Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Sensorbasiertes Kollisionsvermeidungssystem für Werkzeugmaschinen

Kollisionen in Werkzeugmaschinen sind trotz des Einsatzes von Erkennungs- und Vermeidungssystemen eine der Hauptursachen für Produktionsausfälle und führen auch zu hohen Kosten durch Beschädigung. Durch die wachsende Komplexität der Maschinenkinematik, häufige Produktwechsel und stetig steigende Achsdynamik stoßen bisherige Systeme zunehmend an ihre Grenzen. Zusätzlich treten in Abhängigkeit des Betriebszustands und der Bearbeitungsaufgabe stark variierende Kollisionsbedingungen (kinematische Parameter wie Verfahgeschwindigkeit, Beschleunigung und Richtung, zulässige Brems- und Anhaltewege, Sicherheitsabstand, Geometrie der Kollisionspartner etc.) auf.

Gegenstand des Forschungsvorhabens „Sensorbasiertes Kollisionsvermeidungssystem - SensoProtect“ ist daher die Entwicklung eines Kollisionsvermeidungssystems, welches sich an den realen geometrischen und kinematischen Verhältnissen in der Maschine orientiert. Relevante Maschinenkomponenten werden variabel mit einem Array aus elektromagnetischen Sensoren ausgerüstet. Dabei sendet eine Radarantenne elektromagnetische Wellen in den Raum aus und empfängt deren Reflektion. Über die integrierten Sende- und Empfangseinheiten sowie einer zentralen Auswerteeinheit werden Hindernisse in der Umgebung lokalisiert, um gefährliche Kollisionssituationen frühzeitig zu erkennen und geeignete Maßnahmen zur Kollisionsvermeidung einzuleiten. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines autonomen sensorbasierten Kollisionsvermeidungssystems, welches unabhängig von Betriebszustand, kinematischem Aufbau und Bearbeitungsaufgabe Kollisionen innerhalb der Werkzeugmaschine verhindert. Besonders für KMU soll so eine kostengünstige Nachrüstlösung für Maschinen entstehen, bei denen durch die im Mittelstand häufig vorherrschende Einzel- und Kleinserienfertigung eine besonders hohe wirtschaftliche Relevanz des Themas Kollisionsvermeidung vorherrscht.

Ergebniszusammenfassung:

Das Gesamtziel des Projektes konnte nur teilweise erreicht werden, da zum einen die Latenzzeiten der Radarsensoren für eine zuverlässige Objekterkennung noch zu groß sind und andererseits der ausgeleuchtete Arbeitsraum der Werkzeugmaschine mit den verwendeten 4 Radarmodulen zu gering ist.

Es konnten jedoch viele Teilziele erreicht werden, die nach Behebung der festgestellten Defizite bei den Sensoren in Kollisionsvermeidungssystemen zur Anwendung kommen können:

- Aktuelle Übersicht zu Kollisionsszenarien, -ursachen, -partnern, technischen und wirtschaftlichen Kollisionsfolgen

- Anforderungskatalog an das sensorbasierte Kollisionsvermeidungssystem

- Kriterien- und Maßnahmenkatalog zur Kollisionsvermeidung

- Nachweis der Robustheit der Sensorsignale gegen Störmedien (Späne, Kühlschmierstoff)

- Entwurf eines skalierbaren, modularen Sensorsystems

- Gestaltungsrichtlinie und Analysewerkzeug (Simulationstool) für eine flexible Integration von Radarsensoren in den Arbeitsraum einer Werkzeugmaschine und die Bewertung der optimalen Anzahl notwendiger Sensoren

- Basissoftware zur Ansteuerung und Signalauswertung von Radarsensoren

- Algorithmen für die Objekterkennung und -verfolgung in Werkzeugmaschinen

- Schnittstelle zum Steuer-IPC für die Weitergabe der detektierten Objekte

- Modulares Konzept des Kollisionsvermeidungssystems (ins. steuerungstechnisch)

- Kopplung der Signalauswertung (IPC) mit der Maschinensteuerung (CNC):

- Experimentelle Ermittlung der Bremswege

- Prognose der Stillstandsposition aus beschleunigten Achs-Bewegungen

- Getestete Algorithmen zur Kollisionsvermeidung

- Konzept zur Migration auf andere Steuerungstypen (Heidenhain)

- Funktionsmuster des Kollisionsvermeidungssystems und Integration in zwei unterschiedliche Werkzeugmaschinen

- Durchführung von Versuchsreihen und Auswertung der Versuchsergebnisse gemeinsam mit den PA-Mitgliedern

- Festlegung weiterer Entwicklungs- und Ausbauschritte des Systems

- Nutzwert- und Kostenanalyse