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Enabler der Konstruktion Hexapoden positionieren mit maximaler Freiheit

Viele Anwendungen der Automatisierung verlangen nach Positioniersystemen, die sehr präzise, schnell und zuverlässig arbeiten. Hexapoden können die Lösung sein.

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Der Hexapod H-811.I2 von Physik Instrumente (PI) positioniert Lasten bis 5 kg mit einer Geschwindigkeit bis 20 mm/s bei einer Auflösung von 5 nm.
Der Hexapod H-811.I2 von Physik Instrumente (PI) positioniert Lasten bis 5 kg mit einer Geschwindigkeit bis 20 mm/s bei einer Auflösung von 5 nm.
(Bild: Physik Instrumente (PI))

Ganz schön auf Achse: Immer mehr Positionier- und Bewegungsaufgaben in der industriellen Automatisierung, sei es in der Montage, in der Halbleiterfertigung, in der Lasermaterialbearbeitung, in Inspektionssystemen oder in der additiven Fertigung, verlangen nach mehrachsigen Positioniersystemen.

Die Anforderungen an diese Systeme sind hoch: Sie reichen von einer exakten Reproduzierbarkeit der Positionen, über Genauigkeiten bis in den Mikro- oder gar Nanometerbereich bis hin zu hoher Dynamik. Gleichzeitig sollten diese Systeme möglichst kompakt und robust sein, zuverlässig arbeiten und schließlich auch vernetzbar sein.

Hohe Anforderungen souverän meistern

Was wie der Wunsch eines Maschinenbauers nach der eierlegenden Wollmilchsau klingt, gehört für das Karlsruher Unternehmen Physik Instrumente (PI) zum Alltag: Mit ihren Hexapod-Robotern stellen die Baden-Württemberger, die in diesem Jahr ihr 50-jähriges Bestehen feiern, eine breite Palette mehrachsiger Systeme für Positionieraufgaben bereit, die diesen hohen Anforderungen mehr als gerecht werden.

Ergänzendes zum Thema
Enabler der Konstruktion: Hexapoden

Simulation, Leichtbau, smarte Komponenten – welche Entwicklungen werden sich durchsetzen? konstruktionspraxis hat mit den „Enablern der Konstruktion“ Unternehmen ausgezeichnet, deren Lösungen Konstruktion und Entwicklung nachhaltig verändern können.

Herausforderung: Anwendungen der industriellen Automatisierung erfordern immer häufiger mehrachsige Positioniersysteme. Gefordert werden exakte Reproduzierbarkeit der Positionen, Genauigkeiten mit sehr hohen Auflösungen und hohe Dynamik. Die Systeme sollen außerdem robust, zuverlässig und vernetzbar sein.

Lösung: Die Hexapoden von Physik Instrumente (PI) werden diesen hohen Anforderungen gerecht. Die mehrachsigen Positioniersysteme zeichnen sich unter anderem durch hohe Bahntreue, Wiederholgenauigkeit und Auflösung, eine für alle Bewegungsachsen hohe Dynamik, und einen kompakten Aufbau aus. Darüber hinaus bieten die Geräte Wiederholgenauigkeiten im Nanometerbereich.

Was bringt’s: Stellen Positionieraufgaben hohe Anforderungen etwa an Genauigkeit, Dynamik und Wiederholgenauigkeit, stehen dem Konstrukteur mit den Hexapoden von Physik Instrumente (PI) vielseitige Komplettlösungen zur Verfügung, mit denen auch komplexe Bewegungsprofile umgesetzt werden können.

Die wichtigsten Merkmale der Hexapoden von PI: Sie zeichnen sind unter anderem durch eine hohe Bahntreue, Wiederholgenauigkeit und Auflösung sowie eine für alle Bewegungsachsen hohe Dynamik und einen kompakten Aufbau aus. Zudem bieten sie die häufig geforderten Wiederholgenauigkeiten im Submikrometerbereich.

Positionieren in sechs Achsen im Raum

Was genau ist ein Hexapod? Dabei handelt es sich um ein System zum Bewegen und Positionieren, Justieren und Verschieben von Lasten in sechs Achsen im Raum, drei linearen und drei rotatorischen. Die Geräte sind parallelkinematisch aufgebaut, dabei wirken die sechs Antriebe gemeinsam auf eine einzige von ihnen bewegte Plattform.

Die Systeme von PI basieren auf piezoelektrischen oder elektromechanischen Antrieben und sind damit viel genauer als hydraulische Hexapoden, wie sie von Flug- oder Fahrsimulatoren bekannt sind. Da die Länge der einzelnen Antriebe veränderlich ist, kann die Plattform in allen sechs räumlichen Freiheitsgraden bewegt werden. Mit diesem Design der Hexapoden lässt sich eine hohe Gesamtsteifigkeit sicherstellen. Es erlaubt zudem eine große zentrale Apertur.

Parallelkinematische Hexapoden sind die reinsten Packesel: Je nach Ausführung bewegen und positionieren die flexiblen Sechsbeiner Werkzeuge, Werkstücke oder komplexe Bauteile mit Gewichten von 2 kg bis 2000 kg mit hoher Präzision – unabhängig von der jeweiligen Montageausrichtung.

Vielfältige Einsatzszenarien

Die Automobilindustrie kennt die Vorzüge dieser Parallelkinematik schon lange. Der Reifenhersteller Dunlop beispielsweise nutzte bereits im frühen 20. Jahrhundert die Hexapod-Technik, um Autoreifen zu testen. Seit diesen frühen Tagen hat sich vieles getan: Die Experten von Physik Instrumente (PI) entwickelten ihre Hexapoden kontinuierlich technologisch weiter und erweiterten die Produktpalette um zahlreiche Modelle.

Ein Hexapod von Physik Instrumente PI simuliert in einem Testaufbau im Labor die Bewegungen eines Fotografen bei der Aufnahme von Bildern.
Ein Hexapod von Physik Instrumente PI simuliert in einem Testaufbau im Labor die Bewegungen eines Fotografen bei der Aufnahme von Bildern.
(Bild: DXOMARK)

Heute werden die Systeme von Industrie und Forschung in zahlreichen unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt:

  • beim Prototypenbau, bei der hochpräzisen Bearbeitung komplexer Bauteile oder bei kontaktlosen Verfahren wie dem Laserschweißen
  • als flexible „Hand“ für klassische Industrieroboter, um Ungenauigkeiten des Roboterarms auszugleichen
  • zum exakten Ausrichten und Anbringen von Kameralinsen bei der Produktion von Smartphones
  • in Prüfeinrichtungen für Beschleunigungs- oder gyroskopische Sensoren, wie sie in Smartphones und Kameras eingesetzt sind, um Lageänderungen zu erfassen, z.B. die Zitterbewegungen des Fotografen
  • für das Handling von filigranen Lichtwellenleitern in einem automatischen Montage- und Justiersystem für den Fertigungsprozess in der Siliziumphotonik
  • in Interferometern zum Positionieren von Linsen und Kalibrierkugeln, um asphärische Formgenauigkeiten im Nanometerbereich zu messen.

Bauform stellt hohe Präzision sicher

Diese Anwendungsvielfalt deutet bereits auf die vielen Vorteile hin, die parallelkinematische Hexapoden so interessant machen für einen Einsatz in der industriellen Automatisierung. Sie bieten:

  • präzises Positionieren
  • einen kompakten Aufbau
  • eine sehr hohe Dynamik für alle Bewegungsachsen
  • eine hohe Bahntreue sowie Wiederholgenauigkeit
  • einfache Integration
  • Kommunikation via Standardprotokolle.

Bei seriell aufeinander gestapelten Systemen müssen die unteren Antriebe nicht nur die Masse der Nutzlast, sondern auch die Masse der nachfolgenden Antriebe bewegen.
Bei seriell aufeinander gestapelten Systemen müssen die unteren Antriebe nicht nur die Masse der Nutzlast, sondern auch die Masse der nachfolgenden Antriebe bewegen.
(Bild: Physik Instrumente)

Dabei sticht ein Faktor deutlich hervor: Die sechsbeinigen Geräte positionieren häufig präziser als serielle, also gestapelte Systeme der klassischen Robotik. Seriell-kinematische Systeme bestehen aus einzelnen Achsen bzw. Aktoren, die mechanisch hintereinandergeschaltet werden. Dieser Aufbau führt dazu, dass sich Führungsfehler aus den Einzelantrieben addieren können, was die Genauigkeit und Wiederholbarkeit beeinträchtigt. Dieses Problem spielt bei Hexapoden bauartbedingt keine Rolle, da bei ihnen alle sechs Aktoren unmittelbar auf die Plattform wirken.

Ganz auf Bewegung eingestellt

Gleichzeitig ermöglicht diese Konstruktion einen deutlich kompakteren Aufbau. Dieses Merkmal vereinfacht zum Beispiel das Einrichten von Sicherheitsschaltungen, da sich der Hexapod ausschließlich innerhalb eines vergleichsweise überschaubaren Arbeitsraums bewegt. Als Arbeitsraum wird die Gesamtheit aller Kombinationen von Translationen und Rotationen bezeichnet, die ein Hexapod-Roboter von der jeweils aktuellen Position aus anfahren kann.

Bei einem doppelseitigen Faserjustagesystem richten zwei Hexapoden mit höchster Präzision Glasfasern an einem Photonic-Chip aus.
Bei einem doppelseitigen Faserjustagesystem richten zwei Hexapoden mit höchster Präzision Glasfasern an einem Photonic-Chip aus.
(Bild: Physik Instrumente (PI))

Zu der erheblich präziseren Bewegung kommen im Vergleich mit gestapelten Systemen weitere Vorteile wie die geringere bewegte Masse, da die Antriebe lediglich die Plattform samt Nutzlast bewegen, jedoch nicht die Masse nachfolgender Antriebe samt Kabel. Daraus resultieren eine höhere Dynamik, eine deutlich bessere Bahntreue sowie Wiederholgenauigkeit für alle Bewegungsachsen. Weil es keine geschleppten Kabel gibt, haben dadurch verursachte Reibung oder Momente keinen Einfluss auf die Präzision. Die parallele Struktur erhöht zudem die Steifigkeit und damit auch die Eigenfrequenzen des Gesamtsystems.

Integration leicht gemacht

Und wie sieht es mit der Integrationsfähigkeit der Hexapoden aus? Durch die direkte Anbindung an die Steuerung über Feldbusschnittstellen lassen sich die Positioniersysteme in praktisch jeden Automatisierungsverbund mit geringem Aufwand integrieren. Die Taktsynchronisierung mit anderen Komponenten bereitet ebenfalls kein Kopfzerbrechen, denn ein digitaler Controller übernimmt die Berechnungen und steuert die einzelnen Motoren in Echtzeit an. Verschiebungen und Drehungen der Plattform werden in kartesischen Koordinaten kommandiert.

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Physik Instrumente – Spezialist für hochpräzise Positioniertechnik sowie Piezo-Anwendungen

Physik Instrumente (PI) mit Stammsitz in Karlsruhe ist führend bei hochpräziser Positioniertechnik sowie Piezo-Anwendungen für Halbleiterindustrie, Life Sciences, Photonik und Industrieautomatisierung. In Zusammenarbeit mit Kunden weltweit setzen die rund 1300 Spezialisten von PI seit 50 Jahren technische Maßstäbe und erarbeiten maßgeschneiderte Lösungen. Mehr als 350 erteilte und angemeldete Patente belegen den Führungsanspruch des Unternehmens mit sechs Fertigungsstandorten sowie 15 Vertriebs- und Serviceniederlassungen in Europa, Nordamerika und Asien. Kerntechnologien von PI sind:

  • Piezokeramische Flächenwandler und Aktoren
  • Elektromagnetische Antriebe
  • Nanometrische Sensoren
  • Motion Control-Systeme für höchste Präzision und Dynamik

Eine wesentliche Eigenschaft der Hexapoden stellt die Möglichkeit dar, sowohl Lage und Ausrichtung des Bezugskoordinatensystems als auch den Pivotpunkt (Drehpunkt) komfortabel per Software auf die jeweilige Applikation einzustellen. Um die Trajektorie einer Anwendung anzupassen, können verschiedene Koordinatensysteme definiert werden, etwa Work- und Toolkoordinatensysteme, die sich auf die Lage eines Werkstücks oder Werkzeugs beziehen.

Kommunikation via Standardprotokoll

Die Steuerung kommuniziert mit dem Hexapoden über ein Standardprotokoll. Hierzu stehen neben RS232 und TCP/IP auch etablierte Feldbus-Protokolle wie Ethercat und Profinet zur Verfügung. Das Hexapodsystem verhält sich dann am Bus wie ein intelligenter Multi-Achs-Antrieb.

PI liefert die digitalen Motion Controller mit einem umfangreichen Softwarepaket, das alle Aspekte einer Anwendung abdeckt, angefangen bei der einfach durchführbaren Inbetriebnahme, die komfortable Ansteuerung der Systeme über grafische Oberflächen bis zur schnellen und übersichtlichen Einbindung in externe Programme.

Anwendungen virtuell entwickeln

Mithilfe eines virtuellen Controllers können Nutzer komplexe Anwendungsprogramme entwickeln, ohne dass dazu alle Komponenten bereits vor Ort vorhanden sind. Unter Einsatz von Simulationswerkzeugen lässt sich beispielsweise der Arbeitsraum berechnen oder es können Objekte eingebunden werden, um Kollisionen zu vermeiden. Entwicklungs-Bibliotheken und Beispielanwendungen erleichtern dem Anwender die Umsetzung.

Der Miniatur-Hexapod H-811.I2 von Physik Instrumente (PI) trägt den steigenden Anwenderwünschen nach hohen Durchsatzraten und Robustheit bei möglichst großer Positioniergenauigkeit Rechnung.
Der Miniatur-Hexapod H-811.I2 von Physik Instrumente (PI) trägt den steigenden Anwenderwünschen nach hohen Durchsatzraten und Robustheit bei möglichst großer Positioniergenauigkeit Rechnung.
(Bild: Physik Instrumente (PI))

Soweit die Theorie. Wie schlägt sich diese in harten Fakten nieder? Ein Beispiel ist der filigrane Hexapod H-811.I2 aus dem Produktportfolio von Physik Instrumente (PI). Der typische Vertreter seiner Gattung arbeitet mit einer Geschwindigkeit bis 20 mm/s. Seine Beine bewegen sich jeweils mit einer Auflösung von 5 nm, wodurch eine hohe Wiederholgenauigkeit von ±0,15 (X- und Y-Achse) sowie ±0,06 µm (in Z-Achse) erreicht wird. Die kleinste Schrittweite liegt bei 0,2 µm (X- und Y-Achse) und 0,08 µm (in Z-Achse).

Lasten bis 5 Kilogramm

Der Hexapod deckt Stellwege bis ±17 mm in X- und ±16 mm in Y-Achse sowie ±6,5 mm in Z-Achse ab. Der H-811.I2 kann Lasten bis 5 kg hochpräzise, schnell und über lange Betriebszeiten positionieren. Das System ist auch in vakuumkompatiblen Versionen erhältlich.

Treibende Kraft des Miniatur-Hexapoden sind bürstenlose DC-Motoren. Sie eignen sich besonders gut für hohe Drehzahlen, lassen sich sehr genau regeln und ermöglichen so die hohe Präzision. Die Ansteuerung des Positioniersystems und die Kommandierung der Bewegungsprofile übernehmen auch in diesem Fall PI-Controller. Mit einer eventuell vorhandenen übergeordneten Steuerung kommunizieren die Controller zusätzlich über das Standardprotokoll Ethercat.

Typische Einsatzgebiete des kleinen Kraftpakets sind Industrie und Forschung in den Anwendungsbereichen:

  • Mikrofertigung,
  • Medizintechnik oder
  • Werkzeugkontrolle.

Dabei kann es auch in Vakuumumgebungen arbeiten.

Genau und schnell

Hexapoden von Physik Instrumente (PI) sind die ideale Lösung für Anwendungen der industriellen Automation mit besonderen Anforderungen an Positionieraufgaben, bei denen Objekte dynamisch und höchst präzise in mehreren Achsen bewegt werden müssen. Dabei kann die Nutzlast wenige Milligramm oder bis zu einigen Tonnen betragen, je nach Ausführung. Zusätzliche Flexibilität gewinnt der Nutzer aus dem frei wählbaren Pivotpunkt.

Standardisierte Feldbusschnittstellen wie Ethercat ermöglichen die Anbindung an übergeordnete SPS oder CNC-Steuerungen, was die Integration der Hexapoden vereinfacht und das taktsynchrone Arbeiten mit anderen Automatisierungskomponenten im Verbund erlaubt. (jv)

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Über den Autor

 Jan Vollmuth

Jan Vollmuth

Redakteur, konstruktionspraxis – Alles, was der Konstrukteur braucht