Radarbasierte Kollisionsverhütung in der Werkzeugmaschine

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Die Idee ist die Errichtung eines unsichtbaren kreisförmigen Schutzzauns aus mehreren kleinen Radarmodulen um das Werkzeug herum. Abbildung 2 (siehe Bildergalerie) zeigt einen Laboraufbau, der für Messungen und Versuchsreihen verwendet wird. Er besteht aus einem Haltering, der die Radarmodule und die zugehörigen Verstärker zur Signalkonditionierung beherbergt. Die Radarmodule besitzen eine Größe, die später auch für den Verbau in den Motorspindeln von Ott-Jakob geeignet ist.

Die Radarsensoren in der Werkzeugmaschine funktionieren wie bei einer Verkehrskontrolle

Der besondere Clou dabei ist, dass es sich um sehr einfach aufgebaute und dadurch um günstig zu beschaffende Radarsensoren handelt. Sie benötigen keine große Sendeleistung und sie müssen auch keine kurzen Impulse wie zum Beispiel ein Wetterradar erzeugen. Da ausschließlich bewegte Objekte erkannt werden müssen, genügt es völlig, wenn die Module ein kontinuierliches Signal aussenden. Eine Modulation, die das System viel komplizierter und teurer machen würde, wird nicht benötigt. Das genutzte Radarprinzip ist sehr verwandt mit dem Messprinzip, das bei der Verkehrüberwachung in punkto Geschwindigkeitskontrolle eingesetzt wird. Wenn ein bewegtes Hindernis, die vom Radar ausgesendeten elektromagnetischen Wellen reflektiert, dann ändert sich aufgrund der Relativbewegung die Frequenz des empfangenen Signals. Es handelt sich dabei um den Doppler-Effekt, der auch bei Schallwellen auftritt und den sicher jeder schon öfter bei einer vorbeifahrenden Feuerwehr beobachtet hat. An dieser Frequenzänderung lässt sich erkennen, ob sich das Objekt vom Radar weg oder auf das Radar zu bewegt. Nicht nur das. Wenn man mit spektralen Analyseverfahren, wie etwa der Fouriertransformation, diese Frequenzänderung genau misst, kann man auch die Relativgeschwindigkeit des Objektes berechnen.

Farbige Signale visualisieren mögliche Kollisionsgefahren

Bereits die Relativgeschwindigkeit liefert viel Information über das Zielobjekt. Besonders dann, wenn das Objekt nicht nur von einem Sensor, sondern von mehreren Sensoren rund um das Werkzeug beobachtet wird. Der zeitliche Verlauf der Frequenzänderung lässt sich dann in Spektrogrammen visualisieren. Dabei wird das Ergebnis der Fourieranalyse eines kurzen Signalausschnitts farblich codiert aufgetragen und das Analysefenster permanent zeitlich vorangeschoben. So erhält man dank der Rechenleistung heutiger FPGA-Bausteine Millisekunde für Millisekunde ein exaktes Bild der spektralen Zusammensetzung des Empfangssignals und so von allen Objekten im Überwachungsbereich.

Bild 3 zeigt ein solches Spektrogramm, das während eines Tests in einer Versuchsmaschine am PTW Darmstadt aufgenommen wurde: Die Motorspindel bewegte sich zunächst auf ein Hindernis zu und dann wieder davon weg. Man erkennt diese beiden Bewegungsphasen anhand der hohen Amplitude (rot) bei einer bestimmten Frequenz – der Zeitpunkt der Bewegungsumkehr kann sehr genau eingegrenzt werden. Da die einzelnen Sensoren im Radarring ihre Informationen und Beobachtungen miteinander vergleichen, können die beobachteten Objekte im Raum verfolgt werden, auch wenn keiner der Sensoren jemals eine Entfernungsmessung durchführt. Es genügt zu wissen, dass sich die Zielobjekte nicht völlig beliebig sondern nur nach physikalischen Gesetzen bewegen. So ist das Ganze mehr als die Summe seiner Teile und alle Sensoren erkennen gemeinsam, wenn dem Werkzeug ein Hindernis zu nahe kommt.

Die Forscher arbeiten noch an der Signalverarbeitung, um diese anhand von Versuchreihen in realen Maschinen zuverlässiger und treffsicherer zu machen. So steigt die Chance, dass solche „intelligenten“ Miniaturradarsysteme in naher Zukunft helfen, teure und folgenschwere Maschinenschäden zu vermeiden, die bislang immer wieder durch eine kleine Unaufmerksamkeit oder durch Flüchtigkeitsfehler entstehen. Schon ein einziger vermiedener Crash könnte durch die Einsparung von Ausfallkosten und Folgekosten ein Radarschutzsystem amortisieren.

* Prof. Dr.-Ing. Uwe Siart leitet das Fachgebiet EMV und Wellenausbreitung der Technischen Universität München, uwe.siart@tum.de, Thomas Wächter ist dort wissenschaftlicher Mitarbeiter, Stefan Bonerz leitet das Technologiemanagement bei der Ott-Jakob Spanntechnik GmbH in 87663 Lengenwang

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