Productnieuws

Automatisering vereist veel finesse

25 januari

Het reageerbuisje moet in de centrifuge, het onderdeel op zijn juiste positie en het pakket op de lopende band. In moderne systemen wordt dat oppakken en neerzetten (‘pick-and-place’) door automatisch werkende grijpers gedaan. In de laboratoriumautomatisering moeten deze grijpers bijzonder voorzichtig werken. En dat miljoenen keren, nauwkeurig en betrouwbaar. Net als de nieuwe GEP2000 serie van de Zimmer Group.

Testen en vaccins hebben ons een uitweg geboden uit de lockdowns en een mogelijkheid ons normale leven te hervatten. Overheidsmaatregelen om de pandemie in te dammen, kwamen al snel aan hun grenzen. Met de exponentiële verspreiding van het virus explodeerde de vraag naar testen en vaccins. In het begin was de capaciteit hier niet tegen opgewassen, en het wachten op testkits en vaccins leek vaak eindeloos.

 

Laboratoriumautomatisering tegen Covid-19

Toch werkten de farmaceutische industrie, de medische technologie en de medische laboratoria razendsnel. Dat geldt ook voor de uitbreiding van de productie en het verruimen van de testcapaciteit. Een belangrijke factor in dit succes was automatisering. In laboratoria was de pandemie een krachtige stimulans voor automatisering. Automatische laboratoriumapparatuur en universele, flexibele robots kunnen specialisten veel werk uit handen nemen en zowel de verwerkingscapaciteit als de efficiëntie verhogen. Het automatisch oppakken en hanteren van monsters, pipetten of reageerbuisjes is hierbij een van de centrale, steeds terugkerende processtappen. Hiervoor zijn gevoelige, industriële grijpers voor kleine onderdelen nodig.

Voor het grijpen worden volgens Maik Decker, de voor dit onderwerp verantwoordelijke productmanager van de Zuidwest-Duitse fabrikant Zimmer Group, in het algemeen twee verschillende technologieën gebruikt: “Tot nu toe werden de meeste grijpers in de industrie pneumatisch aangedreven. Met perslucht dus. Dat is echter minder geschikt voor de hygiënische omstandigheden die we willen hebben in laboratoria en in de medische en farmaceutische industrie. Daarom worden in die sectoren elektrisch aangedreven grijpers gebruikt.”

Elektromotor maakt grijpers flexibel

Naast de hygiëne hebben deze grijpers nog een ander voordeel: zij werken zonder een persluchtsysteem en de leidingen die daarbij horen. In sommige industriesectoren behoort perslucht weliswaar tot de standaarduitrusting van productieinstallaties. Elektriciteit is immers overal beschikbaar. Bovendien worden de machines waarin de grijpers zijn opgenomen elektrisch aangedreven. Een elektrische aansluiting is veel makkelijker te installeren dan een persluchtleiding. Daarnaast is het aansturen van elektrische onderdelen eenvoudiger en flexibeler dan die van pneumatische onderdelen. “We zien een duidelijke trend in de richting van elektrische aandrijving, zeker ook in de autoindustrie,” legt Maik Decker uit.

Nieuwe producten van de Zimmer Group, zoals de nieuwe GEP2000 serie, bevestigen en versterken deze trend. De grijper voor kleine onderdelen kan, afhankelijk van de uitvoering, onderdelen tot vijf kilo zwaar oppakken en vasthouden, maar kan even makkelijk kwetsbare voorwerpen zoals reageerbuisjes hanteren. “Een van de voordelen van de elektrische aandrijving is ook de mogelijkheid om op elk moment de grijpkracht aan te passen aan verschillende voorwerpen,” zegt Volker Kimmig, teamleider software bij de Zimmer Group. “Met de juiste bediening kan de grijper zelfs tijdens een lopend proces tussen verschillende onderdelen schakelen.”

 

10 miljoen cycli zonder onderhoud

De beweging voor deze stappen is afkomstig van een borstelloze DC-servomotor van de BX4 serie van FAULHABER. Deze vierpolige aandrijving levert niet alleen een hoog koppel, maar onderscheidt zich ook door een laag trillings- en geluidsniveau, een compacte bouw en een lange levensduur. “Daarmee kunnen wij garanderen dat de grijper meer dan 10 miljoen cycli zal draaien zonder onderhoud,” zegt Volker Kimmig. “Dat kunnen we natuurlijk alleen met een motor van zeer hoge kwaliteit.” Zo’n motor moet ook een aantal aanvullende kenmerken hebben om te voldoen aan de eisen van continue werking in een typische pick-and-place-toepassing.
Als goed voorbeeld noemt de ontwikkelingsingenieur de productie van autosleutels: “Het gaat daarbij om grote aantallen en een hoge snelheid. De grijperrobots werken onder zeer hoge, permanente spanning met korte cyclustijden. De motor moet dus met zeer korte tussenpozen starten en weer stoppen. De acceleratie van de motor is allesbepalend, want in het geheel van het proces telt elke tiende van een seconde. Bovendien moet de motor de warmte die bij deze operaties ontstaat efficiënt kunnen afvoeren om oververhitting uit te sluiten.”

 

Bewezen samenwerking

De grijperdeskundigen van de Zimmer Group wisten niet alleen op basis van de specificaties dat de BX4 van FAULHABER aan deze eisen zou voldoen. Zij hadden eerder motoren van deze serie geïnstalleerd in hun GEH6000 grijperfamilie. In grote lijnen werkt deze zogenaamde long-stroke grijper hetzelfde als de grijper voor kleine onderdelen. De slag, oftewel de afstand tussen de open en gesloten stand van de grijperbekken, is aanzienlijk groter en kan tot 80 millimeter bedragen.
“Het apparaat kan dus in hetzelfde proces objecten van meerdere uiteenlopende maten oppakken,” legt Maik Decker uit. “De kleinere GEP2000 kan zijn werk daarentegen ook in zeer beperkte omstandigheden doen. Dat lukt natuurlijk alleen met een motor die zeer veel vermogen levert in zeer weinig ruimte.”

 

Mechanische borging

De grijperseries hebben één bijzonderheid gemeen met andere producten van Zimmer Group: De beweging wordt van de motor op de bekken overgebracht door een wormwielaandrijving met een steile spoed. Daardoor is deze zelfremmend en zal zelfs bij een stroomonderbreking de grijpkracht en de positie behouden blijven.
Zodra het is opgepakt, wordt een object veilig vastgehouden door deze mechanische zelfborgende functie. Hiervoor is geen extra voorziening (zoals een rem) nodig.
De aandrijfelektronica in de twee grijpertypen werkt enigszins verschillend. Bij de GEH6000 worden voor het positioneren van de bekken de encodersignalen van de aandrijving gebruikt; bij de GEP2000 wordt dit gedaan met een positioneersensor. Beide oplossingen bereiken een zeer hoge mate van herhaalbaarheid: het ingestelde pad van de bekken wordt tot op één vijfhonderdste nauwkeurig gereproduceerd.
“Bij veel toepassingen is de voorpositionering bij het laten zakken van de grijper naar het doelobject zeer belangrijk,” legt Volker Kimmig uit. “In beperkte ruimten mag de open stand vaak maar heel weinig groter zijn dan de gesloten stand. Bij het ‘manoeuvreren’ van een robotarm in een complexe omgeving moeten soms ook zeer nauwkeurige voorinstellingen worden gedaan. Wij doen dit met zeer nauwkeurige elektromechanica, waarbij de motor ook weer een cruciale rol speelt, en met een flexibele dataverbinding. Onze apparaten kunnen worden uitgerust met IO-Link en met digitale I/O. Dit maakt het gemakkelijk om ze praktisch overal in te zetten en weer te verwijderen.” FAULHABER

Automatisering vereist veel finesse

Automatisch werkende grijpers