Bauteil finden, Koordinate übergeben: Roboterführung am Förderband und am Werkstückträger

Ein Bauteil auf einem Förderband liegt jedes Mal ein wenig anders. Ein Getriebegehäuse fährt in einer von mehreren stabilen Lagen an der Greifstelle vorbei. Kleine Karosserieteile fallen aus der Stanze auf ein Band und weichen in ihrer Position nur gering voneinander ab, aber eben nicht gar nicht. Geschmiedete Achsschenkel laufen mittig ausgerichtet ein und trotzdem verdreht. Eine Felge bringt ihre Drehlage nur über das Reifenventil mit. Der Roboter, der als nächstes zugreift, braucht in keinem dieser Fälle ein Urteil über das Teil. Er braucht drei Zahlen: x, y und den Drehwinkel um die Hochachse. Dieser Beitrag beschreibt, woher diese Zahlen kommen, was die Entscheidung zwischen Greifen im Stillstand und Greifen im Durchlauf nach sich zieht, wie sich eine Zelle verhält, wenn aus dreißig Varianten mehrere hundert werden, und wer die Umrechnung in Roboterkoordinaten verantwortet.

Wichtige Punkte im Überblick

Der Roboter braucht am Band kein Urteil über das Teil, sondern einen Wert und kein Schaltsignal: zwei Koordinaten und den Drehwinkel um die Hochachse, ausgegeben in einem Bezugssystem, das der Roboter kennt.
Eine eingelernte Position hält auf dem Band nicht, weil nicht die Größe der Lagestreuung maßgeblich ist, sondern dass niemand sie garantiert, etwa wenn abgelegte Gussteile je nach Schwerpunkt kippen oder ein Getriebegehäuse in mehreren stabilen Lagen anfährt.
Die Entscheidung zwischen Greifen im Stillstand und Greifen im Durchlauf verändert die gesamte Zelle, denn im Durchlauf kommen eine Nachführung über die Bandbewegung, ein Aufnahmeverfahren, das sich von dieser Bewegung nicht stören lässt, und die Festlegung hinzu, zu welchem Zeitpunkt der übergebene Wert gilt.
Maßgeblich für die Verfahrenswahl ist die Variantenzahl des Zielzustands und nicht die der Pilotanlage, wofür ein Vorhaben zur Ventilmontage am Rad mit dreißig Varianten startet und später mehr als fünfhundert vorsieht, denn der Aufwand wächst mit der Zahl der Modelle, die jemand einlernen, freigeben und nachziehen muss.
Die Umrechnung der Werte in Roboterkoordinaten ist ein eigenes Arbeitspaket mit eigenen Hilfsmitteln, darunter ein robotergeführtes Target, und liegt in den dokumentierten Projekten beim Roboterprogrammierer oder beim Integrator und nicht beim Sensorlieferanten.

Warum eine eingelernte Position auf dem Band nicht hält

Bandanwendungen wirken auf den ersten Blick harmlos, weil die Lagestreuung klein bleibt. Genau das führt in die Irre. Maßgeblich ist nicht, wie groß die Abweichung ausfällt, sondern dass niemand sie garantiert.

In dokumentierten Anwendungen legt ein Roboter Gussteile auf einem Pufferband ab, damit ein zweiter sie später wieder aufnimmt. Je nach Schwerpunkt kippen die Teile beim Ablegen, und der nachfolgende Griff sitzt nicht mehr. An anderer Stelle fährt ein Getriebegehäuse in mehreren stabilen Lagen auf dem Band an: Die Positionsstreuung ist gering, die Lage selbst ist nicht festgelegt. Wer eine solche Zelle ohne Messwert baut, braucht eine Zentrierung, also eine zusätzliche Station, eine zusätzliche Übergabe und eine längere Toleranzkette. Wer sie mit Messwert baut, ersetzt diese Kette durch eine Aufnahme je Takt.

Was übergeben wird: x, y, Drehwinkel und was der Roboter daraus macht

Das Ergebnis dieser Zellen ist ein Wert und kein Schaltsignal. Übergeben werden zwei Koordinaten und ein Winkel, und zwar in einem Bezugssystem, das der Roboter kennt. In einer dokumentierten Anwendung erkennt die Kamera, in welcher von mehreren möglichen Lagen ein Getriebegehäuse auf dem Band steht, gibt das Ergebnis über PROFINET aus, und der Roboter nimmt das Teil auf und richtet es anschließend aus. In einer zweiten liefert das Reifenventil die Drehlage einer Felge; gefordert sind dort x, y und die Rotation um die Hochachse bei 0,5 mm Genauigkeit und rund zehn Sekunden für Erkennung und Übergabe.

Zum Wert gehören zwei Angaben, die in Lastenheften regelmäßig fehlen. Die erste ist die Anfahrrichtung. Eine Position ohne Aussage darüber, von welcher Seite der Greifer kommen darf, hilft an einem Anschlag nicht weiter. Die zweite ist die Variantenkennung, denn zum Winkel gehört das passende Greifprogramm. All-in-One Kameras mit integrierter AI der Modellreihe VS geben solche Werte unmittelbar aus und beherrschen dafür EtherNet/IP, PROFINET, PLC-Link und EtherCAT. Laufen Koordinaten direkt zwischen zwei Geräten, wird in der Anwendungspraxis TCP/IP genutzt.

Im Stillstand greifen oder im Durchlauf

Diese Entscheidung fällt früh und sie verändert die gesamte Zelle. Im Stillstand ist alles einfacher: Das Band hält an, die Aufnahme bleibt ruhig, die Übergabe braucht keine Nachführung. Bezahlt wird das mit Anfahrten und Bremsungen der Fördertechnik. In einem dokumentierten Projekt der Schmiedeteilhandhabung war genau das der Anlass, das Greifen im Durchlauf zu prüfen: Der Betreiber erwartete Bandverschleiß und nahm dafür die aufwendigere Zelle in Kauf.

Im Durchlauf kommen drei Dinge hinzu: eine Nachführung der Greifposition über die Bandbewegung, ein Aufnahmeverfahren, das sich von dieser Bewegung nicht stören lässt, und eine klare Festlegung, zu welchem Zeitpunkt der übergebene Wert gilt. 2D/3D Laser-Profilsensoren der Modellreihe LJ-X8000 drehen die Sache um und nutzen die Bewegung von Band oder Linearachse direkt für den Scan. Sie liefern 3.200 Punkte je Profil bei einem X-Feld von 7,0 bis 510 mm je nach Messkopf und tasten mit bis zu 16 kHz ab, unabhängig von Bandfarbe und Kontrast des Teils. Mehrere Messköpfe arbeiten an einem Controller der Modellreihe XG-X, sodass in dokumentierten Anwendungen zwei Bänder von einer Auswertung bedient werden. Linienbreiten um 840 mm sind dort der Normalfall.

Der Werkstückträger selbst liegt auch nicht fest

Auf dem Band streut das Teil, am Werkstückträger streuen zwei Dinge. In dokumentierten Anwendungen werden Ladungsträger mit Getrieben, Batteriepacks und Motoren beladen. Verlangt war dort die Lage des Trägers in X, Y und Z, ermittelt von einem Sensor am Roboter, der zusätzlich die Trägerart erkennt und das Objekt anschließend ablegt. Die Zelle beantwortet damit zwei Fragen nacheinander: Wo steht der Träger, und wo im Träger liegt das Nest.

Beim Ablegen kehrt sich die Aufgabe um. Nicht das Teil, sondern der freie Platz muss gefunden werden, bevor der Roboter ihn anfährt. Bildfelder um 500 mm bei etwa 700 mm Arbeitsabstand sind für Träger dieser Größe dokumentiert. Werden Träger im Umlauf verzogen oder nachträglich umgebaut, verschiebt sich die Aufgabe weiter in Richtung einer eigenen Aufnahme je Takt.

Dreißig Varianten heute, mehrere hundert später

Die Variantenzahl entscheidet in diesen Projekten häufiger über das Verfahren als die geforderte Genauigkeit. In einem dokumentierten Vorhaben zur Ventilmontage am Rad startet die Pilotanlage mit dreißig Varianten, geplant sind später mehr als fünfhundert. Diese Zahl war der Grund, die Lage dreidimensional zu bestimmen statt über einen zweidimensionalen Modellsatz, der für jede Variante gepflegt werden muss. Auf einer Linie für Drehteile sind dagegen bis zu zwölf Varianten je Anlage dokumentiert, eine Größenordnung, die ein Modellsatz gut trägt.

Fragen Sie deshalb nicht die Variantenzahl der Pilotanlage ab, sondern die des Zielzustands. Der Aufwand wächst nicht mit der Stückzahl, sondern mit der Zahl der Modelle, die jemand einlernen, freigeben und nach jeder Bauteiländerung nachziehen muss. Wo sich das Erscheinungsbild mit der Variante ändert, nehmen die AI-Werkzeuge auf der Modellreihe VS einen Teil dieser Arbeit ab.

Drehlage aus dem Grauwertbild oder aus dem Profil

Ob die Drehlage aus einem Grauwertbild kommen kann, hängt an einem einzigen Merkmal. Gibt es eine Kante, eine Bohrung oder eine Kontur, die sich über alle Varianten und Schichten hinweg sauber vom Rest abhebt, ist die Kamera der kürzeste Weg. All-in-One Kameras mit integrierter AI der Modellreihe VS tragen die Aufgabe dann einschließlich der Werteausgabe in einem Gerät.

Hängt der Winkel dagegen an einer Höhenstruktur, an einer Fase, einer Nut oder einer Verzahnung, liefert das Profil die klarere Antwort. Die Laser-Profilsensoren erreichen je nach Messkopf eine Z-Wiederholgenauigkeit von 0,3 bis 10 µm und arbeiten unabhängig davon, wie der Untergrund aussieht. Lässt sich die Drehlage aus einem einzelnen Grauwertbild gar nicht erschließen, weil das Teil verkippt anfährt oder weil der Modellsatz an der Variantenzahl scheitert, führt 3D ROBOT VISION auf der Plattform der Modellreihe CV-X. Entschieden wird das am Originalteil und nicht am Datenblatt.

Zwanzig Lichtschranken statt einer Koordinate: der Vergleich mit der mechanischen Lösung

Bevor eine Kamera kommt, existiert an vielen Stationen bereits eine Antwort. Sie besteht aus einzelnen Schaltpunkten. In einer dokumentierten Anlage stehen bis zu zwanzig Lichtschranken, die je Bauteilvariante ausgerichtet werden und gemeinsam Lage und Typ eines Drehteils eingrenzen. Die Prüfzeit liegt dort bei zwanzig Sekunden, die Anlage trägt bis zu zwölf Varianten, die Ergebnisse gehen über PROFINET weiter.

Diese Bauart hat zwei Eigenschaften, die nicht am einzelnen Gerät hängen, sondern am Prinzip. Sie beantwortet nur, wofür sie eingerichtet wurde, und jede neue Variante bedeutet mechanisches Ausrichten. Und sie liefert eine Kombination von Schaltsignalen, keinen Wert. Solange die Zelle unterscheiden muss, ob ein Teil vorhanden ist und grob richtig liegt, ist das eine solide und günstige Lösung. Sobald ein Roboter eine Koordinate verrechnen soll, endet ihr Einsatzbereich. Für die mechanische Zentrierung in einer Zwischenstation gilt dasselbe: Sie funktioniert, kostet aber eine Station und wächst nicht mit der Variantenzahl.

Wer die Koordinatentransformation verantwortet

Eine Kamera liefert Werte in ihrem eigenen Bezugssystem. Damit der Roboter sie verwenden kann, müssen sie in dessen Koordinaten umgerechnet werden, und dafür muss beides zueinander kalibriert sein. In den dokumentierten Projekten ist das ein eigenes Arbeitspaket mit eigenen Hilfsmitteln, darunter ein robotergeführtes Target, und es liegt in der Regel beim Roboterprogrammierer oder beim Integrator, nicht beim Sensorlieferanten.

Vier Punkte gehören deshalb in die Ausschreibung: in welchem Bezugssystem der Wert ausgegeben wird, über welche Schnittstelle und in welchem Takt er ankommt, wer die Kalibrierung durchführt, und wer sie nach einem Eingriff am Roboter wiederholt. Für die zweidimensionale Roboterführung liegen Verbindungsunterlagen für siebzehn Roboterhersteller sowie für eine benutzerdefinierte Anbindung vor. Wie ein Teil überhaupt aus einem Ladungsträger auf das Band gelangt, ist die vorgelagerte Aufgabe der Entnahmezelle und wird dort entschieden.

Häufige Fragen

F Welche Genauigkeit muss die Koordinatenübergabe am Band erreichen?

In dokumentierten Anwendungen genügen 0,5 mm, um ein Rad aufzunehmen und für die Ventilmontage auszurichten, während Stationen, an denen anschließend gestanzt, geklebt oder verschraubt wird, ein bis zwei Zehntelmillimeter verlangen. Maßgeblich ist nicht die kleinste erreichbare Zahl, sondern dass der Wert genauer ist als das, was der Roboter ohnehin wiederholt anfährt. Festgelegt wird die Zahl am Originalteil und nicht in der Ausschreibung.

F Sollte die Zelle im Stillstand oder im Durchlauf greifen?

Im Stillstand ist die Zelle einfacher, weil Aufnahme und Übergabe ohne Nachführung auskommen. Dafür fährt die Fördertechnik ständig an und bremst, was in einem dokumentierten Projekt der Schmiedeteilhandhabung als Verschleißgrund gegen diese Variante sprach. Im Durchlauf brauchen Sie eine Nachführung über die Bandbewegung und ein Aufnahmeverfahren, das die Bewegung verträgt; 2D/3D Laser-Profilsensoren der Modellreihe LJ-X8000 nutzen sie sogar direkt für den Scan.

F Wann reicht eine Kamera für die Drehlage und wann nicht?

Eine Kamera reicht, solange ein kontrastreiches Merkmal den Winkel über alle Varianten hinweg trägt. Liegt die Orientierung in einer Höhenstruktur wie einer Nut, einer Fase oder einer Verzahnung, ist ein Profilsensor die klarere Wahl. Kommt die Drehlage aus einem einzelnen Bild gar nicht zustande oder wird der Modellsatz durch die Variantenzahl unbeherrschbar, führt eine dreidimensionale Erfassung.

F Wie viele Varianten muss eine solche Zelle tragen?

So viele wie der Zielzustand und nicht so viele wie die Pilotanlage. Dokumentiert ist ein Projekt, das mit dreißig Varianten startet und später mehr als fünfhundert vorsieht; genau diese Perspektive hat dort die Verfahrenswahl entschieden. Auf kleineren Linien sind zwölf Varianten je Anlage dokumentiert, was ein zweidimensionaler Modellsatz noch gut trägt.

F Wer kalibriert zwischen Kamera und Roboter?

In den dokumentierten Projekten der Roboterprogrammierer oder der Integrator, nicht der Sensorlieferant. Die Kalibrierung ist ein eigenes Arbeitspaket mit eigenen Hilfsmitteln, darunter ein robotergeführtes Target. Schreiben Sie vor der Bestellung fest, wer sie durchführt und wer sie nach einem Eingriff am Roboter wiederholt, sonst wird daraus ein zweites Projekt nach der Inbetriebnahme.

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