Griff in Kiste, Gitterbox und Gestell: Guss-, Schmiede- und Blechteile in der Automobilfertigung automatisiert entnehmen

Der Behälter, aus dem ein Roboter in der Automobilfertigung greifen soll, ist fast nie für die Zelle gebaut worden. Er kommt aus der Lieferkette: eine Gitterbox, ein Mehrweggestell, das für das Beladen von Hand entworfen wurde, ein Werkstückträger mit tiefgezogener Zwischenlage, ein Warenträger aus dem Hochregal. Darin liegen Zylinderköpfe, Getriebegehäuse, Nockenwellen, geschmiedete Achsschenkel, Lagerbuchsen und Strukturbleche, jedes Mal etwas anders: gekippt, verkantet, um 180 Grad gedreht. Die Frage der Zelle ist deshalb keine Prüffrage. Sie lautet, welches Teil als nächstes greifbar ist, wie es im Raum liegt, ob der Greifer kollisionsfrei hinkommt und was die Robotersteuerung übergeben bekommt. Dieser Leitfaden führt durch die Entscheidungen, an denen solche Projekte in der Praxis tatsächlich hängen, und benennt die Stellen, an denen die Mechanik früher an ihre Grenze kommt als die Sensorik.

Wichtige Punkte im Überblick

Der Ladungsträger kommt aus der Lieferkette und nicht aus der Zelle, denn Gitterboxen, Mehrweggestelle und Werkstückträger sind von Hand beladen und auf Transportsicherheit ausgelegt, weshalb die Lagestreuung innerhalb eines Trägers in dokumentierten Anwendungen bei zwei bis vier Zentimetern liegt und eine eingelernte Greifposition nicht trägt.
Gitterbox, Gestell und Werkstückträger werden im Lastenheft in einem Atemzug genannt und stellen drei verschiedene Aufgaben: in der Gitterbox liegen die Teile ungeordnet in mehreren Lagen, im Gestell ist die Lage grob vorgegeben und für den Werker entworfen, und auf dem Werkstückträger verschiebt sich die Frage von der Lage zum Zustand des Nests.
Zwischenlagen, Kartonstreifen und verzogene Trays sind kein Detail der Verpackung, sondern eigene Objekte im Ablauf, die erkannt werden, bevor darunter gesucht wird, die entnommen und abgelegt werden und deren Lagenwechsel die Zelle als eigenen Schritt führt.
Die eigentliche Grenze dieser Zellen ist selten die Genauigkeit, sondern der Greifer, denn bei Teilegewichten von einigen hundert Gramm bis zu mehreren hundert Kilogramm entscheiden Backenweite, Ansaugfläche, Eigengewicht am Flansch und die Frage, ob der Greifer zwischen zwei Nachbarteile und die Behälterwand passt.
Wo Öl, Späne, glänzender Aluminiumguss und wechselnde Behälterböden gegen das Grauwertbild arbeiten, ist das keine Frage der Auflösung, sondern der Aufnahmetechnik, und 3D ROBOT VISION auf der Plattform der Modellreihe CV-X verrechnet dafür 136 Einzelbilder aus Streifenprojektion zu einem dreidimensionalen Ergebnis.

Der Ladungsträger kommt aus der Lieferkette, nicht aus der Zelle

Wer eine Entnahmezelle auslegt, bestimmt Roboter, Greifer und Takt. Den Behälter bestimmt er in der Regel nicht. Gitterboxen, Gestelle und Werkstückträger sind zwischen Zulieferer und Werk vereinbart, werden von Hand beladen und sind auf Transportsicherheit ausgelegt, nicht auf eine definierte Teilelage. In dokumentierten Anwendungen reichen die Behälterfelder von etwa 400 x 400 mm bis 1000 x 1200 mm, einzelne Bauteilfelder liegen bei rund 1250 x 1000 mm. Die Lagestreuung innerhalb eines Trägers wird mit zwei bis vier Zentimetern angegeben.

Eine eingelernte Greifposition trägt unter diesen Bedingungen nicht. Die Zelle braucht je Griff eine neue Lage im Raum. Die Kameras für 3D ROBOT VISION RB-500, RB-800 und RB-1200 decken dafür Erfassungsbereiche von 520 x 390 x 200 mm, 860 x 645 x 500 mm und 1260 x 1260 x 1000 mm ab, mit Arbeitsabständen von 1500, 1700 und 2000 mm und Positionsgenauigkeiten von ±0,1, ±0,2 und ±0,4 mm. Die 1000 mm in der Tiefe sind die Obergrenze dessen, was eine Kameraposition abdeckt. Wie hoch die Gitterbox befüllt wird, entscheidet damit sehr früh über das Zellenkonzept.

Gitterbox, Gestell und Werkstückträger: drei unterschiedliche Aufgaben

Die drei Trägerarten werden im Lastenheft oft in einem Atemzug genannt und stellen doch verschiedene Aufgaben. In der Gitterbox liegen die Teile ungeordnet und in mehreren Lagen. Gesucht wird zuerst der Behälter, dann das oberste greifbare Teil. Lässt sich die Kiste dreidimensional schwer finden, ist ein Rückfall auf eine zweidimensionale Behältersuche vorgesehen; für seitlich offene Boxen ist das Öffnen einer Kistenseite als eigener Fall dokumentiert, damit der Roboter seitlich einfahren darf.

Im Gestell ist die Lage grob vorgegeben, aber das Gestell wurde für den Werker entworfen. Seitentüren, Strukturteile einer Fahrerkabine und Stoßfängerhäute stehen darin auf Kante, verrutschen im Transport und hängen nicht zweimal identisch ein. Auf dem Werkstückträger schließlich liegt jedes Teil in einem Nest, und die Frage verschiebt sich von der Lage zum Zustand: Ist das Nest leer, liegt genau ein Teil darin, liegt es richtig herum. In dokumentierten Anwendungen stehen Statoren dort in zwei Ebenen übereinander, getrennt durch eine tiefgezogene Zwischenlage.

Zwischenlagen, Kartonstreifen und verzogene Trays als eigene Objekte

Zwischenlagen sind in diesen Projekten kein Detail der Verpackung, sondern ein Objekt mit eigener Aufgabe im Ablauf. Tiefgezogene Einleger trennen zwei Lagen, Kartonstreifen liegen unter Zierleisten, Trays verziehen sich nach einigen Umläufen und liegen dann nicht mehr plan auf.

Die Zelle muss dreierlei können. Sie muss die Zwischenlage erkennen, bevor sie darunter nach einem Teil sucht, sonst greift der Roboter in die Folie. Sie muss die Lage entnehmen und ablegen, wofür meist ein Sauger am Kombigreifer oder ein zweiter Greifer eingeplant wird. Und sie muss den Lagenwechsel als eigenen Schritt führen, weil sich mit jeder Lage die Greifhöhe und oft auch die Reihenfolge ändert. Wird ein Karton bewusst untergelegt, um unter einem dunklen Bauteil überhaupt Kontrast zu erzeugen, gehört auch er in die Ablaufbeschreibung und in die Ersatzteilliste.

Wenn nur ein Teil des Bauteils ins Bildfeld passt

Bei großen Bauteilen stößt die Aufnahme an ihre Grenze, bevor die Greifplanung überhaupt beginnt. In einem dokumentierten Fall passt nur ein Ausschnitt einer Seitentür in das Bildfeld, eine einzelne Kameraposition löst das Gestell also nicht. Drei Wege sind gangbar, und sie kosten unterschiedlich viel Takt.

Mehrere Aufnahmepositionen sind der einfachste Weg, verlängern aber die Zeit je Griff. Ein mitfahrender Sensor ist der zweite: 2D/3D Laser-Profilsensoren der Modellreihe LJ-X8000 nutzen die Bewegung von Linearachse oder Roboter direkt für den Scan und decken je nach Messkopf X-Felder von 7,0 bis 510 mm ab, bei Abtastraten bis 16 kHz. Der dritte Weg ist die flächige Einzelaufnahme: 3D Laser-Snapshot-Sensoren der Modellreihe LJ-S8000 erfassen Felder bis 640 x 640 mm, die kürzeste dokumentierte Erfassungszeit von 0,2 Sekunden gilt allerdings nur für einen minimalen Messbereich und die reine Aufnahme. Beide Messkopffamilien arbeiten an einem Controller der Modellreihe XG-X, der bis zu vier Köpfe und Kameras insgesamt trägt.

Greifer, Gewicht und Kollision: wo die eigentliche Grenze liegt

In der Diskussion um Entnahmezellen steht meist die Genauigkeit vorn. In den dokumentierten Fällen ist sie selten das Problem. Die Teilegewichte reichen von einigen hundert Gramm bis zu mehreren hundert Kilogramm, und spätestens im oberen Bereich bestimmt der Greifer, nicht der Sensor, was die Zelle kann: Backenweite, Ansaugfläche, Eigengewicht am Flansch und die Frage, ob der Greifer zwischen zwei Nachbarteile und die Behälterwand passt.

Die Lagegenauigkeit muss in diesen Anwendungen nicht in den Zehntelbereich, sie muss besser sein als das, was der Roboter ohnehin wiederholt anfährt; auf der Roboterseite wird dafür in einem dokumentierten Fall etwa 0,2 mm genannt. Wichtiger als die letzte Stelle ist die Vollständigkeit der Information. Eine Pose ohne Aussage über die Anfahrrichtung hilft nicht weiter, wenn das Teil an der Behälterwand lehnt. Deshalb gehören Greifergeometrie und Kollisionsprüfung in dieselbe Betrachtung wie die Aufnahme.

2D oder 3D: was Öl, Späne und wechselnder Hintergrund entscheiden

Ein Grauwertbild lebt vom Kontrast zwischen Teil und Hintergrund. Genau der ist in diesen Zellen unzuverlässig: Öl und Späne auf dem Band nach dem Schmieden oder Zerspanen, glänzender Aluminiumguss, schwarze Teile auf schwarzen Kunststoffhaltern, wechselnde Behälterböden. Das ist keine Frage der Auflösung, sondern der Aufnahmetechnik.

Wo die Umgebung gegen das Bild arbeitet, führt deshalb ein Verfahren, das den Hintergrund nicht braucht. 3D ROBOT VISION auf der Plattform der Modellreihe CV-X arbeitet mit Streifenprojektion und verrechnet 136 Einzelbilder zu einem dreidimensionalen Ergebnis, inklusive HDR-Aufnahme; die 3D-Suche ist dabei mit 0,5 Sekunden gegenüber ein bis zwei Sekunden bei herkömmlicher Suche dokumentiert. Die Laser-Profilsensoren sind aus demselben Grund von Bandfarbe und Kontrast unabhängig. Bleibt es bei einer Lage und einem ruhigen Hintergrund, genügen All-in-One Kameras mit integrierter AI der Modellreihe VS. Fremdlicht bleibt in jedem Fall ein eigener Punkt: direkte Sonneneinstrahlung durch ein Hallendach wird in der Anwendungspraxis mit Filterfolie, Abschirmung und angepasster Belichtungszeit beherrscht, Gießereiumgebungen mit Staub, Schmutz und Temperaturen unter 50 Grad zusätzlich durch die Gerätewahl.

Von der Pose zur Bahn: Simulation vor dem Stahlbau

Ob eine Entnahmezelle im Takt bleibt, entscheidet sich nicht an der Aufnahmezeit allein, sondern an der Bahn dazwischen. In der Anwendungspraxis reichen die Taktbudgets von unter zwei Sekunden je Teil an einer Station mit mehreren Robotern bis zu knapp einer Minute in vorgelagerten Rohbauprozessen. Zwischen diesen Werten liegen völlig verschiedene Zellen.

Der Picking-Simulator nimmt diese Frage vor dem Stahlbau vorweg. Er arbeitet mit einer Physikengine, kennt die Stapelmethoden Random, Stacked und By The Wall, importiert die Greifergeometrie als CAD-Modell und lässt bis zu zwei Handmodelle je Bahnplanungswerkzeug zu. Damit wird aus einer Machbarkeitsdiskussion eine Taktaussage, und zwar bevor Fördertechnik und Schutzumhausung bestellt sind. Der zweite Baustein ist der Versuch an Originalteilen im Originalbehälter mit schriftlichem Bericht. In diesem Umfeld hält er die Erwartung an die Zelle schriftlich fest.

Was die Zelle ausgibt und wer es weiterverarbeitet

In Entnahmezellen gibt es zwei Verbindungen, und sie werden regelmäßig verwechselt. Zur Robotersteuerung geht die Pose über Ethernet oder RS-232C. Zur Anlagensteuerung gehen Freigaben und Zustände über den Feldbus des Werks; die Modellreihe VS unterstützt dafür EtherNet/IP, PROFINET, PLC-Link und EtherCAT. Wer nur die SPS-Anbindung ausschreibt, hat die Übergabe an den Roboter noch nicht geklärt.

Die zweite offene Stelle ist die Kalibrierung zwischen Kamera und Roboter samt Koordinatentransformation. Sie ist ein eigenes Arbeitspaket mit eigenen Werkzeugen, darunter ein robotergeführtes Target, und sie liegt in den dokumentierten Projekten meist beim Roboterprogrammierer und nicht beim Sensorlieferanten. Für 3D ROBOT VISION liegen Verbindungsunterlagen für zwölf Roboterhersteller vor, in der Regel als Verbindungshandbuch und Programmierleitfaden. Wer diese Zuständigkeiten vor der Bestellung festschreibt, spart sich das zweite Projekt nach der Inbetriebnahme.

Eine Zelle, drei Werke: Kopierbarkeit, Support und die Rechnung

Entnahmezellen bleiben selten Einzelstücke. In den dokumentierten Projekten stehen mehrere Zellen in einem Werk und dieselbe Zelle an zwei oder drei Standorten. Damit wird zum Kaufkriterium, was sich sonst erst nach Jahren zeigt: ob die Instandhaltung im Werk eine Zelle nach einem Typwechsel selbst nachstellen kann, ob Programme übertragbar sind und ob der Support alle Standorte erreicht.

Wirtschaftlich ist der Vergleichsmaßstab fast immer die manuelle Entnahme, die in den dokumentierten Projekten der Normalfall ist. Die Rechnung geht auf, wo viele gleichartige Griffe an schweren Teilen anfallen und die Zelle mehrfach gebaut wird. Sie geht nicht auf, wo nur eine Variante betroffen ist oder der ganze Behälter ausgeschleust werden kann. Stückzahl, Variantenzahl und Kopierbarkeit gehören deshalb vorher auf den Tisch.

Häufige Fragen

F Wie viel Lagestreuung muss eine Entnahmezelle auffangen?

In dokumentierten Anwendungen liegt die Streuung innerhalb eines Ladungsträgers bei etwa zwei bis vier Zentimetern, dazu kommen gekippte, verkantete und um 180 Grad gedrehte Teile. Eine eingelernte Greifposition reicht dafür nicht aus. Die Zelle braucht je Griff eine neu bestimmte Lage samt Orientierung.

F Wie tief darf ein Behälter sein, den eine Kameraposition abdeckt?

Die Kameras für 3D ROBOT VISION RB-500, RB-800 und RB-1200 erfassen Bereiche von 520 x 390 x 200 mm, 860 x 645 x 500 mm und 1260 x 1260 x 1000 mm. Die 1000 mm sind die dokumentierte Obergrenze in der Tiefe. Tiefere oder höher befüllte Behälter brauchen ein anderes Konzept, etwa mehrere Aufnahmepositionen oder einen mitfahrenden Sensor.

F Wann reicht eine Kamera und wann braucht die Zelle eine 3D-Aufnahme?

Ein Grauwertbild trägt, solange die Teile in einer Lage liegen und der Hintergrund ruhig bleibt; dafür sind All-in-One Kameras mit integrierter AI der Modellreihe VS ausgelegt. Sobald Öl, Späne, wechselnde Behälterböden oder glänzende Gussoberflächen ins Spiel kommen oder mehrere Lagen übereinanderliegen, führt ein Verfahren, das den Hintergrund nicht braucht: 3D ROBOT VISION auf der Plattform der Modellreihe CV-X oder 2D/3D Laser-Profilsensoren der Modellreihe LJ-X8000.

F Wie werden Zwischenlagen und Kartonstreifen behandelt?

Als eigene Objekte im Ablauf. Die Zelle erkennt die Zwischenlage, bevor sie darunter sucht, entnimmt sie mit einem Sauger oder einem zweiten Greifer und führt den Lagenwechsel als eigenen Schritt. Verzogene Trays sind dabei der schwierigere Fall, weil ihre Höhe nicht mehr konstant ist.

F Was übergibt die Zelle an den Roboter und was an die SPS?

An die Robotersteuerung geht die Pose, also Position und Orientierung, über Ethernet oder RS-232C. An die Anlagensteuerung gehen Freigaben, Zustände und Programmnummern über den Feldbus; die Modellreihe VS unterstützt EtherNet/IP, PROFINET, PLC-Link und EtherCAT. Beide Wege gehören getrennt in das Lastenheft.

F Ab welcher Stückzahl lohnt sich die automatisierte Entnahme?

Eine allgemeingültige Grenze gibt es nicht. Getragen wird die Rechnung in den dokumentierten Projekten von vielen gleichartigen Griffen an schweren Teilen und davon, dass dieselbe Zelle mehrfach gebaut wird. Wo nur eine Variante betroffen ist oder der Behälter ohnehin komplett ausgeschleust werden kann, bleibt die manuelle Entnahme die wirtschaftlichere Lösung.

Weiterführende Artikel

Übergeordnete Themenseite: Messen, Kennzeichnen und Prüfen in der Automobilproduktion: Der Überblick für Qualitäts- und Fertigungsverantwortliche

Weiterer Artikel im Thema: Bauteil finden, Koordinate übergeben: Roboterführung am Förderband und am Werkstückträger

Weiterer Artikel im Thema: Roboterführung beim Fügen: Tür, Batterieboden und Anbauteil an der Karosserie ausrichten

Weiterer Artikel im Thema: Prüfen am Roboter statt Prüfstation je Merkmal: Merkmale, Reichweite und Taktzeit in der Zelle verteilen

Weiterer Artikel im Thema: Warum Roboterzellen stehen: Vereinzelung, Doppelteile, Fremdlicht und die Übergabe an die Steuerung