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Linearmotoren: Sicheres Handling in der Diagnostik

In der Diagnostik dienen elektrische Antriebe zahlreichen Anwendungen – vom einfachen Materialhandling bis zu komplexen Pick&Place-Anwendungen. Die Art des Mediums kann hierbei differieren. Daraus resultiert auch die Bandbreite an Produktvariationen zur Ansteuerung medizinischer Geräte.

Dunkermotoren Bildquelle: © Dunkermotoren

In der Medizintechnik kommt es außer der Zuverlässgiketi auch auf eine hohe Positioniergenauigkeit an.

Jede einzelne Applikation bringt eine Vielzahl an Anforderungen mit sich, die bei der Konstruktion einer Dia­gnostikmaschine im Pflichtenheft berücksichtigt werden muss. So sind Laufruhe, eine gute Regelbarkeit, hohe Genauigkeit und Lebensdauer, Verschleiß- und Wartungsfreiheit unabdingbare Kriterien. Besonders bei der Diagnostik ist es von enormer Bedeutung, stets auf dem aktuellsten Stand der Technik zu sein, um Ärzten und Patienten die innovativsten Lösungen zu präsentieren. Dies veranlasst Konstrukteure, immer auf der Suche nach neuen Lösungen zu sein, welche eine Verbesserung in den oben genannten Kriterien hervorrufen. Mit jeder nachfolgenden Generation an Geräten wird die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems verbessert,sowie die Maschinenleistung erhöht.

Vor allem die steigende Anzahl an Tests, beispielsweise von Blutbildern, führt zwangsweise zu einer Automatisierung des Testequipments. Große Labore suchen schon heute nach kompakten, modularen Testzellen, die sich auch bei weiter steigendem Bedarf mit wenig Aufwand erweitern lassen. Ein weiteres wichtiges Kriterium ist eine schnelle Befundung und Übertragung der Testergebnisse an den Arzt und Patienten.

Elektrische Linearmotoren, zum Beispiel die ServoTubes von Dunkermotoren, haben sich vor allem für das Handling von Proben als flexibel einsetzbare Lösung im Markt etabliert (Bild 1). Von einzelnen Achsen bis hin zu Mehrachssystemen werden hochdynamische und flexible Linearmodule speziell für die Maschinen entwickelt. Linearmotoren überzeugen durch eine hohe Beschleunigung und Geschwindigkeit, wodurch sie sich deutlich von anderen Linearmodultechniken, wie zum Beispiel Spindel- oder Riemensystemen, abheben. Diese Eigenschaften kombiniert mit einem hochauflösendem Linearencoder, ergeben Positioniergenauigkeiten von weniger als 0,01 mm. Sollte die Genauigkeitsanforderungen aber im 0,1-mm-Bereich liegen, so kann dies schon mit dem standardmäßig integrierten Sin/Cos-Geber ohne zusätz­lichen Linearencoder erfolgen. Jede einzelne Ausführung bietet einen hohen Grad an Präzision und eine lange Lebensdauer – je nach Anwendung können Laufleistungen von mehr als 50.000 km erreicht werden. Mit geringem Wartungsaufwand und hoher Zuverlässigkeit überzeugen Linearmotoren auf ganzer Linie.

Dunkermotoren Bildquelle: © Dunkermotoren

Bild 1. ServoTub-Aktor STA2504: Mit ihrer hohen Beschleunigung, Geschwindigkeit und Positioniergenauigkeit werden ServoTubes vor allem für das Handling von Proben eingesetzt.

Ein 3-Phasenmotor mit dem integriertem 1-Vss-Sin/Cos-Feedback lässt sich an zahlreichen Servoregler verschiedener Hersteller anschließen. Das Anschlussprinzip ist vergleichbar mit dem eines handelsüblichen rotativen Servomotors mit Gebersystem. Somit ist auch die Integration in das Steuerungskonzept des Maschinenherstellers einfach und weniger zeitaufwendig. Bei Antriebsregler ohne einen Sin/Cos-Gebereingang wird ein Schnittstellenwandler des Typs SI10 dazwischen geschaltet. Der schokoriegelgroße SI10-Wandler liefert ein 5-V-TTL Signal (zwei Kanäle) und zusätzlich noch drei digitale Hallsignale. Mit vier­facher Kanalauswertung wird eine Auflösung von 0,01 mm pro Inkrement erreicht.

Abgestimmtes Gesamtpaket

Ein gut abgestimmtes Linearmotorenpaket für die ServoTubes 25 und 38 bietet Dunkermotoren mit der Servoreglerserie DME 230x4. Die Hardware und Settings des Reglers sind auf die Linearmotoren abgestimmt und machen die Inbetriebnahme einfach. Die kundenseitige Ansteuerung findet auf zwei Arten statt: entweder über eines der weitverbreiteten Bussysteme (Profinet, Ethercat oder CANopen) oder über digitale Signale (24-V-Ein- bzw. -Ausgänge). Ist letzteres der Fall, bietet sich dem Kunden die Möglichkeit, ein Ablaufprogramm im Regler abzuspeichern. Mit maximal 500 Programmierzeilen lassen sich komplexe Fahrprofile ohne ein übergeordnetes Bussystem realisieren.

Schon ein einzelner Linearmotor bei schnellen Anwendungen bietet dem Kunden enorme Vorteile – vor allem im Vergleich zur pneumatischen Lösung, da sich die Anschaffungskosten innerhalb kurzer Zeit durch die erhöhte Maschinenleistung und die geringeren Betriebskosten amortisieren. Werden jedoch die stangengeführte Direktmotoren innerhalb eines Mehrachssystems genuzt, können auch zwei Linearmotoren unabhängig voneinander hochkomplexe Bewegungen ausführen. Ein Gantry wird üblicherweise als XYY-, oder XYYZ-Variante aufgebaut. Mit einem Linearmotor-Mehrachssystemen können auf einer Achse mehrere Motoren unterschiedlich voneinander verfahren werden (Bild 2). Mit dieser Art von Mehrachssystemen werden höhere Maschinenleistungen als mit typischen Pick&Place-Robotern realisiert.

Dunkermotoren Bildquelle: © Dunkermotoren

Bild 2. Die stangengeführten Direktmotoren erreichen als Mehrachssystem (sogenannte Gantrys) höhere Maschinenleistungen als ein typischer Pick&Place-Roboter.

Mit einer programmierten S-Rampe ist es den Linearmotoren möglich, auch sehr empfindliche Produkte gleichmäßig zu verfahren, ohne den Proben oder Bauteilen Schaden zuzufügen. Auch nicht, wenn diese Bewegungen simultan und unter höchster Dynamik erfolgen. Werden die Linearmotoren als Z-Achse eingesetzt, stellt sich des Öfteren die Frage, wie diese im stromlosen Zustand reagieren. In den meisten Fällen wird die Magnetstange nicht gehalten und fällt sozusagen nach unten. Für diese Anwendungsfälle haben zum Beispiel ServoTubes von Dunkermotoren eine Haltebremse für die 25er Baugröße integriert. Die Schlingfederbremse am STA25 oder XTR25 hält Lasten bis 20 kg.

Bei größeren Lasten besteht die Möglichkeit auf ein weiteres Linearprodukt (CASM-Zylinder) von Dunkermotoren zurückzugreifen. Die CASM-Baureihe (Elektrische Hubzylinder) eignet sich ebenfalls als 1:1-Ersatz für Pneumatik-Zylinder der Baugröße 32 – 63 (Bild 3). Im Gegensatz zu einem Pneumatik-Zylinder lassen sich unterschiedliche Fahrprofile und Positionen realisieren. Die Kombination aus kompaktem DC-Servomotor mit integriertem Regler plus Hubzylinder mit Kugelumlaufspindel ist eine effiziente Gesamteinheit. Der Gesamtwirkungsgrad liegt je nach Ausführung zwischen 70 und 80 %, was deutlich besser ist als der Gesamtwirkungsgrad einer pneumatischen Ausführung. Preislich liegt ein CASM-System sicherlich höher, wird sich aber nach geraumer Zeit wegen niedrigeren Energiekosten amortisieren und bietet zusätzliche Flexibilität und Features für Industrie 4.0. Condition Moni­toring und Predictive Maintenance sind heute schon über diverse Busschnittstellen wie zum Beispiel CANopen, Ethercat oder Profinet möglich.

Ebenfalls haben sich Motor/Getriebe/Spindelkombinationen der LS Baureihe (Bild 4) im Medizinbereich etabliert. Im Vergleich zu den beiden oben aufgeführten Linearsystemen (Linearmotoren & CASM-Zylinder) liegt hier der Fokus auf den niedrigen Anschaffungskosten und den Kurzzeitbetrieb (Einschaltdauer max. 20 %). Je nach Applikation lassen sich Edelstahlspindeln von 6 bis 24 mm Durchmesser mit Steigungen von 0,64 mm bis 92 mm an Motoren (LSM-Einheiten) oder Getriebe (LSG-Einheiten) anbauen. Über eine spezielle Beschichtung der Spindel lässt sich der Wirkungsgrad nochmals um bis zu 16 % steigern. Die wartungsfreien LSG- und LSM-Einheiten gibt es wahlweise mit spielfreien Gleitmuttern, in verschiedenen Ausführungen (Geometrie) sowie Materialien. Als Antrieb stehen klassisch bürstenbehafteten Motoren der Baureihe GR sowie bürstenlose Motoren der Baureihe BG zur Verfügung. Aus dem enormen Produktportfolio lassen sich kundenspezifische Antriebslösungen kostenoptimiert generieren.

Dunkermotoren Bildquelle: © Dunkermotoren

Bild 3. Mit dem elektrischen Hubzylinder CASM können pneumatische Zylinder mit wenig Aufwand ersetzt werden.

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Bild 4. Spindelantriebe – hier LSM13 mit einem bürstenbehafteten Motor GR 42 – dienen im Medizinbereich vor allem im Kurzzeitbetrieb.

Formatverstellungen mit Kräften bis zu 2000 N ist ein Beispiel von zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten und lässt sich mit einem LSG-Linearsystem umsetzten. Für schnelle Positionierung fällt die Wahl auf die LSM-Baureihe.

Steigerung an Leistung und Flexibilität

Abschließend lässt sich sagen, Linearmotoren, unabhängig in welcher Ausführung, steigern die Maschinenleistung einer Diagnostikmaschine, ohne an Flexibilität und Funktion bisherig eingesetzter Techniken einzubüßen. Zukünftig werden in großen Laboren zunehmend vollautomatische Pick&Place-Portale Einzug finden, schon aufgrund der erhöhten Bedarfe an Untersuchungen. Mit den Motor/Spindellösungen (CASM- & LS-Baureihen) lassen sich weitere zahlreiche Positionieraufgaben im medizinischen Umfeld realisieren und Maschinen können »per Knopfdruck« auf andere Produktgruppen umgestellt werden. Weltweit ist das Thema Sicherheit in Unternehmen von großer Bedeutung und sollte daher nicht vernachlässigt werden. Vor allem bei gefährlichen Medien für das Laborpersonal sollte in Erwägung gezogen werden, die Handlings- und Analyseaufgaben durch ein Mehrachssystem ausführen zu lassen.

Dank des modularen Baukastensystems mit Antriebskomponenten bis 3500 W Abgabeleistung und der Integration von Logik- und Leistungselektronik ist es Kunden von Dunkermotoren möglich, ihre Antriebseinheit individuell je nach Applikation auszulegen. Die Komponenten für die vielfältigen innovativen Antriebssysteme stammen alle aus eigener Entwicklung und Produktion. Zum Produktportfolio gehören neben bürstenbehafteten und bürstenlosen Gleichstrommotoren auch Linearantriebe, Getriebe, Geber und Bremsen mit denen im Rahmen des modularen Baukastensystems unzählige Kombinationsmöglichkeiten realisiert werden können. Mit einem robusten Gehäuse aus Stahl oder Aluminium und optionaler Lackierung bzw. mit Überzug sind Schutzarten bis IP69K möglich.

Zuerst gesehen: Dieser Beitrag stammt aus der Medizin+elektronik Nr. 4 vom 20. Juli 2018. Hier gehts zur vollständigen Ausgabe.