Bin Picking im Maschinenbau: So gelingt der Griff in die Kiste, von der Machbarkeit bis zur Taktzeit

Warum Unternehmen den Griff in die Kiste automatisieren

Der häufigste Auslöser ist der Fachkräftemangel. Manuelle Beladung von Bearbeitungszentren, Schleifmaschinen oder Montagelinien im Dreischichtbetrieb lässt sich vielerorts nicht mehr besetzen und die Tätigkeit selbst ist monoton und ergonomisch belastend. Der zweite typische Auslöser sind mechanische Zuführsysteme, die bei großen oder schweren Bauteilen unverhältnismäßig viel Stellfläche beanspruchen. Eine Bin-Picking-Zelle ersetzt beides: Der Roboter entnimmt ungeordnete Teile direkt aus der Gitterbox oder Kiste und führt sie der Bearbeitung, dem Schleifen oder der Montage zu.

Typische Werkstücke in solchen Projekten sind Gussteile (etwa Zinkdruckguss oder Pleuel), gestanzte Ringe, Rohre und Hydraulikventile, häufig ölig, unsortiert oder nur teilgeordnet in Gitterboxen. Genau diese Randbedingungen entscheiden später über die Systemauslegung.

Bin Picking, Depalettieren, Tray-Handling: Welche Aufgabe liegt wirklich vor?

Nicht jeder „Griff in die Kiste" ist echtes Bin Picking. In der Projektpraxis lohnt eine saubere Abgrenzung:

• Echtes Bin Picking: völlig ungeordnete Teile in der Kiste, jede Lage und Drehlage möglich. Das System muss die 3D-Pose jedes Teils erkennen und eine kollisionsfreie Bahn zum Greifpunkt planen.
• Depalettieren und Behälterhandling: KLT-Kleinladungsträger oder Kartons lagenweise von der Palette nehmen. Hier geht es um Position, Größe, Füllstand und Verkippung der Behälter, in Logistikprojekten bis zu 60 Behälter pro Palette bei Taktzeiten von 6 bis 11 Sekunden pro Pick.
• Tray- und Werkstückträgerhandling: teilgeordnete Teile in definierten Nestern. Oft genügt hier eine 2D-Lageerkennung mit Drehlagenerkennung.

Die Einordnung ist keine akademische Übung: Sie bestimmt, ob eine 2D-Kamera ausreicht oder ob ein 3D-System mit vollständiger Höheninformation (3D-Bild) benötigt wird und damit einen wesentlichen Teil der Systemkosten und der Inbetriebnahmezeit.

Die entscheidenden Projektparameter

In realen Anfragen von Maschinenbauern tauchen immer dieselben Parameter auf. Wer sie früh beantwortet, verkürzt die Auslegungsphase erheblich:

Kistenmaße und Behältervarianten

Übliche Behältergrößen reichen von 500 × 310 × 200 mm bis zur großen Gitterbox mit 800 × 600 × 600 mm. Entscheidend ist, dass das Sichtfeld des 3D-Sensors die größte Kiste vollständig abdeckt, inklusive der Kistenwände, die für die Bahnplanung des Greifers relevant sind. Mehrere Behältervarianten in einer Zelle sind Stand der Technik, müssen aber im Lastenheft stehen.

Bauteilvarianten

Typische Bin-Picking-Projekte umfassen 7 bis 20 Teilevarianten. Das Vision-System muss Programme automatisch umschalten können, ohne dass ein Werker eingreift. Bei der Machbarkeitsprüfung sollten deshalb alle Varianten getestet werden, nicht nur das „gutmütigste" Teil.

Taktzeit

Realistische Pick-zu-Pick-Zeiten liegen bei 6 bis 10 Sekunden, abhängig von Bildaufnahme, Bahnplanung, Verfahrweg und Ablageposition. Wichtig: Die Taktzeit der Zelle ist nicht die Taktzeit des Sensors. Aufnahme und Auswertung können teilweise parallel zur Roboterbewegung laufen, das gehört in die Zykluszeitbetrachtung.

Entleerungsgrad

Ein oft unterschätzter Punkt: Wie viele Teile dürfen am Ende in der Kiste zurückbleiben? In vielen Projekten lautet die Anforderung, die Kiste bis auf das letzte oder vorletzte Teil zu leeren. Gerade Teile, die flach an der Kistenwand oder in den Ecken liegen, sind greiftechnisch anspruchsvoll, dieser Fall muss im Machbarkeitstest explizit geprüft werden.

Greifer und Kollisionsvermeidung

Die Bahnplanung muss Kollisionen zwischen Greifer, Kistenwand und Nachbarteilen ausschließen und das Verhaken ineinanderliegender Teile berücksichtigen. Die Greifergeometrie gehört deshalb von Anfang an in die Simulation und den Test.

2D oder 3D? Wann eine Kamera reicht und wann es ein 3D-Bild braucht

Eine 2D-Kamera liefert Position und Drehlage in der Ebene, was vollkommen ausreichend ist, wenn Teile vereinzelt und flach liegen, etwa auf einem Förderband oder in einem Tray. Sobald Teile jedoch übereinanderliegen, verkippen oder in beliebiger Raumlage in der Kiste liegen, fehlt der 2D-Kamera die Höheninformation. Die Folge in Nachrüstprojekten ist immer dieselbe: Fehlgriffe, Abbrüche und ein System, das nie stabil läuft.

3D-Bin-Picking-Systeme wie die Modellreihe RB erzeugen ein 3D-Bild der gesamten Kiste, erkennen daraus die Lage und Drehlage jedes greifbaren Teils und planen die Greifbahn inklusive Kollisionsprüfung. Für strukturierte Aufgaben wie das lagenweise Depalettieren können alternativ 3D-Profilsensoren der Modellreihe LJ-X8000 die Höheninformation liefern; die Koordinatenübergabe an den Roboter übernimmt dann ein Bildverarbeitungssystem der Modellreihe XG-X, an das die Profilsensoren direkt angebunden werden.

Als Faustregel aus der Projektpraxis: Je ungeordneter die Teile und je tiefer die Kiste, desto klarer fällt die Entscheidung für ein vollwertiges 3D-System mit Bahnplanung.

Integration mit gängigen 6-Achs- und SCARA-Robotern

Maschinenbauer arbeiten selten mit nur einer Robotermarke. Je nach Endkunde kommt in der Zelle ein anderer gängiger 6-Achs-Roboter oder SCARA zum Einsatz. Das Vision-System muss deshalb markenunabhängig anbinden und die Pick-Koordinaten in das jeweilige Roboterkoordinatensystem übergeben.

In der Praxis bewähren sich drei Grundsätze:

• 1.
  Saubere Kalibrierung von Kamera- und Roboterkoordinatensystem. Die Hand-Auge-Kalibrierung entscheidet über die erreichbare Greifgenauigkeit. Sie sollte werkzeuggestützt und wiederholbar ablaufen, nicht per Handmessung.
• 2.
  Direkte Roboteranbindung, wenn die SPS keine freie Schnittstelle hat. In Nachrüstprojekten ist der Feldbus der Bestandsanlage oft ausgereizt. Die direkte Verbindung zwischen Vision-System und Robotersteuerung (etwa über Profinet, Ethernet/IP oder TCP/IP) vermeidet Eingriffe in die Bestands-SPS.
• 3.
  Einfache Programmierung einfordern. Viele Betreiber sind Robotik-Einsteiger. Systeme, deren Einrichtung ohne Programmierkenntnisse in der Bildverarbeitung auskommt, senken die Hürde für Eigenintegration und spätere Variantenerweiterung deutlich.

Von Testmustern zur Serienanlage: der bewährte Machbarkeitsprozess

Kaum ein Bin-Picking-Projekt wird ohne Machbarkeitsstudie beauftragt und das ist richtig so. Der bewährte Ablauf:

• 1.
  Testmuster bereitstellen: reale Bauteile in allen Varianten, im realen Zustand (ölig, verkratzt, gemischt) und in der Originalkiste.
• 2.
  Machbarkeitstest unter realen Bedingungen: Erkennungsrate, Greifbarkeit in Ecken und an Wänden, Entleerungsgrad und erreichbare Taktzeit werden am realen Teilespektrum geprüft, nicht am CAD-Modell allein.
• 3.
  Ergebnisdokumentation als Auslegungsgrundlage: Sensorposition, Arbeitsabstand, Bildfeld, Greifpunkte und erwartete Zykluszeit fließen ins Lastenheft des Maschinenbauers ein.
• 4.
  Inbetriebnahme mit klarer Rollenverteilung: ob Eigenintegration durch den Maschinenbauer, Unterstützung durch einen Applikationsingenieur oder Umsetzung durch einen externen Integrator, die Schnittstellen und Verantwortlichkeiten sollten vor der Bestellung feststehen.

Wer diesen Prozess einhält, vermeidet die klassische Falle von Nachrüstprojekten: ein System, das im Labor funktioniert, aber an Variantenvielfalt, Restteilen in der Kiste oder der Taktzeit der Serienproduktion scheitert.

Fazit

Der Griff in die Kiste ist heute planbar, wenn die Aufgabe präzise definiert ist. Kistenmaße, Teilevarianten, Taktzeit, Entleerungsgrad und Greifergeometrie sind die fünf Parameter, die über Erfolg oder Misserfolg entscheiden. Ein Machbarkeitstest mit Original-Testmustern unter realen Bedingungen macht aus einer Vermutung eine belastbare Auslegung. Und mit markenunabhängiger Roboteranbindung über Profinet oder direkte Schnittstellen bleibt der Maschinenbauer frei in der Wahl des Roboters, heute und beim nächsten Projekt.

Häufige Fragen

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