Pick and Place vom Förderband: 2D-Roboterführung für Kunststoffteile richtig auslegen
Teile kommen auf dem Band an, ein Roboter soll sie greifen und ablegen: zum Etikettieren, Palettieren oder Bestücken einer Maschine. Diese Aufgabe ist das Brot-und-Butter-Geschäft der Roboterführung in der Kunststoffverarbeitung, und gerade weil sie so alltäglich wirkt, wird sie oft zu knapp spezifiziert. Dann greift der Roboter zuverlässig, nur eben nicht das schwarze Teil auf dem dunklen Band und nicht bei tief stehender Sonne durchs Hallenfenster. Dieser Beitrag zeigt, wie eine 2D-Roboterführung am Förderband richtig ausgelegt wird, von der Lageerkennung über die Koordinatenübergabe und das Conveyor Tracking bis zu den Erfolgsfaktoren, die in keiner Taktzeitrechnung stehen. Er ergänzt den Beitrag zum Bin Picking um den Fall, in dem die Teile bereits vereinzelt und flach liegen.
Wichtige Punkte im Überblick
- Die 2D-Roboterführung bestimmt Position und Drehlage jedes Teils auf dem Band und übergibt die Koordinaten an den Roboter, vorausgesetzt, die Teile liegen flach und vereinzelt.
- Besonders wertvoll ist die direkte Verbindung von der Kamera zur Robotersteuerung über TCP/IP, wenn die Bestands-SPS keine freie Schnittstelle mehr hat, häufig mit Cobots als Empfängern der Koordinaten.
- Beim Conveyor Tracking greift der Roboter vom laufenden Band: Die Kamera erkennt das Teil stromaufwärts, ein Encoder meldet den Bandweg, und auf schnellen Linien stehen in dokumentierten Anwendungen 200 bis 300 ms für Erkennung und Koordinatenausgabe zur Verfügung.
- Die Genauigkeit sollte realistisch gefordert werden: Die Spanne aus realen Projekten reicht von einigen Millimetern bis etwa +/-0,25 mm, und wenn der erste Griff nicht reicht, korrigiert ein zweistufiges Greifen mit zweiter Messung die Ablageposition.
- Die meisten instabilen Anlagen scheitern am Bild, nicht an der Software: Kontrast zwischen Teil und Band, beherrschtes Fremdlicht und ein Machbarkeitstest mit Originalteilen auf dem originalen Band entscheiden über den stabilen Betrieb.
Lageerkennung auf dem Band: die Grundaufgabe der 2D-Roboterführung
Die Kernaufgabe ist schnell beschrieben. Eine Kamera über dem Band erkennt jedes Teil, bestimmt seine Position in X und Y sowie seine Drehlage und übergibt diese Koordinaten an den Roboter, der daraus seinen Greifpunkt berechnet. Feste mechanische Anschläge, die eine Positionsstreuung von einigen Zentimetern nicht auffangen können, entfallen damit ebenso wie das manuelle Einlegen.
Das Aufgabenspektrum aus realen Projekten ist breiter, als die Kurzbeschreibung vermuten lässt: schwarze Formteile auf Bändern bis 1000 mm Breite, Clips und Gehäuse im Minutentakt, folienumwickelte Gummibaugruppen mit 310 bis 420 mm Durchmesser aus der Verpackungslinie, Rohre, die auf Dorne gesteckt werden, und Palettierbilder wie 3x3 Teile je Lage. Häufig übernimmt dieselbe Aufnahme eine zweite Aufgabe mit, etwa eine Anwesenheitskontrolle oder einen Code im selben Bild.
Die Abgrenzung zum Griff in die Kiste ist die Teilelage. Die 2D-Roboterführung setzt voraus, dass die Teile flach und vereinzelt liegen. Trifft diese Annahme zu, ist sie der wirtschaftlichste Weg. Liegen die Teile dagegen als Schüttgut übereinander, führt der Weg zur 3D-Roboterführung, die ein eigener Beitrag behandelt.
Koordinatenübergabe an den Roboter: Schnittstellen ohne Umweg über die SPS
Zwischen Kamera und Roboter liegt eine Kalibrierung und eine Schnittstelle, und beide verdienen mehr Aufmerksamkeit als die Kameraauswahl. Die Kalibrierung übersetzt Bildpixel in Roboterkoordinaten. Sie wird einmal mit einem Kalibriermuster eingemessen und muss danach stabil bleiben, jede unbemerkte Verschiebung der Kamera wandert sonst direkt in den Greifpunkt.
Bei der Schnittstelle hat sich in der Projektpraxis ein Weg als besonders wertvoll erwiesen: die direkte Verbindung von der Kamera zur Robotersteuerung über TCP/IP. Viele Bestandsanlagen haben schlicht keine freie Schnittstelle mehr an der SPS. Eine All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS gibt die Greifkoordinaten in solchen Fällen direkt im Format der Robotersteuerung aus, die SPS bleibt unangetastet. Wo die Zellensteuerung ohnehin mitspielt, stehen Profinet und EtherCAT als klassische Wege offen.
Auffallend oft sind Cobots die Empfänger der Koordinaten. Sie werden in bestehende Linien nachgerüstet, und die direkte Kamera-Roboter-Verbindung passt zu diesem Ansatz. Die Anbindung selbst bleibt markenunabhängig, in dokumentierten Anwendungen arbeiten 6-Achs-Roboter, SCARA und Cobots mit derselben Bildverarbeitung zusammen.
Conveyor Tracking: Greifen vom laufenden Band
Interessant wird das Zeitverhalten, sobald die Linie nicht anhalten darf. Beim Conveyor Tracking erkennt die Kamera das Teil an einer Position stromaufwärts, ein Encoder am Band meldet den zurückgelegten Weg, und der Roboter greift das Teil stromabwärts im Lauf, indem er seine Bewegung mit dem Band synchronisiert.
Damit das funktioniert, müssen drei Uhren zusammenpassen. Die Kamera muss erkannt und gerechnet haben, bevor das Teil den Arbeitsbereich des Roboters erreicht, in dokumentierten Anwendungen stehen dafür auf schnellen Linien 200 bis 300 ms für Erkennung und Koordinatenausgabe zur Verfügung. Der Encoder muss fest mit dem Band gekoppelt sein, Schlupf zwischen Band und Messrad geht direkt als Versatz in den Greifpunkt ein. Und der Roboter braucht genug Bahnreserve, um das Teil innerhalb seines Fensters zu erreichen.
Die erreichbaren Raten sind für viele Kunststoffanwendungen mehr als ausreichend. In realen Projekten laufen Linien mit bis zu 60 Teilen pro Minute, während gemächlichere Anwendungen, etwa die Entnahme im Spritzgusstakt, mit Zykluszeiten von 15 bis 45 Sekunden arbeiten und gar kein Tracking brauchen. Die ehrliche Frage vor dem Projekt lautet deshalb: Muss das Band wirklich durchlaufen, oder ist ein kurzer Stopp im Takt die einfachere Lösung?
Viele Varianten, kleine Lose: Flexibilität von Anfang an einplanen
Kunststoffverarbeiter produzieren selten ein einziges Teil. In dokumentierten Anwendungen laufen bis zu 8 Varianten über dieselbe Linie, sortenrein, also eine Type je Auftrag, aber im Wechsel von Tag zu Tag oder Schicht zu Schicht. Für die Roboterführung heißt das: Der Variantenwechsel gehört von Anfang an ins Lastenheft.
Zwei Anforderungen haben sich bewährt. Erstens die Programmumschaltung ohne Werkereingriff: Die Zellensteuerung oder das MES wählt das Prüf- und Greifprogramm zur Auftragsnummer. Zweitens das Einlernen neuer Varianten ohne Integratoreinsatz: Ein neues Formteil sollte sich anhand weniger Musterteile im eigenen Haus einlernen lassen, mit Kontursuche und nachvollziehbaren Parametern statt mit einem Programmierprojekt. Gerade bei kleinen Losen bestimmt dieser Punkt die Wirtschaftlichkeit der Automatisierung.
Sinnvoll ist außerdem, Bildfeld und Greifer von Anfang an für das größte und das kleinste Teil des Spektrums gemeinsam auszulegen, statt die Zelle am Startprodukt allein festzumachen.
Genauigkeit realistisch fordern: von wenigen Millimetern bis 0,25 mm
Bei der Genauigkeit lohnt Ehrlichkeit in beide Richtungen. Die Anforderungsspanne aus realen Projekten reicht von einigen Millimetern, wenn ein Sauggreifer eine folienumwickelte Baugruppe von 400 mm Durchmesser aufnimmt, bis zu etwa +/-0,25 mm, wenn ein Teil anschließend gefügt oder auf einen Dorn gesteckt wird. Wer pauschal ein Zehntel fordert, bezahlt Auflösung und Kalibrieraufwand, die der Greifer gar nicht umsetzen kann. Wer zu grob spezifiziert, klemmt später Teile in der Aufnahme fest.
Physikalisch hängt die erreichbare Genauigkeit an drei Größen. Das Bildfeld verteilt die Kamerapixel über die Bandbreite, ein großes Feld auf 1000 mm Band braucht für feine Toleranzen entsprechend hohe Auflösung, dafür steht die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G mit hochauflösenden Kameras bereit, in dokumentierten Anwendungen werden damit Bildfelder bis etwa 1200x1200 mm abgedeckt. Die Kalibrierung begrenzt die Umrechnung von Pixeln in Roboterkoordinaten. Und die Mechanik, vom Encoder bis zum Greiferspiel, addiert ihren eigenen Anteil.
Wenn die Toleranz enger ist, als der erste Griff hergibt, hilft das zweistufige Greifen: Der Roboter nimmt das Teil grob vom Band, präsentiert es einer zweiten Kamera oder trägt eine Kamera am Arm, und die zweite Messung korrigiert die Ablageposition. In dokumentierten Anwendungen wird so auch die Lochsuche auf gewölbten Kunststoffoberflächen gelöst, bei der die Position erst am Teil selbst genau bestimmt werden kann.
Kamera, Beleuchtung, Hintergrund: die unterschätzten Erfolgsfaktoren
Die meisten instabilen Pick-and-Place-Anlagen scheitern nicht an der Software, sondern am Bild. Drei Faktoren verdienen deshalb bei der Auslegung dieselbe Aufmerksamkeit wie Taktzeit und Genauigkeit.
Der erste ist der Kontrast zwischen Teil und Band. Ein schwarzes Formteil auf einem dunklen, abgenutzten Gurt ist für jede Kontursuche eine Zumutung. Oft ist die wirksamste Maßnahme keine bessere Kamera, sondern ein hellerer Gurt, eine definierte Hintergrundfläche an der Messposition oder eine Beleuchtung, die das Teil über Reflexion statt über Helligkeit vom Band trennt. Solche Eingriffe kosten wenig.
Der zweite Faktor ist das Fremdlicht. Hallenfenster, wandernde Sonnenstände und wechselnde Hallenbeleuchtung verändern das Bild über den Tag. Eine kräftige eigene Beleuchtung mit kurzer Belichtungszeit und gegebenenfalls einer einfachen Abschattung macht die Erkennung davon unabhängig, in der Projektpraxis ist das der Unterschied zwischen stabilem Betrieb und täglichen Störungen am Spätnachmittag.
Der dritte Faktor ist die Systemwahl selbst. Für kompakte Bildfelder und die direkte Roboteranbindung ist eine All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS der kurze Weg. Sobald große Felder, mehrere Kameras oder zusätzliche Prüfaufgaben in derselben Zelle zusammenkommen, übernimmt die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G. Ein Machbarkeitstest mit Originalteilen auf dem originalen Band, in der schlechtesten Farbe und beim ungünstigsten Licht, bleibt der verlässlichste Schritt vor der Investition.
Häufige Fragen
F Wie kommt die Teileposition von der Kamera zum Roboter?
A
Die Kamera bestimmt Position und Drehlage des Teils und rechnet sie über eine einmalig eingemessene Kalibrierung in Roboterkoordinaten um. Die Übergabe läuft wahlweise über die Zellensteuerung per Profinet oder EtherCAT oder direkt von der Kamera zur Robotersteuerung über TCP/IP. Der direkte Weg ist besonders dann wertvoll, wenn die Bestands-SPS keine freie Schnittstelle mehr hat.
F Welche Genauigkeit erreicht eine 2D-Roboterführung am Förderband?
A
Die Spanne aus realen Projekten reicht von einigen Millimetern bei großen, mit Sauggreifern aufgenommenen Teilen bis zu etwa +/-0,25 mm bei Füge- und Steckaufgaben. Die erreichbare Genauigkeit hängt von Bildfeld, Kameraauflösung, Kalibrierung und Greifermechanik gemeinsam ab. Reicht der erste Griff nicht, korrigiert ein zweistufiges Greifen mit zweiter Messung die Ablageposition.
F Was ist Conveyor Tracking und wann lohnt es sich?
A
Beim Conveyor Tracking greift der Roboter vom laufenden Band: Die Kamera erkennt das Teil stromaufwärts, ein Encoder meldet den Bandweg, und der Roboter synchronisiert seine Bewegung mit dem Teil. Es lohnt sich, wenn die Linie nicht anhalten darf, etwa bei bis zu 60 Teilen pro Minute. Kann das Band im Takt kurz stoppen, ist der Aufbau ohne Tracking einfacher und robuster.
F Funktioniert die Lageerkennung auch bei schwarzen Kunststoffteilen?
A
Ja, wenn der Kontrast zum Band aktiv hergestellt wird. Auf einem dunklen, abgenutzten Gurt hilft oft schon eine definierte Hintergrundfläche, ein hellerer Gurt oder eine Beleuchtung, die das Teil über Reflexion vom Hintergrund trennt. Ein Machbarkeitstest mit Originalteilen in der dunkelsten Farbe und auf dem originalen Band sollte diese Frage vor der Investition beantworten.
F Wie viele Teilevarianten kann eine Linie mit 2D-Roboterführung verarbeiten?
A
In dokumentierten Anwendungen laufen bis zu 8 Varianten sortenrein über dieselbe Linie. Voraussetzung ist eine Programmumschaltung ohne Werkereingriff, etwa über die Auftragsnummer aus der Zellensteuerung, und die Möglichkeit, neue Varianten anhand weniger Musterteile im eigenen Haus einzulernen. Beides gehört von Anfang an ins Lastenheft.
F Wann reicht die 2D-Roboterführung und wann braucht es 3D?
A
Die 2D-Roboterführung reicht, wenn die Teile flach und vereinzelt liegen, jedes mit bekannter Seite nach oben und ohne Überlappung, etwa auf dem Förderband oder lagenweise im Tray. Liegen die Teile als Schüttgut übereinander in Kiste oder Gitterbox, braucht der Roboter die Höheninformation einer 3D-Roboterführung, die Greifpunkte aus der Punktwolke berechnet und Kollisionen mit der Kiste prüft.
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