Leiterplatten und Bauteile für den Roboter positionieren: Nestkontrolle, Koordinatenausgabe und Griffkorrektur

Wenn ein Roboter das Be- und Entladen übernimmt, das bisher ein Mensch erledigt hat, ändert sich eine Kleinigkeit mit großer Wirkung: Der Mensch hat hingesehen, der Roboter kann es nicht. Eine Leiterplatte, die etwas anders im Blister liegt, ein im Nest verdreht sitzendes Gehäuse, eine in der Transportkiste verkippte Platine: Für die Hand kein Thema, für ein festes Roboterprogramm der Anfang einer Störung. Die Lösung ist eine Kamera, die dem Roboter vor jedem Griff sagt, welche Plätze belegt sind, wo genau das Teil liegt und wie es gedreht ist. Dieser Beitrag führt von der groben Nestkontrolle bis zur feinen Griffkorrektur und zeigt, wann 2D genügt und wann nur 3D sicher greift.

Wichtige Punkte im Überblick

Sobald ein Roboter einen manuellen Belade- oder Entladeschritt übernimmt, wird die Bauteillage zur Kernfrage: ein festes Programm scheitert an variabel sitzenden Teilen, und ein Anwesenheitssensor sagt nur ob, nicht wo ein Teil liegt.
Vor dem Griff liefert die Nest- und Blisterkontrolle Belegung, Bauteiltyp und Position im selben Bild und sperrt Plätze mit verkippten oder überlappenden Teilen, bevor der Greifer Schaden nimmt.
Erst eine über ein Kalibriermuster eingemessene gemeinsame Referenz macht aus der Pixelposition eine anfahrbare Roboterkoordinate, mit in der Anwendungspraxis geforderten Pick-Genauigkeiten von ±2 mm bis zu wenigen Zehntelmillimetern.
Die Griffkorrektur misst das Teil nach dem Pick ein zweites Mal vor einer fest montierten Kamera und korrigiert die Füge- oder Ablagebewegung um den realen Versatz im Greifer, sodass die Zuführung ungenau bleiben darf.
Sobald Teile verkippen, in wechselnden Höhen liegen oder gestapelt ankommen, braucht der Griff die dritte Dimension: Laser-Profilsensoren liefern die Höhenlage auch auf spiegelnden Teilen, und ungeordnet liegende Teile übernimmt die 3D Robot Vision der Modellreihe CV-X.

Vom Handarbeitsplatz zum Roboter: warum die Bauteillage zur Kernfrage wird

Der Auslöser ist fast immer derselbe: Ein manueller Belade- oder Entladeschritt soll automatisiert werden. Leiterplatten kommen im Blister aus der Fertigung, Halbleiterbauelemente liegen in Nestern, bestückte Platinen stapeln sich in Transportboxen, und bisher hat ein Mitarbeiter sie entnommen, geprüft und weitergegeben. Der Roboter, der diesen Schritt übernimmt, braucht Koordinaten.

Ein fest programmierter Ablauf funktioniert genau so lange, wie jedes Teil exakt an seiner Sollposition liegt. In der Praxis liegt es das nie. Platinen sitzen variabel in ihren Kunststoffhaltern, Blister verziehen sich, Kisten kommen beschädigt an, und schon Toleranzen von wenigen Millimetern lassen den Greifer daneben fassen oder das Bauteil beim Fügen verkanten. Ein einfacher Anwesenheitssensor hilft nicht weiter: Er meldet, dass ein Teil da ist, aber nicht, wo es liegt. Die Bauteillage wird damit zur Kernfrage des Automatisierungsprojekts, und ihre Beantwortung entscheidet über Taktzeit, Störungsrate und Greiferverschleiß.

Nest- und Blisterkontrolle: belegte Plätze und Bauteiltyp im selben Bild erkennen

Vor dem feinen Greifen steht die grobe Übersicht: Welche Nester sind belegt, und was liegt darin? In realen Projekten reichen die Träger von einzelnen Gehäusen mit Bildfeldern um 150 mm über Blister mit 400 x 250 mm bis zu Transportboxen von 600 x 400 mm. Häufig liegen mehrere Bauteiltypen im selben Träger, und die Kamera muss Typ und Position gemeinsam auflösen, damit der Roboter nicht nur greift, sondern das Richtige greift.

Für Belegung und Groblage genügt oft ein AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4: Er prüft je Nest, ob ein Teil liegt, und meldet grob dessen Lage, etwa für die Entnahme aus Kisten mit Toleranzen um ±2 mm. Sobald der Typ mit erkannt werden soll oder die Position feiner ausgegeben werden muss, übernimmt eine All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS mit 2D-Robot-Vision oder die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G: Belegungsbild, Bauteiltyp und Feinposition entstehen im selben Durchlauf.

Ein Sonderfall verdient Aufmerksamkeit: das Teil, das gar nicht liegen dürfte. Eine verkippte oder überlappende Platine beschädigt den Greifer oder wird beim Griff selbst beschädigt. Die Nestkontrolle sollte solche Fälle aktiv erkennen und den Platz sperren, statt sie dem Roboter zu überlassen.

Position und Drehlage ausgeben: vom Kamerabild zur Roboterkoordinate

Zwischen dem Kamerabild und dem Griff liegt die Kalibrierung. Kamera und Roboter haben zunächst getrennte Koordinatensysteme, und erst eine gemeinsame Referenz, eingemessen über ein Kalibriermuster im Arbeitsraum, macht aus einer Pixelposition eine anfahrbare Roboterkoordinate. Diese Kalibrierung ist keine Einmalaufgabe: Nach einem Crash, einem Kamerawechsel oder einer Verlagerung muss sie wiederholbar sein, idealerweise werkzeuggestützt in Minuten statt in Stunden.

Die ausgegebene Lage umfasst Position in X und Y sowie den Drehwinkel des Teils. In der Anwendungspraxis reichen die geforderten Pick-Genauigkeiten von ±2 mm für robuste Handhabungsaufgaben bis zu wenigen Zehntelmillimetern, wo das Teil anschließend gefügt wird. Die Taktzeiten liegen bei wenigen Sekunden je Griff, sodass Bildaufnahme und Auswertung parallel zur Roboterbewegung laufen sollten: Während der Roboter das aktuelle Teil ablegt, misst die Kamera schon das nächste.

Bei der Anbindung zählt Markenunabhängigkeit. Die Koordinate geht über Profinet, Ethernet/TCP-IP oder eine direkte Roboterschnittstelle an die Steuerung, und gängige Robotermarken werden ohne Sonderprotokoll angebunden. Welche Instanz die Koordinaten transformiert, Bildverarbeitung oder Robotersteuerung, gehört ins Lastenheft, bevor die erste Zeile Roboterprogramm entsteht.

Griffkorrektur nach dem Pick: variabel sitzende Platinen präzise fügen

Der Griff selbst ist oft nur die halbe Aufgabe. Eine Platine, die variabel in ihrem Kunststoffhalter sitzt, liegt nach dem Aufnehmen auch variabel im Greifer, und wenn sie anschließend gefügt, gesteckt oder abgelegt werden soll, reicht die Genauigkeit des ersten Griffs nicht mehr. Ein dokumentierter Anwendungsfall dieser Klasse: Auf eine im Gehäuse variabel sitzende Leiterplatte soll ein Flachkabel gesteckt werden, und der Stecker verlangt eine Lagegenauigkeit, die die Zuführung nicht hergibt.

Die Lösung ist die Griffkorrektur: eine zweite Messung nach dem Pick. Der Roboter hält das Teil vor eine fest montierte Kamera, die die reale Lage im Greifer bestimmt, und die Ablage- oder Fügebewegung wird um genau diesen Versatz korrigiert. All-in-One Kameras der Modellreihe VS finden das Teil dafür mit der ShapeTrax-Konturensuche lageunabhängig im Bild und geben Position und Drehlage als Korrekturwert aus, robust auch bei wechselndem Hintergrund und Teilglanz.

Der Aufwand ist überschaubar, eine Kamera und eine kurze Zwischenposition im Roboterprogramm, und der Gewinn ist die Entkopplung: Die Zuführung darf ungenau bleiben, weil die Korrektur am Ende der Kette sitzt und alle Toleranzen davor aufsammelt.

Kamera am Roboterarm: Gewicht, Bauraum, Kabelführung und Arbeitsabstand

Nicht immer hängt die Kamera über der Szene. Wenn der Roboter große Träger abfährt oder mehrere Entnahmestellen bedient, fährt die Kamera am Arm mit und misst dort, wo der Griff stattfindet. Das spart feste Kamerapositionen, bringt aber eigene Randbedingungen mit, die in realen Projekten regelmäßig unterschätzt werden.

Das Gewicht der Kamera geht von der Traglast des Roboters ab, und ihr Bauraum vergrößert die Störkontur des Arms, was in engen Zellen über die Machbarkeit entscheiden kann. Die Kabel für Versorgung und Datenübertragung müssen alle Achsbewegungen dauerhaft mitmachen, weshalb die Kabelführung von Anfang an mitgeplant gehört und nicht nachträglich improvisiert. Kompakte All-in-One Kameras mit Auswertung im Kopf sind hier im Vorteil, weil nur Versorgung und Ergebnisleitung mitgeführt werden.

Auch der Arbeitsabstand will gewählt sein: nah genug für die geforderte Auflösung, weit genug, dass der Greifer die Sicht nicht verdeckt und die Kamera beim Griff nicht kollidiert. Als Faustregel aus der Projektpraxis gilt: feste Kamera, wo eine Position reicht und der Takt eng ist, mitfahrende Kamera, wo Flexibilität über mehrere Entnahmestellen den Ausschlag gibt.

2D oder 3D: verkippte, gestapelte und spiegelnde Teile sicher greifen

Eine 2D-Kamera von oben beantwortet die Fragen nach Position und Drehwinkel in der Ebene, und für flach liegende Platinen in intakten Blistern ist das die passende und wirtschaftlichste Lösung. Sie hat aber einen blinden Fleck: die Höhe. Eine Platine, die in einer beschädigten Kiste verkippt liegt, sieht von oben fast normal aus, und genau dieser Fall beschädigt Greifer und Bauteil.

Sobald Teile verkippen, in unterschiedlichen Höhen liegen oder gestapelt ankommen, braucht der Griff die dritte Dimension. 2D/3D Laser-Profilsensoren der Modellreihe LJ-X8000 bestimmen den Schwerpunkt und die Lage auch auf spiegelnden oder nassen plattenförmigen Teilen in Kisten, wo eine 2D-Kamera am Reflex scheitert, denn das Höhenprofil ist von Glanz unabhängig. Liegen Teile schließlich ungeordnet übereinander, ist das der Übergang zur 3D Robot Vision der Modellreihe CV-X mit den 3D-Kameras RB-500/800/1200, die die vollständige 3D-Pose bestimmt und kollisionsfrei entnimmt; dieser Griff in die Kiste ist ein eigenes Themenfeld mit eigenem Beitrag.

Die Entscheidung zwischen 2D und 3D sollte am realen Teilespektrum fallen, nicht am Schönwetterfall. Ein Machbarkeitstest mit Originalteilen, inklusive der verzogenen Blister und der beschädigten Kisten, zeigt, welche Lagen tatsächlich vorkommen.

Häufige Fragen

F Wie gibt eine Kamera die Position einer Leiterplatte an den Roboter aus?

Die Kamera bestimmt Position in X und Y sowie den Drehwinkel der Platine und rechnet sie über eine zuvor eingemessene Kalibrierung in das Koordinatensystem des Roboters um. Die Koordinate geht dann über Profinet, Ethernet/TCP-IP oder eine direkte Roboterschnittstelle an die Steuerung, die den Greifpunkt anfährt. In der Anwendungspraxis werden so Pick-Genauigkeiten von ±2 mm bis zu wenigen Zehntelmillimetern erreicht.

F Wie erkenne ich, welche Nester eines Blisters belegt sind?

Eine Kamera über dem Träger prüft alle Nester in einem Bild, in realen Projekten bei Blistern bis 400 x 250 mm und Transportboxen bis 600 x 400 mm. Je Nest wird gemeldet, ob es belegt ist, welcher Bauteiltyp darin liegt und wo genau das Teil sitzt, sodass der Roboter nur belegte Plätze anfährt. Verkippte oder überlappende Teile sollten dabei aktiv erkannt und der Platz gesperrt werden, bevor der Greifer Schaden nimmt.

F Was ist eine Griffkorrektur und wann brauche ich sie?

Bei der Griffkorrektur misst eine zweite, fest montierte Kamera nach dem Aufnehmen, wie das Teil tatsächlich im Greifer liegt, und die Ablage- oder Fügebewegung wird um diesen Versatz korrigiert. Nötig wird das, wenn Teile variabel in ihren Haltern sitzen und nach dem Griff präzise gefügt oder gesteckt werden sollen, etwa ein Flachkabel auf eine variabel sitzende Platine. Die Zuführung darf dadurch ungenau bleiben, weil die Korrektur alle Toleranzen der Kette aufsammelt.

F Worauf ist bei einer Kamera am Roboterarm zu achten?

Auf Gewicht, Bauraum und Kabelführung: Die Kamera reduziert die Traglast, vergrößert die Störkontur des Arms, und ihre Kabel müssen alle Achsbewegungen dauerhaft mitmachen. Kompakte All-in-One Kameras mit Auswertung im Kamerakopf sind im Vorteil, weil weniger Leitungen mitgeführt werden. Der Arbeitsabstand muss die geforderte Auflösung liefern und zugleich Kollisionen und Sichtverdeckung durch den Greifer ausschließen.

F Wann brauche ich 3D statt 2D für das Greifen von Platinen?

Eine 2D-Kamera genügt, solange die Teile flach und in bekannter Höhe liegen, etwa Platinen in intakten Blistern. Sobald Teile verkippen, in wechselnden Höhen liegen oder gestapelt ankommen, braucht der Griff die dritte Dimension, denn eine verkippte Platine in einer beschädigten Kiste sieht von oben fast normal aus. Laser-Profilsensoren liefern die Höhenlage auch auf spiegelnden Teilen, und bei ungeordnet liegenden Teilen übernimmt eine 3D-Robot-Vision die vollständige Posenbestimmung.

F Funktioniert die Koordinatenausgabe mit jeder Robotermarke?

Ja, sofern das Kamerasystem markenunabhängig ausgelegt ist. Position und Drehlage werden über gängige Schnittstellen wie Profinet oder Ethernet/TCP-IP übergeben, und gängige Robotermarken lassen sich ohne Sonderprotokoll anbinden. Festzulegen bleibt, ob Bildverarbeitung oder Robotersteuerung die Koordinaten transformiert, und diese Entscheidung gehört ins Lastenheft vor den Programmierstart.

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