Identtechnik

Elektronisches Adlerauge

Ein vollautomatisches Handlingsystem soll schwere Getriebeteile aus Gitterboxen entnehmen – eine hohe Anforderung für ein Bildverarbeitungssystem. Trotz der schwarzen Oberfläche der Teile und ihrer leicht gekippten Lage erzielt ,,Viro" eine Erkennungsrate größer als 99 Prozent. Auch der geringe Hintergrundkontrast, die schmutzige Industrieumgebung und die schwankende Gussqualität unterschiedlicher Zulieferer können das Robot-Vision-System von Vitronic nicht irritieren.

Wenn ,,Bildverarbeitung" im Zusammenhang mit ,,Roboter-Handling" genannt wird, denkt man dabei meist an relativ einfache Pick-and-Place-Anwendungen, die an die Bildverarbeitung keine großen Anforderungen stellen. Typischerweise soll bei diesen Aufgabenstellungen ein Roboter gut kontrastierende Teile beispielsweise von einem Förderband aufnehmen. Die eigentliche Bildverarbeitung kann sich dabei auf Algorithmen beschränken, die z. B. eine kompakte Objektfläche durch Binarisierung erkennen, oder die Außenkontur des Objekts mit einem Tracking-Verfahren finden. Die folgende Anwendung realisierte der Wiesbadener Bildverarbeitungsspezialist Vitronic bei einem Automobilhersteller. Aufgrund der Objektbeschaffenheit und der Umgebungsbedingungen kommen besondere Algorithmen zum Einsatz.

Hinterachsgetriebeteile werden in Gitterboxen angeliefert und müssen diesen entnommen werden, um sie einer weiterverarbeitenden Fertigungslinie zuzuführen. Weil die bis 14 Kilogramm schweren Gussteile beim manuellen Entnehmen den Rücken stark belasten würden, soll dieser Arbeitsschritt vollautomatisch erfolgen.

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Die schwarzen Hinterachsgetriebeteile sind in drei Ebenen, durch Zwischenlagen getrennt in einer Gitterbox aufgestapelt. Durch die fast einen Meter hohe, dreilagige Aufstapelung sind die schweren Gussteile in ihrer Position in der Ebene undefiniert. Zusätzlich kann ihre Längsachse gekippt sein. Damit ein Roboter die Getriebeteile in allen sechs Raumfreiheitsgraden exakt in eine Übergabeposition ablegen kann, muss das Bildverarbeitungssystem alle Lagevarianzen der Teile bestimmen und der Robotersteuerung in ihrem Koordinatensystem übermitteln. Weiterhin muss das System in der Lage sein, teilbefüllte Gitterboxen als solche zu erkennen, und die Zwischenlagen zu entnehmen. Um Kollisionen des Greifers mit eventuell fälschlich zugeführten Teilen eines anderen Typs zu vermeiden, soll das System eine solche Situation vorab erkennen und eine Störung melden.

Die Automatisierungslösung muss vollautomatisch und ohne Bedienpersonal arbeiten. Das betrifft den gesamten Prozess, beginnend mit der Zuführung einer vollen Gitterbox, der Entnahme aller Getriebeteile und ihrer exakten Ablage in der weiterverarbeitenden Anlage mit etwa einem Millimeter Genauigkeit, das Entnehmen der Zwischenlagen bis hin zum Ausfahren der entladenen Gitterbox. Die Entnahme der Teile aus der etwa ein Meter mal 1,20 Meter breiten und circa einen Meter hohen Gitterbox bewerkstelligt ein Sechs-Achs-Industrieroboter.

Teileentnahme aus der Gitterbox

Am Roboterarm sind seitlich eine Bildverarbeitungskamera und eine kleine Halogenleuchte montiert. Die Kamera ist an das Robot-Vision-System Viro angeschlossen. Der PC-basierte Bildverarbeitungsrechner kommuniziert mit dem Roboter-Steuerrechner über ein DeviceNet-CAN-Bussystem.

Zu Beginn eines Zyklus fährt der Roboter die Kamera über eine mögliche Teileposition und übermittelt der Bildverarbeitung einen Messauftrag. Das Machine-Vision-System analysiert das Kamerabild hinsichtlich des Vorhandenseins eines Teils. Im Falle einer erfolgreichen Prüfung ermittelt es die Greifkoordinaten und die Drehlage, transformiert sie in das Roboterkoordinatensystem und gibt die Daten an die Robotersteuerung weiter. Dabei erfordert die schwarze Teileoberfläche mit unterschiedlichen Störkonturen in der Umgebung eine besondere Kamera- und Beleuchtungsanordnung sowie eine spezielle Bildverarbeitungssoftware. Durch die neben der Kamera montierte Beleuchtung erreicht man eine Aufhellung der Hinterachsgetriebeteile. Die glänzende Teileoberfläche erlaubt es jedoch nicht, eine kompakte, helle Fläche zu erzeugen, die als geschlossenes Objekt vom Bildverarbeitungssystem gefunden werden könnte. Die markanteste Geometrie des Getriebeteils ist seine nach oben zeigende, kreisförmige Achsöffnung, deren Mittelpunktkoordinaten der Roboter zum Greifen benötigt.

Daher entwickelte Vitronic ein spezielles Verfahren, das Konturpunkte der kreisförmigen Achsöffnung mit einem zuvor eingelernten Modell des Kreises korreliert und damit den Kreismittelpunkt findet. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Robustheit gegenüber verschiedenen äußeren Störeinflüssen. Kontrastieren beispielsweise einige Bereiche der Öffnung wegen Verschmutzung nicht, wird trotzdem der gesuchte Kreismittelpunkt aus den verbleibenden Konturpunkten berechnet. Ist der so ermittelte Kreismittelpunkt erst einmal bekannt, kann das Bildverarbeitungssystem relativ dazu (anhand von Teilekonturen in tangentialer Richtung) die Drehlage des Teils in der Ebene ermitteln.

Der Roboter taucht nun seinen pneumatischen Spannbackengreifer in das Hinterachsgetriebeteil ein und entnimmt es der Gitterbox. Der Greifer ist so konstruiert, dass er hierbei ein leichtes Verkipptstehen der Teile toleriert. Diese Applikation zeigt, dass auch bei geringem Kontrastverhalten dunkler oder glänzender Oberflächen, bei schmutziger Umgebung und verkippten Teilen, Lösungen mit speziell entwickelten Bildverarbeitungssystemen möglich sind.

Korrektur der Teileverkippung

Die Aufgabenstellung fordert eine exakte Ausrichtung des Teils in allen sechs Freiheitsgraden. Im ersten Schritt wurde die Position des Hinterachsgetriebeteils in der Ebene und seine Drehung um die Längsachse ermittelt. Um auch die Verkippung der Längsachse zu ermitteln, präsentiert der Roboter das Gussteil einer weiteren Bildverarbeitungsstation. Sie besteht aus einer stationären Kamera mit großflächiger Durchlichteinheit. In dieser Station ermittelt Viro die Ausrichtung der Teilelängsachse relativ zur Roboterhand. Das Vision-System prüft also, wie schief die Hand das Teil ergriff. Weil es sich bei dieser Messung um eine zweidimensionale Projektion handelt, können nicht alle Kippwinkel der Längsachse erfasst werden. Erst eine Rotation um die Längsachse um 90 Grad ermöglicht eine Messung der dazu orthogonalen Verkippung.

Dem Roboter liegen nun in seinem Koordinatensystem Korrekturwerte zu allen sechs Freiheitsgraden vor. Er kann jetzt die Teile mit einer Toleranz kleiner als ein Millimeter auf einer Übergabeposition zur nachgeschalteten Bearbeitungsmaschine ablegen. Dabei hat das Bildverarbeitungssystem alle notwendigen Koordinatentransformationen vorgenommen, so dass die Robotersteuerung ausschließlich in ihrem Koordinatensystem rechnen kann.

Die zu entpalettierenden Getriebeteile sind in drei Ebenen in der Gitterbox übereinander geschichtet. Zwischen diesen Ebenen befinden sich Kunststoffpaletten, die ebenfalls vollautomatisch vom gleichen Handlingsystem entnommen werden.

Wenn das Bildverarbeitungssystem dem Roboter meldet: ,,kein Teil vorhanden", fährt er die an seinem Arm befestigte Kamera über ein Greifloch in der Palette. Das Bildverarbeitungssystem ermittelt nun analog zur Teilevermessung die exakten Mittelpunktkoordinaten dieses Greiflochs. Mit dieser Information kann der Roboter die Zwischenpaletten entnehmen und an einer separaten Ablageposition stapeln. Jetzt ist die unter der Zwischenlage liegende Teileebene frei zugänglich und die Getriebeteile können wie beschrieben entpalettiert werden.

Diese Anlage läuft in doppelter Ausführung vollautomatisch mit einer Verfügbarkeit von über 99 Prozent im Schichtbetrieb. Die PC-Bildverarbeitungssysteme sind im Betriebsnetzwerk integriert. Somit kann das zuständige Fachpersonal die Anlage vom Büroarbeitsplatz aus beobachten und beispielsweise Teilestatistiken über Web-Browser abrufen.

Die störsicheren Bildverarbeitungsverfahren arbeiten wartungsfrei. Nach Reparaturen oder Wartungen am Roboter kann das Bedienpersonal die Neukalibrierung des Bildverarbeitungssystems selbständig durchführen. Weil die Systeme mit einer Fernwartung ausgestattet sind, kann ein eventuell gewünschter Support kurzfristig erfolgen. Patrik Schweikert (gm)

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