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DER KONSTRUKTEUR 9/2015

DER KONSTRUKTEUR 9/2015

AUTOMATISIERUNGSTECHNIK

AUTOMATISIERUNGSTECHNIK Parallelkinematik für Forschung und Industrie Hexapod positioniert schwere Lasten auf den Mikrometer genau Birgit Schulze, Ellen-Christine Reiff Wenn es um komplexe Bewegungsführung bzw. Positionierung im dreidimensionalen Raum geht, bieten Hexapoden mit ihrer Parallelkinematik außerordentliches Potenzial. Sie können zum Beispiel mikrometergenau selbst tonnenschwere Lasten bewegen, wie im folgenden Beispiel einer Anwendung zur Materialforschung im Forschungszentrum DESY in Hamburg. 01 Prinzipaufbau: Bei parallelkinematischen Systemen wirken alle Aktoren unmittelbar auf die gleiche Plattform Dipl.-Phys. Birgit Schulze, Physik Instrumente (PI), Karlsruhe, Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee Hexapoden sind parallelkinematische Positioniersysteme, die es heute in vielen Ausführungen mit Stellwegen bis zu einigen Hundert Millimetern gibt. Sie können Lasten von einigen Kilogramm bis zu einigen Hundert Kilogramm oder sogar mehrere Tonnen auf den Mikrometer genau positionieren, und das in beliebiger Raumorientierung, also unabhängig von der Montage- Richtung. Die Vorteile gegenüber seriellen, also gestapelten Systemen, sind vor allem die deutlich bessere Bahntreue, Wiederholgenauigkeit und Ablaufebenheit, die geringere bewegte Masse und damit eine höhere und für alle Bewegungsachsen gleiche Dynamik, kein Kabelmanagement und ein deutlich kompakterer Aufbau. Positioniert wird mit bis zu sechs Freiheitsgraden: drei linearen und drei rotatorischen Bewegungsachsen. Dabei sind abhängig von der Geometrie des Hexapoden Bewegungen von einigen Grad bis zu 60 Grad und bei der Linearbewegung von einigen Millimetern bis zu mehreren Zentimetern möglich. Die Reproduzierbarkeit erreicht ebenso wie die kleinste Schrittweite Werte bis unter einem Mikrometer. Durch die geringe Masse der bewegten Plattform sind bei den Hexapoden die Einschwingzeiten beim Positionieren deutlich kürzer als bei konventionellen, gestapelten Mehrachssystemen. Diese Eigenschaften lassen sich in den unterschiedlichsten Anwendungen nutzen. Die Palette reicht von Maschinenbau und Robotik bis zu Medizintechnik und eben auch der Materialforschung am Forschungszentrum DESY, wo mithilfe des Speicherrings PETRA-III-Röntgenstrahlung erzeugt wird, die stärker und gebündelter ist als bei allen anderen Speicherringen der Welt. Fit für die Materialforschung Die erzeugten Röntgenstrahlen sind bis zu 5000 mal feiner als ein menschliches Haar, womit sich extrem kleine Proben untersuchen lassen, z.B. winzige Kristalle aus Proteinen oder Nanokristalle für Speichermedien der Zukunft. Außerdem stellt PETRA III aber auch sehr harte, also kurzwellige 40 Der Konstrukteur 9/2015

AUTOMATISIERUNGSTECHNIK Positioniersysteme tatsächlich in der Industrie so ablaufender Prozesse – beim Schneiden von Werkstücken, Beschichten von Oberflächen zur Härtung oder Verbesserung tribologischer Eigenschaften, Verformen, Schweißen, Wärmebehandeln, auch Kombinationen dieser Techniken – ermöglicht erst unser hochsteifer Hexapod mit seiner enormen Die Palette der Anwendungen reicht von Maschinenbau und Robotik über Medizintechnik bis zur Materialforschung Röntgenstrahlung zur Verfügung, die tief in die Materie eindringen und auch größere Materialstärken durchdringen kann. Damit lassen sich z. B. Schweißnähte prüfen, Ermüdungserscheinungen an Werkstücken messen, um Aufschluss über zu erwartende Standzeiten und Lebensdauer zu erhalten, oder neue Metalllegierungen zu analysieren. Dabei können Effekte nachgewiesen werden bis hinunter zu Domänen- und Kristallstrukturen. Die Möglichkeiten, die sich daraus für die Materialforschung ergeben, macht sich das Helmholtz-Zentrum Geesthacht zunutze, z. B. für In-situ-Messungen von Materialeigenschaften, die während Umformprozessen auftreten. Die mechanische Belastung führt zu Zug- und Dehnspannungen innerhalb des Materials. Die Untersuchung mithilfe des Röntgenstrahls zeigt dann den zeitlichen Verlauf der Effekte innerhalb des Materials auf kristalliner Ebene in mikrometergroßen Domänenbereichen. Kräftiges Positioniersystem Herzstück der entsprechenden Experimentierkammer ist ein Hexapod, der von der Karlsruher Firma Physik Instrumente (PI) entwickelt wurde. Dr. Norbert Schell, verantwortlicher Wissenschaftler der HEMS- Beamline, erklärt die Zusammenhänge: „Für eine immer größer werdende Reihe von In-situ-Untersuchungen realer, d. h. Tragfähigkeit und mikrometergenauen Positionierung die Durchführung und damit die wissenschaftliche Durchleuchtung der dabei auftretenden Strukturänderungen auf atomarer Ebene. Das ist hochinteressant und auch wichtig für ein Verständnis der ablaufenden Prozesse, die letztendlich für maßgeschneiderte Materialien optimiert werden.“ Das parallelkinematische Sondermodell, der M-850K (Bild 1), bietet mikrometergenaue Positionierung für Lasten bis zu einer Tonne in jeder Orientierung. Er ist ca. 700 mm hoch und hat einen Durchmesser von 800 mm (obere Plattform, mit großer Apertur) bzw. 900 mm (unten). Die untere Plattform ist auf einem 360°-Drehtisch montiert; die Verkabelung wurde schleppkettentauglich ausgelegt. Durch seine große Tragfähigkeit von bis zu einer Tonne kann der Hexapod den vollständigen Messaufbau tragen mitsamt der Vorrichtung zum Aufbringen der mechanischen Beanspruchung. Dabei positioniert der Hexapod auch große Massen über Strecken von 400 mm IEF jetzt auch auf: Linearantriebe für Präzision, dynamisches Verfahren oder kraftvolles Bewegen: neue Ideen und raffinierte Lösungen für anspruchsvolle Handhabungsaufgaben tausendfach erprobte Antriebskomponenten Sicherheit im Hinblick auf Qualität, Termine und Kosten 02 PETRA III am Forschungszentrum DESY bietet Wissenschaftlern aus aller Welt exzellente Experimentiermöglichkeiten ief- .de

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