Produktion

INTEGRIERTE RADARSYSTEME FÜR WERKZEUGMASCHINEN

Radarsensor zur Positionsmessung in einer linearen Achse einer kompakten Werkzeugmaschine montiert.
© Fraunhofer FHR

Radarsensor zur Positionsmessung in einer linearen Achse einer kompakten Werkzeugmaschine montiert.

Kompakter 240 GHz Radarsensor mit montierter Teflon-Linsenantenne.
© Fraunhofer FHR

Kompakter 240 GHz Radarsensor mit montierter Teflon-Linsenantenne.

240 GHz SiGe Transceiver MMIC mit integrierten Antennen. Der Chip enthält alle hochfrequenten Komponenten des Radarsystems und ist in ein QFN Package auf einer FR4 Platine gebondet.
© Fraunhofer FHR

240 GHz SiGe Transceiver MMIC mit integrierten Antennen. Der Chip enthält alle hochfrequenten Komponenten des Radarsystems und ist in ein QFN Package auf einer FR4 Platine gebondet.

Die Abstands- und Positionsmessung in Werkzeugmaschinen war bislang von Glasmaßstäben oder laserbasierten Sensoren dominiert. Die Entwicklung innovativer und hochpräziser Radarsensoren schafft jedoch eine flexible und kostengünstige Alternative und eröffnet neue Möglichkeiten im Werkzeugmaschinenbau.

Hohe Präzision durch hohe Frequenzen und große Bandbreiten. In der Vergangenheit waren etablierte Messsysteme wie Glasmaßstäbe und laserbasierte Sensoren radarbasierten Lösungen in Messgenauigkeit und Preis weit überlegen. Erst in den letzten Jahren konnte die Radartechnik, vor allem getrieben durch die Automobilbranche, deutlich aufholen und hat längst auch in anderen Bereichen Einzug gehalten. Mit den neusten Entwicklungen stellen moderne Radarsysteme auch im Gebiet des Werkzeugmaschinenbaus eine ernstzunehmende Alternative zu bestehenden Messsystemen dar. Die technologische Basis dafür bilden aktuelle Silizium-Germanium-Technologien mit Grenzfrequenzen oberhalb von 300 GHz, welche die kostengünstige und massenmarkttaugliche Nutzung des oberen Millimeterwellenbereichs erlauben. Eine dieser Technologien ist Infineons B11HFC SiGe BiCMOS-Technologie, mit derer Hilfe am Fraunhofer FHR Radarsysteme bei Frequenzen bis zu 240 GHz und Bandbreiten größer 50 GHz realisiert werden. Durch die kleine Freiraumwellenlänge von wenigen Millimetern bei diesen Frequenzen, in Verbindung mit der hohen Bandbreite, sind so hochaufgelöste Messungen mit Mikrometergenauigkeit möglich.

Vielseitige Alternative zu bestehenden Technologien

Wenn in Werkzeugmaschinen bereits seit vielen Jahren Glasmaßstäbe und laserbasierte Sensoren etablierter Standard sind, warum besteht dann überhaupt die Notwendigkeit radarbasierte Sensorik in Werkzeugmaschinen zu bringen? Diese Frage lässt sich leicht im Hinblick auf den Fachbereich Mikrofertigung beantworten: Werden kleine Werkstücke in großen Werkzeugmaschinen mit hoher Präzision bearbeitet, liegt zwischen dem Bearbeitungspunkt am Werkstück, dem Tool Center Point (TCP), und der Positionsmessung, beispielsweise durch einen Glasmaßstab in der Antriebsachse, ein sehr langer mechanischer Hebelarm, welcher durch Vibrationen und Verwindungen Einbußen in der Präzision verursacht. Um diesem Effekt zu begegnen, ist eine massive, aufwendige und teure Konstruktion der Maschine notwendig, was sich im Gewicht moderner Bearbeitungszentren von oft mehreren Tonnen widerspiegelt. Eine Alternative stellt die Positionsmessung direkt auf dem Werkstück nahe am TCP dar. Das ist durch laserbasierte Sensorik zwar prinzipiell möglich, jedoch wird die optische Messung durch die bei der Bearbeitung auftretenden Späne sowie Kühlmittelnebel zu stark beeinflusst oder unmöglich. An dieser Stelle können radarbasierte Lösungen ihre Stärke voll ausspielen und erlauben eine wirkstellennahe, zuverlässige und präzise Positionsmessung auch unter Null-Sicht-Bedingungen durch dichten Kühlmittelnebel und Spanflug hindurch.

Flexible Einsatzmöglichkeiten und neue Maschinenkonzepte

Durch die flexiblen Einsatzmöglichkeiten von kompakten Radarsensoren zur Abstands- und Positionsmessung ergeben sich neue Möglichkeiten im Werkzeugmaschinenbau. Im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms 1476 „Kleine Werkzeugmaschinen für kleine Werkstücke“, an dem das Fraunhofer FHR ebenfalls beteiligt war, wurden neue Konzepte für modulare, konfigurierbare Werkzeugmaschinen für die Mikrofertigung entwickelt. Ziel war es dabei, eine einheitliche, flexible Plattform zu schaffen, an der mittels standardisierter elektromechanischer Schnittstellen je nach zu bearbeitenden Werkstück verschiedene Werkzeug-, Vortriebs- und Positioniermodule befestigt werden können. Durch die leichte und kompakte Bauweise bringt die wirkstellennahe Positionsmessung unter beengten Platzverhältnissen mittels Radarsensorik deutliche Vorteile. Durch die Reflexionseigenschaften von metallischen Oberflächen ist die Ausrichtung des Radarsensors weitaus weniger kritisch als bei optischen, laserbasierten Systemen, sodass ein Umrüsten in einem modularen Aufbau in wenigen Handgriffen erledigt werden kann. Da keine für Verschmutzungen anfälligen optischen Linsenelemente vorhanden sind, ist auch ein Einsatz in rauen und verschmutzten Umgebungen ohne besondere Schutzmaßnahmen möglich.

Robuster Aufbau und kostengünstige Systeme

Durch die Nutzung der hohen Frequenzen wird auf integrierte Antennenstrukturen gesetzt, welche einen besonders kompakten und kosteneffizienten Aufbau erlauben. Da keine komplexe Hochfrequenztechnik außerhalb des Chips benötigt wird, kann der Aufbau mit besonders günstigem Platinenmaterial auf Epoxidharz-Basis realisiert werden, welches in Verbindung mit der aus der Automobilindustrie bekannten Chiptechnologie massenmarkttauglich auch in großen Stückzahlen produziert werden kann. Die Abstrahlung durch ein Teflon-Linsenelement ermöglicht zudem einen hermetisch geschlossenen, druckdichten Sensor mit hoher mechanischer Stabilität, welcher auch rausten industriellen Bedingungen gewachsen ist.