Ungeordnete Teile prozesssicher erkennen, greifen, entnehmen und ablegen

Oft sind die Herausforderungen bei der Auswahl der Sensorik, dem Design der Greifer, der Berechnung von Greifkoordinaten, der Planung von Roboterbahnen, der Ausführung von Zwischenablagen oder Prozessübergaben zu komplex und ineinandergreifend. Der ganzheitliche Ansatz des Lösungspakets PickFinder3D von VMT Vision Machine Technic Bildverarbeitungssysteme berücksichtigt alle Aspekte einer automatisierten Entnahme von Teilen aus chaotischen Szenarien, einschließlich der prozesssicheren Handhabung: das stabile, prozesssichere Entnehmen von Teilen bis zur gezielten, kontrollierten und bei Bedarf auch orientierten Einzelablage. Zu dem Lösungspaket gehören auch Dienstleistungen wie die Einbeziehung der Anwender in die Auslegung und Optimierung ihrer Systemlösung – vom Projektstart über die Inbetriebnahme und Schulung bis zum After-Sales-Service. Mit dieser situationsbezogenen Lösung für die Steuerung des Roboters – Arm und Greifer – wird sowohl das Design von reinen Bin-Picking-Lösungen optimiert als auch das von vollständigen Applikationszellen, die sich dadurch in Prozessketten integrieren lassen.

Durch ihr offenes Konzept ist diese Lösung für das Bin-Picking sehr flexibel und anpassungsfähig an die jeweilige Aufgabenstellung. So können nahezu beliebige 3D-Sensoren angebunden und die Greiftechnik des Roboters individuell ausgelegt und ausgewählt werden. Die Bildverarbeitungslösung unterstützt die Steuerungen aller großen Roboterhersteller sowie alle gängigen Feldbus-Standards. Die mit Software-Modulen von VMT oder von anderer Anbietern frei konfigurierbare Auswertesoftware-Plattform MSS (MultiSensorSystem) von VMT erlaubt es, die Lösung an die jeweilige Aufgabenstellung wie auch die Kundenwünsche anzupassen. Die PXL+-Technologie von Pepperl+Fuchs, der Muttergesellschaft von VMT, eröffnet dabei auch neue Möglichkeiten zur der Teileentnahme aus chaotischen oder teil-chaotischen Szenarien, beispielsweise eine Teileselektion nach Farbauswahl, Luminophor-Markierung oder Wärmestrahlung.

Das Chaos maschinell beherrschen

Bei der Zuführung von Teilen in Verbau- und Montageprozessen oder der Bereitstellung von Artikeln in der Kommissionierung – in diesen und vielen weiteren Fällen werden große Teilemengen oft als (ungeordnetes) Schüttgut in einem Kleinladungsträger oder Kommissionierbehälter geliefert. Oder es werden vorsortierte, gestapelte Teile angeliefert – leider aber fällt der Stapel fällt um und die Teile sind nicht mehr geordnet. Während ein Mensch die Teileentnahme aus einem ungeordneten Teile-Haufen ganz einfach intuitiv lösen kann, ist diese Aufgabe für eine Maschine äußerst komplex: Die Teile müssen im Behälter sicher identifiziert, in ihrer dreidimensionalen Lage und Ausrichtung erkannt und bei unsortiertem Inhalt zudem eindeutig unterschieden werden können. Das Greifmittel – die Hand des Roboters – soll obendrauf möglichst klein und flexibel sein, ist aber auch exakt auf die Eigenschaften der zu greifenden Teile abzustimmen. Die Geometrie ist dabei nur ein Aspekt – auch ein Verhaken oder Aneinanderhaften von Teilen muss greif- und prozesstechnisch berücksichtigt werden. Die zeitliche Leistungsfähigkeit der Detektions- und Greiflösung muss zum Robotertakt und Prozesszyklus passen. Schließlich ist ein zuverlässiger Roboterbetrieb zu gewährleisten – frei von Kollisionen mit Kisten und der Blockade von Bewegungen. Wohl kein Plug-and-Play-System zur Roboterführung kann all dies ‚ab Werk‘ berücksichtigen – was dann als Problem am Maschinenbauer, Integrator oder Betreiber hängen bleibt.

Die Bildverarbeitungs-Software erfasst auch die 2D-Kontur, das 3D-Volumen sowie die Ausrichtung von Behältern. VMT Vision Machine Technic Bildverarbeitungssysteme

Leistung über dem Standard

Hochleistungsfähige Bin-Picking-Lösungen entstehen deutlich vor dem erstmaligen Griff in die Lösungskiste. Das Wichtigste sind oft auch nicht der Sensor oder die Software, sondern eine sorgfältige Analyse der Anforderungen, des Prozesses und der Randbedingungen. VMT ermöglicht dabei ein fehlerfreies Lösungsdesign von Anfang an, beispielsweise beim Layout der gesamten Zellenlösung oder beim Auslegen von Übergabeprozessen und Zwischenablagen. Letztere können der besseren Greif- und Übergabegenauigkeit dienen, eine prozessgerechte Orientierung des Teils ermöglichen oder als Teilepuffer fungieren. Entscheidend für die Leistungsfähigkeit des Bin Picking ist auch das richtig auf die Aufgabenstellung angepasste Design der Greifelemente. Zwei- oder Mehrfingergreifer, Magnet- oder Vakuumgreifer, Parallel- oder Innengreifer – die richtige Auswahl hängt von den zu greifenden Teilen, dem Behälter (in dem sie sich befinden), sowie von den weiteren Prozessschritten ab. Der Hersteller projektiert für jede Anwendung mit dem Bildverarbeitungssystem die passende Greiferlösung, die dann in der Folge auch bei der Berechnung der sicheren Greifkoordinaten und der optimalen Roboterbahn berücksichtigt wird.

Die bedienfreundliche Oberfläche des Wizards gewährleistet ein schnelles und einfaches Einrichten des PickFinder3D. VMT Vision Machine Technic Bildverarbeitungssysteme

Die Bildverarbeitungslösung ist bei der Wahl der Sensoren offen – neben den 3D-Sensoren von VMT (LightScan und DeepScan) können auch die Sensoren anderer Hersteller in die Lösung integriert werden. Dies stellt sicher, dass für jeden Einsatzfall der anwendungs- und messtechnisch am besten geeignete Sensor ausgewählt werden kann – ganz gleich, ob er am Roboter, über dem Behälter oder seitlich montiert wird. Bei Bedarf können auch mehrere 3D-Sensoren als simultanes Sensorsystem eingesetzt werden, beispielsweise bei großen oder nicht gängigen Behälterformaten. Ebenfalls integrierbar ist eine 2D-Flächenkamera zur Nachkontrolle der gegriffenen Bauteile. Die Systemanbindung bietet ebenfalls zahlreiche Freiheitsgrade, unter anderem hinsichtlich unterschiedlicher Automatisierungssysteme und Robotersteuerungen sowie der industrieüblichen Feldbusschnittstellen.

Die in der Kiste erkannten Teile werden in der Reihenfolge ihrer Griff-Attraktivität dargestellt und das erste, kollisionsfrei greifbare Teil ausgewählt. VMT Vision Machine Technic Bildverarbeitungssysteme

Ungeordnete Teile prozesssicher greifen

Bei einer Bin-Picking-Anwendung beginnt jeder Griff in die ‚Kiste‘ mit einem Blick in die ‚Kiste‘. Dazu macht der Sensor eine Aufnahme der Bauteile-Szenerie im Behälter und ermittelt ein präzises 3D-Profil der darin befindlichen Objekte. Dabei kann die VMT-Bildverarbeitung auch verschiedene Komponenten in derselben Szenerie unterscheiden und handhaben. Farben, Oberflächen und Reflexionseigenschaften haben keinen Einfluss auf die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Erkennung. Die Rohdaten in Form einer Punktwolke werden von der MSS-Software vorverarbeitet. Hierbei werden zum einen die Geometrie, die Position und die Ausrichtung des Behälters erkannt und die Kerndaten dieser ‚Region of Interest‘ aus den Rohdaten gefiltert. Zum anderen werden messtechnische Ausreißer eliminiert. Die per CAD hinterlegten oder über die Kamera eingelernten Teile werden dann durch effiziente Matching-Verfahren in der Punktwolke gesucht und identifiziert. Die Software errechnet dabei für jedes erkannte Teil ein Profil seiner Griff-Attraktivität und erstellt daraus eine Priorisierungsliste der Greifkandidaten. Hierbei können besondere Vorgaben des Anwenders berücksichtigt werden, um beispielsweise zunächst nur Teile einer bestimmten Lage zu greifen. Für den letztlich ausgewählten Greifkandidaten werden die Koordinaten für das sichere Greifen ermittelt. Gleichzeitig wird die Roboterbahn für die Greif- und Entnahmebewegung des Roboters berechnet und auf Singularität und Greifbarkeit des Teils sowie Kollisionsfreiheit geprüft. Hierbei wird dem Roboter eine Vielpunktbahn vorgegeben, die alle Hindernisse berücksichtigt, so dass ein Anfahren an das Teil und Ausfahren aus der Kiste ohne Kollision sichergestellt ist.

Die virtuelle Einrichtung des Systems. VMT Vision Machine Technic Bildverarbeitungssysteme

Bin Picking mit ‚happy end‘

Bei der roboterbasierten Entnahme und Vereinzelung von Teilen aus partiell chaotischen Sortierungen ist die PickFinder3D-Technik sehr zuverlässig während des gesamten Ablaufs. Basis hierfür ist die sorgfältige Auslegung des Systems, die genaue Anpassung an die Anwendung sowie die flexible und detaillierte Parametrierung. Dieses Consulting ist – genauso wie der After-Sales-Service und das Schulungsangebot – Bestandteil der schlüsselfertigen Robot-Vision-Lösung von VMT; in dieser Form ist es auch ein Alleinstellungsmerkmal am Markt.

Ist das gesamte Bin-Picking-System eingerichtet, profitiert der Anwender von einem störungsfreien Betrieb mit hoher Zuverlässigkeit. Die optimal berechneten Roboterbahnen unterstützen kurze Taktzeiten. Individuell für die Teile vorgegebene, optimale Greifpunkte schließen Fehlgriffe praktisch aus. Greiferbedingte Ausfallzeiten, hervorgerufen durch blockierte Bewegungen oder Kollisionen, werden vermieden – das erhöht die Gesamteffizienz oft beträchtlich. Mitarbeiter in der Fertigung werden von der eintönigen Routine der manuellen Teileentnahme entlastet und können zugleich mehrere Roboterzellen überwachen und bedienen.

PickFinder3D erfasst den jeweiligen Behälter einschließlich möglicher Kontur- und Positioniertoleranzen, um die Messwerte für die Berechnung der Roboterbahn zu nutzen. VMT Vision Machine Technic Bildverarbeitungssysteme

Roboterführung über die ‚intelligente Punktwolke‘

Die Komplettlösung PickFinder3D entwickelt sich stetig weiter. Mit der Verbesserung von Kollisions- und Bahnplanungsalgorithmen wird die Lösung leistungsfähiger und ausfallsicherer. Durch die Anwender-Erfahrungen verbessert sich die Bedienoberfläche des Einricht-Wizards stetig hinsichtlich ihrer intuitiven Bedienung. Neu entwickelte Techniken eröffnen Lösungen für bislang zu komplexe Robotik-Aufgaben. So ist es in Kombination mit dem hybriden Ansatz der PXL+-Technik künftig möglich, über neue Informationskanäle ‚intelligente 3D-Punktwolken‘ zu erzeugen. Diese bilden dann nicht nur die x-, y- und z-Messwerte von 2D- oder 3D-Kameras ab, sondern fusionieren sie mit zusätzlichen, nicht geometrischen Objektinformationen, die beispielsweise von Lumineszenz- oder Infrarot-Wärmebildkameras stammen können. Mit der so erweiterten Punktwolke wird es möglich, die Griff-Attraktivität weiter zu differenzieren, beispielsweise, um zuerst Teile einer bestimmten Klasse, einer präferierten Farbauswahl, mit Luminophoren markierte Teile (fluoreszierend oder phosphoreszierend) oder solche Komponenten zu greifen, von denen eine prozessbedingte Wärmestrahlung ausgeht.

(dw)