Schwebende Mover verhogen doorvoer en besparen machine-oppervlakte in de cleanroom

De zeer flexibele montagemachine voor diagnoseapparatuur kan drie verschillende apparaat types, elk vervoerd door een XPlanar-mover, vullen met een selectie van 50 reagentia afhankelijk van de formulering en ze vervolgens inspecteren.

Automation NTH gebruikt een breed scala aan EtherCAT- en TwinSAFE-voeding- en afvoermodules op de montagemachine en de bandtoevoereinheid voor het afdichten van de diagnoseapparaten.

Een krachtige Beckhoff Industrieserver C6670 met Intel® Xeon®-technologie biedt voldoende rekenkracht voor de veeleisende besturing van het XPlanar transportsysteem en externe apparaten.

Bij Automation NTH in LaVergne, Tennessee (v.l.n.r.): Verkoopmanager Peter Sarvey en hoofdregeltechnisch ingenieur Joseph Cocchini (beide Automation NTH), verkoopingenieur Richard Smith (Beckhoff USA), de medevoorzitters Jeff Buck en Greg Young (Automation NTH), applicatie-ingenieur Adam Hoffman (Beckhoff USA) en hoofd strategische klantenservice Molly Blazek (Automation NTH) / Bij het hoofdkantoor van Automation NTH in LaVergne, Tennessee (van links naar rechts): Hoofd Verkoop Peter Sarvey en Sr. Control Engineer Joseph Cocchini (beide Automation NTH), Regionaal Verkoopingenieur Richard Smith (Beckhoff USA), Medevoorzitters Jeff Buck en Greg Young (Automation NTH), Applicatie-ingenieur Adam Hoffman (Beckhoff USA) en Directeur Strategische Accounts Molly Blazek (Automation NTH)

Een grafische XPlanar-configurator maakt het eenvoudiger voor ingenieurs om de lay-out van motormodules te maken, movers toe te voegen, routes en stations te definiëren en bewegingen te simuleren. / A graphical configurator for XPlanar simplifies how engineers create motor tile layouts, add movers, define paths and stations, and simulate motion.

De ruimtebehoefte van een montagemachine voor medische diagnostische apparaten konden de specialisten van Automation NTH met een factor 10 verminderen. Bovendien versnelde de doorvoer van 5 minuten naar slechts 5 seconden per apparaat. Het intelligente transportsysteem XPlanar van Beckhoff vormde de basis voor het innovatieve systeemconcept. Met zwevende movers mogelijk gemaakt door het systeem, is volledig vrije producttransport en handling met tot zes vrijheidsgraden mogelijk.

Opgericht in 1999 met hoofdkantoor in LaVergne, Tennessee, ontwikkelde Automation NTH zich van systeemintegrator tot aanbieder van gespecialiseerde oplossingen op het gebied van biowetenschappen. "Bij de meeste van onze klantgerichte automatiseringsprojecten, vooral bij de montage van medische apparaten, ligt de focus op de software," zegt Peter Sarvey, salesmanager bij Automation NTH. Daarom gebruikt de life-science-specialist graag nieuwe technologieën voor de automatisering van vaak zeer complexe en datarijke toepassingen.

Een recent voorbeeld is de innovatieve montagemachine voor diagnostische apparaten op basis van het flexibele transportsysteem XPlanar van Beckhoff. De zwevende en elektrisch passieve movers, aangedreven door elektrisch actieve motormodules, bieden zes vrijheidsgraden bij de bewegingsbesturing met hoge precisie en herhaalnauwkeurigheid. Volgens Automation NTH maakte dit een uitstekende traceerbaarheid mogelijk, een compacte werkruimte in dure cleanrooms en de hoogste productintegriteit bij het doseren van gevoelige reagentia.

"We hebben voor XPlanar gekozen omdat het systeem flexibel genoeg is om talrijke producten met een hoge variabiliteit te transporteren en alle toekomstige wijzigingen te kunnen verwerken," legt projectleider Rich Snodgrass van Automation NTH uit.

Van handmatige naar automatische montage

Om de eisen voor de automatisering van het tot dan toe handmatige montageproces te definiëren, kwamen in 2023 vertegenwoordigers van een startup samen met Molly Blazek, hoofd strategische klantenservice, en Peter Sarvey, salesmanager, van Automation NTH. Er werd gezocht naar een systeem voor automatische vulling van ongeveer 50 verschillende werkzame stoffen op verschillende vulpunten van drie verschillende apparaattypes.

"Het product naar de doseerkoppen brengen – met transportbanden, robots of andere handlingtechnologieën – zou enorme kosten en ruimte vereisen," zegt Peter Sarvey. "Het werd duidelijk dat het beter was om het product te verplaatsen en niet de doseerkoppen."

Bovendien moest de installatie in een cleanroom worden gebruikt, waar de werkruimte vanwege de vereiste temperatuur- en vochtigheidscontrole kostbaar is. Daarom moest het systeem zo compact mogelijk zijn en tegelijk ruimte bieden voor toekomstige wijzigingen. Traditionele ronde tafels en lineaire transportsystemen voldeden niet aan een van deze criteria, aldus Molly Blazek.

Joseph Cocchini, hoofd besturingsingenieur bij Automation NTH, begon met het evalueren van de opties. Na het testen van een concurrerend systeem besprak Joseph Cocchini de specificaties met Todd Thollot, Advanced Applications Group Manager bij Beckhoff USA. "Ik had een lijst met ambitieuze doelen. We moesten de XPlanar-movers dynamisch kunnen aansturen om het product met een veerbelaste haak op de movers te fixeren en los te laten, de movers te parkeren op de motorkachels voor het lossen, en te zorgen dat de hefhoogte, de inclinatie, de 360°-rotatie en andere functies voldeden aan de specificaties," zegt Joseph Cocchini.

"Todd had verschillende scenario's geprogrammeerd die aan de meeste eisen voldeden. Bovendien was de zweefhoogte met XPlanar beter dan bij het eerder geteste systeem, waardoor de movers sterker konden kantelen," voegt hij toe. "Over het algemeen was Todd's implementatie veel netter, omdat het Beckhoff-systeem toegang biedt tot elk bewegingsaspect van elke individuele mover, tot aan de ABC- en XYZ-coördinaten. Deze vrijwel onbeperkte configureerbaarheid is de reden waarom wij voor XPlanar hebben gekozen."

Flexibel door Flying Motion

In de voltooide montagemachine voeren de operators de diagnostische apparaten handmatig via een lade. Vervolgens plaatst een robot het product op een van de 18 XPlanar-movers, waar het met een op maat gemaakt gereedschap wordt gefixeerd. Daarna wordt het product bij een 360°-rotatie onder een visuele inspectie gebracht.

De movers transporteren de diagnostische apparaten langs verschillende doseerstations, die verdeeld zijn over het werkoppervlak gevormd door 18 XPlanar-tegels. De zwevende movers stoppen alleen bij de doseerstations die in het recept van het betreffende apparaat zijn gedefinieerd, en voeren halverwege een tweede visuele inspectie uit. Bij het vullen draait de XPlanar-mover het apparaat zodat het reagentia op de juiste plek volgens het recept wordt geplaatst.

Na de definitieve visuele inspectie wordt het apparaat gepositioneerd voor een bandrolvoeder, dat een zelfklevende kunststofdop met een herhaalnauwkeurigheid van +/-30 µm aanbrengt. Daarna levert de mover het product aan een operatorstation. Hij schuift de uitwerphaken in een groef, kantelt naar voren om het product vrij te geven, en parkeert bij uitgeschakeld stroom, dus zonder te zweven, op de onderliggende motorkachel. Een operator kan dan veilig door de lichtgordijn grijpen om het voltooide apparaat te verwijderen.

Prestaties in hardware en software

TwinCAT bood een doorlopende engineering- en runtime-platform voor de automatisering. Geïntegreerd in Microsoft Visual Studio maakt TwinCAT programmeren mogelijk in de talen die het beste passen bij de toepassing. Daarnaast vereenvoudigt de software met een grafische configurator voor XPlanar de planning van systeemlay-outs met de tegelvormige motormodules, het toevoegen van movers via drag-and-drop, het definiëren van routes en stations, en het simuleren van bewegingsprofielen.

Op hardwaregebied ondersteunt een Beckhoff C6670 industriële server de besturing van XPlanar en externe apparaten. De industriële pc met 40 kernen beschikt over grote verwerkingscapaciteiten, waarbij enkele kernen gereserveerd zijn voor toekomstige functies. Wat Joseph Cocchini verder onder de indruk heeft, is de ultra-compacte industriële pc C6017, die het vierassige rollensysteem aanstuurt.

"De C6017 heeft 8 GB DDR4-RAM, een 320-GB harde schijf, vier Ethernet- en vier USB-aansluitingen," legt Joseph Cocchini uit. "Hiermee bestuurt de kleine Windows 10-computer onze smartphone-grote HMI met aangepaste Solid JavaScript, een Python-webserver en een MongoDB-database voor OEE, recepten, configuraties en meer. Zoiets heb ik nog niet eerder gezien in mijn loopbaan."

De snelle real-time communicatie en exacte synchronisatie via EtherCAT vormen de basis voor de precieze besturing van de XPlanar-installatie. De communicatie met verschillende camera's, doseerkoppen en andere apparaten wordt mogelijk gemaakt door eenvoudig de juiste buskoppelaar toe te voegen. Veiligheidsrelevante gegevens worden via Safety over EtherCAT (FSoE) doorgestuurd naar de TwinSAFE-klemmen in het standaard I/O-segment, voor evaluatie met de benodigde veiligheidslogica. Hierdoor schakelt het systeem ook zonder vaste bedrading in de veilige toestand, bijvoorbeeld bij het activeren van een noodstop of lichtgordijn. Naast talrijke EtherCAT-klemmen voor standaardsignalen gebruikt Automation NTH ook I/O-modules van Beckhoff voor overbelastingsbeveiliging en andere functies.

Nieuw montageconcept voor medische apparaten

De voltooide montageautomaat voor diagnostische apparaten maakte de automatisering mogelijk van het inefficiënte productieproces van de eindgebruiker. In vergelijking met traditionele methoden minimaliseert de installatie het verbruik van kostbare cleanroomruimte met een factor 10. Bovendien verlaagt XPlanar volgens Automation NTH het energieverbruik in vergelijking met oplossingen van concurrenten, wat de warmtebelasting en koelingsbehoefte vermindert.

"De gebruikte reagentia zijn zeer gevoelig voor vocht, temperatuur en beweging, dus droeg de contactloze beweging van XPlanar en de door Beckhoff aangeboden koelingsoptie bij aan de compatibiliteit met het product van de klant," stelt Molly Blazek.