Sensorik rund um den Verpackungsroboter: Greiferabfrage, Messtechnik und Schutzfeld

In Projektunterlagen für Roboterzellen steht die Kamera an erster Stelle, und das ist meist richtig. Die Stillstände in der Serie kommen jedoch selten aus der Bildverarbeitung. Sie kommen daher, dass niemand weiß, ob ein Teil im Greifer hängt, dass eine transparente Packung vom Sensor nicht gesehen wird, dass ein Schutzfeld den Arbeitsbereich zu knapp abdeckt oder dass aufgeladene Folien aneinander haften. Diese Peripherie wird zuletzt spezifiziert und verursacht die ersten Probleme. Dieser Beitrag ordnet sie: Abfrage am Greifer, Erkennung transparenter Verpackungen, Abstands- und Profilmessung in der Zelle, Kanten für robotergeführte Prozesse, Schutz- und Warnfeld sowie Elektrostatik.

Wichtige Punkte im Überblick

Die Stillstände einer Roboterzelle kommen selten aus der Bildverarbeitung, sondern aus der zuletzt spezifizierten Peripherie: Greiferabfrage, transparente Verpackungen, Schutzfeld und Elektrostatik.
Ob ein Teil im Greifer hängt, beantwortet nicht die Kamera, sondern eine Abfrage am Werkzeug, für die sich digitale Lichtleitersensoren der Modellreihe FS-N bewährt haben, weil nur der Lichtleiter bis an die Greifstelle reicht.
Für transparente Folie vor transparentem Hintergrund führen drei Wege zum Ziel: die Reflexionslichtschranke gegen einen Reflektor, die Messung auf eine Referenzfläche hinter dem Objekt und die konfokale Abstandsmessung im Mikrometerbereich.
Schutz- und Warnfeld werden zweistufig geplant: um den Handlingroboter liegt ein Schutzfeld für den Halt, umgeben von einem größeren Warnfeld, sodass eine Person zuerst eine Warnung auslöst, und die Feldgrößen folgen der Risikobeurteilung der Anlage.
Elektrostatik wirkt doppelt, als Handlingfehler durch haftende Folien und als Entladung an manuellen Eingriffspunkten: Erst wird die Ladung gemessen, dann mit Ionisatoren der Modellreihe SJ gezielt entladen.

Was die Kamera nicht beantwortet: die Abfrage direkt am Greifer

Die Kamera sagt, wo das Teil liegt. Sie sagt nicht, ob der Griff funktioniert hat. Genau diese Information braucht die Steuerung sofort, denn ein Roboter, der mit leerem Greifer weiterfährt, produziert eine Fehlablage und im schlimmsten Fall eine Kollision an der Zielstation.

Für die Abfrage am Greifer gilt eine harte Randbedingung: Platz. Am Werkzeug liegen Vakuumleitungen, Ventile und Kabel, und ein Sensor mit eigenem Gehäuse findet dort oft keinen Raum. Deshalb haben sich Lichtleitersensoren der Modellreihe FS-N bewährt. Der Verstärker sitzt im Schaltschrank oder am Arm, und nur das Lichtleitergerät der Modellreihe FU reicht bis an die Greifstelle. In dokumentierten Anwendungen werden solche Lichtleiter durch eine Bohrung im Greiferfinger geführt oder über Langlöcher ausgerichtet, sodass die Abfrage genau die Stelle sieht, an der das Teil liegen muss.

Wo mehr Bauraum vorhanden ist und ein Abstand statt einer Unterbrechung gemessen werden soll, kommen CMOS-Lasersensoren der Modellreihe LR-X in Frage. Sie melden nicht nur, dass etwas da ist, sondern in welchem Abstand, was bei mehreren möglichen Teilelagen im Greifer hilft. Muss zusätzlich die Sorte unterschieden werden, etwa bei farblich getrennten Varianten, übernimmt ein Vollspektrumsensor der Modellreihe LR-W diese Aufgabe. Die Abfrage gehört in dieselbe Konstruktionsphase wie der Greifer.

Transparente Verpackung, transparenter Hintergrund: Sensorauswahl für Folie und Polybag

Transparente Objekte sind die klassische Schwachstelle einfacher Sensorik in der Verpackung. Eine Klarsichtpackung, ein Polybag, eine Deckelfolie oder ein foliierter Tray lässt den größten Teil des Lichts durch, sodass ein Standard-Lichttaster kaum eine Signaländerung sieht. Der schwierigere Fall ist die Kombination: transparente Folie vor transparentem Hintergrund, etwa eine Folie über einer Klarsichtschale.

Drei Wege führen aus dieser Situation:

Digitale laseroptische Sensoren der Modellreihe LV in retro-reflektiver Ausführung arbeiten gegen einen Reflektor. Das durchgehende Objekt schwächt den Strahl auf dem doppelten Weg, was auch bei transparentem Material eine auswertbare Änderung ergibt. In realen Projekten werden dabei Reichweiten bis etwa 790 mm genutzt.
CMOS-Lasersensoren mit integrierter Auswerteeinheit der Modellreihe LR-Z nutzen in den entsprechenden Ausführungen eine Referenzfläche. Der Sensor misst auf eine bekannte, fest montierte Fläche hinter dem Objekt und erkennt die Änderung, die die transparente Schicht davor verursacht. Das ist der Weg, wenn Folie und Hintergrund beide transparent sind.
Konfokale Wegmesssensoren der Modellreihe CL-3000 liefern den Abstand auf transparente Folie mit einer Auflösung im Mikrometerbereich, wenn nicht nur die Anwesenheit, sondern die Lage der Folie gebraucht wird.

Ein Sonderfall, der in realen Projekten regelmäßig auftritt, ist das Doppelblatt. Zwei Folien haben sich beim Vereinzeln nicht getrennt, und der Roboter transportiert zwei statt einer. Die Unterscheidung gelingt über eine Abstands- oder Dickenmessung, nicht über eine reine Anwesenheitsabfrage, weil beide Fälle ein Objekt melden. Häufig liegt die Ursache in der Aufladung der Folien.

Wenn Mikrometer entscheiden: Abstands- und Profilmessung in der Zelle

Manche Zellen greifen nicht nur, sie messen. Drei Aufgaben kommen dabei immer wieder vor.

Die erste ist die Positionierung eines Werkzeugs. Sitzt ein Druckkopf oder eine Auftragsdüse am Roboter, bestimmt der Abstand zur Oberfläche das Ergebnis, und die Anforderungen reichen in dokumentierten Anwendungen bis in den Submikrometerbereich. Konfokale Wegmesssensoren der Modellreihe CL-3000 liefern auch auf spiegelnden und transparenten Oberflächen ein stabiles Signal, wo eine Lasertriangulation Grenzen erreicht.

Die zweite ist die Vermessung von Wickelgut in der Zuführung. Rollendurchmesser und Rundlauf bestimmen, ob die Wickelstation sauber arbeitet, und in realen Projekten liegen die Genauigkeitsanforderungen bei etwa 0,1 mm. Ein Inline Profilprojektor der Modellreihe TM-X5000 erfasst Außendurchmesser und Rundlauf berührungslos im Durchlicht, während die Rolle in die Maschine läuft.

Die dritte ist die Messung des Teils innerhalb der Linie. Wo bisher ausgeschleust und im Messraum geprüft wurde, wandert das Messgerät als Station in die Zelle. In dokumentierten Anwendungen legt ein Roboter das Teil in ein 3D-Profilometer der Modellreihe VR-6000, sodass Kontur und Ebenheit im Takt erfasst werden.

Kanten und Spalte für den robotergeführten Prozess vermessen

Sobald ein Roboter einer Kante folgt, statt einen Punkt anzufahren, wird aus der Sensorik eine Bahnführung. In der Verpackung tritt das an mehreren Stellen auf: Folienkanten, die verschweißt werden sollen, Spalte zwischen zwei Bahnen, Nahtbereiche an foliierten Trays oder Klebespuren, die mit gleichmäßigem Abstand aufgetragen werden.

Für diese Aufgaben liefern 2D/3D-Laser-Profilsensoren der Modellreihe LJ-X8000 an einem Controller der Modellreihe XG-X ein Profil quer zur Bewegungsrichtung. Aus dem Profil ergeben sich Kantenlage, Spaltbreite, Überlappung und Höhenversatz, und diese Werte gehen als Korrektur an die Roboterbahn. In dokumentierten Anwendungen wird dabei die Kante einer Folie von rund 50 Mikrometer Dicke erfasst, um einen robotergeführten Laser entlang der Naht zu steuern. Wo die Lage und ein Formmerkmal in einer einzigen Aufnahme kommen sollen, ohne dass Sensor oder Teil bewegt werden, übernimmt der 3D Laser-Snapshot-Sensor LJ-S8000.

Zwei Auslegungspunkte begleiten diese Anwendungen. Ein Profilsensor liefert nur dann brauchbare Werte, wenn seine Messebene definiert zur Bewegungsrichtung steht, was eine mechanisch stabile Halterung am Arm voraussetzt. Und transparente wie stark spiegelnde Folien verlangen eine Prüfung am Muster, bevor die Bahnführung ausgelegt wird.

Schutzfeld und Warnfeld um Palettierer und Cobot-Zellen planen

Sicherheitstechnik ist in Verpackungszellen kein Anhang, sondern bestimmt den Grundriss. Wo Personal Paletten wechselt, Behälter nachlegt oder eine Störung behebt, muss der Zugang zum Arbeitsbereich überwacht werden, ohne dass die Zelle bei jeder Bewegung stehen bleibt.

Für flächige Überwachung eignen sich Sicherheits-Laserscanner SZ-V mit einem Schutzfeld für den Halt und einem größeren Warnfeld für die Vorwarnung. In dokumentierten Anwendungen wird um einen Handlingroboter ein Schutzfeld für den Halt mit einem größeren Warnfeld auf drei Seiten gelegt, sodass eine Person zuerst eine Warnung auslöst und die Zelle erst beim Näherkommen anhält; die Feldgrößen ergeben sich aus der Risikobeurteilung. Das reduziert Fehlauslösungen, die sonst zum Umgehen der Sicherheitstechnik verleiten.

Für definierte Zugänge wie Beschickungsöffnungen und Palettendurchläufe kommen Sicherheitslichtvorhänge der Modellreihe GL-R und GL-V zum Einsatz, für Türen und Klappen Sicherheitsschalter der Modellreihe GS. Die Auswertung mehrerer Komponenten übernimmt eine Sicherheitssteuerung der Modellreihe GC. Welche Sicherheitsfunktion und welche Reaktionszeit erforderlich sind, ergibt sich aus der Risikobeurteilung der Anlage und wird zusammen mit dem Zellenlayout festgelegt.

Elektrostatik im Verpackungsprozess: haftende Folien und Stromschläge vermeiden

Elektrostatik wirkt in Verpackungszellen auf zwei Ebenen, und beide werden häufig unterschätzt. Auf der Prozessebene sorgt Aufladung dafür, dass Folien aneinander haften, Beutel sich nicht öffnen, Zuschnitte am Greifer kleben bleiben und Staub auf die Verpackungsoberfläche gezogen wird. Ein Teil der Fehlgriffe, die als Handlingproblem erfasst werden, hat hier seine Ursache.

Auf der Personenebene geht es um Entladungen. In dokumentierten Anwendungen wurden an umlaufenden Kunststoffpaletten in einer Wickelstation Ladungen bis etwa 40 kV gemessen, und Mitarbeitende erhielten an manuellen Eingriffspunkten Schläge. Das ist kein Komfortthema, sondern eine Frage der Akzeptanz der Anlage im Betrieb.

Die Gegenmaßnahme ist zweistufig. Zuerst wird gemessen, denn ohne Messung bleibt die Auslegung Raten. Ein Elektrostatik-Messgerät SK-050 zeigt Höhe und Vorzeichen der Ladung an Ab- und Aufwicklung, am Folieneinlauf, an der Wickelstation und am manuellen Eingriffspunkt. Danach wird entladen. Ionisatoren der Modellreihe SJ gibt es als Stab für breite Bahnen, als Blower für größere Volumina und als Punktausführung für einzelne Stellen wie eine Greifposition. Die Wirksamkeit wird anschließend mit demselben Sensor überprüft, weil Position und Abstand des Ionisators die Entladezeit stark beeinflussen.

Wird in derselben Zelle Klebstoff oder Beschichtung zugeführt, gehört die Überwachung des Kreislaufs zur Peripherie. Durchflusssensoren der Modellreihe FD melden Aussetzer, bevor sie am Produkt sichtbar werden.

Häufige Fragen

F Wie prüft man, ob ein Teil im Greifer hängt?

Über eine Abfrage direkt am Werkzeug. Weil am Greifer kaum Bauraum frei ist, werden meist Lichtleitersensoren der Modellreihe FS-N eingesetzt, deren Verstärker entfernt sitzt, während nur der Lichtleiter bis an die Greifstelle reicht, in dokumentierten Anwendungen auch durch eine Bohrung im Greiferfinger. Wo mehr Platz vorhanden ist und ein Abstandswert gebraucht wird, kommen CMOS-Lasersensoren der Modellreihe LR-X in Frage. Die Kamera der Zelle beantwortet diese Frage nicht.

F Welcher Sensor erkennt transparente Folie vor transparentem Hintergrund?

Für diesen Fall gibt es zwei bewährte Wege. Lasersensoren der Modellreihe LV in retro-reflektiver Ausführung arbeiten gegen einen Reflektor, sodass das Objekt den Strahl auf dem doppelten Weg schwächt, mit Reichweiten bis etwa 790 mm in realen Projekten. CMOS-Lasersensoren der Modellreihe LR-Z messen in den entsprechenden Ausführungen auf eine fest montierte Referenzfläche hinter dem Objekt und erkennen die Änderung durch die transparente Schicht davor. Wird die Folienlage im Mikrometerbereich gebraucht, übernehmen konfokale Wegmesssensoren der Modellreihe CL-3000.

F Wie werden Schutzfeld und Warnfeld um einen Palettierer geplant?

Über eine flächige Überwachung mit zwei Stufen. In dokumentierten Anwendungen liegt um einen Handlingroboter ein Schutzfeld für den Halt, umgeben von einem größeren Warnfeld auf drei Seiten, sodass eine annähernde Person zuerst eine Warnung auslöst und die Zelle erst beim Näherkommen stoppt. Dafür werden Sicherheits-Laserscanner SZ-V eingesetzt, für definierte Zugänge Sicherheitslichtvorhänge der Modellreihe GL-R und GL-V. Die erforderliche Sicherheitsfunktion ergibt sich aus der Risikobeurteilung der Anlage.

F Warum ist elektrostatische Aufladung in Verpackungszellen ein Thema?

Weil sie zweifach wirkt. Im Prozess haften Folien aneinander, Beutel öffnen sich nicht, Zuschnitte bleiben am Greifer kleben und Staub wird auf die Verpackung gezogen. Für Personen entstehen Entladungen an manuellen Eingriffspunkten, in dokumentierten Anwendungen bei Ladungen bis etwa 40 kV an umlaufenden Kunststoffpaletten. Sinnvoll ist es, mit einem Elektrostatik-Messgerät SK-050 zu messen und anschließend mit Ionisatoren der Modellreihe SJ gezielt zu entladen.

F Kann in der Roboterzelle auch gemessen statt nur gehandhabt werden?

Ja, und das ersetzt in vielen Fällen die Ausschleusung ins Messlabor. In dokumentierten Anwendungen legt ein Roboter das Teil in ein 3D-Profilometer der Modellreihe VR-6000, sodass Kontur und Ebenheit im Takt erfasst werden. Für Kanten, Spalte und Überlappungen entlang einer Bahn liefern 2D/3D-Laser-Profilsensoren der Modellreihe LJ-X8000 an einem Controller der Modellreihe XG-X die Korrekturwerte für die Roboterbahn.

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