Legosortiermaschine Separierung

Teammitglieder: Madlen Bartnick, Jerome Wolf,

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

Einleitung

Abbildung 1: Aufbau der Legosortiermaschine

Die Separierung ist die erste Teilaufgabe der Legosortiermaschine. Sie sorgt dafür, dass die Legoteile einzeln und zentriert in die Bildverarbeitungsbox fallen, da dort nur einzelne Teile erkannt werden können.

Der Aufbau der Separierung besteht aus einem Steigförderband mit Bunker (Abbildung 1 Position 1). Dort werden die zu sortierenden Legoteile dem System zugeführt. Das Steigförderband transportiert eine Teilmenge der zugeführten Legoteile auf ein darunterliegendes Förderband (Abbildung 1 Position 2). Über diesem Förderband ist eine Vereinzelungsbox mit Kamera und Druckluftdüsen angeordnet (Abbildung 1 Position 3). Die in der Vereinzelungsbox integrierte Kamera liefert Momentaufnahmen der auf dem Transportband beförderten Legoteile. Mittels Bildverarbeitung wird die Anzahl der auf dem Band liegenden Teile in einem festgelegten Bereich ermittelt. Falls sich mehrere Teile in diesem Bereich befinden, werden diese mit Hilfe von Druckluftdüsen zurückbefördert. Somit werden die Teile neu angeordnet und bewegen sich anschließend erneut durch die Vereinzelungsbox. Befinden sich die Legoteile bereits vereinzelt auf dem Förderband, werden sie in die Bildverarbeitungsbox weitergeleitet (Abbildung 1 Position 4).

Bei der ersten Inbetriebnahme der Legosortiermaschine, so wie sie vom Vorsemester hinterlassen wurde, haben sich einige Schwachstellen aufgezeigt, die durch eine verbesserte Separierung und Zentrierung der Teile optimiert werden können:

• Die Legoteile verklemmen sich zwischen Bunkerverkleinerung und Abstreifer, sodass das Steigförderband blockiert (siehe Vereinzelungskonzept WS17/18).
• Das Steigförderband fördert zu viele Teile auf einmal auf das Förderband, sodass diese durch die Vereinzelungsbox nicht ausreichend vereinzelt werden können.
• Die Druckluftdüsen innerhalb der Vereinzelungsbox führen selten zur Separierung der Teile auf dem Förderband, meistens werden die Teile lediglich nach hinten verschoben.
• Die Legoteile werden in den äußeren Bereichen des Transportbandes sowie in der Bildverarbeitungbox oftmals nicht erkannt.
• Nicht erkannte Teile werden dem Prozess nicht erneut zugeführt.

Die Optimierung des Legosortierprozesses durch eine verbesserte Separierung der Teile soll Inhalt dieses Artikels sein.

Konzept der Separierung

Die Separierung lässt sich ihrerseits wieder in vier Teilaufgaben unterteilen:

• Vorvereinzelung
• Zentrierung
• Vereinzelung nach Bildverarbeitung
• Rückführung nicht erkannter Teile

Diese vier Teilaufgaben gilt es zu realisieren bzw. zu optimieren, um eine einwandfrei funktionierende Separierung der Legoteile zu gewährleisten. Abbildung 2 zeigt einen Morphologischen Kasten zur Auswahl des passenden Konzepts für die jeweilige Teilaufgabe der Separierung.

Abbildung 2: Morphologischer Kasten

Abbildung 3: Morphologischer Kasten mit Auswertung

Konzept der Vorvereinzelung

Änderungsmöglichkeit A: Anpassen der Mitnehmer auf dem Steigförderband
Vorteil: Anpassbar an Größe und Form der Teile
Nachteil: Neues Band erforderlich

Änderungsmöglichkeit B: Nagelbrett zwischen Steigförderband und Transportband
Vorteil: Einfach und Kostengünstig
Nachteil: Nicht geeignet für Teile mit so unterschiedlichen Größen und Formen

Konzept der Zentrierung

Änderungsmöglichkeit A: Keil / Leitblech über dem Transportband
Vorteil: Geringer Umbauaufwand, Kostengünstig
Nachteil: Nicht geeignet für Teile mit so unterschiedlichen Größen und Formen

Änderungsmöglichkeit B: Vibrationsförderrinne
Vorteil: Unabhängig von Form, Größe und Material der Teile
Nachteil: Kosten für die Neuanschaffung

Konzept der Vereinzelung nach Bildverarbeitung

Änderungsmöglichkeit A: Mittels Druckluftdüsen aus dem System in einen gesonderten Behälter schießen und erneut zuführen
Vorteil: Geringer Umbauaufwand
Nachteil: Teile müssen wieder manuell in den Trichter gegeben werden

Änderungsmöglichkeit B: Mittels Druckluftdüsen in die automatische Rückführung für nicht erkannte Teile schießen
Vorteil: Rückführung funktioniert komplett automatisch
Nachteil: Erheblicher Umbauaufwand, Erhebliche Kosten

Konzept der Rückführung nicht erkannter Teile

Änderungsmöglichkeit A: Z-Transportband zwischen Sortierung und Anfang des Transportbandes
Vorteil: Kompaktere Bauweise
Nachteil: Kein geeignetes Transportband bei dem vorhandenen Lieferanten vorhanden

Änderungsmöglichkeit B: Steigförderband zwischen Sortierung und Bunker
Vorteil: Geeignetes Transportband bei dem vorhandenen Lieferanten vorhanden
Nachteil: Größere Bauweise, Größerer Umbauaufwand

Nach abwägen der Vor- und Nachteile der verschiedenen Änderungsmöglichkeiten wurde die in Abbildung 3 dargestellte Bewertung des Morphologischen Kastens ausgearbeitet. Sie zeigt die Auswahl der Konzepte, die im SS 18 sowie im WS 18/19 bearbeitet werden sollen.
Im SS 18 soll die Prüfung und Planung der Konzepte zur Vorvereinzelung und Zentrierung realisiert werden.

Anforderungen

Die folgende Tabelle zeigt eine Übersicht der im SS18 zu realisierenden Anforderungen zur Behebung der erkannten Schwachstellen.

Spezifikations-ID	Anforderungs-ID	Anforderungstitel	Beschreibung der Spezifikation
0100	REQ10.2200	Vereinzelung der Legoteile	Untersuchungen zu Umsetzbarkeit und Mehrwert eines modifizierten Förderbandes
0110	REQ10.2200	Vereinzelung der Legoteile	Evaluieren des Mehrwerts einer Vibrationsförderrinne als Vereinzelung und Zentrierung der Legoteile
0102	REQ10.2200	Vereinzelung der Legoteile	Recherche und ggf. Tests zur Steuerung des Luftdrucks der Vereinzelung
0107	REQ10.2200	Vereinzelung der Legoteile	Die Luftdüsen schießen zusammenliegende Teile auseinander
0108	REQ10.2200	Vereinzelung der Legoteile	Marktrecherche Förderbänder und Stollen zur Modifikation des Steigförderbandes
0110.1	REQ10.2210	Zentrierung der Legoteile	Planung der Modifikation des Steigförderbandes
0110.2	REQ10.2210	Zentrierung der Legoteile	Einholen der Angebote zur Vibrationsförderrinne und Anpassung des Steigbandgurtes
0110.3	REQ10.2210	Zentrierung der Legoteile	Planung des Bandumbaus zur Integration der Vibrationsförderrinne

Vereinzelung der Legoteile

Da die Vereinzelung der Teile nach dem vorangegangenen Prinzip nur sehr unzuverlässig funktionierte, wurden anfangs Optionen untersucht, um das vorhandene System zu verbessern. Hierzu wurde zunächst mit der Ausrichtung der Düsen experimentiert, was jedoch nicht zu einem merklichen Unterschied führte.

Als nächster Schritt wurde dann eine variable Steuerung des Luftdrucks in Abhängigkeit von der Größe der erkannten Teile auf ihre Praktikabilität hin überprüft. So wurde bei kleinen Teilen manuell der Luftdruck verringert und bei großen Teilen erhöht. Jedoch schien auch an dieser Stelle nicht mehr viel optimiert werden zu können, da auch bei höherem Druck die großen Teile meist nur nach hinten geschoben würden und somit einen Stau verursachten. Daher wurde auch dieser Ansatz bald verworfen und soll im späteren Verlauf in modifizierter Form nurmehr zum Auswurf der Teile auf das Rückführband dienen.

Die Tatsächliche Vereinzelung sollte nun mittels eines modifizierten Bunkerbandes erfolgen. Bisher sind durch die breiten Lamellen trotz des Abstreifers in Form eines Besens oft große Mengen von Teilen auf einmal auf das Förderband gelangt, was das Problem der angehäuften Legoteile überhaupt verursachte.

Prüfung des Konzepts

Zur Prüfung des Konzepts wurde eine Versuchsreihe durchgeführt, um ein deutlich besseres Lamellenmuster zu ermitteln. Die Ergebnisse sind in folgender Tabelle dargelegt.

Auswertung der Bunkerbänder

Muster:	Muster 1	Muster 2	Muster 3	Muster 4
Beschreibung	Standardmuster mit breiten Lamellen	Abwechselnd Lamellen links und rechts + kleine Stollen über die komplette Breite	Treppenähnliche Anordnung kleiner Lamellen	Abwechselnd kleine Lamellen links und rechts + in der Mitte
Bild:
Vorteile:	Bereits vorhanden und ohne Aufwand verwendbar	Teile werden teilweise gut vereinzelt	Kleine Teile werden alleine gut vereinzelt	Teile aller Größen werden gut gefördert und vereinzelt
Nachteile:	Es werden sehr viele Teile auf einmal in einer Reihe gefördert	Große Teile stauen sich an auf den kleinen Stollen	Breite Teile bilden schräge Lamellen	Teile häufen sich selten auch auf den kleinen Lamellen
Bewertung:	--	-	+	++

Beim direkten Vergleich des alten und des neuen Musters werden die Vorteile schnell offensichtlich, wie die folgende Tabelle zeigt:

Vergleich zwischen originalem und testweise modifiziertem Bunkerband

Legoteile auf dem alten Band	Legoteile auf dem modifizierten Band

Da hierbei nur das alte Förderband mit den vorhandenen Lamellen zu Verfügung stand, wurden die darauf befindlichen Teile stets per Hand zurück in den Bunker befördert. Nach einiger auf diese Weise durchgeführten Tests fiel die Wahl somit auf das Bandmuster 4. Sollten trotz des optimierten Bandes und der im Folgenden beschriebenen Vibrationsrinne noch Teileanhäufungen entstehen, werden diese bald schlicht ausgeworfen und können in den Bunker zurückgeführt werden.

Planung der Modifikation des Fördergurtes

Die Modifikation des Fördergurtes lässt sich auf drei verschiedene Arten realisieren. Die folgende Tabelle zeigt diese Realisierungsarten und stellt sie gegenüber.

Realisierungsarten:	Variante 1	Variante 2	Varinate 3
Beschreibung	Glatten Gurt mit Stollen bekleben	Stollengurt beschneiden	Sonderanfertigung des Gurtes beauftragen
Bild:
Bewertung:	sehr flexibel (freie Anordnung der Stollen) günstig hohes Risiko (Befestigungsart der Stollen nicht geeignet )	flexibel (Abstand der Stollen zueinander fix, Länge und Form variabel) mittlere Kosten mittleres Risiko (Beschädigung des Gurtes durch Beschneiden der Stollen)	nicht flexibel (Abstand, Form und Länge fix) teurer kein Risiko (Stollen werden fachgerecht verschweißt)
Kosten:	293 €	330 €	414 €

Aufgrund der Flexibilität in der Gestaltung und den überschaubaren Kosten wurde die Variante 1 für die Durchführung ausgewählt.
Nach einer Marktrecherche über Fördergurte und Stollen sowie Rücksprache mit dem Bandlieferanten wurde sich dafür entschieden, den neuen Fördergurt sowie die einzelnen Stollen bei dem bisherigen Bandlieferanten zu bestellen, da so die Materialien aufeinander abgestimmt sind.

Zentrierung der Legoteile

Das erdachte Konzept zur Zentrierung der Legoteile besteht aus einer Vibrationsförderrinne, die durch das Steigförderband mit vorvereinzelten Legoteilen versorgt wird. Diese Vibrationsförderrinne soll die vorvereinzelten Legoteile an das nachfolgende Transportband zentriert übergeben.

Nachfolgend soll von den Tests zur Prüfung dieses Konzepts berichtet werden.

Prüfung des Konzepts

Zu Beginn wurden einige Tests mit einer geliehenen Vibrationsförderrinne und verschiedenen provisorischen Förderrinnen durchgeführt, um sicherzustellen, dass sich mit dem Konzept eine zuverlässige Zentrierung realisieren lässt.
Als erstes wurde dabei auf einer flachen Rinne getestet, ob eine Vibrationsförderrinne für die Vielzahl an unterschiedlichen Größen, Formen und Materialien der Legoteile geeignet ist (Position 1 und 2 zeigen den Testaufbau).

Als Ergebnis dieses Tests kann festgehalten werden, dass sowohl große als auch kleine Teile mit konstanter Geschwindigkeit gefördert wurden. Sogar Teile aus Gummi ließen sich problemlos befördern, sodass sich die Vibrationsförderrinne problemlos zur Beförderung von Legoteilen einsetzen lässt.

Der nächste Testaufbau wurde mit einer halbrunden Förderrinne ausgestattet, um zeitgleich mit der Beförderung eine Zentrierung zu bewirken (Position 3 und 4 zeigen den Testaufbau).

Bei diesem Test zeigte sich, dass sich die Teile durch die Vibration sehr schnell in die Mitte der Rinne bewegen und somit zentriert werden. Lange Teile richten sich dabei längs aus, sodass sie in Zukunft nicht mehr quer zur Bandrichtung befördert werden und dadurch ein mögliches Verkanten verhindert wird. Durch die Rundung kam es aber auch vor, dass sich ein sehr kleines Teil in der Rinne unter einem sehr breiten Teil positioniert hat. Dadurch würden diese gemeinsam auf das Transportband fallen und die Vereinzelung wäre in seltenen Fällen nicht gegeben. Zur Vermeidung dieses Problems wurde kurzzeitig ein V-Förmiges Förderprofil eingefügt, welches sich aber auf Grund von schlechten Fördereigenschaften in der Kante nicht durchgesetzt hat. Stattdessen wurde der Auslauf des Halbrunden Profils mit einer Schräge versehen, sodass die kleinen Teile zeitig vor den breiten Teilen auf das Transportband fallen (siehe Position 3 und 4).

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  (1) Testaufbau flache Vibrationsförderrinne

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  (2) Draufsicht flache Vibrationsförderrinne

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  (3) Testaufbau halbrunde Vibrationsförderrinne

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  (4) Draufsicht halbrunde Vibrationsförderrinne

Abschließend lässt sich festhalten, dass sich das Zentrierungskonzept mit der Vibrationsförderrinne mit halbrundem Profil als praktikabel erwiesen hat und für die nachfolgenden Prozessschritte eine erhebliche Verbesserung verspricht. Durch das Hinzufügen des schrägen Auslaufs trägt die Vibrationsförderrinne geringfügig zur Vereinzelung der Legoteile bei.

Nach bestandener Konzeptprüfung galt es, die Integration der Vibrationsförderrinne in das vorhandene System sowohl mechanisch, als auch elektrisch zu planen.

Planung der mechanischen Integration in das vorhandene System

Zur mechanischen Integration der Vibrationsförderrinne soll das Transportband (Abbildung 1 Position 2) durch ein bereits vorhandenes, kürzeres Transportband ersetzt werden. Die dadurch entstandene Lücke zwischen Steigförderband und Transportband soll durch die Vibrationsförderrinne geschlossen werden. Dazu soll diese wie auch die Bildverarbeitungsbox (Abbildung 1 Position 4) mittels Aluminium-Doppelständer auf der Grundplatte befestigt werden.

Planung der elektrischen Integration in das vorhandene System

Die elektrische Ansteuerung der Vibrationsförderrinne (Position 4) soll in Zukunft über den bereits verbauten Arduino geschehen. Dazu wird der Schaltschrank um eine 5V Relais-Platine (Position 1) erweitert, welche mittels 3D-Druck Halterung (Position 2) auf der Hutschiene platziert werden soll. Die Verdrahtung soll durch eine 3-Adrige flexible Leitung und vom Hersteller vorgegebener Steckverbindung (Position 3) realisiert werden. Abbildung 4 zeigt den Schaltplan zur Ansteuerung der Vibrationsförderrinne.

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  (1) 5V Relais-Platine

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  (2) Halterung für Hutschiene

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  (3) Steckverbinder

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  (4) Vibrationsförderrinne

Abbildung 4: Ansteuerung der Vibrationsförderrinne

Fazit

Innerhalb des SS18 wurden folgende Punkte erfolgreich bearbeitet:

• Konzepte zur Vorvereinzelung und Zentrierung der Legoteile geprüft und geplant
• Angebote entsprechend der Konzepte eingeholt und bewertet
• Bestellungen der zur Realisierung benötigten Materialien und Werkzeuge wurden über Bestellisten angefordert

Ausblick

Folgende Aufgaben sind für das WS 18/19 vorgesehen:

• Modifikation des Steigförderbandes
• Integration der Vibrationsförderrinne
• Konstruktion einer geeigneten Förderrinne
• Ausschleusung der unzureichend vereinzelten Legoteile

Autoren

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