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Hexapoden Wie Robotik präzise wird

Viele Automatisierungs-Konzepte verlangen höchste Präzision in mehreren Freiheitsgraden. Etliche Industrien haben deshalb sechsachsige Positioniersysteme von PI für sich entdeckt, deren exakte Bewegungsabläufe die Genauigkeit auf die Anwendung überträgt.

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Ein Hexapod gibt der Anwendung die Freiheit, in sechs Achsen mit höchster Präzision zu positionieren.
Ein Hexapod gibt der Anwendung die Freiheit, in sechs Achsen mit höchster Präzision zu positionieren.
(Bild: Physik Instrumente)

Ob filigrane Lichtwellenleiter in der Siliziumphotonik zu handeln sind, Messgeräte nanometergenau zu positionieren oder vielleicht auch nur kleine Ungenauigkeiten beim Laserschweißen auszugleichen sind: Mit der Miniaturisierung der Komponenten und immer smarteren Technologien gehen in Fertigung und Qualitätssicherung auch ehrgeizige Anforderungen an die Präzision einher.

Nicht nur, weil selbst minimale Abweichungen in einer Produktionslinie ihre Wirkung wie in einer Dominokette entfalten. Viele Automatisierungs-Anwendungen werden überhaupt erst möglich durch ein Höchstmaß an Präzision: das exakte Ausrichten und Anbringen von Kameralinsen bei der Produktion von Smartphones beispielsweise, Prüfprozesse in der Chipherstellung, asphärische Formgenauigkeiten in der Optik messen oder beim Photonics Packaging, um noch ein paar Beispiele zu nennen.

Wo immer Werkzeuge im automatisierten Zusammenspiel messen, prüfen, montieren oder bearbeiten, sind von der Industrie außerdem zunehmend mehrachsige Positioniersysteme gefragt. Wie die Hexapoden von Physik Instrumente (PI), deren exakter Bewegungsablauf die Präzision auf die jeweilige Applikation überträgt. Das Karlsruher Unternehmen hat sich mit einer Palette an mehrachsigen Systemen für Positionieraufgaben spezialisiert. Bei Hexapoden handelt es sich um Robotik-Systeme zum Bewegen und Positionieren, Justieren und Verschieben von Lasten in sechs Achsen im Raum. Sie können Werkzeuge, Werkstücke oder auch komplexe Bauteile mit Gewichten von wenigen Gramm bis zu mehreren Tonnen bewegen – und in belie­biger Richtung im Prinzip genauer positionieren als klassische Indu­strieroboter.

Hexapoden positionieren mit maximaler Freiheit

Funktionsschema: Parallelkinematischer Hexapod im Vergleich mit seriell gestapelten Achsen.
Funktionsschema: Parallelkinematischer Hexapod im Vergleich mit seriell gestapelten Achsen.
(Bild: Physik Instrumente)

Der robuste und dabei gleichzeitig so flexible Bewegungsablauf in drei linearen und drei rotatorischen Achsen entsteht durch die parallelkinematische Konstruktion der Hexapoden.

Die Systeme von PI basieren übrigens auf piezoelektrischen oder elektromechanischen Antrieben. Kombiniert liefern die Antriebe die sechs Freiheitsgrade, mit denen die Biomechanik etwa im Sport das komplexe Bewegungsprofil eines Saltos skizziert. Alleine mit linearen Achsen wäre Inline-Skating möglich, nur mit rotatorischen die Pirouette, um im Bild zu bleiben. Und erst im Zusammenspiel entwickelt sich die Dynamik, in der sich Hexapoden so stabil und gleichzeitig so präzise bewegen.

Eine wesentliche Eigenschaft des parallelkinematisch aufgebauten Hexapods ist der frei definierbare Rotations- oder Pivotpunkt
Eine wesentliche Eigenschaft des parallelkinematisch aufgebauten Hexapods ist der frei definierbare Rotations- oder Pivotpunkt
(Bild: Physik Instrumente)

Mathematisch betrachtet organisieren die sechs Achsen ihren Bezug zueinander in Koordinatensystemen samt Pivotpunkt, um den sich die Werkstück- oder Werkzeugposition drehen, verschieben und skalieren lässt – je nach Applikationsgeometrie. Beim Hexapoden wirken die sechs Antriebe gemeinsam auf eine einzige von ihnen bewegte Plattform, was für allerlei Vorteile sorgt. Anders als serielle Systeme der klassischen Robotik, in denen die einzelnen Achsen mechanisch hintereinander geschaltet sind, was Führungsfehler addiert.

Deshalb positionieren die sechsbeinigen Roboter häufig präziser als die seriell aufgebauten. Das macht die Hexapoden für den Maschinenbauer auch zu jenem Element, das die Präzision in die Bewegung der Anwendung bringen kann. Und zwar innerhalb eines überschaubaren Arbeitsraums. Der ergibt sich aus den möglichen Kombinationen von Translation und Rotation, die ein Hexapod-Roboter von der jeweils aktuellen Position aus anfahren kann.

„Das ist für viele ein interessanter Sicherheitsaspekt“, weiß Birgit Schulze, Produktmarketing-Managerin für Parallelkinematiken bei PI. „Selbst wenn ein Werker nah am Hexapoden steht: Der Arbeitsraum des Hexapods ist begrenzt und entsprechend auch vorhersehbar. Für andere Formen der Mensch-Maschine-Kollaboration bräuchte man Lichtvorhänge oder ähnliche Sicherheitsvorkehrungen.“

Die Automobilindustrie macht sich die Vorzüge der Parallelkinematik schon lange zu Nutze. Dunlop beispielsweise hatte die Hexapod-Technologie schon Anfang des vorigen Jahrhunderts eingesetzt, um Autoreifen zu testen. Längst haben die Experten von PI die Technologie weiterentwickelt und die Produktpalette im digitalen Zeitalter um zahlreiche Funktionalitäten wie Netzwerkfähigkeit, um Modelle in verschiedenen Größenklassen, Varianten und vielen Funktionsbausteinen erweitert. Charakteristisch für die Hexapoden von PI bleiben auch mit der Weiterentwicklung in puncto Software-Funktionalitäten hohe Bahntreue, Wiederholgenauigkeit und Auflösung, eine für alle Bewegungsachsen hohe Dynamik und ihr kompakter Aufbau, der sie für den knappen Bauraum von Fertigungszellen prädestiniert.

Doppelseitiges Faserjustagesystem: Zwei Hexapoden richten Glasfasern präzise an einem Photonik-Chip aus.
Doppelseitiges Faserjustagesystem: Zwei Hexapoden richten Glasfasern präzise an einem Photonik-Chip aus.
(Bild: Physik Instrumente)

Heute balancieren Hexapoden von PI in vielen Schlüsselindustrien die Bewegungen in Applikationen bis in den Nanometer-Bereich aus. Denn im Zuge der industriellen Automatisierung ist auch das Anwendungsspektrum enorm gewachsen. Jede Menge Positionier- und Bewegungsaufgaben verlangen heute nach Präzision und exakter Reproduzierbarkeit in stabilen Prozessen und für jede Losgröße: etwa in der Montage, Lasermaterialbearbeitung, in Inspektionssystemen, der additiven Fertigung oder in anderen smarten Prozessen einer beginnenden Industrie 4.0.

Test der Bildstabilisierungsfunktion in Kameras: Hexapod simuliert, wie sich Fotografen beim Aufnehmen der Bilder bewegen.
Test der Bildstabilisierungsfunktion in Kameras: Hexapod simuliert, wie sich Fotografen beim Aufnehmen der Bilder bewegen.
(Bild: Physik Instrumente)

Doch wie sieht es mit der Integrationsfähigkeit der Hexapoden von PI aus? Wie fügt sich die bewegliche Präzision der parallelkinematischen Robotik in übergeordnete Systeme wie einen automatisierten Fertigungsverbund? Weil kaum eine Applikationsumgebung der anderen gleicht, bietet PI verschiedene Konzepte, mit denen sich die Vorteile von Hexapoden einbinden lassen:

Einfache Integration der komplexen Kinematik: Die SPS kommuniziert mit dem Hexapod über ein Feldbus-Protokoll, hier über Ethercat.
Einfache Integration der komplexen Kinematik: Die SPS kommuniziert mit dem Hexapod über ein Feldbus-Protokoll, hier über Ethercat.
(Bild: Physik Instrumente)

So kann der Konstrukteur die Positioniersysteme von PI beispielsweise über Feldbusschnittstellen direkt an die SPS anbinden und damit praktisch in jeden Automatisierungsverbund mit wenig Aufwand integrieren. Die Steuerung kommuniziert mit dem Hexapoden über ein Standardprotokoll. Hierzu stehen neben RS232 und TCP/IP auch etablierte Feldbus-Protokolle wie Ethercat zur Verfügung. Das Hexapodsystem verhält sich dann am Bus wie ein intelligenter Multi-Achs-Antrieb.

Integration leicht gemacht: Digitaler Controller hilft

Die Echtzeitfähigkeit per Ethercat ermöglicht es, den Hexapod in einer Fertigungslinie mit anderen Komponenten zeitlich akkurat zu synchronisieren. Ein digitaler Hexapod-Controller von PI löst dabei die Herausforderung, die komplexe Kinematik als intelligenten Multi-Achs-Antrieb zu integrieren. Hintergrund: In einem parallelkinematischen System entsprechen die kartesischen Achsen nicht den Motorachsen.

Es ist also eine Transformation per rechenintensiver Algorithmen erforderlich, die die Kinematik für jeden Schritt neu berechnen. Der digitale Controller übernimmt diese Berechnungen und steuert die einzelnen Antriebe an.

„Das Verschieben und Verdrehen der Plattform, das Definieren des verwendeten Bezugssystems und damit auch der Dreh- oder Pivotpunkte werden einfach in kartesischen Koordinaten in der SPS kommandiert“, so Schulze. Und das hat mehrere Vorteile: Für die Kommandierung des Hexapods lassen sich die Funktionen der jeweiligen SPS verwenden, Pfade planen, eine Trajektorie anpassen und der Maschinenverbund in der Anlage synchronisieren. „Es ist keine proprietäre Programmiersprache erforderlich, eben weil die SPS mit dem Hexapod über ein Feldbus-Protokoll wie Ethercat kommuniziert.“

Eine der wesentlichen Eigenschaften der Hexapoden sind die frei definierbaren Bezugs-Koordinatensysteme für die Werkzeug- und Werkstückposition (Work und Tool). Der digitale Hexapod-Controller von PI unterstützt dies, über das Ethercat-Interface stehen dem Anwender Work- und Tool-Koordinatensysteme zur Verfügung.

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.

Anwendung virtuell entwickeln und simulieren

Simulationstool: Anwendung per Software in die Koordinaten übertragen.
Simulationstool: Anwendung per Software in die Koordinaten übertragen.
(Bild: Physik Instrumente)

Der Karlsruher Spezialist hat ein breites Spektrum an Lösungen im Bereich Bewegen und Positionieren für unterschiedliche Lasten und Stellwege entwickelt. Welcher Hexapod für eine Anwendung geeignet ist und wie sich die Einflussfaktoren vor Ort auf die parallelkinematische Lösung auswirken, das lässt sich mit einem virtuellen Controllers einfach ausprobieren. Mit dem PI Hexapod Simulation Tool lassen sich beispielsweise der Arbeitsraum berechnen, Einbausituationen austesten oder virtuell Lasten draufpacken, um mit dem jeweiligen Schwerpunkt zu prüfen, was noch geht – und was nicht funktioniert. Wie variiert Parallelkinematik innerhalb der Grenzen eines Arbeitsraums und über maximale Stellwege? Welche mechanischen Probleme können auftreten? Was verändert sich bei Verschiebung des Pivotpunktes oder in Relation zum Work- und Tool-Koordinatensystem?

Digitaler Zwilling in Coppelia Sim: Simulation der kompletten Applikation.
Digitaler Zwilling in Coppelia Sim: Simulation der kompletten Applikation.
(Bild: Physik Instrumente)

Das PI Hexapod Simulation Tool simuliert nicht nur Pivotpunkte oder Koordinatensysteme, sondern erkennt auch Belastungsgrenzen. Das Tool PI VeriMove wiederum konzentriert sich auf Kollisionserkennung zwischen Hexapod und Umgebung und umschreibt die Speicherung des Bewegungsraums direkt im Controller. Das Robotik-Simulationstool Coppelia-Sim bietet weitere Funktionalitäten im Bereich des Digitalen Zwillings. „Damit können Nutzer komplexe Anwendungsprogramme entwickeln,ohne dass alle Komponenten bereits angeschafft sein müssen. Im Prinzip handelt es sich um einen virtuellen Controller, der auf einem PC läuft und eine komplette Applikationsentwicklung betreiben kann“, erklärt Schulze. „PI hat die dafür passenden Hexapod-Modelle.“

Mit den Hexapoden von PI stehen vielseitige Komplettlösungen zur Verfügung, mit denen Maschinenbauer auch komplexe Bewegungsprofile umsetzen können, auch im Verbund mit anderen Robotik-Systemen. So könnten die Hexapoden in Zukunft womöglich sogar die teils ruckeligen Ungenauigkeiten von Industrierobotern ausgleichen. Schulze: „Da sind wir dran.“

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Über den Autor

 Karin Pfeiffer

Karin Pfeiffer

Journalistin