Für eine Großbäckerei hat das Unternehmen Kine Robotics zusammen mit OEM Finland ein System für die Förderbandverfolgung entwickelt, das einen Pick-and-Place-Roboter befähigt, die verpackten Backwaren unterschiedlicher Größe und Form auf dem Förderband sicher zu greifen und in Transportboxen abzulegen. Die bislang manuell durchgeführte Entnahme und Ablage der Brötchenpackungen sollte dabei durch ein leistungsfähiges System für einen schnelleren und weniger fehleranfälligen Ablageprozess ersetzt werden.

Doch die Herausforderungen für ein System mit bildgeführter Robotik sind dabei hoch. Die Produktvielfalt ist groß und die Backwaren unterscheiden sich in Form und Größe, sodass es schwierig ist, die Lage und Ausrichtung der Beutel auf dem Förderband zu bestimmen. Zudem sind die transparenten Kunststoffverpackungen wegen des geringen Kontrasts und der Reflexionen schwer mit optischen Sensoren zu erfassen.

Die Lösung fand sich schließlich in einem System aus untereinander synchronisierten Komponenten, um eine maximale Laufbandgeschwindigkeit sicherzustellen. Ein zentrales Element ist das Vision-System mit 3D-Kameratechnologie, das im Vergleich zur 2D-Technologie die Lage und Ausrichtung der Packungen unabhängig von Licht, Farbe und Kontrast präzise erkennt.

Anhand der eingesetzten 3D-Time-of-Flight-Kamera Blaze von Basler erfährt der Roboter die genaue Position und Ausrichtung der Packungen auf dem Band. Durch die kurze Entwicklungszeit und das Einsparen spezieller Beleuchtung ermöglicht die Kamera den Aufbau eines zuverlässigen, schlanken und kosteneffizienten Systems. Dieses erkennt die Backwarenpackung und deren Lage auf dem Förderband. Ein stationäres Robotiksystem mit produktschonender Greiferlösung packt die Backwarentüten dann in Transportboxen ab. Die Integration von Hardwarekomponenten und Software verschiedener Hersteller sorgt dabei für ein effizientes Gesamtsystem innerhalb der Verpackungslinie.

Mit 3D-Kameras Packungen präziser erkennen

Bevor der Roboter die Packungen greift, nimmt die über dem Förderband installierte 3D-Kamera die Oberflächen als Punktwolke mit über 300.000 XYZ-Koordinaten mit dem Licht-Laufzeit-Verfahren (Time-of-Flight = ToF) auf. Die Software Matrox Design Assistant X wandelt die Punktwolke dann in eine Tiefenkarte um, die mit 2D-Vision-Tools analysiert wird, um die Greifpunkte für den Roboter zu bestimmen. Der Roboter selbst ist ein vierachsiger TS2-60- Scara-Roboter von Stäubli.

Dieser kommuniziert über das Transmission Control Protocol (TCP) mit der Stäubli-Valtrack-Software, welche die Pick-Koordinateninformationen aus der industriellen Bildverarbeitung mit dem Trigger- und Encoder-Signal vom Förderband kombiniert. Das reibungslose Zusammenspiel aller Komponenten wie auch der Basler-Kamera und der Matrox-Software war einer der Gründe für das Unternehmen, sich für dieses System zu entscheiden. Die Kamera mit der ToF-Technologie ist im Vergleich zu anderen 3D-Technologien eine zuverlässige und kosteneffiziente Lösung für diese spezielle Messaufgabe.

Die Vorteile der neuen Lösung: schlank, schnell und robust

Tero Urponen, Projektleiter von Kine Robotics, ist überzeugt: „Die Basler-Blaze-Kamera war die beste Off-the-shelf-3D-Vision-Lösung für diese Anwendung. Sie kommt ohne externe Lichtquelle aus und arbeitet kontrast- und farbunabhängig.“ ­Miikka Himanka, Projektleiter von OEM Finland, ergänzt: „Dieses Projekt ist ein hervorragendes Beispiel für die Vorteile der modernen 3D-Technologie. Anstelle der traditionellen, kontrastbasierten 2D-Analyse werden die Packungen anhand ihrer Position und Ausrichtung identifiziert. Dies macht die Anwendung viel robuster und weniger empfindlich gegenüber Farbschwankungen der Packungen.“ 

Weitere Vorteile durch den Einsatz der ToF-Kamera:

• Präzise, licht- und kontrastunabhängige 3D-Bildgebung mittels des Time-of-Flight-Verfahrens mit bis zu 5 mm Genauigkeit
• Geeignet für bewegte Objekte durch 
• die Bildrate von 30 fps
• Einfache Hardware-Installation durch integrierte Beleuchtung und kalibrierte Optik
• Leichte Systemintegration der Kamera durch die herstellerübergreifenden Kommunikationsprotokolle GigE Vision und GenICam  
• Gutes Erkennen diffus reflektierender, heller Oberflächen
• Bestens für den Einsatz in der Nähe von Menschen geeignet aufgrund des für Menschen unsichtbaren Wellen­längenspektrums von 940 nm im nahen Infrarot-Bereich (NIR) 
• Industriebewährte und langlebige ­Kamerahardware mit IP67-Gehäuse

Das gesamte System für die Förderband-Verfolgung fügt sich nahtlos in die automatisierten Prozesse der Verpackungslinie ein. Aufgrund der Kamera mit ToF konnte Kine Robotics auf eine zusätzliche Beleuchtung verzichten und dadurch ein schlankes und schnelles System mit reduzierten Gesamtsystemkosten aufbauen. Dieses punktet mit einer geringere Fehleranfälligkeit als bei der manuellen Handhabung und führt zu einem höheren und planbaren Warendurchsatz. Dadurch lassen sich nun 25 bis 30 Packungen pro Minute per Robotergriff abarbeiten.

Kosten für Bildverarbeitung um 75 Prozent gesenkt

„Ich schätze, dass wir durch den Einsatz der ToF-Kamera und Bildverarbeitungs-Software die Machine-Vision-Kosten im Vergleich zu herkömmlicher Kamera und Beleuchtungsoptionen um 75 Prozent senken konnten“, betont Urponen. „Die 3D-Informationen sind im Vergleich mit denjenigen herkömmlicher farb- und kontrastbasierter Detektionsverfahren deutlich überlegen.“

Das System erweist sich als so flexibel, dass ein weiterer Ausbau bereits angedacht ist. So könnte die ToF-Kamera zusätzlich für die Fehlererkennung bei der Qualitätskontrolle zum Einsatz kommen. Um die Informationstiefe zu erhöhen, bietet sich bei Bedarf die Kombination mit der Ace-2D-Kamera von Basler als weitere Option an, um die Tiefenkarte mit zusätzlichen RGB-Farbinformationen anzureichern.

„Ich kann mir vorstellen, dass wir noch lange mit Basler und Matrox Imaging zusammen Brot backen werden“, schmunzelt Kimmo Salonen, Chief Technology Officer von Kine.

Autor
Frank von Kittlitz, Editor Communications bei Basler