Positionserkennung auf Metall: Lage und Drehwinkel erfassen und an den Roboter übergeben

In der Metallverarbeitung hängt ein automatisierter Prozess oft an einer einzigen Frage: Wo genau befindet sich das Bauteil und wie ist es ausgerichtet? Soll ein Roboter ein Stanzteil greifen, ein Laser eine Kolbenstange beschriften oder eine Anlage ein Blechpaket fügen, muss die reale Lage des Bauteils bekannt sein. Nur so lässt sich die Abweichung von der Sollposition zuverlässig ausgleichen.

Erschwerend kommt hinzu, dass Metalloberflächen selten gleichmäßig und matt sind. Sie können ölig, glänzend, spiegelnd, zunderbehaftet oder frisch gefräst sein. Die Beschaffenheit der Oberfläche entscheidet maßgeblich darüber, ob eine geeignete Beleuchtung, ein 2D-Bild oder ein 3D-Höhenmerkmal die zuverlässigste Lösung bietet.

Dieser Leitfaden zeigt, wie Bildverarbeitung und Lasermesstechnik die Position und den Drehwinkel eines Metallteils erfassen und als Koordinate oder Korrekturwert an den Roboter übergeben. Das Greifen ungeordneter Teile aus einer Schüttgutkiste ist nicht Bestandteil dieses Beitrags. Dafür gibt es einen eigenen Beitrag. Im Mittelpunkt steht die Positionierung eines vereinzelten oder vororientierten Bauteils.

Wichtige Punkte im Überblick

Lage und Drehwinkel werden zum eigentlichen Prüfmerkmal, sobald ein Roboter ein Metallteil greifen, ein Laser es beschriften oder eine Anlage es fügen soll und die Abweichung zur Sollposition auszugleichen ist.
Über den Erfolg entscheidet die Oberfläche: auf öligem, glänzendem, spiegelndem oder zunderbehaftetem Metall trägt eine 2D-Grauwertkante oft nicht, während ein Höhenmerkmal unabhängig von Farbe und Glanz bleibt.
Vor der Technikauswahl steht die Frage nach der richtigen Messgröße: 2D-Lage in der Ebene, vollständige 3D-Pose bei verkippten Teilen oder der Drehwinkel bei rotationssymmetrischen Bauteilen.
Für die Übergabe gibt es zwei Wege: die direkte Koordinatenausgabe der absoluten Lage und die Nullpunktverschiebung, die nur die Abweichung eines Referenzmerkmals als Korrekturwert weitergibt.
In dokumentierten Anwendungen reicht die geforderte Genauigkeit von etwa ±5 mm bis ±0,1 mm und sollte aus der Toleranz des Folgeprozesses und der gesamten Kette aus Kamera, Kalibrierung, Roboter und Greifer abgeleitet werden.

Warum Lage und Ausrichtung auf Metall zu einem eigenen Prüfmerkmal werden

Viele Anlagen scheitern nicht an der eigentlichen Bearbeitung, sondern an der Frage, die ihr vorausgeht: Befindet sich das Bauteil genau dort, wo der nächste Prozessschritt es erwartet?

Die Fördertechnik liefert ein Stanz- oder Gussteil häufig nur mit einer Abweichung von mehreren Millimetern an. Beim Fügen, Schweißen oder Beschriften sind jedoch deutlich geringere Toleranzen erforderlich. Addieren sich die Einzeltoleranzen von Werkstückträger, Zuführung und Roboter, kann der Greifer kollidieren oder das Bauteil fehlerhaft verarbeitet werden.

Die Auslöser für ein solches Projekt ähneln sich in vielen Bereichen der Metallverarbeitung:

Die Zuführung ist für den nachfolgenden Prozess zu ungenau. Beispiele sind das Greifen von Blechen, das Fügen eines Blechpakets oder das Beschriften einer Welle.
Eine Reklamation hat gezeigt, dass ein Schweißpunkt versetzt gesetzt oder ein Bauteil verdreht montiert wurde.
Eine starre Zentrier- oder Formvorrichtung ist zu unflexibel, sobald weitere Varianten hinzukommen.
Runde Dreh- oder Schmiedeteile werden in einer undefinierten Drehlage zugeführt und müssen zunächst ausgerichtet werden.

Allen Fällen ist gemeinsam, dass nicht lediglich ein Gut-Schlecht-Signal benötigt wird. Erforderlich ist ein Messwert mit einer definierten Richtung, zum Beispiel die Position in X und Y, die Höhe in Z, ein Drehwinkel oder die Lage einer Kante beziehungsweise Mitte. Dieser Messwert wird zum eigentlichen Prüfmerkmal.

Die Oberfläche gibt den Ausschlag: ölig, glänzend, spiegelnd, zunderbehaftet

Der entscheidende Unterschied zu vielen anderen Branchen liegt im Material. Auf blankem Blech kann die Beleuchtung spiegeln. Auf öligen Stanzteilen entstehen wechselnde Reflexe. Gedrehte Flächen zeigen häufig helle Streifen, während auf warmgeformten oder zunderbehafteten Teilen oft nur wenig Kontrast vorhanden ist. Eine 2D-Grauwertkante, die auf mattem Kunststoff zuverlässig erkannt wird, kann auf glänzendem Stahl schnell instabil werden.

Daraus ergeben sich einige grundlegende Regeln für die Praxis. Bei Metall ist die Beleuchtung kein Zubehör, sondern ein wesentlicher Bestandteil der Lösung. Flachwinkelleuchten, Durchlicht- und Dunkelfeldbeleuchtungen können Kanten und Merkmale hervorheben, die bei senkrechter Beleuchtung durch Reflexionen kaum erkennbar sind. Für die Griffkorrektur beim Greifen von Stanzteilen arbeiten viele Anlagen daher gezielt mit Auflicht, beispielsweise mit zwei Flachwinkelleuchten. Alternativ kommt ein Lichttisch mit Durchlicht zum Einsatz.

Wenn die Kontur allein keine ausreichende Sicherheit bietet, kann die Höhe zusätzliche Informationen liefern. Ein Höhenmerkmal ist weitgehend unabhängig von Farbe und Glanz. Deshalb kann ein Laser-Profilsensor auf spiegelnden Oberflächen stabiler messen als eine reine Kamera. Bei Bolzen auf Blech, bei Sitzhöhen nach dem Fügen sowie bei Naht- und Kantenlagen ist die dritte Dimension daher häufig der zuverlässigere Ansatz.

Ob 2D- oder 3D-Messtechnik die bessere Wahl ist, lässt sich seriös nur anhand des Originalteils und der realen Prozessbedingungen entscheiden.

Position, Drehwinkel und 3D-Pose: Welche Information benötigt der Prozess?

Vor der Auswahl der Technik sollte zunächst geklärt werden, welche Lageinformation der Prozess tatsächlich benötigt. In der Praxis lassen sich drei typische Fälle unterscheiden.

Bei vielen Anwendungen genügt die Lage in einer Ebene. Das Stanzteil liegt flach auf einem Förderband, in einem Tray oder auf einem Lichttisch. Das System ermittelt die Position in X und Y sowie den Drehwinkel. Diese zweidimensionale Lageinformation ist ausreichend, wenn die Höhe konstant bleibt und das Bauteil nicht kippt.

Sobald Bauteile verkippen, in unterschiedlichen Höhen liegen oder gestapelt bereitgestellt werden, muss zusätzlich die Höhe erfasst werden. In diesem Fall ist die vollständige 3D-Pose erforderlich. Sie beschreibt die Position und Orientierung des Bauteils im Raum. Das gilt beispielsweise für schwere Guss- und Schmiedeteile in einer Gitterbox ebenso wie für Blechpakete, die in Z-Richtung verkippen können.

Eine besondere Situation stellen rotationssymmetrische Bauteile dar. Bei Wellen, Ringen und Zahnrädern ist häufig weniger die absolute Position als vielmehr der Drehwinkel, die Lage einer Nut oder die Phasenlage entscheidend. Die Aufgabe besteht dann darin, das Bauteil in eine definierte Winkellage zu bringen oder den ermittelten Winkel an die Steuerung zu übermitteln. Dieser Anwendungsfall wird in einem eigenen Beitrag ausführlicher behandelt.

Wer eine 2D-Lage spezifiziert, obwohl der Prozess tatsächlich eine 3D-Erfassung erfordert, entwickelt ein System, das unter idealen Bedingungen funktioniert. In der Serienproduktion kann es jedoch an verkippten, unterschiedlich hohen oder spiegelnden Bauteilen scheitern.

Vom Messwert zum Korrekturwert: Koordinatenausgabe und Nullpunktverschiebung

Der entscheidende Schritt ist die Übergabe der Messergebnisse. Dafür gibt es zwei Vorgehensweisen, die in der Praxis häufig miteinander verwechselt werden.

Der erste Weg ist die direkte Koordinatenausgabe. Das System erkennt das Bauteil und übergibt dessen absolute Position sowie die Drehlage an den Roboter. Dieser fährt anschließend den ermittelten Greifpunkt an. Dieses Verfahren wird typischerweise beim Aufnehmen vereinzelter oder vororientierter Metallteile eingesetzt, beispielsweise beim Picken von Stanzteilen auf einem Lichttisch oder beim Entstapeln von Blechen.

Der zweite Weg ist die Nullpunktverschiebung. Für viele Anwendungen in der Metallverarbeitung ist sie der elegantere Ansatz. Statt die absolute Lage des Bauteils zu übertragen, erfasst das System ein Referenzmerkmal, etwa eine Bohrung, eine Kante oder eine Schweißnaht. Anschließend berechnet es lediglich die Abweichung von der Sollposition. Diese Abweichung wird als Korrekturwert an den Roboter oder eine Achse übergeben.

Der Folgeprozess kann dadurch in seinem bestehenden Programm weiterlaufen und wird lediglich um den gemessenen Versatz korrigiert. Auf diese Weise kann ein Laser eine Kolbenstange trotz einer ungenauen Zuführung an der richtigen Stelle beschriften. Ein Schweißroboter setzt den Schweißpunkt trotz Toleranzen des Werkstückträgers mittig, und eine Fügeanlage richtet ein Blechpaket präzise aus.

Nicht in jedem Fall wird der Messwert direkt an den Roboter übermittelt. Einige Betreiber bevorzugen ausdrücklich die Kommunikation über die SPS. Ob Position, Drehlage oder Korrekturwert übertragen wird und ob der Empfänger ein Roboter, eine Achse oder die SPS ist, sollte deshalb frühzeitig im Lastenheft festgelegt werden.

Genauigkeit und Bildfeld realistisch festlegen

Die Anforderungen an die Genauigkeit reichen bei diesen Projekten über mehrere Größenordnungen. Am unteren Ende stehen grobe Aufgaben wie das Positionieren großer Bleche oder Ladungsträger mit einer Genauigkeit von etwa ±5 mm. Im mittleren Bereich liegen typische Handling- und Fügeaufgaben mit Anforderungen von ±2 mm bis in den Zehntelmillimeterbereich. Zu den anspruchsvolleren Aufgaben gehören die Erfassung von Bolzen- und Sitzlagen mit ±0,1 bis ±0,3 mm sowie Höhenmessungen im Hundertstelmillimeterbereich.

Diese große Bandbreite wirkt sich unmittelbar auf die Auslegung des Systems aus. Genauigkeit und Bildfeld stehen in einem direkten Zusammenhang. Ein großes Bildfeld, das beispielsweise eine vollständige Blechtafel abdeckt, ermöglicht nicht gleichzeitig eine beliebig hohe Detailauflösung. Wer eine besonders präzise Positionierung benötigt, braucht entweder ein kleineres Bildfeld, eine Kamera mit höherer Auflösung oder ein zweites System, das den kritischen Bereich mit höherer Auflösung erfasst.

Bei runden Bauteilen mit unterschiedlichen Durchmessern kann eine Zoomoptik hilfreich sein. Das Bildfeld lässt sich damit an die jeweilige Variante anpassen, ohne unnötig Auflösung zu verlieren.

Für die Bewertung sollte stets die gesamte Prozesskette betrachtet werden und nicht nur der Sensor. Kamera, Beleuchtung, Kalibrierung, Wiederholgenauigkeit des Roboters und Greifer beeinflussen gemeinsam die erreichbare Genauigkeit. Die Vorgabe, das System solle „so genau wie möglich“ arbeiten, ist daher keine ausreichende Spezifikation. Sinnvoller ist ein konkreter Zielwert, der aus der Toleranz des nachfolgenden Prozessschritts abgeleitet wird. Nur so lässt sich die gesamte Kette sinnvoll auslegen.

Machbarkeit mit Originalteilen absichern

Kaum ein Positionierprojekt in der Metallverarbeitung sollte ohne einen Machbarkeitsnachweis beauftragt werden. Der Grund dafür liegt erneut in der Oberfläche. Der erforderliche Ablauf ist überschaubar.

Zunächst sollten reale Testmuster in allen relevanten Varianten bereitgestellt werden. Entscheidend ist, dass sich die Teile in ihrem tatsächlichen Produktionszustand befinden, also beispielsweise ölig, glänzend, zunderbehaftet oder frisch bearbeitet. Ein gereinigtes und repräsentatives Musterteil unter kontrollierter Laborbeleuchtung liefert bei Metalloberflächen nur begrenzte Erkenntnisse. Reflexionen und Kontraste entscheiden maßgeblich über die Erkennungsstabilität.

Anschließend wird unter realen Bedingungen geprüft, ob die geforderte Genauigkeit erreicht wird, ob alle Varianten zuverlässig erkannt werden und ob die geplante Taktzeit eingehalten werden kann. Erst auf Grundlage dieser Ergebnisse sollten die Komponenten und Prozessparameter ausgelegt werden. Sensorposition, Arbeitsabstand, Bildfeld, Referenzmerkmal, Beleuchtung und Zykluszeit gehören anschließend ins Lastenheft.

Vor der Bestellung sollte außerdem feststehen, wer die Inbetriebnahme übernimmt. Möglich sind beispielsweise die Eigenintegration durch den Maschinenbauer, die Unterstützung durch einen Applikationsingenieur oder die vollständige Umsetzung durch einen Integrator. Die technischen Schnittstellen und Verantwortlichkeiten sollten eindeutig geklärt sein. So lässt sich vermeiden, dass ein System zwar mit einem einzelnen Musterteil funktioniert, in der Serienproduktion jedoch an der Variantenvielfalt oder an der erforderlichen Taktzeit scheitert.

Fazit

Die Positionserkennung von Metallteilen lässt sich zuverlässig planen, wenn die Oberflächenbeschaffenheit berücksichtigt, die benötigte Messgröße klar definiert und der passende Übergabeweg gewählt wird.

Klären Sie zunächst, ob der Prozess eine 2D-Lage, eine 3D-Pose oder ausschließlich einen Drehwinkel benötigt. Prüfen Sie anschließend, ob sich die glänzende Oberfläche mit einer geeigneten Beleuchtung beherrschen lässt oder ob ein Höhenmerkmal die robustere Lösung bietet. Entscheiden Sie danach bewusst zwischen der direkten Koordinatenausgabe und der Nullpunktverschiebung.

Die erforderliche Genauigkeit sollte aus der Toleranz des nachfolgenden Prozessschritts abgeleitet werden. Dabei ist stets die gesamte Prozesskette zu betrachten. Eine markenunabhängige Anbindung über Profinet oder eine direkte Verbindung zur Robotersteuerung hält die Auswahl von Roboter und Achse flexibel. Ein Machbarkeitstest mit Originalteilen schafft schließlich die Grundlage für eine belastbare Auslegung und ersetzt eine reine Annahme durch überprüfbare Ergebnisse.

Häufige Fragen

F Wie erkenne ich die Lage eines Stanzteils auf einer glänzenden Oberfläche?

Bei glänzendem oder öligem Blech entscheidet die Beleuchtung maßgeblich über die Stabilität der Erkennung. Flachwinkelleuchten, Durchlicht- und Dunkelfeldbeleuchtungen heben Kanten und Merkmale hervor, die bei senkrechter Beleuchtung durch Reflexionen schwer erkennbar sind.

Reicht die Kontur allein nicht aus, kann ein Laser-Profilsensor über ein Höhenmerkmal zusätzliche Informationen liefern. Dieses Messprinzip ist weitgehend unabhängig von Farbe und Glanz. Welcher Ansatz geeignet ist, sollte am realen und ungereinigten Bauteil geprüft werden.

F Was ist eine Nullpunktverschiebung beim Roboterschweißen oder Beschriften?

Bei einer Nullpunktverschiebung wird nicht die absolute Lage des Bauteils übergeben. Stattdessen ermittelt das System die Abweichung eines Referenzmerkmals von seiner Sollposition und überträgt diese als Korrekturwert.

Der Schweiß-, Bohr- oder Markierprozess läuft weiterhin mit seinem bestehenden Programm. Die Bahn oder Position wird lediglich um den gemessenen Versatz korrigiert. Dadurch kann der Prozess auch dann zuverlässig arbeiten, wenn das Bauteil über Werkstückträger und Zuführung nur grob positioniert bereitgestellt wird.

F Wann brauche ich 3D statt 2D für die Positionierung von Metallteilen?

Eine 2D-Lage mit den Koordinaten X und Y sowie dem Drehwinkel ist ausreichend, wenn die Bauteile flach und in konstanter Höhe liegen. Typische Beispiele sind Bleche in einem Tray oder auf einem Förderband.

Sobald Bauteile verkippen, gestapelt liegen oder ein Merkmal über seine Höhe definiert ist, wird eine 3D-Erfassung erforderlich. Das gilt beispielsweise für den Sitz eines Rings oder die Position eines Bolzens. Ein Laser-Profilsensor oder ein 3D-System zur Roboterführung liefert zusätzlich die Höhe und die räumliche Orientierung des Bauteils.

F Wie genau lässt sich ein Metallteil positionieren?

Die Anforderungen reichen von etwa ±5 mm bei großen Blechen und Ladungsträgern über den Millimeter- und Zehntelmillimeterbereich bei typischen Handling- und Fügeaufgaben bis zu ±0,1 bis ±0,3 mm bei Bolzen- und Sitzlagen.

Die erreichbare Genauigkeit hängt unter anderem vom Bildfeld, der Auflösung und der Beleuchtung ab. Ebenso wichtig ist die gesamte Prozesskette aus Kamera, Kalibrierung, Roboter und Greifer. Die tatsächlich erreichbare Leistung sollte daher in einem Machbarkeitstest mit Originalteilen überprüft werden.

F Funktioniert die Positionsausgabe mit jeder Robotermarke?

Ja, sofern das Bildverarbeitungssystem und die Schnittstelle markenunabhängig ausgelegt sind. Position, Drehlage oder Korrekturwert können über gängige Schnittstellen wie Profinet, EtherNet/IP oder TCP/IP an die Steuerung übertragen werden.

Je nach Anlagenkonzept erfolgt die Kommunikation über die SPS oder direkt mit der Robotersteuerung. Welche Variante geeignet ist, hängt von der vorhandenen Steuerungsarchitektur und den verfügbaren Schnittstellen ab.

F Worin unterscheidet sich die Positionierung vom Griff in die Kiste?

Beim Griff in die Kiste liegen die Metallteile ungeordnet übereinander. Die zentrale Aufgabe besteht darin, ein geeignetes Bauteil zu erkennen und kollisionsfrei aus diesem ungeordneten Verbund zu entnehmen.

Bei der Positionierung sind die Teile dagegen vereinzelt, in Nestern, auf Förderbändern oder bereits vororientiert bereitgestellt. Im Mittelpunkt steht die präzise Ermittlung und Ausgabe von Position und Drehlage an den Roboter, eine Achse oder den nachfolgenden Prozess.

Beide Anwendungen nutzen Bildverarbeitung, stellen jedoch unterschiedliche Anforderungen an Sensorik, Beleuchtung, Auswertung und Systemauslegung.

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