Hexapod-Systeme

Industrielle Sechsfüßler

In vielen Bereichen der Automatisierungstechnik steigen die Anforderungen an die Präzision. Werden mehrachsige Systeme gebraucht, lohnt es sich, mit Parallelkinematik zu befassen – etwa mit Hexapoden.

Hexapoden sind leistungsfähige, hochpräzise Positioniersysteme, zum Beispiel für den Einsatz in Weltraumteleskopen.

Die Stellwege dieser „Sechsfüßler“ reichen üblicherweise von wenigen bis zu einigen hundert Millimetern. Selbst große Lasten lassen sich mit Hexapoden auf den Mikrometer genau positionieren. Da sie mittlerweile über Feldbus-Interfaces direkt mit SPS oder CNC-Steuerungen kommunizieren, erschließen sie dem Maschinenbau interessante Möglichkeiten.

Für die Konstruktion mehrachsiger Positioniersysteme gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten: serielle oder parallele Kinematik. Serielle Kinematik ist einfacher im Aufbau, und die Ansteuerung der Einzelachsen ist wenig komplex. Sie hat jedoch Nachteile gegenüber den leistungsfähigeren und eleganteren Parallelkinematik-Systemen. Denn in einem Seriell-Kinematik-Mehrachsensystem ist jeder Aktor genau einem Bewegungsfreiheitsgrad zugeordnet. Werden Positionssensoren integriert, sind diese ebenfalls jeweils einem Antrieb zugeordnet und messen nur die Bewegung in dem Freiheitsgrad der entsprechenden Stellachse. Alle unerwünschten Bewegungen in den anderen fünf Freiheitsgraden können nicht erkannt und ausgeregelt werden, weshalb es zur Akkumulation von Führungsfehlern kommt.

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In einem Parallelkinematik-Mehrachsensystem dagegen wirken alle Aktoren unmittelbar auf die zentrale bewegte Plattform. Nur dadurch lassen sich gleiche Resonanzfrequenzen und identisches dynamisches Verhalten für die Achsen erzielen. Die bekannteste Anwendung von sechsachsigen parallelkinematischen Systemen sind wahrscheinlich Flugsimulatoren; hier wirken sechs Aktoren auf eine gemeinsame Plattform, die sich in alle Richtungen bewegen und um diese verkippen kann. Industrielle Hexapoden, die sich für den Maschinenbau eignen, sind allerdings wesentlich genauer. Statt von Hydraulikantrieben werden sie je nach Anwendungsanforderungen von hochpräzisen Antriebsspindeln und exakt ansteuerbaren DC-Motoren oder direkt von Linearmotoren angetrieben – etwa auf Basis von piezokeramischen Aktoren.

Unabhängig vom Antriebsprinzip ermöglichen parallelkinematische Systeme die einfache Integration von Parallelmetrologie. Dadurch lassen sich alle geregelten Freiheitsgrade gleichzeitig überwachen und Führungsfehler in Echtzeit kompensieren (Active Trajectory Control). Die Vorteile sind deutlich bessere Bahntreue, Wiederholgenauigkeit und Ablaufebenheit, geringere bewegte Masse und damit eine höhere und für alle Bewegungsachsen gleiche Dynamik, kein Kabelmanagement, da die Kabel nicht bewegt werden, sowie ein kompakterer Aufbau. Letzteres vereinfacht im Maschinenbau zum Beispiel die Sicherheitsschaltungen, da sich der Hexapod nur innerhalb des vergleichsweise überschaubaren Arbeitsraums bewegt. Gleichzeitig bieten Hexapoden dank ihrer Anpassungsfähigkeit gute Integrationsmöglichkeiten in unterschiedliche Applikationen.

Positionieren mit bis zu sechs Freiheitsgraden

Im Bereich leistungsfähiger hochpräziser Positioniersysteme mit bis zu sechs Bewegungsachsen hat sich die Karlsruher Physik Instrumente (PI) seit mehr als vier Jahrzehnten einen Namen gemacht. Im Produktprogramm finden sich auch leistungsfähige sechsachsige parallelkinematische Systeme in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausführungen, die sich für unterschiedliche Lasten eignen, mit verschiedenen Antriebsarten angeboten werden und für verschiedenste Umgebungsbedingungen ausgelegt sind. Dadurch lassen sich zahlreiche Anwendungen abdecken, angefangen von Handlingsystemen in der Elektronikfertigung oder der Werkzeugkontrolle in Präzisionswerkzeugmaschinen über die Medizintechnik bis hin zu optischen Systemen, etwa bei Weltraumteleskopen. Positioniert wird mit bis zu sechs Freiheitsgraden in drei linearen und drei rotatorischen Bewegungsachsen. Dabei sind abhängig von der Geometrie des Hexapoden Bewegungen von einigen Grad bis zu 60 Grad 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.

Davon profitiert der Maschinenbau, denn es gibt viele Anwendungen, die eine solch große Genauigkeit erfordern. Zum Beispiel das hochpräzise Erodierverfahren für Teile mit komplizierten Konturen, die – etwa beim Fräsen – nicht ideal aufspannbar sind. Die Elektrode wird dann vom Hexapod bewegt, während das Werkstück fix bleibt. Weitere Anwendungen sind Drahtbiegearbeiten im Hochpräzisionsbereich, die Laserstrahlsteuerung oder auch Montagearbeiten an großen und schweren Teilen, die sich mit Hexapoden passgenau ausrichten lassen. Durch die direkte Anbindungsmöglichkeit an die Steuerung lassen sich die Hexapod-Systeme praktisch in jeden Automatisierungsverbund integrieren; auch die Taktsynchronisierung mit anderen Automatisierungskomponenten ist gut realisierbar.

pb

Physik Instrumente (PI)

In den vergangenen vier Jahrzehnten hat sich Physik Instrumente (PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden Hersteller von Positioniersystemen mit Genauigkeiten im Bereich einzelner Nanometer entwickelt. PI ist mit vier Sitzen in Deutschland und zehn ausländischen Vertriebs- und Serviceniederlassungen international vertreten. Mehr als 700 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Welt haben die Aufgabe, fast jede Anforderung aus dem Bereich innovativer Präzisions-Positioniertechnik zu erfüllen. Alle Schlüsseltechnologien werden im eigenen Haus entwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin zur Auslieferung kontrolliert werden: die Präzisionsmechanik, die Elektronik, die Positionssensorik. Die dafür benötigten piezokeramischen Elemente werden bei der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem der weltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet aktorischer und sensorischer Piezoprodukte. Die PI Micos GmbH in Eschbach bei Freiburg ist spezialisiert auf flexible Positioniersysteme für Ultrahochvakuum-Anwendungen sowie parallelkinematische Positioniersysteme mit sechs Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.

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