Delta-Roboter im Naschwerk

Mit Bildanalyse und geometrischer Mustererkennung werden 1120 Plätzchen pro Minute geprüft, sortiert, verpackt.

29. August 2011
Der Delta-Roboter Astor sortiert Plätzchen, die auf dem Fließband befördert werden
Bild 1: Delta-Roboter im Naschwerk (Der Delta-Roboter Astor sortiert Plätzchen, die auf dem Fließband befördert werden)

Der Delta-Roboter ist seit vielen Jahren ein Bestandteil von Fließbändern. Und das aus gutem Grund: er hat ein geringes Gewicht, ist beweglich und enorm gelenkig. Herkömmliche Roboterarme werden wie ein menschlicher Arm gebaut, bei dem die Bewegungen der aufeinanderfolgenden Gelenke von voluminösen Aktoren und Übertragungsmechanismen abhängig sind. Das Gewicht dieser Teile belastet den Roboter und verlangsamt die Geschwindigkeit der Produktion.

Der Delta-Roboter, der von der Ecole Polytechnique Fédéral de Lausanne (EPFL) gebaut wurde, wird dagegen sehr erfolgreich in der Produktion eingesetzt. Er ist wie ein umgedrehter Dreifuß konstruiert, seine drei Doppelschenkel bilden drei geschlossene Schleifen, die sogenannten Gelenkpolygone. Die Gelenke sind voneinander abhängig. Sobald sich ein Segment bewegt, folgen ihm die anderen und verändern somit die gesamte polygone Struktur. Darüber hinaus führt der polygone Aufbau dazu, dass nicht an jedem Gelenk, wie bei herkömmlichen Robotern, Aktoren notwendig sind. Bei diesem Delta-Roboter können die klobigen Aktoren und Übertragungsmechanismen fern von den Gelenken angeordnet werden. Der Delta-Roboter erreicht Beschleunigungen, die zehnmal höher sind als die Erdbeschleunigung.

Das Schweizer Unternehmen Demaurex SA war einer der ursprünglichen Lizenzinhaber der Delta-Roboter-Technologie von EPFL. Heute ist Demaurex als Bosch Packaging Technology SA bekannt. Nach über 20 Jahren Erfahrung in der Robot-Vision- und Automatisierungstechnik ist es keine Überraschung, dass dieser Technologie nach wie vor große Beachtung geschenkt wird. „Hersteller wollen immer kostengünstiger produzieren. Sie möchten Kosten reduzieren und dadurch wettbewerbsfähiger werden“, erläutert Produktmanager Dragan Dragojlovic, „deshalb wenden sie sich an Bosch. Die Roboter können 24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche arbeiten und zeigen keine Anzeichen von Stress wie der Mensch!“

Ein Hersteller von Keksen und Schokolade arbeitet mit Bosch zusammenarbeiten, um die Effektivität der Produktion zu erhöhen. In einem der Werke laufen pro Jahr 30 Million Packungen vom Band und diese enthalten über 80 verschiedene Arten von Gebäck. Der Hersteller benötigte also eine Lösung, die für die vielen unterschiedlichen Kekse und einen hohen Durchsatz geeignet ist.

Der perfekte Kandidat dafür war die Roboterlinie Astor. Astor verfügt über einen BV-gesteuerten Delta-Roboter, der pro Minute 140 Einheiten aufnehmen und platzieren kann. In jeder Verpackungsanlage gibt es acht Robotereinheiten, die zusammen 1120 Gebäckstücke pro Minute sortieren. Jede Einheit sortiert ein oder zwei Gebäckarten. Sobald die Verpackungskartons die Einheiten passieren, werden durch den Roboter drei oder vier Gebäckstücke in das entsprechende Fach der Verpackung gelegt.

Die Robotereinheit ist mit einem firmenintern entwickelten CELL PC verbunden. Bevor ein Posten verpackt wird, werden durch einen Operator Produktart und Verpackungstyp eingegeben. In einem Gehäuse an der Oberseite der Maschine befindet sich eine Kamera, die das Fließband aus der Vogelperspektive im Blick hat. Sobald sich die Gebäckstücke bewegen, gibt der embedded PC Matrox 4Sight M der Kamera ein Signal und ein Framegrabber erfasst die Bilder. Die Software für Bilderfassung und Bildanalyse basiert auf der Matrox Imaging Library (MIL). Algorithmen für geometrische Mustererkennung bestimmen die Form und lokalisieren die jeweiligen Gebäckstücke, die der Roboter aufnehmen muss. Mit Hilfe der Bildanalyse wird die Qualität des Gebäckes bestimmt und sogar der Zustand des Schokoladenüberzugs. Die Bildanalyse verhindert, dass der Roboter zerbrochene oder zu lange gebackene Stücke aufnimmt. Schließlich muss der Roboter den Keks noch mit der richtigen Seite nach oben in die Verpackung befördern. Die Bildanalyse verhindert, dass umgedrehte Stücke in der Verpackung landen.

Vom Standpunkt der Software hat das Projekt ein hohes Maß an Flexibilität erfordert. Das Bildverarbeitungssystem mußte zunächst an die vielen unterschiedlichen Gebäckformen und -größen sowie an Farbe und Form angepaßt werden. Gute Bildergebnisse sind von einer ausreichenden Beleuchtung abhängig, denn gehackte Nüsse und Zuckerstreusel erzeugen Schatten auf dem Gebäck, ein glänzender Schokoladenüberzug reflektiert das Licht. Schatten und Reflexionen sind der schlimmste Feind des Bildes, weil dadurch die Ergebnisse beeinflusst werden können. Außerdem musste die Software Parallaxen berücksichtigen können. Die verwendete Bedieneroberfläche sollte flexibel und zuverlässig sein, so dass der Operator das System ganz einfach auf verschiedene Produkte einrichten kann.

Die Systeme Paloma, Delfi und Astor von Bosch Packaging Technology sind die drei Verpackungssysteme, die mit industrieller Bildverarbeitung laufen. Sie sind mit der FDA-Norm und europäischen Normen konform. Angesichts der weltweiten Niederlassungen von Bosch ist die Entscheidung für Bildverarbeitungs-Komponenten von Matrox Imaging eine gute Wahl, weil diese global lieferbar sind.