Pro Bewegung ein Antrieb: Das ist der klassische Aufbau von Positioniersystemen. Sollen mehrere Bewegungen ausgeführt werden – beispielsweise in X-, Y- und Z-Richtung – werden einfach mehrere Linearachsen bzw. -tische übereinandergestapelt. Bis zu einem gewissen Punkt funktioniert das hervorragend. Kritisch wird es, wenn viele Freiheitsgrade im Spiel sind, denn dann wird der Stapel aus Achsen und Tischen relativ hoch – und damit im oberen Bereich instabil. Auch steigen Platzbedarf, Gewicht und Kosten schnell in die Höhen. Abhilfe schaffen parallelkinematische Konzepte. Bei diesen erfolgt das Zustellen einer Bewegung mittels mehrerer Antriebe, die parallel zur gleichen Zeit arbeiten. Das bietet entscheidende Vorteile, vor allem hinsichtlich Präzision und Bauraum, wie Dr. Alexander Bromme, Geschäftsführer von Steinmeyer Mechatronik, erklärt: „Parallelkinematische Positioniersysteme sind deutlich kompakter und steifer als klassische Konstruktionen, bei denen jeder einzelne Freiheitsgrad mit einem separaten Antrieb realisiert wird. Dadurch können sie präziser positionieren und kommen mit weniger Bauraum aus.“ Insbesondere Anwendungen mit kleinen Verfahrwegen, hohen Genauigkeiten und vielen zu verstellenden Achsen profieren von diesem Konzept. Die Firma entwickelt und produziert alle Parallelkinematiken exakt nach den Vorgaben der Kunden – vollständig montiert, ausgestattet mit der notwendigen Steuerung und getestet nach kundenindividuellen Kriterien. Je nach Applikation werden DC-, AC-, Schritt-, Linear- oder Piezomotoren eingesetzt. Die kinematischen Entkopplungen können über klassische Gelenke, Festkörpergelenke, Dreh- und Linearführungen oder Luftlager erfolgen. Auch Lösungen für anspruchsvolle Umgebungen wie Hochvakuum, Ultra-Hochvakuum und für nichtmagnetische Baugruppen lassen sich wirtschaftlich umsetzen.
Wiederholbarkeit der Position von ±0,75µm
Was Parallelkinematiken in der Praxis leisten können, wird am Ausrichtprozess einer 60x60cm Druckschablone deutlich. Die Anforderungen: XY-Verstellbereich von ±10mm, Phi-Verstellbereich von ±1°, Wiederholgenauigkeit besser ±2µm, Verfahrzeit unter einer Sekunde, Lebensdauer von zehn Millionen Zyklen in zehn Jahren, ein wartungsfreier 24/7-Betrieb – und das alles in einer Industrieumgebung mit hoher Partikelbelastung. „Ein Aufbau mit klassisch übereinander gestapelten Tischen wäre sehr groß, schwer sowie teuer geworden und stellte damit keine sinnvolle Option dar“, so Dr. Bromme. Die Lösung: ein parallelkinematisches 3-DOF-Positioniersystem mit Luftlagern und Direktantrieben. Dieses erfüllt die Kundenvorgaben hinsichtlich Präzision, Geschwindigkeit, Verschleiß und Lebensdauer optimal und ist gleichzeitig extrem kompakt gebaut. Die Wiederholbarkeit der Position liegt bei ±0,75µm (±3 Sigma).
Unschlagbar in puncto Präzision und Kompaktheit
Trotz aller Vorteile (viele Freiheitsgrade, kleine Verfahrwege, höchste Präzision, beengter Bauraum) stehen Anwender parallelkinematischen Positioniersystemen teilweise skeptisch gegenüber. Das hängt mit der Funktionsweise und dem damit verbundenen höheren Steuerungsaufwand zusammen. „Bei einem herkömmlichen XYZ-System ist sofort nachvollziehbar, welche Achse welche Bewegung ausführt. Bei einem parallelkinematischen System ist dies nicht der Fall, da dort mehrere Aktuatoren an der Ausführung einer Bewegung beteiligt sind. Die Steuerung ist nicht intuitiv“, so Dr. Alexander Bromme. Abschrecken lassen sollte sich davon allerdings niemand. Zum einen versorgen Hersteller von Parallelkinematiken wie Steinmeyer Mechatronik ihre Kunden mit den erforderlichen Software-Modulen, sodass die Bedienung zum Kinderspiel wird. Zum anderen sind die Mehrwerte hinsichtlich Präzision und Kompaktheit einfach unschlagbar.
