Hexapoden zur Positionierung

Andreas Mühlbauer,

Hexapoden positionieren optische Komponenten

Wenn für präzise Positionieraufgaben in der Automatisierungstechnik mehrachsige Lösungen gefragt sind, bieten sich oft parallelkinematische Systeme an. Ein Beispiel hierfür sind Hexapoden, die mit unterschiedlichen Stellwegen Lasten extrem genau positionieren können. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen von Maschinenbau und Robotik bis hin zu Medizintechnik, Forschung und hochpräziser Vermessung optischer Komponenten.

Das MarOpto TWI 60 ermöglicht die Vermessung gesamter Oberflächen in 20 bis 30 Sekunden. Ein Hexapod als Positioniersystem beim Kalibrieren und Vermessen trägt entscheidend dazu bei. © Mahr

Für die Konstruktion mehrachsiger Positioniersysteme gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten: Serielle und parallele Kinematik. Eine serielle Kinematik ist als gestapeltes oder geschachteltes System einfacher im Aufbau, und die Ansteuerung von Einzelachsen ist weniger komplex. Sie hat jedoch eine Reihe von Nachteilen gegenüber den Parallelkinematik-Systemen, zu denen die Hexapoden zählen.

Parallelkinematik und ihre Vorteile

In einem seriellkinematischen 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 Freiheitsgraden, die zum Beispiel durch Führungsfehler der einzelnen Achsen entstehen, können nicht erkannt und ausgeregelt werden. Da bei Hexapoden alle sechs Aktoren unmittelbar auf die gleiche Plattform wirken, können sich Führungsfehler nicht addieren.

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Zu der erheblich präziseren Bewegung kommt die geringere bewegte Masse, da nur die Plattform bewegt wird. Daraus ergeben sich eine höhere Dynamik, eine deutlich bessere Bahntreue sowie Wiederhol- und Ablaufgenauigkeit für alle Bewegungsachsen. Weil es keine geschleppten Kabel gibt, ist die Präzision nicht durch Reibung oder Momente eingeschränkt. Außerdem bauen die Hexapoden sehr kompakt.

Hexapoden ermöglichen mit unterschiedlichen Stellwegen eine Positionierung bis in den Nanometerbereich. © PI

Ihre Leistungsfähigkeit haben die Hexapod-Systeme der Karlsruher Firma Physik Instrumente bewiesen. Der Messtechnikspezialist Mahr verwendet Hexapoden bei einem neuen berührungslosen Verfahren, um Optiken, insbesondere Asphären, präzise, schnell, flexibel und direkt in der Produktionslinie zu messen, und das ganz ohne CGH (computergenerierte Hologramme) oder klassisches Stitching.

Schnelle und flexible Analyse asphärischer Linsen

„Im Gegensatz zu bestehenden Systemen, die eine Messzeit von mehreren Minuten benötigen, ermöglicht das MarOpto TWI 60 die Vermessung gesamter Oberflächen in 20 bis 30 Sekunden“, erklärt Dr. Jürgen Schweizer, Produktmanager bei Mahr. Bereits während der Auswertung eines Prüflings, die typischerweise etwa zwei Minuten dauert, kann der nächs-te Prüfling vermessen werden. Zudem ist das System sehr flexibel. Neben Asphären lassen sich auch andere Optiken mit von den Standardformen abweichenden Geometrien, sogenannte Freiformen, vermessen. Dabei ist das System so robust, dass es direkt in der Fertigung aufgebaut werden kann.

Das neue Messsystem arbeitet ähnlich wie ein normales Interferometer, erfasst jedoch den Prüfling optisch nicht vollständig in einem Bild, sondern in vielen Subaperturen, die zu verschiedenen Zeiten aktiv sind. Die Erfassung des Prüflings „auf einmal“ würde bei Asphären und Freiformoptiken mit ihren relativ steilen Oberflächen nämlich ein Ineinanderlaufen der Interferenzmuster verursachen, welches sich anschließend nicht mehr auflösen ließe. Werden die einzelnen Subaperturen nun geometrisch verteilt aktiv geschaltet, treffen unterschiedlich gekippte Wellenfronten auf die Prüfoptik und zwar so, dass sich die entstehenden Interferenzmuster nicht überlappen. So erhält man letztendlich von jeder Subapertur ein ungestörtes Interferenzmuster eines lokalen Teiles der Prüflingsoberfläche. Anschließend werden die einzelnen Interferenzmuster zu einem Gesamtmuster zusammengerechnet. Dieses repräsentiert die Oberfläche des Prüflings und lässt sich entsprechend auswerten.

Referenzieren, Kalibrieren und Vermessen

Das Messsystem MarOpto TWI 60 erfasst den Prüfling in vielen Subaperturen, die zu verschiedenen Zeiten aktiv sind. © Mahr

Wie jedes Messgerät muss auch das TWI referenziert und kalibriert werden. Dazu wird eine hochgenau gefertigte Kugel bekannter Geometrie für jede Subapertur an eine Vielzahl von Positionen im Messvolumen gefahren und deren Oberfläche mit der jeweiligen Subapertur gemessen. Schlussendlich werden die individuellen Messungen ausgewertet und für jede Subapertur wird ein Korrekturalgorithmus erstellt. „Da sich laterale Positionsfehler der Kalibrierkugel im Korrekturalgorithmus der jeweiligen Subapertur auswirken, muss die Kalibrierkugel präzise im Raum positioniert und ihre Position während der Messung stabil gehalten werden. Dieser Kalibrierprozess muss das Messvolumen abdecken und wird daher an sehr vielen Positionen im Messvolumen durchgeführt. Da jeder Kalibrierfehler in den späteren Messprozess eingeht, muss jede einzelne Position sehr exakt angefahren werden. Gefordert ist ein maximaler lateraler Positionierfehler von 5 µm bei einer Wiederholgenauigkeit von weniger als 0,5 µm“, betont Schweizer. „Um die hohen Anforderungen an den Positioniermechanismus im TWI sicherzustellen, haben wir uns nach sorgfältigen Tests für den Hexapod H-824 von Physik Instrumente entschieden.“ Beim eigentlichen Messvorgang muss dieser Hexapod dann auch den Prüfling in fünf Freiheitsgraden stabil positionieren. Hierbei müssen Soll- und Ist-Position sehr genau übereinstimmen. So dürfen beispielsweise die Abweichungen bei der Kippung 60 µrad nicht überschreiten.

Diese Anforderung erfüllt der Hexapod deutlich. Er eignet sich für Stellwege bis ±22,5 mm entlang der translatorischen Achsen X und Y und bis ±12,5 mm in Z-Richtung und erreicht bis ±7,5° um die rotatorischen Achsen θXY. Die Aktorauflösung beträgt 7 nm, und die kleinste Schrittweite liegt bei 0,3  μm in Richtung der X-, Y- und Z-Achse bei einer Wiederholgenauigkeit bis ±0,1 μm beziehungsweise ±2 μrad über den gesamten Stellweg.

Angesteuert wird der Hexapod vom Digitalcontroller C-887, der mit einer bedienerfreundlichen Software eine einfache Kommandierung ermöglicht. Die Positionen werden in kartesischen Koordinaten vorgegeben, alle Transformationen auf die Einzelantriebe übernimmt der Controller. Optional kommuniziert der Hexapod-Controller mit der übergeordneten Steuerung über EtherCAT und lässt sich so einfach in bestehende Anlagen integrieren. Dadurch erschließen sich in der Automatisierungstechnik und Robotik viele weitere Möglichkeiten.

Dipl. Geogr. Doris Knauer, Global Campaign Manager Industrial Automation bei Physik Instrumente, Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee / am

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