Hybrid-Linearaktuatoren in Laborgeräten

Um in der molekularen Diagnostik und Forensik wiederholbare Ergebnisse zu erhalten, ersetzen medizinische Laborgeräte immer häufiger die manuellen Arbeitsschritte zur Analyse von Proteinen sowie DNA- und RNA-Proben. Ein Hauptarbeitsschritt ist die automatisierte Zuführung zahlreicher Proben. Für diese Pick-and-Place-Anwendung sind die Laborgeräte mit Roboterarmen und Greifern ausgestattet, die durch Hybrid-Linearaktuatoren angetrieben werden. Hierfür bietet die Firma Nanotec drei Typen an: non-captive, captive und externe Linearaktuatoren.

Spezifisch auf die Anwendung zugeschnitten

Bei Linearaktuatoren ohne Linearführung (non-captive) handelt es sich um Hybrid-Schrittmotoren, in deren Hohlwellen die Gewindemuttern eingespritzt und formschlüssig verbunden sind. Um die Linearbewegung der Spindel bei Bestromung des Motors zu ermöglichen, muss eine externe Führung am Greifer als Verdrehsicherung der Spindel vorhanden sein. Neben den Standardspindeln sind die Linearaktuatoren mit individuell modifizierten Spindelenden und -längen kombinierbar.

Die Linearaktuatoren mit Linearführung (captive) sind analog zum vorherigen Typ aufgebaut und weisen als Erweiterung bereits eine interne Linearführung auf. Sie besteht im Wesentlichen aus einer Schubstange, einem Polygonprofil und einem fixierten Führungsrohr. Dabei sind die Schubstange und das Polygonprofil fest mit der Spindel verbunden, fahren bei Bestromung des Motors mit ihr mit und bilden mit dem Führungsrohr eine bewegliche hochpräzise Welle-Nabe-Verbindung. Standardmäßig werden zahlreiche Hublängen angeboten, wobei weitere Hublängen auf Anfrage verfügbar sind. Die neue Generation der Linearführungen spart im Vergleich zu ihrer Vorgängerversion ca. 75% des einhüllenden Bauvolumens bei reduziertem Verdrehspiel ein.

Im Gegensatz zu den ersten beiden Typen ist bei den externen Linearaktuatoren die Spindel fest mit der Motorwelle verschraubt und dreht sich bei Bestromung des Motors mit. Wird eine externe Gewindemutter auf die Spindel montiert und mit Hilfe einer extern angebrachten Führung gegen Verdrehen gesichert, fährt die Gewindemutter die Spindelachse entlang. Die Standardausführungen der Gewindemuttern sind spielbehaftet. Jedoch können bei diesem Linearaktuator-Typ alternativ vorgespannte Gewindemuttern gewählt werden, mit denen sich das Axialspiel im Gewindetrieb kompensieren lässt.

Alle drei Linearaktuator-Typen werden in zwei Motorlängen (single stack oder double stack) und mit unterschiedlichen Spulenwicklungen geliefert. Diese Auswahlmöglichkeiten sind zusammen mit der NEMA-Größe und der Gewindesteigung die Haupteinflussfaktoren für die Kraft-Geschwindigkeits-Kennlinien der Linearaktuatoren. Mit diesen Kennlinien wird zum einen die Leistungsfähigkeit der Linearaktuatoren untereinander verglichen und zum anderen die Produktauswahl in Bezug auf die jeweilige Applikation bewertet.
 

Beständig, zuverlässig und kompakt

Für die meisten Applikationen ist der Betrieb der Linearaktuatoren im offenen Regelkreis ohne Rückführung der Motorposition ausreichend. Ist jedoch ein besonders ruhiger und genauer Lauf bei hohen Geschwindigkeiten erforderlich oder sollen der Stromverbrauch und die Wärmeabfuhr optimiert werden, können die Linearaktuatoren optional mit Encoder ausgestattet und im geschlossenen Regelkreis mit Rückführung des Positionssignals betrieben werden. Ferner lässt sich mit Encoder die Regelung der Antriebskraft realisieren, wobei die Ansteuerung der Linearaktuatoren über Feldbus, Takt & Richtung sowie Analog-/Digitaleingänge erfolgen kann. Bei kompakten Laborgeräten wird üblicherweise ein abgegrenzter Platz für alle Steuerungen im Gerät vorgesehen. Hierfür eignen sich vor allem die platzsparenden Motorsteuerungen ohne eigenes Gehäuse.
 

Bei Laborgeräten hat sich eine Gesamtkonstruktion mit einem externem Linearaktuator der NEMA-Größe 11 und passender Motorsteuerung im offenen Regelkreis bewährt. Der Greifer ist derart gestaltet, dass eine Schraubenfeder das Öffnen des Greifers bewirkt und sein Schließen über den Linearaktuator angetrieben wird. Der Linearaktuator arbeitet zuverlässig und robust über die komplette Lebensdauer des Geräts und ermöglicht die automatisierte Zuführung unterschiedlichster Proteine und Nukleinsäuren.

Autor:
Dr.-Ing. Alexander Naubert
Produktmanager
Nanotec Electronic GmbH & Co. KG