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Spezielle Linearmotoren im Dienst der Laborautomatisierung

Automatisierung
Kleine Linearmotor-Module für die Automation im Labor

Pharmaindustrie und Labore haben nicht erst, aber vor allem seit der Corona-Pandemie so viel zu tun, dass sich die Aufgaben ohne Automatisierung kaum noch erfüllen lassen. Ein Baukastensystem aus miniaturisierten Linearmotor-Achsen und -Modulen ist genau für diese Anwendungen konzipiert.

Thomas Krauss
Faulhaber, SchönaichEllen-Christine Reiff
Fachjournalistin in Stutensee

Neue Analyse- und Prüfeinrichtungen, Produktionslinien oder auch Abfüll- und Verpackungsanlagen: Effizienz durch Automatisierung ist für die Pharmaindustrie wie auch für die Betreiber von Laboren ein wichtiges Thema – insbesondere durch die starke Nachfrage, die die Coronavirus-Pandemie mit sich brachte.

Mechatronik-Baukasten für die Laborautomatisierung

Entsprechende Anfragen zu kleinen, aber funktionellen Automatisierungslösungen bekamen auch die Ingenieure der Jung Antriebstechnik u. Automation GmbH aus dem hessischen Wettenberg. Als Antwort darauf haben sie eigens einen neuen Mechatronik-Baukasten entwickelt, genannt Quick-Lab. Für die mechanische Konstruktion wählten sie Präzisionsführungen in Kombination mit zwei Kugelumlaufwagen. So sind die Module und Achsen nicht nur leicht, sondern auch sehr steif und bieten beim Positionieren eine hohe Wiederholgenauigkeit von ± 50 µm.

Als „Herz unseres Automatisierungsbaukastens“ bezeichnet Geschäftsführer Wilhelm Jung die Linearmotoren. „Die Anforderungen an sie sind sehr hoch“, erklärt er. „Die Motoren müssen hochdynamisch arbeiten, sich präzise ansteuern lassen und auch von den Abmessungen her passen.“ Um diese Anforderungen zu erfüllen, haben sich die Wettenberger für Linearmotoren der Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG aus Schönaich entschieden. Deren Funktionsprinzip unterscheidet sich von „klassischen“ Lösungen.

Linearmotoren können unterschiedlich konstruiert sein, denn grundsätzlich lassen sich alle Prinzipien „drehender“ Elektromotoren in Linearmotoren umsetzen, indem man den runden Luftspalt auf einer Geraden abbildet. Die ursprünglich kreisförmig angeordneten elektrischen Erregerwicklungen werden dazu quasi auf ebener Strecke abgewickelt. Das Magnetfeld zieht dann den Läufer über die Fahrstrecke.

Linearmotor mit Läuferstab: besonders dynamisch

Es gibt jedoch auch andere Möglichkeiten: Die DC-Linearantriebe LM2070, die im Quick-Lab-Baukasten eingesetzt werden, sind nicht als solche „Oberflächenläufer“ mit Schlitten und Führung aufgebaut. Stattdessen ist der Läuferstab innerhalb einer selbsttragenden Dreiphasenspule geführt. Durch diese Konstruktion ergeben sich ein gutes lineares Kraft-/Stromverhältnis und eine hohe Dynamik. „Zudem gibt es keine Rastmomente, wodurch sich die Linearmotoren für den Einsatz in unserem Quick-Lab-Baukasten besonders gut eignen“, erläutert Jung.

Mit den kleinen Linearmotor-Modulen QM02 für bis zu 160 mm Hub und den Linearmotor-Achsen QA02 für Hübe bis 220 mm lassen sich Kurzhubanwendungen beispielsweise in der Labor- und Analysetechnik oder in Testsystemen mit hoher Dynamik und Genauigkeit realisieren. Dabei sind lastabhängig Verfahrgeschwindigkeiten bis zu 3 m/s und Beschleunigungen bis 50 m/s² möglich.
Die Achsen und Module sind individuell miteinander kombinierbar. Auf dieseWeise 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 mm deckt Quick-Lab den Bedarf für miniaturisierte ein- und mehrachsige Handhabungssysteme ab, zumal Jung auch das passende Zubehör wie Gewichtskraftkompensationen, magnetische Haltebremsen, externe Wegsensoren und Adapterplatten anbietet. Dass der Linearantrieb nahezu geräuschlos arbeitet, „ist vor allem dann wichtig, wenn Personal und Handlingsysteme im gleichen Raum arbeiten, wie es in Laboren oft üblich ist“, ergänzt Wilhelm Jung.

Quick-Lab-Baukasten nutzt speziell geschirmte Kabel

Ein wichtiger Punkt für Handlingsysteme ist auch die Anschlusstechnik. Normalerweise werden die Linearmotoren mit maximal 30 cm langem Kabelanschluss ausgeliefert. Bei Automationssystemen ist der Schaltschrank aber meist vom eigentlichen Antrieb recht weit entfernt. „Zwischen Motor und Controller im abgesetzten Schaltschrank liegen dann schon mal 10, 20 oder noch mehr Meter“, weiß Wilhelm Jung. Beim Quick-Lab-Baukasten gibt es deshalb ein spezielles, mehrfach geschirmtes Kabel, das die Motorleistung und das Wegsensorsignal zwischen Motor und Controller über bis zu 30 m 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.

Mittlerweile hat sich der für die Laborautomation maßgeschneiderte Mechatronik-Baukasten im praktischen Einsatz bewährt. Wilhelm Jung bestätigt: „Mehrere Hersteller und Zulieferer von Analysezubehör vertrauen heute auf unsere Systeme. Die aktuelle Nachfrage ist enorm, und das auch aus anderen Bereichen wie Optik und Prüftechnik.“ Immer mit dabei als treibende Kraft: die leistungsstarken LM2070-Linearantriebe.

www.faulhaber.com


UDC-Linearantriebe der Serie LM2070. Der Läuferstab wird innerhalb einer selbsttragenden Dreiphasenspule geführt
(Bild: Faulhaber)

Über den besonderen Linearmotor

Den Linearmotor LM2070 gibt es mit Hublängen von 40 bis 220 mm. Trotz der kompakten Statorabmessungen von 20 mm x 20 mm x 70 mm (B x H x L) hat der kleine lineare DC-Servomotor recht hohe mechanische Kennzahlen. Die Dauerkraft beträgt 9,2 N, als Spitzenkraft stehen sogar bis zu 28 N zur Verfügung.

Die robuste Gleitlagerung des Läuferstabes verkraftet problemlos Geschwindigkeiten bis 3 m/s. Dabei lässt sich der Motor sehr präzise ansteuern. Bereits mit den integrierten Hallsensoren liegt die absolute Positioniergenauigkeit bei ± 0,1 mm und die Wiederholgenauigkeit bei ± 50 µm. Mit einer optionalen externen Sensorik sind sogar ± 0,01 mm bei der Positioniergenauigkeit und eine Wiederholgenauigkeit von ± 1 µm möglich. Hinzu kommt ein praktisch wartungsfreier Betrieb, da der Motor keine bewegten Verschleißteile hat.


Über den Anwender

Die Jung Antriebstechnik und Automation GmbH, kurz JA², mit Sitz im nördlich von Gießen gelegenen Wettenberg agiert als Technologiepartner für Anwender aus dem Maschinenbau und der produzierenden Industrie. Die anwendungsspezifischen Komplettlösungen mit Linearmotor-Systemen sind vor allem für hochdynamischen Anwendungen geeignet.

www.ja2-gmbh.de


Kontakt zum Hersteller der Linearmotoren:
Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG
Daimlerstr. 23/25
D-71101 Schönaich
Internet: www.faulhaber.com
E-Mail: info@faulhaber.de



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