昂贵的代价——刀具与工件碰撞后被损坏的机床主轴内部。
如果机床上发生了碰撞，将会损坏刀具和机床，在某些情况下甚至还会损坏昂贵的工件。通常情况下，操作失误是导致此类事故的原因。目前，一种基于雷达的系统的研发工作已经取得了重大进步，它能够主动地识别和避免即将发生的碰撞。
操作失误发生的碰撞是加工中心常见故障的原因之一。由于机械过载，被夹紧的刀具与工件或其他机械零件之间发生碰撞后，各个组件，如刀具的夹紧系统、主轴轴承甚至所有的搬运系统都可能被损坏(见上图)。所造成的结果是成本高昂的停机时间、维修和重新起动，可能还要包括废品和损害赔偿等后续成本。Ott- Jakob Spanntechnik有限公司与Munich Technical大学的高频技术部门合作，正在开发一种传感器系统，在设置机床时就能十分准确和及时地发现造成碰撞的风险，并通过关闭驱动器加以避免。这里面临的挑战之一是强大动力和高速运动所引起的结果，如那些现代化加工中心所能遇到的情况。在这里，我们使用雷达技术来帮助识别和定位目标对象，该技术在航空和航海领域已经运用多年。
图1 安装了雷达传感器的夹紧系统，
它能够在机械元件运动时识别碰撞的危
险，并在碰撞发生之前及时停止驱动器。
微型半导体有助于雷达技术的突破
由于半导体技术取得了惊人的进步，雷达系统不再仅仅是覆盖面有限的天线设备。今天有了高度集成的高频电子装置，雷达传感器实现了小型化并更加廉价。多年来，它们在汽车中早已成为标准配置，并作为小型运动探测器进入到许多应用领域中。
雷达传感器的技术进步激发了Ott-Jakob Spanntechnik有限公司专家们的灵感，提出了把这种防碰撞技术应用于该公司电动机主轴上的设想。由于该公司靠近Munich Technical大学，其高频技术部门拥有一个研究小组，他们的工作就是不断地关注和改善雷达传感器的能力。他们正开发一种传感器，旨在保护加工中心的刀具免受几何碰撞的损害。这种碰撞包括在定位运动的刀具主轴和其他机械部件之间的所有碰撞。基本设想是：在刀具周围建立一套由几个小雷达模块组成的无形的防护围栏。上面的图片展示了用于测量和一系列实验的实验室的结构。它主要包括安装有雷达探测模块及相关的信号调节放大器的支架。雷达模块的大小非常适合于安装到Ott-Jakob的电动机主轴上。
图2 这个彩色代码频谱图代表了按时间顺序排列的接收
信号频率的变化，它包含了被监视区域中的所有对象。
工作原理类似于交通监测雷达
这里的特殊之处在于所用的雷达传感器结构非常简单，价格十分低廉。它们无需大的发送功率，也无需如同气象雷达那样发出短脉冲。由于被检测的对象只是运动中的物体，因此模块能够发送连续信号即可。这里无需调制器，它会使系统变得复杂和昂贵。这里所用的雷达的工作原理与用于监测车辆违章的雷达的工作原理非常相似。当雷达中发出的电磁波被运动的障碍物反射回来时，接收到的信号频率已经发生了变化，这就是相对运动所造成的结果，即多普勒效应。通过这种频率的变化，可以判断目标对象是否正在远离或靠近雷达。此外，如果采用频谱分析(如傅立叶变换)测量频率的变化，可以计算出目标对象的相对速度。
彩色信号实现碰撞危险的可视化
相对速度已经能够提供大量的关于目标对象的信息，尤其是在刀具周围有多个传感器进行监测时。频率的变化将按时间顺序在频谱图上显示。这些彩色代码表示的是对该信号简短摘录进行傅立叶分析的结果，分析窗口永远处于更新状态。由于拥有了现场可编程门阵列(FPGA)组件的强大的计算能力，可以获得一个精确到毫秒的画面，表示接收到的信号的频谱组成，也就是雷达监视范围中的所有对象的画面。
右边图片显示的这种频谱，是在德国Darmstadt的 PTW研究所用测试机进行实验时所记录下来的。这里的电机主轴最初走向障碍物，然后离开。这两个运动阶段用一定频率的高振幅(红色)是可以识别的，反向运动时也可以非常精准地识别。由于雷达环上的各个传感器并不是独立工作，而是统一收集信息，并进行信息比较，目标对象在通过整个区域的过程中将持续被监测。即使没有传感器在不断进行测距，只要我们了解目标对象只能根据物理定律移动，而不能随意移动就可以了。当刀具非常接近障碍物时，所有的传感器将一起识别，因此可以说，整体将超过各部分的总和。
该研究项目还将继续进行，以便在真实的机床上进行一系列实验，使信号处理更加可靠和准确。这种“智能”微型雷达系统在不久的未来，将用于防止加工中心发生由于一时疏忽或一个粗心的错误而造成的需要付出昂贵代价的严重后果。由于避免了生产损失和相关的后续成本支出，因此这种雷达保护系统投入的成本完全能够迅速收回。
