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antriebstechnik 12/2016

antriebstechnik 12/2016

MEDIZINTECHNIK I SPECIAL

MEDIZINTECHNIK I SPECIAL Für maßgeschneiderte Lösungen Vernetzter Engineering-Service und hohe Produktivität für konkreten Mehrwert Ein Schweizer Start-up bietet als Mechatronik-Dienstleister vor allem für den Labor- und Medizin-Bereich hochspezialisierte Lösungen an. Das interdisziplinäre Denken ist dabei ein grundlegender Bestandteil für die Produktentwicklungen. Kreative Ideen in der Umsetzung, effiziente Entwicklung und maßgeschneiderte Unterstützung beschreiben auch die Zusammenarbeit mit einem Kollmorgen Antriebsspezialisten bei einem Produktionsmodul für die Medizinbranche. Dessen spielfreier Direktantrieb ermöglicht einen exakten Gleich- und Rundlauf mit höchster Präzision bis 2 µm. Einer der Gründungsgedanken des Dienstleistungsunternehmens ME Quadrat im Luzernischen Root ist das vernetzte Denken und Kreieren neuer Maschinen und Systeme, die vor allem durch ihre Durchgängigkeit in der Software, den ausgeklügelten mechanischen und elektronischen Komponenten und damit der Erhöhung des Automatisierungsgrades über zeugen. Für Stefan Nyffenegger, Mitglied der Geschäftsleitung von ME Quadrat, steht fest: „Die enge Verzahnung der Disziplinen Mechanik, Elektronik und Software ist der Schlüssel zu innovativen Produkten und höherer Produktivität. Dabei gehen wir auch unkonventionelle, neue Wege wie sich bei dem aktuellen Projekt für ein Maschinenmodul aufzeigen lässt, welches für die Verarbeitung von dünnwandigem Material in der Medizinbranche gedacht ist.“ Ziel: Präzise Spannung trotz hohen Umdrehungen Eine besondere Herausforderung bei dem in Root entwickelten und gebauten Produktionsmodul ist die zweiseitige und torsionsfreie Einspannung von sehr sensiblen Glas- oder Aluminiumröhrchen. Der Durchmesser des Produktes reicht von ca. einem bis zwanzig Millimeter mit sehr dünnen Wandstärken von rund einem Zehntel Millimeter. Es werden Trenn- und Fügeprozesse an dem sensiblen Hohlstabmaterial durchgeführt. Bei der prozessbedingt hohen Drehzahl des zweiseitig eingespannten Materials muss ein absolut präziser Gleichlauf herrschen. Das gesamte Modul entsprechend der strengen Vorgaben des Kunden so kompakt zu entwickeln, benötigte ein besonders diffiziles und exaktes Antriebssystem für die Spindel der Werkstückzuführung und ebenso für die jeweiligen Prozessschritte beim eingespannten Produkt. Stefan Nyffenegger betont: „Mit der Lösung des KBM-Kit- Motors von Kollmorgen haben wir die für uns optimale Lösung gefunden, da das Produkt dank der großen Hohlwelle in einem fließenden Prozess durch den Antrieb geführt werden kann.“ Unkonventionelle Lösungsideen Schon während der Konzeptphase des Antriebssystems verfolgten die Ingenieure von ME Quadrat die Idee, einen Direktantrieb zu wählen. Dazu soll, wenn möglich, ein vorhandenes Baukastensystem genutzt werden, um die geforderte Präzision einzuhalten und eine zeit- und kosteneffiziente Umsetzung zu gewährleisten. Aufgrund der kompakten Packungsdichte und der Komplexität dieser Baugruppe zeigte sich, dass man idealerweise einen Rotor und einen Stator mit der vollen Funktionalität eines Servoantriebs einsetzt. So kam man schlussendlich auf die Firma Kollmorgen. Die Experten des Antriebsherstellers waren für Sonderwünsche bereit: Bei der Umsetzung war man sich schnell einig, denn die Experten beider Firmen sprachen auf Augenhöhe miteinander. Eine Knacknuss blieb der Gleichlauf. Dazu wurden in ersten telefonischen Abklärungen einige Ideen entwickelt und die Produktwahl eingegrenzt. Martin Zimmermann, Key Account Manager bei Kollmorgen, und seine Kollegen waren rundum gefordert: „Als ME Quadrat für dieses Projekt bei der Zuführungseinheit lediglich den Rotor und den Stator angefragt hat, war für uns klar, dass sich ein Mechatronik-Ingenieur mit dem Motor noch detailliert befassen muss. Man muss sich schon trauen, etwas Neues 50 antriebstechnik 12/2016

SPECIAL I MEDIZINTECHNIK wie bei diesem Projekt zu wagen, denn Scheitern konnte man sich hierbei nicht leisten.“ Neben dem Zeitdruck und den extremen Genauigkeitsanforderungen des Pflichtenheftes kam eine für die Medizintechnik entscheidende Zusatzherausforderung hinzu: „Die Antriebslösung muss abrieb- und schmiermittelfrei sein und wir konnten uns keine Experimente bei der Implementierung und Inbetriebnahme der Mechanik und Software erlauben“, berichtet Nyffenegger. Alle in diesem Maschinenmodul vorgesehenen Komponenten müssen also erprobt und absolut zuverlässig sein. Der Direktantrieb im Zusammenspiel mit den AKD-Drives und den Controllern von der Verdrahtungsaufwand des AKM-Motors minimal. Weiterkönnen sehr kompakte Energieketten eingesetzt werden, welche vor allem bei engen Platzverhältnissen geeignet sind.“ Mit Vertrauen in der Zusammenarbeit zum Ziel „Das Team von ME Quadrat wusste genau, wohin es wollte“ 01 Der Direktantrieb ermöglicht ein äußerst exaktes Positionieren. Die Taktzeit des Stromreglers beträgt 670 ns, die des Geschwindigkeitsreglers 62,5 µs National Instruments (NI) ermöglicht ein exaktes Positionieren. Beim Stromregler liegen die Taktzeiten bei rund 670 ns, beim Geschwindigkeitsregler lediglich bei 62.5 µs. Nyffenegger betont dazu: „Das ermöglicht es, auf diese hohen dynamischen Anforderungen einen optimalen Gleichlauf zu erzielen.“ Exakte Positionierung mit Plug & Play-Lösungen Das Entscheidende dabei ist, dass die beiden synchronisierten Achsen eine äußerst exakte Rundlaufgenauigkeit von 2 µm erreichen. Nyffenegger ergänzt: „Da sprechen wir von Genauigkeitsbereichen, welche man sonst nur bei Spindelachsen von großen Fertigungsanlagen her kennt.“ Auch die hohe Drehzahl war einer der großen Knackpunkte bei diesem Projekt. Auf dem Markt gibt es Systeme, die solche sensiblen Produkte zwar in der nötigen Genauigkeit spannen können, aber ab 500 U/min oftmals ihre Klemmkraft verlieren. Bei der Linearachse in dem Maschinenkonzept wurde der Antrieb AKM mit Einkabellösung und SFD-Feedback gewählt. Hierbei mussten die Komponenten nur noch zusammengesteckt werden und es passte. Die Resolver-Technik als Einkabellösung ist eine Spezialität des Antriebsspezialisten, um die Robustheit des Resolvers (Koordinatenwandlers) optimal zu nutzen. Nyffenegger betont dazu: „Daher ist auch Das AKD- Einkabelpaket (Regler & Servomotor) kommt an der Komponente des Linearantriebs für die Zuführung zum Einsatz. Hier ist der große Vorteil, dass es ein System aus einer Hand ist. „Ich muss mir so keine Sorgen machen über irgendwelche Verschraubungen oder Pins, die nicht zueinander passen. Wir mussten einfach einstecken und loslegen, das macht auch die Implementationszeiten sehr kurz“, erklärt Nyffenegger. Die Integration der exakten Antriebstechnik in die präzise Mechanik war also das zentrale Element in der sehr engen und konzentrierten Kooperation bei diesem Projekt. Die Kosten im Blick zu haben – trotz der geforderten Drehzahlgenauigkeiten –, Lager- und Formtoleranzen der Mechanik und dass von Anfang an alles passt, bedeutete für beide Seiten viel gegenseitiges Vertrauen. Für Nyffenegger steht fest: „Wir durften uns auch direkt mit den Produktentwicklern bei Kollmorgen austauschen und konnten unsere Wünsche bei den Wellenund Nabenverbindungen anbringen. An einen Tisch zusammen zu diskutieren und Lösungen zu finden, oder am Telefon noch Auslegungsdetails zu besprechen, gab uns die Sicherheit, dass alles auf Anhieb funktioniert und wir mit diesem Projekt die ‚first time right‘-Philosophie erfüllen konnten.“ Die reine Designphase der Maschine betrug lediglich drei Monate, was sehr sportlich ist. „Der Kollmorgen-Teil wie die Achsenmontage und der Motoranschluss mit der kompletten Parametrierung und den Tests war innerhalb von zwei Tagen erledigt. Dieses sozusagen für uns maßgeschneiderte Antriebskonzept hat sehr gut gepasst. Das führte zum Ziel, hat sofort funktioniert und erfüllte alle Anforderungen, die wir uns gesteckt hatten.“ www.kollmorgen.com 02 Durch die große Hohlwelle ist es möglich, das filigrane Produkt in einem fließenden Prozess durch den Antrieb führen zu können. Ein absolut exakter Gleichlauf bis 2 µm Genauigkeit ist hier zentral 03 Die Linearachse ist durch ein AKD & AKM Einkabelpaket (inkl. Steuerungseinheit) exakt positionierbar antriebstechnik 12/2016 51

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