Industrielle Bildverarbeitung
3D Robot Vision: Bin Picking
Manuelles Bin Picking stellt Produktionslinien vor große Herausforderungen. Teile kommen oft gestapelt, verkippt oder verwickelt an, und herkömmliche Automatisierung stößt insbesondere bei glänzenden, zufällig orientierten oder tief in der Kister liegenden Komponenten an ihre Grenzen.
Durch die Kombination fortschrittlicher Bildgebung mit intelligenter Bewegungssteuerung schaffen moderne Bin Picking‑Systeme Abhilfe. Sie erkennen Lage und Position einzelner Teile, passen sich in Echtzeit an und führen Roboterarme zu stabilen, reproduzierbaren Greifvorgängen – ganz ohne individuelle Vorrichtungen oder manuelles Vorsortieren. Jede Branche, die Maschinenbeladung, Zuführung oder Transferprozesse skalieren möchte, sollte automatisiertes Bin Picking in Betracht ziehen.
Bei der Integration ist die Auswahl von Roboter, Greifer und dem passenden Bildverarbeitungssystem entscheidend. Im Anschluss werden Vorteile, Implementierungsaspekte und die Besonderheiten der 3D Robot Vision von KEYENCE erläutert.
Was ist Bin Picking?
Bin Picking bezeichnet das Aufnehmen einzelner, chaotisch angeordneter Zielobjekte aus einem Teilebehälter. Beispiele hierfür sind das Entnehmen von Teilen aus Behältern und Kisten während der Produktmontage sowie das Palettieren/Depalettieren zur Sortierung von Paketen an den jeweiligen Lieferzielen. Für das Bin Picking mit einem Roboter sind ein Industrieroboter, eine Kamera zur Erkennung der Zielposition und ein anpassbares Bildverarbeitungssystem erforderlich, das den Roboterarm auf Basis der erfassten Bilddaten steuert. Bei flachen, einzeln liegenden Teilen reicht oft 2D‑Bildverarbeitung; sobald Teile gestapelt, überlappend oder in ihrer Höhe variabel sind, ist die dritte Dimension (Z‑Achse) erforderlich. Das ist der ausschlaggebende Faktor für die Entscheidung zwischen 2D & 3D Robot Vision.
Was ist 3D Robot Vision?
Robot Vision bezeichnet das Kamerasystem, das mit einem Industrieroboter zur Positionsbestimmung, Erkennung und Inspektion zusammenarbeitet. 3D Robot Vision fungiert dabei als die „Augen“ des Roboters und führt ihn präzise zum Ziel. Kann die 3D Robot Vision das Ziel zuverlässig erkennen, sind Teilezuführer oder eine manuelle Ausrichtung durch Bedienpersonal in der Regel nicht mehr erforderlich.
2D Robot Vision erkennt Ziele auf einer flachen Oberfläche, stößt jedoch an ihre Grenzen bei gestapelten oder überlappenden Bauteilen. Für robustes Bin Picking ist deshalb in den meisten Fällen eine 3D‑Kamera notwendig, da sie Tiefen‑/Z‑Informationen liefert, die für die Positionserkennung und die Greifpunktberechnung entscheidend sind. Das passende Kamerasystem ist nach Teilegeometrie und der geplanten Roboteraktion auszuwählen; KEYENCE bietet sowohl 2D als auch 3D Robot Vision‑Lösungen für die optimale Umsetzung.
Hauptmerkmale intelligenter Bin Picking-Systeme für komplexe Anwendungen
Automatisierte Bin Picking-Systeme erkennen Objekte, die in ungünstigen Winkeln aufgehäuft sind, teilweise verdeckt, reflektierend oder unerwartet gestapelt sind. Dies stellt eine erhebliche Herausforderung dar, insbesondere in Low-Volume-/High-Mix-Umgebungen, wo herkömmliche Vorrichtungen oder strukturierte Setups nicht anwendbar sind.
Moderne 3D Robot Vision-Systeme sind darauf ausgelegt, diese Herausforderung direkt zu meistern. Mit hochauflösenden CMOS-Sensoren und Präzisionsbeleuchtung rekonstruieren Bildverarbeitungssysteme ein vollständiges Bild jedes Teils aus mehreren Winkeln, selbst tief innerhalb einer Kiste. Diese Daten werden sofort verarbeitet, sodass der Roboter die genaue Position und Ausrichtung des Teils im dreidimensionalen Raum bestimmen kann.
Vor dem tatsächlichen Greifvorgang simuliert die Pfadplanung die Roboterbewegung, prüft Erreichbarkeit und vermeidet Kollisionen mit benachbarten Teilen. Wenn mehrere Greifmöglichkeiten bestehen, bewertet das System diese nach Stabilität und Machbarkeit, beispielsweise indem es zuerst das höchste Teil auswählt oder Cluster vermeidet, die sich beim Greifvorgang verschieben könnten.
Die Software reduziert den Einrichtungsaufwand erheblich: Formbasierte Erkennungstools starten bereits mit wenigen Beispielbildern, intuitive grafische Benutzeroberflächen (GUIs) erlauben das Erstellen, Anpassen und Ausrollen von Bin Picking‑Anwendungen ohne tiefgehende Programmierkenntnisse. Automatische Kalibrierung und schnelle Anpassung an unterschiedliche Kisten, Teile und Roboterkonfigurationen machen umfangreiche Entwicklungszyklen überflüssig.
Integration von Bin Picking und für eine nahtlose Automatisierung
Bin Picking ist oft der Beginn eines längeren automatisierten Prozesses. Ob Teile zu einer CNC-Maschine zugeführt, auf ein Förderband übertragen oder für die Inspektion bereitgestellt werden – jede Bewegung muss präzise sein. Ein schlechter Greifvorgang kann eine Linie zum Stillstand bringen.
Aufgenommene Teile können mithilfe derselben Raumdaten platziert oder bereitgestellt werden, die zu ihrer Lokalisierung verwendet wurden, da das System sowohl den Standort des Teils als auch das Handhabungsverfahren definiert.
Das System ist mit mehrachsigen Robotern kompatibel und simuliert vollständige Bewegungspfade, einschließlich Rotationen um die X‑, Y‑ und Z‑Achse für eine präzise Platzierung. Mit detaillierter Oberflächen- und Tiefenerkennung weiß der Roboter stets, was er hält und wohin er es bringt.
Für Bediener bedeutet das weniger Anpassungen und schnellere Umrüstzeiten. Das System handhabt sowohl kleine Teile als auch größere Stücke mit minimalen Änderungen. Da die Teilepositionsdaten zwischen den Scans aufrechterhalten werden, arbeitet der Roboter weiter, während die nächste Erkennung läuft, was Leerlaufzeiten reduziert und den Durchsatz erhöht.
Kompatible Bauteile für 3D Robot Vision
Bei der Auswahl von 3D Robot Vision steht meist die Frage im Vordergrund: Welche Teile lassen sich automatisch greifen? 3D Robot Vision ist in der Lage, hochgenaue 3D-Erkennung verschiedener Teile und Produkte durchzuführen, einschließlich Formen mit gebogenen Oberflächen, weichen Objekten und Teilen mit komplexen Strukturen. Sie kann auch eine Vielzahl von Teiletypen erkennen – von Schrauben und Bolzen über Automobilzahnräder und Pleuelstangen bis hin zu größeren Teilen wie Automobil-Auspuffanlagen. Das System kann auch verschiedene Materialien wie Metall, Kunststoff und Gummi erkennen. Die Vielfalt der unterstützten Teile und Produkte umfasst Zylinder, dünne Platten sowie Teile mit glänzenden und spiegelnden Oberflächen.
Anwendungsbeispiele nach Zielobjekt
Stabiles Greifen ist bei Zielobjekten verschiedener Formen und Materialien möglich. Im Folgenden werden einige Beispiele beschrieben:
Bin Picking von Wellenhaltern
Die vier Kameras des Systems nehmen die Teilekiste aus verschiedenen Winkeln auf, um zuverlässige 3D-Bilder mit minimalen blinden Flecken zu erzeugen.
Bin Picking glänzender Metallteile
Der neu entwickelte LED-Projektor und die hochempfindlichen CMOS-Sensoren ermöglichen einen beispiellos großen Dynamikbereich, sodass selbst hochreflektierende Teile erkannt werden können.
Bin Picking von Schrauben
Der integrierte Hochgeschwindigkeitsprozessor ermöglicht die schnelle Ausführung von 3D-Suchalgorithmen, was die Taktzeit gegenüber herkömmlicher 3D Vision für Roboter deutlich verkürzt.
Bin Picking dünner Metallbleche
Durch die Kombination von Hochauflösungskameras und einem hochauflösenden Lichtprojektor können selbst geringe Höhenunterschiede identifiziert werden, was eine hochgenaue Erkennung kleiner Teilemerkmale ermöglicht.
Bin Picking von Metallzylindern
Der LED-Projektor wirft mehrere Streifenlichtmuster in 90-Grad-Winkeln, wodurch der Einfluss von Reflexionen glänzender Oberflächen reduziert wird.
* Playback speed: 4×
Autokalibrierung per Knopfdruck
Die Kalibrierung kann einfach per Knopfdruck durchgeführt werden und gewährleistet eine hochgenaue und wiederholbare Kalibrierungsmethode.
Beispielsweise kann die 3D Robot Vision für das Bin Picking schwerer Objekte mit komplexen Formen, wie einer Automobil-Kurbelwelle, eingesetzt werden. Diese Kurbelwellen stellen eine erhebliche körperliche Belastung für Bediener dar, wenn sie diese manuell wiederholt aufnehmen müssen. Außerdem kann das Fallenlassen schwerer Teile zu Unfällen und Maschinenschäden führen. Das Bin Picking mittels 3D Robot Vision ermöglicht ein präzises Greifen und Ablegen, bei dem die Mittelwelle jeder Kurbelwelle entsprechend den erfassten Bilddaten gegriffen wird. Diese Methode beseitigt die körperliche Belastung für Bediener und reduziert gleichzeitig das Risiko für Personal und Maschinen.
Vorteile des Bin Pickings
Dieser Abschnitt fasst die Vorteile der Automatisierung von Bin Picking mit 3D Robot Vision zusammen.
Vorteil 1 – Behebung des Arbeitskräftemangels: Arbeitskräftemangel ist ein ernstes Problem in Produktionsstätten, das durch die Umstellung auf Roboter für Greifarbeiten gelöst werden kann.
Vorteil 2 – Reduzierung der Arbeitskosten: Mit Robotern, die das Bin Picking durchführen, entfällt die Notwendigkeit, für menschliche Arbeitskräfte bei gleicher Tätigkeit Überstunden zu bezahlen, was die Kosten senkt. Außerdem gewährleisten Roboter einen stabilen 24-Stunden-Betrieb.
Vorteil 3 – Automatisierung der Teileversorgung: In herkömmlichen Produktionsstätten wurden Teilezuführer und Vorrichtungen verwendet, um Teile so auszurichten, dass Roboter sie leicht greifen konnten. Beim Bin Picking mit 3D Robot Vision ist diese Ausrichtung nicht mehr notwendig, was den manuellen Aufwand für Bediener reduziert und die Gesamtproduktivität steigert.
Vorteil 4 – Vermeidung fehlerhafter Produkte: Durch den Einsatz von 3D Robot Vision beim Bin Picking werden menschliche Fehler wie fehlendes Platzieren oder falsche Ausrichtung reduziert und so fehlerhafte Produkte verhindert.
Vorteil 5 – Effektive Raumnutzung: Mit zunehmender Anzahl von Arbeitsprozessen und hergestellten Produkttypen wächst auch die Anzahl der Teilezuführer und Vorrichtungen, was die Platzfindung für deren Installation erschwert. 3D Robot Vision mit Bin Picking kann die Anzahl der Teilezuführer und anderer peripherer Geräte minimiert werden, was die Einrichtung von Produktionslinien in begrenztem Raum ermöglicht.
Vorteil 6 – Stabile Arbeitsgeschwindigkeit: Die Arbeitsgeschwindigkeit variiert in Abhängigkeit von der Bediener-Erfahrung, wenn Bediener Ziele ausrichten und in Roboter einführen müssen. Der Einsatz von Robotern für alle Aufgaben einschließlich des Bin Pickings minimiert diese Geschwindigkeitsvariationen und ermöglicht eine Verkürzung der Taktzeit.
Vorteil 7 – Unterstützung großer Zielobjekte: Das manuelle Handling großer oder schwerer Ziele beim Greifen belastet Bediener erheblich. Es gibt auch Situationen, in denen zwei, drei oder mehr Bediener ein einzelnes Ziel handhaben müssen. Roboter können Ziele sicher und zuverlässig greifen, auch wenn diese groß oder schwer sind.
Anwendungsgebiete der 3D-bildgestützten Robotik
In diesem Abschnitt werden Bin Picking, Palettieren/Depalettieren und Stapel-Picking als detaillierte Anwendungen der 3D Robot Vision vorgestellt. Verschiedene weitere Anwendungen werden ebenfalls unterstützt – kontaktieren Sie KEYENCE für weitere Details.
BIn Picking
Herkömmliches Greifen umfasste mühsame Tätigkeiten wie das Einlegen von Teilen in Vorrichtungen, das Ausrichten von Teilen in Schalen und das Installieren von Teilezuführern. 3D Robot Vision kann eingesetzt werden, um verstreute Teile zu erkennen und sogar zufälliges Greifen durchzuführen. Dies ist eine effiziente Methode, da sie den Aufwand für die Ausrichtung von Zielobjekten und den Einsatz von Bedienern dafür überflüssig macht und gleichzeitig die Menge an peripheren Geräten minimiert.
Palettieren/Depalettieren
Palettieren bezeichnet das Laden von Paketen auf eine Palette, während Depalettieren das Entladen dieser Pakete bezeichnet. Die Automatisierung dieser Arbeit erforderte bisher ein dediziertes Gerät: einen Palettierer oder ein Palettiersystem. Mit 3D Robot Vision kann diese Arbeit jedoch mit einem regulären Industrieroboter unterstützt werden.
Stapel-Picking
Stapeln bezeichnet den Prozess des Aufeinanderstapelns von Boxen und ähnlichen Behältern. Dies ist eine ideale Anwendung für die 3D Robot Vision, da dieses System eine genaue Positionsbestimmung in X- und Y-Richtung sowie in Z-Richtung zur Bestimmung der Zielhöhe bietet.
Überwindung der Herausforderungen des herkömmlichen Bin Pickings mit automatisierten Lösungen
Manuelles Bin Picking kann zu Verzögerungen, Inkonsistenzen und Sicherheitsrisiken führen, insbesondere bei scharfen oder schweren Teilen. Halb-automatisierte Setups stoßen ebenfalls an ihre Grenzen, wenn Teile reflektierend, verschachtelt oder verdeckt sind. Verdeckung und Teile-Variabilität begrenzen den Einsatz herkömmlicher Setups.
KEYENCE-3D Robt Vision-Systeme lösen diese Probleme mit Multi-Kamera-3D-Bildgebung und intelligenter Bewegungslogik. Das System rekonstruiert Teilepositionen auch dann, wenn diese teilweise verdeckt sind. Es führt nach jedem Greifvorgang eine erneute Abtastung durch und passt sich Verschiebungen oder Störungen an.
Simulierte Bewegungspfade prüfen Erreichbarkeit, mechanische Grenzen und Kollisionen, bevor der Roboter sich bewegt. Falls der Greifvorgang fehlschlägt, passt das System sich sofort an, indem es ein neues Ziel auswählt oder den Pfad neu berechnet.
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