Roboter mit Visionsystem bewältigt das Schüttgut

Trennen, Vereinzeln, Sortieren

Kleinteile wie Verbindungs-, Distanz- oder Bedienelemente aus Kunststoffen werden häufig als Schüttgut produziert. Zur Weiterverarbeitung müssen sie vereinzelt und häufig auch sortiert werden. „Sehende“ Roboter sollen die Effizienz dieser Prozesse gegenüber konventionellen Sortieranlagen deutlich erhöhen.

Das System Maxiflex belädt Werkstückträger mit unterschiedlichen Bauteilen bis 350 Millimeter Länge und fünf Kilogramm in weniger als sechs Sekunden Taktzeit. (Quelle: RBS Robotics)

Beim Herstellen, Transferien oder Verpacken sind die Teile zu sortieren, also nach unterschiedlichen Kategorien wie Größe oder Gütekriterien zu trennen und anschließend dem weiteren Verarbeiten oder Verpacken zuzuführen. Die Wirtschaftlichkeit kamerageführter robotergestützte Sortiersysteme will Anlagenbauer RBC mit einem Beispiel demonstrieren: Der Anwender einer klassischen Sortieranlage für Kleinteile muss innerhalb seiner betrieblichen Abläufe durchschnittlich dreimal täglich mit je einer Stunde Rüstzeit umrüsten. Nach Umstieg auf ein Robotersystem sei die Umrüstzeit auf je eine Viertelstunde gesunken. Über diese Zeiteinsparung und den sich daraus ergebenden Produktivitätsgewinn habe sich das System nach dreizehn Monaten amortisiert. In weiteren Fällen hatten Kunden bis zu einhundert Artikel auf einer Anlage und rüsten mehrmals täglich um. Dort seien die Rüstzeiten unter fünf Minuten gedrückt worden. Größere Einsparungen erzielen die Anwender bereits mit dem Kopieren und Anpassen von Standardprogrammen für die jeweiligen Sortieraufgaben.

Konventionelle – auch robotergestützte – Lösungen zum Vereinzeln und Sortieren sind typischerweise nur teilautomatisiert oder individuell konzipiert, also auf ein definiertes Produkt oder kleines Produktsortiment optimiert. Im Vergleich dazu weisen Systeme aus Roboter, Greifersystem, Steuerung inklusive Software und Visionssystem einige gravierenden Vorteile auf. Vor allem bringt der Roboter gegenüber der Individuallösung hohe Flexibilität. Auf Produktwechsel oder Änderungen der Abläufe reagiert der Anwender mit Programmanpassungen und bedarfsweise mit dem Umstellen der Greifwerkzeuge. Die Kamera trägt zu dieser Flexibilität bei, weil sie schnell die neuen Produkte, ihre Lage und Position, erkennt. Anwender können neue Teile typischerweise in wenigen Minuten teachen – ohne spezielle Programmier-Kenntnisse.

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Erfassen und Lernen
Positiv wirken sich nach Angeben des Automatisierers auch die vergleichsweise geringen Investitionen, die lange Lebensdauer der Systeme und geringe Life Cycle Cost (LCC) aus. Nicht zuletzt profitiere der Nutzer von den in der Anwendungspraxis generierten Daten.

Schüttgut wird in einem mehrstufigen Fördersystem vereinzelt, anschließend erfasst ein Kamerasystem die Teile, der Roboter greift sie und legt sie in der Maschine zur Verarbeitung ab. (Quelle RBS Robotics)

Sie stehen abrufbar für andere Anwendungen zur Verfügung. Zum Erfassen eines neuen Teils legt es der Bediener auf das Band in die Mitte des Kamerasichtfelds. Nach Einstellen von Belichtungszeit und Kontrast bestimmt er ein Suchfenster um das Bauteil, wählt die passende Bauteilkontur aus und definiert die Greifposition visuell am Bauteil. Er definiert das Greiferwerkzeug und stellt die Erkennungsgrößen ein. Anschließend folgen noch das Anpassen der Kollisionsüberwachung und der Parameter für die Zuführung. Nach dem Teachen ist das System in der Lage, Positionen und Konstellationen von Bauteilen an den Roboter zu übermitteln. Der Roboter übernimmt diese Informationen an einer Referenzposition, fährt zur Kamerafläche und greift das Bauteil. Anschließend fährt der Roboter zurück auf die Referenzposition und meldet „Bauteil gegriffen“. Dann führt der Roboter seine bauteilspezifische Aufgabe aus. Zeitgleich nimmt das Visionsystem ein neues Bild auf oder startet die Zuführung, um neue Bauteile in den Erfassungsbereich der Kamera zu bringen.

Die Software und die mit ihr vorbereiteten Routinen tragen maßgeblich zur Bedienerfreundlichkeit bei. Werden bereits bekannte Teile bearbeitet, kann der Anwender das komplette Programm per Auswahlliste aus der integrierten Datenbank holen. Das System lädt dann selbsttätig alle für die Bearbeitung relevanten Parameter inklusive Geschwindigkeiten für das Greifen und Zuführen. Mechanische Einstellungen erübrigen sich.

„Flipping“ auf dem Band
Eine typische Lösung ist in der Multiflex-Anlage zu sehen. Zum Start entleert ein Kipper nach und nach die Teile auf ein Förderband. Das anschließende Vereinzeln übernehmen, ähnlich wie in herkömmlichen Sortieranlagen, ein Vibrationssystem oder mehrere Bänder. Den Unterschied macht das Visionsystem: Innerhalb weniger Millisekunden überträgt es die Lagekoordinaten an die Robotersteuerung. Liegen Teile so dicht aneinander, dass der Roboter sie nicht einzeln greifen kann, bleiben sie auf dem Band. Nach einem Umlauf und nächsten Einlaufen im Kamerafeld, dem Erfassen und Identifizieren, nimmt der Roboter das Teil oder er überlässt es einem erneuten Umlauf, bis es als „greifbar“ erkannt wird. Diese Mehrfach-Runden auf dem Band bringen gegenüber einem vollständigen Erkennen im ersten Durchlauf den Nachteil einer verlängerten Taktzeit. Diesen Produktivitätsverlust soll das von RBC entwickelte Lösung mit dem System Anyfeed kompensieren: Kann der Roboter ein Teil im ersten Anlauf nicht greifen, „flippt“ das Band es mit einer stoßartigen Bewegung in eine andere Lage. Die Kamera erfasst die neue Position und der Roboter greift das Teil. Das Flippen findet ausschließlich im Kamerasichtfeld statt und ist innerhalb des Gesamtprozesses synchronisiert.

Die fertigen Teile entnimmt der Roboter und übergibt sie in die Prüf- und Reinigungsstation. (Quelle: RBS Robotics)

Integrative Lösungen
Die mit Robotern kommunizierenden Visionsysteme bilden eine Kernfunktion im chaotischen Teilehandling. Dafür wurden zehn standardisierte, flexible Systeme entwickelt. Strukturiert sind sie entsprechend den Entscheidungskriterien Teilegröße, -gewicht und kürzester erreichbarer Taktzeit. Sie decken das Spektrum von 20 × 20 Millimeter, 5 Gramm und weniger als 1 Sekunde Taktzeit bis 1200 × 800 Millimeter und 25 Kilogramm ab. Je nach Aufgaben arbeiten sie halbautomatisch oder automatisch. Sie können eine autarke Einheit (Zelle) bilden oder als Einzellösung in eine Anlage integriert sein.

Sortier- und Zuführsysteme sind oft als Bindeglied in den Fertigungs- oder Transportprozess integriert. Zuerst kommen die Schüttgüter entweder aus einem Transportbehälter oder direkt aus einer Maschine. Anschließend werden sie von einem Transportband oder aus einem Container geschüttet oder manuell übergeben.

Ein Roboter bedient eine komplette Fertigungslinie aus drei Maschinen. (Quelle: RBS Robotics)

Verkettete Lösungen sind häufig in die industrielle IT-Umgebung eingebunden und liefern so produktionsrelevante Daten. Ebenso sind integrierte Qualitätsprüfungen möglich. Der Robotergreifer kann das Teil in ein Messsystem einlegen und es anschließend in der Sortierung als „In-Ordnung“ (IO)- oder „Nicht-in-Ordnung“ (NiO)-Teil ablegen oder weitergeben. Innerhalb des Sortiersystems können Gutteile (IO-Teile) mit Kodierungen versehen werden, um die Rückverfolgbarkeit zu gewährleisten.

Teilegewicht, geforderte Reichweite und Taktzeiten bestimmen maßgeblich die Auswahl des Roboters. In den von RBC realisierten Anlagen sind Handhabungskapazitäten bis 20 Kilogramm üblich. Eingesetzt werden in den Sortieranlagen zumeist ABB-Roboter und Visionsysteme von Svia.

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