhalten wir eine hochpräzise Überwachung der jeweils aktuellen Schweißtiefe. Wir wissen immer, wo die Sonotrode aktuell steht und können so den thermischen Fügeprozess optimal steuern“, sagt Bernhard Muth. Auf diese Weise ermöglichen es die MPS, die Schweißtiefe der Sonotroden, z.B. bei form-identischen Türverkleidungen aus Stoff, Kunststoff und Leder, den unterschiedlichen Stärken und dem unterschiedlichen Schmelzverhalten der Kunststoffe und Materialzusammensetzungen anzupassen. Dadurch wird eine optimale Qualität der Schweißpunkte erreicht. In diesem Zusammenhang bietet die Integration der MPS in die Prozesssteuerung der Ultraschall-Schweißanlagen von MS einen weiteren Vorteil. „Viele Kunden schreiben die analoge Schweißtiefenmessung, wie auch die Dokumentation der erreichten Schweißtiefe, als Leistungsmerkmal der Anlagen fest; besonders dann, wenn sie eine Vielzahl unterschiedlicher Teile bearbeiten wollen.“, sagt Joachim Engenhart. „Seit dem Umstieg auf den MPS sind wir in der Lage, diese Anforderung lückenlos und automatisch zu erfüllen.“
MS hat durch den Umstieg auf den magnetischen Positionssensor MPS von Sick eine für den Ultraschall-Schweißprozess wichtige Automatisierungsaufgabe auf effiziente Weise gelöst. Das zusätzliche Mehr an Flexibilität, Bedienfreundlichkeit und steuerungstechnischer Integrationsfähigkeit, die durch die MPS an den Pneumatikzylindern der Sonotroden erreicht wird, trägt zu einer verbesserten Verfügbarkeit und Wertschöpfung beim Endanwender der MS-Ultraschall-Schweißanlagen bei. ge
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