Perfekt auf Kante

Hochmoderne Fertighäuser aus Holz, wie die von FingerHaus, sind auf dem Vormarsch. Für deren Produktion hat Beth Sondermaschinen ein Anlagenkonzept entwickelt, das sowohl die teilautomatisierte Produktion von Holzrahmenwerken als auch die automatisierte Beplankung von Wandelementen beinhaltet. Dabei kommen 3D-Kamerasysteme von phil-vision zum Einsatz.
Die 3D-Kamerasysteme erkennen die jeweilige Plattenposition der Holzwerkstoff- oder Gipskartonbauplatten. Die exakten Positionsdaten werden verarbeitet und an einen Roboter übergeben, der dann die präzise Beplankung übernimmt. - Bild: phil-vision GmbH
Die 3D-Kamerasysteme erkennen die jeweilige Plattenposition der Holzwerkstoff- oder Gipskartonbauplatten. Die exakten Positionsdaten werden verarbeitet und an einen Roboter übergeben, der dann die präzise Beplankung übernimmt. – Bild: phil-vision GmbH

Kernelement der Anlage ist eine Roboterzelle zur automatisierten Beplankung von Wandelementen. Bisher erfolgte die Beplankung der Wandelemente aus Gipsbau- und Holzwerkstoffplatten durch Mitarbeiter auf Montagetischen in der Produktionslinie, die anschließende Befestigung mittels handgeführter Klammergeräte. Danach wurden die Wandelemente an ein Puffersystem übergeben. Zukünftig bietet eine 50m lange Anlage mit ca. 10m Breite maximale Flexibilität bei der Beplankung mit Standardmaßen und Sondergeometrien, inklusive der Zuführung und Übergabe an den nächsten Produktionsschritt. Die automatisierte Beplankung ist mit Plattengeometrien von 80x250mm bis 1.250×3.000mm möglich. Die unterschiedlichen Plattenteile werden auf Stapeln liegend bereitgestellt. Dabei bilden die Plattenteile für ein Wandelement einen zusammenhängenden Stapel. Durch einen Roboter mit Vakuumgreifsystem werden die Plattenteile entnommen und auf dem Holzrahmenwerk exakt positioniert. Die Identifikation der Plattenteile übernimmt ein integriertes 3D-Kamerasystem. Die automatische Befestigung der unterschiedlichen Plattentypen erfolgt durch den Roboter unter Einsatz eines Klammergeräts.

Bild 2a/b I Aufnahmen eines Plattenstapels von oben. Farbcodierung der Höhe: 
blau=nach unten verbogen, rot=nach oben verbogen, grün=gerade.
Bild 2a I Aufnahmen eines Plattenstapels von oben. Farbcodierung der Höhe: blau=nach unten verbogen, rot=nach oben verbogen, grün=gerade. – Bild: phil-vision GmbH
  Aufnahmen eines Plattenstapels von oben. Farbcodierung der Höhe: 
blau=nach unten verbogen, rot=nach oben verbogen, grün=gerade.
Bild 2b I Aufnahmen eines Plattenstapels von oben. Farbcodierung der Höhe: blau=nach unten verbogen, rot=nach oben verbogen, grün=gerade. – Bild: phil-vision GmbH

Erkennung von Plattenposition/-lage

In enger Absprache mit dem Kunden entwickelte phil-vision ein Kernelement der Anlage, ein 3D-Kamerasystem zur Erkennung der zugeschnittenen Plattenbauteile inklusive Erkennungssoftware und Integration in die Gesamtanlage: Die 3D-Systeme erkennen die jeweilige Plattenposition der Holzwerkstoff- oder Gipskartonbauplatten, ein intelligentes Lichtsystem unterstützt dabei die Lageerkennung. Die exakten Positionsdaten werden umgehend durch eine von Beth entwickelte Software verarbeitet und an den Roboter übergeben, der dann die präzise Beplankung übernimmt. Eingesetzt wird ein System bestehend aus acht 20MP-Monochrom-GigE-Kameras und zwei Pattern-Projektoren, die oberhalb der Beplankungsstation angebracht sind. Die Kameras bilden jeweils vier Stereo-Systeme, welche mit nur einer Aufnahme eine komplette Punktewolke generieren. Die anschließende Verarbeitung erfolgt auf einem hochperformanten Industrie-PC. Die vom Kunden entwickelte Softwarelösung PK Construct sorgt für eine schnelle und sichere Kommunikation zwischen Kamerasystem und Roboter.

Jedes Fertighaus ein Unikat

Die Herausforderung an das System ist die Komplexität der Wandelemente, denn jedes Fertighaus ist ein Unikat, d.h. abgestimmt auf die Wünsche des Kunden. Neben Standard-Wandelementen gibt es immer wieder Sonderfälle mit unterschiedlichen Geometrien wie Wandlänge (800 bis 12.000mm, Toleranz +/-10mm), Wandhöhe (1.600 bis 3.000mm, Toleranz +/-5mm) und Wanddicke (80 bis 300mm, Toleranz +/-2mm). Auch die Formhaltigkeit der Materialien schwankt im Bereich von +/-3mm. Die Plattenteile eines Wandelementes sind jeweils in einem Stapel mit bis zu 70 Lagen zusammengehalten, dabei können mehrere Teile in einer Stapellage liegen. Diese liegen in keiner festen Reihenfolge, daher ist eine aneinander liegende Verarbeitung von links nach rechts auf dem Wandelement nicht möglich, sondern die einzelnen Plattenteile müssen jeweils an ihren unterschiedlichen Positionen auf dem Wandelement abgelegt werden. Die einzelnen Plattenteile dürfen durch den Transport- und Positionierprozess selbstverständlich nicht beschädigt werden. Maßtoleranzen sind zu berücksichtigen. Konstruktiv ist zwischen den einzelnen Plattenteilen einer Beplankungsanlage ein Spalt von 3mm vorgesehen, der zum Ausgleichen von Toleranzen genutzt werden kann.

Exakte Positionierung mit 3D-Kameras

Eine exakte Positionierung der einzelnen Platten ist unabdingbar, denn eine fehlerhafte Beplankung führt zum Stillstand des kompletten Produktionsprozesses. Um die exakte Position der Plattenteile für das Greifsystem zu ermitteln, werden die Plattenteile mit Hilfe der 3D-Kamerasysteme vermessen. Die ermittelten Daten ergeben die absolute Position im Koordinatensystem der Roboterzelle. Auf die Frage nach den wesentlichen Herausforderungen an das 3D-Ssystem antwortet Patrick Gailer, Geschäftsführer phil-vision: „Die schiere Größe des Systems, welches wegen dem großen Messvolumen nötig ist, mechanisch stabil zu bekommen ist eine große Herausforderung an die Kalibration, welche Temperatur korrigiert mit nur wenigen Rekalibrationen im Jahr auskommt. Außerdem ist es schwierig eine hochpräzise Position zu geben, während man gleichzeitig flexibel auf Bauelemente reagieren muss, die produktionsbedingt große Schwankungen gegenüber den Modellen vorweisen und die bis zum Dreifachen ihrer Höhe durchgebogen sein können. Das Ziel bei der Systementwicklung war zusätzlich, ein System bereit zu stellen, das deutlich günstiger ist als andere hochgenaue 3D-Scanner, die derzeit auf dem Markt erhältlich sind. Das von uns entwickelte System unterscheidet sich wesentlich von anderen Systemen, die getestet wurden. Die Kombination aus der kurzen Taktzeit von 8sec, dem großen Messvolumen von 4,1m³ bei einer Genauigkeit von deutlich unter 1mm, dürfte auf dem Markt einzigartig sein. Dadurch, dass die Bildaufnahme erfolgt, während der Roboter noch die zuvor vermessene Platte ablegt, sind sehr hohe Taktzeiten möglich. Das System hat sich in der Serienproduktion inzwischen über ein halbes Jahr bewährt.“

Handling und Klammern der Platten

Das Handling und Klammern der Platten auf dem Riegelwerk übernimmt in der Beplankungszelle ein ABB Industrieroboter vom Typ IRB 6700 auf einer über 20m langen Verfahrachse. Der Roboter ist mit einem Schunk Wechselsystem ausgestattet, um vollautomatisch zwischen dem Sauggreifer zur Aufnahme der Platten und dem Klammergerät wechseln zu können. Nachdem die Platten positionsgerecht auf dem in der vorherigen Zelle gefertigten Riegelwerk abgelegt wurden, werden diese entsprechend den kundenseitigen Konstruktionsvorgaben mit Klammern befestigt. Die Berechnung der optimalen Verfahrwege übernimmt hierbei wieder die Software PK Construct.

Fazit

Das Ergebnis des Projektes der Beth Sondermaschinen ist eine präzise Beplankungsmaschine die durch intelligent konzipierte Sicherheitsbereiche zusätzlich eine effiziente Zusammenarbeit zwischen Mitarbeiter:innen und Robotern ermöglicht. Eine zentrale Zellensteuerung ermöglicht die Steuerung einzelner Abläufe für maximale Flexibilität bei möglichen Zwischenarbeitsschritten. Mit dieser Anlage ist die Produktion von FingerHaus auf dem neuesten Stand der Technik und bestens gewappnet für die Zukunft. Friedrich Köster, Geschäftsführer der Beth Sondermaschinen: „Aufgrund der wesentlichen Bedeutung der Bildverarbeitung für die Funktionalität der Gesamtanlage haben wir nach einem leistungsfähigen Partner in diesem Bereich gesucht, den wir mit phil-vision gefunden haben. Die erfahrenen Experten haben uns hinsichtlich der Realisierbarkeit unserer Idee bestens beraten, umfangreiche Tests für uns durchgeführt und uns die optimale Kameratechnik zusammengestellt, die sich im praktischen Einsatz bei unserem Kunden FingerHaus tagtäglich bewährt.“

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