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Die Matrox Imaging Library hilft Delta-Robotern beim Sortieren von Gebäck

Der Delta-Roboter ist seit über 20 Jahren ein Bestandteil von Fließbändern. Und das aus gutem Grund. Er hat ein geringes Gewicht, ist beweglich und gelenkiger als ein olympischer Turner. Herkömmliche Roboterarme werden wie ein menschlicher Arm gebaut, bei dem die Bewegungen der aufeinanderfolgenden Gelenke von voluminösen Aktuatoren 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 Aktuatoren notwendig sind. Bei diesem Delta-Roboter können die klobigen Aktuatoren und übertragungsmechanismen fern von den Gelenken angeordnet werden. Dadurch kann der Delta-Roboter Geschwindigkeitsraten, die zehnmal schneller als die Gravitation sind, erreichen.

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 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!"

Haufenweise Gebäck!

Ein bedeutender europäischer Hersteller von Keksen und Schokolade ist einer der Kunden, die 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. Dieser Hersteller benötigte eine Lösung, die für die große Vielzahl der Produkte sowie einen hohen Durchsatz geeignet ist.

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Der Delta-Roboter Astor sortiert Schokoladenplätzchen, die auf dem Fließband befördert werden.

Der perfekte Kandidat dafür war die Roboterlinie Astor. Der Astor verfügt über einen visiongesteuerten Delta-Roboter, der pro Minute 140 Einheiten aufnehmen und platzieren kann. In jeder Verpackungsanlage gibt es acht Robotereinheiten, die zusammen 1.120 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 Sony XC-HR50 Graustufenkamera, die das Fließband aus der Vogelperspektive "im Blick hat". Sobald sich die Gebäckstücke bewegen, gibt ein embedded Visionsystem Matrox 4Sight M der Kamera ein Signal und ein Matrox Meteor-II/Multi-Channel 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 Graustufenanalyse wird die Qualität des Gebäckes bestimmt und sogar der Zustand des Schokoladenüberzugs. Diese Analyse verhindert auch, dass der Roboter zerbrochene oder zu lange gebackene Stücke aufnimmt. Schließlich muss der Roboter das Gebäck noch mit der richtigen Seite nach oben in die Verpackung befördern. Die Bildanalyse verhindert, dass umgedrehte Stücke in der Verpackung oben landen.

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Die MIL-basierte Bildanalysesoftware verwendet Graustufenwerte für die Bestimmung der Gebäckqualität und die geometrische Mustererkennung für die Lokalisierung der Gebäckteile und die Bestückung der Packungen.

Schokoladenstreusel, Nüsse und andere Herausforderungen

"Vom Standpunkt der Software hat das Projekt ein hohes Maß an Flexibilität erfordert", sagt Dragojlovic. "Wir mussten das Bildverarbeitungssystem an die Vielzahl von Gebäckformen und -größen sowie an Farbe und Form anpassen, um die überprüfungen durchführen zu können." Und mit jedem Kreis, Viereck, Rechteck, Herz und Stab, der in einem Bild erkannt wird, "mussten wir sicher sein können, dass das erfasste Bild präzise ist", fügt er hinzu. Gute Bildergebnisse sind von einer ausreichenden Beleuchtung abhängig und Dragojlovic sagt, dass gerade die Beleuchtung eine Herausforderung war. Gehackte Nüsse und Zuckerstreusel erzeugen Schatten auf dem Gebäck, ein glänzender Schokoladenüberzug reflektiert das Licht. Schatten und Reflektionen sind der schlimmste Feind des Bildes, weil dadurch die Ergebnisse beeinflusst werden können. Außerdem musste die Software Parallaxe berücksichtigen können. Die verwendete Bedieneroberfläche sollte flexibel und zuverlässig sein, so dass der Operator das System ganz einfach auf verschiedene Produkte einrichten kann.

Ein Vorgeschmack auf die Zukunft

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

Derzeit untersucht Dragojlovic die Integration von Matrox Imaging Smart Kameras in einige der Visionlinien. Aber nicht nur die technischen Innovationen gewährleisten die führende Marktstellung. Dragojlovic sagt, dass die Anwendung der industriellen Bildverarbeitung in der Lebensmittelindustrie noch mehr gefördert werden muss. "Bei einigen Kunden verwenden wir keine Bildverarbeitung", sagt er, "weil es manchmal zu komplex für sie wäre. Die Lebensmittelindustrie muss besser über die Vorteile der Bildverarbeitung informiert werden." Das sollte für ein Unternehmen, dem sogar die Mitbewerber die führende Marktstellung zugestehen, nicht allzu schwer sein. "Wer geben immer unser Bestes, um eine Lösung zu finden", sagt Dragojlovic. "Wir verfügen über Kampfgeist!"

Abbildungen:
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Der Delta-Roboter Astor sortiert Schokoladenplätzchen, die auf dem Fließband befördert werden. Diese Seite, eingefügt: Die Sicht der Kamera auf die Produktlinie. (links). Die MIL-basierte Bildanalysesoftware verwendet Graustufenwerte für die Bestimmung der Gebäckqualität und die geometrische Mustererkennung für die Lokalisierung der Gebäckteile und die Bestückung der Packungen. (rechts)

Nächste Seite: Bosch Packaging Technology ist der weltweit führende Anbieter von Verpackungstechnik. Das Unternehmen bietet ein Produktspektrum, das alle Arten von Verpackungssystemen umfasst, Bestückungsmaschinen, Sortiermaschinen und Verpackungssysteme wie das Pack 200 (Abb.). Alle Abbildungen mit freundlicher Genehmigung von Bosch Technology Packaging SA.

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