Roboterführung in der Pack- und Modulmontage: Module setzen, verschrauben und Busbars fügen trotz Toleranz von Werkstückträger und FTS

Millimeter aus Förderer, Werkstückträger und FTS gegen ein Millimeter am Fügepunkt

Ein Engineering-Dienstleister der Batteriemontage beschrieb die Aufgabe knapp. Die Fördertechnik positioniert eine Batteriewanne nur auf etwa ±4,5 mm in x und y, der Roboterprozess an dieser Halteposition braucht aber ±1,0 mm. Die Abweichung entsteht nicht an einer Stelle, FTS, Werkstückträger und Roboter summieren ihre Toleranzen. Die Wanne misst rund 1,8 x 1,2 m und kann zusätzlich in z kippen. Auf sie soll eine Oberschale mit der Elektronikeinheit, vorher mit Kleber versehen, aufgelegt und verschraubt werden. Der Roboter trägt dafür Greifer und Mehrfachschrauber.

Ob sich optisches Referenzieren gegenüber mechanischer Positionierung rechnet, untersucht eine Bachelorarbeit im Bereich der Batteriesysteme. Nach eigenen, positiven Vorversuchen mit einer 2D-Kamera geht es dort um ein 2D-Kamerasystem, das genaue Positionsdaten an einen Roboter übergibt. Eine Lösung mit zwei Kameras gilt dort als sehr vielversprechend, und die Arbeit empfiehlt Kameras für mehrere Arbeitsfolgen.

Referenzbohrung statt Anschlag: Nullpunktverschiebung für Setzen und Verschrauben

Der Ansatz an der Wanne ist typisch für diese Aufgabe. Eine Kamera erfasst die reale Lage der RPS-Bohrung, vergleicht sie mit dem theoretischen Wert und gibt die Differenz als Nullpunktverschiebung an den Roboter weiter. Der Roboter fährt dann nicht die eingelernte, sondern die korrigierte Position an. Weil die Wanne kippen kann und nur ein Teil des Bildfelds interessiert, gilt das Feld der RB-800 als ausreichend. Diese Kamera für 3D ROBOT VISION auf der Universellen Bildverarbeitungsplattform der Modellreihe CV-X erfasst 860 x 645 mm bei 500 mm Tiefe. Rechnerisch reicht das für den Bereich um die Bohrung, nicht für die ganze Wanne.

Liegt das Bauteil eben und kippt nicht, bleibt dieselbe Aufgabe eine 2D-Aufgabe für die All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS. So ist eine weitere Aufgabe ausgelegt: Schrauben sollen an einer Hochvolt-Batterie in ein Blech positioniert werden, vorgesehen ist eine All-in-One Kamera mit 1,6 MP. Für eine Packlinie für Nutzfahrzeuge ist die Vorpositionierung eines Schraubroboters ebenfalls mit einer All-in-One Kamera eingeplant, am Bahnhof für Großladungsträger dagegen 3D ROBOT VISION mit zwei RB-1200 je Abschnitt.

An einer Packlinie sind an der Station, die Module setzt, zwei 64-MP-Kameras und eine RB-1200 vorgesehen. Für die beiden hochauflösenden Kameras ist die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G die passende Klasse, die RB-1200 arbeitet auf der CV-X-Plattform.

Kamera am Greifer: die Referenz dort messen, wo der Roboter arbeitet

Eine Kamera am Greifer fährt mit dem Roboter zum Fügepunkt und sieht die Referenz aus kurzer Distanz. An einer Packstation sollen Kameras am Greifer zweier Roboter arbeiten, mit einem Bildfeld von etwa 110 mm und einer geforderten Genauigkeit von 0,1 mm. Mit 21 MP ergeben sich rund 0,02 mm je Pixel, rechnerisch also etwa ein Fünftel der Vorgabe. An derselben Packstation gibt es eine zweite Aufgabe. An einer gebogenen Kunststoffwand, meist schwarz oder grau, sollen mindestens zwei Bohrungen mit rund 285 mm Abstand erkannt werden, um Korrekturmaße in y und z gegenüber einer Masterwand zu berechnen. Die Abweichung kann längs bis 20 mm betragen, in z etwa 10 mm. Weil das Bohrbild an der gegenüberliegenden Wand gespiegelt ist, sind zwei Systeme nötig, die einen Kreuztisch je Seite und einen Roboter korrigieren.

An einer weiteren Packlinie beschreibt ein Konzept vier Kameras am Greifer mit Musterprojektion, die die Bohrungen für das Verschrauben finden. Als Beispiel nennt es ein Bildfeld von 125 x 95 mm bei 1.600 x 1.200 Pixeln, also etwa 0,07 mm je Pixel und eine Positionsgenauigkeit um ±0,4 mm. Offen ist, welche Genauigkeit tatsächlich nötig ist und ob 2D-Positionsdaten genügen. Zur selben Linie gehören eine Station, die Batterieböden lädt, und eine Suchfahrt nach Teilen im Behälter.

Mehrere Kameras lassen sich an einem Controller der VS-G bündeln, der bis zu acht Kameras aufnimmt. Bei zwei Robotern ist in der Planung zu klären, ob ein Controller beide bedient oder jeder Roboter einen eigenen erhält. Die Kalibrierung über Schachbrett- oder Punktmuster oder die Autokalibrierung mit dem Roboter bringt Bild- und Roboterkoordinaten zur Deckung und korrigiert dabei Kameraneigung und Objektivverzeichnung.

Busbars greifen, setzen und im selben Bild nachsehen

An einer Busbarmontagestation wurde die Anwendung mit einer All-in-One Kamera am Greifer durchgespielt: Busbar greifen, Busbar setzen, die Ablage prüfen und sechs Rastnasen prüfen. Alle Prüfschritte wurden dabei durchgegangen. Aus dem Test folgte die Empfehlung, auf mindestens 3,2 MP, besser 5 MP zu gehen, damit alle sechs Rastnasen in ein Bild passen und das Detailbild trotzdem eine hohe lokale Auflösung behält. Das spart Verfahrwege und damit Zeit.

Wie genau eine Rastnase sitzt oder wohin ein Kreuztisch nachgeführt wird, beantwortet die Lageprüfung und Ausrichtung. Hier zählt, dass Greifen, Setzen und Nachsehen mit derselben Kamera am Greifer geschehen.

Dieselbe Logik gilt beim Einsetzen. Ein Greifer setzt Batteriepacks in eine Batterie ein, und eine Erkennung soll melden, ob ein Pack schon eingesetzt ist, damit der Greifer nicht doppelt einsetzt und bricht. Dafür kommen der AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 und ein Bildbasierter Höhenvergleichssensor der Modellreihe IX in Frage.

Batterien auf das FTS: Portal, Pins und die Position des Fahrzeugs

Ein Portal soll Batterien von der Fördertechnik greifen und auf die Pins eines FTS setzen, vier Batterien je Fahrzeug. Die Aufgabenbeschreibung schätzt die Toleranzen auf etwa ±3 mm und rund 3 Grad Verdrehung auf dem Gestell, am FTS auf etwa ±50 mm und rund 5 Grad. Die Kamera oder ein 3D-Sensor soll am Grundrahmen des Greifers sitzen. Bei der Abholung erfasst sie die Oberkante der Batterie rechts und links aus rund 1.100 mm, am Fahrzeug erkennt sie einen der beiden Montagetische aus rund 1.500 mm. Jede Batterie wird auf dem Förderer aufgenommen, das FTS nur einmal, wenn die erste Batterie daraufkommt, weil seine Position bei dem Gewicht gleich bleiben sollte.

Rechnerisch muss das Bildfeld am Fahrzeug mindestens rund 100 mm Spiel um das gesuchte Merkmal lassen, damit der Montagetisch bei ±50 mm immer im Bild liegt, die Verdrehung kommt hinzu. Für die Höhe zur Ablagefläche kommt optional ein Abstandssensor hinzu, gefordert ist ein Takt unter 5 s.

Ladetechnik und Werkzeugakkus: dieselbe Aufgabe in kleinerem Maßstab

Die Aufgaben der Packmontage kehren in kleineren Linien wieder. In einer Montageanlage für Ladegeräte sollen zwei Roboter auf Achsen Bauteile vom Band in Werkstückträger picken und ablegen. Die Lage kommt hier vom Band, das Ziel ist der Werkstückträger.

An der ersten Station einer Montagelinie für Werkzeugakkus soll die Bildverarbeitung einen Ring und seinen Mittelpunkt auf 0,05 bis 0,1 mm erkennen, damit der Roboter dorthin fährt und einen Korrosionsschutz auflegt. Die Genauigkeit ist enger als an den großen Wannen, das Bauteil kleiner, das Prinzip dasselbe: Die Kamera misst das reale Teil, und der Roboter setzt dort, wo es tatsächlich liegt.

Häufige Fragen

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