Comau Roboter kann sehen – Bin Picking Software erweitert die Einsatzmöglichkeiten von Industrierobotern

Bin Picking ist eine Möglichkeit, dreidimensional ungeordnete Werkstücke in die geordneten Strukturen eines Bearbeitungsprozesses zu überführen. Wenn sich dann noch Spezialisten wie SSR-Technik als Anlagenbauer, IBW als Bildverarbeiter und Comau als Roboterhersteller mit all ihrer technologischen Kompetenz zusammen tun, sind praktische Lösungen für den „Griff in die Kiste“ sozusagen „vorprogrammiert“.


Die Frage nach dem Einsatzspektrum einer Bin Picking Lösung beantwortet sich durch die Praxis. Sehr kleine Teile lassen sich kostengünstig durch Wendelförderer oder Vibrationsförderer automatisierungsgerecht vereinzeln. Bei Teilen, die für eine Kiste zu groß sind, ist keine „Griff in die Kiste“-Station erforderlich. Technisch sehr viel einfacher ist das 2D-Greifen, also das chaotische Greifen von einer Ebene. Dagegen gilt der „Griff in die Kiste“ immer noch als technologisch sehr anspruchsvoll, auch wenn es inzwischen eine Reihe von Herstellern und Systemintegratoren gibt, die Bin Picking Lösungen realisiert haben. Eine Demozelle mit einem Comau-Roboter des Modells „SIX 6 – 1.4“ liefert ein überzeugendes Beispiel.

„Keimzelle“ der Anlage ist die Bin Picking Software bp3TM, die IBW für entsprechende Zellen einsetzt und vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, kurz IPA, Stuttgart, entwickelt wird. Gebaut wurde die Demozelle von SSR-Technik mit Sitz in Blankenhain (Thüringen). Das Unternehmen ist im Schaltanlagenbau ebenso aktiv wie in der roboterbasierten Prozessautomation. Durch Projekte in der Baugruppenfertigung für die Solarindustrie (Konzentrator-Photovoltarik) hat SSR weltweite Erfahrungen. Trotzdem war für die Anlagenbauer die Bin Picking Zelle keine Aufgabenstellung wie jede andere, jedoch eine Aufgabe, bei der das gesamte Know-how aus der Automatisierungstechnik eingeflossen ist. Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit einer Anlage stehen da ganz oben auf der Prioritätenliste – was die Auswahl von Comau als Systempartner nahelegt. Hinzu kommt, dass Erfahrung mit der C5G-Steuerung von Comau schon aus dem Bau von Montageanlagen für Solarzellen vorhanden war.

Auswahlmerkmale für den Roboter einer Bin Picking Applikation sind in erster Linie die Reichweite und die Beweglichkeit des Handgelenkes. Christoph Anding, Account Manager bei Comau Robotics, hat das Projekt mit IBW begleitet: „Für Anwender ist unser breites Portfolio interessant, weil die Differenzierung der Roboter eine auf die Anwendung angepasste Auswahl erlaubt.“ Bei der SSR-Zelle steht der Roboter, ein SIX 6 – 1.4 auf einem Podest. Der Roboter hat eine Traglast von 6 kg und die Namenserweiterung „1.4“ weist auf die Reichweite hin, die horizontal bei 1.436 mm liegt. Sehr vorteilhaft für die Aufgabe: Der Roboter kann unter sich und damit nahezu senkrecht nach unten in die Kiste greifen.

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Anding lobt die Arbeit des Comau-Systemintegrators IBW: „Eine Bin Picking Lösung kann eigentlich jeder realisieren. Interessant wird es dann bei der Kollisionserkennung und den alternativen Greifstrategien. Das sind die harten Selektionskriterien.“ Denn damit ein Roboter tatsächlich ganze Nachtschichten oder auch das Wochenende autonom durcharbeiten kann, ist hier und da ein „Plan B“, sprich eine alternative Greifstrategie, erforderlich. Für einen Werker ist es beispielsweise überhaupt kein Problem, ein Werkstück aus einer Kiste zu entnehmen, auch wenn andere Werkstücke teilweise darüber liegen oder wenn er nachfassen muss, um das Teil tatsächlich sicher mit der Hand zu greifen. Solche Greifstrategien müssen also beim automatisierten „Griff in die Kiste“ abgebildet werden können und die Bin Picking Software bp3TM macht dies möglich. Zum „Standard“ gehören Anlagen, in denen Rüttelplatten die mit Teilen gefüllten Kisten oder Behälter so lange rütteln, bis die Bildverarbeitung wieder eindeutige Werkstücklagen identifizieren und in Greifpositionen für den Roboter umrechnen kann. Nicht so bei IBW, wie Anding lobt: „Zu den Feinheiten, die das Know-how ausmachen, gehört es, dass der Roboter ein Teil auch einmal aus einer ‚vertrackten‘ Position herauszieht und dann sicher nachgreift. Ganz so, wie es ein Werker eben auch tun würde.“

Ullrich Göllner, Applikationsingenieur bei IBW, hebt das Besondere an der erarbeiteten Lösung hervor: „Mit unserem System können wir Behälter komplett und kollisionsfrei nach einer vorgegebenen Entnahmestrategie entleeren.“ Schon eine Übereinstimmung von 60 bis 70 Prozent des gescannten Bildes mit einem hinterlegten CAD-Modell führe zu einer greiffähigen Positionsgabe für den Roboter und das innerhalb einer definierten Taktzeit.

In der Testzelle wird das zu greifende Werkstück zunächst von einer Stereo-Bildaufnahmeeinheit dreidimensional erfasst. Dazu wird ein Lichtmuster auf den Kisteninhalt projiziert, die dabei entstehende Struktur von zwei Kameras erfasst und eine 3D-Punktewolke erzeugt. Göllner: „Anschließend wird auf Grundlage eines hinterlegten CAD-Modells ein Bauteilmodell in die Punktewolke gefittet.“ Mit diesem Vorgang werden die Lagekoordinaten der Bauteile ermittelt und dienen als Grundlage der Verfahrprozedur des Roboters. Die Entnahmeplanung berücksichtigt neben den Greifkoordinaten mögliche Hindernisse im Behälter und im Arbeitsraum des Roboters.

Großen Einfluss auf die Objekterkennung hat Licht aus der Umgebung. Göllner: „Mit zunehmendem Fremdlichteinfall muss die Leistungsfähigkeit der 3D-Scaneinheit erweitert werden, als Grundlage einer störfreien 3D-Punktewolke.“ Die ermittelten Lagekoordinaten sind die Grundlage eines sicheren Greifens und damit der Bauteile Zyklen. Göllner: „Von daher sind Taktzeiten ab sechs Sekunden mit vertretbarem Kostenaufwand zu realisieren.“

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Modularität als Konzept

Die Bin Picking Zelle ist von vornherein modular ausgelegt. Zu den Basiseinheiten zählt Göllner die 3D-Scaneinheit und die PC Plattform für die bp3TM-Software. So wie SSR die Zelle konzipiert hat, können je nach erforderlicher Reichweite und Traglast unterschiedliche Roboter eingesetzt werden. Zum Scanning stehen marktübliche Einheiten der Stereo-Bildaufnahmetechnik und der Laser-Triangulation zur Verfügung. Göllner: „Nach den Vorgaben und Wünschen des Kunden ergeben sich Eckwerte der jeweiligen Aufgabenstellung und danach legen wir die Bildverarbeitung aus.“

Für die Datenaufnahme setzt IBW unterschiedliche 3D-Scanner ein: „Wir sind in der Bildverarbeitung nicht an einen bestimmten Hersteller gebunden, sondern setzen die jeweils optimal passende Technik ein.“ Dabei wird zwischen den technischen Anforderungen und den Kosten abgewogen, denn kurze Taktzeiten und ein sicherer Greifprozess sind für den Betreiber einer solchen Zelle ebenso wichtig wie die Investitionskosten und ein schneller ROI.

In der Testumgebung bei IBW in Weimar stehen für Machbarkeitsstudien entsprechend ausgestattete Roboterzellen bereit. Göllner: „Damit können wir in einer frühen Projektphase den gesamten Bin Picking Prozess abbilden.“ Mit konkreten CAD-Daten eines Werkstückes lassen sich Aussagen treffen, ob eine Bin Picking Lösung die Aufgabe ideal löst. Sowohl SSR als auch IBW bieten hierzu entsprechende Simulationen in einer frühen Projekt Gestaltungsphase an. Die Resultate sollten eine Einschätzung über die Rentabilität und die zu erwartenden Taktzeiten geben.

Anding freut sich schon auf neue Endkunden und Projekte mit den Partnern SSR und IBW. Das ausgefeilte Konzept und die leistungsstarken Komponenten und Baugruppen der Zelle erledigen den „Griff in die Kiste“ inzwischen schon länger als ein Jahr störungs- und nahezu wartungsfrei.