Schweißmuttersensoren

Zur Verbindung von Blechen setzt vor allem die Automobilindustrie häufig Distanz- oder Stabilisierungshülsen und Schweißmuttern ein. Um einestörungs- und ausschussfreie Produktion zu gewährleisten, muss deren Vorhandensein kontinuierlich überwacht werden. Mit dem neuen Schweißmutternsensor bietet Turck jetzt eine prozesssichere Alternative zu bislang eingesetzten optischen Messverfahren.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. Selbst komplette Karosserien können für die weitere Verarbeitung unbrauchbar werden, falls die stabilisierenden Elemente nicht angeschweißt wurden.

Optische Kontrolle fehleranfällig
Um diese Kosten zu vermeiden, ist es unabdingbar, das Vorhandensein der Schweißmuttern oder Stabilisierungshülsen kontinuierlich zu überprüfen. Dazu kamen bislang optische Methoden zum Einsatz. Mit Optosensoren oder Kamerasystemen hat man die Metallbolzen erfasst, die an den zuvor festgelegten Positionen jeweils eine Mutter oder Hülse aufnehmen und für den Schweißprozess fixieren sollen.

Ein Ansatz, das Problem der Komponentenprüfung zu lösen, sind Lichtleiter, die seitlich aus dem Bolzen herausschauen. Da allerdings die auftretende starke Verdreckung und die Schweißspritzer die Funktion des Lichtleiters beeinträchtigen oder ihn sogar zerstören, ist dieses Verfahren teuer und ungeeignet.

Sehr verbreitet ist hingegen die Methode, die Aufnahmebolzen und damit auch die Muttern mit einem Lasertaster zu erfassen. Dies ist jedoch ebenfalls eine teure und zugleich unsichere Methode. Die Justage des Sensors ist relativ aufwändig, und auch hier führt die Verschmutzung durch Schweißfunken zur schnellen Erblindung der Optik.

Kamerasysteme stellen die teuerste Lösungsvariante dar. Sie sind zudem sehr aufwändig zu programmieren und besonders empfindlich gegenüber wechselnden Lichtverhältnissen. Prozessicherheit kann bei dieser Aufgabenstellung mit optischen Sensoren nur sehr eingeschränkt gewährleistet werden.

Prozesssichere Sensorik
Da alle optischen Systeme fehleranfällig und mehr oder weniger teuer sind, wurden die Kundenforderungen nach einer vergleichsweise preiswerten einfachen und prozesssicheren Sensorik immer lauter. Für den Sensor-, Feldbus-, Interface- und Anschlusstechnikspezialisten Turck war dies Ansporn genug, einen robusten Sensor zur Erfassung von Schweißmuttern zu entwickeln.

Herausgekommen ist ein Gesamtlösung, bei der der neue Turck-Schweißmutternsensor nicht nur Metall detektiert, sondern auch den Aufnahmebolzen ersetzt. Der Sensor ist auf die Bedämpfung durch Schweißmuttern ausgelegt und erkennt ferromagnetische Bauteile wie Hülsen, Muttern, Scheiben usw. Er hat ein Messinggehäuse und erfüllt die Anforderungen der Schutzart IP67. LEDs zeigen zuverlässig den aktuellen Schaltzustand an, sowohl das Vorhandensein des Targets als auch aufgetretene Fehler.

Da die Schweißmutternabfrage in einer sehr rauen Umgebung stattfindet und die Arbeiter auch nicht immer vorsichtig zu Werke gehen, müssen der Dorn und dementsprechend 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 der Sensor und die Edelstahlhülse gemeinsam den Aufnahmebolzen. Die Schweißmutternsensoren 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 gutes Target für die Sensoren dar.

Damit der neue Sensor wirklich nur die Mutter und nicht das Blech sieht, lässt er sich über Pin 2 des M12x 1-Steckeranschlusses und einen zusätzlichen Teachadapter (VB2-SP1) 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 Teachvorgang erhalten. Die durch den Schweißprozess auftretenden starken Temperaturänderungen werden durch eine Temperaturkompensation abgefangen.

Die Schweißmutternsensoren sind in zwei unterschiedlichen Ausführungen mit verschiedenen Sensorsignalstärken und Durchmessern erhältlich. So können Bauteile mit stark unterschiedlichen Materialeigenschaften und Durchmessern detektiert werden. Ein zu detektierendes Bauteil muss sich innerhalb des so genannten sensitiven Bereiches befinden, um dieses zu erkennen. Das interne Sensorsignal erreicht seinen Maximalwert, wenn der sensitiveBereich 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.

Fazit
Von vorn herein wurde der Turck-Schweißmutternsensor für die rauen Umgebungsbedingungen im Schweißbereich entwickeltso dass er vor allem an den schnellen Produktionslinien der Automobilindustrie zuverlässig arbeitet. Der Sensor bildet zusammen mit einer übergestülpten Edelstahlschutzhülle den Aufnahmebolzen für Schweißmuttern und Distanzhülsen. Er lässt sich einfach in die Anlagen integrieren und passt sich durch unkompliziertes Einteachen seinen Umgebungsbedingungen im Handumdrehen an. Schweißmuttern erkennt der Sensor dabei eben so problemlos wie Stabilisierungshülsen. Ohne Software, aufwändige Programmierung und weitere Elektronik wird so ein störungsfreier Fertigungsablauf möglich.