Die sechsachsigen Positioniersysteme können große Lasten auf den Mikrometer genau positionieren und eignen sich damit für die Handhabung kleinster Bauteile in der Halbleiterfertigung ebenso wie für die Positionierung ganzer Karosserieteile in der Automobilproduktion.

Die sechsachsigen Positioniersysteme können große Lasten auf den Mikrometer genau positionieren und eignen sich damit für die Handhabung kleinster Bauteile in der Halbleiterfertigung ebenso wie für die Positionierung ganzer Karosserieteile in der Automobilproduktion. Physik Instrumente

Automobilindustrie, Elektronikindustrie und Feinmechanikhersteller können ohne sie heute kaum mehr produzieren: Sechsachsige Positioniersysteme – die sogenannten Hexapoden – gibt es heute mit Stellwegen von wenigen bis hin zu einigen hundert Millimetern. Sie positionieren tonnenschwere Lasten auf den Mikrometer genau. Damit eignen sie sich für die präzise Handhabung kleinster Bauteile in der Halbleiterfertigung ebenso wie für die Positionierung ganzer Karosserieteile in der Automobilproduktion.

Mehrachsige Positioniersysteme lassen sich entweder als serielle oder parallele Kinematik konstruieren. Eine serielle Kinematik ist als gestapeltes System einfacher im Aufbau und auch die Ansteuerung der Einzelachsen verhält sich wenig komplex. Sie hat jedoch eine Reihe von Nachteilen gegenüber den leistungsfähigeren und eleganteren Parallelkinematik-Systemen, zu denen die Hexapoden zählen.

In einem seriellkinematischen Mehrachsensystem ist jeder Aktor genau einem Bewegungsfreiheitsgrad zugeordnet und jeder Positionssensor jeweils einem Antrieb. Die Sensoren messen nur die Bewegung in dem Freiheitsgrad der entsprechenden Stellachse. Alle unerwünschten Bewegungen in den anderen fünf Freiheitsgraden, die zum Beispiel durch Führungsfehler der einzelnen Achsen entstehen, bleiben unerkannt und werden nicht ausgeregelt.

Vorteile der Parallelkinematik

Parallele Kinematiken (links) bewegen sich im Vergleich zu seriellen Kinematiken präziser, da sich keine Führungsfehler addieren.

Parallele Kinematiken (links) bewegen sich im Vergleich zu seriellen Kinematiken präziser, da sich keine Führungsfehler addieren. Physik Instrumente

Bei Hexapoden wirken dagegen alle sechs Aktoren unmittelbar auf die gleiche Plattform; Führungsfehler addieren sich nicht, was zu einer präziseren Bewegung führt. Da nur die Plattform bewegt wird und nicht die Positioniersysteme für andere Achsen, fällt die bewegte Masse insgesamt geringer aus als bei seriellkinematischen Systemen. Daraus folgt eine höhere Dynamik, eine bessere Bahntreue sowie Wiederhol- und Ablaufgenauigkeit für alle Bewegungsachsen. Weil geschleppte Kabel entfallen, wird die Präzision nicht durch Reibung oder Momente eingeschränkt. Außerdem bauen Hexapoden sehr kompakt. Unter anderem vereinfacht dies Sicherheitsschaltungen, da sich der Hexapod nur innerhalb eines vergleichsweise überschaubaren Arbeitsraums bewegt.

Intelligenter Multi-Achs-Antrieb

Das klingt gut, hat aber – zumindest auf den ersten Blick – einen kleinen Haken: Bei einem parallelkinematischen System entspricht die Bewegungsrichtung der Plattform nicht unbedingt der Bewegungsrichtung der Aktoren in den Einzelbeinen. Möchte man die Plattform kippen oder in einer Ebene bewegen, müssen sich die Beinlängen unterschiedlich ändern: einige werden kürzer, andere länger. Dies erfordert eine Koordinatentransformation, die aber von den aktuellen Koordinaten nichtlinear abhängt (aufgrund der an den Kardangelenken versetzten und Zwangsbedingungen unterworfenen Achsen). Analytisch ist das im Allgemeinen nicht lösbar, daher ist ein rechenintensiver, iterativer Algorithmus nötig, der die komplexe Hexapod-Kinematik bei jedem Schritt neu berechnet. Anwender brauchen sich damit in der Praxis jedoch nicht auseinanderzusetzen: Denn es ist nicht notwendig, die Hexapod-Kinematik mit ihrem Transformationsalgorithmus auf der SPS zu implementieren. Ein digitaler Hexapod-Controller übernimmt die Berechnungen und steuert die einzelnen Motoren in Echtzeit an. Verschiebungen und Drehungen der Plattform werden wie gehabt in kartesischen Koordinaten programmiert.

Für die Steuerung des Hexapod-Systems lassen sich alle Funktionen der SPS-Standardsprache verwenden; es ist keine proprietäre Sprache notwendig. Die Steuerung kommuniziert mit dem Hexapod über ein Standard-Protokoll, zum Beispiel Ethercat.

Für die Steuerung des Hexapod-Systems lassen sich alle Funktionen der SPS-Standardsprache verwenden; es ist keine proprietäre Sprache notwendig. Die Steuerung kommuniziert mit dem Hexapod über ein Standard-Protokoll, zum Beispiel Ethercat. Physik Instrumente

Sowohl Lage und Ausrichtung des Bezugskoordinatensystems als auch der Pivotpunkt lässt sich per Software anpassen. Um eine auf die Anwendung abgestimmte Bewegung zu erzielen, ist es möglich verschiedene Koordinatensysteme zu definieren: beispielsweise Work- und Toolkoordinatensysteme, die sich auf die Lage des Werkstücks oder des Werkzeugs beziehen. Das ist vorteilhaft in der industriellen Automatisierung.
Für die Steuerung des Hexapod-Systems lassen sich alle Funktionen der SPS-Standardsprachen verwenden. Somit ist keine proprietäre Sprache nötig. Die Steuerung kommuniziert mit dem Hexapod über ein Standard-Protokoll. Hierzu stehen neben RS232 und TCP/IP etablierte Feldbus-Protokolle wie Ethercat oder Profinet zur Verfügung. Mithilfe dieser Schnittstellen können mit dem Hexapod-System (aber auch mit beliebigen weiteren Komponenten) im Netzwerk Daten wie Soll- und Istpositionen oder Statusmeldungen taktsynchron in Echtzeit ausgetauscht werden.
In einer typischen Automatisierungsanwendung generiert eine beliebige, als Master agierende Steuerung entsprechende kartesische Soll-Positionen beziehungsweise Bewegungspfade. Diese Sollpositionen gelangen über das Ethercat-Protokoll an das Hexapod-System. Im Gegenzug werden Istpositionen und Statusmeldung ausgelesen. Darüber hinaus lassen sich Systemparameter wie Drehpunkte und Koordinatensysteme konfigurieren. Das Hexapod-System verhält sich hierbei am Bus wie ein intelligenter Multi-Achs-Antrieb, nur dass es zusätzlich zu der Hexapod-Mechanik noch bis zu zwei weitere Achsen ansteuern kann.

Einsatzbeispiele aus Fertigung und Qualitätssicherung

Genaues Ausrichten von Scheinwerferlampen in einer Koordinatenmessmaschine mittels Hexapoden.

Genaues Ausrichten von Scheinwerferlampen in einer Koordinatenmessmaschine mittels Hexapoden. Physik Instrumente

Speziell in der Halbleiterinspektion oder der Mikromontage sind hochpräzise Multi-Achs-Positionierer mit hoher Steifigkeit gefordert. Nahezu alle Anforderungen an Präzision und Baugröße lassen sich mithilfe von Hexapoden umsetzen. Anwender können Positionieraufgaben ohne Vorzugsrichtung der Bewegung – wie die Ausrichtung von Proben oder Sensoren – aufgrund der Wiederholgenauigkeit von besser als 0,5 µm sowie Schrittweiten von unter 0,5 µm realisieren. Automatisierte 6D-Justagesysteme übernehmen beispielsweise Aufgaben beim Testen und Herstellen von Zubehör für ‚Mems‘ (Microelectromechanical Systems) oder für die Photonik. Dazu zählt auch das Positionieren und Ausrichten optischer Fasern und Faserarrays oder die Produktion optischer Linsen sowie automatische Testaufbauten, bei denen Proben und Prüfsysteme präzise positioniert werden. Weitere Anwendungen finden sich im klassischen industriellen Umfeld, beispielsweise bei der Materialbearbeitung, wenn mehrere Achsen gefordert sind, oder bei Prüfeinrichtungen in der Automobilindustrie.

Einsatz von Hexapoden in der Wissenschaft: Das Alma-Observatorium in Chile.

Einsatz von Hexapoden in der Wissenschaft: Das Alma-Observatorium in Chile. Physik Instrumente

Auch für schwere Objekte kann eine präzise Ausrichtung in mehreren Achsen wichtig sein, etwa bei Spiegeln in Teleskopen, der Positionierung von Patienten in der Medizintechnik für Diagnose und Therapie oder bei Inspektionssystemen für großformatige LCD-Bildschirme. In der Standardausführung tragen Hexapoden bis zu 2 t. Anwender können die Hexapoden zudem in beliebiger Orientierung, bei Bedarf auch kopfüber, montieren. Da die maximal zulässige Nutzlast eines Hexapod-Systems von verschiedenen Parametern wie der Einbaulage, dem Massenschwerpunkt der Last sowie der aktuellen Position abhängt, werden Simulationsprogramme zur Auslegung gleich mitgeliefert. Damit lassen sich auch Arbeitsräume und Bewegungsgrenzen beispielsweise in Abhängigkeit vom gewählten Drehpunkt oder der aktuellen Position bestimmen.

Schnelles Bewegen und Scannen

Software für Hexapoden

Die Motion-Controller von PI werden mit einem Softwarepaket ausgeliefert, das verschiedene Anwendungsaspekte abdeckt, angefangen bei der Inbetriebnahme über die Ansteuerung der Systeme über grafische Oberflächen bis zur Einbindung in externe Programme. Ein virtueller Controller ermöglicht es, Anwendungsprogramme zu entwickeln, ohne dass alle Komponenten bereits vor Ort sind. Mithilfe von Simulationswerkzeugen lässt sich zum Beispiel der Arbeitsraum berechnen oder es können Objekte eingebunden werden, um Kollisionen zu vermeiden. Überwachung und Steuerung können über eine App erfolgen. Entwicklungs-Bibliotheken und Beispielanwendungen unterstützen bei der Umsetzung. Folgende gängigen Programmiersprachen und Softwareumgebungen werden unterstützt: C, C++, Python, Visual C++, Visual Basic und Delphi, Labview, Matlab, μ-Manager, Epics, Tango, Metamorph sowie alle Programmierumgebungen, die das Laden von DLLs unterstützen.

Ein weiterer Einsatzbereich ist die Bewegungssimulation. Denn sie stellt hohe Anforderungen an die Dynamik der Bewegung. Dabei werden definierte Bewegungszyklen wiederholbar gefahren, beispielsweise zur Qualitätssicherung und Funktionskontrolle von Produkten im mobilen Einsatz. Ein typisches Beispiel sind Prüfeinrichtungen für Beschleunigungs- oder gyroskopische Sensoren, wie sie in Smartphones, Handys und Kameras vorkommen, um Lageänderungen zu erfassen. Der Test läuft nach vorgegebenen Bewegungsmustern ab. Ähnliches gilt für Bildstabilisierungssysteme in Kameras, um deren Algorithmen und Mechanik zu prüfen. Hierzu müssen natürliche und künstliche Bewegungen präzise, wiederholbar und mit gleicher Dynamik und Genauigkeit in allen linearen und rotatorischen Achsen ablaufen. Hexapoden sind dafür prädestiniert, da sie in allen Freiheitsgraden mit hoher Genauigkeit positionieren und präzise Bahnkurven fahren. PI hat entsprechende Hexapod-Systeme im Programm, die von der Cipa (Camera and Imaging Product Association) für den Einsatz an Prüfeinrichtungen für Bildstabilisierungssysteme zertifiziert sind. Hexapoden erschließen der Automatisierungstechnik und Robotik damit viele interessante Möglichkeiten und lassen sich durch verschiedene Schnittstellen in bestehende Anwendungen integrieren.