2D oder 3D? Roboterführung für Metallteile richtig auslegen

Die häufigste Frage am Anfang eines Roboterprojekts lautet: Reicht eine Kamera, oder brauchen wir ein 3D-System? Bei Metallteilen ist die Antwort selten pauschal, denn sie hängt davon ab, wie die Teile liegen und wie genau der Roboter sie treffen muss. Wird die Frage falsch beantwortet, folgt entweder ein überdimensioniertes System oder eine 2D-Lösung, die in der Serie nie stabil läuft. Dieser Leitfaden ordnet die Grundaufgabe ein, zieht die Grenze zwischen 2D und 3D, macht die realistische Genauigkeit greifbar und zeigt, wie Bildfeld und Kameramontage zusammenspielen.

Wichtige Punkte im Überblick

Jede Roboterführung erkennt ein Werkstück und übergibt Koordinaten: eine 2D-Führung Position und Drehwinkel in der Ebene, eine 3D-Führung zusätzlich Höhe und Kippung als vollständige Pose.
Eine 2D-Roboterführung genügt bei vereinzelten, flach liegenden Blechen und Stanzteilen, wo die Lageerkennung am laufenden Band und eine am Greifer montierte Kamera die Führung robust machen.
Sobald Teile kippen, gestapelt liegen oder in beliebiger Raumlage in der Kiste liegen, fehlt der 2D-Kamera die Höhe, und eine 3D-Roboterführung plant die Greifbahn mit Kollisionsprüfung.
Die Genauigkeit ist ein Systemwert aus Kamera, Kalibrierung, Roboterwiederholgenauigkeit und Greifer, kein reiner Kamerawert, und reicht in dokumentierten Projekten von etwa ±2,5 bis ±0,6 mm.
Ein zweistufiger Griff erhöht die Genauigkeit ohne teure Optik: der Roboter greift zunächst grob, eine zweite Aufnahme misst den realen Sitz im Greifer, und die Steuerung korrigiert die Ablageposition.

Lageerkennung, Drehlage und Koordinatenübergabe: die Grundaufgabe

Im Kern macht jede Roboterführung dasselbe. Das Vision-System erkennt ein Werkstück, bestimmt seine Lage und übergibt Koordinaten an den Roboter. Bei einer 2D-Roboterführung sind das Position in X und Y sowie der Drehwinkel in der Ebene. Bei einer 3D-Roboterführung kommt die vollständige räumliche Pose hinzu, also Höhe und Kippung. Der Roboter setzt diese Werte in eine Greif- oder Ablagebewegung um.

Die typischen Metallteile in solchen Projekten sind Stanzteile, Bleche und Platinen, Drehteile sowie Rohlinge aus Guss oder Schmiede. Sie liegen auf Förderbändern, in Trays, auf Lichttischen oder in Kisten. Wichtig ist die Abgrenzung zum chaotischen Griff in die Kiste: Dort liegen Teile völlig ungeordnet übereinander, und das System muss aus einer Punktwolke greifbare Teile samt kollisionsfreier Bahn ermitteln. Die hier beschriebene Lageerkennung setzt dagegen voraus, dass die Teile grob geordnet oder vereinzelt vorliegen und nur ihre genaue Position gesucht wird.

Wo eine 2D-Roboterführung ausreicht: vereinzelte, flach liegende Bleche und Stanzteile

Eine 2D-Roboterführung ist die richtige Wahl, wenn die Teile vereinzelt und plan liegen. Das trifft auf viele Metallanwendungen zu: gestanzte Teile auf einem Lichttisch, Bleche auf dem Förderband, Drehteile oder Rohre im Tray. In diesen Fällen genügt es, Position und Drehlage in der Ebene zu bestimmen, weil die Höhe konstant und die Lage plan ist.

Für diese Aufgaben eignet sich Robot Vision auf einer All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS oder auf einem System der Modellreihe CV-X, das die Greifkoordinaten an den Roboter übergibt. Zwei Aspekte machen die 2D-Führung im Metallbereich robust.

Laufendes Band: Das Vision-System erfasst die Teilelage im Durchlauf und übergibt sie an die Robotersteuerung, die den Griff mit der Bandbewegung synchronisiert.
On-hand-Montage: Sitzt die Kamera am Greifer, lässt sich das Bildfeld auf den relevanten Ausschnitt verkleinern, was Auflösung spart und in engem Bauraum hilft.

Solange die Teile also nicht kippen oder übereinanderliegen, ist die 2D-Führung schneller, günstiger und einfacher in Betrieb zu nehmen als ein 3D-System.

Wo eine 3D-Roboterführung nötig wird: verkippte, gestapelte und schüttgutartige Teile

Die Grenze der 2D-Erkennung ist klar benannt: Sobald Teile kippen, gestapelt liegen oder in beliebiger Raumlage in einer Kiste liegen, fehlt der Kamera die Höheninformation. In dokumentierten Anwendungen zeigt sich das an Teilen, die auf Paletten verteilt und zusätzlich übereinandergestapelt sind, wobei immer das oberste Teil gegriffen werden muss, damit der Sauggreifer nicht durch ein überlappendes Nachbarteil die Aufnahme verliert. Ohne Höhe greift der Roboter daneben oder zieht ein verhaktes Teil mit hoch.

Hier erzeugt eine 3D-Roboterführung mit 3D ROBOT VISION auf einem System der Modellreihe CV-X ein 3D-Bild der Szene, erkennt Lage und Drehlage jedes greifbaren Teils und plant die Greifbahn mit Kollisionsprüfung. Die Kameras für 3D ROBOT VISION RB-500, RB-800 und RB-1200 decken mit Erkennungsbereichen von 520 x 390 x 200 mm bis 1260 x 1260 x 1000 mm unterschiedliche Kistentiefen und Bauteilgrößen ab, wobei die RB-1200 den größten Erkennungsbereich für tiefe Kisten bietet. Die praktische Entscheidungshilfe lautet, die Lagevarianz der Teile ehrlich zu bewerten. Wer weiß, dass Teile gelegentlich verkippen oder außerhalb der Sollposition liegen, sollte dies nicht als Ausnahme behandeln, denn genau diese Fälle bringen eine 2D-Lösung zu Fall.

Genauigkeit realistisch fordern: von +/-2,5 mm bis +/-0,6 mm

Die geforderte Genauigkeit wird häufig zu hoch oder zu ungenau angesetzt. In dokumentierten Projekten reicht die Spanne von etwa +/-2,5 mm bei großen Blechen und Platinen bis zu +/-0,6 mm bei präziser Ablage. Diese Bandbreite lohnt eine ehrliche Betrachtung, denn eine schärfere Vorgabe als nötig treibt Kosten und Aufwand.

Zwischen Genauigkeit, Bildfeld und Auflösung besteht ein direkter Zusammenhang. Ein größeres Bildfeld verteilt die verfügbaren Pixel auf mehr Fläche und senkt damit die erreichbare Ortsauflösung. Wer feiner treffen muss, braucht entweder ein kleineres Bildfeld oder eine höher auflösende Kamera. Ebenso wichtig ist die vollständige Genauigkeitskette: Die tatsächlich erreichbare Präzision ergibt sich aus dem Zusammenspiel von Kamera, Kalibrierung, Roboterwiederholgenauigkeit und Greifer. Ein perfekt messendes Vision-System nützt wenig, wenn Greifer oder Roboter die Position nicht halten. Deshalb sollte die Genauigkeit nicht als Kamerawert, sondern als Systemwert spezifiziert werden.

Bildfeld, Arbeitsabstand und Kamera am Roboter (on hand) auslegen

Die geometrische Auslegung folgt aus Teilegröße und Genauigkeit. In der Anwendungspraxis reichen Bildfelder von etwa 50 mm bis zu mehreren hundert Millimetern, Arbeitsabstände von rund 200 mm bis über 1000 mm. Große Bleche verlangen große Bildfelder oder mehrere Aufnahmen, kleine Präzisionsteile ein enges Bildfeld.

Ein wirksamer Hebel ist die Montage der Kamera direkt am Roboter. Auf diese Weise fährt die Kamera nah an das Teil heran und sieht nur den relevanten Ausschnitt, sodass ein markantes Merkmal genügt und Auflösung sowie Beleuchtung kleiner ausfallen können. Das senkt Kosten und löst Platzprobleme in der Zelle. Bei Metallteilen darf die Beleuchtung nie ein Nachgedanke sein. Blanke, glänzende Oberflächen spiegeln, und eine auf mattes Material ausgelegte Beleuchtung erzeugt auf glänzendem Stahl Überstrahlungen und Fehlreflexe. Das Lichtkonzept gehört daher von Anfang an in die Auslegung, nicht erst in die Inbetriebnahme.

Griff plus Positionskorrektur: der zweistufige Ablauf in der Praxis

Ein bewährter Kniff für hohe Genauigkeit ohne teure Optik ist der zweistufige Griff. Zunächst nimmt der Roboter das Teil grob auf. Anschließend prüft eine zweite Aufnahme, wie das Teil tatsächlich im Greifer sitzt, und die Steuerung korrigiert die Ablageposition entsprechend. So wird der Greiffehler herausgerechnet, ohne dass die erste Aufnahme extrem präzise sein muss.

Dieser Ablauf löst ein häufiges Problem: Beim Greifen verschiebt sich das Teil im Greifer, und eine einzige Aufnahme kann diese Verschiebung nicht auffangen. Die zweite Aufnahme misst den realen Sitz und erhöht die Ablagegenauigkeit deutlich. Wie bei jeder Roboterführung gilt, die Machbarkeit mit Originalteilen unter realem Licht abzusichern. Ein Merkmal, das am sauberen Muster klar erscheint, kann am öligen, glänzenden Serienteil verschwinden, und erst der Test zeigt, welche Genauigkeit unter realen Bedingungen hält.

Häufige Fragen

F Woran erkenne ich, ob 2D oder 3D nötig ist?

Die entscheidende Frage ist, ob die Teile plan und vereinzelt oder verkippt und gestapelt vorliegen. Liegen sie flach in einer Ebene, etwa im Tray oder auf dem Band, genügt eine 2D-Roboterführung. Sobald Teile kippen, übereinanderliegen oder in beliebiger Raumlage in einer Kiste liegen, fehlt der 2D-Kamera die Höhe, und eine 3D-Roboterführung mit 3D ROBOT VISION auf einem System der Modellreihe CV-X wird erforderlich.

F Welche Genauigkeit ist bei der Roboterführung für Metallteile realistisch?

In dokumentierten Projekten reicht die Spanne von etwa +/-2,5 mm bei großen Blechen bis zu +/-0,6 mm bei präziser Ablage. Der erreichbare Wert hängt von Bildfeld, Kameraauflösung, Kalibrierung, Roboterwiederholgenauigkeit und Greifer ab. Die Genauigkeit sollte deshalb als Systemwert gefordert und im Machbarkeitstest verifiziert werden, nicht allein als Kamerawert.

F Warum ist die Kamera direkt am Greifer oft von Vorteil?

Sitzt die Kamera am Roboter (on hand), fährt sie nah an das Teil heran und sieht nur den relevanten Ausschnitt. Dadurch reicht ein kleineres Bildfeld, was Auflösung erhält und günstigere Kameras und Beleuchtungen erlaubt. Zugleich löst die on-hand-Montage Platzprobleme in engen Zellen.

F Wie erhöht ein zweistufiger Griff die Genauigkeit?

Beim Greifen kann sich das Teil im Greifer leicht verschieben. Eine zweite Aufnahme misst, wie das Teil tatsächlich sitzt, und die Steuerung korrigiert die Ablageposition. So wird der Greiffehler herausgerechnet, ohne dass die erste Aufnahme hochpräzise sein muss, was teure Optik einspart.

F Warum ist die Beleuchtung bei glänzenden Metallteilen so wichtig?

Blanke Metalloberflächen spiegeln und werfen Licht gerichtet zurück, sodass Merkmale je nach Blickwinkel überstrahlen oder verschwinden. Eine auf mattes Material ausgelegte Beleuchtung erzeugt auf glänzendem Stahl Fehlreflexe. Das Lichtkonzept sollte deshalb von Beginn an Teil der Auslegung sein und am realen, glänzenden Teil erprobt werden.

F Was unterscheidet Lageerkennung von echtem Bin Picking?

Bei der Lageerkennung liegen die Teile grob geordnet oder vereinzelt vor, und gesucht wird ihre genaue Position und Drehlage. Beim Bin Picking liegen die Teile chaotisch übereinander in einer Kiste, und das System muss aus einem 3D-Bild greifbare Teile samt kollisionsfreier Bahn bestimmen. Bin Picking ist damit die anspruchsvollere Variante und verlangt in der Regel ein vollwertiges 3D-System.

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