Verfahren zur Vereinzelung von Teilen aus Schüttgut mittels eines ...

*DE102008025857A120090312*
(19)
Bundesrepublik Deutschland
Deutsches Patent- und Markenamt
(10)
DE 10 2008 025 857 A1 2009.03.12
(12)
Offenlegungsschrift
(21) Aktenzeichen: 10 2008 025 857.1
(22) Anmeldetag: 29.05.2008
(43) Offenlegungstag: 12.03.2009
(51) Int Cl. 8 : B65G 47/90 (2006.01)
B25J 19/00 (2006.01)
Mit Einverständnis des Anmelders offengelegte Anmeldung gemäß § 31 Abs. 2 Ziffer 1 PatG
(71) Anmelder:
Daimler AG, 70327 Stuttgart, DE
(72) Erfinder:
Klumpp, Willi, Dipl.-Ing., 73760 Ostfildern, DE;
Schreiber, Matthias, Dipl.-Ing., 74321
Bietigheim-Bissingen, DE
Die folgenden Angaben sind den vom Anmelder eingereichten Unterlagen entnommen
(54) Bezeichnung: Verfahren zur Vereinzelung von Teilen aus Schüttgut mittels eines Roboters
(57) Zusammenfassung: Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Vereinzelung von Teilen aus Schüttgut mittels eines
Roboters, wobei
- die Ist-Position zumindest eines Schüttgutteiles bestimmt
wird,
- ein einzelnes Schüttgutteil aus seiner Ist-Position durch
ein robotisches Greifwerkzeug aufgenommen wird,
- das aufgenommene Teil in eine Soll-Position überführt
und abgelegt wird.
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Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vereinzelung
von Teilen aus Schüttgut mittels eines Roboters.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] 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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[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] 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.
[0015] 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.
[0016] 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 positi-
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ons- und lagerichtig an ihre Endablageposition beispielsweise
in einen Setzkasten überführt werden.
[0017] 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.
Patentansprüche
1. Verfahren zur Vereinzelung von Teilen aus
Schüttgut mittels eines Roboters, bei welchem
– die Ist-Position zumindest eines Schüttgutteiles bestimmt
wird,
– ein einzelnes Schüttgutteil aus seiner Ist-Position
durch ein robotisches Greifwerkzeug aufgenommen
wird,
– das aufgenommene Teil in eine Soll-Position überführt
und abgelegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bestimmung der Ist-Position des
zumindest einen Schüttgutteiles ein Laserscanner
verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass zur Aufnahme des einzelnen
Schüttgutteiles ein mechanisches, pneumatisches
oder magnetisches Greifwerkzeug verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme des
einzelnen Schüttgutteiles aus seiner Ist-Position das
Schüttgutteil in einem beliebigen Bereich des Teiles
durch das Greifwerkzeug aufgenommen wird, in eine
Zwischenposition überführt und abgelegt wird und
anschließend in einem vorgegebenen Bereich des
Teiles neu aufgenommen und in seine Soll-Position
überführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung
der Ist-Position ein räumlicher Koordinatensatz, sowie
eine Drehlage und/oder ein Schwerpunkt des zumindest
einen Schüttgutteils bestimmt wird.
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