WHITEPAPER – HEXAPODEN IM MASCHINENBAU
Dipl.-Phys. Birgit Schulze, Ellen-Christine Reiff

Hexapoden im Maschinenbau
Was kann Parallelkinematik leisten?

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG_Auf der Römerstraße 1_76228 Karlsruhe
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019 E-Mail info@pi.ws, www.pi.de

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Der Maschinen- und Anlagenbau lebt schon immer vonWerden

Innovationen, d.h. von kreativen Ideen und derenebenfalls jeweils einem Antrieb zugeordnet und messen

wirtschaftlicher Umsetzung. Das gilt heute mehr denn je,

nurdenn in vielen Bereichen der Automatisierungstechnik

entsprechenden

steigen die Anforderungen an die Präzision und ein

Bewegungen in den anderen fünf Freiheitsgraden

Ende dieser Entwicklung ist noch keineswegs in Sicht.

können nicht erkannt und ausgeregelt werden, weshalb

Werden mehrachsige Systeme gebraucht, lohnt esdeshalb, sich mit Parallelkinematik zu befassen. Ein

diePositionssensorenBewegunginintegriert,demStellachse.

sinddieseFreiheitsgrad

Allederunerwünschten

es zur Akkumulation von Führungsfehlern kommt.

„Sechsfüßler“ reichen üblicherweise von wenigen bis zu

Parallelkinematik undParallelmetrologie

einigen hundert Millimetern und selbst große Lasten

In einem Parallelkinematik-Mehrachsensystem dagegenlassen sich mit ihrer Hilfe auf den Mikrometer genau

wirken alle Aktoren unmittelbar auf die zentrale bewegte

positionieren. Da sie mittlerweile „gelernt“ haben, überPlattform.

Feldbus-Interfaces

Resonanzfrequenzen

Beispiel hierfür sind Hexapoden. Die Stellwege dieser

direktmitSPS

oderCNC-Nur

dadurchundlassen

sich

identisches

gleichedynamisches

Steuerungen zu kommunizieren, erschließen sie dem

Verhalten für die Achsen erzielen. Die bekannteste

Maschinenbau interessante Möglichkeiten.

Anwendung von sechsachsigen parallelkinematischen

Für die Konstruktion mehrachsiger Positioniersystemen
gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten: Serielle Kinematik
und parallele Kinematik (Abb. 1).

Systemen sind wahrscheinlich Flugsimulatoren; hierwirken sechs Aktoren auf eine gemeinsame Plattform,
die sich in alle Richtungen bewegen und um dieseverkippen kann. Industrielle Hexapoden, die sich für den
Maschinenbau

eignen,sindallerdings

wesentlich

genauer. Statt von Hydraulikantrieben werden sie jenachAnwendungsanforderungenvonhochpräzisen

Antriebsspindeln und exakt ansteuerbaren DC-Motoren
oder direkt von Linearmotoren, z. B. auf Basis vonpiezokeramischen Aktoren, angetrieben.

Abb.
1
Ein
parallelkinematischer
SechsachsPositionierer ist wesentlich kompakter und steifer als ein
vergleichbarer
seriellkinematischerAufbau
ausgestapelten einachsigen Verstellern
Serielle Kinematik ist einfacher im Aufbau und die
Ansteuerung der Einzelachsen ist wenig komplex. Sie
hat jedoch eine Reihe von Nachteilen gegenüber den
leistungsfähigeren und eleganteren ParallelkinematikSystemen.

Denn

Mehrachsensystem

in
ist

einem
jeder

Aktor

Bewegungsfreiheitsgrad zugeordnet.

Seriellkinematikgenau

einem

Abb. 2 Hexapoden gibt es unterschiedlichen Baugrößen
und mit verschiedenen Antriebsprinzipien

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Unabhängig

vom

Antriebsprinzip

ermöglichen

parallelkinematische Systeme die einfache Integration
vonParallelmetrologie.

Dadurchlassensich

allegeregelten Freiheitsgrade gleichzeitig überwachen unddadurch

Führungsfehler

inEchtzeit

kompensieren(Active Trajectory Control). Die Vorteile sind deutlich
bessereBahntreue,

Wiederholgenauigkeit

undAblaufebenheit, geringere bewegte Masse und damit
eine höhere und für alle Bewegungsachsen gleiche
Dynamik, kein Kabelmanagement, da die Kabel nicht
bewegt werden, und ein deutlich kompakterer Aufbau.
Letzteresvereinfacht

imMaschinenbau

z. B.

dieSicherheitsschaltungen, da sich der Hexapod nur
innerhalb

desvergleichsweiseüberschaubaren

Arbeitsraums bewegt. Gleichzeitig bieten Hexapoden
dank

ihrer

Anpassungsfähigkeit

Integrationsmöglichkeiten

in

sehr

gute

unterschiedliche

Applikationen (Abb. 2).

BereichPositioniert wird mit bis zu sechs Freiheitsgraden in 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

Positionieren mit bis zu sechs
Freiheitsgraden
ImAbb.
3
Hexapoden
habensichinvielenAnwendungsbereichen
bewährt,z.B.
auchbei
Teleskopen (Bild: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO))

leistungsfähiger

mehreren Zentimetern möglich. Die Reproduzierbarkeit
erreicht ebenso wie die kleinste Schrittweite Werte bis

hochpräziser

Positioniersysteme mit bis zu sechs Bewegungsachsen
hat sich Physik Instrumente (PI) seit mehr als vierJahrzehnten einen Namen gemacht.

unter einem Mikrometer.
Der Maschinenbau kann davon in mehrfacher Hinsicht
profitieren: So gibt es Anwendungen, die eine solch
große Genauigkeit erfordern. Ein Beispiel dafür sind

Im Produktprogramm finden sich auch leistungsfähige

hochpräzise Erodierverfahren. Sie eignen sich für Teilesechsachsige parallelkinematische Systeme in einer

mit komplizierten Konturen, die – etwa beim Fräsen –Vielzahl unterschiedlicher Ausführungen, die sich fürnicht ideal aufzuspannen sind. Die Elektrode wird dannunterschiedliche Lasten eignen, mit verschiedenen

vom Hexapod bewegt, während das Werkstück fix bleibt.

Antriebsarten

angeboten

verschiedensten

werdenundUmgebungsbedingungenfürdieausgelegtsind.

Ähnlichesgilt

lassensich

imeingesetzt

werden,lassensichAnwendungen

Platten oder Werkstücke mit Hilfe der Hexapoden

abdecken, angefangen von Handlingsystemen in derpräzise ausrichten; weitere Anwendungsbereiche gibt esElektronikfertigung

zum Beispiel bei der Laserstrahlsteuerung.

oderzahlreiche

Drahtbiegearbeiten

Hochpräzisionsbereich. Wo optische Methoden zur
Qualitätssicherung

DadurchfürderWerkzeugkontrolle

inPräzisionswerkzeugmaschinen über die Medizintechnikbishinzu

optischen

Systemen,z. B.

bei

Weltraumteleskopen (Abb. 3).

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Aber auch wenn es nicht auf den Nano- oder Mikrometer

Alle anderen Berechnungen, die notwendig sind, um dieankommt,

Fahrbefehle

erschließen

parallelkinematischefürdasparallelkinematische

Mehrachssysteme dem Maschinenbauer interessanteSechsachssystemumzusetzen,

Möglichkeiten, beispielsweise bei Werkstücken, die mit

Hexapodcontroller,alsomehreren Bohrungen versehen werden sollen. Sind hierkartesischen Soll-Positionen in die Ansteuerung derVorgaben wie Versatz oder Neigung zu berücksichtigen,Einzelantriebe.

vereinfachen

Hexapoden

Freiheitsgraden

indermit

ihren

Bewegung

dieübernimmt

derTransformationdersechsebenfallsdenProduktionsablauf. Ähnliches gilt für Montagearbeiten,denn selbst große und schwere Teile lassen sich mit
Hilfe von Hexapoden passgenau ausrichten, z. B. im
Fahrzeug-, Flugzeug- oder Schwermaschinenbau.

Taktsynchron im
Automatisierungsverbund
Durch

die

direkteAnbindungsmöglichkeit

andieSteuerung lassen sich die Hexapod-Systeme praktischin jeden Automatisierungsverbund integrieren und auchdieTaktsynchronisierung

mit

anderenAutomatisierungskomponenten ist gut realisierbar, z. B.
bei automatischen Zuführungen etc. (Abb. 4).
Die SPS kann mit dem Hexapod-System dann über eineAbb.
4Standardisierte
Feldbusschnittstellenvereinfachen
dieIntegration:
Hexapodbeim
automatischen Fräsen

standardisierte Feldbusschnittstelle kommunizieren. Sie

Der Controller verhält sich in diesem Fall wie ein

gibt als Master die kartesische Soll-Position bzw.

intelligenter Antrieb (Abb. 5). Die Zykluszeiten für dieBahnen im Raum vor und bekommt die Ist-Positionen

Vorgabeebenfalls über die Feldbusschnittstelle zurückgemeldet.

Synchronisation liegen zwischen 1 und 3 ms.

neuerPositionen,Signalauswertung

Abb. 5 Blockschaltbild: Der Hexapod-Controller verhält
sich wie ein intelligenter Antrieb. Durch die
Austauschbarkeit des Feldbus-Interfaces ist die
Kommunikation mit einer Vielzahl von SPSen bzw. CNCSteuerungen möglich

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Feldbusschnittstellen gibt es aktuell als austauschbare
Module für EtherCAT und Profinet. Dadurch sind die
Hexapodsysteme

bereitszu

einerVielzahl

an

Feldbussystemen kompatibel, bei Bedarf werden weitere
Feldbus-Interfaces wie Profibus, CANopen, SERCOS
oder andere folgen.

Modularer Aufbau für maximale
Flexibilität
Die Hexapoden selbst können sehr unterschiedlichaufgebaut sein. Die modulare Konzeption ermöglicht
anwendungsspezifische Anpassungen innerhalb kurzer
Zeit. Die Beine sind so konstruiert, dass ihre Länge

Natürlich kann auch der Hexapodcontroller selbst statteinfachder übergeordneten Steuerung die Positionsregelung

erforderliche Elektronik für Referenz- und Endschalter,übernehmen. Dann wird allerdings von der SPS nur ein

Positionssensor und – je nach Motor – elektronische

Positionskommando abgesetzt und während des Ablaufs

Kommutierung. So können sie über standardisierte

lässt

Gelenke mit nahezu beliebige Geometrien der Grund-sichdieBewegung

nicht

mit

anderen

Antriebsachsen, Messsystemen etc. synchronisieren.

skaliert

werdenkann.

Sieenthalten

dieund Deckplatte kombiniert werden. Für eine bestimmte
Aufgabe die passende Lösung zu finden vereinfacht sich

Präzise Bahnsteuerung undbenutzerdefinierte
Koordinatensysteme

dadurch, zumal Hexapoden ohne weiteres auch große
Lasten bis zu mehreren Tonnen mit der ihnen eigenen
Präzision positionieren und verfahren können.

Wenn keine übergeordnete SPS vorhanden oder keine

Wo überall in der Automatisierungstechnik und imSynchronität

Maschinenbau man zukünftig von diesen Vorzügen

mitanderen

Systemkomponenten

notwendig ist, kann der Hexapodcontroller neuerdings
auchBahnen

aufBasisvonG-Codeprofitieren wird, darauf darf man gespannt sein.

nachAutorinnen

DIN 66025/ISO 6983 steuern.
Der Vorteil von G-Code ist, dass er von SoftwareWerkzeugenzurSystemen)leichtBahngenerierung(sog.

erzeugt

kannwerden

CAMundinProduktionstechnik und Maschinenbau sehr gut etabliert
ist.

Durchdenjetzt

imHexapod-Controller

implementierten G-Code-Interpreter lassen sich dann mit
dem

Hexapod-Systemwährend

derWerkstück

Bearbeitung

mitoderWerkzeug

großerPräzision

ruckbegrenzt verfahren, ohne dass die Mechanik ins

Dipl.-Phys. Birgit Schulze, Produktmanagerin bei Physik
Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

Schwingen kommt.
Um

eine

perfekte

Anpassungder Bahn

an dieApplikationserfordernisse zu gewährleisten, kann man
mit dem Controller verschiedene Koordinatensysteme
definieren,

beispielsweiseWork-undToolkoordinatensysteme, die sich auf die Lage desWerkstücks oder des Werkzeugs beziehen.

Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee

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Dipl.-Phys. Birgit Schulze, Ellen-Christine ReiffÜber die PI Gruppe
In den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik
Instrumente (PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum
führenden

Hersteller

Genauigkeiten

imvonPositioniersystemen

Bereicheinzelnermit

Nanometer

entwickelt.
Das privat geführte Unternehmen ist mit vier Sitzen inDeutschland und zehn ausländischen Vertriebs- undServiceniederlassungen international vertreten. Über700 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Weltversetzen die PI Gruppe in die Lage, fast jede
Anforderung aus dem Bereich innovativer PräzisionsPositioniertechnik zu erfüllen.
Alle Schlüsseltechnologien werden im eigenen Haus
entwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin
zur

Auslieferung

kontrolliert

werden:diePräzisionsmechanik und Elektronik ebenso wie die
Positionssensorik.

Die

piezokeramischen

Elemente

dafürbenötigten

werdenbei

derTochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem
der weltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet
aktorischer

undPI miCosGmbH

spezialisiert

sensorischer

aufinEschbachflexiblePiezoprodukte.
beiFreiburg

ist

Positioniersysteme

fürUltrahochvakuum-Anwendungenparallelkinematische

Die

Positioniersysteme

sowie
mit

sechs

Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.

PI Hauptsitz in Karlsruhe: Mehr als 350 Mitarbeiterentwickeln und fertigen hier eine breit gefächerte Palette
hochauflösender Antriebssysteme undPositionierlösungenPhysik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG_Auf der Römerstraße 1_76228 Karlsruhe
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