28.10.2019

Hochpräzise Radarsensoren für herausfordernde Industrieumgebungen

Pre-Collision-Sensor

Das Startup OndoSense hat auf Basis der Millimeterwellen-Technik und smarter Softwarealgorithmen Radarsensoren mit einer Präzision von einem Mikrometer entwickelt, die neue Einsatzbereiche in der Überwachung und Steuerung von Produktionsanlagen und Maschinen in der digitalisierten Industriewelt ermöglichen.

Autor: Michael Teiwes


Der Radarsensor OndoSense Proxi ermöglicht Mikrometer-Präzision im Nahbereich.
Bild: OndoSense GmbH

Radartechnik arbeitet auch in schmutzigen und lauten Industrieumgebungen mit Dampf, Rauch, Feuer oder widrigen Lichtverhältnissen mit hoher Verlässlichkeit: "Stahlwerke sind beispielsweise für Laser- oder Ultraschallsensoren ein schwieriges Terrain. Aber die elektromagnetischen Radarwellen sind unempfindlich gegen Schmutz oder Lärm und brauchen kein Licht. Mit Radarsensorik ist auch bei rauen Umgebungen jederzeit eine hochgenaue und schnelle Dimensionsmessung, Objektpositionierung, Prozesssteuerung oder Qualitätskontrolle möglich", erläutert Dr.-Ing. Mathias Klenner, Geschäftsführer von OndoSense. Gemeinsam mit Dr.-Ing. Axel Hülsmann forschte er beim Fraunhofer in Freiburg an hochgenauen Radarsensoren auf Basis des Halbleitermaterials Galliumarsenid. "Unsere Industriepartner waren von unserer Sensorik begeistert. Bei der Frage nach den lieferbaren Stückzahlen und Kosten wurde uns bald klar, dass wir unbedingt ein Startup gründen mussten", erzählt Hülsmann, Technischer Direktor von OndoSense. Auf die Gründung erfolgte die Entwicklung eines hochpräzisen und vernetzbaren, aber auch erheblich günstigeren Radarsensors aus herkömmlichen Silizium-Komponenten. Inzwischen haben die Sensoren die Marktreife erreicht und sind bereits bei neun Unternehmen im Einsatz.

Verschleißkontrolle in Heizkraftwerken

Ein Einsatzbereich der Sensoren sind Blockheizkraftwerke (BHKWs). Dort produzieren große Verbrennungsmotoren über Kraft-Wärme-Kopplung elektrische Energie und Wärme, z.B. in Biogasanlagen oder Klärwerken. Dabei überwachen Radarsensoren die BHKW-Motoren auf Verschleiß, um Ausfallzeiten zu verringern, da bei einem Ausfall kritischer Motorenkomponenten ein Totalschaden des Verbrennungsmotor mit Reparaturkosten im sechsstelligen Bereich droht. Die Energieproduktion müsste zudem für mehrere Tage oder sogar Wochen ruhen. Daher werden diese Bauteile regelmäßig auf Verschleiß untersucht, d.h. etwa alle drei Monate reist ein Techniker an, öffnet den Verbrennungsmotor und inspiziert ihn, was jährlich vier bis acht Tage Ausfallzeit bedeutet. Die neue Sensorlösung prüft die Motorenkomponenten dagegen im laufenden Betrieb auf Verschleiß. Dafür werden bleistiftgroße Messköpfe des OndoSense Nahfeldsensors direkt im Motor verbaut und miteinander vernetzt. Die Algorithmen der Sensorsoftware überwachen den Zustand (z.B. das Spiel) der kritischen Bauteile und informieren den Betreiber in Echtzeit, ob eine Wartung notwendig ist oder ein Ausfall droht. "So verringern wir die Wartungskosten um 60 Prozent und reduzieren die Ausfallzeiten und Betriebskosten des BHKWs. Ziel ist, dass der Betreiber nur noch dann eine Wartung ausführt, wenn sie wirklich notwendig ist", so Klenner.

Mensch/Roboter-Kollaboration

Ein weiteres Anwendungsgebiet für Radarsensorik ist die Mensch/Roboter-Kollaboration. Der Markt für Cobots (kollaborative Roboter) wächst bis 2025 auf elf Milliarden an - mit einem jährlichen Wachstum von etwa 50 Prozent. Das Problem: In den letzten Jahren haben die Kollisionen zwischen Maschinen und Arbeitern stark zugenommen. Die Lösung sind sogenannte Pre-Collision-Sensoren. Diese identifizieren Menschen, die sich dem Roboter nähern und stoppen die Maschinenbewegungen bzw. schränken sie ein. Die derzeit verfügbaren Sensoren sind jedoch nur bedingt verlässlich. Druckmatten werden zum Orten von Personen genutzt, liefern aber nur eine grobe zweidimensionale Information über die aktuelle Position. So ist eine Kollision mit einem Roboterarm nicht ausgeschlossen, da sich Kopf oder Arme nicht immer genau über dem Druckpunkt der Füße befinden. Lidar-Sensoren und Bildverarbeitung ermöglichen zwar die Positionierung von Mensch und Maschine, sind aber sehr rechenaufwändig und bei schlechter Sicht fehleranfällig. Mehrere, miteinander vernetzte Radarsensoren können dagegen auch in widrigsten Umgebungen menschliche Bewegungen in Produktionsumgebungen mit Robotern zweifelsfrei erfassen und dies mit einer Messpräzision im Mikrometerbereich. Da Radarwellen nicht-leitende Materialien durchstrahlen, können Personen auch hinter Objekten identifiziert werden, z.B. wenn sie beim Tragen von Kartons oder großen Verpackungen teilweise verdeckt sind.

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