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Vielseitige Sechsfüßler

Genaues Positionieren mit Hexapoden
Vielseitige Sechsfüßler

Hexapod-Systeme basieren auf sechs Aktoren, die unmittelbar auf eine gemeinsame Plattform wirken. Auf diese Weise lässt sich in sechs Freiheitsgraden wesentlich genauer positionieren, als wenn jeder Aktor auf eine eigene Stellplattform wirkt, also eindeutig einer Achse zugeordnet ist.

 

Die Autoren: Dr. Wolfgang Meienburg ist Director Sales & Application bei der PI Micos GmbH, Eschbach, Steffen Arnold ist Leiter Markt und Produkte bei der Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Karlsruhe

Die Firma Physik Instrumente (PI) bietet sechsachsige parallelkinematische Systeme in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausführungen an, sodass sich zahlreiche Anwendungen damit abdecken lassen, angefangen von Handlingsystemen in der Elektronikfertigung und der Werkzeugkontrolle in Präzisionswerkzeugmaschinen über die Medizintechnik bis hin zu optischen Systemen, zum Beispiel bei Weltraumteleskopen und Satellitenempfangsanlagen. Dabei können die kräftigen „Sechsfüßler“ je nach Ausführung ohne weiteres Lasten von bis zu 50, 200 oder sogar 1000 kg auf wenige Mikrometer genau positionieren.
Seit Micos als Tochterunternehmen zu PI gehört, hat sich zudem das Spektrum realisierbarer Applikationen noch einmal deutlich erweitert. So lässt sich für Bewegungen mit sechs Freiheitsgraden entweder die Beinlänge der Hexapoden verändern oder bei den „Spacefabs“ bei konstanter Beinlänge der Winkel variieren. So kann man bei verschiedenen Anwendungsanforderungen die Vorteile des in beiden Fällen parallelkinematischen Antriebssystems nutzen. Hexapoden mit variabler Beinlänge eignen sich beispielsweise für hochpräzise Positionierungen bei größerem Hub in Richtung der z-Achse, während das Spacefab-Prinzip seine Vorteile ausspielt, wenn gleichzeitig in Richtung der x- und y-Achse größere Wege zurückzulegen sind.
Variable Beinlänge
Die Hexapod-Systeme arbeiten im Prinzip genauso wie ein Flugsimulator, nur wesentlich genauer: Statt von Hydraulikantrieben werden die Hexapoden von hochgenauen Antriebsspindeln und präzise ansteuerbaren Elektromotoren oder direkt von Linearmotoren angetrieben. Je nach Anwendung sind dabei verschiedene Antriebstechnologien nutzbar. So stehen mit Hexapoden, die auf piezoelektrischen Antriebselementen basieren, Positioniersysteme zur Verfügung, die sich sowohl für Vakuumanwendungen eignen als auch völlig unmagnetisch sind, sich also auch in starken Magnetfeldern bewegen können.
Positioniert wird bei diesem „Nexline“-Hexapoden mit bis zu sechs Freiheitsgraden: drei linearen und drei rotatorischen Bewegungen. Dabei sind abhängig von der Geometrie Bewegungen von einigen Grad bis zu 60° und bei der Linearbewegung von einigen Millimetern bis zu mehreren Zentimetern möglich. Die Reproduzierbarkeit erreicht ebenso wie die kleinste Schrittweite Werte bis unter einem Mikrometer. Durch die geringe Masse der bewegten Plattform sind bei den Hexapoden die Positionierzeiten beim Positionieren deutlich kürzer als bei konventionellen gestapelten Mehrachssystemen.
Für den Anwender einfach ist die Kommandierung des Hexapod-Systems. Der Hexapod-Controller ermöglicht per Softwarebefehl die Festlegung eines beliebigen Punktes im Raum als Rotationszentrum. Dieser frei definierbare Drehpunkt bleibt unabhängig von der Bewegung erhalten, eine Eigenschaft, die in vielen Anwendungen zum Tragen kommt, beispielsweise bei der optischen Justage. Der Benutzer gibt die Bewegung in kartesischen Koordinaten ein und der Controller auf PC-Basis setzt diese mit den entsprechenden Algorithmen in vektorisierte Bewegungskommandos für die einzelnen Antriebe um.
Änderung des Winkels
Das beim Hexapoden verwendete parallelkinematische Prinzip lässt sich jedoch auch anderweitig nutzen: Das Spacefab-Prinzip basiert auf drei Kreuztischen, die über drei Beine mit konstanter Länge und eine geeignete Gelenkkonfiguration gemeinsam eine Plattform positionieren. Auf diese Weise lassen sich ebenfalls schnelle und hochpräzise Verfahrwege realisieren.
Welches System zum Einsatz kommt, wird auch hier von jeweiligen Applikationsanforderungen wie Bauraum und Stellweg der einzelnen Achsen bestimmt, ist also vom geforderten Hub, der gewünschten Genauigkeit und natürlich der Last abhängig. Daraus ergibt sich dann auch die jeweilige Motorisierung. Dabei kommen vom Schrittmotor bis zum dreiphasigen Servomotor oder Piezo-Linearantrieb unterschiedliche Prinzipien zum Einsatz. Die Kreuztische lassen sich im geschlossenen Regelkreis mit rotativen Encodern oder hochpräzisen Glasmessstäben ausrüsten.
Typische Anwendungen dieser parallelkinematischen Systeme gibt es viele. Die Spacefab SF-3000 PS beispielsweise wurde für Anwendungen in Vakuumumgebungen entwickelt, bei denen Proben in allen sechs Freiheitsgraden ausgerichtet werden müssen. Sie baut sehr kompakt, Piezo-Linearantriebe und eine Closed-Loop-Regelung garantieren hohe Auflösung.
Vakuum-Fließbandproduktion
Eine besondere Herausforderung für die Eschbacher Ingenieure war eine Fließbandproduktion unter Vakuum mit 10-6 mbar. Es galt eine vollautomatisierte Sandwichbestückung eines Trägers mit einer Präzisionsfolie und eines rückseitigen Gegenhalters in den Produktionsdurchlauf zu integrieren. Dabei muss die 1 m2 große Folie mit einer Genauigkeit von ±20 µm zum Träger positioniert werden. Da die Position des Trägers variiert, kam für die Bestückung, die nicht länger als 10 s dauern durfte, nur ein Positioniersystem mit sechs Freiheitsgraden infrage. Für die gewünschten Verfahrwege von 50 mm in Bestückungsrichtung und 20 mm quer dazu empfahl sich aufgrund ihrer geringen Bauhöhe eine Spacefab.
Das für diesen Anwendungsfall entwickelte System kann ohne Weiteres Lasten von 100 kg schwingungsarm, schnell und präzise bewegen. Den Schlüssel dazu liefert eine ausgeklügelte Kombination aus Mechanik, Spindelsteigung und hoher Encoderauflösung. Für die notwendige Dynamik sorgen ebenfalls speziell für diese Anwendung entwickelte dreiphasige Servomotoren. Auch eine vakuumtaugliche Haltebremse wurde konstruiert, da die am Markt verfügbaren Lösungen im Hinblick auf Materialeigenschaften und Verlustleistungen den Anforderungen dieser Anwendung nicht genügten. Für die Software zur Steuerung der Sandwichbestückung sowie die Integration der Messwerte von Sensorik und Kameras übernahm PI Micos ebenso die Verantwortung wie für die Überwachung der Greifermagnete.
Weitere Anwendungsbeispiele
Ein weiteres typisches Einsatzbeispiel sind interferometrische Messverfahren, mit denen sich bei der Fertigung von Kunststoff- oder Glaslinsen die Oberflächenqualität der Formeinsätze heute direkt in der Fertigungslinie prüfen lässt. Dazu muss das Interferometer äußerst präzise zur optischen Oberfläche positioniert sein, eine Aufgabe, für die sich der Karlsruher Hexapod der Serie M-840 als besonders geeignet erwies. Er bietet die Möglichkeit, die Plattform in z-Richtung um ±25 mm und in x- und y-Richtung jeweils um ±50 mm zu bewegen. Dieser Arbeitsraum reicht aus, um sphärische Oberflächen mit einem Radius von 100 mm zu vermessen. Auch beim Blick in den Weltraum sind Hexapoden mit von der Partie, zum Beispiel beim „Alma“-Projekt, das im Oktober 2011 in der chilenischen Atacama-Wüste seinen wissenschaftlichen Dienst aufgenommen hat. Wenn in der vollen Ausbaustufe die 66 Radioteleskope in zwei Jahren zusammengeschaltet auf Empfang gehen, steht den Forschern mit Auflösungen im Millimeter- und Submillimeterbereich das wohl beste Radioteleskop aller Zeiten zur Verfügung. Hexapod-Systeme von PI positionieren hier die Sekundärreflektoren der einzelnen Teleskope.
Halle 17, Stand B56
Physik Instrumente (PI); Telefon: 0721 4846-0; E-Mail: info@pi.ws; PI Micos, Telefon: 07634 5057-230; E-Mail: request@pimicos.com
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