Kleine Linearmotor-Module und -Achsen als Baukastensystem Automation für Pharma, Labor & Analyse

Auf die Anfragen der Pharmaindustrie, Analysebranche und Medizintechnik nach kleinen, aber funktionellen Automatisierungslösungen haben die Ingenieure von Jung Antriebstechnik u. Automation (JA²) mit der Entwicklung des neuen Mechatronik-Baukastens QuickLab reagiert. 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.

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 µm. 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 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 mm 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.

Hohe 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 Prinzipien „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 ausgesprochen gutes lineares Kraft-/Stromverhältnis und eine hohe Dynamik. Zudem gibt es keine Rastmomente, wodurch sich die Linearmotoren für den Einsatz in unserem QuickLab-Baukasten besonders gut eignen.“

Kompakte Höchstleitung

Den Linearmotor LM2070 gibt es mit Hublängen von 40 bis 220 mm. Trotz der kompakten Statorabmessungen von 20 x 20 x 70 mm (B x H x L) hat der kleine lineare DC-Servomotor beachtliche 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 die hohen Geschwindigkeiten bis 3 m/s. Dabei lässt sich das kleine Kraftpaket 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 und eine Wiederholgenauigkeit von +/- 1 µm möglich.

Hinzu kommt ein praktisch wartungsfreier Betrieb, da der Motor keine bewegten Verschleißteile hat. Außerdem arbeitet der Linearantrieb nahezu geräuschlos. „Das ist vor allem dann wichtig, wenn Personal und Handlingsysteme im gleichen Raum arbeiten, wie es in Laboren oft üblich ist“, ergänzt Wilhelm Jung.

Schlepptauglich

Ein wichtiger Punkt für Handlingsysteme ist die Anschlusstechnik. Normalerweise werden die Linearmotoren mit maximal 30 cm langem Kabelanschluss ausgeliefert. Bei Automationssystemen ist der Schaltschrank aber meist vom eigentlichen Antrieb entfernt. „Zwischen Motor und Controller im abgesetzten Schaltschrank liegen dann schon mal 10, 20 oder noch mehr Meter“, weiß Wilhelm Jung.

Beim QuickLab-Baukasten gibt es deshalb ein spezielles, 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 obendrein auch noch 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 das: „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 kleinen, leistungsstarken LM2070-Linearantriebe.