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2/9/2016 | Kontrollierter Rücklauf in Mammografie-Systemen

Express-Lieferprogramm rettet Konstrukteur eines Mammografie-Systems den Tag

Von John Pieri
Sr. Product Line Manager
Thomson Deltran Kupplungen und Bremsen

Medizinische Bildgebungsgeräte, Wasser-Aufbereitungssysteme, Aufzüge, Robotersysteme sowie Dreh- und Linearaktuatoren: nur einige von vielen Geräten, die mit elektrischen Reibungsbremsen ausgestattet werden können, um die Last bei Ausschalten oder Ausfall der Stromversorgung in ihrer Position zu halten.

Da die Einbindung einer Bremse erhebliche Auswirkungen auf die gesamte Konstruktion hat – insbesondere bei der Festlegung der Größe und der Auswahl der Stromversorgung – sollte sie von Anfang an mit eingeplant werden. Der Entwickler eines Mammografie-Systems musste dafür beinahe Lehrgeld zahlen, als er die Notwendigkeit eines Bremssystems erst bei den Tests des Prototypen erkannte. Glücklicherweise konnte er mithilfe der Planungsunterstützung und des Express-Lieferprogramms vom Deltran-Bremsenhersteller Thomson Industries, Inc. seine Konstruktion retten und den Zeitplan für das Original-Design sowie den Prototypen einhalten.

Wozu Mammografie-Systeme Bremsen benötigen

Geräte für die Mammografie verwenden in der Regel eine bogenförmige Vorrichtung von deren oberem Ende aus eine nach unten gerichtete Röntgenröhre den Körper abtastet. Auf diese Weise entsteht ein präzises, konturscharfes Bild, das mögliche Anzeichen von Brustkrebs sichtbar macht. Ein an die Röhrenbaugruppe montierter Kugelgewindetrieb führt eine langsame Drehung aus – üblicherweise nur einige hundert Umdrehungen pro Minute – um das Abtastgerät gleichmäßig über den zu untersuchenden Bereich zu bewegen. Da die Trägereinheit während einer Sitzung häufig die Richtung wechseln muss, beeinträchtigt jegliches Spiel infolge von Spalttoleranzen zwischen den Komponenten die Positionsgenauigkeit und damit die Bildqualität. Dieser Bewegungsverlust, allgemein als Schlupf oder Rücklauf bezeichnet, stellt ebenfalls ein Problem dar, wenn sich das System im Ruhezustand befindet, wenn es Geräusche, Vibrationen und Verschleiß bewirken kann.

Elektrische Bremsen sind geeignet, diesen Rücklauf bei stillstehendem System zu kontrollieren. Sie sorgen zudem für ein sanftes Anhalten der Bewegung, wenn es aufgrund einer Motorstörung, eines Stromausfalls oder sonstiger Probleme zu einem plötzlichen Antriebsverlust kommt. Eine Unterbrechung der Stromzufuhr entriegelt die per Federkraft betätigten Bremsbeläge, sodass sie eine rotierende Scheibe festhalten (Abbildung 1), die sich dann nicht weiterdrehen kann bzw. im Stillstand in ihrer momentanen Stellung  bleibt. Bei Wiedereinschalten des Stroms wird die Bremse gelöst, sodass die Welle wieder frei rotieren kann. Der oben erwähnte Konstrukteur hatte jedoch die Notwendigkeit einer solchen Bremsvorrichtung nicht bedacht, bis es beinahe zu spät war.

Enge Vorgaben

Ohne die Notwendigkeit einer Bremsvorrichtung zu beachten, sah das ursprüngliche Design der Antriebssteuerung folgende Spezifikationen vor:

  • Rücklauf weniger als 0,5°
  • 2 Nm Haltedrehmoment
  • 2 Zoll (5,08 cm) maximaler Durchmesser
  • Spannungsbereich: 16 bis 32 V Gleichstrom
  • Belastbarkeit für 500 Not-Abschaltungen
  • In strahlenbelasteter Umgebung einsetzbar

Als dem Konstrukteur die Notwendigkeit einer Bremse bewusst wurde, erkannte er ebenso, dass diese Vorgaben die Auswahl der Bremse einschränken würden. Damit nicht genug, musste er schnell handeln, um die ursprünglichen Produktionszeitpläne einzuhalten. Damit wurde die Situation noch dringlicher.

Einhaltung der Vorgaben

Eine Internet-Recherche führte ihn zu Thomson, dessen Deltran-Bremsenbaureihe sämtliche seiner technischen Spezifikationen erfüllte. Darüber hinaus versprach ein einzigartiges Servobremsen-Expressprogramm die Lieferung einer speziell angepassten Bremse zur Prototyperstellung innerhalb von zwei Tagen.

Thomson lieferte eine federbetätigte Reibungsbremse der Baureihe Deltran SB19, mit der sämtliche Anforderungen  der folgenden Bereiche eingehalten wurden:

  • Geringer Rücklauf Durch die Präzisionsbearbeitung konnten die Vorgaben hier eingehalten werden. Dank der engen Fertigungstoleranzen der Keilwelle ist ein Spiel bei stillstehendem System praktisch nicht wahrnehmbar.
  • Drehmomentdichte:  In den meisten Fällen hätte der verfügbare Einbauplatz von gerade einmal 2 x 1,2 Zoll (5,08 x 3,05 cm) das Drehmoment auf ca. 1 Nm begrenzt. Die Deltran-Bremse liefert jedoch auf demselben Raum ca. 2 Nm. Diese erhöhte Drehmomentdichte ist das Ergebnis einer besonders leistungsstarken Magnetspule, die eine höhere Federkraft überwinden kann. Außerdem wird ein speziell entwickelter Bremsbelags verwendet, der einen extrem hohen Reibungskoeffizienten aufweist.
  • Stromversorgung: Die 24 V Gleichstrom passten ideal in den verfügbaren Bereich von 16 bis 32 Volt.
  • Notabschaltungen: Der vom Unternehmen speziell entwickelte Bremsbelag verträgt ohne Probleme mehr als 500 Notabschaltungen.
  • Strahlungsverträglichkeit: Diese Anforderung wurde durch die fachlich kompetente Anpassung der Zuleitungen umgesetzt.

Letztlich erfolgte eine endgültige Abstimmung der Anforderungen mit dem Thomson-Kundendienst und den Produktspezialisten – einschließlich eines Systemdatenaustauschs zwischen Kunde und Lieferant, um sicherzustellen, dass die Bremse uneingeschränkt in der Lage war, 500 Notabschaltungen abzudecken. Thomson lieferte innerhalb von 24 Stunden ein System für die Prototyperstellung.

Das Prototypsystem umfasste sämtliche notwendigen Anpassungen, abgesehen von den gegen die Strahlung abgeschirmten Zuleitungen. Dieser Punkt behinderte jedoch nicht die ersten Prototypen und wurde bereits in der folgenden Woche nachgeliefert. Innerhalb von sechs Wochen lieferte Thomson 20 Endsysteme, die in der Produktion der ersten 20 Mammografie-Systeme zum Einsatz kamen. Mittlerweile läuft die Massenfertigung und der Hersteller liefert rund 300 Systeme pro Monat. Darüber hinaus gibt es Pläne einer modifizierten Bremsenkonstruktion, die auch den elektrischen Anforderungen nach EU-Norm entspricht.

Damit ist dieser Geschichte ein Happy End vergönnt. Hätten der Entwickler und sein Einkaufsteam nicht gemeinsam mit den Applikationsingenieuren von Thomson an einer Deltran-Bremsenlösung gearbeitet, wäre das Resultat möglicherweise ein ganz anderes gewesen: Der Entwickler hätte vermutlich umfangreichere Änderungen an seiner Konstruktion vornehmen müssen, die eine verzögerte Markteinführung und zusätzliche Kosten bedeutet hätten. Außerdem wären gegebenenfalls zusätzliche Investitionen notwendig gewesen, um die ursprüngliche Konstruktion anzupassen. Sämtliche dieser Aspekte hätten in jedem Fall einen herben Rückschlag für das Projekt bedeutet.

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