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Präzisionspositionierung Hexapoden – dynamisch in Position

Redakteur: M.A. Bernhard Richter

Hexapoden, das sind: Sechs Antriebe in sechs räumlichen Freiheitsgraden ohne Aufsummieren von Lasten und Führungsfehlern, keine störenden Kabel sowie hohe Genauigkeit und Wiederholbarkeit.

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Die Hexapoden mit Voice-Coil-Antrieben sollen eine extrem hohe Dynamik ermöglichen.
Die Hexapoden mit Voice-Coil-Antrieben sollen eine extrem hohe Dynamik ermöglichen.
(Bild: Physik Instrumente)

Mit dem in nahezu allen Branchen deutlichen Trend zur Miniaturisierung und immer höheren Produktqualitäten, wachsen auch die Anforderungen an die Präzision beim Bearbeiten und Positionieren. Dies eröffne immer neue Einsatzfelder für Hexapoden: Hochpräzise Sechs-Achsen-Positioniersysteme aus dem Hause PI für Mikro- und Nano- bis hin zu Sub-Nanogenauigkeiten werden in den unterschiedlichsten Ausführungen in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen eingesetzt. Die Anwendungsfelder reichen von Handlingsystemen bis zur Werkzeugkontrolle in Präzisionswerkzeugmaschinen und zu Test- und Prüfeinrichtungen, wo sie etwa Bewegungssimulationen durchführen. Die Stellwege liegen in der Regel zwischen wenigen und einigen hundert Millimetern, über die durchaus auch große Lasten bis 1000 kg auf den Mikrometer genau positioniert werden.

Je nach Applikationsanforderung stattet PI die Hexapoden mit hochpräzisen Antrieben in Form von exakt ansteuerbaren DC- bzw. Schrittmotoren mit Antriebsspindeln oder Linearantrieben wie Piezomotoren oder piezokeramischen Aktoren aus, und neuerdings auch mit elektromagnetischen Voice-Coil-Antrieben: Die von PI entwickelte Hexapod-Version H-860KMAG ist mit PI-Mag-Voice-Coil-Magnetantrieben ausgestattet.

Voice-Coil-Aktoren (VCA) nutzen die Tatsache, dass die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld proportional zur Magnetfeldstärke und zum Strom ist. Die elektrische Energie wird in mechanische Energie umgewandelt und erzeugt eine Kraft, die je nach Stromrichtung bidirektional wirken kann. Dies bietet vor allem hinsichtlich Verschleiß und Dynamik Vorteile gegenüber der klassischen Spindeltechnik. Da VCA weitgehend auf mechanische Komponenten verzichten, tritt weniger Reibung und Spiel auf, die Präzision nimmt zu. Das ermöglicht spielfreies Positionieren ohne mechanisches Rauschen im Antriebsstrang.

Der bewegte Teil des H-860KMAG, also vor allem Plattform und Beinstreben, wurde bewusst mit geringer träger Masse designt und aus Carbon gefertigt. Dies trägt ebenfalls dazu bei, schnelle und präzise Bewegungen sowie hohe Beschleunigungen realisieren zu können. An der Basis sind die Beine über Festkörpergelenke mit den vertikal angeordneten PI-Mag-Voice-Coil-Antrieben verbunden, durch deren Hübe die sechsachsige Bewegung ausgeführt wird. Das Grundgehäuse mit den magnetischen Antrieben ist mit passiven Kühlflächen ausgestattet, um die entstehende Wärme abzuführen. Hexapoden mit PI-Mag-Direktantrieben erzielen aktuell Geschwindigkeiten von mehreren hundert mm/s und Beschleunigungen bis 4 g. Die Systeme erlauben Betriebsfrequenzen über 100 Hz für kleine Hübe. Für zuverlässige Positionsregelung und wiederholbare Genauigkeit sorgt ein integrierter Linearencoder.

Einfache Systemanbindung

Zum System gehört ein leistungsstarker Digitalcontroller mit offener Softwarearchitektur und hexapodspezifischer Software. Er ermöglicht die Positionseingabe in kartesischen Koordinaten, Vektoransteuerung und einen per Software im Raum frei definierbaren, stabilen Pivotpunkt. Der Digitalcontroller unterstützt außerdem eine LabVIEW basierte Softwareumgebung. Programmbibliotheken und Beispielcodes erleichtern die Integration in textbasierte Programmiersprachen unter Microsoft Windows und Linux.

Das Sechs-Achsen-System bietet mit seinem parallelkinematischen Aufbau für sechs Freiheitsgrade ein präzises Abfahren vordefinierter Trajektorien, Sinuskurven und frei definierbarer Bahnen mit hoher Bahntreue. Die H-860KMAG wurden ursprünglich für Tests von Bildstabilisierungsalgorithmen in Kamerasystemen oder mobilen Endgeräten entwickelt, wobei die Standards der Camera & Imaging Products Association (CIPA) berücksichtigt werden. Sie sind zudem prädestiniert für Simulationen von Schwingungen, z. B. in der Medizin für das Simulieren von Augenbewegungen und die Blickerfassung bzw. Blickverfolgung sowie von menschlichen und künstlichen Bewegungen.

Wollen Sie mehr wissen zum Thema Hexapoden? Dann besuchen Sie unsere Special-Seiten:konstruktionspraxis.de/hexapoden

(br)

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