Kamerageführte Robotik

Hingucker

Kamerageführte Robotik in der Verpackungsindustrie
Adept Quattro und Adept Cobra Roboter beim Sortieren von Pralinen.
Die fortschreitende Miniaturisierung der Steuerungen ist ein reizvoller Bereich gegenwärtiger Entwicklungen. Denn ihr Ziel ist es, externe Robotersteuerungen abzuschaffen und sie stattdessen samt zugehörige Bildverarbeitung im Roboter selbst zu integrieren.

Seit der Einführung von Robotern zur Automatisierung arbeits- und kostenintensiver, sich wiederholender Aufgaben in der Automobilindustrie in den 60er und 70er Jahren haben sich Roboter insbesondere während der letzten beiden Jahrzehnte zu immer intelligenteren, schnelleren und kostengünstigeren Werkzeugen weiterentwickelt. Sie eignen sich für viele Aufgaben und Lösungen anspruchsvoller Anwendungen. Hierbei müssen sie „sehen“ und beliebige Teile intelligent handhaben und neu ausrichten können. Von dieser Entwicklung profitiert besonders die Verpackungsindustrie.

Sehende Roboter

Bei typischen kamerageführten Verpackungsanwendungen muss der Roboter ungeordnete Teile während des Materialflusses aussortieren. Dazu muss er das Durcheinander zunächst erkennen. Das erfordert intelligente Bildverarbeitungssysteme, die idealerweise in die Bewegungssteuerung des Roboters fest integriert sind. Adept Technology war in den 80er Jahren Wegbereiter der Integration von Bildverarbeitung und Bewegungssteuerung. Der Roboter mit eingebauter Bildverarbeitung benutzt entweder Zeilenkameras oder flächenabtastende Kameras, um die Produkte auf einem sich bewegenden Förderband zu erkennen. Er verfolgt die Position des Transportbands mit Hilfe eines Förderband-Drehgebers. Anhand der Position der Produkte auf dem Förderband, die durch das Bildverarbeitungssystem und die Position des Förderbands im Raum bestimmt wird, weiß der Roboter zu jedem Zeitpunkt, wo sich die Produkte im Raum befinden und kann sie somit am Förderband positionsgenau abgreifen.

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Die bisherige Objekterkennung konnte nur Position und Ausrichtung eines Produkts bestimmen. Das hat den Nachteil, dass eine sehr deterministische Ausleuchtung des Bildobjekts nötig ist. Außerdem ist die Erkennung sich berührender Teile schwierig. Daher war eine gewisse Vorab-Ausrichtung und Vereinzelung der Produkte erforderlich. Zur Teile-Erkennung benutzt das Bildverarbeitungssystem AdeptSight einen Positionsgeber für geometrische Gegenstände.

Moderne Bildverarbeitungssysteme verwenden meist das Konzept der geometrischen Objektlage-Bestimmung, das auf einem Graustufen- oder Farbbild basiert und bestimmte Objektmerkmale für Erkennungszwecke benutzt. Das macht den Erkennungsprozess weitgehend unabhängig von Ausleuchtungsschwankungen und ermöglicht die Erkennung sich berührender Objekte. Ein interessanter Nebeneffekt beim Benutzen der Bildverarbeitung zum Führen des Roboters ist die Möglichkeit, die ankommenden Produkte visuell zu überprüfen und eine Qualitätskontrolle direkt am Förderband durchzuführen. Bei Verwendung spezifischer Bildverarbeitungs-Werkzeuge nach dem Erkennen der Produkte kann eine Gut/Schlecht-Entscheidung getroffen werden. Der Roboter greift nur Produkte ab, die bestimmte Kriterien erfüllen.

Dynamische Verpackungsanwendungen

Viele Anlagen erfordern einen hohen Durchsatz. Hohe Förderband-Geschwindigkeiten sind erforderlich – meist sind es 20 bis 30, durchaus aber auch bis 60 Meter pro Minute. Deshalb muss die Bilderfassung mit der Robotersteuerung, die die Position des Förderbands verfolgt, fest synchronisiert sein. Der Roboter muss die genaue Position des Bands zu dem Zeitpunkt kennen, an dem das Bild von der Kamera aufgenommen wird. Ein Flattern von beispielsweise nur einer Millisekunde während der Bilderfassung würde bei einer Bandgeschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde zu einer Ungenauigkeit von einem Millimeter führen. Typischerweise muss jedoch die Gesamtgenauigkeit des Systems im Bereich von ein bis zwei Millimeter liegen, so dass bei der Synchronisation Latenzzeiten im Bereich von mehreren Mikrosekunden nötig sind, um die Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen.

Wie bei jeder anderen kamerageführten Robotikanwendung müssen die Kameras auf den Roboter kalibriert werden. In Verpackungsanwendungen, bei denen Objekte von den sich bewegenden Förderbändern aufgenommen werden, müssen auch die Bänder selbst auf den Roboter kalibriert werden. Eine integrier- te Bildverarbeitungs-/Bewegungssteuerungs-Lösung bietet bereits fertig abrufbereite Kalibriermethoden. Das macht es dem Maschinenbauer leicht, eine Anlage schnell und mühelos aufzustellen.

Roboter-Kinematik

Mehrzweck-Scara-Roboter werden häufig in Verpackungsanwendungen eingesetzt. Zunehmend verschiebt sich die Entwicklung hin zum Einsatz von Robotern mit Kinematiken, die speziell für Hochgeschwindigkeits-Anwendungen mit geringem Arbeitsaufwand maßgeschneidert werden. Überall dort, wo Mehrzweck-Scaras beim Greifen und Ablegen einzelner Produkte auf eine Durchsatzleistung von 60 bis 80 Teile pro Minute begrenzt sind, eignen sich parallele Roboter-Architekturen besser für Anwendungen mit leichtem Arbeitsaufwand. Delta-Roboter benutzen beispielsweise drei parallele Arme, um eine Plattform im XYZ-Koordinatensystem zu bewegen; sie verwenden eine Teleskopwelle, um eine Theta-Drehung durchzuführen. Diese Robotertypen können etwa 120 Teile pro Minute handhaben und ermöglichen dadurch eine wirtschaftlichere Lösung bei Hochgeschwindigkeits-Anwendungen.

Um den Durchsatz beim Hochgeschwindigkeits-Verpacken auf 140 bis 150 Teile pro Minute zu erhöhen, führten Adepts Entwicklungen zu einem neuen Typ von Roboterkinematik, der einem Delta-Roboter ähnelt, aber statt drei parallelen Armen und einer Teleskopwelle vier parallele Arme benutzt – deshalb die Bezeichnung Adept Quattro. Er hat vier Freiheitsgrade, um ein Teil in XYZ-Richtung zu bewegen und es um seine Theta-Achse zu drehen. Durch den Einsatz von vier parallelen Armen ist die Leistungsfähigkeit des Quattro um zwanzig Prozent höher als bei einem Delta-Roboter und bietet daher eine bessere Wirtschaftlichkeit in Verpackungslinien, bei denen mehrere Roboter im Einsatz sind. Zur weiteren Steigerung der Wirtschaftlichkeit wurden die Servoverstärker für die Motoren vollkommen in den Roboter integriert; hierbei wird ein großer Anteil der Grundfläche für den Schaltschrank eingespart.

Dipl.-Ing. Joachim Melis (Adept)/pb

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