Depalettieren und Entstapeln automatisieren: Kartons, Zuschnitte und Stapel zuverlässig erkennen

Depalettieren ist in vielen Werken die letzte rein manuelle Station vor einer ansonsten automatisierten Linie. Eine Palette Kartons, ein Stapel Faltschachtelzuschnitte, eine Lage Trays mit Zwischenlage: Jemand hebt Stück für Stück ab und legt auf. Die Station ist körperlich anspruchsvoll, sie muss über mehrere Schichten besetzt werden, und sie bestimmt den Takt der ganzen Linie. Genau deshalb steht sie am Anfang der meisten Automatisierungsprojekte in der Verpackungs- und Druckindustrie. Die technische Hürde liegt selten beim Roboter, sondern bei der Frage, woher er weiß, was wo liegt. Dieser Beitrag zeigt, welche Informationen ein Bildverarbeitungssystem beim Abstapeln liefern muss, wo 3D nötig ist, wo ein 2D-Bild genügt, und wie aus der Bildinformation eine kollisionsfreie Roboterbahn wird.

Wichtige Punkte im Überblick

Blindes Depalettieren mit fester Greifposition scheitert an der Realität des Wareneingangs: Mischpaletten, angebrochene Lagen, gedrehte Paletten und schief stehende Gebinde führen zu Fehlgriffen und umgestürzten Lagen.
Fünf Informationen entscheiden über den Griff: die oberste Lage, die Drehlage, die Zwischenlage, die Nachbarkante und die Fehllage eines gekippten oder überstehenden Gebindes.
Die Optik muss Stapelhöhen von rund 1,1 m bis 1,8 m abdecken, mit einer Tiefenschärfe, die von der Oberkante des vollen Stapels bis zur leeren Palette trägt.
Plan liegende Zuschnitte, Wrapper und Druckerzeugnisse sind ein 2D-Fall: Position und Drehung ergeben sich aus der Lage der Stapelkante, während der Greifer die Höhe kompensiert.
Der Moment nach dem Griff eignet sich für die Identifikation: Ein AI-Codeleser der Modellreihe SR-X liest EAN oder DMC am frei bewegten Karton, ohne dass ein eigener Takt dafür nötig wird.

Warum blindes Depalettieren an der Realität scheitert: Mischpaletten und angebrochene Lagen

Der naheliegende Ansatz ist die feste Greifposition. Der Roboter fährt eine gelernte Matrix ab, Lage für Lage, und senkt sich pro Lage um eine gespeicherte Höhe. Solange die Paletten sortenrein, vollständig und immer gleich orientiert ankommen, funktioniert das.

Im Wareneingang und in der Zwischenlagerung einer Verpackungslinie ist das die Ausnahme. Paletten kommen gemischt an, sie sind angebrochen, weil ein Teil bereits verbraucht wurde, sie stehen um 0 oder 180 Grad gedreht auf dem Platz, eine Lage ist aufgerissen, ein Gebinde steht schief, ein Stapel ist bebändert. In dokumentierten Anwendungen bewegen sich mehrere Palettenplätze mit unterschiedlichen Artikeln gleichzeitig im Arbeitsbereich eines Roboters. Jede dieser Abweichungen führt beim blinden Greifen zu einem Fehlgriff, und ein Fehlgriff bedeutet nicht nur einen verlorenen Takt, sondern häufig eine umgestürzte Lage und einen Handeingriff.

Auch die Zwischenlösungen halten nicht lange. Ein Messlichtgitter liefert die Höhe der obersten Lage, sagt aber nichts über Drehlage und Vollständigkeit. Eine mechanische Vorzentrierung fängt kleine Abweichungen ab, nicht aber eine fehlende Reihe. Sobald die Palettenwelt nicht mehr sortiert ist, braucht die Zelle ein Bild.

Was das System wirklich erkennen muss: Lage, Drehung, Zwischenlage und Nachbarkante

Beim Abstapeln geht es um mehr als die Position eines einzelnen Kartons. Fünf Informationen bestimmen, ob der Griff sitzt:

Die oberste Lage: Wo liegt sie, und liegt sie vollständig? Fehlende Gebinde in einer angebrochenen Lage müssen als Lücke erkannt werden, nicht als Fehler.
Die Drehlage: Ist die Palette oder das einzelne Gebinde um 180 Grad gedreht? Das entscheidet über Greiferwinkel und darüber, wo später der Code sitzt.
Die Zwischenlage: Zwischen Traylagen liegen Kartonbögen, die mit einem eigenen Greifwerkzeug abgenommen werden. In realen Projekten liegen die Abstände zwischen zwei Zwischenlagen im Bereich einiger hundert Millimeter, sodass das System sie sicher von der Produktlage trennen muss.
Die Nachbarkante: Wo endet der zu greifende Karton und wo beginnt der nächste? Bei dicht gepackten Lagen ist diese Kante der schwierigste Teil der Auswertung, weil bedruckte Wellpappe kontrastreiche Muster mitbringt, die wie Kanten aussehen.
Die Fehllage: Ein schief stehendes, gekipptes oder überstehendes Gebinde muss auffallen, bevor der Greifer darauf trifft.

Für Kartons, Trays und Gebinde mit Höhenunterschieden liefern die Kameras für 3D Robot Vision RB-500/800/1200 auf der Plattform der Modellreihe CV-X diese Informationen als Raumlage. Die Auswertung der Höheninformation trennt dabei Lage von Lage und Gebinde von Gebinde, und die 3D-Roboterführung (3D VGR) gibt die Greifkoordinaten samt Orientierung aus.

Große Bildfelder in der Höhe: Palettenhöhe, Tiefenschärfe und Kameraposition

Depalettieren stellt eine optische Anforderung, die in anderen Roboteranwendungen selten auftritt: Das Bildfeld muss groß sein, und der Arbeitsabstand ändert sich mit jeder abgenommenen Lage. In der Anwendungspraxis reichen die Stapelhöhen von rund 1,1 m bis 1,8 m, und die Kamera muss den Grundriss einer vollen Europalette samt etwas Umgebung sehen, damit auch überstehende Gebinde im Bild liegen. Die Bildfelder beginnen bei etwa 580 mm für schmale Stapel und reichen bis zur vollen Palettenfläche.

Aus dieser Geometrie folgen drei Auslegungspunkte. Erstens die Bauhöhe: Über der vollen Palette muss genug Raum für Kamera und Beleuchtung bleiben, und in einigen dokumentierten Projekten arbeiten die Zellen in Räumen mit mehr als 3 m Höhe, teils unter Reinraum- und Schleusenbedingungen. Zweitens die Tiefenschärfe: Sie muss von der Oberkante des vollen Stapels bis zur leeren Palette tragen, sonst wird die letzte Lage unscharf. Drittens die Kameraposition: Eine stationäre Optik über der Zelle ist einfach zu beleuchten, braucht aber das größte Bildfeld. Eine mitfahrende Kamera am Roboterarm hält das Bildfeld klein, und in einem dokumentierten Fall fährt die Kamera auf einer eigenen Achse über die einzelnen Palettenplätze, sodass eine Optik mehrere Stationen bedient.

Zuschnitte, Wrapper und Druckerzeugnisse: wann 2D genügt

Nicht jedes Abstapeln ist ein 3D-Problem. Faltschachtelzuschnitte, bedruckte Kartonwrapper, Etikettenbögen und palettierte Druckerzeugnisse wie Kataloge oder Beilagen liegen plan aufeinander. Der Greifer nimmt immer das oberste Blatt, und die Höhe ergibt sich aus dem Stapel selbst, entweder über eine gefederte Anfahrt oder über einen einfachen Höhensensor.

In diesen Fällen genügt ein 2D-Bild von oben. Gesucht wird die Lage der Stapelkante, oft die gebundene oder angeschlagene Kante, aus der sich Position und Drehung ableiten lassen. Eine All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS übergibt mit der 2D-Roboterführung (2D VGR) Position und Winkel an den Roboter. In dokumentierten Anwendungen liegen die geforderten Positionstoleranzen bei Zuschnitten um plus/minus 2 mm, was mit einem sauber ausgeleuchteten 2D-Bild und einer kalibrierten Optik erreichbar ist.

Die Grenze zu 3D verläuft dort, wo der Stapel nicht mehr plan bleibt. Verrutschte Blätter, gewellte Zuschnitte, ein Stapel, der sich nach unten hin auffächert, oder mehrere unterschiedlich hohe Stapel auf einer Palette machen die Höheninformation wieder notwendig. Ein einfacher Prüfsatz für die Konzeptphase: Wenn der Greifer immer dieselbe Anfahrbewegung ausführt und nur Position und Winkel variieren, reicht 2D.

Vom Bild zur Roboterbahn: Koordinaten, Greiferkonzept und Kollisionsfreiheit

Das Bild allein bewegt nichts. Aus der erkannten Lage muss eine Bahn werden, die den Griff ausführt, ohne die Nachbargebinde zu berühren. Drei Punkte bestimmen, ob das gelingt.

Der Greifer kommt zuerst. Sauggreifer nehmen Kartons und Zuschnitte flächig von oben ab und verlangen eine ausreichend große, saubere Auflagefläche. Für Zwischenlagen wird häufig ein eigenes Werkzeug oder eine eigene Saugzone gebraucht, weil ein Kartonbogen anders reagiert als ein gefüllter Karton. Ob ein Mehrfachgreifer eine ganze Reihe auf einmal nimmt, hat direkte Folgen für die Auswertung, denn dann muss das System die Reihe als Ganzes beurteilen, nicht das einzelne Gebinde.

Die Anfahrt kommt als Zweites. Die Kamera liefert Greifpunkt und Orientierung, die Bahnplanung ergänzt Anfahrhöhe, Absenkweg und Rückzug. Bei dicht gepackten Lagen zählt der Freiraum zur Nachbarkante in Millimetern, und ein überstehendes Gebinde in der Nachbarreihe ist der häufigste Kollisionsgrund. Deshalb gehört die Lageprüfung der Umgebung zum Ergebnis, nicht nur die Position des Zielobjekts.

Der Takt kommt als Drittes. In realen Projekten liegen die Zykluszeiten beim Abstapeln im Bereich einiger Sekunden pro Griff, und die Bildaufnahme ist darin nur ein kleiner Anteil. Bahnplanung, Absenken, Ansaugen und Rückzug bestimmen die Zeit. Die Übergabe der Koordinaten an die Steuerung läuft üblicherweise über Profinet, EtherCAT, EtherNet/IP oder TCP/IP.

Depalettieren und Identifizieren verbinden: Code am Karton nach dem Griff

Die abgestapelte Ware muss meist auch identifiziert werden, und die Roboterzelle bietet dafür einen günstigen Moment. Der Karton hängt frei am Greifer, er wird ohnehin bewegt, und seine Orientierung ist aus der Bildauswertung bekannt. Ein Codeleser der Modellreihe SR-X am Rand der Zelle liest in dieser Bewegung die EAN oder den DMC, ohne dass ein eigener Takt dafür nötig wird.

Der praktische Nutzen ist doppelt. Zum einen wird der Buchungsvorgang automatisiert, zum anderen fängt die Lesung Verwechslungen ab, die auf einer Mischpalette entstehen. Wo der Code auf einer von mehreren Kartonseiten sitzt, hilft die bekannte Drehlage aus der Bildverarbeitung bei der Wahl des Lesers, und mehrere Leser um die Station herum decken die verbleibenden Seiten ab. Wie eine solche Identifikation aufgebaut wird, behandeln die Beiträge zur Codelesung im Verpackung & Druck Hub im Detail. Für die Abstapelzelle zählt, dass Leseposition und Beleuchtung mit dem Greiferkonzept zusammen geplant werden.

Häufige Fragen

F Warum funktioniert Depalettieren mit fester Greifposition oft nicht?

Weil die Paletten in der Praxis nicht sortiert ankommen. Mischpaletten, angebrochene Lagen, um 180 Grad gedrehte Paletten, aufgerissene Lagen und schief stehende Gebinde führen beim blinden Greifen zu Fehlgriffen, umgestürzten Lagen und Handeingriffen. Ein Messlichtgitter liefert nur die Höhe der obersten Lage, nicht die Drehlage und nicht die Vollständigkeit. Sobald diese Abweichungen auftreten, braucht die Zelle eine Bildauswertung.

F Welche Stapelhöhen und Bildfelder sind beim Depalettieren üblich?

In dokumentierten Anwendungen liegen die Stapelhöhen bei rund 1,1 m bis 1,8 m, und die Kamera erfasst den Grundriss einer vollen Europalette plus etwas Umgebung. Die Bildfelder reichen von etwa 580 mm bei schmalen Stapeln bis zur vollen Palettenfläche. Die Tiefenschärfe muss von der obersten Lage bis zur leeren Palette tragen, damit auch der letzte Griff sicher sitzt.

F Wann genügt beim Entstapeln eine 2D-Kamera?

Wenn der Stapel plan bleibt und der Greifer immer dieselbe Bewegung ausführt. Das gilt für Faltschachtelzuschnitte, bedruckte Wrapper, Etikettenbögen und palettierte Druckerzeugnisse. Gesucht wird dann nur die Lage der Stapelkante, aus der sich Position und Drehung ergeben. In der Anwendungspraxis werden dabei Positionstoleranzen um plus/minus 2 mm erreicht. Sobald Blätter verrutschen, sich wellen oder mehrere unterschiedlich hohe Stapel auf einer Palette liegen, wird die Höheninformation wieder gebraucht.

F Wie werden Zwischenlagen zwischen Traylagen erkannt und abgenommen?

Die Auswertung trennt die Zwischenlage über ihre Höhe und ihr Erscheinungsbild von der Produktlage. In realen Projekten liegen die Abstände zwischen zwei Zwischenlagen im Bereich einiger hundert Millimeter. Für die Abnahme wird meist ein eigenes Werkzeug oder eine eigene Saugzone eingesetzt, weil ein einzelner Kartonbogen anders reagiert als ein gefüllter Karton. Beides gehört ins Greiferkonzept, bevor die Kamera ausgelegt wird.

F Kann die Zelle den depalettierten Karton gleich identifizieren?

Ja, und das ist der günstigste Moment dafür. Der Karton wird ohnehin bewegt, seine Orientierung ist aus der Bildauswertung bekannt, und ein Codeleser der Modellreihe SR-X am Rand der Zelle liest EAN oder DMC in dieser Bewegung. Damit wird die Buchung automatisiert, und Verwechslungen auf Mischpaletten fallen sofort auf. Leseposition und Beleuchtung werden zusammen mit dem Greiferkonzept festgelegt.

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