Griff in die Kiste in der Verpackung: Bauteile aus KLT und Gitterbox lagerichtig verpacken

Der Griff in die Kiste ist die anspruchsvollste Aufgabe der bildgeführten Robotik, und in der Verpackung tritt sie in zwei Richtungen auf. Entweder müssen Teile aus einem Behälter entnommen und lagerichtig in Tray, Blister oder Karton gelegt werden, oder angelieferte Teile werden aus der Transportverpackung entnommen und der Montage zugeführt. In beiden Fällen liegt das Teil chaotisch oder halbgeordnet, der Behälter bringt eigene Störkonturen mit, und die Ablage verlangt eine definierte Lage. Dieser Beitrag beschreibt, worauf es bei Behälter, Lageerkennung, Variantenvielfalt, Ablage und Taktzeit ankommt.

Wichtige Punkte im Überblick

Der Griff in die Kiste ersetzt die mechanische Zuführung dort, wo die Variantenzahl steigt: Statt die Mechanik pro Variante neu auszulegen, wird das neue Teil eingelernt, in dokumentierten Anwendungen mit bis zu 40 Varianten je Zelle.
In der Konzeptphase wird das Teil diskutiert, in der Umsetzung entscheidet der Behälter: Kartoneinlagen, Netze, Folienabdeckungen, die Behälterwand und kippende Randteile erzeugen Störkonturen, die im Bild wie Teile aussehen können.
Lagerichtig verpacken verlangt zwei Antworten: die Unterscheidung von Bauch- und Kopflage über ein kleines Merkmal und die Wahl des Teils mit der besten Zugänglichkeit im Behälter.
Die Hälfte der Aufgabe liegt nach dem Griff: Eine Freiplatzerkennung über der Ablagestation meldet belegte Nester und volle Lagen in Tray und Waschkorb.
Realistische Taktzeiten liegen in dokumentierten Anwendungen bei rund 5 bis 25 s pro Teil, weil Bahnplanung, Anfahrt, Greifen und Rückzug den Takt bestimmen und nicht die Bildauswertung allein.

Wo der Griff in die Kiste in der Verpackung wirklich hilft: Zuführung statt Stufenförderer

Die klassische Zuführung arbeitet mechanisch. Stufenförderer, Vibrationswendelförderer und Sortierschienen bringen Teile in eine definierte Lage, indem sie alle anderen Lagen aussortieren. Das funktioniert gut, hat aber zwei Schwächen: Die Mechanik ist auf ein Teil ausgelegt und muss bei jeder neuen Variante überarbeitet werden, und sie neigt bei empfindlichen oder ineinander hakenden Teilen zum Verklemmen.

Genau hier setzt der Griff in die Kiste an. Der Roboter entnimmt direkt aus dem Anlieferbehälter, ohne Vereinzelung durch Mechanik. In dokumentierten Anwendungen betrifft das Teile auf dem Weg in eine Verpackung, etwa Lager, Dichtringe, keramische Dichtelemente, Kartuschen, Aluminium-Grundkörper oder Kleinteile mit Gewichten von rund 50 g bis zu einigen hundert Gramm, ebenso wie Teile, die vor der Montage ausgepackt werden.

Der Vergleich mit der bisherigen Lösung wird eindeutig, sobald die Variantenzahl steigt. Wo eine mechanische Zuführung pro Variante neu ausgelegt wird, genügt beim bildgeführten Griff ein Einlernvorgang. Der Preis dafür ist eine höhere Anfangskomplexität.

Der Behälter entscheidet mit: Kartoneinlagen, Netze, Folien und kippende Randteile

In der Konzeptphase wird das Teil diskutiert, in der Umsetzung der Behälter. In realen Projekten reichen die Behälter von Kleinladungsträgern ab etwa 300 x 300 mm bis zu Formaten um 600 x 400 x 220 mm, dazu kommen Gitterboxen, Halbpalettenkisten, Waschkörbe mit Trennstegen und Kartons mit Kartoneinlage oder Folienabdeckung.

Jede dieser Bauformen bringt Störkonturen mit, die im Bild wie Teile aussehen können:

Kartoneinlagen und Trennstege erzeugen Kanten und Schatten mitten im Suchbereich.
Netze und Zwischenlagen zwischen den Teilelagen verdecken einen Teil der Oberfläche und müssen als Nicht-Teil erkannt werden.
Folienabdeckungen spiegeln und verändern den Kontrast über die Behälterfläche hinweg.
Die Behälterwand wirft Schatten und begrenzt den Anfahrwinkel des Greifers, besonders bei tiefen Behältern.
Kippende Randteile in der untersten Lage liegen schräg an der Wand und stellen die schwierigste Greifaufgabe des ganzen Behälters dar.

Aus der Behältertiefe folgt die optische Auslegung. In dokumentierten Anwendungen wird bis etwa 220 mm tief in den Behälter geblickt, und für Kamera, Beleuchtung und Roboterhub wird eine Raumhöhe über 3 m benötigt. Die Kameras für 3D Robot Vision RB-500/800/1200 auf der Plattform der Modellreihe CV-X liefern hier die Raumlage der Teile, während die Auswertung der Höheninformation Behälterboden, Zwischenlage und Teil voneinander trennt.

Bauch- oder Kopflage erkennen und die günstigste Greifstelle bestimmen

Lagerichtig verpacken heißt: Das Teil muss nicht nur gegriffen, sondern in einer definierten Orientierung abgelegt werden. Zwei Fragen sind dafür zu beantworten.

Die erste ist die Seitenlage. Liegt das Teil in Bauchlage oder in Kopflage? Bei vielen Verpackungsteilen unterscheiden sich beide Ansichten nur durch ein kleines Merkmal, etwa eine Fase, eine Bohrung, eine Nut oder eine Prägung. Das System muss dieses Merkmal auch dann finden, wenn das Teil verkippt liegt und teilweise verdeckt ist. Steht die Lage fest, entscheidet die Zelle, ob direkt lagerichtig gegriffen, im Greifer gedreht oder über eine Wendestation korrigiert wird.

Die zweite ist die Greifstelle. In einem gefüllten Behälter sind meist mehrere Teile sichtbar, aber nicht alle sind gut greifbar. Ein Teil, das frei obenauf liegt, ist einem Teil vorzuziehen, das zwischen zwei anderen eingeklemmt ist oder an der Behälterwand lehnt. Die Auswertung bewertet deshalb die sichtbaren Teile und gibt das mit der besten Zugänglichkeit aus. Ebenso wichtig ist die Rückmeldung, dass eine Lage abgearbeitet ist, bevor der Roboter erneut eintaucht.

Muss zur Lage noch eine Höhe oder ein Formmerkmal kommen, etwa weil das Teil vor dem Verpacken vermessen wird, ergänzen der 3D Laser-Snapshot-Sensor LJ-S8000 oder die 2D/3D-Laser-Profilsensoren der Modellreihe LJ-X8000 an einem Controller der Modellreihe XG-X die Bildauswertung um eine Messgröße.

Viele Varianten, kurze Einlernzeit: Flexibilität als Auswahlkriterium

In Verpackungsbetrieben liegt der eigentliche Nutzen selten bei einem einzelnen Teil. In dokumentierten Anwendungen sollen bis zu 40 Varianten über dieselbe Zelle laufen, und die Anforderung lautet regelmäßig, dass eine neue Variante ohne Programmierung eingelernt werden kann.

Daraus folgen drei Auswahlkriterien, die in einem Lastenheft stehen sollten. Erstens die Art des Einlernens: Wird ein CAD-Modell benötigt, oder genügen Aufnahmen des realen Teils? Zweitens der Zeitbedarf pro Variante, gemessen von der Musterlieferung bis zum ersten sicheren Griff. Drittens die Übertragbarkeit: Lässt sich ein Programm auf ein ähnliches Teil kopieren und anpassen, oder beginnt jede Variante bei null?

Wo Teile einlagig und flach liegen, etwa vorsortiert im Tray oder im Waschkorb mit Trennstegen, genügt häufig die 2D-Roboterführung (2D VGR) mit einer All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS, während der Greifer die Höhe kompensiert. Diese Variante ist schneller eingelernt, weshalb sich die Vorsortierung im Behälter als Alternative zum vollen 3D-Griff lohnt.

Ablegen statt nur Greifen: freie Plätze im Tray und im Waschkorb finden

Die Hälfte der Aufgabe passiert nach dem Griff. Das Teil muss in ein Tray, eine Blisterkavität, einen Karton oder einen Waschkorb, und der Zielplatz ist nicht immer frei. Trays werden teilweise befüllt angeliefert, ein Nest ist belegt, ein Steg verschoben, ein Netz liegt über der letzten Lage.

Deshalb gehört die Freiplatzerkennung zum Konzept. Eine Kamera über der Ablagestation prüft, welche Nester belegt sind, und gibt der Zelle den nächsten freien Platz. Bei Waschkörben mit Trennstegen und Netzen zwischen den Lagen kommt die Frage hinzu, ob die aktuelle Lage voll ist und die nächste begonnen werden kann. In der Anwendungspraxis reicht dafür oft eine All-in-One Kamera der Modellreihe VS über der Station, weil nur belegt oder frei unterschieden wird und keine Raumlage gebraucht wird.

Zwei Details tragen die Stabilität dieser Prüfung. Der Kontrast zwischen Teil und Behälter muss bewusst hergestellt werden, etwa über dunkle Trays. Und bei einem Mehrfachgreifer beurteilt die Auswertung die ganze Lage in einem Bild statt Nest für Nest.

Taktzeit realistisch rechnen: Bildaufnahme, Bahnplanung und Greifwechsel

Die häufigste Enttäuschung in Bin-Picking-Projekten entsteht bei der Taktzeit, weil nur die Bildauswertung gerechnet wird. Der Takt setzt sich aus mehr Anteilen zusammen: Bildaufnahme, Auswertung, Bahnplanung, Anfahrt in den Behälter, Greifen, Rückzug, Übergabe oder Ablage und gegebenenfalls ein Werkzeugwechsel.

In dokumentierten Anwendungen liegen die Zykluszeiten beim Griff in die Kiste bei rund 5 bis 25 s pro Teil, abhängig von Behältertiefe, Teilegröße und Weg zur Ablage. In einer satzweise arbeitenden Zelle wurden etwa 240 s für drei Teile eines Satzes gefordert, was zeigt, wie stark die Anwendung den Rahmen bestimmt. Wer diese Zahlen früh nennt, verhindert Erwartungen, die eine Zelle nicht erfüllen kann.

Drei Hebel wirken auf den Takt. Der Greifer bestimmt die Anfahrt, denn ein Sauggreifer ist schnell, braucht aber eine geeignete Fläche, während ein Parallel- oder Innengreifer Zugang von der Seite oder in eine Bohrung braucht. Werden mehrere Greifpunkte aus einer Aufnahme abgearbeitet, sinkt der Bildanteil pro Teil deutlich. Und ein Behälterwechsel im Takt oder eine zweite Station verhindert, dass der Roboter wartet. Die Anbindung an die Steuerung läuft über Profinet, EtherCAT oder TCP/IP.

Häufige Fragen

F Was unterscheidet den Griff in die Kiste vom einfachen Pick and Place?

Beim Pick and Place liegt das Teil vereinzelt und in bekannter Ebene, sodass Position und Drehlage genügen. Beim Griff in die Kiste liegen die Teile chaotisch oder halbgeordnet übereinander, verkippt und teilweise verdeckt, und der Behälter selbst begrenzt den Anfahrwinkel. Gebraucht wird die vollständige Raumlage plus eine Bewertung, welches Teil überhaupt gut greifbar ist. Deshalb kommt hier 3D Robot Vision zum Einsatz.

F Welche Behältergrößen und Tiefen sind in der Verpackung üblich?

In realen Projekten reichen die Behälter von Kleinladungsträgern ab etwa 300 x 300 mm bis zu Formaten um 600 x 400 x 220 mm, dazu kommen Gitterboxen, Halbpalettenkisten, Waschkörbe mit Trennstegen und Kartons mit Einlage oder Folienabdeckung. In dokumentierten Anwendungen wird bis etwa 220 mm tief in den Behälter geblickt, und für Kamera, Beleuchtung und Roboterhub wird eine Raumhöhe über 3 m eingeplant.

F Wie erkennt das System Bauchlage und Kopflage?

Über ein Unterscheidungsmerkmal am Teil, etwa eine Fase, Bohrung, Nut oder Prägung, das in der 3D-Auswertung auch bei verkippter und teilweise verdeckter Lage gefunden wird. Steht die Seitenlage fest, entscheidet die Zelle, ob direkt lagerichtig gegriffen, im Greifer gedreht oder über eine Wendestation korrigiert wird. Diese Entscheidung gehört ins Greiferkonzept, weil sie den Takt beeinflusst.

F Wie viele Varianten kann eine Bin-Picking-Zelle abdecken?

In dokumentierten Anwendungen sind bis zu 40 Varianten über eine Zelle gefordert, mit dem Anspruch, neue Teile ohne Programmierung einzulernen. Für die Auswahl zählt, ob ein CAD-Modell nötig ist oder Aufnahmen des realen Teils genügen, wie lange das Einlernen pro Variante dauert und ob Programme auf ähnliche Teile übertragbar sind. Liegen Teile einlagig vor, genügt oft eine 2D-Roboterführung, die schneller eingelernt ist.

F Welche Taktzeit ist beim Griff in die Kiste realistisch?

In dokumentierten Anwendungen liegen die Zykluszeiten bei rund 5 bis 25 s pro Teil, in einer satzweise arbeitenden Zelle wurden etwa 240 s für drei Teile gefordert. Maßgeblich sind Behältertiefe, Teilegröße, Weg zur Ablage und ein möglicher Werkzeugwechsel, nicht die Bildauswertung allein. Wer mehrere Greifpunkte aus einer Aufnahme abarbeitet und den Behälterwechsel entkoppelt, verkürzt den Takt merkbar.

F Muss die Zelle auch die Ablage überwachen?

In der Regel ja. Trays und Waschkörbe kommen teilweise befüllt an, Nester sind belegt, Stege verschoben, Netze liegen über der Lage. Eine Kamera über der Ablagestation meldet den nächsten freien Platz und erkennt, wann eine Lage voll ist. Dafür genügt meist eine 2D-Prüfung auf belegt oder frei, wobei der Kontrast zwischen Teil und Behälter über dunkle Trays oder gezielte Beleuchtung hergestellt wird.

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