Robot-Feeder: Automatisch Verpacken

  • Abb. 1: Schematischer Aufbau der Wendeschneidplatten-Verpackungsanlage.Abb. 1: Schematischer Aufbau der Wendeschneidplatten-Verpackungsanlage.
  • Abb. 1: Schematischer Aufbau der Wendeschneidplatten-Verpackungsanlage.
  • Abb. 2: Nachdem die Werkstücke auf dem gelben Band von der Bildverarbeitung erkannt wurden, hebt ein Greifer jedes Werkstück einzeln ab und legt es in exakter Ausrichtung mit einer Ecke über ein Bohrloch in der Stahlplatte (Vordergrund) zur anschließenden Radiusvermessung im Durchlicht.
  • Abb. 3: Exakte Vermessung des Eckradius einer Winkelschneidplatte im Durchlicht mit Halcon.

Die Verpackung von kleinen Werkstücken erfolgt oft noch von Hand. Jetzt wurde eine Maschine entwickelt, die Mess-, Sortier-, Verpackungs- und Etikettierungsvorgänge vollautomatisch im Fließbetrieb erledigt. Herz der Anlage ist ein Robot-Feeder der nächsten Generation in kombinierter Anwendung mit einer Hochleistungs-Machine-Vision-Software.

Die Wendeschneidplatten-Verpackungsanlage passt in eine kleine Halle. Stapelweise werden die Wendeschneidplatten auf Tabletts zugeführt und stehen nach dem Durchlauf 3 m weiter rechts in Versandboxen abgepackt bereit. Zwischendurch werden Inkreis, Umkreis, Bohrlochdurchmesser, Winkeldaten und der Eckradius der Werkstücke kontrolliert, schadhafte Teile werden aussortiert. Ein Laser beschriftet die Stücke, bevor sie in die Versandboxen gepackt werden. Die Anlage soll 120.000 Werkteile am Tag bewältigen.

Das Besondere: Die Maschine erledigt die Arbeitsgänge in einem Drittel der Zeit herkömmlicher Systeme. Der synchrone Verarbeitungstakt pro Werkstück beträgt weit weniger als eine Sekunde. Die Verpackungsanlage ist modular aufgebaut und mit dem Roboworker Positioning System (RPS) als zentralem Element ausgestattet.

Die Herstellerfirma Roboworker aus Weingarten (Bodensee) hat dieses RPS fließbandfähig gemacht. Den Auftrag zum Bau der Verpackungsanlage erhielt Roboworker, weil der Maschinenbauer lange Erfahrung in der Entwicklung von Sonderanlagen hat. Abgesehen vom Maschinenbau-Know-how verfügt Roboworker über eine zehnjährige Erfahrung im Umgang mit industrieller Bildverarbeitung. Bei der Planung des RPS Moduls suchten die Ingenieure nach einem BV-System, das den hohen Anforderungen standhalten konnte.

Wichtig war neben der Robustheit vor allem die Genauigkeit der Vermessungen, die die BV leisten musste. Es erwies sich schnell, dass die speziellen Aufgaben robust und zuverlässig nur von Halcon gelöst werden konnten. „Die Möglichkeiten, die Halcon uns jetzt zusätzlich bietet“, erläutert Michael Giray, Geschäftsführer bei Roboworker, „sind kaum einzuschätzen. Halcon erhöht die Leistungsfähigkeit unserer Anlagen beträchtlich.“

Das RPS wurde jetzt von einem reinen Sortier- und Palettiersystem zu einer Mess- und Prüfstraße aufgerüstet.

Die BV spielt dabei eine besondere Rolle. Deshalb wird ihre Entwicklung von MVTec in München betreut, Hersteller von Halcon und Spezialist in der Entwicklung von Standard-Software für Machine Vision-Applikationen.

Komponenten der Anlage

Palettenhandling zur Vereinzelung der Tablettstapel, mehrere servomotorische Portal-Achssysteme von Roboworker (durch SPS gesteuert), RPS mit vier Laderobotern RL 10 (drei Achsen) von Roboworker und vier Transportbänder, ein Lasermarkierer YAK Cobra von Electrox, vier Laderoboter RL 10 zur Schachtelbefüllung, Behältermagazin, Verpackungs- und Etikettiersystem sowie Absetzvorrichtung, vier CCD Kameras CS8420 von Teli, monochrom, 35 x 50 mm Bildausschnitt mit perspektivischer Optik, eine CCD Kamera CS8420 von Teli, monochrom, 3 x 5 mm Bildausschnitt mit telezentrischer Optik, zwei Standard- Industrie PCs mit Windows XP von Microsoft, zwei Framegrabber Eagle von IDS, Bildverarbeitung: Halcon von MVTec Software GmbH, Speicher programmierbare Steuerung (SPS) TwinCAT von Beckhoff, MS-Access. Abb. 1 zeigt schematisch den Aufbau der Anlage.

Steuerung

Die zentrale Steuerungseinheit (SPS) TwinCAT von Beckhoff ermöglicht eine Echtzeitkommunikation zwischen zwei Standard-Industrie-PCs über Ethernet + TCP/IP. Die SPS-Einheit steuert nicht nur die Laderoboter und die anderen Systeme, sondern regelt auch die Kommunikation zwischen BV und Laderobotern. Auf dem zentralen Steuerungs-PC läuft außerdem eine Access-Datenbank, die der Teileverwaltung, der Parametrisierung und Messdatenerfassung dient.

Bildverarbeitung

Über ein TCP/IP-Protokoll steht der Steuerrechner mit einem zweiten XP-PC über Ethernet in Verbindung. Auf diesem Rechner läuft die BV, die auf der BV-Bibliothek Halcon von MVTec basiert. Der Bildeinzug erfolgt über zwei Erfassungseinheiten. Die Bilderfassungseinheit 1 besteht aus vier Teli CS8420-Kameras mit Standard-Objektiven und einem Bildausschnitt von je 35 x 50 mm. Hier werden die Werkstücke direkt nach der automatischen Entladung und der Verteilung der Werkstücke auf vier parallelen Bändern (mit je einer Kamera) erfasst. Diese Einheit löst verschiedene Messaufgaben. Bilderfassungseinheit 2 besteht aus einer Teli CS8420-Kamera mit telezentrischer Optik und einem Bildausschnitt von 3 x 5 mm. Diese Einheit überprüft im Durchlicht den Eckradius der Werkstücke auf 0,01 mm Toleranz. Im weiteren Verlauf der Anlage werden Schlechtteile ggf. ausgeschleust.

Messungen

Bilder werden von der BV unter Halcon eingezogen: Erkennung des Werkstücks, Bestimmung von Position und Drehlage und die Messungen von Inkreis, Umkreis, Bohrlochgröße und Plattensitzwinkel werden ausgeführt. Ist ein Werkstück eindeutig erkannt, seine Lage bestimmt und sind die Messaufgaben erledigt, steuert ein Greifersystem – angewiesen von der BV – anschließend ein Werkstück am Band an, fasst es, nimmt es auf, bewegt es und setzt es für den nächsten Bearbeitungsschritt exakt ausgerichtet auf dem nächsten Transportband wieder ab. Die BV leistet also hier wichtige unterschiedliche Aufgaben: 1. die Identifikation und Vermessungen eines Werkstücks und 2. die Koordinatenübermittlung zur Steuerung der Roboter (Abb. 2 und 3).

Messmethoden

Kamera-Kalibrierung

Vor der Inbetriebnahme der Anlage werden die Kameras zunächst kalibriert. Bei der Kalibrierung werden sowohl die internen Kamera-Parameter ermittelt als auch die externen Parameter, die die Lage der Kamera in Bezug auf das Robotersystem beschreiben. Durch diese externe Kalibrierung wird die hochgenaue Teilepositionierung erst möglich.

3D-Positionsbestimmung

Ermittelte Positions- und Lagedaten können unmittelbar an den Roboter übergeben werden. Schiefstellung der Kamera, Verzerrungen des Objektivs sowie nicht rechtwinklige Roboterkoordinaten werden hierbei korrigiert, die Bauteilhöhe wird ebenfalls berücksichtigt.

Pattern Matching

Das von Halcon unterstützte Shape Based Matching ist invariant gegenüber Rotation, Skalierung und Beleuchtungsschwankungen und erlaubt die robuste Erkennung beliebig vieler Prüfstücke. Dabei können sich die Prüfstücke sogar überlappen.

2D-Vermessung – Subpixelgenaue Kantenextraktion

Die Kontrolle der Eckradien der Winkelschneidplatten (Abb. 3) erfolgt über eine subpixelgenaue Vermessung im Durchlicht. Mit dieser Methode wird außerdem bereits während des Durchlaufs auf der ersten Bandstraße der sog. Plattensitzwinkel bestimmt, eine weitere wichtige Kenngröße.

Vermarktung

Das Roboworker Positioning System RPS ist auch für andere Industrie-Massenprodukte sofort einsetzbar. Da nahezu jede Geometrie von Kleinteilen zu verarbeiten ist, ist das System nicht nur für den Pulvermetall- und Keramiksektor geeignet. Vor allem die Pharma- und Elektronikindustrie sowie die Kunststoff- und Metallbranche zählen zu den potentiellen Kunden. Roboworker wird seinen Robot-Feeder auch international anbieten und dementsprechend vermarkten.

Dr. Lutz Kreutzer Manager PR & Marketing MVTec Software GmbH Tel. 089/457695-0 kreutzer@mvtec.com www.mvtec.com

 

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