Mikro-Makro-Robotik zur Ultrapräzisionsbearbeitung mittels eines stereokamerabasierten Messsystems
Alexej Janz, Eduard Reithmeier
Die Entwicklungen der Kommunikation, Medizin und Elektronik fordern neue Technologien in der Mikrobearbeitung und Mikromontage, die genau, robust und flexibel sind. Eine Alternative zu den bereits existierenden Bearbeitungszentren bietet das sogenannte Mikro-Makro-Kinematik Konzept. Ähnlich wie ein Uhrmacher seine Arme zur Manipulation von Gegenständen, wie Werkzeugen oder Uhren, und seine Hände zur eigentlichen Operation mit den Uhren, wie Fertigung und Montage derer Bauteile, benutzt, verwendet das Mikro-Makro-Kinematik Konzept einen Roboterarm zur Makropositionierung und eine auf Piezoaktorik basierende Positioniereinheit zur Mikropositionierung. Zum Vorteil dieses Konzepts gehört hohe Flexibilität des Gesamtsystems, da es die Freiheitsgrade und den Arbeitsraum eines Roboters besitzt und somit komplexe Mikrostrukturen (zum Beispiel Strukturen auf zwei gegenüberstehenden Seiten eines Bauteils) bearbeiten kann. Dazu kann die Positionierung in einem großen Arbeitsraum mit Hilfe eines Roboters ohne einen großen Regelungsaufwand erfolgen. Dabei besitzt die Mikropositioniereinheit einen viel kleineren Bewegungsbereich, welcher jedoch größer als die maximale Positionsabweichung des Roboters ist. Die Aufgabe der Mikropositioniereinheit ist es, die Positionsabweichung des Roboters während der Mikrobearbeitung oder Mikromontage zur korrigieren. Für diese Aufgabe sind Piezoaktuatoren dank ihrer niedrigen Einschwingzeit und hohen Positioniergenauigkeit am besten geeignet. Die Analogie mit den Uhrmachern kann mit der Beschreibung des Messsystems zur Erfassung der Roboterposition fortgesetzt werden. Die Uhrmacher benutzen Mikroskope und Okulare um eigene Bewegungen besser verfolgen zu können, sowie in dieser Arbeit ein zweikamerabasiertes Messsystem eingesetzt wird. Beide Kameras verfolgen eine auf dem Roboterendeffektor befestigte 3D-Marke mit einer Bildfrequenz von bis zu 120 Bilder pro Sekunde, was die Bestimmung der Positionsabweichung des Endeffektors und deren Korrektur mit Hilfe der Mikropositioniereinheit mit nahezu Echtzeit ermöglicht. In Rahmen dieser Arbeit wird die Entwicklung eines auf Mikro-Makro- Kinematik basierenden Systems zur Mikrobearbeitung beschrieben. Die Schwerpunkte dieser Arbeit sind die Entwicklung eines zweikamerabasierten Messsystems zur Bestimmung der Position des Roboterendeffektors, die Inbetriebnahme eines Präzisionsroboters, die Untersuchung der Regelung beider Makro- und Mikropositioniersysteme, und anschließend die Entwicklung der gekoppelten Regelung des Roboters und des Piezotisches. Neben den eben genannten Schwerpunkten ist die Entwicklung eines Werkzeugsatzes erforderlich. Am Ende der Arbeit werden die experimentellen Untersuchungen mit der Mikrobearbeitung beschrieben, wodurch das Gesamtsystem evaluiert und die möglichen Verbesserungen vorgeschlagen werden.
