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Übersicht

Parallelkinematische Präzisionspositionierer

Hexapoden und SpaceFAB bieten sechs Bewegungsachsen

  • Ein Hexapod ist ein System für die Bewegung und Positionierung, Justierung und Verschiebung von Lasten in sechs Achsen im Raum, drei linearen und drei rotatorischen. Hexapoden sind parallelkinematisch aufgebaut, d. h. die sechs Antriebe wirken gemeinsam auf eine einzige bewegte Plattform.
  • Die Länge der Einzelantriebe ist veränderlich, was eine Bewegung in allen sechs räumlichen Freiheitsgraden ermöglicht. Das besondere Hexapoddesign optimiert die Gesamtsteifigkeit und erlaubt eine große zentrale Apertur.
  • Hexapoden können je nach Ausführung Lasten von einigen kg bis zu einigen Hundert kg, oder sogar mehreren Tonnen in beliebiger Raumorientierung, also unabhängig von der Montageausrichtung, mit hoher Präzision positionieren.
Funktionsprinzip

Funktionsprinzip

Motoren, Antriebe und Getriebeeinheit

PI Hexapoden basieren auf >> piezoelektrischen oder >> elektromechanischen Antrieben und sind damit viel genauer als die hydraulischen Hexapoden, die von Flug- oder Fahrsimulatoren bekannt sind. Präzisionsspindelantriebe oder magnetische bzw. piezobasierte Linearmotoren kommen zum Einsatz. Die meisten Systeme sind selbsthemmend. Direkt getriebene Hexapoden bieten höhere Geschwindigkeiten, für den industriellen Einsatz sind insbesondere bürstenlose Motoren (BLDC) geeignet.

Die Anwendung bestimmt die Antriebstechnologien: So sind Hexapoden mit piezoelektrischen >> PiezoWalk® Schreitantrieben für Ultrahochvakuum-Anwendungen geeignet und können auch in sehr starken Magnetfeldern betrieben werden.

Gelenke

Hexapoden für die Präzisionspositionierung werden häufig mit kardanischen Gelenken ausgestattet, bei denen zwei Gelenkachsen orthogonal angeordnet sind. Damit wird die optimale Kombination aus zwei Freiheitsgraden und Steifigkeit des Aufbaus erreicht. Kugelgelenke bieten mehrere Freiheitsgrade in einer mechanisch oft einfacheren Konstruktion. Sie können jedoch die Gesamtsteifigkeit und damit die Präzision bei auftretenden Momenten reduzieren. Eine kompensierende Vorspannung ist nur möglich, wenn die Antriebe entsprechend hohe Kräfte aufbringen, z. B. die >> NEXLINE® Piezomotorantriebe.

PI H-840 Overview
Kardanische Gelenke des Hexapodmodells H-840
PI P-911K Ball Joints Overview
Kugelgelenke

Für besonders hohe Präzision und geringe lineare Auslenkungen und Winkel können >> Festkörpergelenke eingesetzt werden, die reibungsfrei, spielfrei und ohne Einsatz von Schmiermitteln arbeiten.

Arbeitsraum

Die Gesamtheit aller Kombinationen von Translationen und Rotationen, die der Hexapod von der aktuellen Position aus anfahren kann, wird als Arbeitsraum bezeichnet; man bezieht sich bei der Angabe auf den Ursprung des verwendeten Koordinatensystems. Der Arbeitsraum kann durch externe Faktoren wie Hindernisse oder die Abmessungen und Position der Last eingeschränkt werden.

PI Hexapod Simulation
PIC Hexapod Koordinatensystem
Simulationen für verschiedene Hexapod-Arbeitsräume

PI bietet >> Softwaretools an, die den Arbeitsraum simulieren und die Kollision mit Objekten in der Umgebung prüfen können.

Spezielle Ansteuerung

Die einzelnen Antriebe eines Hexapoden zeigen nicht notwendigerweise in Richtung der Bewegungsachsen, weshalb eine schnelle Steuerung, die auch die Koordinatentransformation übernimmt, für den Betrieb benötigt wird.

Positioniergenauigkeit H-824
Die Positioniergenauigkeit eines Prazisionshexapoden H-824 über den vollen Stellweg von 25 mm in Z-Richtung liegt bei wenigen Mikrometern, die Wiederholgenauigkeit deutlich unter 0,1 µm

PI setzt leistungsfähige Digitalcontroller ein und bietet kundenfreundliche Software zur einfachen Kommandierung. Die Positionen werden in kartesischen Koordinaten vorgegeben, alle Transformationen auf die Einzelantriebe finden im Controller statt.

Eine wesentliche Eigenschaft ist der frei definierbare Dreh- oder Pivotpunkt. Damit kann die Bewegung der Hexapodplattform gezielt auf die jeweilige Applikation abgestimmt und in den Gesamtprozess integriert werden.

SpaceFAB

SpaceFAB sind alternative parallelkinematische Aufbauten, deren Beinlänge konstant ist. Die sechs Freiheitsgrade werden dadurch erzeugt, dass ein passives Bein in zwei oder mehr Achsen bewegt werden kann: Im SpaceFAB treibt je eine XY-Anordnung von Linearverstellern die Einzelbeine an.

  Hexapod SpaceFAB
Design 6 Beine mit variabler Länge oder
bewegten Gelenken wirken auf eine bewegte Plattform
3 XY-Tische wirken parallel auf eine bewegte Plattform
Geometrie Kompakte Grundfläche Niedrige Bauhöhe
Lineare Stellwege in der Ebene Begrenzt Flexibel durch Wahl der XY-Versteller
Linearer vertikaler Stellweg Groß Begrenzt
Rotatorische Stellwege Große Verkippung um die X- und Y-Achse möglich Begrenzt
Steifigkeit Hohe vertikale Steifigkeit Hohe Steifigkeit in X und Y
Eigenschaften

Eigenschaften

Vorteile der Parallelkinematik gegenüber einem seriellen Aufbau

PI Parallel-Kinematic / Single-Axis Stages
Bewegungsrichtungen einer Parallelkinematik (links) und vergleichbarer serieller Aufbau (rechts)

Bei seriell aufeinander gestapelten Systemen müssen die unteren Antriebe nicht nur die Masse der Nutzlast, sondern auch die Masse der nachfolgenden Antriebe bewegen.

  Parallelkinematik Serielles, gestapeltes Design
Abmessungen Komapkter Aufbau Relativ hoher Aufbau, Stabilisierung am "Fundament" erforderlich
Bewegte Masse Plattform plus Last Jeder Versteller trägt die weiter "oben" platzierten plus die Last und muss entsprechend ausgelegt werden.
Dynamik / Steifigkeit Aufgrund der geringen bewegten Masse relativ
hoch, für alle Bewegungsachsen gleich
Dynamische Achsen sollten möglichst weit "oben" platziert werden
Genauigkeit Für alle Bewegungsachsen gleich Fehleraufsummierung von "unten" nach "oben", hohe Parallaxenfehler durch Höhe des Aufbaus
Kabelmanagement      Keine bewegten Kabel, kein Einfluss
auf die Genauigkeit
Erforderlich
Kommandierung PI Motion Controller ermöglichen die
Kommandierung in karthesischen Koordinaten und nehmen die Transformation der Bewegung der Einzelbeine vor
Kartesisch für alle Achsen individuell
Pivotpunkt (Drehpunkt) Frei wählbar im Raum durch PI Software Festgelegt durch die Auswahl der Verstellergeometrien
Arbeitsraum Grundsätzlich eingeschränkt Festgelegt durch die Auswahl der Verstellergeometrien
Automatisierung

Hexapoden in der Automatisierung: Ansteuerung und Schnittstellen für einfache Integration

Präzise Bahnsteuerung auf Basis von G-Code

Der Hexapodcontroller kann auch die Bahnsteuerung auf Basis von G-Code nach DIN 66025/ISO 6983 vornehmen. G-Code ist dazu als Kommandosprache direkt auf dem Controller implementiert. Damit ist das Fahren auch von komplexen Trajektorien mit definierter Bahngeschwindigkeit und Beschleunigung möglich. So können >> Hexapoden im Maschinenbau beispielsweise Werkstücke oder Werkzeuge während der Bearbeitung mit großer Präzision ruckbegrenzt verfahren, ohne dass die Mechanik ins Schwingen kommt.

Benutzerdefinierte Koordinatensysteme

Um eine perfekte Anpassung der Trajektorie an die Applikationserfordernisse zu gewährleisten, ist es möglich mit Hilfe des Controllers 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, aber auch für Fiber-Alignment-Aufgaben.

Schnittstellen

EtherCAT Interface: Über standardisierte >> Feldbusschnittstellen ist die Anbindung an übergeordnete SPS- oder CNC-Steuerungen möglich. Dadurch können die Hexapoden mit anderen Automatisierungskomponenten taktsynchron im Verbund arbeiten.

PI H-850
Die Soll-Positionen des Hexapods können in beliebigen Koordinatensystemen kommandiert werden
Produkte

Produkte

6-achsige Mikro- und Nanopositioniersysteme in unterschiedliche Ausführungen des parallelkinematischen Designs für die Elektronikfertigung, Werkzeugkontrolle oder Medizintechnik. Dabei können die Mikroroboter je nach Ausführung ohne weiteres Lasten von bis zu 1000 kg auf den Mikrometer genau positionieren.

>> zu den Produkten

PI Hexapod H-811

Downloads

Technologie Hexapoden – Parallelkinematische Positioniersysteme
Hochpräzise Positionierung in bis zu sechs Bewegungsachsen
Pdf 567 K 12/05/24.0