3D-Punktwolke lässt Roboter im Schreinerhandwerk sehen

Auch in der Möbelproduktion schreitet die Automatisierung voran. Für einzelne Bearbeitungsschritte gibt es diverse leistungsfähige CNC-Bearbeitungszentren, etwa von der Firma Homag Bohrsysteme GmbH. Nun hat die Firma für die MAB Möbel AG aus der Schweiz den gesamten Prozess rund um ein vertikales CNC-Bearbeitungszentrum mit Roboterhandling automatisiert. Mit Hilfe der Machine-Vision-Software MVTec Halcon greift ein Roboter Holzwerkstücke auf einem chaotisch angeordneten Stapel auf, führt sie dem Bearbeitungszentrum zu und entnimmt sie im Anschluss wieder. 

Wie viele andere Branchen, so steht auch die Holzbaubranche vor vielfältigen Herausforderungen. Zu nennen sind die Qualitätssicherung, offene Potenziale bei der Effizienz sowie der Fachkräftemangel. Eine Antwort darauf kann in einer weiteren Automatisierung liegen. Durch eine Automatisierung lassen sich Fehler reduzieren, die Qualität verbessern und die Effizienz steigern. Zudem kann die Produktion erhöht und beschleunigt werden, da sich Maschinen 24/7 betreiben lassen und bei der Qualitätskontrolle schneller und genauer agieren als der Mensch. Und schließlich kann die immer knapper werdende Ressource Mensch zielgerichteter eingesetzt werden, indem monotone und auch körperlich anstrengende Arbeiten automatisiert werden.  

Eine automatisierte Lösung, die eine Antwort auf diese Herausforderungen bietet, hat die Homag Bohrsysteme GmbH entwickelt. Das Unternehmen ist eine Gesellschaft der Homag Group und bietet mit ihren Hightech-Maschinen und -Anlagen für Kunden aus der Holzbaubranche vielfältige Unterstützungsmöglichkeiten. Teil des Produktportfolios sind CNC-Bearbeitungszentren, Durchlauf-Bohrmaschinen, Bohr- und Dübeleintreib-Maschinen bis hin zu Maschinen zur Bohr- und Beschlagsetztechnik. In der neuentwickelten Lösung geht es darum, ein solches vertikales CNC-Bearbeitungszentrum vollautomatisiert zu bestücken.  

Buchstäblich im Mittelpunkt der Anlage steht ein Roboter, der die Holzwerkstücke von einem Stapel greift, der CNC-Maschine zuführt und nach der Bearbeitung wieder entnimmt und ablegt. Der Clou dabei: Die Werkstücke sind alle individuell und in Form und Größe zuvor nicht bekannt. Zudem liegen sie chaotisch angeordnet auf dem Stapel. Dazu kommt, nicht nur die Werkstücke sind jeweils unterschiedlich, sondern sie müssen auch jeweils individuell gebohrt werden. Die Informationen dazu finden sich auf einem Barcode auf dem Werkstück. Die industrielle Bildverarbeitung macht es möglich, dass die Bearbeitung trotz dieser Herausforderungen komplett autonom erfolgt. Mithilfe der Machine-Vision-Software MVTec Halcon ist der Roboter in der Lage, die unterschiedlichen Werkstücke zu erkennen und sicher zu greifen. Die Software führt dazu zahlreiche Algorithmen aus und liest zudem die Informationen der Barcodes auf den Werkstücken aus und leitet diese an die CNC-Maschine weiter. Entsprechend diesen Informationen werden die geforderten, unterschiedliche Bohrungen durchgeführt. 

Prozessschritt komplett automatisieren 

Eine solche von Homag entwickelte vollautomatisierte Zelle ist in der Schreinerei der MAB Möbel AG im Einsatz. Das Unternehmen aus dem schweizerischen Muotathal produziert nach ökologischen und designorientierten Aspekten seit dem Jahr 1951 Qualitätsmöbel. „Wir wollen uns mit Lösungen weiterentwickeln, die wirklich Sinn machen. Die Weiterentwicklung der Zelle mit Laserscanning und chaotischem Stapelbild war die Funktion, auf die wir gewartet hatten. So kann die Zelle unserem Ziel nach Losgröße 1 gerecht werden und so macht es für uns auch Sinn zu automatisieren“, erklärt Luca Zingg. Mitglied der Geschäftsleitung und verantwortlich für die Unternehmensentwicklung bei der MAB.  

Bislang hat ein Mitarbeiter die Bestückung des CNC-Bearbeitungszentrums erledigt. Dieser musste die Werkstücke aufnehmen, den darauf angebrachten Barcode scannen, sie in die CNC-Maschine einlegen und nach der Bearbeitung auf einer weiteren Palette ablegen. Diese monotone Arbeit wird nach mehreren Stunden körperlich anstrengend und ist hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit nicht sonderlich effizient.  

Tobias Schwarz, Senior Director Product Development bei der Homag Bohrsysteme GmbH, erklärt die Zielsetzung der Automatisierung: „Die MAB hat es sich zum Ziel gesetzt, ihre Produktivität zu steigern, die Mitarbeiter effektiver und vor allem in schonenderen Arbeitsplätzen einzusetzen und dadurch auch Kosten zu sparen. Ein weiterer Vorteil eines vollautomatischen Produktionsprozesses ergibt sich dadurch, dass die Werkstücke vor dem Bearbeiten nicht mehr sortiert werden müssen, denn die Anwendung kann auch chaotisch angeordnete Stapel bearbeiten. Dies spart in dem vorgelagertem Prozessschritt Zeit, was wiederum die Produktivität weiter erhöht.“  

Die Herausforderung bei der Umsetzung lag darin, eine neuartige Lösung zu entwickeln, denn diese gab es auf dem Markt so noch nicht. Auch für das Machine-Vision-System ist die Aufgabe nicht einfach. Das liegt „erstens“ an der enormen Vielfalt der Werkstücke. Es müssen nämlich auch verschiedene Dekore verarbeitet werden. Die Bildverarbeitung muss „zweitens“ mit Umgebungslicht funktionieren. Dadurch, dass nicht jeder Bereich vollständig ausgeleuchtet ist, können weniger leistungsfähige Vision Systeme Schwierigkeiten bekommen, die exakte Position der Werkstücke zu finden. Schließlich „drittens“ ist es technisch anspruchsvoll, die Flächen relativ flacher Bretter zu separieren. „Trotz der Herausforderungen war es klar, dass eine solche vollautomatisierte Lösung auf Basis von Machine Vision erfolgen muss. Wir mussten dem Roboter das Sehen beibringen. Und mit anderen Technologien, etwa mit Sensoren, ist eine praktikable Umsetzung faktisch nicht möglich, insbesondere was das Thema Geschwindigkeit betrifft“, erklärt Schwarz.  

Einzelne Werkstücke erkennen 

Die Applikation besteht aus mehreren Hardwarekomponenten. Im Mittelpunkt steht ein Roboter mit sechs Achsen. Als Endeffektor kommt ein Vakuum-Flächengreifsystem zum Einsatz. Ebenfalls am Greifarm des Roboters ist ein 3D-Laserscanner angebracht. Die Bohrungen finden im CNC-Bearbeitungszentrum DRILLTEQ V-310 aus dem Hause Homag statt. Das Bearbeitungszentrum bietet vielfältige Möglichkeiten, Holzwerkstücke präzise zu bearbeiten.  

Bei der Machine-Vision-Software entschied sich Homag für MVTec Halcon. „Wir arbeiten schon länger mit der Software von MVTec. Halcon verfügt über einen riesigen Pool an Machine-Vision-Operatoren, mit denen so ziemlich alle Machine-Vision-Anwendungen robust umgesetzt werden können. Außerdem ist die Software flexibel hinsichtlich der Kombinierbarkeit mit verschiedenen Hardwarekomponenten. Dazu kommt, dass man sich bei technischen Fragen einfach an den Customer Service von MVTec wenden kann“, schildert Schwarz die Entscheidung für Halcon.  

Im Einsatz bei MAB verläuft der Produktionsprozess folgendermaßen: Ein Mitarbeiter befördert die Holzwerkstücke auf einen unbekannten und chaotischen Stapel in den Arbeitsbereich. Anschließend verfährt der Roboter über den Stapel, und zwar so, dass der 3D-Laserscanner den Stapel von oben abscannen kann. Der Laserscanner erstellt daraufhin eine 3D-Punktwolke. Dabei handelt es sich um eine absolut präzise dreidimensionale Nachbildung von Objekten aus einer Vielzahl einzelner Datenpunkte.  

Nach dem Bildeinzug extrahiert die Machine-Vision-Software MVTec Halcon auf Basis der 3D-Punktwolke die oberste Lage der Holzwerkstücke und bestimmt die räumliche Lage jedes einzelnen Werkstücks. Ein Stapelalgorithmus berechnet anschließend die optimale Reihenfolge, in der die Werkstücke vom Roboter entnommen werden sollen. Das ist kein unwichtiges Detail, denn ein ungleich entladener Stapel kann umstürzen. Sodann startet der Roboter seine Arbeit, entnimmt die Holzwerkstücke gemäß der berechneten Reihenfolge und übergibt sie an das CNC-Bearbeitungszentrum. Zuvor nimmt der 3D-Laserscanner ein 2D-Bild des Codes auf. MVTec Halcon liest diesen Code aus und übermittelt die Informationen an die Maschine. Dort wird das Werkstück den Informationen entsprechend bearbeitet. Anschließend greift der Roboter das Werkstück wieder auf und legt es auf den Zielstapel ab. 

Mehrere Bildverarbeitungsaufgaben übernehmen 

„Wir sehen, dass sich Machine Vision in der Holzbaubranche und bei Schreinereien einer immer größeren Beliebtheit erfreut. Unsere Software MVTec Halcon bietet zahlreiche Methoden, etwa für Inspektionsaufgaben oder zur Zusammenarbeit mit Robotern, die die Automatisierung und Digitalisierung dieser Branche nachhaltig unterstützen können“, sagt Jan Gärtner, Product Manager Halcon bei MVTec.   

Damit der Roboter in der Anlage bei MAB wirklich autonom arbeiten und die Werkstücke präzise greifen kann, muss die Machine-Vision-Software mehrere Tätigkeiten ausführen. Zunächst wandelt MVTec Halcon die 3D-Punktwolke in Informationen zur weiteren Bearbeitung um. Dafür nutzt Halcon „3D Object Models“. Dieser zentrale Container ist der Ausgangspunkt für die Erstellung eines Koordinatensystems, das innerhalb der Machine-Vision-Software erstellt wird und an den Roboter übermittelt wird. Verschiedene Operatoren von Halcon bestimmen dazu zunächst den Abstand vom Greifer zur Palette, anschließend wird die oberste Lage der Werkstücke berechnet und im letzten Schritt die konkrete Position jedes einzelnen Werkstücks. Diese Positionen werden in das Koordinatensystem der Machine-Vision-Software Halcon integriert und dann dem Roboter übermittelt.  

Im Zuge der Aufnahme des 3D-Scanners von einer obersten Lage der Palette, nimmt dieser auch 2D-Bilder auf. Dieses Bild nutzt Halcon, um die Informationen des Barcodes zu lesen, der auf jedem Werkstück aufgebracht ist. Die Besonderheit hier: Das aufgenommene Bild ist recht groß, der Bildbereich der Barcodes entsprechend klein. Es ist eine große Herausforderung für jede Software der industriellen Bildverarbeitung so kleine Barcodes zu lesen. „Der Bildverarbeitungsteil der Umsetzung war nicht ganz trivial. Wir mussten aufgrund der flachen Bretter 2D- und 3D-Methoden miteinander kombinieren. Das war mit Halcon möglich und hat die Implementierung deutlich vereinfacht“, erklärt Schwarz. 

Anlage im Sommer 2025 fertig entwickelt 

Die Anlage ging bei der MAB Möbel AG im Sommer 2025 in Betrieb. „Dank der engen Absprachen zusammen mit den beteiligten Partnern konnten wir schon ab der Inbetriebnahme sehr gute Ergebnisse erzielen. Mittlerweile läuft die Anlage in einem sehr zuverlässigen Betrieb, was uns sehr zufrieden macht und uns zuversichtlich in die Zukunft blicken lässt“, erklärt Luca Zingg. „Das „Mehr“ an Automatisierung entlastet die MAB deutlich, da die Arbeitskräfte, die bisher diese Tätigkeit übernommen hatten, sich anderen, wichtigeren Aufgaben widmen können. Auf der anderen Seite ist diese Lösung für uns auch eine wichtige Entwicklung, denn wir können damit den Automatisierungsgrad unserer Grundmaschinen deutlich erhöhen und Kunden somit einen weiteren Mehrwert bieten“, erklärt Tobias Schwarz und führt fort: „Industrielle Bildverarbeitung spielt hierbei eine wichtige Rolle, denn die Technologie ist ein Automatisierungs-Enabler. Wir sehen in der Zusammenarbeit mit MVTec die Chance, unseren Kunden erstklassige und zuverlässige Lösungen zu bieten.“ 

Kontakt: Tobias Möldner