Automatische 3D-Erkennung und Bedrucken 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. Darüber hinaus 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.

Die Kamera sieht dabei die Spitze der Holzbalken in mittlerem Abstand (~40-90 cm) 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.

Das vom ZfT entwickelte System rechnet die erfassten Rohdaten um, bestimmt die Lage der Punktwolke im Roboterkoordinatensystem und extrahiert die potenziell 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, wissenschaftlicher Mitarbeiter beim ZfT. „Zusätzliche Pluspunkte sind die Kompaktheit der N35 sowie der Staub-/Feuchtigkeits-Schutz.“ Die Schutzart 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

„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.