Präzision – 3 Stellen hinterm Komma

Moderne Mikroskope sind in der Forschung und im medizinischen Alltag unentbehrlich geworden. Um schnell und sicher die richtigen Stellen der Probe ansehen zu können, wurde schon immer der Objektträger unter dem Objektiv auf dem Kreuztisch bewegt. Eine Handverstellung ist dabei aber nicht mehr Stand der Technik. Heute übernehmen immer häufiger Kleinstantriebe diese Aufgabe. Doch auch hier gibt es Unterschiede. Um jegliches mechanisches Spiel auszuschließen und eine schnelle Bewegung bei höchster Präzision sicher­zustellen, setzt ein neues Konzept auf kleine Lineare DC-Servomotoren. Antriebslängen im Dezimeterbereich können so reproduzierbar mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern angefahren werden.

Je mehr man sich auf einen Punkt fokussiert, umso eingeschränkter ist das Sichtfeld. Dies gilt besonders bei der hohen Vergrößerungsleistung moderner Mikroskope. Um trotzdem eine Probe nicht nur punktuell, sondern auch flächig auswerten zu können, ist daher eine Bewegung der Probe unter dem Fokus erforderlich. Die Objective Imaging Ltd aus Cambridge entwickelte daher für die Erfordernisse moderner Mikroskopieverfahren ihren neuen Oasis Glide Scantisch. Die Antriebstechnologie für den beweglichen Tisch stammt aus dem Haus FAULHABER. Ein direkt angetriebener Linearmotor setzt dabei neue Maßstäbe in Sachen Dynamik und Präzision.

Blickfeld erweitern.

Der Oasis Glide-S1 arbeitet mit einem „Verstellfenster“ von 75 x 52 mm. Die neuen Linearantriebe bieten dafür in diesem Bereich bisher unerreichte Präzision, Schnelligkeit und absolute Laufruhe. Letzteres war ein wesentlicher Punkt für die Wahl dieses Antriebssystems. Mechanisches Spiel wie bei Spindelantrieben ist eliminiert. Der Scantisch bietet trotz der fortschrittlichen Technik die bewährten Standardeinrichtungen wie Schwalbenschwanzführung bzw. Schraubenbefestigung für die meis­ten Mikroskope. Eine neue manuelle Eingabeeinheit mit Farb-Touchscreen und 3-Achs Joystick erleichtert die Einstellung auf verschiedenen Positionen enorm. Gegenüber bisherigen Systemen baut der neue Scantisch bei besseren mechanischen Werten kleiner und leichter. Das mechanische Spiel durch den Antrieb ist fast auf Null reduziert, Gleiches gilt für das Laufgeräusch. Die hohe vertikale Stabilität und Vibrationsfreiheit kommt der besseren Auflösung bei hoher Schrittgeschwindigkeit zugute. Das ganze System ist absolut wartungsfrei ausgeführt und einfach nachzurüsten. Als Herz des verstellbaren Tisches arbeiten zwei Linearmotoren mit +/-30 bzw. +/- 80 mm Hub zusammen. Neben den deutlich besseren Werten bei der mechanischen Auflösung bietet diese Antriebslösung auch ein exzellentes Kosten-Nutzen-Verhältnis gegenüber konservativen Antriebslösungen in diesem Bereich.

Kompakte Lineartechnik.

Der Linearantrieb verbindet die schnelle und einfache Regelung eines elektrischen Systems mit dem einfachen Aufbau pneumatischer Zylinder. Statt wie bisher üblich als „Oberflächenläufer“ mit Schlitten und Führung ist der Kleinstantrieb in einer neuen, rotationssymmetrischen Ausführung des Läufers aufgebaut. Der rechteckige, leicht anflanschbare Stator erlaubt so eine fast universelle Passform und lässt sich gut am Scantisch integrieren. Auch für die Baugröße ist das vorteilhaft: Der Stator (Motor) misst nur 12,5 x 19,9 x 49,4 mm (B x H x L) inklusive Steckeranschluss. Der Läuferstab wird momentan in sechs Varianten angeboten mit jeweils 6,3 mm Durchmesser und wahlweise den Längen 82, 109, 127, 154, 172 und 190 mm. So sind Hublängen von +/- 10 bis zu 60 mm möglich, die Motoren können also für Anwendungsfälle von 20 bis 120 mm eingesetzt werden. Dabei wiegen die Antriebe nur zwischen 57 und 82 g. Aus Anwendersicht setzt sich der Antrieb lediglich aus drei Einzelteilen zusammen: Stator (Motor), Stecker mit Kabel und Läuferstab. Ein nichtmagnetisches Stahlgehäuse nimmt die selbsttragende Dreiphasenspule sowie die Hülsen-Lagerung des Läufers aus speziellem Gleitlagermaterial auf. Unter der oberen Abdeckung versteckt sich noch eine Platine mit einer gedruckten Schaltung für drei Hall-Sensoren zur Positionsbestimmung und der Steckeranschluss. Der Präzisions-Metallgleitstab ist mit superstarken Permanentmagneten bestückt.
Die mechanischen Kenndaten des linearen DC-Servomotors sind beachtlich: Dauerkraft des Läuferstabes beträgt 3,6 N, als Spitzen- bzw. Stoßkraft stehen sogar bis zu 10,7 N zur Verfügung. Je nach Belastungsfall beträgt die Beschleuni­gung für die 20 mm Variante 198 m/s² also 19-fache Erdbeschleunigung, und für die 120 mm Variante immer noch 82,9 m/s². Die robuste Gleitlagerung des Läuferstabes verkraftet problemlos Geschwindigkeiten bis 3,2 m/s. Der zulässige Betriebstemperaturbereich des Antriebs mit -20 bis +125 °C deckt alle gängigen Anwendungsbereiche ab. Trotz dieser Leistungswerte ist der Linearmotor feinfühlig über einen Motion Controller regelbar. Die Wiederholgenauigkeit (maximale Abweichung bei mehrfach gleicher Bewegung) liegt bei 40 µm. Die drei linearen Hall-Sensoren in Verbindung mit dem Motion Controller begrenzen den maximalen Positionierfehler, d.h. die Differenz zwischen vorgegebener und gemessener Position des Systems, auf 120 µm bei der 20 mm Variante bzw. bis 220 µm bei der 120 mm Ausführung. Da alle Werte rein elektrisch bestimmt sind, spielen mechanische Toleranzen, Verschleiß und thermische Ausdehnung der Komponenten keine Rolle.

Der neue Scantisch mit Linear-DC-Servomotor punktet durch Laufruhe und Dynamik.