Von Silke Kenzer

Der induktive uprox+-Sensor bildet das Herz des „intelligenten Aufnahmebolzens”œ.

Distanzhülsen und Schweißmuttern sorgen dafür, dass sich Fahrzeugteile wie beispielsweise Rahmen, U-Träger, Autositze oder Tanks konstruktionsgemäß zusammenfügen lassen. Fehlen einzelne Muttern oder Hülsen an der vorgesehenen Stelle, kommt die Produktion zum Erliegen und das Werkstück ist nur noch Ausschuss. Werden die Fehler nicht erkannt und die ungeeigneten Teile weiterverarbeitet, entstehen erhebliche Kosten – denn selbst komplette Karosserien können für die weitere Verarbeitung unbrauchbar werden, falls die stabilisierenden Elemente nicht angeschweißt wurden.

Somit ist es unabdingbar, das Vorhandensein der Schweißmuttern oder Stabilisierungshülsen kontinuierlich zu überprüfen. Bislang kamen hierzu optische Methoden zum Einsatz: Optosensoren oder Kamerasysteme haben die Metallbolzen erfasst, die an den zuvor festgelegten Positionen jeweils eine Mutter oder Hülse aufnehmen und für den Schweißprozess fixieren sollen:

• Ein optoelektronischer Ansatz, das Problem der Komponentenprüfung zu lösen, sind seitlich aus dem Bolzen herausschauende Lichtleiter. Da allerdings starke Verschmutzung und Schweißspritzer die Funktion des Lichtleiters beeinträchtigen oder ihn sogar zerstören, ist dieses Verfahren letztlich ungeeignet.
• Sehr verbreitet ist die Methode, die Aufnahmebolzen und zugleich die Muttern mit einem Lasertaster zu erfassen. Diese Methode erweist sich in der Praxis jedoch oft als unsicher, da zum einen die Sensor-Justage relativ aufwendig ist und zum anderen auch hier die Verschmutzung durch Schweißfunken zur schnellen Erblindung der Optik führt.
• Kamerasysteme sind nicht nur die teuerste Variante der drei Lösungsansätze, sie sind zudem sehr aufwendig zu programmieren und besonders empfindlich gegenüber wechselnden Lichtverhältnissen.

Der Sensor ersetzt den Aufnahmebolzen

Als Alternative für die in dieser Aufgabenstellung „überforderten“ optischen Systeme gibt es nun einen Sensor, der speziell auf die Erfassung von Schweißmuttern ausgelegt ist. Der von Turck entwickelte Schweißmuttern-Sensor in IP67 detektiert nicht nur Metall, sondern ersetzt – gemeinsam mit einer übergestülpten Schutzhülse – zudem den Aufnahmebolzen. Der im Messinggehäuse untergebrachte Sensor ist auf die Bedämpfung durch Schweißmuttern ausgelegt und erkennt ferromagnetische Bauteile wie Hülsen, Muttern und Scheiben. LEDs zeigen den aktuellen Schaltzustand und sowohl das Vorhandensein des Target als auch aufgetretene Fehler an.

Eine übergestülpte Zentrierhülse aus Edelstahl fixiert die Schweißmuttern und gibt zusätzlichen mechanischen Schutz.

Da die Schweißmuttern-Abfrage in einer sehr rauen Umgebung stattfindet, sollte der Sensor ausreichend mechanisch geschützt werden. Dies geschieht durch Zentrierhülsen aus Edelstahl, die auf den Sensor gesteckt werden und dort die Mutter fixieren. So bilden Sensor und Edelstahlhülse gemeinsam den Aufnahmebolzen. Die Schweißmuttern-Sensoren können ferromagnetisches Material durch die nicht-ferromagnetische Edelstahlhülse hindurch erkennen, so dass sie nur bei magnetischen Metallen ein Signal geben. Da die Schweißmuttern aus Eisenstahl bestehen, stellen sie ein exzellentes Target für die Sensoren dar.

Damit der Sensor wirklich nur die Mutter und nicht das Blech „sieht“, lässt er sich über Pin 2 des M12x1-Steckeranschlusses und einen zusätzlichen Teach-Adapter programmieren. Auf Knopfdruck „lernt“ der Sensor den Zustand mit Blech sowie den Zustand mit Blech und Schweißmutter, so dass er deren Vorhandensein zuverlässig diagnostizieren kann. Eine einmal eingelernte Programmierung bleibt bis zu einem erneuten Teach-Vorgang erhalten. Die durch den Schweißprozess auftretenden starken TemperaturÄnderungen werden durch eine Temperatur-Kompensation abgefangen.

Die Schweißmuttern-Sensoren gibt es in zwei unterschiedlichen Ausführungen mit verschiedenen Sensorsignalstärken und Durchmessern, um Bauteile mit stark unterschiedlichen Materialeigenschaften und Durchmessern detektieren zu können. Ein zu erkennendes Bauteil muss sich innerhalb des so genannten sensitiven Bereiches befinden, um dieses zu erkennen. Das interne Sensorsignal erreicht seinen Maximalwert, wenn der sensitive Bereich vollständig durch das Bauteil überdeckt ist. Auch teilweise Überdeckungen sind möglich. Durch die Kalibrierung vor Ort kann überprüft werden, ob eine Schutzkappe und ein Bauteil zur Detektion geeignet sind.

Autor:

Silke Kenzer ist Produktspezialistin für Positions- und Näherungssensoren bei Hans Turck in Mülheim.

Der Schweißprozess

Beim Schweißprozess wird das zu verarbeitende Karosserieblechteil zunächst in die entsprechende Vorrichtung eingelegt. Nachdem Kraftspanner das Blech fixiert haben, steckt ein Werker die Mutter oder eine Stabilisierungshülse auf den Zentrierdorn. Der Sensor muss nun die Schweißmutter oder die Stabilisierungshülse erkennen, damit eine vergessene Schweißposition sofort der Steuerung angezeigt werden kann. Sobald alle Schweißmuttern an ihren Plätzen sind, beginnt der Roboter, die Schweißmuttern am Blech zu punkten.