Lage und Position von Kunststoff- und Gummiteilen erfassen und an Roboter und Achse übergeben

Ob ein Roboter ein Spritzgussteil greifen, eine Fräse einen Grat abtragen oder ein Laser eine Kennzeichnung setzen soll: Der Prozess gelingt nur, wenn die Anlage die tatsächliche Lage des Teils kennt. Bei Kunststoff und Gummi kommt eine Schwierigkeit hinzu, die andere Werkstoffe seltener zeigen. Die Teile sind oft transparent, glänzend, dunkel oder nahezu rotationssymmetrisch, sie laufen als Folie oder Extrudat durch die Anlage, und ein Dichtring muss vor dem Schweißen sicher als eingelegt erkannt werden. Dieser Leitfaden zeigt, wie Bildverarbeitung und Sensorik die Lage von Kunststoff- und Gummiteilen erfassen und als Koordinate oder als Korrekturwert an Roboter und Achse übergeben. Der reine Griff in die ungeordnete Kiste bleibt außen vor, dazu gibt es einen eigenen Beitrag. Hier geht es um Positionierung und Ausrichtung als Messgröße.

Wichtige Punkte im Überblick

Bei Kunststoff und Gummi wird die Lage zur eigenen Aufgabe, weil transparente, glänzende, dunkle und nahezu rotationssymmetrische Teile sowie laufende Folien und Extrudate die Erfassung erschweren.
Die grobe Zuführung erzwingt die Lageerfassung: sie liefert das Teil oft nur mit einer Toleranz von mehreren Millimetern, während der Folgeprozess beim Greifen, Entgraten oder Beschriften deutlich enger treffen muss.
Vor der Technikauswahl steht die Frage nach der richtigen Messgröße: 2D-Lage in der Ebene, vollständige 3D-Pose bei kippenden Teilen oder der Drehwinkel bei rotationssymmetrischen Bauteilen.
Für die Übergabe gibt es zwei Wege: die direkte Koordinatenausgabe der absoluten Lage und Drehlage oder die Nullpunktverschiebung, die nur die Abweichung eines Referenzmerkmals als Korrekturwert weitergibt.
Bei transparenten, glänzenden und dunklen Teilen liefert die Höhe eines Merkmals ein stabileres Signal als der reine Grauwert, und ein Machbarkeitstest mit Originalteilen sichert die Auslegung ab.

Warum die Lage bei Kunststoff- und Gummiteilen zur eigenen Aufgabe wird

Viele Anlagen scheitern nicht an der Bearbeitung, sondern an der Frage davor: Sitzt das Teil dort, wo der nächste Schritt es erwartet? Die Zuführung liefert ein Bauteil oft nur mit einer Toleranz von mehreren Millimetern, während der Folgeprozess deutlich enger arbeiten muss. Ein Beispiel aus der Anwendungspraxis: In einem Tray liegen mehrere Dutzend Drehteile in einem Kunststoffhalter, ein Roboter entnimmt jeweils vier Stück. Verdreht sich ein Teil um wenige Grad, greift der Roboter daneben, kollidiert und wirft die ganze Lage durcheinander. Ohne Lageerfassung wird aus einem kleinen Versatz ein Anlagenstillstand.

Die Auslöser für ein solches Projekt sind über die Bereiche hinweg ähnlich:

Die Zuführung ist zu grob für den Folgeprozess, etwa beim Greifen, Entgraten, Fräsen oder Beschriften.
Es gab eine Reklamation, weil ein Bauteil verdreht verbaut oder eine Markierung versetzt aufgebracht wurde.
Eine starre Zentriervorrichtung ist zu unflexibel geworden, sobald neue Varianten dazukommen.
Runde Teile laufen in undefinierter Drehlage an und müssen erst ausgerichtet werden.

Gesucht wird also kein reines Gut-Schlecht-Signal, sondern ein Wert mit Richtung: Position in X und Y, oft die Höhe in Z, ein Drehwinkel oder eine Kanten- und Mittenlage. Dieser Wert wird zum eigentlichen Prüfmerkmal.

Welche Lageinformation der Prozess wirklich braucht

Bevor Sie Technik auswählen, lohnt die Frage, welche Lageinformation der Prozess tatsächlich benötigt. In realen Projekten lassen sich drei Fälle unterscheiden.

Bei vielen Aufgaben genügt die Lage in der Ebene. Das Teil liegt flach auf einem Band, in einem Nest oder auf einem Tray, und das System bestimmt Position in X und Y sowie den Drehwinkel. Diese zweidimensionale Lage reicht überall dort, wo die Höhe konstant bleibt und das Teil nicht kippt.

Sobald Bauteile verkippen, unterschiedlich hoch liegen oder in beliebiger Raumlage präsentiert werden, kommt die Höhe hinzu. Dann wird die vollständige 3D-Pose benötigt. Das gilt zum Beispiel für leichte Kunststoffgehäuse, die auf dem Förderband kippen können, oder für gestapelte Teile ohne feste Auflage.

Ein eigener Fall sind rotationssymmetrische Teile. Bei Eimern, Deckeln, Mischkörpern oder Ringen zählt weniger die Position als der Drehwinkel. Häufig ist der einzige Bezug ein kleiner Steg, eine Lasche oder ein Henkel. Diese Aufgabe ist so eigenständig, dass ihr ein eigener Beitrag gewidmet ist.

Die ehrliche Einordnung entscheidet über Sensorik und Kosten. Wer eine 2D-Lage spezifiziert, wo 3D nötig wäre, baut ein System, das im Muster funktioniert und in der Serie an verkippten Teilen scheitert.

Vom Messwert zum Korrekturwert: Koordinatenausgabe und Nullpunktverschiebung

Der entscheidende Schritt ist die Übergabe, und hier gibt es zwei Wege, die in der Praxis regelmäßig verwechselt werden.

Der erste Weg ist die direkte Koordinatenausgabe. Das System erkennt das Teil und übergibt dessen absolute Position und Drehlage an den Roboter, der den Greifpunkt anfährt. Das ist der klassische Weg beim Aufnehmen vereinzelter oder teilgeordneter Kunststoffteile aus Tray oder vom Band.

Der zweite Weg ist die Nullpunktverschiebung. Statt der absoluten Lage misst das System ein Referenzmerkmal, etwa eine Kante, eine Bohrung oder die Oberkante eines Spritzgussteils, und berechnet nur die Abweichung von der Sollposition. Diese Abweichung geht als Korrekturwert an Roboter oder Achse. Der Folgeprozess läuft in seinem gewohnten Programm ab und wird lediglich um den Versatz verschoben. In einer dokumentierten Anwendung wird ein Grat an einem Spritzgussteil zunächst erfasst, das Teil dann in Position geschwenkt und der Sensor über eine Linearachse verfahren, sodass anschließend genau am erkannten Punkt entgratet wird. Beim Fräsen eines Bezugs an einem Kunststoffteil ist eine Positioniergenauigkeit im Bereich von fünf Hundertstel Millimetern gefragt, damit die Einfräsung an der richtigen Oberkante ansetzt.

Ein weiterer Punkt aus der Anwendungspraxis: Nicht immer soll der Wert an den Roboter gehen. Einige Betreiber wünschen die Kommunikation ausdrücklich über die SPS. Ob Position, Drehlage oder Korrekturwert, und ob der Empfänger Roboter, Achse oder SPS ist, gehört deshalb früh ins Lastenheft.

Transparent, glänzend, dunkel: Kunststoff und Gummi als optische Aufgabe

Der Werkstoff bestimmt, wie stabil die Lageerkennung wird. Schwarzes Gummi auf dunklem Kunststoff liefert wenig Kontrast, glänzende Oberflächen erzeugen Reflexe, und transparente Flaschen oder leere Blister sind für einfache Lichttaster kaum zu sehen. Genau an diesen Merkmalen entscheidet sich ein Projekt.

Ein paar Ansätze haben sich bewährt:

Höhe statt Grauwert nutzen. Wo ein Merkmal in der Höhe liegt, etwa der Sitz eines Rings in der Nut oder eine Kante am Profil, liefert ein Laser-Profilsensor ein stabiles Signal, unabhängig von Farbe und Glanz.
Beleuchtung gezielt wählen. Flachwinkel- und Polfilterlösungen dämpfen Reflexe auf glänzenden Teilen und heben schwache Konturen hervor.
AI-Werkzeuge einsetzen, wenn ein Merkmal für klassische Regeln zu variantenreich ist, etwa ein kontrastarmer Steg an einem nahezu rotationssymmetrischen Teil.

Bei transparenten und spiegelnden Teilen sind Wegsensoren oft die robustere Wahl als eine reine Grauwertauswertung. Für Höhe, Spalt und Kante an solchen Materialien eignen sich die ultraschnellen und hochgenauen Laser-Wegmesssensoren der Modellreihe LK-G5000 und der konfokale Wegmesssensor der Modellreihe CL-3000.

Sensorwahl und Schnittstellen

Die passende Technik hängt an Genauigkeit, Bildfeld, Werkstoff und daran, ob eine Position, ein Winkel oder eine Höhe gefragt ist.

AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 für die einfacheren Fälle: Anwesenheit, Ausrichtung und einfache Positionskorrektur an vereinzelten Kunststoffteilen, auch bei größeren Arbeitsabständen.
All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS, wenn AI-Werkzeuge, Zoom oder eine Winkelausgabe an nahezu symmetrischen Teilen nötig sind.
High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G für große Bildfelder, mehrere Prüfansichten und die Koordinatenausgabe an den Roboter.
2D-Roboterführung 2D VGR für Position und Drehlage in der Ebene, 3D-Roboterführung 3D VGR (RB-500/800/1200), wenn Teile kippen oder unterschiedlich hoch liegen.
2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 und 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000, wenn ein Höhen- oder Kantenmerkmal die Lage definiert.

Damit der gemessene Wert ankommt, muss die Anbindung passen. Im deutschen Maschinenbau ist Profinet der Standard, daneben sind EtherNet/IP, TCP/IP und digitale I/Os gebräuchlich, in der Bahnware auch Feldbusse wie Powerlink. Zwei Punkte entscheiden über den Erfolg: eine direkte, markenunabhängige Roboteranbindung, wenn die Bestands-SPS keine freie Schnittstelle mehr hat, und eine saubere, werkzeuggestützte Kalibrierung der Koordinatensysteme, damit der übergebene Wert genau umgesetzt wird.

Machbarkeit mit Originalteilen absichern

Kaum ein Positionierprojekt an Kunststoff und Gummi sollte ohne Machbarkeitsnachweis beauftragt werden. Der Ablauf ist überschaubar.

Zuerst stellen Sie reale Testmuster bereit, und zwar in allen Varianten und im tatsächlichen Zustand, also gegebenenfalls transparent, glänzend, schwarz, ölig oder mit Trennmittel benetzt. Gerade bei Kunststoff und Gummi entscheiden Reflexe und Kontraste über die Stabilität, weshalb ein Gutteil unter Laborlicht wenig aussagt.

Anschließend prüfen Sie unter realen Bedingungen, ob die geforderte Genauigkeit erreicht wird, ob alle Varianten sicher erkannt werden und ob die Taktzeit hält. Erst dann fließen die Ergebnisse in die Auslegung ein: Sensorposition, Arbeitsabstand, Bildfeld, Referenzmerkmal und Zykluszeit gehören ins Lastenheft. Vor der Bestellung sollte zudem feststehen, wer die Inbetriebnahme übernimmt, ob Eigenintegration durch den Maschinenbauer oder Umsetzung durch einen Integrator. So vermeiden Sie die klassische Falle, dass ein System im Muster läuft, aber an Variantenvielfalt oder Taktzeit der Serie scheitert.

Fazit

Positionierung und Ausrichtung an Kunststoff- und Gummiteilen sind planbar, wenn Sie die richtige Größe messen und den Werkstoff ernst nehmen. Klären Sie zuerst, ob der Prozess 2D-Lage, 3D-Pose oder einen Drehwinkel braucht. Entscheiden Sie dann bewusst zwischen direkter Koordinatenausgabe und Nullpunktverschiebung. Wählen Sie die Sensorik nach Genauigkeit, Bildfeld und Oberfläche, und setzen Sie bei transparenten, glänzenden oder dunklen Teilen auf Höheninformation statt auf reinen Grauwert. Mit markenunabhängiger Anbindung über Profinet bleiben Sie in der Wahl von Roboter und Achse frei, und ein Machbarkeitstest mit Originalteilen macht aus einer Vermutung eine belastbare Auslegung.

Häufige Fragen

F Wie erkennt eine Kamera die Position eines Spritzgussteils für den Roboter?

Das Bildverarbeitungssystem erfasst das Teil im Tray, im Nest oder auf dem Band, bestimmt Position und Drehlage und sendet diese Werte über Profinet, EtherNet/IP oder TCP/IP an die Steuerung. Der Roboter fährt daraufhin den berechneten Greifpunkt an. Voraussetzung ist eine saubere Kalibrierung zwischen Kamera- und Roboterkoordinatensystem, damit der übergebene Wert genau umgesetzt wird.

F Was ist eine Nullpunktverschiebung in der Bildverarbeitung?

Bei der Nullpunktverschiebung übergibt das System nicht die absolute Lage, sondern nur die Abweichung eines Referenzmerkmals von seiner Sollposition. Der Folgeprozess läuft in seinem gewohnten Programm und wird lediglich um diesen Korrekturwert verschoben. Das ist besonders sinnvoll, wenn ein Kunststoffteil grob zugeführt wird, ein Fräser, ein Laser oder ein Greifer aber genau treffen muss.

F Wie erkenne ich die Lage transparenter oder glänzender Kunststoffteile zuverlässig?

Bei transparenten, glänzenden oder dunklen Teilen liefert eine reine Grauwertauswertung oft kein stabiles Signal. Robuster ist es, die Höhe eines Merkmals zu nutzen, etwa mit einem Laser-Profilsensor oder einem Wegmesssensor, oder die Beleuchtung mit Flachwinkel- und Polfilterlösungen gezielt anzupassen. Ein Test mit Originalteilen unter realen Lichtbedingungen zeigt, welcher Ansatz trägt.

F Wann brauche ich 3D statt 2D für die Lageerkennung an Kunststoffteilen?

Eine 2D-Lage in X, Y und Drehwinkel genügt, wenn Teile flach und in konstanter Höhe liegen, etwa in einem Tray oder auf dem Förderband. Sobald leichte Kunststoffteile kippen, unterschiedlich hoch liegen oder gestapelt sind, wird die vollständige 3D-Pose benötigt. Ein Laser-Profilsensor oder eine 3D-Roboterführung liefert dann zusätzlich die Höhe und die räumliche Orientierung.

F Wie prüfe ich, ob ein Dichtring vor dem Schweißen richtig sitzt?

Der Sitz eines Rings oder einer Dichtlippe ist meist ein Höhenmerkmal: Liegt der Ring vollständig in der Nut, steht er über oder ist er verdreht? Ein Laser-Profilsensor erfasst diese Höhe unabhängig von Farbe und Glanz und liefert eine klare OK/NG-Aussage an die SPS, bevor der Schweißprozess startet. Für einfachere Fälle reicht ein Vision-Sensor, der Anwesenheit und Lage in einem Schritt prüft.

Weiterführende Artikel

Übergeordnete Themenseite: Positionierung und Ausrichtung: Lage, Drehlage und Koordinaten sicher an Roboter, Achse und Prozess übergeben

Übergeordnete Themenseite: Automatisierung und Qualitätssicherung in der Kunststoff- und Gummiverarbeitung: Der Überblick für Verarbeiter

Weiterer Artikel im Thema: Drehlage rotationssymmetrischer Kunststoffteile erkennen und ausrichten

Weiterer Artikel im Thema: Sitz von Dichtungen, O-Ringen und Clips an Spritzgussteilen prüfen

Weiterer Artikel im Thema: Kante, Mitte und Bahn an Folie, Extrudat und transparenten Teilen positionieren

Weiterer Artikel im Thema: Position von Code und Etikett auf Kunststoffverpackung und -behältern prüfen