[ SPECIAL ]

Antriebstechnik

Inhalt Piezoantriebe Die Kraft des Kristalls dient als Antrieb in Pumpen oder Kernspintomographen ..............................................................................

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Steuerungstechnik Fünf-Finger-Roboterhand ist anspruchsvoll .............................................................................. 66

Motion Control Automatisierter Assistent sortiert .............................................................................. 68

Lautloser Kleinantrieb Leiser EC-Motor darf ins Schlafzimmer

Bild: Physik Instrumente (PI)

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Miniaturantriebe Zuverlässige Winzlinge ............................................................................... 72

Mikromotor Zahnärzte arbeiten ermüdungsfrei ............................................................................... 74

Einfach haben es die Antriebs-Hersteller in der Medizintechnik nicht. Leicht und klein sollen die Motoren sein, dabei aber präzise positionieren und möglichst geräuschlos arbeiten. Denn manchmal verrichten sie ihren Dienst neben einem schlafenden Menschen, so dass ein lärmender Antrieb jeden Therapieerfolg verhindern würde. Hinsichtlich Präzision und Miniaturisierung punkten unter anderem Piezoaktoren und -antriebe, aber auch 6 mm durchmessende EC-Kleinmotoren positionieren Elektroden extrem genau in Nervengewebe

Schrittmotoren Gewebeschnitte hauchdünn ............................................................................... 76

Scheibenläufermotor Kompakte Bauform spart Platz ...............................................................................78

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[ SPECIAL ANTRIEBSTECHNIK ]

Piezoantriebe: Winzlinge mit großem Potenzial

Abbremsen bis zum Stillstand erfolge noch deutlich schneller. Dadurch ließen sich beispielsweise innerhalb einer Sekunde einhundert verschiedene Positionen exakt ansteuern, etwa für Pipettiervorgänge.

Die Kraft des Kristalls

Positionieren im Nanometerbereich

Der Piezoeffekt lässt sich nicht nur für Sensoren nutzen, sondern auch umgekehrt als Antrieb. Dieser arbeitet sehr präzise, etwa in Pumpen oder in Kernspintomographen, da starke Magnetfelder ihm nichts anhaben können.

Piezokristalle und -keramiken haben sich zuerst in der Sensorik durchgesetzt. Geraten sie unter Druck, lässt sich eine Spannung abgreifen, die proportional zum aufgebrachten Druck ist. Wie so häufig lässt sich das Prinzip auch umgekehrt nutzen: Wird eine Spannung angelegt, verformt sich der Kristall – was sich als Antrieb nutzen lässt. „Wir unterscheiden zwischen Piezoaktoren und Piezomotoren“, erläutert Steffen Arnold, Leiter „Markt und Produkte“ bei der Karlsruher Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG. „Die Motoren bestehen zwar auch aus einem oder mehreren Aktoren, erlauben aber prinzipiell unbegrenzte Stellwege.“ Bei den Piezoaktoren werde die Deformation der Keramik direkt für die Bewegung genutzt, was zu Stellwegen zwischen wenigen Mikrometern bis hin zu 1 mm mit mechanischer Hebelübersetzung führe, so Arnold weiter. „Prinzipiell unbegrenzte Stellwege erhält man durch die geschickte Kombination von Scher- und Klemm- oder Biegebewegungen, so dass mehrere Aktoren an einem bewegten Läufer entlang schreiten – auf diese Weise entsteht ein Linearantrieb.“ Ebenfalls kontinuierliche Stellwege lassen sich mit einem piezokeramischen Aktor er-

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„Piezoantriebe zeichnen sich generell durch Präzision und hohe Stellgeschwindigkeiten aus – und eignen sich damit vor allem für hochdynamische und hochpräzise Anwendungen“, benennt Elliptec-Vorstand Michael Schlüter die wesentlichen Vorteile dieser Antriebsart. Denn die Auslenkung von Piezokeramiken sei fein steuerbar, ergänzt PI-Mitarbeiter Steffen Arnold. „Auslenkungen un-

Stärken der Keramikmotoren außerdem in der Leistungsdichte. „Will heißen: Sie liefern die höchste Kraft pro Volumen.“ Ime vertreibt in Deutschland die Piezoantriebe der israelischen Nanomotion Ltd. Einen damit zusammenhängenden weiteren Vorteil nennt Michael Dreher, Geschäftsführer der SI Scientific Instruments GmbH in Gilching. „Bei den von uns angebotenen piezoelektrischen Motoren der amerikanischen New Scale Technologies Inc., insbesondere der SQL-Serie, sind Größe und Energieeffizienz das entscheidende Kriterium.“ Vergleichbare Elektromotoren hätten eine wesentlich geringere Energieeffizienz, was bei batteriebetriebenen Produkten von großer Bedeutung sei.

gesetzten Materialien bei den New-ScaleMotorserien würden sich diese zudem gut auch für den Vakuum- und Tiefkühlbereich eignen. „Vor allem in Anwendungen mit starken Magnetfeldern, wie sie beispielsweise in Kernspintomographen vorliegen, sind Piezoantriebe sicher eine hervorragende Lösung“, ergänzt Elliptec-Vorstand Michael Schlüter. Jedoch werde die Anzahl der eingesetzten Antriebe hier auf eher kleinere Stückzahlen begrenzt bleiben. „In medizinischen Endverbraucherprodukten ist die Anzahl der Einsatzmöglichkeiten ungleich höher, die sich mit neuen Produktideen auftun.“ Große Stückzahlen ergäben sich hier eventuell aus Einwegkonzepten, so Schlüter weiter. „Das

Hochdynamischer Miniatur-Hexapod, der eine Schrittauflösung von nur 15 μm erlaubt und in wenigen Millisekunden beschleunigt und bremst

Der Größenvergleich offenbart, dass sich Piezoantriebe besonders dann empfehlen, wenn es um die Miniaturisierung geht. Dieser Piezo-Legs (siehe Vordergrund) genannte Antrieb erzeugt eine lineare Bewegung durch aufeinander folgendes Strecken und Zusammenziehen der Keramiken (Stellglieder); zwei davon bilden jeweils eines der vier ‚Beine’

Bild: Elliptec

Bild: Piezomotor/

Hexapod mit Nexline-Piezomotoren für die Positionierung im Nanometerbereich. Die Unempfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern erlaubt den Einsatz auch in Kernspintomographen. Das Bild oben gibt anschaulich die Größenverhältnisse wieder

Faulhaber

Bilder: PI

reichen, der in Ultraschallschwingungen versetzt wird und so einen Läufer in Bewegung setzt, fährt der Karlsruher fort. Dieses Prinzip hat auch die Dortmunder Elliptec Resonant Actuator AG umgesetzt. „Wir setzen ein Piezoelement ein, um unseren schlüsselförmigen Resonator vibrieren zu lassen“, berichtet der für die Technik zuständige Vorstand Dr. Michael Schlüter. Die Spitze des Resonators führe dabei eine ellipsenförmige Bewegung aus, die sich in eine konstante Bewegung umsetzen lasse. „Dies führt ebenfalls zu einem prinzipiell unbegrenzten Stellweg, zudem kann man sowohl vorwärts als auch rückwärts antreiben.“ Piezoantriebe sind heute in einem breiten Spektrum verfügbar. Bei der Schönaicher Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG erhält man etwa die sogenannten Piezo-Legs des schwedischen Kooperationspartners Piezomotor Uppsala AB. „In der Standardversion hat der Antrieb eine Kraft von zehn Newton, lässt sich aber bis hinauf zu 300 Newton skalieren“, erläutert Michael Schneider, zuständig für Vertrieb und Service bei Faul-

haber. Zudem ließen sich die Antriebe, die dem Trägheitsprinzip folgend quasistatisch mit einem nicht-resonanten Motor arbeiten, parallel verschalten und bei Bedarf kundenspezifisch anpassen. Auch PI in Karlsruhe gibt für seine Schreitantriebe des Typs Piezo-Walk Kräfte zwischen 20 N mit Biegeaktoren und mehr als 500 N mit Scheraktoren an. „Bei den reinen Aktoren sind zudem im zweistelligen Bereich mehrere Kilonewton möglich“, sagt Steffen Arnold, „und das bei einer Bewegungsauflösung im Sub-Nanometer-Bereich.“ Filigraner arbeiten die Piezo-Ultraschallmotoren der Karlsruher, die aber immerhin auch noch Kräfte zwischen 10 und 20 N und Geschwindigkeiten bis 0,5 m/s liefern. Bei den Resonanz-Piezoantrieben von Elliptec spiele dagegen die Kraft von 0,2 N eine eher untergeordnete Rolle, wirft Michael Schlüter ein. „Unsere Motoren sind vor allem auf den Bereich hochdynamischer Positionieranwendungen in Massenmärkten ausgelegt.“ Die Endgeschwindigkeit von 0,3 m/s werde bereits nach weniger als 0,01 s erreicht, das

terhalb eines Nanometers – entsprechend einem Tausendstel Mikrometer – sind realisierbar.“ Zudem arbeiteten diese Kleinantriebe zuverlässig und verschleißfrei. „Die Bewegung der Keramik beruht auf reversiblen Verschiebungen in der Kristallstruktur, zunächst sind deshalb keine mechanischen Komponenten wie Mutter-SpindelSysteme oder Getriebe erforderlich.“ Darüber hinaus seien die Keramiken vakuumkompatibel und nichtmagnetisch. Für Matthias van Spankeren, Geschäftsführer der Ime GmbH in Rottweil, liegen die

Ihr Stichwort kompakte Antriebe · Schnelligkeit · Präzision · Nanometer-Positionierung · Energieeffizienz ·

Durch einen Aufbau des Piezoelements aus einer Vielzahl dünner Schichten ließen sich die üblicherweise sehr hohen elektrischen Spannungen ebenfalls auf wenige Volt reduzieren, ergänzt Elliptec-Chef Schlüter. „So können wir einfachere und preiswertere Ansteuerelektroniken verwenden und – wenn zugleich wie bei unserem X15G ein preisgünstig und massentauglich herstellbares Antriebskonzept genutzt wird – die Vorteile im Bereich Präzision und Dynamik auch in großen Massenmärkten kosteneffizient umsetzen.“ Diese Bereiche seien bislang die Domäne von zwar preisgünstigen, aber langsamen und ungenauen Gleichstrom- und Schrittmotoren. Potenzial scheint für die Piezo-Technologie also reichlich vorhanden zu sein. „Allein die zunehmende Miniaturisierung eröffnet neue Einsatzfelder wie Mikropumpen aller Art – etwa tragbare Insulinpumpen –, Fokussiereinheiten in Endoskopen, Stelleinheiten oder Roboterarme für Kernspintomographen“, sagt SI-Geschäftsführer Michael Dreher. Aufgrund der geringen Anzahl der ein-

vermeidet Querkontaminationen und macht eine Sterilisation der Geräte unnötig.“ Auch die Kombination mehrerer Piezoantriebe bietet Potenzial, da sich auf diese Weise mehrdimensionale Positionieranwendungen preisgünstig realisieren lassen. „Mit sechs Motoren kann beispielsweise ein Laserstrahl für Bearbeitungs- und Behandlungsaufgaben schnell und einfach in drei translatorischen und drei rotatorischen Bewegungsrichtungen positioniert werden.“ So lasse sich auch auf unebenen Oberflächen schnell eine Vielzahl an Behandlungen oder Bearbeitungen durchführen – mit genau kontrollierter Bearbeitungsposition und -richtung, so der Elliptec-Chef abschließend. „Das eigentliche Antriebs- und Positioniersystem passt dabei bequem in ein Handgerät.“ ■ Michael Corban Fachjournalist in Nufringen

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[ SPECIAL ANTRIEBSTECHNIK ]

Durch seine kompakte Bauweise eignet sich der MILE-Encoder für

Steuerungstechnik: Über Hochgeschwindigkeits-Bus genau positionieren

Datenflut im Griff

Einsätze bei beschränkten Platzverhältnissen, wenn gleichzeitig ein präzise geregelter Antrieb gefordert ist. Der induktive MikroDrehgeber ist nach Angaben des Herstellers, der Maxon Motor AG, sicher vor elektromagnetischen Einflüssen, Staub oder Öl. Damit bietet er sich als Alternati-

Der menschlichen Hand nachempfundene Roboterhände zum feinfühligen Greifen lassen sich mit kommerziell verfügbaren Antrieben realisieren. Nur ein Hochgeschwindigkeits-Bus ist aber in der Lage, die Datenflut zu bewältigen. Die Medizintechnik könnte ähnliche Lösungen nutzen.

ve zu optischen Drehgebern an, die sich nur mit kostentreibenden

bilden die Motoren eine 15 g schwere Einheit von nur 10,4 mm Länge bei einem Durchmesser von 21,2 mm. Sie werden zudem mit den Harmonicdrive-Getrieben mit gleichem Durchmesser verbunden. Die 3-W-Motoren liefern ein maximales Drehmoment von 8,04 mNm und sind in einer 12- oder 24-V-Ausführung erhältlich. Ihr gutes dynamisches Verhalten und vorgespannte Kugellager sorgen dafür, dass sie präzise auf die Steuerbefehle ansprechen – selbst bei einem Drehrichtungswechsel. Jedes Fingergelenk ist mit einem Winkelund einem Drehmomentsensor ausgestattet. Beide Sensoren müssen anwendungsbedingt sehr hoch auflösen – so dass nur ein Hochgeschwindigkeits-Bus die anfallen-

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Mikro-Drehgeber

Fünf-Finger-RoboterHände: Die Eigenschaften und Vorzüge dieser evolutionären Konstruktion untersuchen Forscher schon seit Jahren, um sie auch technisch umzusetzen

Abdichtungsmaßnahmen für solche Einsätze eignen, oder zu magnetischen Kodierern, die empfindlich auf Magnetfelder reagieren. Bei magnetoresistiven (MR) als

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auch Hall-Sensor-basierten Kodierern gibt es zwar inzwischen Kompensationsmöglichkeiten, mit denen sich homogene Gleichfelder gut auskorrigieren lassen, nicht aber inhomogene Wechselfelder – etwa in der direkten Umgebung der Motorzuleitungen.

Ihr Stichwort

Da bei Kleinmotoren aber oft gefordert ist, Motor- und Encoderleitungen in einem einzigen Kabel zu vereinigen, sind Alternativen gefragt. Um den Problemen mit den optischen oder magnetischen Systemen aus dem Weg zu gehen, bieten sich kapazitive oder induktive an. Solche Kodierer sind bei größeren Motoren schon bekannt, bisher aber nicht in Kleinstmotoren realisiert. Um speziell auch Anwendungen in der Medizintechnik zu ermöglichen, entwickelte Maxon deshalb den nach eigenen Angaben mit 6 mm Durchmesser bislang kleinsten induktiven Drehgeber.

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Komplexe Fünf-Finger-Hände können zukünftig auch filigrane Aufgaben übernehmen und einfache Zwei- oder Drei-Fingergreifer ersetzen. Denn mit vier Fingern lassen sich auch konische Teile fassen, ein Daumen dient als „Gegenlager“. Für den Einsatz an Robotern hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) deswegen in Zusammenarbeit mit dem Harbin Institute of Technologie (HIT) die DLR-HITHand II entwickelt, bestehend aus fünf Fingern mit je vier Gelenken und drei Freiheitsgraden. Im Vergleich zur DLR-HIT-Hand I ist sie kleiner und leichter. Um Mehrfingerhände mit separat ansteuerbaren Fingern und der menschlichen Hand nachempfundenen Gelenken herzustellen, muss neben der komplexen Mechanik auch eine ausgefeilte Steuerelektronik eingesetzt werden. Teilweise, etwa bei den Antrieben, lassen sich dazu aber schon kommerzielle Standardkomponenten heranziehen. Im vor-

· Leistungsdichte · Hallsensoren · Hochgeschwindigkeits-Bus · Ansprechverhalten · Drehrichtungswechsel liegenden Fall sind dies EC-Flat-Motoren der Maxon Motor AG aus Sachseln in der Schweiz. Pro Hand sind 15 bürstenlose Gleichstrommotoren des Typs EC 20 direkt in den Fingern verbaut. Sie erfüllen gleich mehrere Anforderungen, da sie preiswert und kommerziell verfügbar sind und darüber hinaus eine hohe Leistungsdichte bei geringem Bauvolumen besitzen. Jeder Motor meldet über digitale Hallsensoren der Steuerung immer exakt die tatsächliche Position. Zusammen mit den Sensoren

· · ·

Kraft der

de Datenflut übertragen kann. Denn eine schnelle Rückkopplung ist für den Vergleich von Soll- und Istwert ausschlaggebend für die Funktion der Steuerung, besonders bei präzisen und filigranen Aufgaben. Der speziell für diese Anwendung entwickelte handinterne, echtzeitfähige 25-Mbps-Hochgeschwindigkeits-Bus basiert auf FGPAs (Field-programmable Gate Arrays), während für die externe serielle Verbindung von Hand und Steuerungsrechner nur drei Leitungen nötig sind. Die eigentliche Steuerung, ein Signalprozessor auf einer PCI-Einsteckkarte, ist in einen handelsüblichen PC integriert. Alle Sensordaten lassen sich auf dem Bildschirm anzeigen. su www.maxonmotor.com

EC-Flat-Motoren sind kommerziell verfügbar und damit preiswert. Sie besitzen bei geringem Bauvolumen eine hohe Leistungsdichte

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[ SPECIAL ANTRIEBSTECHNIK ]

Motion Control: Apotheker vertraut Medikamentensortierung der Technik an

Sicherheit mit Roboter

Automatisierter Assistent

ServiMed ist ein vollautomatisches System. Pro Apothekenschrank können etwa 4500 Arzneimittelpackungen aufbewahrt werden. Sicherheit genießt in einem solchen System oberste Priorität. Die Lagerung erfolgt nach dem freien Lagerprinzip. Bei dieser „chaotischen“ Zuordnung werden die Medikamente einfach

Die Motion Control NYCe 4000 steuert einen Roboter, der das flexible, schnelle und sichere Einsortieren und Ausgeben von Medikamenten ermöglicht. Durch den modularen Aufbau des Systems ist es offen für Erweiterungen.

Ein automatisiertes System, das Medikamente in Apotheken und Krankenhäusern einsortieren und ausgeben kann, hat das niederländische Unternehmen Autopharma entwickelt. In diesem System ist ein Apothekenroboter mit dem Namen ServiMed aktiv, und in seiner Zentrale hat die Motion-Control-Steuerung NYCe 4000 das Kommando. Für dieses System der Bosch Rexroth AG, Lohr am Main, entschieden sich die Niederländer, da es schnell, flexibel und exakt die Arbeiten erledigt. Hinzu kommt, dass sich sowohl die Steuerungssoftware NYCe 4000 als auch die ServiMed-Applikationssoftware und die Softwareschnittstelle zum externen, logistischen Informationssystem des Apothekers (AIS) auf einem PC gut integrieren lassen. Automatisierte Apotheken-Assistenzsysteme wie ServiMed werden bereits von mehreren Herstellern angeboten. Die zur Leeuwardener Wilee Techniek BV gehörende Autopharma produziert jedoch den einzigen komplett automatisierten Apothekenhelfer – im Unterschied zu halbautomatischen Systemen, bei denen die Mitarbeiter nach wie vor manuell eingreifen müssen – und gegebenenfalls Fehler machen.

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Mensch oder Maschine? Der Apothekenroboter soll weniger Fehler machen und weniger Lagerplatz benötigen Bild: Bosch Rexroth

Aufwand für das Erstellen neuer Steuerprogramme. Darüber hinaus ist diese Steuerung zu den diversen Motortypen im Roboter kompatibel, zum Beispiel zu Schrittmotoren und bürstenlosen Servomotoren. Über den Eingang/Ausgang (E/A) wird auch die einzige pneumatisch betriebene Komponente des Roboterarms kontrolliert, der Saugmund, der die Medikamentenpackungen durch Unterdruck aufnimmt. Der automatisierte Apothekenassistent ist modular aufgebaut. Sein Greifer kann maximal drei Schränke bedienen. In Apotheken mit mehr Schränken lassen sich weitere Systeme leicht hinzufügen.

Bislang liegt das Sortieren und Ausgeben in der Regel in menschlichen Händen Bild: Udo Kroener/Fotolia

Obwohl das Einsortieren und Ausgeben von Medikamenten ein fehlerbehafteter und arbeitsintensiver Prozess ist, wird er in der Mehrzahl der Apotheken und Krankenhäuser in der Regel von Hand erledigt. Apothekenroboter wie ServiMed sollen in Zukunft nicht nur die Ausgabe falscher Medikamente an die Patienten verhindern, sondern die Arbeit an Schränken sowie Lagerregalen vereinfachen und beschleunigen. Darüber hinaus belegen sie weniger Lagerfläche. „Im Prinzip ist der Apothekenroboter ein großer, automatisierter Arzneimittelschrank, mit dem Apotheker ihre tägliche Arbeit effizienter gestalten können“, erläutert Ad Scheepers, Sales Manager bei Rexroth in Eindhoven. Basis für die Steuerung hinter der Roboter-

tätigkeit ist die Applikationssoftware samt Datenbank. Allerdings arbeitet das Apothekeninformationsystem (AIS), in dem alle Informationen zu den Medikamenten hinterlegt sind, im Gegensatz zum Roboter nicht in Echtzeit. Eine optimale Zusammenarbeit zwischen beiden ist daher nur mit einer Anlagensteuerung auf PC-Basis zu realisieren, zum Beispiel mit der in Echtzeit arbeitenden Motion Control-Steuerung NYCe 4000. Dafür werden die Funktionen aufgeteilt: Ein Teil der NYCe-Software befindet sich auf dem PC, auf dem das AIS installiert ist, der andere Teil läuft direkt auf der Bewegungssteuerung. Dass sich die Motion-Control-Software mit der Programmiersprache C schnell und einfach programmieren lässt, reduziert den

Pro Modul sind im Durchschnitt vier Achsen zu steuern. Sie ermöglichen es, dass der Roboter nach rechts und links, nach vorn und hinten sowie nach oben und unten fahren kann. Eine weitere Achse sorgt für rotierende Bewegungen. Zudem besitzt jedes Modul

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an einem freien Lagerplatz gelagert. Fehler müssen jedoch ausgeschlossen sein. Daher kommt es auf die exakte Platzierung im Lagerregal an, damit der Manipulator kein falsches Medikament liefert. Beim Laden identifiziert das System über ein Kamerabild jede Medikamentenpackung anhand von mindestens zwei Eigenschaften, zum Beispiel anhand des Strichcodes, der Abmessungen der Verpackung oder des Platzes des Strichcodes. Außerdem registriert es das Haltbarkeitsdatum. Der Roboter druckt für ein ausgegebenes Arzneimittel stets ein Etikett aus und klebt es auf die Packung. Bei der Ausgabe prüft eine Kamera dieses Etikett noch einmal. Den geltenden gesetzlichen Bestimmungen zufolge muss die Packung vor Aushändigung an den Kunden zudem noch von einem Menschen kontrolliert werden.

eine Bewegungssteuerung, die über eine digitale Schnittstelle mit dem übergeordneten Steuersystem kommuniziert. Die Informationen von zwei im System integrierten Kameras werden über Firewire übertragen. Eine der Bewegungssteuerungen in den Modulen wird als Master für die Achsengruppen bestimmt. Diese separate Bewegungssteuerung für jedes Modul sorgt dafür, dass sich Module auch direkt miteinander verbinden lassen. Die Struktur des Systems wird automatisch erkannt, so dass man hier von einer Plug&Play-Funktion sprechen kann. Das beschleunigt die Installation der Gesamtanlage. Auch kann das übrige System einfach weiterarbeiten, falls in einem Modul ein Fehler auftreten sollte. Die Motoren in einem Modul werden stets unabhängig voneinander von der Steuerung dieses Moduls kontrolliert. Damit ein Lagersystem wirklich frei arbeiten und dabei Platz sparen kann, kommt es um präzise Antriebe nicht herum. Mit der gewählten Steuerung ließ sich für die Medikamentenpackungen die Positioniergenauigkeit von 2,5 cm auf 1 mm verbessern. Bei Bedarf könnte die Motion Control-Steuerung sogar mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern oder sogar noch kleineren Einheiten arbeiten – was dem Anwender eine erhebliche Leistungssteigerung böte.

Dank dieser Genauigkeit ist es ServiMed möglich, Medikamente sehr schnell ins Regal einzusortieren und angeforderte Arzneien innerhalb von 10 s an der Ladentheke zur Verfügung zu stellen. Die Anlage arbeitet ereignisgesteuert: Fordert der Apotheker über das AIS ein Medikament an, übersetzt das System diese Anforderung in eine Position und die entsprechenden mechanischen Aktionen. Um einen nahtlosen Bewegungsfluss zu ermöglichen, kommunizieren die Bewegungssteuerungen der Module untereinander, nachdem sie ihre Anweisungen erhalten haben. Da die Motion-Control-Steuerung NYCe 4000, die vorwiegend in der Halbleiterindustrie und in der Medizintechnik eingesetzt wird, stets umfassende Informationen über den Status der Antriebe sammelt, lassen sich frühzeitig potenzielle Fehler erkennen, Maßnahmen einleiten und ein Ausfall des Systems vermeiden. Da sich AutoPharma für diese eingebettete Steuerung mit Diagnosefunktionen entschieden hat, ist der Apothekenroboter praktisch wartungsfrei und benötigt keine Anpassungsarbeiten. ■ Ad Scheepers Leiter Branchenmanagement Semiconductor & Solar, Bosch-RexrothGeschäftsbereich Elektrische Antriebe und Steuerungen

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[ SPECIAL ANTRIEBSTECHNIK ]

Dynamischer Kleinantrieb: Leise Luft für Schnarcher

Lautloser Kompressor darf ins Schlafzimmer Ein kleiner, leiser EC-Motor treibt in einem Schlafapnoe-Gerät den Kompressor an – ohne dass der Patient davon etwas hört. Keine einfache Aufgabe, muss der Kleinantrieb doch gleichzeitig hochdynamisch arbeiten.

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Schwarzwald. Heraus kam ein auf die besonderen Anforderungen abgestimmter Motor für den integrierten Kompressor: Vordergründig ganz klar und leicht einsehbar, müssen Antrieb und Verdichter möglichst unhörbar arbeiten. Betriebsgeräusche direkt neben dem Bett würden den gewünschten Effekt – einen möglichst ungestörten Schlaf – zunichte machen. Gefordert ist darüber hinaus eine gute Dynamik des Antriebs, da sich die Drehzahl des Verdichters sehr schnell verändern lassen muss. Um zu verstehen, warum eine hohe Dynamik gefordert ist, lohnt sich ein Blick auf die Regelung von Volumenstrom und Druck der Atemluft. So ist es notwendig, kurzzeitig bei Beginn der Beatmung einen „Aufblasedruck“ zu erzeugen, der das schlaffe Gaumensegel anhebt und so Luft einströmen lässt. Der etwas höhere Druck darf aber nur kurzzeitig anliegen, danach muss er konstant auf Einatemniveau bleiben. Abhängig

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Moderne Beatmungsgeräte beinhalten einen „Kompressor“, der aber extrem leise arbeiten muss, um beim nächtlichen Betrieb nicht zu stören

von der eigenen Atmung des Patienten sind dazu Fördermenge und -druck ständig anzupassen. Des Weiteren muss beim Ausatmen der Druck schnell abfallen, um ein ungehindertes Ausströmen der Atemluft zu erlauben. Als Näherungswerte für die nötige Dynamik lässt sich eine Regelzeit von 200 ms bei einem Förderstrom von 150 l/min und Druckschwankungen von 4 auf 20 mbar Überdruck angeben. Als Verdichterstufe dient übrigens ein einteiliges, kostengünstig im Spritzguss hergestelltes Radiallüfterrad. Das Verfahren erlaubt es, die Unwucht von Beginn an gering zu halten. Gerundete Kanten, rückwärts gekrümmte Schaufeln und andere strömungstechnische Feinabstimmungen sorgen für einen verwirbelungsarmen und daher leisen Betrieb. Die Ebm-Spezialisten optimierten dann alle in Frage kommenden Motorkomponenten, um einen besonders laufruhigen Antrieb sicherzustellen. Eine reibungsfreie Luftlagerung erlaubt zudem die Feinwuchtung des

nenläufer ausgeführt. Die Ummagnetisierungsverluste sind hierbei wesentlich reduziert. Dadurch erreicht der Motor im gesamten Arbeitsbereich und insbesondere bei hohen Drehzahlen einen hohen Wirkungsgrad von teilweise über 80 % – einschließlich der Kommutierungselektronik. Eine neue Luftspaltwicklung speziell für sehr hohe Drehzahlen verbessert darüber hinaus die Leistung und erleichtert die Montage. Der Motor mit der Bezeichnung ECI 30.20 ist 39 mm lang und besitzt einen Durchmesser von 35 mm. Mit 24 V Betriebsspannung bei 1,9 A Nennstromaufnahme erreicht er eine Nenndrehzahl von 30 000 min-1 bei 10 mNm Drehmoment und 32 W Abgabeleistung. Höhere Drehzahlen oder andere Drehmomentwerte sind möglich. Die Rotorlageerfassung übernehmen übrigens drei Hallsensoren, optional ist auch eine sensorlose Motorausführung möglich. Mit Schutzart IP 20 ist der Motor für alle in Frage kommenden „IndoorAnwendungen“ geeignet.

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Tagesmüdigkeit bis hin zu Bluthochdruck, Herzinsuffizienz oder schlimmstenfalls Herzinfarkt können ihre Ursache in der Schlafapnoe haben, Atemaussetzern im Schlaf, von denen rund 10 % der Männer und 2 % der Frauen über 40 Jahren in Deutschland betroffen sind. Abhilfe verspricht ein nachts einzusetzendes Beatmungsgerät, das die körpereigenen Atemreflexe durch geregeltes Einblasen von Luft in die Lungen unterstützt. Da ein solcher „Kompressor“ natürlich ortsnah im Schlafzimmer am Bett stehen muss, darf er nicht durch Betriebsgeräusche stören. Moderne, speziell auf höchste Laufruhe abgestimmte elektrisch kommutierte Kleinmotoren (EC-Motoren) bieten sich für den flüsterleisen Betrieb an. Gleichzeitig kommt ihre hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer den Anforderungen in der Medizintechnik entgegen. Für die Breas Medical AB aus dem schwedischen Mölnlycke waren absolute Zuverlässigkeit und ein wartungsarmer Betrieb notwendige Voraussetzungen, als es um die Auswahl des Antriebs für ihre SchlafapnoeGeräte ging. Deshalb wandten sich die Entwickler an die Antriebsspezialisten der EbmPapst St. Georgen GmbH & Co. KG im

Ankers. Eine definierte Lagervorspannung durch eine Feder mit unkritischer Eigenresonanz reduziert die axialen Schwingungen. Zusätzliche Dämpfung bringen sorgfältig abgestimmte Gummielemente an den Kugellagersitzen. Und für die Rotormagnete setzen die Schwarzwälder eine in mehreren ECInnenläufermotoren eingeführte Plattformtechnologie ein. Quaderförmige Permanentmagnete aus hochwertigem Neodym-EisenBor-Material werden in ein Rotorpaket aus stanzpaketiertem Elektroblech eingebettet. Das ergibt eine leistungsfähige, stabile und gleichzeitig günstige Lösung. Um den Wirkungsgrad möglichst hoch und das Laufgeräusch so gering wie möglich zu halten, wurde der Motor als nutenloser In-

■ Andreas Zeiff und Dietrich Homburg Fachjournalisten in Stutensee

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[ SPECIAL ANTRIEBSTECHNIK ]

Miniaturantriebe: Tauglich für Kleinserien und Massenprodukte

Winzlinge mit Präzision Kleinantriebe sind zuverlässige Helfer im Hintergrund. Neben der geringen Baugröße sprechen vor allem die hohe Zuverlässigkeit und ihre Anpassungsfähigkeit für die Winzlinge, die so ihre eigenen „ökologischen Nischen“ finden.

Der Hexapod des Spine-Assist-Systems ermöglicht Eingriffe zur Wirbelsäulenfusion mit nur wenigen kleinen Einschnitten. DC-Servomotoren mit 5 mm Durchmesser bieten das erforderliche Drehmoment und die nötige Geschwindigkeit Bilder: Faulhaber

Zuverlässige Kleinantriebe bewegen die Medizintechnik: Dieser Eindruck drängt sich jedenfalls auf, wenn man sich anschaut, wo die anpassungsfähigen Winzlinge überall eingesetzt werden – unabhängig davon, ob sie für Kleinserien oder Massenprodukte maßgeschneidert werden. Kleinantriebe der Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG aus Schönaich haben sich bereits in einigen Anwendungen bewährt. So trifft das Sprichwort „Jemanden auf den Nerv fühlen“ die Anforderungen an Kleinantriebe bei zwei Präzisionseinsätzen ganz gut. Für die Forschung im Bereich der Reiz- und Informationsverarbeitung müssen haarfeine Elektroden in den Nerv beziehungsweise das Nervengewebe geführt werden. Auf kleinstem Raum sind Positionen reproduzierbar anzufahren. Kleine, kompakte Mehrkanal-Manipulatoren erlauben heute sogar simultane

72 medizin & technik 02/2009

Messungen mit mehreren Elektroden. Möglich sind Positionierwege zwischen 1 und 15 000 μm bei einer Verfahrgeschwindigkeit von 1 bis 200 μm/s. Für die nötige Bewegung der Elektrodenfaser sorgt ein patentierter Schlauchelektrodenantrieb. Der dämpfende Gummischlauch des Antriebs muss dabei ständig unter einer definierten Vorspannung gehalten werden. Diesen Part übernehmen 6 mm durchmessende ECKleinmotoren mit Getriebevorsatz. Präzision ist ebenfalls beim Einsetzen von Implantaten in der Wirbelsäulenchirurgie von höchster Bedeutung, da hier Eingriffe im Umfeld von Nervenwurzeln und dem Rückenmark vorgenommen werden. Während herkömmliche Operationsmethoden vergleichbar große Einschnitte erfordern, ermöglicht das Spine-Assist-System Eingriffe zur Wirbelsäulenfusion mit nur wenigen kleinen

Einschnitten. Zum Einsatz kommt ein Miniatur-Hexapod-Roboter, 250 g schwer bei einen Durchmesser von nur 50 mm und eine Höhe von 80 mm. Genauigkeit und Präzision des Gesamtsystems liegen unter 100 μm beziehungsweise 10 μm, wobei die Genauigkeit der Bewegungssteuerung 10 μm beträgt. Eine der größten Herausforderungen bei der geringen Größe des Hexapoden war die Auswahl des für diese Anwendung entsprechenden Miniaturantriebssystems: Ein Smoovy-DC-Servomotor mit 5 mm Durchmesser erwies sich als geeignete Lösung im Hinblick auf das erforderliche Drehmoment und die nötige Geschwindigkeit. Erlauben Hexapoden die moderne Chirurgie in winzigsten Bereichen, so muss der Operateur doch optimal sehen können, was da vor sich geht. Herkömmliche Mikroskope sind dafür zu klobig und unflexibel. Eine Mikroskopbrille mit Mikroantrieben ist hier das Mittel der Wahl, weil sie zudem dem Benutzer uneingeschränkte Bewegungsfreiheit lässt. Aufgrund automatischer Scharfstellung muss er nicht wie bei Lupen einen festen Abstand einhalten. Und dank zweier unabhängiger Linsensysteme ist auch ein dreidimensionales Sichtfeld garantiert.

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Präzise Kleinantriebe Hohe Positioniergenauigkeit Hexapoden Mechatronik Prothesen

Auf zusätzliche Weg- oder Winkelsensoren konnten die Entwickler dank eines Schrittmotors verzichten; der Antrieb baut so kleiner und leichter, die Steuerung wird einfacher. Das sogenannte Variscope-Mikroskop benötigt pro Auge jeweils zwei Motoren. Der AM 1020 mit 10 mm Durchmesser für die Fokuseinstellung und der AM 0820 mit 8 mm Durchmesser für den Zoom. Eine der Herausforderungen bei dieser Anwendung ist zudem, dass der Fokusantrieb praktisch ständig arbeitet, da er jede Kopfbewegung kompensieren muss. Auch bei einer neuen Laufhilfe finden Kleinantriebe ein Betätigungsfeld. Sie helfen, das natürliche Laufgefühl mit Sehnen und Muskeln elektromechanisch abzubilden. Mit mo-

Aktive Beinprothese: Ansteuerbare DC-Kleinantriebe ermöglichen es, die Dämpfung von Muskeln und Sehnen nachzuempfinden

derner Prozessortechnik, hoher Rechenleistung, miniaturisierter Präzisionssensorik und Mikromechanik ist dies heute mit dem entsprechenden Know-how möglich. Als Bindeglied zwischen Elektronik und Dämpfungsmechanik setzen Prothesenspezialisten auf bewährte Technik: Einfach ansteuerbare DC-Kleinantriebe. Die mit Edelmetallbürsten ausgestatteten Kleinmotoren bieten hohe Leistung auf kleinem Raum. Und dank hohem Motorwirkungsgrad sind auch bei begrenzter Kapazität des Lithium-Akkus in der Prothese ohne Nachladen lange Laufzeiten bis über zwei Tage möglich. Hochdynamische 10-mm-Antriebe arbeiten in der Prothese über ein Reibradgetriebe auf einer Planetengetriebestufe. Dies verstellt dann das eigentliche Dämpfungsventil. Pro Schritt wird so die Dämpfung von maximal auf fast Null und wieder zurück verstellt. Alle Komponenten müssen die Dauerbelastung über Jahre und damit Millionen Schritte vertragen. Obwohl immer nur sehr kurze Steuerungsimpulse nötig sind, ist das für die Edel-

metall-DC-Motoren kein Problem. Ebenso wie Einsatztemperaturen von -15 bis +65 °C oder feuchte, salzhaltige Luft. Während Einzelantriebe für die Forschung oder Kleinserien teuer sind, muss man eine preiswerte Massenfertigung aufbauen, wenn man vielen Patienten eine Erleichterung anbieten will. Aufgrund der naturgemäß sehr diffizilen Bauteile und der hohen Güteanforderungen bei medizinischen Produkten sind oft neue Wege notwendig. Als Beispiel kann hier die Fertigung eines automatischen Blutzuckermessgerätes dienen. Das kompakte und sehr handliche Messgerät enthält statt einzelner Messstreifen eine Trommel mit 17 Streifen. Da manche Patienten bis zu sechs Mal am Tag den Blut-

Creating Things for Motion General Industries

Leben

bewegen

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In diesem automatischen Blutzuckermessgerät arbeiten zwei Kleinantriebe – präzise und doch günstig dank Massenfertigung

zuckerspiegel bestimmen müssen, ist dies eine deutliche Erleichterung. Die geringen Abmessungen erforderten aber feinwerktechnisches Know-how. Die Lösung basiert auf zwei Miniaturantrieben mit Getrieben und Sensorik. Dabei arbeitet einer als Positionierantrieb für die Vorratstrommel. Auf Tastendruck transportiert er die Trommel jeweils eine 1/17 Umdrehung weiter bis zum nächsten Messstreifen. Der zweite Motor ist für die translatorische Bewegung zuständig, sprich, er bringt den Messstreifen dann in Messposition. Dank Miniaturisierung und modernen Kunststoffwerkstoffen ist das Gerät im Handyformat leicht und robust. Trotz der kompakten Maße besteht aber allein das Motormodul aus 45 Einzelteilen, die vollautomatisch montiert und zu 100 % kontrolliert werden. ■ Andreas Zeiff und Dietrich Homburg Fachjournalisten in Stutensee www.faulhaber-group.com

             

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[ SPECIAL ANTRIEBSTECHNIK ]

Mikromotor

Energieeffizienz

Kunststofflager

Planetengetriebe

Ermüdungsfrei leichter arbeiten

Gesamtkosten im Fokus

Wartungsfrei zu hoher Anlagenverfügbarkeit

Energieeffizienz lässt sich steigern

Unter dem Oberbegriff Effidrive stellt die SEW-Eurodrive GmbH & Co KG aus Bruchsal eine Reihe besonders energieeffizienter Antriebslösungen vor, mit denen der Anwender vor allem die Gesamtkosten (Total Cost of Ownership, TCO) senken können soll. Dies sei insbesondere vor dem Hintergrund abnehmender Ressourcen und langfristig steigender Energiekosten wichtig. Im Mittelpunkt steht dabei das Gesamtkonzept, vom Motor über das Getriebe und die Steuerung bis hin zur individuell konfigurierbaren Software. Zu sehen sind die Lösungen unter anderem auf der kommenden Hannover Messe. Mit den beiden Produktlinien Variolution und Maxolution wird der Fokus zudem auf applikationsspezifische Ergänzungen gelegt.

Über zehn Jahre Lebensdauer sollen die wartungsfreien Igubal-Kunststofflager bieten – und auf diese Weise helfen, die Anlagenverfügbarkeit zu erhöhen.

20 % höhere zulässige Radialkräfte sowie eine in gleicher Größenordnung verbesserte Verdrehsteifigkeit sollen die Planetengetriebe des Typs SPN-Pure der SPN Schwaben Präzision Fritz Hopf GmbH bieten. Die präzise Energieübertragung soll Verlustleistungen minimieren und helfen, die Betriebskosten zu senken. Denn auch in der Antriebstechnik gewinnt eine hohe Energieeffizienz weiter an Bedeutung. Bei den Getrieben handelt es sich um eine Weiterentwicklung der Baureihen U3 und U4. Die Abtriebswelle ist mit Kegelrollenlagern in O-Anordnung gelagert, wobei die Konstrukteure nun den Lagerabstand deutlich vergrößerten und den Motorenanbau modifizierten. Kleiner geworden sei zudem die Massenträgheit am Antrieb, so die Zeichnet sich durch ein geringes VerNördlinger. Die nochmals ver- drehspiel aus: Planetengetriebe der besserte Nutzung des Bau- Baureihe SPN-Pure Bild: SPN raums bewirke eine höhere Leistungsdichte und steigere zusammen mit einer modifizierten Wärmebehandlung die zulässigen Drehmomente. Durch die optimierte Schrägverzahnung soll zudem die Geräuschentwicklung des Getriebes meist unterhalb des Schallpegelniveaus der Peripherieelemente des Antriebssystems bleiben.

Mit nur 67 g Masse bietet Sycotec einen leichten E-Motor für dentale Hand- und Winkelstücke an, mit dem man ermüdungsfrei arbeiten können soll. Die integrierte LEDBeleuchtung punktet vor allem mit der langen Lebensdauer.

Mit dem Syco-SLM-Mikromotor hat die Sycotec GmbH & Co. KG aus Leutkirch im Allgäu einen nur 31,7 mm langen und 67 g leichten E-Motor für dentale Hand- und Winkelstücke vorgestellt. Damit sei er um durchschnittlich 50 % kürzer und 30 % leichter als andere Motoren, so der Hersteller. Zusammen mit dem Winkelstück führe dies zu einer ausgeglicheneren Gewichtsverteilung – das Gerät liege besser in der Hand. Zudem ermüde die Fingermuskulatur aufgrund des geringen Gewichts weniger. Ein integriertes LED-Licht verbessert nicht nur die Beleuchtung während der Behandlung, sondern bietet auch eine längere Le-

bensdauer als herkömmliche Hochdrucklampen. Der Syco-SLM ist auf die integrierte Medienführung von Sprayluft, Spraywasser sowie Motorkühlluft ausgerichtet und verfügt über einen integrierten Rücksaugstopp für das Spraywasser, was eine Rückkon-

Kurz und leicht, verbessert der Syco-SLM die Handhabung dentaler Hand- und Winkelstücke Bild: Sycotec

tamination verhindert. Als Präparationsmotor liegt der Drehzahlbereich des Mikromotors zwischen 1000 und 40 000 min-1. Und selbst bei der transformierten Umsetzung auf Hand- und Winkelstücke garantiere er einen vibrationsfreien und vor allem auch leisen Lauf, so die Leutkircher. Die Instrumentenkupplung entspricht der ISONorm und passt für alle Hand- und Winkelstücke.

Weil das Kunststoffmaterial dieser zweiteiligen Lager – anders als Stahl – Schwingungen absorbieren kann, bieten sie gute Dämpfungseigenschaften Bild: Igus

Spezialhexapod

Punktgenaue Behandlung Die Kölner Igus GmbH liefert mit Igubal ein komplettes Programm selbsteinstellender Lagerelemente, die vollständig aus tribo-optimiertem Kunst-

Lasten bis zu 200 kg – hier eine Behandlungsliege – bewegt der Spezialhexapod M-850KPAH der Karlsruher Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG in sechs Freiheitsgraden mit hoher Genauigkeit. Entwickelt wurde er für den Einsatz in der Therapie von Tumoren mittels Röntgen- oder Teilchenstrahlen.

Zahnriemen

E-Paper

Miniaturisierung erschließt neue Potenziale

74 medizin & technik 02/2009

ber hinaus sei der FHT-1 besonders geräuscharm und eigne sich damit gut für sensible Anwendungen, so der Hersteller. Er besteht aus haltbarem Polyurethan, einem abriebfesten und daher besonders sauberen Material, das hochbeständig gegenüber Chemikalien ist und Temperaturen von -40 bis +80 °C standhält. Die Tensys Medical Inc. setzt den Riemen in ihrem TL-150-Blutdruck-Überwachungssystem ein. „Es dient dazu, kontinuierlich den Blutdruck zu überwachen, insbesondere für die Dauer chirurgischer Eingriffe“, berichtet Tensys-Medical-CEO Chris Jones. Größe, Präzision und Systemstabilität seien extrem wichtig. Der Zahnriemen ermöglicht es, dass der Sensor durch Motoren und Getriebe präzise über der Pulsader der Arterie positioniert gehalten wird – und das bis zu 18 h lang.

02 / 2009

Die komplette Ausgabe von medizin&technik im Netz – wenn der Kollege die gedruckte Version so spannend findet, dass er sie mitgenommen hat. www.medizin-und-technik.de

Hexapod zur präzisen und stabilen Positionierung einer Patientenliege in der Strahlentherapie Bild: PI

Da hier lokal mit hohen Strahlungsintensitäten gearbeitet wird und möglichst wenig umliegendes Gewebe geschädigt werden soll, kommt es auf eine sehr präzise Positionierung des Patienten an. Die Stellwege von 100 mm waagrecht und 50 mm vertikal sowie die Kippwinkel von bis zu 6 Grad sind der Aufgabe angepasst; Bremsen fixieren den Hexapoden in der Endposition. Ansteuern lässt sich das parallelkinematische System bequem über eine Ethernet-Verbindung.

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Mit dem FHT-1 mit 60 mm Durchmesser und einem Zahnabstand von 1 mm produziert Fenner Precision, Düsseldorf, den bislang kleinsten Zahnriemen im Portfolio. Er eignet sich insbesondere für Anwendungen in der Medizintechnik, etwa Sauerstoff- oder Insulinpumpen, sowie in den Bereichen Blutdrucküberwachung, Dialyse zu Hause und Prothetik. „Bislang waren die von uns produzierten Riemen deutlich größer”, erläutert Tony Watts, Global Marketing Manager bei Fenner Precision. „Unsere Entwicklung ist daher ein Durchbruch für die Entwickler miniaturisierter präziser Medizintechnikgeräte.“ Die Bezeichnung des FHT-1 leitet sich von Fenner-High-Torque-Profil ab. Der kurvenförmige Zahnriemen hat ein abgerundetes Profil, und die Zahnform wurde im Hinblick auf die Kraftübertragung optimiert. Darü-

stoff gefertigt sind. Dazu gehören Gelenk- und Gabelköpfe sowie Flansch-, Gelenk- und Stehlager. Die wartungsfreien Lagerelemente könnten in zahlreichen Fällen metallische Komponenten ersetzen, so der Anbieter. Und bis zu 80 % Gewicht lasse sich einsparen, die Taktfrequenzen könnten also deutlich erhöht werden. Die selbsteinstellenden Lagerelemente lassen sich einfach montieren und passen sich Winkelabweichungen an. Technisch trocken einsetzbar, reagieren sie unempfindlich gegen Schmutz, können in Flüssigkeiten und sogar in Chemikalien laufen und sind korrosionsbeständig. Ihre Einsatztemperatur reicht von -30 bis +80 °C. Für Gelenklager der Maßreihe E gibt es nach Angaben der Kölner auch eine Hochtemperatur-Version für Dauergebrauchstemperaturen bis +200 °C.

EMAX bietet eine Reihe von Vorteilen bei medizinischen Anlagen, z.B. für die präzise und zuverlässige Positionierung des Tischs im Kernspin-Tomographen. Absolutposition macht Referenzfahrten überflüssig RS422-, SSI-, Profibus- oder CAN open - Schnittstelle Auflösung / Wiederholgenauigkeit von 0,01 mm Besuchen Sie uns auf der HMI. 20.-24.April 2009 Halle 9 Stand A60 Carl-Benz-Str. 1, D-78239 Rielasingen, Tel.: +49(0)7731/93 39 0, Mail: [email protected]

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Messen - Steuern - Positionieren

12.03.2009 09:01:41

[ SPECIAL ANTRIEBSTECHNIK ]

Schrittmotoren: Überzeugend in der Probenvorbereitung

Hauchdünne Gewebeschnitte perfekt vorbereitet In Nussloch beschäftigt sich Leica Microsystems mit der gesamten Prozesskette der Probenvorbereitung für die Mikroskopie. Beim Zuschneiden der hauchdünnen Gewebeproben kommen Schrittmotoren von Oriental Motor zum Einsatz. Die meisten Motoren finden in Mikrotomen Verwendung, die Gewebeproben in hauchdünne Schnitte schneiden. Hier muss die Relativbewegung in Richtung Schneidewerkzeug in sehr kleinen, präzisen Schritten erfolgen. „Für diese Bewegung wurden wegen ihrer hohen Auflösung 5-Phasen-Schrittmotorantriebe mit Treibermodul ausgewählt“, erklärt Andreas Laudat, der bereits seit vielen Jahren in der Elektronikentwicklung bei Leica Microsystems beschäftigt ist. Im komplexen Rotationsmikrotom Leica RM 2265 aus Nussloch, erfolgt die Probenzustellung mit 5-Phasen-Schrittmotorantrieben der Düsseldorfer Oriental Motor (Europa) GmbH. Das vollmotorisierte, programmierbares Rotationsmikrotom verfügt über sechs Schneidebetriebsarten, automatischer, variabler Probenretraktion, integriertem Kontrolldisplay, zwei ProbenhalterGrobtriebgeschwindigkeiten je Richtung, zwei Schneide- und Trimm-Programmen sowie Schneidefenstern. Die einstellbare Zustelldicke reicht von 0,25 μm bis 600 μm. In den Mikrotomen können Proben von bis zu 70 mm Breite bearbeitet werden. Auch in die Rotationsmikrotome RM 2255 und RM 2245 werden Oriental-Motor-

Ihr Stichwort • Mikroskopie • Schrittmotorantriebe • Rotationsmikrotome • Gewebeproben • Miniaturisierung

76 medizin & technik 02/2009

Präzise Positionierung und Langlebigkeit: Die 5-Phasen-Schrittmotoren der CRK-Serie eignen sich für zahlreiche Anwendungen in der Medizintechnik Bild: Oriental Motor

Das vollmotorische, programmierbare Rotationsmikrotom RM 2265 ist mit Antrieben von Oriental Motor ausgestattet Bild: Leica Microsystems

zügige Serienreife der Produkte zu sorgen. Wie überall kommt die Miniaturisierung der Elektronik auch den Mikrotomen von Leica Microsystems zugute. Insbesondere die Verkleinerung der Treiber in den 5-Phasen-

Schrittmotoren bringt Vorteile: Eine Verringerung der Bauteile durch die Zusammenlegung von Stromkontrolle und Peripherieschaltkreis in zwei ICs vereinfacht auch die Konstruktion. Die Stromkontrolle über Pulsweitenmodulation (PWM) wurde mit speziellen ICs und einem eigens entwickelten Filter, der die Überlappung mit dem Rückstrom aus der Freilaufdiode verhindert, erfolgreich für die Neukonstruktion eingesetzt. Ein weiterer Schaltkreis zur Beschleunigungs-Kompensation verbesserte auch das durch PWM-Verfahren und Spitzenwertmessung des Stroms beeinträchtigte Startverhalten. Die CRK-Serie ist mit der so genannten Smooth-Drive-Funktion ausgestattet, die den Mikroschritt-Antrieb automatisch betreibt, ohne dass Schrittwinkel, Pulsanzahl und -frequenz geändert werden müssen. Der Antrieb garantiert damit geringe Vibrationen und hält den Geräuschpegel niedrig. Dank Mikroschritt erfolgt der Wechsel des Motorstroms sanft, so dass sich der magnetische Fluss nicht abrupt ändert; der Geräuschpegel bleibt ebenso niedrig. Der Smooth-Drive-Modus bewirkt vor allem im

unteren Geschwindigkeitsbereich bis zu 300 U/min eine deutliche Verringerung der Geräuschentwicklung. Insgesamt stehen 25 verschiedene Schrittwinkel zur Auswahl, einschließlich der Basis-Schrittwinkel von 2-Phasen Schrittmotoren mit 1,8° und 0,9° und von 5-Phasen Schrittmotoren mit 0,72° beziehungsweise 0,36°. Dies habe den Vorteil, dass auf der einen Seite die Vorzüge der 5-Phasen-Technologie genutzt werden können, ohne die Vorteile der 2-Phasen-Technologie aufgeben zu müssen, so Laudat. Anwender von 2-Phasen Schrittmotorantrieben können somit problemlos auf die CRKSerie umsteigen. Über ein externes Signal lassen sich zwei Schrittwinkel einstellen und umschalten. Weitere Funktionen umfassen die automatische Stromabsenkung und die Motorstromabschaltung. ■ Petra Vogt Journalistin in Handeloh Weitere Informationen: www.orientalmotor.de, www.leica-microsystems.com

Micro Size – Ultra Precision Antriebe eingebaut. Selbst Proben, die zuvor mit einem Zubehör-Gefriergerät auf –150 °C gekühlt werden, schneiden die Mikrotome präzise in dünne Scheiben. Für die eindeutige Identifizierung des Materials wurde bei Leica Microsystems in Nussloch ein Drucker entwickelt, der eingehende Gewebeproben beziehungsweise deren Objektträger kennzeichnet. Ein weiterer Schritt ist die Einfärbung des Gewebes. Der Autostainer ST 5010 ist ein vollautomatischer Färber, mit dem verschiedene Färbeprozesse parallel durchgeführt werden können. Je nach verwendetem Programm kann er mehrere hundert Objektträger pro Stunde verarbeiten. Das Gerät ist für die Tischaufstellung konzipiert, wobei das kontinuierliche Beladen und Entnehmen von Objektträgern auch während des Färbebetriebs möglich ist. Sowohl die Kennzeichnung als auch die Bewegungen des Roboterarms beim Färben erfolgen durch die Schrittmotoren Antriebspezialisten aus Düsseldorf.

Der Lebenszyklus von Medizin- und Laborgeräten verlangt nach einer Ersatzteilgarantie über viele Jahre hinweg. Nicht zuletzt wegen ihrer Langlebigkeit werden in den Geräten von Leica so häufig Schrittmotoren von Oriental Motor genutzt. Die durchgängige Qualität der Motoren hat sich in Nussloch bereits seit über zehn Jahren bewährt. Der Grundstein dieser Geschäftsbeziehung wurde damals mit der kurzfristigen Modifikation eines Standardtreibers gelegt. Derartige Anpassungen von Katalogprodukten an spezifische Kundenbedürfnisse gehören zu den Spezialitäten der Düsseldorfer. Mit diesem laut Laudat „guten Beispiel für Flexibilität“ konnte Leica Microsystems seinerzeit eine dringende Konstruktionsaufgabe lösen und verlässt sich seitdem auf ein hohes Niveau von Produkten und Beratung. Dies weiß Laudat besonders zu schätzen, der in seiner Entwicklungsarbeit auf kompetente und zuverlässige Ansprechpartner baut, um für reibungslose Prozesse und eine

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02/2009 medizin & technik 77

[ SPECIAL ANTRIEBSTECHNIK ]

Scheibenläufermotor: Kompakte Bauform spart Platz

Stets den richtigen Dreh Treppenlifte müssen sich auch in engen Treppenhäusern installieren lassen und selbst bei Stromausfall stets betriebsbereit sein. Flach bauende Scheibenläufermotoren begrenzen nicht nur den Einbauraum, sondern ermöglichen auch den Akkubetrieb. Ein Stromausfall verliert so seinen Schrecken.

Ihr Stichwort · Scheibenläufer Kompaktheit · Zuverlässigkeit · Einfache Regelung · Ausfallsicherheit ·

Scheibenläufermotoren zeichnen sich in erster Linie durch ihre besonders platzsparende, flache Bauform aus. Das kürzeste Modell benötigt nur 36,5 mm Einbauraum in axialer Richtung Bilder: Baumüller

Flach, leicht und dennoch kraftvoll und dynamisch: Scheibenläufermotoren ermöglichen im Verhältnis zum Einbauraum hohe Leistungen und eignen sich so für Einsätze, bei denen der Antrieb möglichst kompakt sein muss. Etwa Treppenlifte, die sich auch in engen und steilen Treppenhäusern installieren und betreiben lassen müssen. Die Antriebstechnikspezialisten der Baumüller Nürnberg GmbH haben hierfür zusammen mit den Kunden Antriebspakete entwickelt, deren Herz ein Scheibenläufermotor ist. Die Motoren des Typs GDM lassen sich über ihren gesamten Drehzahlbereich einfach regeln und selbst bei niedrigen Drehzahlen (weniger als eine Umdrehung pro Minute) bleibt der Rundlauf erhalten. Die Nürnberger liefern Scheibenläufermotoren auch für andere Anwendungen im Leistungsbereich von 16 bis 6300 W. Dazu stehen zwei Motortypen zur Verfügung:

78 medizin & technik 02/2009

Betrachtet man den Einbauraum im Verhältnis zur erzielbaren Motorleistung, bieten sich vor allem Scheibenläufermotoren wie der GDM 12 N an

Gleichstrom-Scheibenläufermotoren · Die GDM sind dauermagneterregte Motoren mit eisenlosem Rotor und Trommelkollektor, somit trägheitsarm und hochdynamisch im Laufverhalten. Kommen kollektorbehaftete Gleichstromantriebe mit Kohlebürsten nicht in Frage, bieten sich die bürstenlosen Scheibenläufermotoren DSM an. Die dazu notwendige elektronische Steuerung kann für spezielle Anwendungen auch im Motorgehäuse untergebracht werden. Einige spezielle Anforderungen an den Treppenlift-Antrieb ergeben sich aus dem Einsatz in Privathaushalten: Ein Blitzeinschlag oder Stromausfall muss für den Treppenlift ohne Folgen bleiben – eine in ihrer Beweglichkeit eingeschränkte Person wäre in einem solchen Fall völlig hilflos. Das Antriebspaket verfügt deswegen über zwei Akkus im Kleinspannungsbereich, die die benötigte Ener-

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gie liefern. An beiden Enden der Führungsschiene des Lifts befindet sich jeweils eine Ladestation, an denen die Akkus aufgeladen werden. Ein weiteres Plus dieser Lösung ist, dass auf diese Weise auf eine aufwendige Verkabelung und ein Kabelschleppsystem verzichtet werden kann. Da sich die Scheibenläufer der Nürnberger für Anwendungen im Bereich von Kleinspannungen besonders eignen, ist die Umsetzung einer solchen Lösung ohne Probleme möglich. Gerade in Doppel- und Reihenhäusern, in denen man die Wand mit einem Nachbarn teilt, ist zudem die Geräuscharmut ein wichtiges Kriterium. Scheibenläufer erleichtern den Einsatz hier, weil sie sehr geräuscharm arbeiten. Die Einstellung der Steuerung erfolgt jeweils kundenspezifisch beziehungsweise entsprechend den Gegebenheiten des Treppenaufgangs vor Ort. Die zu fahrenden Geschwindigkeiten und auszuführenden Schwenkbewegungen werden vorab in einer zentralen Steuerung hinterlegt. Der Benutzer des Lifts gibt anschließend prinzipiell nur noch die Fahrtrichtung – nach oben oder nach unten – und den gewünschten Haltepunkt vor. su www.baumueller.de