“Do I need to simply validate thread presence, overall functionality at some level or do I need/want conformance to traceable standards with real data as support?”

Here is a brief overview of the most common practices for automating thread evaluation available, categorized as non-contact and contact gauging, that can best solve your specific thread validation challenges.

Non-Contact Thread Checking Technologies – relative speed and throughput but at a cost/risk?

Proximity Sensors, Photo eyes, Fiber optics, Lasers – Cost effective Detect vs Measure

These technologies are all options employed to determine the presence of a thread.  Their success or failure depend upon the quality of the environment, the set-up/fixturing, ability to dial in, adjust and “see” the threads.  In these cases, quick and simple thread presence has to be enough to provide conformance to functional specifications for you or your customers.  This will be lowest cost of entry for OD/ID thread checks from low to medium albeit with lowest assurances of thread validation.

Eddy current – open up and say ahh

Eddy current testing works by inserting a probe into a threaded hole.  A coil in the probe is energized creating an electromagnetic field inducing eddy currents into your threaded metal component.  This eddy-current result is compared against that of a known master component.   When these results match/fall within your defined upper and lower control limits, the threads pass inspection. The key challenge here is one’s ability to establish these “control limits”, so that this solution will not fail conforming product or pass nonconforming product.  While this technology is more forgiving to typical shop cutting fluids, vibration & temperatures, etc., thought and care must be given to eddy current probes as they can easily be damaged/broken and can be expensive to replace. If the probe finds an undersized hole or collides with a broken tap fragment, the internals can easily be damaged.  This technology is sometimes protected using proximity sensors, photo eyes, fiber optics, and lasers as the first pass check to “save the probe”. While this inspection technique can be accomplished in ~1/2 seconds (this may be considered slow in the automation world), it functions as a better validation of thread presence and possibly depth with any hopes of capturing real pitch diameter off the table.  This technology is not suited well for OD threads and requires a metallic (magnetic) component.  Thick cast parts and blind holes can also be prohibitive.

Vision Systems – lights, camera, action

Vision solutions use sophisticated cameras to determine simple thread presence and can measure some attributes on OD threads (pitch, length).  These systems can be very fast, reliable and effective.  Parts can often be inspected on the fly, which can eliminate costly fixturing/set-up.  While vision is usually the first method to be considered by end users, it is typically the last to be considered by the experienced machine builder/system integrator due to its highest hardware, implementation costs and potential limitations. Challenges with consistent lighting, vibration, optical distortion, dirt/oil/mist, can all take their toll on successful implementation; requiring preventive maintenance, continuous servicing/tweaking.  The ability to validate internal threads is also limited typically to thread presence with these systems as well.

Contact Thread Checking Technologies – Automating the Functional Test

Rotary Contact Gauging – Get in, Get out, Good enough

Rotary contact gauging involves mechanically deploying a gauging member using air/stepper/servo motors, simple slip clutches, limit switches/proximity sensors (depth) and compliant tool holders (designed to prevent damage should an obstruction or other resistance be encountered). The appeal of rotary contact gaging is that it is a truly functional verification process. This method works well with either internal or external threads, and when the thread gauge members are selected properly, successful assembly of the gauged part (with its mating part) can be assured.  While cycle rates can be under 1 second for this functional test, the key here is selection of the gauge member to assure a functional conforming thread (similarly to the Eddy current solution) but not fail conforming product or pass nonconforming product. Comparable in cost to some Eddy solutions, the need to incorporate this gauge member into your calibration system/preventive maintenance system is also paramount as these tend to be a wearing/perishable item.

SMAC Thread Checking Approach -When 100% Thread Verification is Required

SMAC’s thread checking systems function off the foundation of what has always worked well; the go thread gauge member (traceable back to National Standards) and advances it by enabling real time feedback of important thread attribute data. Using their 2-axis voice coil linear motor and low inertia custom wound servo motors (with encoder feedback) SMAC thread checking systems can:

• Soft-land (patented) on threads to prevent damage and assure easy gauge start
• Reverse to align & find first thread, (assure its position if important)
• Validate total turns, thread depth, running torque or an undersized pitch/depth condition
• Check for an on oversized pitch thread condition on the first 3 threads (traditional no-go gauge position), last 3 threads (linear clearance of the go gauge can be correlated directly to a measured pitch diameter dimension)
• Validate OD/ID threads, both through and blind
• Validate the presence of a spot-face or counterbore if present on part
• Send real thread data back to PLC (EIP/EtherCAT), PLC (Labview, 3^rd party QA software, or serial)
• Use a master part to validate go gauge calibration/integrity as part of your quality assurance plan

All this functionality will cost you 2-5 seconds to conduct a complete thread check depending on size (although these units can be stacked/arranged to check multiple threads in one cycle), a moderate price tag for all this capability (still more cost effective than most vision systems) and current limitations to

This new proprietary design is founded on how the magnetic circuit is designed and built. A combination of SMAC’s patent-pending design and printed coil technology achieves higher torque/amp. ratings than competitive solutions in the same 35 mm form factor.

HT35 Motor Specs:

• Encoder Resolution (+A/-A; +B/-B): 24K CPR
• Fine Index (+Z/-Z): Yes
• Motor Type: Brushless 6 Pole Pair
• Peak Torque: 0.500 Nm@ 48VDC, 4A
• Torque Constant: 0.138 Nm/A
• No load speed: 2400 RPM
• Resistance (Line-Line):  13.4  Ohms
• Inductance: 1.7mH
• Rated Torque: 121 mNm@ 0.9 A
• Rated Speed: 2035 RPM
• Max. Efficiency: 85%
• Back EMF Constant:  14.7 V/krpm
• Speed Torque Gradient:  4.9 rpm/mNm
• Mechanical Time Constant: 8.6 ms
• Thermal Resistance (Winding-Housing):  1.9 K/W
• Thermal Resistance (Housing-Ambient): 10.4 K/W
• Stator Inertia: 0.175 gr-cm2
• Total Mass: 0.27 kg
• Rotor Mass: 134g

This product series grew out of the development of SMAC’s direct drive robotic finger. The focus was to develop a motor with flux in the gap greater than 10k Gauss, or 2x that of SMAC’s linear actuators. To simulate the human finger, a high torque is required, except at a much lower servo motor speed.

The HT35 Motor is a higher torque motor than others in its class and may be specified in applications with direct drive. Since the HT35 Motor does not have a gear to achieve this improved torque, this results in a reduction in total cost, no backlash from the gear train and a reduction of weight of the total solution. The HT35 is also brushless which means no internal friction, pollution or sparking from brushes and no inherent voltage brush drop, which means it is quieter, runs cleaner and results in a longer life than its brushed motor competitors.

SMAC can package this new HT35 motor with its current family of amplifier/controller options which includes industrial PLC I/O and common industrial protocols such as RS-232, CAN, EtherNet/IP, EtherCAT, and free programming.

SMAC’s VLC product line is designed and built by SMAC in the United States. Since SMAC controls the development, it can adjust the product to specific design and market/customer needs. These efficiencies result in a considerable cost-savings to the end customer.

The VLC – with its compact size and flexible shape capability – can be easily added to virtually all SMAC actuators. This is important because of the trend to combine actuators with controllers which eliminates cables and the need for space in control cabinets on machines.

Key features:

• Enables direct control features with the built-in version.
• A built-in controller to the actuator eliminates connection failures.
• Same programming language as LAC1, using free programming software
• Very compact with 3 amp continuous and 6 amp peak driver (24/48 volts DC).
• Physical shape can be adjusted to fit specific space limitations. (MCA built inside versions already use this feature.)
• Expanded versions coming soon to include built-in Ethernet interfaces (EIP/ECat), expanded I/O, and adding a 2^nd axis (grippers, linear/rotators control).

SMAC Moving Coil Actuators offer true “mechatronic solutions.” By that they mean their actuators have unique capabilities such as programmable and controllable position, velocity, and force, high accelerations, cycle life well over 100M, and a patent-pending “Soft-Land” capability. The Soft-Land capability is particularly useful when performing fragile part assembly, measurement, moving objects, etc. Real time feedback of these motion attributes enables proof that the work is done (i.e., direct quality feedback).

For more information, please visit www.smac-mca.com

1. Arbeitsablauf: Bei der Montage von Kameraobjektiven werden verschiedene präzise Teile durch Pressen zusammengefügt. Die Baugruppen bestehen aus etwa 10 separaten Teilen. Die Teile sind zerbrechlich, erfordern unterschiedliche Presskräfte für unterschiedliche Teile. Es gibt enge Toleranzen im Bereich von 10 Mikron. (Bild: Montage)
2. Zu lösende Probleme:
3. Ursprünglich wurden kleine pneumatische Schlitten zusammen mit endlagen- Sensoren verwendet. Die pneumatischen Vorrichtungen kannten nur 2 Positionen und waren in der Kraft nicht kontrollierbar. Die Pressenposition wurde mit Hilfe von Gewindeanschlägen eingestellt, damit konnte zumindest eine präzise Einstellung vorgenommen werden.
4. Sensoren überprüften, ob ein bestimmtes Teil geladen war – d. H. Vorhanden -, aber nicht, ob es in die richtige Position gedrückt wurde. Das Ergebnis war eine Ausschussquote von 30%.
5. Erforderliche Komponenten zur Lösung der Probleme:

1. Präzise programmierbare Bewegungen – mit Schrittweiten von 1µm ( ein Zehntel des erlaubten Toleranzbereiches )
2. Auch kleine Kräfte sollen präzise zu regeln sein.
3. Die Fähigkeit, sanft auf den Bauteilen zu landen- und diese dann mit Vakuum aufzunehmen
4. Den Pressvorgang und die korrekte Positionierung der Bauteile überwachen und mit einer Toleranz von +/- 1µm zu verpressen.
5. Die kontinuirliche positionsrückmeldung, um ein Rückspringen der Teile zu erkennen.
6. Die Rückmeldung der Pressung als Echtzeit- Bewertung

6. Die Möglichkeiten der Moving Coil (Tauchspulen) Technik:

1. Moving Coil sind Servo- Linear Antriebe und damit voll programmierbar. Sie sind direkt angetrieben, es gibt kein Spiel durch Getriebe und Umlenkungen.
2. Die eingebauten Positionsgeber mit Auflösungen von bis 0,1µm können Positionen in Echtzeit (Verzögerung 0,2ms) zurückmelden.
3. Da der Strom direkt proportional zur Kraft und über den gesamten Hub linear ist, kann der in der Steuerung programmierbare Kraftmodus verwendet werden, um diese während einer Bewegung zu verändern.
4. Durch Verwendung der Positionsrückmeldung in Kombination mit der Kraft und Geschwindigkeitsregelung wird ein Soft-Land auf dem Bauteil möglich.

7. Verbesserungen nach dem Austausch der Pneumatik durch Moving-Coil-Aktuatoren:

1. Passungen werden mit der Teilespezifischen Kraft verpresst. Ausschuss durch beschädigte Teile werden beseitigt.
2. Durch genaue Positionierung und Rückmeldung jedes Bauteils während des Prozesses wird die erlaubte Toleranz auf 1/3 unterschritten. Zusätzlich sinkt die Ausfallrate aufgrund falscher Zentrierung.
3. Volle Prozesskontrolle: Rechtzeitige Rückmeldung von Montagefehlern aufgrund fehlerhafter Bauteile.

8. Im Ergebnis lag die Fehlerquote bei 2% – zurückzuführen auf Bauteiltoleranzen. Diese werden im Prozess sicher erkannt.
9. Fazit: Moving-Coil-Aktoren verbreiten sich auf dem Markt. Die Vorteile in Bezug auf mögliche Qualitätssteigerungen und gleichzeitig mögliche Senkung von Montagekosten dur Wegfall nicht benötigter externer Sensoren kommen in praktisch allen Bereichen zum Tragen.

Die Moving Coil-Technologie funktioniert sowohl in Motoren als auch in Linearen Antrieben. Die Technologie gibt es schon lange. Bei Motoren mit Kohlebürsten, die auf der Technologie der beweglichen Spulen basieren, stellt die Bürste den elektrischen Kontakt zu der Spule her. Im Gegensatz dazu stehen einpolige Linearmotoren – häufig als Schwingspulen bezeichnet – im Mittelpunkt vieler Lautsprecher

Mit Einführung von Neodym-Magneten hat sich die Anwendbarkeit von Moving- coil Antrieben in allen Bereichen stark erweitert, da Aktuatoren mit diesen Magneten eine hohe Kraft (oder ein hohes Drehmoment) ausüben können.

Aufgrund der geringen Masse der sich bewegenden Spule sind diese Aktuatoren in vielen industriellen Anwendungen hervorragend geeignet, da sie hohe Taktraten ermöglichen – das Doppelte gegenüber pneumatischen oder Kugelgewindetrieben. Zusätzliche Vorteile von Moving-Coil-Aktuatoren:

• Lange Lebensdauer – bis zum 10-fachen derjenigen von pneumatischen oder Kugelgewindetrieben
• Hohe Wiederholgenauigkeit über jeden Zyklus – bis zu 10% der Varianz pneumatischer Geräte
• Programmierbare Kraft- und Drehmomentabgabe
• Die Fähigkeit, die Bewegung für Anwendungen mit sehr langsamer Geschwindigkeit bereitzustellen.

Jedoch schränkten andere Faktoren bisher die breitere Implementierung der Technologie ein:

1. Kosten: Linearmotoren mit beweglichen Spulen (und die dazugehörigen Controller) haben bis vor kurzem das Fünffache eines Pneumatikzylinders und -ventils vergleichbarer Größe gekostet… und das Dreifache derjenigen von Schrittmotor-Kugelgewindetrieben.
2. Stromversorgung: Die sich bewegenden Spulen müssen mit Strom versorgt werden. Bei Motoren sind es die Bürsten, welche verschleißen. Bei Linear- Antrieben sind es Flex-Kabel, deren Länge einen Hub bis max. 500mm zulässt.

Doch auch das ändert sich:

1. Die Kosten für inkremental Encoder sind auf unter 15 US-Dollar gesunken, hauptsächlich aufgrund der Entwicklung von Low-Cost Encoder IC´s einer Reihe von Herstellern- und der Entwicklung von kostengünstigen Kunststoff-skalen.
2. Die Kosten (und die Größe) von Controllern und Verstärkern sind ebenfalls deutlich gesunken. Das Preisniveau nähert sich auf 100 Dollar pro Achse und wird weiter sinken. Dies ist zum Teil auf den verstärkten Einsatz von Servomotoren in Automobilanwendungen zurückzuführen.
3. Die Kosten für die Spulenherstellung fallen ebenfalls schnell. Dies ist auf das Aufkommen der neuen Print-Coil-Technologie und all die wesentlichen Vorteile zurückzuführen, die sie bringt:
   • Kein Löten
   • Widerstandsabweichung der Wicklungen von 1%
   • Sehr kostengünstiges Tool-Up für neue Designs – mit typischen Ausgaben von etwa 5.000 USD
   • Möglichkeit, Spulenformen zu drucken, die nicht gewickelt werden können
   • Möglichkeit, Flexkabel, Encoder und Steckverbinder in eine gedruckte Flexschaltung zu integrieren (um die Anzahl der Teile und die Montagekosten zu reduzieren)
4. Ein weiterer Faktor, der den Preis bestimmter Stellantriebe mit beweglichen Spulen begünstigt, ist die Möglichkeit lange Magnete zuzuschneiden und sie intern zu magnetisieren.
5. Linearführungen können bei kurzen Hüben (von weniger als 30 mm) durch flache Formfedern ersetzt werden. Reibungsarm und Kostengünstig (eine Formfeder kostet in der Herstellung etwa einen USD.

Tauchspulenantriebe mit built-in Controller sind heute für rund 350 US-Dollar (bei Volumenbestellungen) zu haben. Sie sind daher im Preis vergleichbar zu Antrieben mit Kugelumlaufspindeln…  jedoch immer noch zwei- bis dreimal so teuer wie pneumatische Systeme. Allerdings werden die Preise voraussichtlich um weitere 35% fallen, da die oben genannten Faktoren den Markt beeinflussen.

Ein weiterer Faktor, der die weitere Implementierung der Technologie einschränkt, ist die Notwendigkeit einer Bürste- oder Flexkabels für die Stromzufuhr. Doch auch hier gibt es Lösungsansätze: Forscher der Universität Eindhoven haben die drahtlose Energieübertragung auf Servomotoren mit beweglichen Spulen demonstriert. Es ist technisch möglich, dies nicht nur auf Spulen in Motoren, sondern auch auf MCA Linearantriebe anzuwenden. Die Haupthürden dabei sind die Kosten und die Größe der Kraftübertragungskomponenten. Aber die Fortschritte gehen weiter… erwarten Sie also, dass diese Technologie in naher Zukunft auf dem Markt erscheinen wird.

Zuerst kamen Hydraulische Antriebe. Flüssigkeiten sind nicht komprimierbar, was sie bei hohen Kräften als Servo-Antriebe einsetzbar macht. Das ermöglicht variable Geschwindigkeiten und Positionierungen. Hydraulische Antriebe finden in der Maschinen und Kunststoffindustrie ihren Platz. Die Bewegungen sind relativ langsam. Die Kosten für erforderliche Pumpen, Ventile und andere Einrichtungen sind relativ hoch. Ein Problem ist auch die Leckage Gefahr. Die Typische Lebensdauer von Hydraulikzylindern sind 10 Millionen Zyklen.

Die Pneumatische Antriebstechnik setzte sich nach ende des 2. Weltkrieges durch. Hier werden kleine bis mittlere Kräfte relativ schnell ausgeführt. Pneumatische Antriebe eignen sich kaum als Servo- Antriebe aufgrund der Komprimierbarkeit von Luft. Eine Exakte Positionierung ist sehr schwierig zu realisieren. Diese Antriebe werden vorzugsweise zum Anfahren von zwei Positionen eingesetzt, wobei die Positionierung manuell eingestellt werden muss.

Auch Elektrische Linearantriebe sind seit dem 2. Weltkrieg im Einsatz. Die ersten dieser Antriebe (und viele heute noch) wandeln die Rotation eines Motors in eine Linearbewegung um, oft durch Spindeltriebe. Diese Antriebsmotoren sind meistens Schrittmotoren oder Servomotoren mit geschlossenem Regelkreis, wobei die Position und Geschwindigkeit programmierbar ist. Eine hohe Lineare Geschwindigkeit ist hier zwar durch entsprechend steile Schraubengeometrien möglich, dies beeinträchtigt jedoch wiederum die Positioniergenauigkeit. Die Lebensdauer ist mit einem Pneumatikzylinder vergleichbar. Die kosten sind im Vergleich zu Pneumatikzylindern jedoch 3x so hoch. Diese elektrischen Stellantriebe können Hydraulische Komponenten ersetzen, sind aber aufgrund der Präzisionskompromisse bei hoher Geschwindigkeit und der erwähnten Lebensdauer nun in direkter Konkurrenz zu direkt angetriebenen Linearantrieben.

In den späten 80ér Jahren kamen direkt angetriebene Linearantriebe zum Einsatz. Dies ist auf die Entwicklung hochfester Magnete zurückzuführen- zuerst Samarium-Cobalt, dann Neodym. Hier bewegen sich die Magnete in einer Gleichstromspule. Diese Linearen Stellantriebe sind in Position und Geschwindigkeit programmierbar, haben eine viel längere Lebensdauer- bis 100 Millionen Zyklen  im Vergleich zu Pneumatik- oder Spindelantrieben. Für hohe Geschwindigkeiten benötigen diese Antriebe einen Strom von mindestens 5A (48V) – bedingt durch die relativ hohe Masse der zu bewegenden Magneten. Das Kraftniveau ist vergleichbar zu Pneumatikzylindern- bei einem etwa 8x höheren Preis.

Seit der Jahrtausendwende gibt es einen weiteren Linearantrieb auf dem Markt – Den Tauchspulenantrieb (moving-coil-actuator). Die Entwicklung der Neodym-magnete macht Antriebe möglich, bei der sich die Spule in einem Permanent- Magnetfeld bewegt. Hier ist neben der Position und Geschwindigkeit auch die Kraft programmier- und kontrollierbar. Da die bewegliche Spule sehr wenig Masse aufweist, handelt es sich hier um die schnellsten Linearantriebe auf dem Markt. Wie auch die Antriebe mit beweglichen Magneten haben diese Antriebe eine sehr lange Lebensdauer. Die Stromaufnahme liegt aufgrund der geringen zu bewegenden Masse im Bereich von 1,5A (48V). Der Hub ist auf etwa 500mm begrenzt und die Kraft ist ebenfalls mit Pneumatikzylindern vergleichbar. Der Preis ist etwa 2-3x so hoch im Vergleich zu Pneumatikzylindern- mit sinkender Tendenz.

Mittlerweile haben Elektrische Antriebe rund 70% der Hydraulischen Antriebstechnik ersetzt – meist aus Kostengründen und der höheren Lebensdauer.

Pneumatische Stellantriebe waren aufgrund der geringen Anschaffungskosten viel schwerer zu ersetzen. Dies ändert sich jedoch vor allem in den Bereichen, wo Geschwindigkeit und Lebensdauer entscheidend sind. Vor allem in der Verpackungsindustrie ersetzen alle drei elektrischen Ausführungen von Lineartrieben die Pneumatik. Die wichtigsten Gründe dafür sind der Verzicht auf einen Kompressor, höhere Lebensdauer, Programmierbare Positionierung und höhere Geschwindigkeit. Trotzdem sind die Kosten ein entscheidender Faktor: – es werden köstengünstigere elektrische Stellantriebe benötigt, um diesen Industriezweig vollständig von der Pneumatik abzulösen.

Das führt uns zu Tauchspulenantrieben (moving-coil-actuators), die all diese konstruktiven Ziele für neue Verpackungsmaschinen erfüllen.

Im folgenden technical note werden wir detailliert beschreiben, wie ein Tauchspulenantrieb funktioniert und was diese Technik leisten kann. Wir erklären auch, wie eine Lebensdauer von einer Milliarde (1.000.000.000) Zyklen möglich ist und die Kosten weiter sinken.