Sortenreine Teilebereitstellung mit Robot Vision: greifen, prüfen und typrichtig ablegen

Solange Teile von Hand eingelegt werden, ist die Sortierung eine Frage der Aufmerksamkeit. Sobald ein Roboter übernimmt, wird sie eine Frage der Sensorik: Das System muss das Teil im Behälter finden, den Typ bestimmen, die Drehlage ermitteln und dem Roboter eine greifbare Pose übergeben, alles in einem Takt. Dieser Beitrag beschreibt, wie eine sortenreine Teilebereitstellung aufgebaut wird, wann 3D Bin Picking nötig ist und wann eine 2D-Führung genügt, und welche Kennzahlen früh geklärt werden müssen.

Wichtige Punkte im Überblick

Werden Typunterscheidung und Greifen in einer Aufnahme gelöst, entfallen Zwischenstationen: Das System übergibt dem Roboter Position, Drehlage und Typnummer als einen Datensatz.
Die Lage der Teile entscheidet das Konzept: Ungeordnete Teile in tiefen Behältern verlangen 3D Robot Vision auf der Plattform der Modellreihe CV-X, während für Teile in einer bekannten Ebene eine 2D-Roboterführung genügt.
Bei Spritzgussteilen bricht oft eine Prozessspur die Symmetrie: Anspritzpunkt, Einspritzloch oder Trennkante liefern das Merkmal für den Drehwinkel, in der Anwendungspraxis mit einem üblichen Zielwert um ±2,5°.
Der Entleerungsgrad wird realistisch geplant: In der Anwendungspraxis gilt ein Wert um 70 Prozent als Erwartung, weil sich Teile in Ecken und an der Behälterwand nicht sicher greifen lassen, und der Restumgang gehört von Anfang an ins Konzept.
Die Ablage bestimmt den Nutzen: Typrichtig und lagerichtig abgelegte Teile ersparen der Folgestation die erneute Lagebestimmung, und Typnummer, Ablageplatz und Zeitstempel bilden den Nachweis der sortenreinen Bereitstellung.

Sortieren im Griff: warum Erkennung und Handling zusammengehören

In vielen Zellen stehen zwei Aufgaben getrennt nebeneinander, die eigentlich eine sind: die Typunterscheidung und das Greifen. Getrennt gelöst entsteht eine Kette. Der Roboter greift blind, legt das Teil auf eine Prüfstation, die den Typ bestimmt, und muss es anschließend neu aufnehmen. Jede Übergabe kostet Takt und erzeugt eine neue Lagetoleranz.

Wird beides in einer Aufnahme gelöst, verschwindet dieser Aufwand. Das Bildverarbeitungssystem liefert dem Roboter Position, Drehlage und Typnummer als einen Datensatz, und der Roboter fährt direkt an die passende Ablageposition. In dokumentierten Anwendungen liegen die Taktzeiten solcher Zellen bei etwa 6 s bis 35 s pro Teil, und ein eingesparter Zwischenschritt ist in dieser Größenordnung deutlich spürbar.

Der Ausgangspunkt ist fast immer derselbe: Bisher haben Werker über zwei oder drei Schichten eingelegt, und die Stellen lassen sich nicht mehr besetzen. Damit ist die Zelle keine Optimierung, sondern die Bedingung dafür, dass die Linie läuft. Eine Zelle, die pro Schicht mehrmals einen Eingriff braucht, löst das Personalproblem nicht.

Tiefe Kiste oder flache Ebene: 3D Bin Picking gegen 2D-Führung

Die erste Auslegungsfrage betrifft die Lage der Teile im Raum.

Ungeordnet in tiefen Behältern. Spritzgussteile kommen in Gitterboxen und Kartons, in dokumentierten Anwendungen von etwa 200 x 150 mm bis in den Bereich einer Europalette, mit Stapelhöhen um 1,2 m. Die Teile liegen übereinander, verhaken sich, liegen an der Behälterwand an. Hier braucht der Roboter eine dreidimensionale Szene: Kameras für 3D Robot Vision (RB-500, RB-800, RB-1200) auf der Plattform der Modellreihe CV-X erfassen die Schüttung, erkennen einzelne Teile, bewerten deren Zugänglichkeit und geben eine Greifpose mit Anfahrrichtung aus. Auch gemischte Behälter mit mehreren Varianten sind damit handhabbar, weil die Typentscheidung in derselben Auswertung fällt.

In einer Ebene. Liegen die Teile auf einem laufenden Band, in einer Blisterlage zwischen Metallteilen oder in einem schwarzen Tray mit 12 bis 30 Nestern, ist die dritte Dimension bekannt. Dann genügt eine 2D-Führung, also 2D VGR auf einer All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS oder, bei großen Bildfeldern und mehreren Kameras, auf der High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G. Bildfelder bis etwa 1.200 x 1.000 mm sind in realen Projekten dokumentiert.

Große Flächen und Stapel. Muss eine ganze Palette erfasst werden, bevor das Handling beginnt, wird die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G in dokumentierten Anwendungen mit einer bewegten Achse kombiniert und wertet mehrere Aufnahmen nacheinander aus.

Ein vierter Weg bleibt oft unbeachtet: die mechanische Sortierung behalten und nur die Entscheidung optisch machen. Ein Wendelförderer mit einer Klappe hinter einer Kamera trennt Varianten zuverlässig, ohne Roboter. Bei kleinen, leichten Teilen in hoher Stückzahl ist das häufig die einfachere Lösung.

Typ, Lage und Drehwinkel in einem Schritt bestimmen

Ein Roboter braucht mehr als die Antwort auf die Frage, wo etwas liegt. Drei Größen gehören in denselben Datensatz.

Die Position in allen relevanten Achsen, bei einer Schüttung also einschließlich der Höhe und der Kippung. Die erreichbare Ablagegenauigkeit reicht in dokumentierten Anwendungen von etwa ±2 mm bei einfachem Einlegen bis in den Bereich einiger Zehntelmillimeter, wenn die Folgestation eine definierte Lage voraussetzt.

Der Typ, ausgegeben als Nummer, damit die Steuerung die Ablageposition und das nachfolgende Programm wählen kann. Bei gemischten Behältern ist das der eigentliche Wert der Zelle. In realen Projekten wurden bis zu rund 100 Varianten in einer Endkontrollzelle geführt, in der Teile zur Stichprobenprüfung entnommen wurden.

Der Drehwinkel, denn viele Kunststoffteile sind rotationssymmetrisch bis auf ein einzelnes Detail. Eine Genauigkeit um ±2,5° ist in der Anwendungspraxis ein üblicher Zielwert und für die meisten Einlegeaufgaben ausreichend.

Zwei Prüfaufgaben lassen sich in dieselbe Aufnahme legen. Die erste ist die Qualitätsentscheidung: Ein Teil, das ohnehin im Bild liegt, kann gleich auf sichtbare Fehler bewertet werden, bevor der Roboter es weitergibt. Die zweite ist die Vollständigkeit des Behälters, etwa die Frage, ob ein Tray leer ist, bevor es neu befüllt wird. Für diese einfachen Zusatzentscheidungen genügt oft ein AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 an geeigneter Stelle in der Zelle.

Vom Spritzgusspunkt zur Ausrichtung: Merkmale, die der Roboter braucht

Bei Spritzgussteilen ist das Merkmal für den Drehwinkel häufig kein Konstruktionselement, sondern eine Spur des Prozesses. Der Anspritzpunkt, das Einspritzloch, ein Auswerferabdruck oder eine Trennkante brechen die Symmetrie eines runden Deckels oder einer Kappe. Wer diese Merkmale nutzt, braucht kein zusätzliches Konstruktionsdetail.

Drei Punkte entscheiden über die Tragfähigkeit. Erstens die Konstanz: Ein Anspritzpunkt sieht je Kavität leicht anders aus, deshalb gehören Musterteile aus allen Nestern in den Machbarkeitstest. Zweitens die Sichtbarkeit aus der Greifperspektive, denn ein Merkmal auf der Unterseite hilft nicht, wenn die Kamera von oben schaut. Drittens der Werkstoffeinfluss: Auf hochglänzendem Polymer erscheint derselbe Anspritzpunkt je nach Beleuchtungswinkel als heller oder dunkler Fleck.

Führt kein Prozessmerkmal zum Ziel, bleiben zwei Wege. Der eine ist eine definierte Zuführung, die die Drehlage grob vorgibt, sodass die Kamera nur noch nachkorrigiert. Der andere ist ein anderes Merkmal am Teil, etwa eine Beschriftung, wie in "Typerkennung über Farbe, Beschriftung und Code: den Kunststoffteil-Typ lesen statt messen" beschrieben.

Entleerungsgrad, Taktzeit und Greifstrategie realistisch planen

Drei Kennzahlen bestimmen, ob eine Zelle im Alltag trägt, und alle drei werden häufig zu optimistisch angesetzt.

Der Entleerungsgrad beschreibt, welcher Anteil eines Behälters automatisch entnommen wird. In der Anwendungspraxis wird ein Wert um 70 Prozent als Erwartung genannt, nicht 100 Prozent. Der Grund ist mechanisch: Teile in Ecken, an der Behälterwand oder unter dem letzten Rest lassen sich mit einem Greifer nicht sicher fassen. Wer 70 Prozent als Auslegungsgröße akzeptiert, plant den Restumgang mit ein, etwa über einen Restbehälter oder ein Umschütten. Wer 100 Prozent verspricht, baut eine Zelle, die regelmäßig steht.

Die Taktzeit liegt in dokumentierten Anwendungen bei etwa 6 s bis 35 s pro Teil. In diesem Rahmen ist die Bildaufnahme selten der begrenzende Faktor, sondern die Roboterbewegung und die Greifsicherheit. Ein zweiter Greifversuch kostet mehr als eine langsamere Auswertung.

Die Greifstrategie ist Teil der Bildverarbeitungsaufgabe. Welches Teil in einer Schüttung als nächstes gegriffen wird, entscheidet das System anhand der Zugänglichkeit, und ein Greifer mit nur einer Angriffsfläche schränkt die Auswahl stark ein. Bei Kunststoffteilen kommen Randbedingungen dazu: dünnwandige Teile verformen sich, Trennmittel senkt die Haftung eines Sauggreifers, aufgeladene Kleinteile hängen aneinander. Reinraumumgebungen und Cobot-Varianten sind in realen Projekten ebenfalls gefordert, und die Anbindung an Robotermarken verschiedener Hersteller ist der Normalfall.

Palette, Tray und Werkstückträger: typrichtig ablegen und dokumentieren

Die Ablage entscheidet, was die Folgestation voraussetzen darf. Werden Teile lose in ein Tray gelegt, bleibt ein Spiel von mehreren Millimetern, und die nächste Station muss ihre Lage erneut bestimmen. Wird typrichtig und lagerichtig abgelegt, entfällt dieser Schritt.

Drei Aspekte gehören in die Planung. Der erste ist die Zuordnung von Typ und Ablageplatz: Bei gemischten Behältern muss die Steuerung wissen, welcher Typ in welches Nest gehört, und das Prüfsystem liefert dafür die Typnummer. Der zweite ist die Kontrolle der Ablage selbst, also die Frage, ob das Teil tatsächlich im Nest sitzt und nicht auf der Kante. Der dritte ist die Dokumentation: Wo ein Kunde die sortenreine Bereitstellung nachgewiesen haben will, gehören Typnummer, Ablageplatz und Zeitstempel in ein Protokoll.

Am Wareneingang treten dieselben Aufgaben in größerem Maßstab auf. Palettierte Säcke, gestapelte Trays und Lagen unterschiedlicher Höhe müssen gezählt, zugeordnet und über Etiketten identifiziert werden, wobei helles und dunkles Holz sowie kontrastarme Etiketten im selben Bild vorkommen. Auch hier gilt: erst das Merkmal klären, dann das Bildfeld festlegen.

Häufige Fragen

F Wann brauche ich 3D Bin Picking und wann genügt eine 2D-Kamera?

Die Lage der Teile entscheidet. Liegen sie ungeordnet und übereinander in tiefen Behältern, braucht der Roboter eine dreidimensionale Szene, wie sie Kameras für 3D Robot Vision auf der Plattform der Modellreihe CV-X liefern. Liegen sie in einer bekannten Ebene, etwa auf einem Band, in einem Tray oder auf einer Blisterlage, genügt 2D VGR auf einer All-in-One Kamera der Modellreihe VS oder auf einer Bildverarbeitung der Modellreihe CV-X.

F Wie erkennt ein System die Drehlage eines runden Spritzgussteils?

Über ein Detail, das die Symmetrie bricht. Bei Spritzgussteilen ist das häufig eine Prozessspur wie der Anspritzpunkt, das Einspritzloch oder eine Trennkante. Eine Winkelgenauigkeit um ±2,5° ist in der Anwendungspraxis ein üblicher Zielwert. Wichtig ist, dass das Merkmal aus der Kameraperspektive sichtbar und über alle Kavitäten hinreichend konstant ist.

F Was bedeutet ein Entleerungsgrad von 70 Prozent für die Planung?

Dass ein Teil des Behälters manuell nachbehandelt werden muss. Teile in Ecken, an der Wand oder im letzten Rest lassen sich mechanisch nicht sicher greifen, deshalb wird in der Anwendungspraxis ein Wert um 70 Prozent als Erwartung genannt. Sinnvoll ist es, den Restumgang von Anfang an einzuplanen, etwa über einen Restbehälter oder ein Umschütten, statt eine vollständige Entleerung zu unterstellen.

F Kann ein Robot-Vision-System gleichzeitig die Qualität prüfen?

Ja, und es ist naheliegend, weil das Teil ohnehin im Bild liegt. Sichtbare Fehler lassen sich in derselben Aufnahme bewerten, bevor der Roboter das Teil weitergibt, und auch die Frage, ob ein Tray leer ist, gehört in diese Kategorie. Für einfache Zusatzentscheidungen in der Zelle genügt oft ein AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4.

F Lässt sich Robot Vision mit einem vorhandenen Roboter kombinieren?

In der Regel ja, und in dokumentierten Anwendungen ist die Anbindung an Robotermarken verschiedener Hersteller der Normalfall. Das Bildverarbeitungssystem übergibt Position, Drehwinkel und Typnummer, die Bahnplanung bleibt beim Roboter. Zu klären sind die Kalibrierung zwischen Kamera- und Roboterkoordinaten, die Schnittstelle und der Zeitpunkt, zu dem die Pose bereitstehen muss.

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