Seit über 20 Jahren prognostizieren Pioniere der Bildverarbeitung den Zeitpunkt, an dem Roboterarme Teile zufällig aus Behältern entnehmen können. Dies bedeutet, mithilfe von Bildverarbeitungssystemen die Position eines Teils in einem Behälter zu lokalisieren und es dann aus einer ungeordneten Masse von Komponenten zu entnehmen. Frühe Entwickler glaubten, dass die hohe Flexibilität solcher Systeme zur zufälligen Teileentnahme die Kosten für Hersteller erheblich senken und das Entladen von Behältern durch Mitarbeiter überflüssig machen würde. In Produktionslinien könnten teure Werkzeuge, Vorrichtungen und Teilezuführungen durch zufällige, behälterbasierte Entnahmesysteme ersetzt werden. Doch Anfang der 1980er-Jahre stieß diese scheinbar praktikable Technologie auf die harte Realität. Die im Labor entwickelten Entnahmesysteme ließen sich nicht in die praktische Fabrikanwendung übertragen. Es stellte sich heraus, dass sich überlappende Teile und unterschiedliche Lichtverhältnisse auf den Entnahmeprozess auswirkten. Die damaligen Beschränkungen der Computer bei der Verarbeitung großer Datenmengen verschärften die Situation zusätzlich. Letztendlich verlagerte sich der Fokus auf weniger komplexe zweidimensionale Roboterarm-Führungssysteme, wie beispielsweise das Aufnehmen einzelner Teile von einem Förderband – ein vielseitigerer Ansatz. Eine universell einsetzbare Lösung für die zufällige Entnahme von Teilen steht noch aus und stellt die Industrie bis heute vor Herausforderungen. Es mehren sich jedoch die Anzeichen, dass die bildverarbeitungsgesteuerte Roboterentnahme Realität wird. Roboterarm-Distributoren wie Fanuc, Motman und Staubli haben bereits entsprechende Entnahmesysteme auf den Markt gebracht. Toyotas Motorenteilewerk nutzt bereits ein System mit fünf Robotern an seiner Fertigungslinie. Dabei kommen ABB-Roboterarme zum Einsatz, die mit 3D-Bildgebungstechnologie von Braintech ausgestattet sind. Manche argumentieren, eine vollständig zufällige Entnahme sei unpraktisch, da Teile wie Federn oder solche mit komplexen Geometrien für eine frühe Anwendung ungeeignet seien. Stattdessen konzentrieren sich die Distributoren auf einfachere Teile mit leicht erkennbaren Geometrien, darunter zylindrische oder kreisförmige Teile. Toyotas System ist ein „semi-randomisiertes“ oder „semi-eingeschränktes“ Entnahmesystem. Das bedeutet, dass die Teile nicht alle zufällig entnommen werden, sondern lose in den Behältern verteilt sind. Bei TRW wurden die Bremsscheiben-Rohlinge nach Anlieferung vom Zulieferer untrennbar gestapelt, um den Transport zu erleichtern. Bisher erfolgte die Entnahme manuell, unterstützt durch Hebezeuge. Teilweise kam auch ein nicht videogestütztes Kommissioniersystem zum Einsatz. Dieses System benötigte 20 Sekunden für die Entnahme eines Teils. Da die Teile in den Holzkisten jedoch ständig wechselten, konnte ein Fehler weitere 20 Sekunden für die Entnahme eines anderen Teils aus der Kiste bedeuten. Während dieses System für Kleinserien mit einer Entnahmezeit von 60 Sekunden pro Teil gut geeignet sein mag, ermöglichte die neue Produktionslinie einen Zyklus von 15 Sekunden, wodurch ein videogestütztes Kommissioniersystem unpraktisch wurde. JMP lieferte TRW zwei solcher Systeme. Jedes System ist mit einem Fanuc 710ib-45 Roboterarm von Fanuc und einer Kamera mit VisionPro-Software von Cognex ausgestattet. Das System nutzt außerdem die Reliabot-Software von Shafi, die die Kommunikation zwischen Roboterarm und Videoübertragung sowie die Führungsfunktionen des Roboterarms steuert. Ken McLaughlin, Produktionsleiter bei JMP, erklärte, dass die am Roboterarm montierte Cognex-Kamera die X- und Y-Koordinaten der Teile ermittelt. Der Roboterarm verfügt zudem über Infrarotsensoren (IR-Sensoren), die die Höhe eines bestimmten Teilestapels im Teilebehälter bestimmen. Sobald der Bediener den Teilebehälter mit den gestapelten Gussteilen in das System einsetzt und den Startknopf drückt, fährt der Roboterarm auf eine bestimmte Höhe. Die Kamera erfasst Bilder und ermittelt dabei die X- und Y-Positionen aller gestapelten Teile. Anschließend bestimmen die IR-Sensoren die Höhe jedes Stapels und legen so die Greifreihenfolge fest. Befindet sich ein Teil in einer ungewöhnlichen Höhe, tastet der Roboterarm es so lange ab, bis es die gleiche Höhe wie die anderen Teile hat. Dank des Videoführungssystems kann der Roboterarm die Teile auch dann noch greifen, wenn der Teilebehälter um 20 Grad geneigt ist. Speziell entwickelte Aktuatoren und Folgemechanismen sorgen dafür, dass Ausrichtung und Winkel der Teile für das Greifen optimal sind. Die gegriffenen Teile werden von einem Roboterarm auf ein Förderband gelegt und anschließend zum Bearbeitungssystem transportiert. Der gesamte Prozess ist in einem 12-Sekunden-Zyklus abgeschlossen und erfüllt damit die 15-Sekunden-Vorgabe von TRW. Während der Entwicklung des TRW-Systems bezeichnete Herr McLaughlin es als „2,5D-Videosystem“. Es ermittelt die X-, Y- und Z-Koordinaten eines Teils und kompensiert mithilfe von Endeffektoren Änderungen in Roll-, Nick- und Durchbiegungswinkeln. Das 3D-System arbeitet mit zwei Kameras im Stereomodus und kann die Position der Teile in einem Freiheitsgrad von sechs Grad bestimmen. Bei komplex geformten Teilen, wie z. B. Abzweigrohren oder Getriebeteilen, ist ein „semi-randomisiertes“ Verfahren erforderlich. Spezielle Vorrichtungen im Teilebehälter sorgen dafür, dass die Ausrichtung des Teils erhalten bleibt. Relativ einfach geformte Teile, wie z. B. kreisförmige oder zylindrische Teile (z. B. Bremsscheiben), können hingegen sowohl semi-randomisiert als auch vollständig randomisiert gegriffen werden. Die „Picking“-Technologie von Fanuc basiert auf einer Kamera, die über einem Teilebehälter angebracht ist. Diese Kamera ermittelt die ungefähre Position von 15 zu entnehmenden Teilen. Die Software vergleicht die erfassten Teile aus verschiedenen Richtungen und Winkeln mit Beispielteilen in einer Datenbank und identifiziert so die zu entnehmenden Teile. Ein am Roboterarm montierter Fanuc-Sensor dient der präzisen Positionierung jedes einzelnen Teils. Die Kamera ermittelt zunächst die X- und Y-Koordinaten sowie die Bezeichnung des Teils, während ein Laser in einem bestimmten Winkel zur Kamera mithilfe von Triangulation die Z-Koordinate, die Auslenkung und die Neigung bestimmt. Der Roboterarm fährt zum ersten anhand der ungefähren Position identifizierten Teil und prüft es. Stimmt es mit dem erfassten Teil überein, nimmt der Roboterarm es auf; andernfalls fährt er zum nächsten Teil. Das System kann aus verschiedenen Gründen Teile übersehen, und je mehr Teile übersehen werden, desto länger dauert die Suche. Durch kontinuierliche Präzisionsanpassungen der Systemkomponenten konnte die durchschnittliche Zykluszeit für die zufällige Teileentnahme mit dem Fanuc-System von 22 Sekunden im Jahr 2002 auf heute 15 Sekunden gesenkt werden. Motoman ist eine strategische Partnerschaft mit Shafi im Bereich der lang erwarteten Picking-Technologie eingegangen. Picking-Technologie ist jedoch kein Allheilmittel und auch nicht für alle Anwendungen die optimale Lösung. Es ist wichtig zu verstehen, dass nicht jede Lösung für jede Anwendung geeignet ist. Shafi teilt diese Ansicht. Beispielsweise erfordern zuverlässige Pick-and-Place-Vorgänge in manchen Picking-Anwendungen zwei Prozesse: Das Teil muss aus dem Behälter entnommen, abgelegt, wieder fixiert oder anderweitig bearbeitet werden – im Wesentlichen wird ein Roboterarm eingesetzt, um das Teil präzise an der Zielposition zu platzieren. In einer Fabrik ist entscheidend, ob das Teil innerhalb von X Sekunden aufgenommen und präzise platziert werden kann. Die Zykluszeit für die zufällige Teileentnahme durch den Roboterarm hängt vom Prozessablauf des Roboterarms und der in der jeweiligen Anwendung zurückzulegenden Strecke ab. Damit ein Greifsystem praktikabel ist, muss die Kamera die Bestätigung innerhalb von zwei bis drei Sekunden abschließen. Bei Teilen mit einfacher Geometrie hat Shafi dies erreicht und die Zeit auf vier bis sechs Sekunden reduziert, hauptsächlich durch den Einsatz schnellerer Prozessoren und verbesserter Algorithmen. Der Erfolg einer Greiflösung hängt zum Teil von der Geometrie der Teile und den Anwendungsanforderungen ab. Shafis Greifsystem nutzt fest installierte Kameras, Kameras an Roboterarmen und laserbasierte Beleuchtung. Eine weitere Technik besteht darin, die dreidimensionale Position der Teile durch die schnelle Aufnahme von zwei bis drei Bildern mit jeweils unterschiedlicher Beleuchtung zu erfassen, um die Position zu bestimmen. Diese Technik ist besonders effektiv, wenn ein Teil eines Teils verdeckt ist. Sofern die Anwendung es zulässt, ist eine fest installierte Kameralösung vorzuziehen. Nachdem ein Teil aufgenommen wurde, bewegt sich die Kamera zum nächsten Teil, während der Roboterarm ein weiteres Teil aufnimmt. Bewegliche Kameras an Roboterarmen sind kollisionsgefährdet, beispielsweise durch das Anstoßen an Teilebehälter oder andere Komponenten, während fest installierte Kameras dieses Problem vermeiden.