Anwendungsberichte

Holzauge sei wachsam

Automatische 3D-Erkennung und Bedrucken von Holzbalken

Automatische 3D-Erkennung und Bedrucken von Holzbalken

Holz ist weltweit vom Volumen und von der Masse her der bedeutendste Rohstoff. Das Naturmaterial ist zugleich einer der ältesten Baustoffe und wird immer beliebter: Holz ist ökologisch, wohngesund und vermittelt mehr als jedes andere Baumaterial ein Gefühl von Behaglichkeit. In den vergangenen zehn Jahren hat sich der Marktanteil von Holzhäusern auf 15 Prozent aller hierzulande gebauten Häuser verdoppelt. Der Produktionsschwerpunkt verlagert sich dabei von der Baustelle in die Werkshalle der Zimmerei. Dort spielt Automatisierung zunehmend eine Rolle, um möglichst kosten- und zeiteffizient und damit zukunftsfähig aufgestellt zu sein. Aktuelles Beispiel: Das Zentrum für Telematik e.V. mit Sitz in Würzburg hat für das Unternehmen Georg Schumann GmbH & Co. KG, Igersheim, eine Robotik-Lösung zur automatischen Beschriftung von Holzbalken entwickelt.

Die Firma Schumann bietet über ein Sägewerk und den angeschlossenen Holzhandel einen vollautomatischen Abbundservice. Dort werden Holzbalken in unterschiedlichsten Varianten gefertigt, die bislang alle von Hand beschriftet wurden. Bei der Beschriftung geht es in diesem Fall um die numerische Kennzeichnung einer für den Kundenbedarf, d.h. in der Regel für den Zimmermann, zugeschnittenen Bauholzliste. Darüberhinaus kann das System beispielsweise auch zur Kennzeichnung von Zertifizierungen (Nachhaltigkeit, Herkunft) oder Sortierungen (nach Qualität, Stärke, Trocknungsgrad und Verwendungszweck) eingesetzt werden. Um den Beschriftungsprozess zu automatisieren, wurde ein System entwickelt, in das ein Industrieroboter, eine 3D-Kamera und ein kompaktes Tinten-Drucksystem integriert sind. Die Lösung ermöglicht die automatische Bestimmung möglicher Druckflächen, die Auswahl der Druckposition sowie der optimalen Ausrichtung und Größe der Schrift.

Automatische 3D-Erkennung und Bedrucken von Holzbalken
Das Ergebnis der Bearbeitung: vom System zugeschnittener
und automatisch beschrifteter Stapel von Holzbalken.

Um in einem Palettenstapel später gut sichtbar zu sein, muss der Druck möglichst auf der Balken-Vorderseite erfolgen. Dabei muss die Kamera die unterschiedliche Form und Position der Holzbalken erkennen: Jeder Balken verfügt beispielsweise über andere Schrägen, Zapfen oder Vertiefungen im Druckbereich. Darüberhinaus ist die Lage der Balken vor dem Roboter durch Varianz bzw. Toleranzen im vorgelagerten Produktionssystem nie ganz gleich. Erforderlich ist dafür ein Bildverarbeitungssystem, mit dem der Roboter die jeweilige Position und die 3D-Oberflächen jedes Balkens schnell, zuverlässig und präzise erfassen kann.

Zur Erfassung der Balken-Lage und -Geometrie wird eine Ensenso N35-Kamera eingesetzt. Sobald das Holz in Druckposition liegt, platziert der Roboter die am Flansch montierte Kamera automatisch so, dass sie die Oberflächen des Balkens erfassen kann.

Bei Bedarf wird die Kamera vom Roboter an mehreren Seiten um den Holzbalken herum positioniert, um verschiedene Ansichten der unterschiedlichen Seiten des Balkens zu ermöglichen.

Automatische 3D-Erkennung und Bedrucken von Holzbalken
Von der Software aus den 3D-Rohdaten bestimmte
mögliche Druckflächen (grün)…

Die Kamera sieht dabei die Spitze der Holzbalken in mittlerem Abstand (~40-90cm) aus verschiedenen Schrägperspektiven. Sie ist mit zwei monochromen CMOS-Sensoren (Global-Shutter, 1280 x 1024 Pixel), GigE-Schnittstelle, verschraubbaren GPIO-Steckverbindern für Trigger und Flash sowie einem Projektor ausgestattet. Die im Modell N35 integrierte Flex View-Technik ist besonders für die 3D-Erfassung stehender Objekte und für Arbeitsabstände bis 3.000 mm geeignet. Dabei kann die Position der Projektormaske im Lichtstrahl linear in sehr kleinen Schritten verschoben werden. Folglich verschiebt sich die projizierte Textur auf der Objektoberfläche der Szenenobjekte ebenfalls und erzeugt andere Hilfsstrukturen. Mehrere Bildpaare derselben statischen Szene mit unterschiedlichen Texturen aufgenommen, erzeugen eine viel höhere Anzahl von Bildpunkten. Die Auflösung vergrößert sich. Neben der Auflösung steigt auch die Robustheit der Daten auf schwierigen Oberflächen, da die verschobenen Musterstrukturen zusätzliche Informationen aufbringen. Damit entspricht die Ensenso N35 den Anforderungen des Kunden: die möglichst präzise und rauscharme Erfassung der Holzflächen.

Automatische 3D-Erkennung und Bedrucken von Holzbalken
...und ermittelte Druckposition (türkis)

Das vom ZfT entwickelte System rechnet die erfassten Rohdaten um, bestimmt die Lage der Punktwolke im Roboter-koordinatensystem und extrahiert die potentiell zum Druck geeigneten Ebenen auf dem Balken. Aus diesen Daten werden die Druckposition sowie die optimale Druck-Größe und Ausrichtung für den vorgegebenen Text berechnet. Anschließend fährt der Roboter die mittels Kamerasystem ermittelten Druckpositionen an und führt mit dem Tintendrucker präzise den eigentlichen Druck durch.

"Entscheidend für unsere Kameraauswahl war die Mess-Genauigkeit der Kamera im Erfassungs-Volumen, sowie die Geschwindigkeit der Messung", erklärt Florian Leutert, wissenschaftl. Mitarbeiter beim ZfT.  "Zusätzliche Pluspunkte sind die Kompaktheit der N35 sowie der Staub-/Feuchtigkeits-Schutz." Die Schutzklasse spielt für die Holzverarbeitung in der Sägewerksumgebung eine große Rolle. Dafür ist das robuste, kompakte Aluminiumgehäuse der Ensenso N35 3D Kamera perfekt geeignet. Sie erfüllt die Anforderungen der Schutzart IP65/67 und ist somit vor Schmutz, Staub, Spritzwasser und in diesem Fall vor Tinte geschützt.

Das im Lieferumfang enthaltene Ensenso SDK wird zum Setzen der Kameraparameter sowie zum Triggern der Messung und Auslesen der gemessenen 3D-Punktwolke verwendet. Zur Transformation und Weiterverarbeitung der Daten hat das ZfT eine eigene Software entwickelt.

Ausblick

Automatische 3D-Erkennung und Bedrucken von Holzbalken
Scan eines vom Produktionssystem vor dem Roboter
platzierten Balkens mit Schrägschnitt.

"In der Robotik werden zunehmend nicht nur starre Automatisierungslösungen benötigt, sondern automatische Verarbeitungssysteme, die flexibel mit verschiedenen Werkstücken und Umgebungen umgehen können", definiert Florian Leutert künftige Anforderungen. Dafür werden qualitativ hochwertige Kameras gebraucht, denn die 3D-Erfassung des Arbeitsraumes muss in der vom Robotiksystem benötigten Genauigkeit, d.h. möglichst im Submillimeterbereich, erfolgen. Kein Problem für die Ensenso Stereo-3D-Modelle von IDS: damit wird 3D-Vision nicht nur robust und einfach, sondern auch schnell und präzise. Sie bilden eine zuverlässige und zukunftsträchtige Komponente für die automatische 3D-Erfassung unterschiedlicher Teile, nicht nur als wachsames "Holzauge" für die holzverarbeitende Industrie.

Ensenso N35 im Überblick. 3D-Vision, schnell und präzise.

Ensenso N35
  • Mit GigE Schnittstelle – universell und flexibel einsetzbar
  • Kompaktes, robustes Aluminiumgehäuse
  • IP65/67
  • Global-Shutter CMOS-Sensoren und Musterprojektor, wahlweise blaue oder Infrarot-LEDs
  • Max. fps (3D): 10 (2x Binning: 30) und 64 Disparitätsstufen
  • Max. fps (offline processing): 30 (2x Binning: 70) und 64 Disparitätsstufen
  • Konzipiert für Arbeitsabstände bis 3000 mm (N35) und variable Bildfelder
  • Ausgabe einer einzigen 3D-Punktewolke aller im Mehrkamerabetrieb eingesetzten Kameras
  • Live-Komposition der 3D-Punktwolken aus mehreren Blickrichtungen
  • Integrierte FlexView Technik für eine noch höhere Genauigkeit der Punktwolke und Robustheit der 3D Daten von schwierigen Oberflächen
  • "Projected Texture Stereo Vision“-Verfahren für Aufnahmen texturloser Oberflächen
  • Erfassung sowohl stehender als auch bewegter Objekte
  • Mitgeliefertes Softwarepaket mit Treiber und API für Windows und Linux
  • Ein Softwarepaket unterstützt sowohl USB als auch GigE Modelle
  • Beispielprogramme mit Quellcode für HALCON, C, C++, C#
  • Vorkalibriert und somit einfach einzurichten
  • Integrierte Funktion für die Roboter-Hand-Auge-Kalibrierung mittels Kalibrierplatte
  • Softwareseitige Einbindung von uEye Industriekameras, bspw. um zusätzliche Farbinformationen oder Barcodes zu erfassen
  • Subsampling und Binning für flexible Daten- und Frameraten

Kunde

Zentrum für Telematik e.V.

Das Zentrum für Telematik e.V. informiert in unabhängiger und kompetenter Weise die Industrie hinsichtlich der Chancen beim Einsatz von Telematik-Techniken. Insbesondere bietet es der Industrie Unterstützung bei der Entwicklung von innovativen Produkten und Dienstleistungen an. Anwendungsschwerpunkte liegen in der Fernwartung und Fern-Inbetriebnahme von Industrieanlagen, bei der Sicherheitsüberwachung, Unterstützung von Hilfskräften in Gefahrensituationen, in der Telemedizin, der Fern-Ausbildung und der Verkehrssteuerung. http://www.telematik-zentrum.de