Tripod auf XY-Kreuztisch von Steinmeyer versus Hexapod

Links: Die Kombination Tripod auf XY ist in vielen Applikationen technisch sowie wirtschaftlich eine ideale Lösung. Rechts: 5DOF Miniatur-XYZ-Phi-Delta Positioniersystem (Tripod auf XY Stage mit Apertur) für die aktive Ausrichtung und Montage von Optiken

Bei der Messung, Montage und Inspektion von Linsen, Prismen, Wafern oder Halbleiterchips ist höchste Präzision im Mikrometer- und Submikrometerbereich gefragt. Die Zuführung der Komponenten auf den Träger übernehmen in der Regel jedoch Systeme, die auf große Wege, höchstmögliche Taktzeiten und eine robuste, preiswerte Ausführung optimiert sind. Extreme Genauigkeiten? Fehlanzeige. Auch ist die Anzahl der Bewegungsfreiheitsgrade meist eingeschränkt. So ist beispielsweise keine Kippung in zwei Richtungen möglich, wenn der Transport mit einem XYZ-System erfolgt. Zur Erfüllung der hohen Genauigkeitsanforderungen müssen die Komponenten daher nach der Zuführung noch mit einer separaten Alignment-Vorrichtung ausgerichtet werden. In vielen Fällen geschieht dies mit einem Hexapoden. Doch ist dies immer die bestmögliche Lösung? Mitnichten. Innovative Ansätze wie der Tripod auf einem XY-Kreuztisch von Steinmeyer Mechatronik sind hochpräzise, robust sowie einfach zu bedienen und haben sich in zahlreichen Alignment-Applikationen der Halbleiterindustrie erfolgreich als anwenderfreundliche und wirtschaftliche Alternative bewährt.

Universalität hat ihren Preis

Hexapoden sind parallelkinematische Systeme und erzeugen durch das kontrollierte Überlagern von einzelnen Linearbewegungen beliebige Raumbewegungen. Mehrere Antriebe stützen parallel das Bauteil aus verschiedenen Richtungen, was theoretisch einen Vorteil in der Steifigkeit offeriert. Auch virtuelle Drehzentren, also die Drehung um Achsen außerhalb des Bewegungssystems, lassen sich bewerkstelligen. Hexapoden sind äußerst populär und gelten als das Nonplusultra für hochgenaue Ausrichtprozesse. Doch wie bei allen universell angelegten Systemen geht es nicht ohne Kompromisse. Die Knackpunkte liegen vor allem in der komplexen Mechanik, im hohen Steuerungsaufwand, im Auftreten von Nichtlinearitäten sowie in der eingeschränkten Industrietauglichkeit.

Links: Werden größere Kippungen bis ±10° benötigt, bietet sich eine Kombination aus einem sehr steifen Kardan-Mechanismus und einem Kreuztisch an. Rechts: Das MP250-4 Miniatur-XY-Phi-Delta Positioniersystem (Kardan auf XY Stage mit Apertur) besteht aus drei vertikal wirkenden Präzisionsachsen, die mit einer beweglichen Lastplatte verbunden sind.

Kleine Änderungen verursachen große Wirkungen

Bei Hexapoden ist der Zusammenhang zwischen Positioniergenauigkeit und Auslenkung stark nichtlinear. Im Bereich einer geringen Auslenkung um die Mittelstellung werden die gewünschten Genauigkeiten und Steifigkeiten gut eingehalten, mit zunehmender Auslenkung verschlechtern sie sich jedoch rapide. Nun müssen bei einem Hexapoden bis zu sechs Antriebe gleichzeitig arbeiten, um die gewünschte Bewegung zu realisieren – und jeder bringt seinen Beitrag zum Fehler mit. Im schlimmsten Fall ist die Summe der Fehler also sechsmal höher. Um diese Nichtlinearitäten auszugleichen, muss jeder Einzelaktor in einer extrem hohen Präzision gefertigt werden. Entsprechend hoch gestaltet sich der Preis.

Der Einsatz von Hexapoden ist mit diversen Hürden verbunden

Apropos Preis: Im Gegensatz zum Laborbereich, wo kontrollierte Bedingungen und Kräfte herrschen, erfordern automatisierte Anlagen in Produktionsumgebungen ein Höchstmaß an Robustheit und unbedingte Zuverlässigkeit. Hexapoden stoßen diesbezüglich schnell an ihre Grenzen. Nur mit hohen Kosten und durch sehr wenige Anbieter lassen sich industrietaugliche Konzepte realisieren, die sich im rauen Umfeld dauerhaft behaupten können. Hinzu kommt die Komplexität von Hexapoden, die trotz aller Fortschritte und Anstrengungen einer breiten Einführung in Maschinenanwendungen und der Automatisierung im Weg steht. Auch sind die Softwaremodule, die die notwendigen Transformationen aus den kartesischen Eingangskoordinaten errechnen, selten für den Einsatz mit SPS-Steuerungen (Siemens, Beckhoff, Bosch-Rexroth etc.) kompatibel. Das begrenzt die Möglichkeiten für den industriellen Einsatz weiter. Anpassungen der Drehzentren können nur innerhalb der mitgelieferten Softwaremodule ausgeführt werden. Diese in die Bediensoftware der Maschine, die auf G-Code basiert, zu integrieren, stellt eine weitere, nicht unerhebliche Hürde dar.

Links: Zentralgelenk an XYZ: Dank eines zentralen Kugelgelenks sind alle sechs Freiheitsgrade verstellbar. Rechts: Der MT130-3-3 Miniatur-6-Achs-Aligner (Zentralgelenk an XYZ) kombiniert die linearen Bewegungen des MP130 mit weiteren drei rotativen Bewegungen von ± 2 Grad.

Tripod auf XY-Kreuztisch statt Hexapod

„Bei Nutzung aller sechs Freiheitsgrade im Raum und unter Beachtung der bei großen Auslenkungen stark eingeschränkten Genauigkeit sind Hexapoden in der Qualitätssicherung und bei Montageaufgaben mit geringem Jahresdurchsatz durchaus sinnvoll“, so Elger Matthes, Entwicklung und Produktmanagement bei Steinmeyer Mechatronik. „Sind jedoch höhere Genauigkeiten, Robustheit und Zuverlässigkeit gefragt, wie beispielsweise bei 3D-Druck-Systemen, dann empfiehlt sich eine andere Bauweise – und zwar ein Tripod auf einem klassischem XY-Kreuztisch.“ Die Kombination aus kartesischem Stapel und Parallelkinematik positioniert hochpräzise über den gesamten Verfahrweg, benötigt nur wenig Bauraum, ist einfach ansteuerbar und schafft dank seines robusten Aufbaus unter Industriebedingungen Millionen von Zyklen. Damit ist sie dem Hexapoden in vielen Applikationen klar überlegen.

Weniger zu bewegende Antriebe bedeutet geringere Komplexität

Mit einem Tripod auf einem XY-Kreuztisch lassen sich bis zu fünf Freiheitsgrade realisieren: Bewegungen in X- und Y-Richtung, Höhenverstellung entlang der Z-Achse sowie zwei Kippungen in Phi und Delta. Dank des kartesischen Grundgerüsts können die Verfahrwege für die X- und die Y-Bewegungen linear und damit hochpräzise ausgeführt werden. Die Anzahl der gleichzeitig synchronisiert zu bewegenden Antriebe ist auf drei reduziert, in zahlreichen Fällen sind es sogar nur zwei. Das hilft, die Komplexität der Ansteuerung überschaubar zu halten. „Die Mehrheit der auszurichtenden Teile ist rotationssymmetrisch, wie im Fall von Linsen. Damit entfällt die Drehung um die optische Achse beim Ausrichten“, erklärt Elger Matthes und ergänzt: „Für die hochgenaue 360°-Messdrehung zur Überprüfung der Qualität der Rotationssymmetrie vor der Montage kommen parallelkinematische Systeme ohnehin nicht infrage – zu ungenau und zu unbeweglich (keine unbegrenzte Drehung möglich). In der Regel übernimmt diese Aufgabe ein frei drehbarer, luftgelagerter Präzisionsdrehtisch.“

Durch das Wirken von drei geometrisch parallelen Antrieben ist der Aufbau des Positioniersystems in Vertikalrichtung sehr steif – ideal für große Lasten. In den anderen Richtungen sind die geforderte Steifigkeit und Kraft ebenfalls unproblematisch, da auf vorhandene, entsprechend dimensionierte Standardtische zurückgegriffen werden kann. Mit einem Tripod auf XY lassen sich beliebige Stellwege in den translativen Freiheitsgraden realisieren. Was Kippungen betrifft, liegt der Korrekturbedarf in optischen Anwendungen und in der Mikromontage typischerweise unter ±1° bzw. ±2°. Das erlaubt den Einsatz von Festkörpergelenken zur Korrektur der parasitären Seitenbewegungen. Dadurch wird die Genauigkeit der drei vertikalen Antriebe spielfrei, verschleißfrei und fast vollständig linear auf den Prüfling übertragen. Virtuelle Drehpunkte sind realisierbar.

Hexapoden gelten als das Nonplusultra für hochgenaue Ausrichtprozesse, sind aber nicht für alle Anwendungen die optimale Wahl.

Höchste Präzision, kompakte Bauweise, einfache Ansteuerung

„Parallelkinematische Systeme wie der Tripod sind deutlich kompakter sowie steifer als klassische gestapelte Konstruktionen und bieten gerade bei Anwendungen mit kleinen Verfahrwegen Vorteile in puncto Genauigkeit“, betont Elger Matthes und erläutert: „Durch die Nutzung nur des quasi-linearen Bereichs der Stellwege in der Parallelkinematik wird die Wiederholgenauigkeit der Einzelantriebe voll auf den Prüfling übertragen, insbesondere bei der Verwendung von Festkörpergelenken. Eine Integration in die gewohnte SPS-Maschinensteuerung ist durch die teilorthogonale Architektur wesentlich vereinfacht und kann vom Kunden selbst übernommen und beeinflusst werden.“

Anwendung findet die Bauweise Tripod auf XY in folgenden Positioniersystemen von Steinmeyer Mechatronik: KDT235 (Scantisch mit großer Apertur) mit MP200-3 (Miniatur-Z-Phi-Delta-Positioniersystem) oder auch MP500-6 mit zusätzlich integrierter Dreheinheit.

Tripod auf XY mit zusätzlich integrierter Dreheinheit: Der 6-Achs-Manipulator besteht aus einem Kreuztisch in der Horizontalen sowie einem Tripod für den Vertikalhub und zwei Kippungen.

Weitere Hexapod-Alternativen

Werden größere Kippungen bis ±10° benötigt, bietet sich eine Kombination aus einem sehr steifen Kardan-Mechanismus und einem Kreuztisch an – vor allem, wenn in der Anwendung ohnehin eine Verstellung in der Vertikalen, wie z.B. eine Fokusverstellung im Sensor, vorhanden ist oder ein klassischer Hubtisch genutzt wird. Diese Architektur hat Steinmeyer Mechatronik im MP250-4 realisiert. Ähnlich funktioniert auch eine Kombination aus MP70-3 (Rotativ-Justageeinheit mit drei Freiheitsgraden) an einem MP130-3 (hochpräzises 3-Achs-Justiersystem), wo sogar mittels eines zentralen Kugelgelenks wieder alle sechs Freiheitsgrade verstellbar sind. Aufgrund der kartesischen Basis und der quasi-linearen Übertragungsfunktion bei kleinen Bewegungen sind die Nicht-Linearitäten jedoch weniger stark ausgeprägt als beim Hexapoden. Dadurch sind höhere Genauigkeiten möglich.

Performance, Anwenderfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit

Keine Frage: Hexapoden sind hervorragende Positionierer. Dennoch sollten Anwender nicht den Fehler machen, sie als Patentlösung zu glorifizieren. „Hexapoden werden teilweise geradezu inflationär eingesetzt. Dabei gibt es für viele Anwendungen technisch sowie wirtschaftlich attraktivere Lösungen. Hier hilft ein genauerer Blick auf die konkreten Applikationsanforderungen – insbesondere, was Genauigkeit, Industrietauglichkeit, Lebensdauer, Handhabbarkeit und Freiheitsgrade angeht“, so Elger Matthes und macht deutlich: „Mit dem Tripod auf einem XY-Kreuztisch erhält der Kunde ein anwenderfreundliches, hochpräzises und robustes Positioniersystem, das gerade bei der Montage und Messung von Optiken und miniaturisierten Linsensystemen oder AM-Anlagen gegenüber Hexapoden klar im Vorteil ist.“ Als Spezialist für kundenindividuelle Innovationen verfügt Steinmeyer Mechatronik über eine hohe Engineering-Expertise und passt die Lösungen in Bezug auf Last, Genauigkeit, Bauraum, Motorisierung und Stellbereich exakt auf die jeweilige Anwendung an.