试管需要放入离心机,部件需要安装到位,包装件需要置于输送带上:抓取物件并将它们放置到其它地方,是大多数加工过程的基本操作。现代化设备的“抓取和摆放”操作均由自动化夹具完成。它们不仅需要具备强大的功率和轻柔的操作力度,同时还必须保证高度的精确性与可靠性。越来越多的应用设备采用电气驱动,比如FAULHABER BX4电机。该型号电机得到Zimmer Group的广泛应用,比如用于实验室自动化设备的GEP2000系列新型夹具。

 


检测和疫苗已被证实为抵抗新冠病毒的有效方法。它们帮助我们在一定程度上结束了封锁隔离,重获正常生活。但在残酷的疫情之下,抗疫措施的局限性也显露无疑。从实验室核酸检测物资,到快速检测试剂盒,再到疫苗,随着病毒的指数级传播,抗疫物资的需求也随之猛增。有限的生产能力从未得到完全解决。对于很多人来说,等待检测试剂盒和疫苗的过程度日如年。


实验室自动化技术应对新冠病毒肺炎
实际上,制药业、医疗技术行业和医疗实验室都已做出了极快的反应。这集中体现在产量的扩大和检测能力的提高上。自动化是取得成功的主要因素。在实验室领域,全球性疫情为自动化进程提供了强有力的推进。自动化实验室设备和灵活通用的机器人可以大幅度减轻专业人员的工作量,同时提高检测能力和效率。


样本、吸管或试剂的自动抓取和处理都是需要不断重复的主要过程。为了实现此目的,就需要采用轻巧的小型工业夹具。夹具技术通常有两种,位于德国西南部的Zimmer Group产品经理Maik Decker为我们解释道:“到目前为止,大多数工业夹具都采用气动方式,也就是压缩空气。但该技术无法满足实验室、医疗以及制药和医疗技术行业的卫生标准。因此应用于这些领域的夹具需要采用电气驱动。”

 


电机确保夹具的灵活性
除了卫生以外,这类夹具还有另一个优势,那就是它们省除了压缩空气系统和管路。虽然在一些工业领域内压缩空气设备属于生产车间的标准设备,但是电源却无处不在。此外,安装夹具的设备采用电力驱动。电气连接要比额外安装压缩空气简便。除此之外,电气部件的控制比气动系统更加简单、灵活。“电气驱动是大势所在,汽车行业的发展就很明显的告诉我们。”Maik Decker解释道。


Zimmer Group的新产品,如GEP2000系列新型夹具正应运了该发展趋势。这种小型夹具有不同版本型号可供选择,既可以抓取重达五公斤的部件,也能安全的处理易碎的小件物体,如试管。“电气驱动的优势还体现在夹紧力的可调整性方面,”Zimmer Group软件开发团队主管Volker Kimmig解释道。“采用合适的控制器,夹具可以同时处理各种不同的部件。”

 


完成1000万次循环免维护
这些工作步骤所需的动力由一台FAULHABER BX4系列直流无刷伺服电机提供。除了高转矩以外,这种四磁极驱动装置还有振动小、噪音低、结构紧凑和使用寿命长的优势。“我们为该产品提供1000万次循环免维护的保证,”Volker Kimmig说道。“当然,这离不开高质量的电机。”这样的电机还必须具有其它特性,才能满足“抓取摆放”持续循环操作的高要求。


开发工程人员用汽车钥匙的生产为例:“数量大、产量高是关键。夹具机器人的运行速度快,工作周期短,强度大。因此电机的启动和停止周期非常短。在这个过程当中电机的加速度很关键,每节省十分之一秒都至关重要。此外,电机还需要具有良好的散热性,以避免高速运行导致过热。”


丰硕的合作成果

Zimmer Group的夹具专家们不仅仅是通过产品参数表,知道FAULHABER的BX4电机能够满足这些要求。他们之前就已经在GEH6000系列夹具中安装了该系列电机。从本质上看,这种所谓的大行程夹具与小型夹具的工作原理相同。它的行程,也就是夹具张开和关闭位置之间的距离要大得多,可以达到80毫米。


“这样夹具就能够在同一个加工过程中处理尺寸不同的物件,”Maik Decker解释道。“相比之下,体积小一些的GEP2000夹具能够在非常有限的空间内工作。当然这就离不开体积小,功率大的电机。”

 


机械自动锁

Zimmer Group不同夹具系列产品拥有一个共同之处:电机功率通过一个大螺距蜗杆传动装置传输到夹钳。即使碰上断电,夹紧力和对应的位置仍然得到保持。一旦被夹紧,机械自锁功能就能确保工件稳定安全,无需额外安装制动器。


电机驱动器在两个夹具型号上的工作原理稍有区别。在GEH6000夹具上,电机的编码器信号用于定位夹钳;而在GEP2000夹具上,该任务则通过一台定位传感器完成。两种方案都具有非常高的可重复性,夹钳运行轨迹的重复精确度高达五百分之一。


“在很多应用当中,夹具降至工件高度时的预定位非常重要,”Volker Kimmig解释道。“在空间有限的情况下,张开位置通常只比关闭位置大一点点。要在一个复杂的环境内控制机器人夹具,就有必要完成非常精确的预设置。除了非常精确的机电装置以外,在这里电机又起到了非常关键的作用,我们还应用灵活的数据连接方式。我们的夹具既可以装配IO-Link接口,也可以采用数字IO接口。这样可以最大程度减少夹具在运行过程中受到的阻碍。”