Legosortiermaschine Separierung

Autoren: Maik Schmotz,Nils Busemann,

Dies ist ein Unterartikel von der Legoteil_Zählmaschine, welcher den genauen Aufbau der Separierung beschreibt.

Die Separierung ist der erste Schritt zum Sortieren der Legoteile. Ziel dabei ist, die verschiedenen Teile zu separieren und einzeln in die Bildverarbeitung laufen zu lassen. Dies ist notwendig, da die Bildverarbeitung lediglich einzelne Legoteile erkennen kann.

Zur Separierung der Legoteile wird ein Bunker inklusive Bunkerförderband verwendet, welches die Teile sammelt und zum Förderband transportiert. Die Teile werden dort durch eine Bilderkennung befördert und ,wenn nötig, vereinzelt. Die Kamera macht Bilder des Förderbandes und erkennt die Anzahl der auf dem Band liegenden Teile in einem festgelegten Bereich. Falls sich mehr als ein Teil in diesem Bereich befinden, werden diese mit Hilfe von Druckluftdüsen nach hinten gepustet. Somit werden die Teile neu angeordnet und bewegen sich anschließend erneut durch die Bilderkennung. Befinden die Legoteile bereits vereinzelt auf dem Förderband werden sie zur Legoteil Erkennung gefahren.

Die Probleme der Vereinzelung bestehen darin, dass das Bunkerband bei gefülltem Bunker überfüllt und somit zu viele Teile auf das Förderband fallen. Wird das Bunkerband nicht angehalten, fallen immer mehr Teile nach. Falls die Teile in der Bilderkennung durch die Druckluftdüsen nach hinten gepustet werden, kommt es zu einer Aufstauung der Teile in bzw. vor der Bilderkennungsbox. Ein weiteres Problem der Separierung ist in der Ansteuerung der Druckluftdüsen zu finden. Werden mehrere Teile in dem kritischen Bereich erkannt, werden automatisch beide Düsen angesteuert und somit alle Teile an den Anfang der Teileerkennung befördert. Dadurch kann es zu einer enormen Verzögerung in der Vereinzelung der Teile kommen.

Geschichte

Abbildung 1: Alter Aufbau der Legoteilzählmaschine

Die Ergebnisse des vorausgegangenen Praktikums haben aufgezeigt, dass eine Vereinzelung der Legoteile mit dem vorhandenen Aufbau schwer zu verwirklichen ist (siehe Semester 2016). Durch das Befüllen des Bunkers mit einer Vielzahl an Legoteilen, gestaltet es sich schwierig, die Anzahl der ausgegeben Legoteile auf das Förderband zu regulieren. Es kommt oft dazu, dass sich zu viele Teile auf dem Fließband befinden. Eine Verminderung der Geschwindigkeit des Förderns aus dem Bunker reicht nicht aus, da die Lamellen des Stetigförderers zu viele Teile aufnehmen können. Auch vereinzelte das vorherige Konzept mit unterschiedlich schnell laufenden Bändern die Teile nicht, wenn sich zu viele Teile auf dem Band befanden.

In Wintersemester 2016/2017 wurde das Konzept umgesetzt, dass Hindernisse am Rand des Förderbandes angebracht werden. Diese sollten nur einzelne Teile durchlassen, wenn sich eine Vielzahl an Teilen auf dem Förderband befinden. Es stellte sich heraus, dass das Anbringen von Hindernissen auf dem ersten Förderband nicht wie gewünscht die Legoteil-Gruppen auseinander zieht und gelegentlich durch verklemmte Teile die Legoteil-Zufuhr zur Bilderkennung verstopft. Dies hat in Kombination mit den Problemen bei der Sortierung von Legoteilen nach dem Erkennungsprozess dazugeführt, dass eine Überarbeitung des Gesamtkonzeptes notwendig war, um die Zuverlässigkeit der Legoteil-Zählmaschine gewährleisten zu können.

Neues Konzept zur Separierung der Legoteile

Das neue Konzept zur Separierung besteht aus einer eigenen Bilderkennungsbox, in der erkennt werden soll, ob sich zu viele Legoteile zur selben Zeit auf dem Laufband befinden. Am Ausgang der Bildbearbeitungsbox befinden sich zwei Laufdruckdüsen, die einen Laufstoß ausgeben können wenn sich zu viele Teile auf dem Band befinden. Dabei werden die Teile entgegen der Laufrichtung des Bands befördert. Es folgt eine erneute Auswertung der Anzahl der sich auf dem Fließband befindenden Teile. Sollten sie nun vereinzelt sein, können die Box passieren. Dazu wurden kritische Bereiche in der Bilderkennungsbox definiert, in welchen die Teile erkannt und gezählt werden. Je nach Lage und Anzahl der sich auf dem Förderband befindenden Teile werden die Laufdruckdüsen einzeln, zusammen oder gar nicht angesteuert.

Umbau der Legoteil-Zählmaschine

Abbildung 2: Neuer Aufbau der Legoteil Zählmaschine

Um das neue Konzept des vorherigen Kapitels umzusetzen, mussten einige Komponenten an der Legozählmaschine umgebaut und angepasst werden (siehe Abbildung 2). Zum einen wurde das erste, kurze Förderband entfernt, sodass nur noch das Lange verwendet wird. Dies war notwendig um Platz für den Anlagenteil zur Sortierung zu schaffen, außerdem ist die Separierung durch zwei unterschiedlich schnell laufende Förderbänder nicht mehr Teil des Separierungskonzepts. Am Anfang des Förderbandes wurde der Bunker platziert, der die Legoteile auf das Band befördert. Die Box zur Bilderkennung befindet sich nach wie vor mittig auf dem langen Förderband. Innerhalb dieser Box wird die Lage der Legoteile erfasst. Am Ausgang der Box wurden zwei Luftdruckdüsen so angebracht, dass diese die Legoteile in der Box auf dem Band zurück pusten können. Mithilfe dieser Düse ist es nun möglich, von der Bildverarbeitung erkannte Häufungen von Legoteilen auseinander zu treiben. Am Ende des langen Laufbandes wurde eine neue Bildverarbeitungsbox angebracht, in der die Legoteile erkannt werden (weitere Informationen hierzu sind im Kapitel "Gruppe: Bildverarbeitung" zu finden). An dieser Box grenzt die Separierung(siehe Kapitel "Gruppe: Sortierung").

Um Platz zur Umsetzung einer Sortieranlage zu schaffen, wurde der Stromkasten vor Kopf der Anlage platziert. Unter dem Förderband wurde eine Ventilinsel platziert, mit der sich alle Luftdruckdüsen des Systems steuern lassen. Die Ventilinsel ist mit vier Ventilen bestückt, es können aber weitere Ventile nachgerüstet werden. Die Kontakte der Ventilinsel sind in den Schaltschrank geführt. Der Druckluftanschluss kann über ein Schnellspannanschluss an normale Druckluftanschlüsse angeschlossen werden. Die Verkabelungen und Verschlauchungen des neuen Aufbaus wurden, soweit möglich, in Kabelkanälen verlegt.

Eine Montage von Schutzblechen vor der Bildverarbeitung der Separierung ist aus zeitlichen Gründen noch nicht geschehen. Die Bleche sollen Teile daran hindern, vom Laufband zufallen wenn sie von einem Luftstoß erfasst werden. Des Weiteren bestand ein Konzept, flexible Elemente in Form von Borsten einzusetzen, damit große Gruppen von Legoteilen direkt im Bunker zurückgehalten werden können. Das Konzept wurde aus zeitlichen Gründen nicht umgesetzt, es wurden jedoch bereits verschiedene Besen angeschafft.

Umbau Separierungsbox

Abbildung 3: Die neukonstruierte Bildverarbeitungsbox

Um eine genauere Vereinzelung zu gewährleisten, wurde die Separierungsbox neu konstruiert und gefertig. Die neuen Anforderungen an die Box war, dass genug Platz für ein effektiveres Auseinanderschießen geboten wird. Des Weiteren sollen die Luftdüsen in die Separierungskiste verlagert werden, um ein Verstellen und somit eine ausversehene Neuausrichtung der Düsen zu verhindern. Für die Konstruktion der neuen Separierungsbox wurde die Software SolidWorks verwendet. Anhand von alten Referenzdaten und neuen Vermessungen wurde der Kasten neu konstruiert und anschließend aus Holz gefertigt. Weil der Kasten an der Seite des Förderbandes befestigt wird und aus massiven Holz gefertigt wurde, wird eine höhere Stabilität der Box selbst, aber auch eine einheitlichere Ausrichtung der Kamera gewährleistet. Mit der Neukonstruktion mussten auch die verwendeten LED Streifen neu angebracht werden. Zudem wurde eine Serviceklappe eingebaut, um einen einfacheren Zugang zu dem Innenraum der Kiste zu ermöglichen. Diese Klappe wurde jedoch noch nicht in Betrieb genommen, da der Hauptaugenmerk auf dem Aufbauen und Ausrichten der Verinzelungsbox lag. Die Kamera wurde auf der Box mit einem Boschprofil verbunden und durch eine Verschraubung an dem Kasten befestigt. Für den vereinfachten Zugang zum inneren der Vereinzelungsbox wurde eine Serviceklappe montiert. Diese ist durch ein Winkel am Gehäuse verbunden und durch eine Schraube verschlossen. Verkantet sich ein Teil, kann diese gelöst und die Klappe geöffnet werden. Durch eine bestehende Gefahr vor Verletzungen sollte sich lediglich im Stillstand Zugang zum Inneren verschafft werden.

Umbau Bunkerband

Abbildung 3: Die neukonstruierte Bildverarbeitungsbox

Ziele und Aufgaben im Semester 2017/2018

Team: Maik Schmotz, Nils Busemann

Ziel: Die Teile sollen einzeln in die Bildverarbeitung fallen.

Aufgaben:

• Bunkerband bei vollem Förderband stoppen

• wenige Teile pro Lamelle auf dem Bunkerband garantieren

• die erste Bildverarbeitung optimieren

• Luftdüsen optimal einstellen und ansteuern

• Abschirmung für zurückfliegende Teile anbringen

Stand: Zum jetzigen Stand wird das Bunkerband bei einer Erkennung von Legoteilen angehalten. Des Weiteren wurde eine Einzelansteuerung der Düsen implementiert. Eine hundertprozentige Erkennung und Unterscheidung der Legoteile und eine daraus resultierende Separierung konnte noch nicht realisiert werden.

Erkennung von Legoteil-Gruppen

Abbildung 4: Ablaufplan Legoteilerkennung

Zur Umsetzung der Separierung wurde eine Funktion entwickelt, die Gruppen von Legoteilen erkennen soll und die Separierung per Luftdruck durchführt.

Programmablauf (siehe Abbildung 4)
Zu Beginn der Separierungsfunktion müssen zunächst Steuerbefehle zur Betreibung der Anlage erteilt werden. Dazu gehört die Einrichtung einer seriellen Schnittstelle mit dem steuernden Arduino Mega. Außerdem sind Einstellungen an der Webcam vorzunehmen, um Fehler durch ungenaue Kameraparameter zu verhindern. Diese können beispielsweise durch eine Fehlkalibrierung entstehen. Neben der Definition von weiteren Parametern, unter anderem zur Festlegung des kritischen Bereichs der Fotobox, wird die Anlage automatisch gestartet, d.h. die Laufbänder starten und das Licht in der Fotobox eingeschalten.
Nachdem die Anlage gestartet wurde, wird die eigentliche Funktion der Legoteil-Gruppenerkennung gestartet. Es wird ein Bild vom Innenraum der Bildverarbeitung aufgenommen (siehe Abbildung 5 links) und anhand der zuvor eingestellten Parameter so zugeschnitten, dass Bildränder und weitere uninteressante Bereiche wie der unmittelbare Ein- und Ausgangsbereich sowie die Ränder des Förderbandes entfernt werden. Anschließend wird das Bild so gefiltert, dass nur noch die Legofarben Inhalt des Bildes sind. Das Ergebnis wird dabei in ein Binärbild umgewandelt, die Erkennung der Farben wird durch mehrere Unterfunktionen realisiert. Die entstandenen Bilder werden von kleinen Pixelelementen entfernt, und Lücken im Inneren der Objekte geschlossen. Anschließend werden die Bilder zu einem zusammengeführt. Durch Labeln der Pixelgruppen kann nun die Anzahl der Objekte im Raum bestimmt werden (siehe Abbildung 5 unten links). Anschließend wird ein zweiter Zuschnitt des Bildes vorgenommen, der einen kritischen Bereich betrachtet. Dieser Bereich liegt an einer Stelle, an der die Luftdruckdüsen präzise auf die Legoteile ausgerichtet sind. Außerdem handelt es sich hierbei um einen dünnen Streifen, der die Breite des Förderbandes aber zwingend abdecken muss. Nach dem erneuten Zuschnitt des Bildes wird ausgewertet, wie viele verschiedene Label in diesem Bereich vertreten sind (siehe Abbildung 5 rechts). Befindet sich mehr als ein Objekt im kritischen Bereich, werden die Luftdruckdüsen angesteuert, da die Legoteile nicht separiert in der Legoteilerkennung ankommen. Befindet sich ein oder kein Legoteil in diesem Bereich, werden die Düsen geschlossen und die Teile werden in die Legoteilerkennung befördert. Des Weiteren ist eine Einzelansteuerung der Luftdüsen realisiert worden, um ein präzises Entfernen von Einzelteilen zu ermöglichen und somit den Separierungsvorgang zu beschleunigen. Das Ergebnis der Software wir in Abbildung 5 in der Überschrift oben links ausgegeben. Mehrere Testdurchläufe haben jedoch gezeigt, dass bei einer großen Anzahl an Legoteilen in der Bildverarbeitungsbox durch gegenseitige Behinderung die Box nicht mehr verlassen und gegen die hintere Wand des Eingangsbereiches der Box stoßen. Dadurch werden die Teile nicht ausreichend weit zurückgeworfen. Durch ein Integrieren einer Bunkerbandstopp-Funktion kann nun einzelne Lamellen mit Legoteilen auf das Förderband befördert werden. Das Bunkerband stoppt also, falls Legoteile in der Fotobox erkannt werden. Dadurch werden weniger Teile in die Bildverarbeitungsbox gefördert, welche sich dort behindern könnten. Somit wird eine durchgängige Aktivierung der Düsen verhindert. Diese Funktion muss während des gesamten Programmablaufs durchgeführt werden. Wird das Programm beendet, wird die Anlage gestoppt, d.h. das Licht und die Motoren werden ausgeschaltet. Das Software-Modul lautet: Separierung.m

Abbildung 5: Bildverarbeitung der Separierungsfunktion

Verbesserungsmöglichkeiten der Software
Eine weitere Abhilfe gegen die Aufstauung von Legoteilen sollte die Vergrößerung des Eingangsbereiches schaffen, sodass zurück gepustete Legoteile die Bildverarbeitung wieder verlassen bzw. weiter nach hinten auf dem Förderband gepustet werden können.
Ein weiterer Aspekt ist, dass über- oder direkt aneinanderliegende Legoteile mit dem aktuellen Algorithmus als ein Teil erkannt und durchgelassen werden. Dies kann dadurch verbessert werden, dass z. B. durch die Verwendung von Besen und Abstreifern das Übereinanderliegen der Legoteile verhindert wird. Außerdem kann beispielsweise ermittelt werden, ob erkannte Objekte aus unterschiedlichen Farben bestehen. Ist dies der Fall, handelt es sich nicht um ein Teil, sondern um mehrere. Dies würde die Wahrscheinlichkeit reduzieren, dass mehrere Legoteile in die Bildverarbeitung der Legoteilerkennung gelangen.
Eine weitere Unterstützung der Separierung wäre möglich, in dem das Fließband angehalten wird, sobald ein Legoteil in der Bildverarbeitungsbox der Legoteilerkennung erkannt wird. Wurde dieses aus der Box entfernt, könnte das Band wieder gestartet werden.

Auswahl der Luftdüsen

Werden mehrere Teile auf einem Haufen erkannt, so werden die Luftdüsen angesteuert, um die Teile auseinander zu pusten. Wichtig ist hierbei die richtige Auswahl der Düsen. Dazu wurde ein Test mit den vorhanden Luftdüsen durchgeführt. Bei dem Test wurden ein kleines, ein mittleres und ein großes Teil getestet und ein Druck von 4bar verwendet. In der ersten Testphase wurden die Teile circa 5 cm vor die Düse gelegt. Nun wird jede Düse einzeln angesteuert und geguckt wie oft das Teil bei fünf Versuchen mindestens 20 cm weit geschossen wird. Dieser Bereich entspricht in etwa den Bereich der Bildverarbeitung.

Platz	Düse	Bild	Kleines Teil	Mittleres Teil	Großes Teil
1	flach/breit		5/5	5/5	3/5
2	spitz/breit		5/5	1/5	0/5
3	spitz/schmal		4/5	4/5	1/5
4	Multiloch		4/5	3/5	0/5

Aus der Tabelle lässt sich schließen, dass die Düsen eins und drei am besten sind. Deshalb wird mit diesen beiden Düsen der nächste Test gemacht. Bei diesem wird wieder mit den drei Teilen und mit 4bar gearbeitet. Diesmal wird getestet, wie die Position der Teile vor der Düse Einfluss auf die Schussweite und -richtung haben. Dazu werden die Teile an die Wand, mittig vor die Düse, in die Mitte vom Band und vor die andere Düse gelegt.

Zuerst die Ergebnisse der breiten und flachen Düse:

Lage	Kleines Teil	Mittleres Teil	Großes Teil
an der Wand	Teil springt	gut	gut
vor Düse	gut	gut	gut
Mitte vom Band	rollt auf die andere Seite	meistens gut	meistens gut
vor anderen Düse	gut	gut	gut

Die spitze und schmale Düse:

Lage	Kleines Teil	Mittleres Teil	Großes Teil
an der Wand	gut	gut	gut
vor Düse	Teil fliegt manchmal durch anderen Bereich	gut	gut
Mitte vom Band	Teil fliegt über den andern Bereich	meistens gut	schiebt das Teil in den andern Bereich
vor anderen Düse	schiebt das Teil an den Rand des Bandes	gut	gut

Die Ergebnisse der beiden Düsen sind sehr ähnlich. Jedoch ist die breite und flache Düse besser, denn diese schießt die kleinen Teile kontrollierter zurück. Dies sieht man in den Tabellen bei den kleinen Teilen vor der Düse sowie vor der anderen Düse. Die spitze und schmale Düse schießt das Teil hierbei manchmal durch den andern Bereich. Dies würde dazu führen, dass das Teil in dem anderen Bereich erkannt werden könnte und so die andere Luftdüse angesteuert werden könnte. Damit wäre die Einzelansteuerung der Düsen übergangen. Wird das kleine Teil an den Rand des Bandes gepustet, könnte es zu einem Problem bei der Erkennung des Teils kommen, da das Bild beim Kalibrieren am Rand abgeschnitten wird und so das Teil nicht mehr erkennen könnte.

Aus diesem Gründen werden zwei breite und flache Düsen eingebaut.

Abstreifer

Um die Legoteile bereits im Bunker separieren zu können, kann ein Abstreifer montiert werden. Dabei werden Borsten über dem Bunkerband montiert, welcher größere Anhäufungen von Teilen verhinder. Für die Auswahl der richtigen Borsten wurde ein Test mit verschieden starken Borsten in verschiedener Ausrichtung gemacht. Zur Auswahl standen harte, mittelharte und weiche Borsten in verschiedener Länge. Zum einen wurden diese mit einer 45° Verdrehung und einmal orthogonal zur Laufbandlaufrichtung angeordnet. Montiert wurden die verschiedenen Abstreifer vor dem Bunker über dem Laufband. Um die Effizienz der Borsten zu testen wurden Teile unterschiedlicher Größe verwendet, darunter 5 große, 10 mittelgroße und 15 kleine Teile. Dabei wurden diese auf eine Bunkerbandlamelle gelegt und durch den Abstreifer gefahren. Die Zahlen der Auswertungsspalten zeigt die abgestreiften Teile pro Lamelle.

Abbildung 5: Aufbau Abstreifer

Abbildung 7: Legoteile nach dem Abstreifen

Abbildung 6: Legoteile vor dem Abstreifen

Aufbau: Die Abstreifer wurden am Bunker ca. 5cm über dem Bunkerförderband mit Schraubzwingen befestigt, um einen optimalen Halt zu garantieren und ein genaues Ergebniss zu erzielen. Dabei wurden die verschiedenen Borstenarten immer gleich befestigt und angeordnet. Um die entsprechende Höhe und den sicheren Halt zu ermöglichen wurden kleine Kanthölzer unter die Borsten gestellt und durch die Schraubzwingen gegen das Bunkerband gedrückt. Mit Verwendung von verschiedenen Besen mit unterschiedlicher Borstenlänge wurden die Kanthölzer bei den kurzen Borsten flach hingelegt und ein optimales, unverfälschtes Ergebniss zu bekommen.

Die Tabelle zeigt die Ergebnisse der verschiedenen Tests. Geschaut wurde, wie viele Teile auf der Lamelle lagen und wie viele davon abgestriffen bzw. von der Lamelle geschoben wurden. Daraus können dann die besten Borsten mit der richtigen Länge ausgewählt werden. Ziel ist es, einen Abstreifer zu finden, der so viele Teile wie möglich vereinzelt, damit die Vereinzelung mit den Luftdüsen fehlerfreier wird.

Abbildung 6 und 7 zeigen jeweils eine Lamelle vor bzw. nach dem Abstreifen. Dort ist zu erkennen, dass die Teile auseinander geschoben wurde und so eine Haufenbildung verhindert wurde.

Nummer	Borstenart	Bild	kleine Teile 45°	Mittlere Teile 45°	Große Teile 45°	kleine Teile 90°	Mittlere Teile 90°	Große Teile 90°
1	weich/lang		1/5	3/10	7/15	2/5	6/10	8/15
2	mittelhart/lang		1/5	6/10	9/15	2/5	6/10	10/15
3	hart/lang		2/5	5/10	6/15	2/5	6/10	8/15
4	mittelhart/mittellang		1/5	3/10	7/15	1/5	4/10	8/15
5	weich/kurz		0/5	3/10	4/15	1/5	3/10	5/15

Mit Auswertung der Tabelle ist erkennbar, dass die mittelharten Borsten am besten die Legoteile abgestreift haben und somit für ein Abstreifen am Bunkerband am ehesten infrage kommen würden. Des Weiteren ist erkennbar, dass die Anbringung der Borsten senkrecht zur Laufrichtung effizienter ist als die 45° Anordnung.

Fortschritt

Nach aktuellesten Stand kann die Separierung das Bunkerband anhalten, sobald Legoteile in der Teileerkennung angekommen sind. Des Weiteren wurde eine Ausrichtung und Einzelansteuerung der Luftdüsen realisiert, um eine effektivere Separierung zu erhalten. Eine Abstreifung für das Bunkerband wurde noch nicht angebracht, jedoch eine Studie zum Abstreifverhalten durchgeführt. Auch eine Abschirmung für zurückfliegende Teile wurde noch nicht entwickelt. Ebenfalls muss die erste Bildverarbeitung weiter optimiert werden, um eine verbesserte Teileerkennung zu bekommen.

Weitere Aufgaben

Für die entgültige Fertigstellung der Vereinzelung gibt es eingige Aufgaben, die noch erledigt werden müssen.

Umbau des Bunkers

Für eine effektivere Vorvereinzelung und dem damit verringerten Aufwand für die Vereinzelung ist ein Umbau des Bunkes notwendig. Dafür muss der Bunker verkleinert werden, um zu garantieren, dass weniger Legoteile von dem Bunkerband aufgenommen werden. Dadurch wird garantiert, dass nicht zu viele Teile auf das Förderband und somit in die Vereinzelungsbox gelangen. Des Weiteren kann ein Abstreifer über dem Bunkerband angebracht werden, um eine weiteres Auseinanderstreifen der Legoteile zu ermöglichen.

Offene Aufgaben

1. Das Bunkerband umbauen, damit weniger Teile pro Lamelle vom Bunkerband auf das Förderband fallen. Möglichkeiten zur Realisierung sind die Anbringung eines Abstreifers oder die Verkleinerung des Bunkerbandes
2. Implementierung einer Farberkennung für die Teileerkennung in der Separierungsbox
3. Finales Ausrichten der Luftdüsen
4. Inbetriebnahme der Serviceklappe an der Separierungsbox