Software zur automatisierten Bestückung von Maschinen

Kommt die Bin-Picking-Revolution?

In der Produktionslogistik müssen Maschinen in definierter Art und Weise mit Rohmaterialen, Halbfertigteilen und Komponenten für die weitere Verarbeitung bestückt werden. Diese Ausgangsmaterialien befinden sich meist sortenrein, aber zufällig angeordnet in Behältern verschiedener Art. Derzeit bestücken vielerorts kostenintensive Mitarbeiter die Produktionsmaschinen von Hand, 3D-Bildverarbeitung und Robotik bieten hier aber neue Möglichkeiten zur Produktivitäts- und Qualitätssteigerung.

Ein Roboter entnimmt Bauteile gesteuert durch die Moonlower-Software von Euclid Labs. (Bild: Euclid Labs Srl)

Zur Automatisierung des eintönigen und augenscheinlich stets gleichen Arbeitsganges der Bauteilentnahme aus Behältern und der Bestückung von Maschinen sind Roboterarme mit zugehörigen Greifern nötig. Dabei stellen sich allerdings mehrere Herausforderungen:

• Die teils chaotisch in der Kiste liegenden Teile müssen einzeln als solche erkannt und lokalisiert werden.
• Der Roboter und sein Greifer benötigen eine geeignete Greifposition für das am günstigsten liegende Teil.
• Wurde das Teil gegriffen und hochgehoben, muss eine Sensorik erkennen, wie der Greifer das Teil tatsächlich hält. Nur so lassen sich die richtigen Anweisungen an den Roboter für die korrekte Ablage des Objektes an der Zielposition ableiten.

Dieser sogenannte Griff in die Kiste (engl.: Bin-Picking) bedarf also der Technik aus dem Bereich der 3D-Bildverarbeitung – optisch und mathematisch komplex und ebenso rechenaufwendig. Erst seit Kurzem sind dafür notwendige 3D-Sensoren mit ausreichender Auflösung und Geschwindigkeit, PCs mit benötigter Rechenleistung und Algorithmen zur automatischen Lage-Schätzung und Pfadplanung zu attraktiven Preisen auf dem Markt verfügbar.

Technische Hürden

Ein Bin-Picking-System besteht aus einem Roboter, einem Greifer, der Teile in verschiedenen Positionen fasst, einem 3D-Sensor und umfangreicher Software. Diese muss die Teile im 3D-Bild lokalisieren, eine sichere Greifposition erkennen (falls möglich) und den Pfad des Roboterarmes planen, um Kollisionen des Armes und des gegriffenen Bauteils mit anderen Objekten in der Roboterzelle zu vermeiden. Software und 3D-Sensor sind prinzipiell für eine breite Vielfalt von Teilen universell anwendbar. Jede Aufgabe erfordert jedoch die Auswahl des geeigneten Roboters und des individuellen Greifers. Oft ist sogar die Entwicklung eines speziellen Greifers von Nöten, was die universelle Einsetzbarkeit von Bin-Picking-Systemen reduziert. Unterliegt die Lage der zu ergreifenden Teile in ihrem Behälter nur einer geringen Varianz und ist das maximale Gewicht im Vorfeld bekannt, erleichtert das die Auswahl und Entwicklung des Greifers.

Die Software Moonflower dient der robotergestützten Maschinenbestückung. (Bild: Euclid Labs Srl)

Ausreichend hohe Effizienz?

Beim Griff in die Kiste liegen die Limitationen hauptsächlich in der Effektivität beim vollständigen Entleeren von Behältern und den Zykluszeiten. Im Allgemeinen lässt sich nicht sicherstellen, dass alle Teile gegriffen werden, ohne hohen Aufwand beim Greifer zu betreiben. Die Zykluszeiten erhöhen sich, wenn der Roboter häufig die Griffposition ändert. In vielen Anwendungen der Elektronik- und Kunststoffindustrie lassen sich die dortigen Anforderungen an das Robot-Bin-Picking kaum erfüllen, während in der Metallverarbeitung die aktuell üblichen Durchschnittszeiten von 6s je Zyklus mehr als ausreichend sind.

Reif für die moderne Fertigung?

Die Produktionslogistik ist oft ein recht unflexibles und über Jahre hinweg optimiertes Kernelement moderner Fertigungsanlagen. Üblicherweise kommen für viele Materialien spezielle Halterungen und individuelle Paletten zum Einsatz, die nicht mit dem Material-Handling durch Roboter kompatibel sind. Zuweilen sind Produktionsdaten auch mit den speziellen Paletten verknüpft (z.B. per RFID) oder andere Abläufe, wie die Teileinspektion, geschehen während der manuellen Entnahme und Ablage. Oft ist auch schon der für einen Roboter notwendige Platz nicht vorhanden. All diese Prozesse und Parameter sind zu bedenken, sobald ein Schritt geändert wird. Obwohl dies der Einführung eines Robot-Bin-Picking-Systems möglicherweise im Weg steht, gibt es doch es zahlreiche Anwendungen, wo es vergleichsweise einfach möglich ist. So haben einige Hersteller das Robot-Bin-Picking bereits zum Standard für die Bestückung ihrer Maschinen gemacht. Seit 2009 setzt u.a. die RAS Reinhardt Maschinenbau ausschließlich auf die Software Moonflower von Euclid Labs zur Bestückung ihrer Minibend Center. So lassen sich sowohl unsortierte Teile aus Kisten als auch auf Paletten gestapelte Rohlinge dem System zuführen. Das Unternehmen hat Bin Picking frühzeitig als strategisch wesentliches Element angesehen, um seinen Kunden die Integration einer Blechbiegeanlage in deren Produktionslinien zu ermöglichen. Dabei investierte das Unternehmen insbesondere in die Flexibilität der Software, damit sie sich reibungslos an alle unterschiedlichen Bleche und Formen anpasst. Bei einigen Anwendungen bringt Bin-Picking zudem positive Nebeneffekte: So lässt sich Platz einsparen, indem ein einziger kleiner Roboterarm zwei Drehmaschinen bestückt.

Die Ausgangsmaterialien für die Maschinenbestückung befinden sich meist sortenrein, aber zufällig angeordnet in Behältern verschiedener Art. (Bild: Euclid Labs Srl)

Fazit

Es hängt von vielen Faktoren ab, ob der Einsatz von Robotern zum Bestücken von Maschinen sinnvoll ist:

• Verfügbarkeit geeigneter Greifer @Aufzählung:Komplexität und Variantenvielfalt der Bauteile
• Bauteileigenschaften (Gewicht, Sensitivität der Oberfläche und Bauteilform gegen Druck etc.)
• Zykluszeiten
• verfügbare Platz
• Bedingungen für die 3D-Erfassung und Bildverarbeitung (Ober flächenbeschaffenheit, Umgebungslicht)
• Abhängigkeiten von anderen Prozessschritten und Kompatibili tät mit existierenden Elementen der Produktionslogistik
• Budget für die Entwicklung, Anschaffung und Integration

Es ist davon auszugehen, dass in den nächsten Jahren zahlreiche weitere Anlagenbauer und Hersteller von Fertigungsmaschinen Robot-Bin-Picking zum Standard in ihren Produkten machen, da die Betreiber von Fertigungsstraßen das erwarten. Aufgrund der zahlreichen Herausforderungen bleibt es allerdings abzuwarten, ob hieraus eine echte Revolution entsteht und der ‚Griff in die Kiste‘ mit Robotern allgegenwärtig wird. In jedem Fall ist für Hersteller und Anlagenbauer jetzt die Zeit gekommen, Robot Bin Picking zu evaluieren, um ihre Produktionslogistik wettbewerbsentscheidend weiterzuentwickeln.