Robotik in der Verpackungs- und Druckindustrie: das passende Bildverarbeitungssystem für die Roboterzelle auswählen

Eine Palettenstation, die in einer Schicht von Hand abgestapelt wird. Ein Handarbeitsplatz, dessen Monatskosten in der Investitionsrechnung als Vergleichswert auftauchen. Stückzahlen, die schneller steigen als die Belegschaft. In der Verpackungs- und Druckindustrie beginnen Automatisierungsprojekte fast immer mit einem Arbeitsplatz, der nicht mehr zu besetzen ist. Sobald ein Roboter, ein Portal oder ein Cobot die Packung, das Produkt oder das Bedruckmaterial bewegt, braucht er eine Information, die die Mechanik nicht liefert: Wo genau liegt das Teil, hat der Griff funktioniert, darf das Ergebnis weiterlaufen? Diese Information kommt aus der Bildverarbeitung und aus der Sensorik der Zelle. Dieser Leitfaden ordnet das Feld nach drei Fragen, die in realen Projekten die Systemwahl bestimmen, und benennt einen Punkt, der in Projekt nach Projekt zu spät auffällt: Mit dem Packer verschwindet auch der Prüfer.

Wichtige Punkte im Überblick

Automatisierungsprojekte in der Verpackungs- und Druckindustrie beginnen meist mit einem Arbeitsplatz, der nicht mehr zu besetzen ist, und die Wirtschaftlichkeit wird häufig direkt an den Monatskosten des Handarbeitsplatzes gerechnet.
Drei Fragen bestimmen die Systemwahl: Braucht der Roboter Tiefe oder genügt die Ebene, sitzt die Kamera am Greifer oder über der Zelle, und steht das Produkt für die Aufnahme still oder läuft das Band weiter.
Die Lage des Objekts entscheidet über 2D oder 3D: Plan liegende Packungen und Zuschnitte sind ein 2D-Fall, während Mischpaletten, gestapelte Trays und chaotisch gefüllte Behälter die vollständige Raumlage und damit 3D Robot Vision verlangen.
Läuft das Band weiter, liefert ein Drehgeber den zurückgelegten Weg, und die Bandnachführung übergibt dem Roboter eine mitwandernde Koordinate, in dokumentierten Anwendungen bei Raten bis etwa 180 Stück pro Minute.
Mit dem Packer verschwindet auch der Prüfer: Anwesenheitskontrolle, Verpackungsqualität und Kennzeichnung gehören von Beginn an in die Planung der Zelle, weil eine Nachrüstung an Bauraum und Taktreserve scheitert.

Warum Verpackungslinien jetzt automatisiert werden: Personal, Stückzahlen und Reklamationskosten

Der häufigste Auslöser ist nicht die Technik, sondern der Schichtplan. In den dokumentierten Projekten stehen manuelle Abstapelplätze, Zuführstationen und Pick-and-Place-Arbeitsplätze, die über fünf Tage in einer oder zwei Schichten besetzt werden müssen und für die sich kein Personal mehr findet. Die Wirtschaftlichkeit wird dann oft direkt an den Monatskosten des Arbeitsplatzes gerechnet, was den Investitionsrahmen für Roboter, Greifer und Kamera von Anfang an begrenzt.

Der zweite Auslöser sind Stückzahlen und Formatvielfalt. Mechanische Zuführungen funktionieren, solange die Variante stabil bleibt. Kommen Varianten hinzu, muss die Mechanik neu ausgelegt werden, während beim bildgeführten Roboter ein neues Teil eingelernt wird.

Der dritte Auslöser ist die Qualität. Reklamationen des Handels, Auditanforderungen und Rückholaktionen bilden oft den größeren Teil des Business Case, weil eine automatisierte Zelle die Prüfung mitbringen kann, die vorher stichprobenhaft von Hand lief.

2D oder 3D: die erste Weiche zwischen Ebene, Stapel und chaotischem Behälter

Die erste und folgenreichste Frage lautet: Braucht der Roboter Tiefe, oder reicht ihm die Ebene? Die Antwort hängt allein daran, wie das Objekt liegt.

Ebene, 2D reicht: Packungen auf dem Band, Zuschnitte und Wrapper im flachen Stapel, einlagig belegte Trays, Etiketten auf Gebinden. Position und Drehlage in X und Y genügen, die Höhe kompensiert der Greifer über eine Feder oder eine feste Anfahrtiefe. Hier arbeitet eine 2D-Roboterführung (2D VGR), getragen von einer All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS oder der High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G. In dokumentierten Anwendungen liegen die Bildfelder zwischen etwa 100 x 100 mm an einer kleinen Zuführung und 1.000 x 500 mm über einem breiten Band.
Tiefe nötig, 3D: Mischpaletten und angebrochene Lagen, gestapelte Trays mit Zwischenlagen, chaotisch gefüllte KLT und Gitterboxen, kippende Randteile in der unteren Behälterlage. Gefragt ist die vollständige Raumlage samt Kippwinkel, und dafür stehen die Kameras für 3D Robot Vision RB-500/800/1200 auf der Plattform der Modellreihe CV-X mit der 3D-Roboterführung (3D VGR). Stapelhöhen von rund 1,1 m bis 1,8 m über einer vollen Europalette sind in realen Projekten der Normalfall.

Zwischen beiden Welten liegt ein Grenzbereich, der oft falsch eingeschätzt wird. Ein Stapel Zuschnitte ist geometrisch ein 3D-Problem, praktisch aber ein 2D-Problem, solange die Blätter plan liegen. Umgekehrt reicht 2D nicht mehr aus, sobald zwei gleich aussehende Teile unterschiedlich hoch liegen, denn dann fehlt dem Greifer der Anfahrpunkt. Muss die Lage zusammen mit einer gemessenen Höhe kommen, übernehmen der 3D Laser-Snapshot-Sensor LJ-S8000 oder die 2D/3D-Laser-Profilsensoren der Modellreihe LJ-X8000 an einem Controller der Modellreihe XG-X.

Kamera am Greifer oder über der Zelle: Bauraum, Kollision und Bildqualität

Die zweite Weiche betrifft den Einbauort. Eine Kamera am Greifer (on hand) fährt mit, sieht jedes Ziel aus kurzer Distanz und braucht deshalb nur ein kleines Bildfeld. Das hält die Auflösung hoch und die Beleuchtung überschaubar. Der Preis dafür ist Bauraum an einer Stelle, an der ohnehin Vakuumleitungen, Ventile und Kabel liegen, und ein Kollisionsrisiko im Behälter oder zwischen zwei Palettenstapeln.

Eine stationäre Kamera über der Zelle nimmt den ganzen Arbeitsbereich in einem Bild auf, kollidiert nie und lässt sich stabil beleuchten. Sie braucht dafür Höhe, ein großes Bildfeld und eine Tiefenschärfe, die von der Oberkante des vollen Stapels bis zur leeren Palette reicht.

In der Anwendungspraxis hat sich ein Mittelweg bewährt: Die Kamera sitzt etwa einen Meter über dem Greifer am Roboterarm oder an der Achse, statt direkt am Werkzeug. Sie bewegt sich mit, bleibt aber aus der Kollisionszone. Für die Auswahl gilt eine einfache Reihenfolge: erst den Greifer konstruieren, dann die Kamera platzieren. Wird es umgekehrt gemacht, muss das Bildfeld später die Fehler der Mechanik ausgleichen.

Stillstand oder Bewegung: Taktbetrieb, Bandnachführung und Drehgeber

Die dritte Weiche fragt, ob das Produkt für die Aufnahme stehen bleibt. Der Taktbetrieb ist der einfachere Fall: Das Band stoppt, das Bild wird aufgenommen, die Koordinaten gehen an die Steuerung, der Roboter greift. Rechenzeit ist hier kein Thema, und die Beleuchtung darf länger belichten.

Läuft das Band weiter, kommen zwei Anforderungen hinzu. Erstens muss die Aufnahme trotz Bewegung scharf sein, was in der Praxis auf einen Global Shutter und eine kurze, kräftige Belichtung hinausläuft. Zweitens muss die Position, die zum Zeitpunkt der Aufnahme galt, in die Zukunft gerechnet werden. Dafür liefert ein Drehgeber am Band den Weg, und die Bandnachführung übergibt dem Roboter eine mitwandernde Koordinate. In dokumentierten Anwendungen reichen die Bandgeschwindigkeiten von rund 50 bis 100 mm/s an langsamen Stationen bis etwa 10 m/min, die Raten von wenigen Picks pro Minute bis etwa 180 Stück pro Minute, bei einem Scara-Roboter rund 40 Packungen pro Minute. Wenn die Ablage im Zehntelmillimeterbereich sitzen muss, etwa bei einer Etikettenlage mit 0,1 mm Toleranz, ist die Lageerkennung mit der High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G die belastbare Basis für die Bandnachführung. Bei weichen Produkten wie Vakuumpackungen liegen die sinnvollen Toleranzen dagegen eher bei rund 10 mm, weil das Produkt selbst nie zweimal gleich aussieht.

Wenn der Roboter den Prüfer ersetzt: Anwesenheit, Siegelnaht und Druckbild mit in die Zelle nehmen

Hier liegt der Punkt, der in den Projektunterlagen am häufigsten fehlt. Solange ein Mensch die Packungen einlegt, prüft er nebenbei: Er sieht die schiefe Deckelfolie, das doppelte Etikett, den offenen Karton. Nimmt der Roboter diesen Platz ein, entfällt diese unbezahlte Kontrolle vollständig, und zwar am selben Tag, an dem die Zelle in Betrieb geht.

Deshalb gehören drei Prüfaufgaben in die Planung der Zelle, auch wenn sie technisch eigene Themen sind. Die erste ist die Anwesenheits- und Vollständigkeitskontrolle, also die Frage, ob alle Nester belegt, das Teil sauber aus dem Werkstückträger entnommen und die Schutzfolie abgezogen ist. Ein AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 an mehreren Stationen einer Zelle deckt solche Aufgaben zu geringen Stückkosten ab. Die zweite ist die Verpackungsqualität selbst: Siegelnaht, Folienverbund, Oberfläche und Druckbild. Die dritte ist die Kennzeichnung, also das Aufbringen und Zurücklesen von Datum, Charge und Code.

Für die technische Tiefe dieser drei Aufgaben verweisen wir bewusst auf die eigenständigen Beiträge zur Verpackungsprüfung und zur Kennzeichnung im Verpackung & Druck Hub. Für die Roboterzelle zählt an dieser Stelle nur die Konsequenz: Bauraum, Beleuchtung, Taktzeit und Schnittstelle müssen die Prüfstation von Beginn an mittragen. Wer sie später einbaut, kämpft mit Kollisionen und mit einem Takt, der keine Reserve mehr hat. Wo die Zelle den Karton ohnehin präsentiert, lässt sich die Identifikation günstig mitnehmen, etwa mit AI-Codelesern der Modellreihe SR-X um die Station herum.

Vom Konzept zur Anlage: Musterteile, Machbarkeit, Greiferkonzept und Schnittstelle

Robotikprojekte in der Verpackung bleiben häufig im Konzeptstadium hängen, und die Gründe wiederholen sich. Am Anfang steht die Machbarkeit an realen Mustern. Dazu gehören Teile in allen Varianten und im realen Zustand, also feucht, bemehlt, verstaubt, aufgeladen, und die Behälter mit ihren Kartoneinlagen, Netzen und Folienabdeckungen, weil genau diese Störkonturen den Bildaufbau bestimmen.

Danach folgt das Greiferkonzept, und es hat Vorrang vor der Kamera. Sauggreifer, Parallelgreifer und Innengreifer stellen unterschiedliche Anforderungen an die Genauigkeit der Lageerkennung, und ein Greiferwechsel im Takt kostet Zeit, die in der Taktzeitrechnung oft fehlt. Bei einem Griff in die Kiste sind in dokumentierten Anwendungen rund 5 bis 25 s pro Teil realistisch, in einer satzweise arbeitenden Zelle etwa 240 s für drei Teile. Wer mit Bildaufnahme, Bahnplanung und Greifwechsel rechnet statt nur mit der Bildauswertung, kommt zu belastbaren Zahlen.

Die Schnittstelle bildet den dritten Block. Koordinaten, Ergebnisse und Freigaben laufen üblicherweise über Profinet, EtherCAT, EtherNet/IP oder TCP/IP zur Roboter- und Anlagensteuerung, ergänzt um einfache 24-V-Signale für die schnellen Quittungen. Zur Peripherie gehören die Greiferabfrage mit digitalen Lichtleitersensoren der Modellreihe FS-N, das Schutz- und Warnfeld mit einem Sicherheits-Laserscanner SZ-V und die Entladung aufgeladener Folien mit Ionisatoren der Modellreihe SJ. Diese Bausteine werden zuletzt spezifiziert und verursachen dann die ersten Stillstände, weshalb ein Pflichtenheft mit dem Greifer beginnen sollte und nicht mit der Kamera.

Häufige Fragen

F Wann brauche ich 3D Robot Vision und wann genügt eine 2D-Kamera?

Die Lage des Objekts entscheidet. Liegen Packungen, Zuschnitte oder Teile plan und einlagig, genügt eine 2D-Roboterführung mit Position und Drehlage in der Ebene, während der Greifer die Höhe kompensiert. Sobald Teile kippen, gestapelt liegen, chaotisch im Behälter liegen oder Paletten gemischt und angebrochen sind, wird die vollständige Raumlage benötigt, und damit 3D Robot Vision. In der Anwendungspraxis fällt Depalettieren mit Zwischenlagen ebenso in die 3D-Kategorie wie der Griff in die Kiste.

F Kamera am Greifer oder stationär über der Zelle: was ist besser?

Beides hat einen klaren Anwendungsbereich. Am Greifer bleibt das Bildfeld klein und die Auflösung hoch, dafür konkurriert die Kamera mit Vakuumleitungen um den Bauraum und kann kollidieren. Stationär über der Zelle sieht eine Optik den ganzen Arbeitsbereich, braucht aber Höhe, ein großes Bildfeld und ausreichende Tiefenschärfe. In realen Projekten sitzt die Kamera häufig etwa einen Meter über dem Greifer am Arm, als Kompromiss aus kurzer Distanz und Kollisionsfreiheit.

F Wie funktioniert die Bandnachführung mit Drehgeber?

Die Kamera nimmt das Produkt auf, während das Band weiterläuft. Ein Drehgeber am Band meldet den zurückgelegten Weg, sodass die im Bild bestimmte Position laufend fortgeschrieben und dem Roboter als mitwandernde Koordinate übergeben wird. Voraussetzung sind eine scharfe Aufnahme trotz Bewegung, in der Praxis über Global Shutter und kurze Belichtung, sowie eine saubere Kalibrierung zwischen Kamera- und Roboterkoordinatensystem.

F Warum sollte die Qualitätsprüfung Teil des Automatisierungsprojekts sein?

Weil der Mensch, der bisher nebenbei geprüft hat, mit der Automatisierung verschwindet. Fällt der Handarbeitsplatz weg, sieht niemand mehr die schiefe Deckelfolie, das doppelte Etikett oder den offenen Karton. Anwesenheits- und Vollständigkeitskontrolle, Verpackungsprüfung und Kennzeichnung brauchen Bauraum, Beleuchtung und Taktreserve in der Zelle. Wer sie erst nach der Inbetriebnahme nachrüstet, zahlt mit Kollisionsproblemen und mit Takt, der nicht mehr vorhanden ist.

F Welche Materialien machen die Bilderkennung in der Verpackung schwierig?

Transparente Folien und Polybags, schwarze Trays, spiegelnde Deckelfolien, bedruckte Wellpappe, glänzende Metallteile und feuchte Lebensmittel. In allen Fällen bestimmt die Beleuchtung die Machbarkeit, und bei stark variierenden Oberflächen ergänzen KI-Werkzeuge einer All-in-One Kamera der Modellreihe VS die klassische Kontursuche.

F Was gehört in eine Machbarkeitsprüfung für eine Roboterzelle in der Verpackung?

Reale Musterteile in allen Varianten und im realen Zustand, die Originalbehälter samt Kartoneinlagen, Netzen und Folienabdeckungen, das Greiferkonzept, die geforderte Taktzeit mit Bildaufnahme, Bahnplanung und Greifwechsel sowie die Schnittstelle zur Steuerung. Wichtig ist auch die Robotermarke, weil sonst ein manueller Kalibrierweg eingeplant werden muss.

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