Griff in die Kiste mit Variantenerkennung: 3D-Robot-Vision für Maschinenbauer und Integratoren

Vom manuellen Bestücken in 3 Schichten zur automatisierten Zuführung

Der Ausgangspunkt ist in den dokumentierten Projekten auffallend ähnlich: Werker bestücken Maschinen, Förderbänder oder Werkstückträger manuell, häufig im Zwei- bis Dreischichtbetrieb. Die Gründe für die Automatisierung sind daher selten rein technischer Natur. Im Vordergrund stehen Personalkosten im Mehrschichtbetrieb, ergonomische Belastungen beim Entnehmen aus Gitterboxen und zunehmend die mangelnde Verfügbarkeit von Personal für monotone Zuführarbeiten.

Bei den Werkstücken handelt es sich um typische Maschinenbaukomponenten, etwa Gusstrauben und Schmiedegehäuse, Spulen, gebogene Blechhalter und Drehteile. Viele Teile liegen ungeordnet in der Kiste, sind stark reflektierend oder verhaken sich miteinander.

Ein wiederkehrendes Muster aus der Projektpraxis ist besonders relevant: Mehrere Anwender hatten bereits einen Automatisierungsversuch mit 3D-Kameras anderer Bauart durchgeführt und scheiterten an der Greifsicherheit. Teile wurden nicht zuverlässig erkannt, Greifversuche liefen ins Leere und Kisten blieben teilweise gefüllt. Für die Planung bedeutet das: Entscheidend ist die nachgewiesene Erkennungsleistung mit den eigenen Teilen in der eigenen Kiste, nicht die Spezifikation im Datenblatt.

Sortenreine Kisten, viele Typen: Variantenmanagement beim Bin Picking

Das dominante Muster in den Anwendungsdaten widerspricht der verbreiteten Vorstellung vom „chaotischen Griff in die gemischte Kiste“: Die Kisten sind in aller Regel sortenrein, eine Variante pro Kiste oder Gitterbox. Die Komplexität entsteht an anderer Stelle: Es gibt in dokumentierten Projekten 2 bis rund 50 Kistentypen, die dieselbe Zelle bedienen muss. Die Aufgabe der Bildverarbeitung ist also weniger das Trennen gemischter Teile als das Verwalten von Varianten: erkennen, welcher Typ vorliegt, das passende Suchmodell und Greifkonzept aktivieren, und sicherstellen, dass keine falsch angelieferte Kiste unbemerkt verarbeitet wird.

In einigen Projekten geht die Variantenlogik noch einen Schritt weiter: Die Bildverarbeitung entscheidet, welche Variante an welchen Roboter übergeben wird, etwa wenn zwei Roboter unterschiedliche Folgeprozesse bedienen. Die Typenerkennung wird damit Teil der Materialflusssteuerung, nicht nur der Qualitätssicherung.

Für Maschinenbauer und Integratoren, die solche Zellen als Eigenintegration umsetzen, ist die Pflege der Typprogramme ein Planungsthema erster Ordnung: Wer lernt neue Varianten ein, wie lange dauert das, und lässt sich das Einlernen ohne Produktionsunterbrechung vorbereiten? Bewährt hat sich, die Variantenverwaltung so aufzusetzen, dass der Integrator neue Typen selbst ergänzen kann, Variantensets wachsen erfahrungsgemäß über die Anlagenlaufzeit weiter.

Lage- und Seitenerkennung: Kopf- oder Bauchlage sicher unterscheiden

Neben der Positionsbestimmung ist die Orientierung die zweite zentrale Aufgabe. In den dokumentierten Projekten reicht es fast nie aus, nur die Lage eines Teils in der Kiste zu kennen. Die Zelle muss zusätzlich erkennen, welche Seite oben liegt, beispielsweise Kopf- oder Bauchlage, Ober- oder Unterseite sowie die Drehrichtung. Der Folgeprozess, etwa Bearbeitungsmaschine, Fügevorrichtung oder Maschinenpalette, akzeptiert das Werkstück nur in korrekter Orientierung.

Die 3D-Erkennung bildet dafür die Grundlage. Aus dem 3D-Bild der Kiste ermittelt das System Position und Ausrichtung jedes greifbaren Teils. Bei Werkstücken, deren Ober- und Unterseite in der 3D-Kontur nur schwer zu unterscheiden sind, hat sich in der Praxis ein zusätzlicher Prüfschritt bewährt. Eine zweite Kamera bestätigt die Orientierung vor dem Ablegen. Der Roboter führt das gegriffene Teil an diese Kontrollposition. Erst nach bestätigter Seitenlage erfolgt die Ablage. Andernfalls wird das Teil gedreht oder wieder in die Kiste zurückgelegt.

Auch die Ablage stellt hohe Anforderungen. In den dokumentierten Anwendungen wird eine lagegerechte Übergabe an Förderband, Vorrichtung oder Maschinenpalette mit Genauigkeiten im Millimeterbereich verlangt. Die Lageerkennung ist damit erst an der definierten Übergabeposition abgeschlossen, nicht bereits beim Greifen.

3D-Suche und Greifkonzept: was die Taktzeit wirklich bestimmt

In realen Projekten liegen die Taktzeiten für den Griff in die Kiste typisch bei 7 bis 10 Sekunden pro Teil, inklusive Bildaufnahme, Teilesuche, Bahnberechnung, Griff und Ablage. Zugleich wird die vollständige Entleerung der Kiste erwartet: Eine Zelle, die die letzten Teile in den Ecken liegen lässt, verlagert das Personalproblem nur, statt es zu lösen.

Was bestimmt diese Taktzeit? Drei Faktoren wirken zusammen:

• Die 3D-Suche. Systeme wie die 3D Robot Vision der Modellreihe 3D VGR (RB-Modelle) erstellen mit mehreren Kameras ein 3D-Bild des gesamten Kisteninhalts und erkennen daraus Lage und Drehlage der greifbaren Teile, auch bei ineinanderliegenden oder teilverdeckten Werkstücken. Die integrierte Bahnplanung berechnet die Roboterbewegung inklusive Kollisionsprüfung mit Kistenwand und Nachbarteilen, sodass auch Teile in tiefen Behältern und an den Rändern erreichbar bleiben.
• Das Greifkonzept. Greiferauslegung und Störkonturen entscheiden häufig stärker über die reale Leistung als die Erkennung: Ein Greifer, der nur mittige Griffe zulässt, verlängert die Zyklen bei randnahen Teilen und gefährdet die vollständige Entleerung. Greifpunkte, Ausweichgriffe und Nachschüttel-Strategien gehören deshalb in die Planung, nicht in die Inbetriebnahme.
• Der Umgriff. Muss das Teil nach dem Griff umorientiert werden (etwa von Bauch- in Kopflage), kostet das Zeit, hier zahlt sich die Seitenerkennung vor dem Griff aus, weil der Roboter dann bevorzugt Teile in günstiger Lage wählt.

Ergänzend zur 3D-Zelle hat sich in den Projekten 2D-Vision-Guided-Robotics als zweites Werkzeug etabliert: An Zuführungen, Wendelförderern und Übergabebändern prüft eine 2D-Kamera die Pick-Position vereinzelt ankommender Teile und übergibt Koordinaten an den Roboter, schneller und einfacher als 3D, wo die Teile bereits weitgehend vereinzelt sind. Die Koordinatenübergabe übernimmt dabei etwa ein Bildverarbeitungssystem der Modellreihe CV-X, das direkt mit einer Vielzahl von Robotern kommuniziert und die Koordinatensysteme von Kamera und Roboter abgleicht.

Roboterunabhängige Integration: Schnittstellen zu gängigen Robotermarken

Eine Anforderung zieht sich durch nahezu alle dokumentierten Integratorprojekte: Die eingesetzte Robotermarke unterscheidet sich je nach Anwendung. Ein Sondermaschinenbauer, der Bin-Picking-Zellen als standardisierbaren Baustein anbieten will, benötigt daher eine Bildverarbeitung, die herstellerübergreifend einsetzbar ist. Integrationsflexibilität ist ein zentrales Auswahlkriterium. Das System muss mit vielen Robotern zusammenarbeiten und die Kalibrierung zwischen Kamera- und Roboterkoordinaten softwaregestützt ermöglichen, statt sie auf manuelle Messungen zu stützen.

Für die Anbindung an die Zellensteuerung gilt dasselbe. Ergebnisse, Typinformationen und Statussignale werden über gängige Feldbusse wie Profinet oder EtherCAT an die SPS übertragen. So lassen sich Kistenwechsel, Variantenfreigaben und die Störungsbehandlung innerhalb des etablierten Steuerungskonzepts umsetzen.

Neben der Technik ist die Rollenteilung bei der Inbetriebnahme entscheidend. Der Endkunde liefert Lastenheft und Teilespektrum. Der Maschinenbauer verantwortet Zelle, Greifer und Sicherheitskonzept. Der Integrator übernimmt die Programmierung. Der Sensorlieferant unterstützt bei Machbarkeit, beim Einlernen der Varianten und bei der Optimierung der Suchparameter. In Projekten, in denen diese Schnittstellen früh festgelegt wurden, wurde in der Praxis deutlich schneller eine stabile Serienproduktion erreicht.

Machbarkeitstest mit Originalteilen: der schnellste Weg zur belastbaren Aussage

Ob eine Bin-Picking-Zelle mit Variantenerkennung funktioniert, entscheidet sich nicht am Datenblatt, sondern an den eigenen Teilen. Der Machbarkeitstest mit Originalteilen und Originalkiste ist deshalb der schnellste Weg zu einer belastbaren Aussage vor der Beschaffung, und in den dokumentierten Projekten der Standardschritt vor jeder Investitionsentscheidung.

Bewährte Bewertungskriterien für einen solchen Test:

• 1.
  Greifquote: Wie viele Griffe pro hundert Versuchen führen zum lagerichtig abgelegten Teil?
• 2.
  Restteile: Wie viele Teile bleiben in der Kiste zurück, und in welchen Lagen?
• 3.
  Taktzeit: Welche Zykluszeit stellt sich über eine komplette Kiste ein, nicht nur beim günstigsten Griff?
• 4.
  Grenzmuster: Wie verhält sich das System bei den kritischen Fällen, verhakte Teile, Randlagen, die ähnlichsten Variantenpaare?

Für den Rollout hat sich ein schrittweises Vorgehen bewährt: erst der Labortest mit Originalteilen, dann die Pilotzelle an einer Station, dann die Übertragung des Standards auf weitere Anlagen. Gerade im Retrofit, wenn die Zelle eine manuelle Bestückung in bestehender Umgebung ablöst, reduziert dieser Weg das Risiko, weil Mechanik, Taktung und Steuerung der Bestandsanlage schrittweise einbezogen werden.

Häufige Fragen

Weiterführende Artikel

Übergeordnete Themenseite: Messtechnik, Kennzeichnung und Bildverarbeitung für Maschinen- und Anlagenbauer

Hauptartikel zum Thema: Verwechslungsschutz im Maschinenbau: Varianten sicher unterscheiden mit Bildverarbeitung

Weiterer Artikel im Thema: Chargenzuordnung per AI-OCR: Klarschrift und DMC auf schwierigen Oberflächen lesen

Weiterer Artikel im Thema: Vom Messschieber zum Sortierautomaten: dimensionelle Klassifizierung in der Linie

Weiterer Artikel im Thema: Lageerkennung auf breiten Linien: Sortierung und Ausrichtung mit Zeilenkameras