PROZESSAUTOMATISIERUNG & DIGITALISIERUNG

 Miniaturisierte ein- und mehrachsige Handhabungssysteme 

​Laborautomation für Pharma- und Analyseindustrie

Pharmaindustrie und Labore stehen spätestens seit Beginn der Coronakrise unter dem Druck, möglichst hohe Automatisierungsgrade zu realisieren. Notwendig sind eine Vielzahl neuer Analyse- und Prüfeinrichtungen, Produktionslinien sowie Abfüll- und Verpackungsanlagen, deren Effizienz mit dem Grad der Automatisierung steht und fällt. Miniaturisierte Linearmotor-Achsen und -Module für ein- oder mehrachsige Anwendungen erschließen hier neue Möglichkeiten. Konzipiert als Baukastensystem, eignen sie sich für unterschiedlichste Aufgaben in der Laborautomation und der pharmazeutischen Industrie. Angetrieben werden sie von Faulhaber-Linearmotoren.

Auf die Anfragen der Pharmaindustrie, Analysebranche und Medizintechnik nach kleinen, aber funktionellen Automatisierungslösungen haben die Ingenieure der Jung Antriebstechnik und Automation mit der Entwicklung des Mechatronik-Baukastens QuickLab reagiert. Mit den kleinen Linearmotor-Modulen QM02 für bis zu 160 Millimeter Hub und den Linearmotor-Achsen QA02 für Hübe bis 220 Millimeter lassen sich Kurzhubanwendungen beispielsweise in der Labor- und Analysetechnik oder in Testsystemen mit hoher Dynamik und Genauigkeit realisieren. Durch die mechanische Konstruktion mit Präzisionsführungen in Kombination mit zwei Kugelumlaufwagen sind die Module und Achsen, trotz ihrer Leichtigkeit und der geringen bewegten Massen, sehr steif und bieten beim Positionieren eine hohe Wiederholgenauigkeit von +/- 50 Mikrometer. Dabei sind lastabhängig Verfahrgeschwindigkeiten bis zu 3 Meter pro Sekunde und Beschleunigungen bis 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, Prüfen oder Plattieren von Proben oder anderen empfindlichen Produkten. Mit einer Baubreite von 22 Millimeter deckt QuickLab hier den Bedarf für miniaturisierte ein- und mehrachsigen Handhabungssystemen perfekt ab, zumal auch das passende Zubehör wie Gewichtskraftkompensationen, magnetische Haltebremsen, externe Wegsensoren und Adapterplatten angeboten wird.

Dynamik und Präzision

„Die Linearmotoren sind das „Herz“ unseres Automatisierungsbaukastens und die Anforderungen an sie sind sehr hoch“, erklärt Wilhelm Jung, Geschäftsführer bei JA². „Die Motoren müssen hochdynamisch arbeiten, sich präzise ansteuern lassen und auch von den Abmessungen her passen.“ Überzeugen konnten hier die Linearmotoren von Faulhaber durch ihr innovatives Funktionsprinzip, das sich von „klassischen“ Lösungen unterscheidet: Linearmotoren können recht unterschiedlich konstruiert sein, denn grundsätzlich lassen sich alle Prinzipen „drehender“ Elektromotoren in Linearmotoren umsetzen, indem man den runden Luftspalt auf eine Gerade abbildet. Die ursprünglich kreisförmig angeordneten elektrischen Erregerwicklungen werden dazu quasi auf ebener Strecke abgewickelt. Das Magnetfeld zieht dann den Läufer über die Fahrstrecke. Es gibt jedoch auch noch andere Möglichkeiten. Die DC-Linearantriebe LM2070 sind nicht als solche „Oberflächenläufer“ mit Schlitten und Führung aufgebaut. Stattdessen wird der Läuferstab innerhalb einer selbsttragenden Dreiphasenspule geführt. „Durch diese Konstruktion ergeben sich ein lineares Kraft-/Stromverhältnis und eine hohe Dynamik. Zudem gibt es keine Rastmomente, wodurch sich die Linearmotoren für den Einsatz in unserem QuickLab-Baukasten gut eignen.“

Kleinste Abmessungen

Den Linearmotor LM2070 gibt es mit Hublängen von 40 bis 220 Millimeter. Trotz der kompakten Statorabmessungen von 20 x 20 x 70 Millimeter (B x H x L) hat der kleine lineare DC-Servomotor beachtliche mechanische Kennzahlen. Die Dauerkraft beträgt 9,2 Newton, als Spitzenkraft stehen sogar bis zu 28 Newton zur Verfügung. Die robuste Gleitlagerung des Läuferstabes verkraftet die hohen Geschwindigkeiten bis 3 Meter pro Sekunde. Dabei lässt sich das kleine Kraftpaket präzise ansteuern. Bereits mit den integrierten Hallsensoren liegt die absolute Positioniergenauigkeit bei +/- 0,1 Millimeter und die Wiederholgenauigkeit bei +/- 50 Mikrometer. Mit einer optionalen externen Sensorik sind sogar +/- 0,01 Millimeter und eine Wiederholgenauigkeit von +/- 1 Mikrometer möglich. Hinzu kommt ein praktisch wartungsfreier Betrieb, da der Motor keine bewegten Verschleißteile hat. Außerdem arbeitet der Linearantrieb nahezu geräuschlos.

 

Schlepptaugliche Kabelverbindung

Ein wichtiger Punkt für Handlingsysteme ist die Anschlusstechnik. Normalerweise werden die Linearmotoren mit maximal 30 Zentimeter langem Kabelanschluss ausgeliefert. Bei Automationssystemen ist der Schaltschrank aber meist vom eigentlichen Antrieb entfernt. Beim QuickLab-Baukasten gibt es ein mehrfach geschirmtes Kabel, das die Motorleistung und das Wegsensorsignal zwischen Motor und Controller über bis zu 30 Meter störungsfrei überträgt. Es wird mit einem Deckel direkt am Motor zugentlastet befestigt, ist steckbar und schlepptauglich, also für den bewegten Einsatz ausgelegt. Die Einkabeltechnologie vereinfacht, durch die beidseitige Vorkonfektionierung, die Installation.

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