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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vereinzelung von Teilen aus
Schüttgut
mittels eines Roboters.
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Um
mechanische Kleinteile, wie Schrauben, Muttern, Scheiben und dergleichen
in automatisierten Fertigungsverfahren einsetzen zu können, müssen diese
in der Regel in sogenannten Setzkästen oder ähnlichem vorpositioniert vorgelegt
werden, damit es den automatischen Fertigungsmaschinen möglich ist,
diese Teile definiert aufzunehmen und zu verwenden. Da derartige
Teile in der Regel in Form von ungeordneten Schüttgut geliefert werden, sind hierzu
aufwendige Vorbereitungsschritte nötig.
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Bekannte
Verfahren zur Vereinzelung von Teilen aus Schüttgut, wie zum Beispiel Vibrationsvereinzeler
oder Stufenförderer
erzielen in der Regel keine zu hundert Prozent lage- und positionsrichtige Vereinzelung,
was ein zeit- und kostenaufwendiges manuelles Nachsortieren bzw.
Positionieren der Teile, bzw. ebenso kostenträchtige Funktionsstörungen der
nachgelagerten Fertigungsautomatiken verursachen kann. Eine verbesserte
Vereinzelung solcher Teile kann durch ein Robotersystem erfolgen,
welche bislang Kamerasysteme zur Identifikation der einzelnen Teile
in einer Schüttgutmenge
benutzten. Aufgrund der fehlenden Tiefenwahrnehmung solcher Kamerasysteme
müssen
dabei die einzelnen Schüttgutteile
flächig
auf einem Band verteilt werden, auf welchem sie dann durch die Kamera
erkannt und von einem Roboter gegriffen werden. Bei Überlappungen einzelner
Teile ist oftmals keine zuverlässige
Erkennung von Position und Drehlage, sowie kein zuverlässiges Ergreifen
der einzelnen Teile möglich.
Deswegen sind solche Verfahren in der Regel sehr ineffizient, nur
ein geringer Anteil der auf dem Band beförderten Teile kann sicher gegriffen
und umpositioniert werden, während
die übrigen
nicht gegriffenen Teile in einen Schüttgutbehälter zurückbefördert werden und dem Prozess
von Neuem zugeführt
werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, bestehende,
insbesondere robotische, Verfahren zur Vereinzelung von Teilen aus Schüttgut dergestalt
weiterzuentwickeln, dass eine schnelle, weitestgehend fehlerfreie
und ökonomisch durchzuführende Vereinzelung
ermöglicht
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Bei
einem solchen Verfahren wird zuerst die Ist-Position zumindest eines
Schüttgutteiles
bestimmt, welches anschließend
durch ein robotisches Greifwerkzeug aus seiner Ist-Position aufgenommen, und
durch den Roboter in eine Soll-Position überführt und
abgelegt wird. Unter Ist-Position wird dabei die vollständige räumliche
Definition der Lage eines Schüttgutteiles
in einer nicht weiter vorbehandelten Schüttgutmenge verstanden. Die
Positionsbestimmung von zumindest einem Schüttgutteil im ersten Verfahrensschritt
erfolgt damit in einem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur zweidimensional,
wie es dem Stand der Technik entspricht, sondern unter Berücksichtigung
aller Raumkoordinaten, Freiheitsgrade und Asymmetrien des Teiles.
Damit ist eine Vorvereinzelung der Teile in Form eines Ausbreitens auf
einem Förderband
oder einer ähnlichen
Einrichtung nicht mehr nötig.
Die Lage der Teile kann direkt in einer dreidimensional ungeordneten
Menge einzelner Teile erkannt werden, Vorrichtungen oder Verfahrensschritte
zur Vorbereitung der Teile für
die eigentliche Vereinzelung entfallen, was den Prozess schneller
und ökonomischer
gestaltet.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
wird dabei zur Bestimmung der Ist-Position des zumindest einen Schüttgutteiles
ein hochauflösender
Laserscanner verwendet. Solche Laserscanner erlauben die präzise Bestimmung
von Raumkoordinaten und Drehlagenorientierungen auch einer großen Menge
ungeordneter Kleinteile. Insbesondere ist es dadurch vorteilhaft
möglich,
im ersten Verfahrensschritt nicht nur die Position eines einzelnen
Teiles, sondern die Positionen einer großen Untermenge der Gesamtmenge
der Schüttgutteile
zu bestimmen.
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Zur
Aufnahme von einzelnen Schüttgutteilen wird
hierbei bevorzugt ein mechanisches, pneumatisches oder magnetisches
Greifwerkzeug verwendet. Ein solches Greifwerkzeug wird vorzugsweise
von einem Roboterarm mit einer an die Geometrie der Vereinzelungsvorrichtung
angepassten Zahl von Freiheitsgraden bewegt. Die konkrete Auswahl
des Werkzeuges wird dabei von den spezifischen Eigenschaften der
vereinzelten Schüttgutteile
bestimmt. Eine flexible Auswahl des Greifwerkzeuges ermöglicht somit
vorteilhaft die Anpassung des Verfahrens an eine Vielzahl von zu
vereinzelnden und sortierenden Schüttguttypen. Eine Anlage zur
Durchführung eines
solchen Verfahrens kann damit vorteilhaft schnell umgerüstet werden,
was Betriebszeiten und -kosten spart.
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In
einer alternativen Ausführungsform
des Verfahrens wird zur Aufnahme des Schüttgutteiles aus seiner vorherbestimmten
Ist-Position das Teil in einem beliebigen Bereich durch das Greifwerkzeug aufgenommen,
in eine Zwischenposition überführt und
abgelegt, und anschließend
in einem vorgegebenen Bereich des Teiles neu aufgenommen und in
seine Soll-Position überführt. Durch
eine solche Erweiterung des Verfahrens wird es möglich, auch asymmetrische Teile,
wie beispielsweise Schrauben, zuverlässig und mit einer geringen
Ausschussquote in eine gewünschte
Soll-Position zu überführen.
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Bevorzugt
wird bei der Bestimmung der Ist-Position eines Schüttgutteiles
ein räumlicher
Koordinatensatz, sowie eine Drehlage und/oder ein Schwerpunkt des
zumindest einen Schüttgutteils
bestimmt. Auch wenn angesichts der relativ geringen Freiheitsgrade
gängiger
Schüttgutteile
in der vollständigen
Bestimmung dieses Datensatzes eine Überbestimmung liegen mag, trägt dies
doch vorteilhaft zur Verringerung der Fehler- und Ausschussrate des
Verfahrens bei.
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Im
Folgenden soll die Erfindung und ihre bevorzugten Ausführungsformen
näher erläutert werden.
Um eine erfindungsgemäße Vereinzelung
von Schüttgutteilen
zu erzielen, muss in einem ersten Verfahrensschritt zuerst die Ist-Position
zumindest eines der Teile bestimmt werden. Solche Teile werden in
der Regel als dreidimensional ungeordnete Menge in Behältnissen
angeliefert. Es ist dabei besonders zu bevorzugen, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
solche Teile direkt aus ihren Transportbehältnissen zu entnehmen. Damit
entfällt
eine Vorbehandlung der Schüttgutmenge,
für die
gegebenenfalls weitere Geräte
zur Verfügung
gestellt werden müsste.
Um die Erkennung von Teilen in einer derart ungeordneten Masse in
ihrem Transportbehälter
zu ermöglichen,
ist der Einsatz von hochauflösenden Scannern
nötig.
Bevorzugt wird hierzu ein Laserscanner verwendet. Es ist jedoch
auch der Einsatz anderer, auf elektromagnetischer Strahlung verschiedener
Wellenlängebereiche
beruhender, oder beispielsweise Ultraschall einsetzender Scannersysteme
denkbar.
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Aus
dem von einem solchen Scanner gelieferten digitalen Datensatz muss
in der Folge eine Steuereinheit im Zug eines Bild-/Mustererkennungsprozesses
einzelne Teile der Schüttgutmenge
identifizieren und für
jedes Teil einen Datensatz bereitstellen, welcher die dreidimensionale
Position des Teiles, sowie bei asymmetrischen Teilen, seine Drehlagenorientierung
umfasst. Aus der Menge der erarbeiteten Datensätze muss nun die Steuereinrichtung
diejenigen Schüttgutteile
identifizieren, welche ohne Interferenz mit anderen Teilen gegriffen
werden können.
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Auf
Grundlage dieser Liste der ergreifbaren Teile errechnet nun die
Steuereinheit Bewegungsanweisungen für ein robotisches Greifwerkzeug.
Als Roboter soll hier im Sinne der VDI-Richtlinie 2860 ein universell
einsetzbarer Bewegungsautomat mit mehreren Achsen, deren Bewegungen
hinsichtlich Bewegungsfolge und Wegen bzw. Winkeln frei programmierbar
sind, verstanden werden. Für
das Ergreifen kleiner Schüttgutteile
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist dabei der Einsatz eines Roboters mit hoher Bahn- und Positionsgenauigkeit
vonnöten.
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Die
Steuereinheit übermittelt
nun an den Roboter ein auf Grundlage eines Positionsdatensatzes für ein zu
ergreifendes Schüttgutteil
ermitteltes Bewegungsprofil welches dem Roboter ermöglicht,
das gewünschte
Teil definiert zu ergreifen und aus der Schüttgutmenge zu entnehmen. Das
dazu verwendete Greifwerkzeug kann spezifisch an das zu vereinzelnde
Schüttgut
angepasst werden. Ferromagnetische Schüttgutteile erlauben dabei den
Einsatz von magnetischen Greifwerkzeugen, welche allerdings so ausgelegt
werden müssen,
dass ein definiertes Ergreifen eines einzelnen Teiles ermöglicht wird. Eine
weitere Einschränkung
magnetischer Greifwerkzeug findet sich in einer möglichen
Magnetisierung der ergriffenen Teile, welche je nach späterer Anwendung
dieser Teile unter Umständen
zu vermeiden ist. Diese Probleme lassen sich durch den Einsatz von
mechanischen oder pneumatischen Greifwerkzeugen verwenden, wobei
mechanische Greifwerkzeuge in ihrem Einsatz wiederum durch die mechanische
Belastbarkeit sowie die Oberflächengriffigkeit
der zu vereinzelnden Teile eingeschränkt sind.
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Im
einfachsten Fall beispielsweise bei symmetrischen Schüttgutteilen
wie Scheiben kann das ergriffene Schüttgutteil nun direkt in eine
Soll-Position überführt und
abgelegt werden. Dabei kann es sich um einen Setzkasten handeln,
in welchem die Schüttgutteile
definiert angeordnet abgelegt werden, und welcher in der Folge zum
Ort ihrer Weiterverarbeitung weitertransportiert wird. Damit ist
eine Entkoppelung der Vereinzelung vom eigentlichen Montageort möglich. Es
ist alternativ ebenso möglich,
das ergriffene Teil auf einer Fördereinrichtung,
beispielsweise einem Band abzulegen, welches das Teil nach seiner
lagerichtigen Ablage zum Weiterverarbeitungsort weitertransportiert.
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Handelt
es sich bei den zu vereinzelnden Teilen um asymmetrische Gegenstände wie
beispielsweise Schrauben, so kann das Verfahren um einen Zwischenschritt
ergänzt
werden. Solche asymmetrischen Teile müssen nicht nur in ein bestimmte
dreidimensionale Endlage gebracht werden, sie müssen, um von nachfolgenden
Verarbeitungsmaschinen richtig aufgenommen werden zu können, auch
in einer korrekten Drehlage abgelegt werden. Dieses Problem wird
verfahrensgemäß dadurch
gelöst,
dass ein solches Teil zuerst durch das robotische Greifwerkzeug
an einer undefinierten Stelle ergriffen wird, und daraufhin in eine
Zwischenablage überführt wird. Eine
solche Zwischenablage kann beispielsweise eine Rinne umfassen, welche
für eine
Vororientierung der abgelegten Schrauben entlang ihrer Längsachse
sorgt. Über
ein weiteres Scannersystem kann nun die Position der Schrauben in
dieser Rinne bestimmt werden, woraufhin die Steuereinheit dem Roboter
eine Befehlssequenz übermittelt,
welche es ermöglicht,
eine ausgewählte
Schraube an einer definierten Stelle, beispielsweise an ihrem Kopf
zu ergreifen. Die so ergriffene Schraube kann nun positions- und
lagerichtig an ihre Endablageposition beispielsweise in einen Setzkasten überführt werden.
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Wurden
alle Teile, welche im ersten Verfahrensschritt durch den Laserscanner
und die Auswerteelektronik erkannt wurden und für ergreifbar befunden wurden,
von der Robotereinheit ergriffen und in ihre Soll-Position überführt, so
kann das Verfahren mit seinem ersten Schritt von Neuem beginnen.
So ist ein schichtweises Abtragen von Schüttgutteilen aus einem tiefen
Behälter
möglich.