Ein Luxus-Porzellanhersteller mit Sitz außerhalb von Florenz, Italien, ist seit dem 18. Jahrhundert einer der führenden Produzenten von handgefertigtem, elegant gestaltetem Geschirr. Die unberührte weiße Farbe von Porzellan ist genau das, was unzählige Herausforderungen bei der Produktion erzeugt: Mit einem Roboterarm rohe weiße Teetassen auf dem Produktionsband zu lokalisieren und sie akkurat nebeneinander in einer Reihe zu platzieren, war für ein 2D-Bildverarbeitungssystem nicht möglich, da es Größen, Formen und Positionen des Produkts unterscheiden können muss. Um diese Hürden zu überwinden, wandte sich der Hersteller an Autech und Fortek – zwei italienische Automatisierungsspezialisten. Sie halfen dabei, ein robotergestütztes Pick-and-Place-System zu entwickeln, das von Mitarbeitern willkürlich platzierte Teetassen lokalisiert. „Nachdem wir uns den Herstellungsprozess angesehen hatten, sahen wir nur die Möglichkeit, ein 3D-basiertes Bildverarbeitungssystem einzusetzen. Fündig wurden wir bei Matrox Imaging“, erklärt der Software-Entwickler von Autech, Marco Goracci.

3D-Profilsensor als Auge des Cobots

Das von Autech und Fortek entwickelte 3D-Bildverarbeitungssystem verknüpft ein Matrox-Altiz-3D-Profilsensor mit einem Matrox-4Sight-EV6-Vision-Controller. Die Steuerung übernahm die Vision-Software Matrox Design Assistant X. Ein kollaborativer Roboter (oder auch ‚Cobot‘) von Universal Robots macht die Installation vollständig. Der Cobot arbeitet bildgestützt und die Bewegungen werden von der Software gesteuert. Das heißt, der Anwender muss weder beim Cobotarm noch beim Bildverarbeitungssystem eingreifen. 

Das Bildverarbeitungssystem führt drei zentrale Aufgaben aus:das Scannen der rohen weißen Tassen in 3D, das Analysieren dieser 3D-Scans, um Größe, Form und Position der Gefäße zu bestimmen, 
und das Übermitteln der Ergebnisse an den Cobot, sodass dieser die Teetassen präzise greifen kann, während sie auf der Produktionslinie entlangfahren. 

Ohne das Pick-and-Place-System musste ein Mitarbeiter die rohen weißen Teetassen auf dem Produktionsband platzieren. „Wir brauchten eine robuste Lösung für eine Pick-
and-Place-Anwendung. Die Produkte von ­Matrox Imaging waren die besten, was einfache Anwendung, Programmierbarkeit und Preis-Leistungs-Verhältnis angeht“, so Goracci.

Der 3D-Profilsensor, der sich am Cobotarm befindet, ist mit dem Vision-Controller über ein Gigabit-Ethernet-Kabel verbunden und wird von diesem auch mit Strom versorgt. Der Roboter fährt über dem Förderband hin und her, um einen 3D-Scan jeder Tasse durchzuführen. Mithilfe von Algorithmen erstellt der Profilsensor damit 3D-Daten, indem er die Pixeldaten der zwei integrierten Bildsensoren selektiert oder kombiniert und sie als 3D-Daten über das GigE Vision Interface ausgibt. 

Position und Rotation des Tassengriffs werden automatisch ermittelt

Die in Form einer Tiefenkarte dargestellten 3D-Daten nutzt der Matrox Design Assistant X, um einzelne Teetassen zu lokalisieren. Dazu bestimmt sie deren genaue Koordinaten in Bezug zur Trägerplatte, die Position der Griffe und den Grad der Drehung. Der Bildverarbeitungs-Algorithmus filtert als erstes die Tiefenkarte, um ungewollte Bereiche und Pixel zu entfernen. Dann wird eine Blob-Analyse auf die gefilterte Tiefenkarte angewandt. Dabei wird jeder Tasse ein Blob zugewiesen, der für die Berechnung des größten Höhenwerts genutzt wird, wobei der Intensity Checker innerhalb der Matrox Design Assistant X zum Einsatz kommt. Eine Kombination aus Schritten der Metrologie und Blob-Analyse werden genutzt, um die Position und Rotation des Griffs jeder Tasse genau zu bestimmen. Diese Koordinaten werden mithilfe von Socket-Kommunikation an den Cobot weitergegeben. Somit kann der Roboterarm mit dem Pick-and-Place-Verfahren beginnen.

Pick-and-Place-System ging innerhalb eines Monats in Betrieb

Der Hersteller produziert Teetassen in vielen Formen und Größen. Mit den flexiblen Flowcharts in Matrox Assistant X konnte das Team von Autech ein Projekt entwickeln, dass auf jede dieser Produktvariationen angewandt werden kann. Dadurch muss der Tassenhersteller nicht mehr unterschied­liche Rezepte implementieren und zwischen ihnen wechseln, was den Bereitstellungs­vorgang beschleunigt. Mithilfe eines Software-Ingenieurs und eines Bildverarbeitungsexperten konnte das System innerhalb eines Monats in Betrieb genommen werden. Die größte Herausforderung war die Vielfalt an Porzellan­produkten, die die Anwendung analysieren musste. Goracci fügte hinzu: „Unsere Kunden waren vom Endergebnis so begeistert, dass wir darüber nachdenken, die Anwendung auf weitere Produkte der Hersteller auszuweiten.“

Einsparung von 15 Prozent der Gesamtproduktionskosten

Mit einem zufriedenen Kunden ist ebenso das Team von Autech mit der Entwicklung des 3D-Bildverarbeitungssystems zufrieden. Dadurch konnten sie in Betracht ziehen, neue Bildverarbeitungssysteme in weiteren potenziellen Anwendungen in Bereichen wie der Lebensmittelindustrie einzusetzen und sie planen, zukünftig ähnliche Systeme für andere Kunden zu entwickeln.

„Vorher brauchte der Luxus-Porzellan­hersteller zwei Mitarbeiter für die Bedienung des Prozesses“, so Goracci. „Mit der Einführung des auf Matrox Imaging basierten Bildverarbeitungssystems kann nun der komplette Produktionsprozess von nur einem Mitarbeiter überwacht werden, was zu einer Einsparung von 15 Prozent der Gesamtproduktionskosten beitrug – ein voller Erfolg.“

Autorin
Katia Ostrowski, Communications Specialist bei Matrox Imaging