Kompakte Antriebe für "Hexapoden"

Die Miniaturisierung mechanischer, elektrischer und elektronischer Komponenten ist einer der wichtigsten Trends, die heute die Antriebstechnik prägen. Kleine aber leistungsfähige Motoren erschließen der Automatisierungstechnik neue Möglichkeiten. Eine Bereich, der besonders von den miniaturisierten Kraftpaketen profitiert, sind Mikrostellsysteme, die in den unterschiedlichsten Einsatzbereichen hochgenaue Positionieraufgaben übernehmen. Zur Mikropositionierung rechnet man dabei grundsätzlich Bewegungen mit Auflösungen unter dem Mikrometerbereich und Stellwege von einigen Millimetern bis zu einigen hundert Millimetern.

Im Bereich leistungsfähiger Mikrostellsysteme hat sich die Firma PI (Physik Instrumente) bereits seit über 30 Jahren einen Namen gemacht. Zu den Produkt-Highlights gehören heute moderne, sechs-achsige Parallelkinematik-Mikroroboter, die sich in unterschiedlichen Ausführungen für eine Vielzahl von Anwendungen eignen, angefangen von Handlingsystemen in der Elektronikfertigung und der Werkzeugkontrolle in Präzisionswerkzeugmaschinen über die Medizintechnik bis hin zu optischen Systemen, z.B. bei Weltraumteleskopen und Satellitenempfangsanlagen.

Prinzip "Flugsimulator"

Die Hexapod-Systeme basieren auf sechs hochauflösenden Aktoren, die auf eine gemeinsame Plattform wirken. Vom Prinzip her ist das die gleiche Arbeitsweise wie bei einem Flugsimulator, nur wesentlich genauer; statt von Hydraulikantrieben werden sie von hochgenauen Antriebsspindeln und präzise ansteuerbaren Elektromotoren angetrieben. Durch die geringe Masse der bewegten Plattform sind die Einschwingzeiten beim Positionieren deutlich kürzer als bei konven-tionellen, gestapelten Mehrachssystemen. Der über Softwarefunktionen frei definierbare Drehpunkt bleibt unabhängig von der Bewegung erhalten, was z.B. bei optischer Justage wichtig ist.
Für unterschiedliche Anwendungen werden die präzisen Parallelkinematik-Mikroroboter in drei Grundvarianten angeboten: Das M-850 ist das ideale Stellsystem für alle komplexen Positionieraufgaben, bei denen es auf hohe Belastbarkeit (bis 200 kg in vertikaler Richtung) und Genauigkeit ankommt. Jede Achse lässt sich individuell mit einer Auflösung bis 0,005 µm positionieren. Für geringere Lasten und höhere Geschwindigkeiten wurde der Parallelkinematik-Mikroroboter M-840 entwickelt. Lasten bis zu 10 kg können hiermit in beliebiger Orientierung mit einer Geschwindigkeit von bis zu 50 mm/s auf den Mikrometer genau angefahren werden. Die jüngste Entwicklung, der M-824, arbeitet mit "gefalteten" Antrieben und baut durch die spezielle Anordnung von Antrieb und Spindel sehr kompakt.
Allen drei Systemen gemeinsam ist, dass sie an die eingesetzten Antriebe hohe Anforderungen stellen. Besonders wichtig ist, dass sich die Antriebskomponenten in die Beine der Hexapoden integrieren lassen; d.h. möglichst kleine Baugrößen sind gefragt, die dennoch mit 3 bis 19 Watt vergleichsweise große Leistungen liefern sollen. Um die hohe Positioniergenauigkeit zu erreichen, müssen die Antriebssysteme außerdem möglichst spielfrei arbeiten und das über die lange Betriebsdauer der Mikrostellsysteme. Dabei sind auch eher raue Umgebungsbedingungen zu verkraften, z.B. beim Außeneinsatz. Mikrostellsysteme sind z.B. in Weltraumteleskopen und Satellitenempfangsanlagen eingesetzt, die in unwirtlichen Gebirgsregionen oder Wüstengebieten installiert sind.

Antriebe für die Hexapoden: klein, robust und leistungsstark

Gut erfüllen ließen sich alle diese Anforderungen mit DC-Kleinstmotoren aus dem FAULHABER Standard-Programm.
Der klassische Glockenankermotor mit eisenloser Rotorspule und Edelmetallkommutierung bietet für solche Anwendungsbereiche sehr günstige Voraussetzungen. Die kleinen und leichten DC-Antriebe arbeiten auch unter widrigen Umgebungsbedingungen zuverlässig. Sie verkraften Umgebungstemperaturen zwischen – 30 °C und + 125 °C und lassen sich – entsprechend ausgelegt – auch durch hohe Luftfeuchtigkeit (bis 98 %) nicht in der Funktion beeinträchtigen. Ein wichtiger Gedanke bei der Motorenauswahl war außerdem der sofortige und drehmomentstarke Anlauf der Gleichstrommotoren nach Anlegen einer Spannung. Eine direkte Reaktion auf die Steuersignale ist so sichergestellt. Die freitragende Kupferspule erlaubt zudem leichte Motoren mit Wirkungsgraden bis über 80 %.
Je nach Ausführung und Einsatzbereich der Hexapoden werden die DC-Motoren mit Untersetzungsgetrieben kombiniert. Die spielarmen Stirnrad-Getriebe in Ganzmetallausführung überzeugen vor allem durch ihren gleichmäßigen und ruhigen Lauf.
Zur Vermeidung von Umkehrspiel sind die Getriebe in den meisten Fällen vorgespannt. Motor und Getriebe bilden eine kompakte Einheit und sind bei einem Durchmesser von unter 25 mm nicht einmal 60 mm lang. Selbst bei den eher beengten Einbauverhältnissen in den Hexapoden-Beinen lassen sie sich dadurch gut integrieren. Auch die elektrische Anbindung ist unproblematisch. Die DC-Getriebemotoren können direkt von PC-Karten ohne Zusatzverstärker angesteuert werden. Teilweise integriert der Hexapoden-Hersteller aber auch Servoverstärker mit Eingängen für pulsweitenmodulierte Signale motornah in der Grundplatte der Hexapoden.

Positionserfassung mit magnetischen Impulsgebern

Für eine präzise Positionierung ist es zwingend notwendig, die Ist-Position der Motoren zu kennen. Auch hierfür fand sich im FAULHABER Programm eine passende Lösung. Bei den in den Hexapoden eingebauten DC-Kleinstmotoren werden die aktuellen Positionen mit magnetischen Impulsgebern erfasst, die 512 Impulse pro Umdrehung liefern. Durch vierfache Interpolation und unter Berücksichtigung der Spindelsteigung ergeben sich daraus Auflösungen bis 0,005 µm.
Die Impulsgeber bestehen aus einer mehrpoligen, trägheitsarmen Permanent-magnetscheibe, die je nach Motortyp entweder auf der Motorwelle oder direkt im Rotor des Motors integriert ist. Magnetsensoren erfassen die Änderungen des Magnetflusses. Am Ausgang stehen dann zwei um 90° phasenversetzte inkrementale Ausgangssignale zur Verfügung, die die Systemsteuerung der Hexapoden anschließend weiterverarbeitet. Die Versorgungsspannung für Impulsgeber und den DC-Kleinstmotor sowie die Ausgangssignale werden über ein Flachbandkabel mit Stecker angeschlossen.

Parallel- und Seriell-Kinematik im Vergleich

In der Kinematik unterscheidet man prinzipiell zwischen Parallel- und Seriell-Kinematik. Bei seriellen Systemen wirkt jeder Aktor auf eine eigene Stellplattform, ist also eindeutig einer Achse zugeordnet. Dadurch vereinfachen sich zwar der mechanische Aufbau und die Regelung. Da sich Führungsfehler bei den "gestapelten" Systemen jedoch addieren, ist die Genauigkeit geringer als bei den so genannten Parallelsystemen. Im Gegensatz zur seriellen Kinematik wirken hier alle Aktoren unmittelbar auf die gleiche Plattform, was außer der größeren Genauigkeit noch weitere Vorteile bringt: z.B. geringere Massenträgheit und damit eine höhere Dynamik, keine bewegten Kabel, die Reibungsverluste erzeugen, und einen deutlich kompakteren Aufbau. Die Steuerung solcher Systeme ist allerdings recht anspruchsvoll und erfordert eine gehörige Portion Know-how.

Die in den Hexapoden eingesetzten Antriebssysteme müssen auch eher raue Umgebungsbedingungen verkraften, z.B. beim Außeneinsatz in Satellitenempfangsanlagen in unwirtlichen Gebirgsregionen oder Wüstengebieten
Dieses Hexapod-System arbeitet mit "gefalteten" Antrieben und baut durch die spezielle Anordnung von Antrieb und Spindel sehr kompakt
Die Hexapod-Systeme basieren auf sechs hochauflösenden Aktoren, die auf eine gemeinsame Plattform wirken