Kleine Linearmotormodule und Achsen als Baukastensystem von Faulhaber

Dec 15, 2023

Von Mike Santora | 4. April 2022

Spätestens seit Beginn der Corona-Krise stehen Pharmaindustrie und Labore unter dem Druck, ein Höchstmaß an Automatisierung zu realisieren. Notwendig sind hierfür eine Reihe neuer Analyse- und Prüfgeräte, Produktionslinien sowie Abfüll- und Verpackungsanlagen, deren Effizienz vom Grad der Automatisierung abhängt. Miniaturisierte Linearmotorachsen und Module für Einzel- oder Mehrachsanwendungen eröffnen hier neue Möglichkeiten. Als modulares System konzipiert, eignen sie sich für vielfältige Aufgaben in der Laborautomation und der Pharmaindustrie. Angetrieben werden sie von FAULHABER Linearmotoren.

Die Ingenieure von Jung Antriebstechnik u. Dem Ruf der pharmazeutischen Industrie, der Analysebranche und der Medizintechnikbranche nach kleinen, aber funktionalen Automatisierungslösungen reagierte die Automation GmbH JA2 mit der Entwicklung eines neuen modularen mechatronischen Systems namens QuickLab. Mit den kleinen QM02-Linearmotormodulen für bis zu 160 mm Hub und den QA02-Linearmotorachsen für Hübe bis zu 220 mm lassen sich Kurzhubanwendungen mit hoher Dynamik und Genauigkeit realisieren, beispielsweise in der Labor- und Analysetechnik oder in der Prüftechnik Systeme. Durch die mechanische Konstruktion und Präzisionsführungen in Kombination mit zwei Kugelschlitten sind die Module und Achsen sehr steif und bieten trotz ihrer Leichtbauweise und geringen bewegten Masse eine hohe Wiederholgenauigkeit bei der Positionierung von +/- 50 μm. Je nach Belastung sind Fahrgeschwindigkeiten bis zu 3 m/s und Beschleunigungen bis zu 50 m/s2 möglich. Die Achsen und Module sind individuell miteinander kombinierbar. Auf diese Weise lassen sich Pick-and-Place-Anwendungen ebenso realisieren wie automatische Lösungen zum Vereinzeln, Gruppieren, Testen oder Plattieren von Proben oder anderen sensiblen Produkten. Mit einer Breite von 22 mm deckt QuickLab den Bedarf an miniaturisierten ein- und mehrachsigen Handlingsystemen perfekt ab. Darüber hinaus wird das passende Zubehör wie Gewichtskraftkompensation, magnetische Haltebremsen, externe Positionssensoren und Adapterplatten angeboten.

Hohe Dynamik und Präzision „Die Linearmotoren sind das ‚Herz‘ unseres modularen Automatisierungssystems und die Anforderungen an sie sind sehr hoch“, erklärt Wilhelm Jung, Geschäftsführer bei JA2. „Die Motoren müssen hochdynamisch arbeiten, präzise steuerbar sein und über geeignete Abmessungen verfügen.“ Die Linearmotoren von FAULHABER überzeugten hier durch ihr innovatives Funktionsprinzip, das sich von „klassischen“ Lösungen unterscheidet: „Linearmotoren können auf unterschiedliche Weise aufgebaut werden, denn.“ Alle Prinzipien „rotierender“ Elektromotoren lassen sich grundsätzlich in Linearmotoren umsetzen, indem man den runden Luftspalt auf eine Gerade abbildet. Dazu werden die ursprünglich kreisförmig angeordneten elektrischen Erregerwicklungen auf eine ebene Bahn abgebildet. Das Magnetfeld zieht dann die Rotor über dem Verfahrweg. Es gibt jedoch noch andere Möglichkeiten: Die DC-Linearantriebe LM2070 sind nicht als solche „Flächenrotoren“ mit Schlitten und Führung aufgebaut, sondern der Forcer-Stab wird innerhalb einer 3-phasigen selbsttragenden Spule geführt „Durch diese Konstruktion ergibt sich ein außergewöhnlich gutes Verhältnis zwischen Linienkraft und Strom sowie eine hohe Dynamik.“ Darüber hinaus gibt es keine Rastmomente, wodurch sich die Linearmotoren ideal für den Einsatz in unserem modularen QuickLab-System eignen.“

Maximale Leistung in kleinsten Abmessungen Die Linearmotoren LM2070 sind mit Hublängen von 40 bis 220 mm erhältlich. Trotz der kompakten Statorabmessungen von 20 x 20 x 70 mm (B x H x L) verfügt der kleine lineare DC-Servomotor über beeindruckende mechanische Leistungsdaten. Die Dauerkraft beträgt 9,2 N, eine Spitzenkraft von bis zu 28 N steht zur Verfügung. Die robuste Gleitlagerung der Druckstange bewältigt problemlos die hohen Geschwindigkeiten von bis zu 3 m/s. Dabei lässt sich das kleine Kraftpaket sehr präzise steuern. Bereits mit den integrierten Hall-Sensoren liegt die absolute Positioniergenauigkeit bei +/- 0,1 mm und die Wiederholgenauigkeit bei +/- 50 μm. Mit einem optionalen externen Sensor können diese Werte auf +/- 0,01 mm und eine Wiederholgenauigkeit von +/- 1 μm verbessert werden. Hinzu kommt ein nahezu wartungsfreier Betrieb, da der Motor keine beweglichen Verschleißteile hat. Darüber hinaus arbeitet der Linearantrieb nahezu geräuschlos. „Das ist vor allem dann wichtig, wenn Personal und Handhabungssysteme im selben Raum arbeiten, wie es in Laboren oft der Fall ist“, ergänzt Wilhelm Jung.

Schleppkettenkabelanschluss Ein wichtiger Punkt bei Handhabungssystemen ist die Verbindungstechnik. Standardmäßig werden die Linearmotoren mit max. 30 cm lange Kabelverbindung. In Automatisierungsanlagen befindet sich der Schaltschrank jedoch meist in einiger Entfernung vom eigentlichen Antrieb. „Zwischen dem Motor und der Steuerung im separaten Schaltschrank können dann 10, 20 oder mehr Meter liegen“, sagt Wilhelm Jung. Mit dem QuickLab-Baukastensystem gibt es daher ein spezielles, mehrfach geschirmtes Kabel, das die Motorleistung und das Positionssensorsignal zwischen Motor und Steuerung störungsfrei über bis zu 30 m überträgt. Es wird mit einer Abdeckung direkt am Motor mit Zugentlastung befestigt, ist steckbar und ist auch für den Einsatz mit Schleppketten, also für den mobilen Einsatz, konzipiert. Die Einkabeltechnik vereinfacht die Installation durch die Vorkonfektionierung beider Enden.

Der für die Laborautomation maßgeschneiderte Mechatronik-Baukasten hat sich bereits im praktischen Einsatz bewährt. Wilhelm Jung bestätigt dies: „Viele Hersteller und Anbieter von Analysezubehör vertrauen heute auf unsere Systeme. Die Nachfrage ist derzeit enorm – auch aus anderen Bereichen wie Optik und Prüftechnik.“ Als treibende Kraft immer dabei: die kleinen, leistungsstarken Linearantriebe LM2070.www.faulhaber.com/de/märkte/modulares-mechatronisches-system-quick-lab/

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