Die robotergestützte Teile-Entnahme aus Behältern zählt zu den aktuell gefragtesten Anwendungen in der Industrie, um Produktionsabläufe zu automatisieren und dadurch die Kapazitäten zu steigern sowie die Kosten zu senken.

Die Entnahme von Bremsscheiben aus einem Transportbehälter: Die Lage der Scheiben und mögliche Kollisionspunkte, wie Fremdkörper und verbeulte Behälterwände, müssen sicher erkannt werden.

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Beim sogenannten „Griff in die Kiste" treten äußerst komplexe Randbedingungen auf: Im anspruchsvollsten Fall muss das Bildverarbeitungssystem ein (vorher) unbekanntes Lageschema erkennen, um anschließend einen unbekannten Teiletyp zu identifizieren.

Aus diesem Grund hat die Firma VMT Bildverarbeitungssysteme in Mannheim den Fokus in den vergangenen Jahren auf die Entwicklung eines Multisensorsystems gelegt. Um allen Forderungen an ein störungsfrei laufendes und prozessstabiles System gerecht zu werden, entschied sich VMT neben den bewährten BV-Systemen für den Einsatz der Laserlichtschnitt- und Laserlaufzeit-Sensorik.

Diese Art von Sensorik ist einerseits bei der Prüfung weitgehend fremdlichtunabhängig und erfüllt andererseits die notwendigen Geschwindigkeits- und Genauigkeitsanforderungen an eine Greifaufgabe. Zusätzlich liefern die Laufzeitsensoren Informationen - wie zum Beispiel Stapelhöhe und Fremdkörper-Erkennung -, auf die bei der klassischen Bildverarbeitung oft verzichtet werden muss.

Beispiel: Bremsscheiben greifen

In einer Greifanwendung aus der Automobilindustrie sollen unbehandelte Bremsscheiben aus einem Behälter entnommen und dem nächsten Verarbeitungsschritt zugeführt werden. Diese Aufgabe erledigten bisher Mitarbeiter, wobei sie die Bremsscheiben von Hand aus dem Behälter entnommen und in die Bearbeitungsmaschine eingelegt haben.

Die Aufgabe des Sensorsystems ist es nun, die 3D-Lage der zu greifenden Teile auf den Millimeter genau zu ermitteln, wobei die Erfassung maximal fünf Sekunden dauern darf. Zu dieser Aufgabe gehört außerdem die Berechnung und Übertragung von Positionskorrekturen an den Roboter mit Greifer. Daneben sind bei dieser Aufgabenstellung weitere Randbedingungen und Wechselwirkungen zu beachten:

• Zu greifen sind unbehandelte Bremsscheiben, die in ihrem Erscheinungsbild stark variieren. Die Variationen reichen dabei von unterschiedlichem Verschmutzungsgrad bis hin zu Rostflecken und unterschiedlichen Oberflächen.
• Nicht in jeder Lage sind die Bremsscheiben mechanisch greifbar, falsch liegende müssen erkannt werden.
• Mögliche Kollisionspunkte mit der Behälterwandung müssen erkannt werden und eine Entnahmevorgabe - zusammen mit den Lagedaten - an den Roboter gesendet werden.
• Die Behälter weisen, bedingt durch das Handling und den robusten Gebrauch im Produktionsprozess, unterschiedliche Formen (Beschädigungen) und Farben auf.
• Die Behälterposition und Deformierungen müssen erkannt und als Information für die Entnahme durch den Roboter bereitgestellt werden.
• Es können nicht definierte Fremdobjekte im Behälter liegen, von denen eine Kollisionsgefahr für den Robotergreifer ausgeht. Das Erkennen dieser Gegenstände muss gewährleistet sein.
• Die Behälter können sich im Befüllungsgrad unterscheiden.

Ablauf der Applikation

Nach dem Einstellen der Behälter in die Entnahmestation fährt ein Laserlaufzeitsensor über den Behälter. Während dieser Messfahrt erfasst er alle in der obersten Behälterschicht befindlichen Objekte als 3D-Datensatz und leitet sie an das Bildverarbeitungssystem weiter. Bei der Auswertung werden die 3DLagen der Objekte und die freie Zugänglichkeit ermittelt. Diese Daten erhält der Roboter, wobei die Kommunikation über Profibus erfolgt.

Der Laserlaufzeitsensor liefert ein 3D-Höhenbild, aus dem das BV-System korrigierte Positionsdaten für den Robotergreifer ableitet.

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Der Roboter führt entsprechend der Vorgaben eine Lage-Korrektur durch und entnimmt das erste Objekt aus dem Behälter. Da bei jeder Entnahme die restlichen Bremsscheiben verrutschen können, wird die Messung in jedem Zyklus wiederholt. Die Messung erfolgt, während der Roboter das entnommene Objekt dem nächsten Bearbeitungsschritt zuführt. Ebenfalls wird bei jeder Messfahrt immer die Form des Behälters geprüft und zur Kollisionsvermeidung an den Roboter geschickt.

Außerdem erfasst das System Fremdobjekte, die nicht in den Behälter gehören. Sollte dabei etwas erkannt werden, wird eine Meldung an die Steuerung gesendet, um einen Bedienereingriff zu ermöglichen. Bei dieser Anwendung hat VMT als Systemanbieter spezielles Know-how auf unterschiedlichsten Gebieten der Messtechnik eingebracht (Optik, Beleuchtung, Sensorik, Algorithmik). Darüber hinaus sind anlagenseitige, aufgabenspezifische Themen zu berücksichtigen: Greifbarkeitsanalyse, Greifertechnik, Taktzeit und die Schnittstellenanbindung.

Die Applikation greift außerdem auf eine Reihe wichtiger Basisfunktionen zurück, die Teil der genutzten Systemlösung sind. Dazu gehören die „Behälter leer"- Kontrolle, die Kollisionsüberwachung und die Kontrolle der Behälter auf Beschädigungen. Auch die Bestimmung der Ablagepositionen und die automatische Kalibrierfunktion wurden mit Bordmitteln gelöst. Beachtenswert ist daneben, dass das eingesetzte Multisensorsystem nicht nur die Lage-Erkennung übernimmt, sondern gleichzeitig weitere Aufgaben aus den Bereichen Typ-Erkennung, Inspektion und Lesen (Klarschrift, Barcode/Matrixcode).

Die Integration dieser Aufgaben ist aufgrund der einheitlichen Systemplattform mit unterschiedlichen Sensortypen ohne großen Aufwand möglich. Bei der Wahl des Systems spielten außerdem Instandhaltungs-Aspekte eine Rolle: schneller und einfacher Sensortausch im Störfall, Neukalibrierung und Neueinrichtung, Nachvollziehbarkeit, Fehleranalyse-Möglichkeiten, Prozessdokumentation, Systemhandhabung, Verfügbarkeit und Vermeidung von Pseudofehlern.

Das Multisensor-System

Bisherige Systeme sind fokussiert auf die Lösung einzelner Aufgabenstellungen. Ändern sich die Aufgabenstellungen oder auch nur die Randbedingungen - Fremdlicht, neue Transportbehälter, Teilespektrum in Geometrie oder Farbe - so sind in den meisten Fällen umfangreiche Eingriffe, Änderungen und Erweiterungen notwendig, um das spezialisierte Sensorsystem an die neue Aufgabenstellung anzupassen.

Die Bedienoberfläche für die Bremsscheiben- Entnahme ist bereits Teil der verwendeten Systemplattform. Auch andere Aufgaben, wie Robotersichtführung, Vollständigkeitsprüfung und Barcode-Lesen, lassen sich aus dieser Software heraus bedienen.

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Die hier beschriebene Systemphilosophie beinhaltet einen modularen Ansatz, der einerseits auf industrietaugliche Funktionalitäten bisheriger Systemlösungen des Herstellers aufsetzt und andererseits dank offener Systemarchitektur neue Applikation einbinden kann. Der zweite wichtige Bestandteil der einheitlichen Plattform ist die durchgängige Verwendung möglichst weniger, jedoch ausgewählter Hardware-Komponenten namhafter Hersteller.

Dies vermeidet Kompatibilitätsprobleme bei nachträglichen Anlagenanpassungen. Der Bildverarbeitungsrechner basiert auf einem leistungsfähigen Industrie-PC mit dem Betriebssystem Windows XP. Als mögliche Kopplung zur Robotersteuerung oder SPS bietet das System nahezu alle in der Industrie eingesetzten Schnittstellen an. Dazu zählen digitale I/Os, serielle Schnittstellen, Interbus, Profibus, TCP/IP und CAN-Bus. Das komplette System inklusive der Visualisierung über einen TFT-Bildschirm wurde entsprechend der Kundenanforderungen in einem PC-Schrank verbaut.

Eine entscheidende Komponente des BV-Systems ist die Software, die in über 800 Projekten gemeinsam mit Anwendern aus der Automobil- und Zulieferindustrie weiterentwickelt wurde. Hohen Stellenwert hatte dabei eine einfache und intuitive Bedienerführung, die es dem Anwender bereits nach wenigen Tagen ermöglicht, selbst Prüfungen durchzuführen.

Die Bedienung und Einrichtung des Systems erfolgt komplett ohne Programmierung über die grafische Oberfläche und ist für die unterschiedlichen Anwendungen, wie Robotersichtführung, Vollständigkeitsprüfung und Klarschriftlesen, vollkommen einheitlich. Die Benutzersprachen - standardmäßig Deutsch und Englisch - sind jederzeit umschaltbar und offen für Erweiterungen auf andere Sprachen.

Autor: Dr.-Ing. Stefan Gehlen ist Geschäftsführer bei der VMT Bildverarbeitungssysteme GmbH in Mannheim.