Parallelkinematische Präzisionspositionierer

Hexapoden 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. Hexapode sind parallelkinematisch aufgebaut, d.h. die sechs Antriebe wirken gemeinsam auf eine einzige bewegte Plattform.
  • Die Länge  der Einztelantriebe 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

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.

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

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.

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 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.

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 Linearversteller die Einzelbeine an.

HexapodSpaceFAB
Design6 Beine mit variabler Länge oder bewegten Gelenken wirken auf eine bewegte Plattform3 XY-Tische wirken parallel auf eine bewegte Plattform
GeometrieKompakte GrundflächeNiedrige Bauhöhe
Lineare Stellwege in der EbeneBegrenztFlexibel durch Wahl der XY-Versteller
Linearer vertikaler StellwegGroßBegrenzt
Rotatorische StellwegeGroße Verkippung um die X- und  Y-Achse möglichBegrenzt
SteifigkeitHohe vertikale SteifigkeitHohe Steifigkeit in X und Y



 

 


Eigenschaften

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

ParallelkinematikSerielles, gestapeltes Design
AbmessungenKompakter AufbauRelativ hoher Aufbau, Stabilisierung am "Fundament" erforderlich
Bewegte MassePlattform plus Last

Jeder Versteller trägt die weiter "oben" platzierten plus die Last und muss entsprechend ausgelegt werden.

Dynamik / SteifigkeitAufgrund der geringen bewegten Masse relativ hoch, für alle Bewegungsachsen gleichDynamische Achsen sollten möglichst weit "oben" platziert werden
GenauigkeitFür alle Bewegungsachsen gleichFehleraufsummierung von "unten" nach "oben", hohe Parallaxenfehler durch Höhe des Aufbaus
KabelmanagementKeine bewegten Kabel, kein Einfluss auf die GenauigkeitErforderlich
KommandierungPI Motion Controller ermöglichen die Kommandierung in karthesischen Koordinaten und nehmen die Transformation der Bewegung der Einzelbeine vorKartesisch für alle Achsen individuell
Pivotpunkt (Drehpunkt)Frei wählbar im Raum durch PI SoftwareFestgelegt durch die Auswahl der Verstellergeometrien
ArbeitsraumGrundsätzlich eingeschränktFestgelegt durch die Auswahl der Verstellergeometrien




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.

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