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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vereinzeln von Bauteilen aus
einem Behältnis,
bei welchem mittels eines Sensors ein eine Mehrzahl von erfassten
Bildpunkten aufweisendes Bild zumindest eines der Bauteile erstellt
wird, mittels einer Auswerteeinheit aus dem Bild eine Position zumindest
eines Bauteils ermittelt wird, und mittels einer Greifeinheit zumindest
ein Bauteil in Abhängigkeit
von der ermittelten Position aufgenommen wird. Des Weiteren betrifft
die Erfindung eine Vorrichtung zum Vereinzeln von Bauteilen.
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Aus
dem Stand der Technik ist es bekannt, zum Vereinzeln von Bauteilen
die Bauteile auf ein Fließband
aufzugeben und mit einer Kamera Bilder des unter der Kamera vorbeilaufenden
Fließbands mit
den sich darauf befindenden Bauteilen aufzuzeichnen. Die von der
Kamera erfassten Bilder werden mit Hilfe von Vergleichsbildern in
einer Auswerteeinheit ausgewertet. Hierbei wird anhand des Vergleichs
mit Vergleichsbildern eine Position des Bauteils ermittelt. Als
Position wird hierbei eine Lage in der Fließbandebene und gegebenenfalls
eine Drehung um eine senkrecht zu der Fließbandebene ausgerichtete Drehachse
des Bauteils erkannt. Die ermittelte Position des Bauteils wird
einer Greifeinheit übermittelt,
welche das Bauteil aufnimmt.
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Bei
einem derartigen Verfahren ist es notwendig, vor dem Erstellen des
Bildes die Bauteile auf das Fließband aufzugeben, um die Position
des Bauteils zu ermitteln, da so ein einheitlicher, Größenverhältnisse
nicht verzerrender Abstand von Kamera und Bauteil sichergestellt
ist.
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Ein
Ermitteln der Position des Bauteils anhand dreidimensionaler Bildpunkte,
welches ein Aufnehmen des Bauteils direkt aus dem Behältnis ermöglichen
würde,
erfordert einen sehr hohen Berechnungsaufwand beim Vergleichen des
mittels des Sensors erstellten Bildes mit dem Vergleichsbild. Dadurch
ist keine ausreichend kurze, einer rationellen Weiterverarbeitung
genügende,
Taktzeit beim Aufnehmen des Bauteils mittels der Greifeinheit erreichbar.
Zudem ist beim Ermitteln der Position des Bauteils anhand dreidimensionaler
Bildpunkte die Genauigkeit der Positionsermittlung vergleichsweise
gering.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren
und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zum Vereinzeln von Bauteilen
aus einem Behältnis
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
Des Weiteren wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Vereinzeln
von Bauteilen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Vereinzeln von Bauteilen aus einem Behältnis, bei welchem
- a) mittels eines Sensors ein eine Mehrzahl von erfassten Bildpunkten
aufweisendes Bild zumindest eines der Bauteile erstellt wird,
- b) mittels einer Auswerteeinheit aus dem Bild eine Position
zumindest eines Bauteils ermittelt wird und
- c) mittels einer Greifeinheit zumindest ein Bauteil in Abhängigkeit
von der ermittelten Position aufgenommen wird, wird zum Ermitteln
der Position des zumindest einen Bauteils gemäß Schritt b) eine Konturlinie
des Bauteils anhand erfasster Bildpunkte bestimmt.
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Dadurch,
dass die Position des Bauteils anhand einer Konturlinie im Raum
bestimmt wird, ist ein Aufnehmen des Bauteils mittels der Greifeinheit
direkt aus dem Behältnis
ermöglicht,
auch wenn die Bauteile in dem Behältnis ungeordnet vorliegen. Durch
das Heranziehen lediglich der Konturlinie als das Bauteil charakterisierenden
Parameter ist ein sehr rasches, einen besonders geringen Berechnungsaufwand
erforderndes Erkennen des Bauteils durch Vergleichen der Konturlinie
mit einer Vergleichskonturlinie eines Modells des Bauteils ermöglicht.
Bei der Konturlinie kann es sich auch um eine ein Loch in dem Bauteil
begrenzende Linie handeln.
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Das
rasche Berechnen erlaubt ein lagerichtiges Erkennen des Bauteils
innerhalb einer vorgegebenen, auf die Bedürfnisse der automatisierten,
rationellen Produktion und/oder Weiterverarbeitung abgestimmten
Taktzeit. Ebenso ist das Erlernen des zum Vergleich heranzuziehenden
Modells des Bauteils besonders einfach und mit geringem Rechenaufwand
bzw. Trainingsaufwand durchführbar.
Dadurch ist eine besonders hohe Flexibilität beim Anwenden des Verfahrens
auf neue Bauteile erreichbar, welche eine bisher nicht bekannte
Formgebung aufweisen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Konturlinie
eine Kammlinie des zumindest einen Bauteils bestimmt. Unter Kammlinie
ist hierbei diejenige Linie zu verstehen, welche am höchsten gelegene
Punkte auf einer Oberfläche
des Bauteils miteinander verbindet. Durch das Bestimmen der Kammlinie
ist eine besonders gute Anwendbarkeit des Verfahrens für das Vereinzeln
von rohrförmigen
Bauteilen aus dem Behältnis
ermöglicht.
Bei den rohrförmigen
Bauteilen kann es sich hierbei insbesondere um zylindrische Hohlkörper und/oder
um zumindest bereichsweise massive zylindrische Körper handeln.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine
Kammlinie, mittels eines Hashing-Algorithmus, insbesondere mittels
eines Geometric-Hashing-Algorithmus, mit einem Modell eines Bauteils
verglichen und anhand der Übereinstimmung
der Kammlinie mit dem Modell wenigstens ein Greifpunkt an dem zu
vereinzelnden Bauteil bestimmt.
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Insbesondere
der Geometric-Hashing-Algorithmus ist eine besonders effiziente
Methode zum Finden von bekannten geometrischen Zusammenhängen zwischen
Merkmalspunkten, wodurch ein besonders rasches Ermitteln der Position
des Bauteils ermöglicht
ist. Die Kammlinie stellt dabei eine Szene dar, welche mit dem Modell
verglichen wird. Umgesetzt wird der Vergleich von Szene und Modell
durch das Bilden schiefwinkliger Basen aus Punkten der Kammlinie.
Diese Basen werden in dem Modell gesucht. Wird eine ähnliche
Basis am Modell gefunden, so werden alle relevanten Kammlinienpunkte
in diese Basis am Modell transformiert. Bei hinreichend großer Übereinstimmung
der Punkte der Szene mit Punkten des Modells gilt das Bauteil als
gefunden, welches durch das Modell repräsentiert wird.
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Durch
das Bestimmen von wenigstens einem Greifpunkt an dem zu vereinzelnden
Bauteil ist ein Entnehmen des Bauteils aus dem Behältnis mittels
der Greifeinheit besonders prozesssicher durchführbar.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch eine
Vorrichtung zum Vereinzeln von Bauteilen aus einem Behältnis, mit
einem Sensor zum Erstellen eines eine Mehrzahl von erfassten Bildpunkten
aufweisenden Bildes zumindest eines der Bauteile, mit einer Auswerteeinheit
zum Ermitteln einer Position zumindest eines Bauteils aus dem Bild,
und mit einer Greifeinheit zum Aufnehmen zumindest eines Bauteils
in Abhängigkeit
von der ermittelten Position, wobei mittels der Auswerteeinheit
zum Ermitteln der Position des zumindest eines Bauteils eine Konturlinie des
Bauteils anhand erfasster Bildpunkte bestimmbar ist.
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Die
für das
erfindungsgemäße Verfahren
bestimmenden bevorzugten Ausführungsformen
und Vorurteile gelten auch für
die erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Vereinzeln von Bauteilen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand
der Zeichnungen.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zum Vereinzeln von rohrförmigen Bauteilen aus Gitterboxen,
wobei vereinzelte und bauteilspezifischen Ablageeinrichtung zugeführte Bauteile
mittels eines Roboters einer weiteren Verarbeitung zuführbar sind;
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2 mittels
eines Sensors erstellte Bilder von rohrförmigen Bauteilen in einer Gitterbox;
und
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3 perspektivische
Darstellungen von rohrförmigen
Bauteilen in den bauteilspezifischen Ablageeinrichtungen und ein
mittels einer Greifeinheit aufgenommenes rohrförmiges Bauteil.
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1 zeigt
stark schematisiert eine Vorrichtung 10 zum Vereinzeln
von rohrförmigen
Bauteilen 12, welche beispielhaft in 3 in
bauteilspezifische Ablageeinrichtungen 14, 16 abgelegt
gezeigt sind. Bei den rohrförmigen
Bauteilen 12 handelt es sich vorliegend um Seitenrohre,
Querträger,
Längsträger und
dergleichen eines Integralträgers
für ein
Kraftfahrzeug. Die vereinzelten, lagerichtig in die Ablageeinrichtungen 14, 16 abgelegten
rohrförmigen
Bauteile 12 werden mittels eines Roboters 18 aus
den Ablageeinrichtungen 14, 16 entnommen und einer Weiterverarbeitungseinheit 20 zugeführt. Hierfür weist
der Roboter 18 einen Backengreifer 22 auf. Alternativ
kann ein Fingergreifer oder ein anderer mechanischer oder elektromagnetischer
Greifer vorgesehen sein.
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Zum
Vereinzeln werden die Bauteile 12 aus jeweils einer Gitterbox 24, 26 entnommen.
Hierfür
ist ein Greifroboter 28 vorgesehen, welcher an einem bewegbaren
Arm eine Greifeinheit 30 aufweist. Die Greifeinheit 30 ist
vorliegend als mechanische Greifeinheit ausgebildet, welche Greiferfinger 32 aufweist,
die in 3 gezeigt sind. In alternativen Ausführungsformen
der Vorrichtung 10 zum Vereinzeln von Bauteilen 12 können auch
andere Greifeinheiten 30 zum Einsatz kommen, bei welchen
das Halten durch Ansaugen und/oder Magnetismus und/oder mechanisches
Spannen bewirkt ist. Damit mittels der Greifeinheit 30 das
Bauteil 12 aus der jeweiligen Gitterbox 24, 26 entnommen
werden kann, wird dem Roboter 28 die Position des Bauteils 12 in
der Gitterbox, 24, 26 übermittelt. Hierfür umfasst
die Vorrichtung 10 einen als Laserscanner 34 ausgebildeten Sensor,
welcher mittels eines Schwenkarms eines Scanroboters 36 linear über die
jeweilige Gitterbox 24, 26 bewegbar ist. Anstelle
des Scanroboters 36 kann auch ein Linearmodul eingesetzt
werden.
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Vorliegend
sind die Bewegungen des Greifroboters 28 und des Scanroboters 36 so
aufeinander abgestimmt, dass eine Kollision der Roboter 28, 36 beim
Bewegen über
die Gitterboxen 24, 26 vermieden ist. Um Stillstandzeiten
der Roboter 28, 36 zu verringern, kann der Laserscanner 34 den
Scanvorgang der Gitterbox 26 dann durchführen, während der
Greifroboter 28 gerade ein Bauteil 12 aus der
Gitterbox 26 der Ablageeinrichtung 16 zuführt. In
alternativen Ausführungsformen
der Vorrichtung 10 kann ein einziger Roboter mit dem Laserscanner 34 und der
Greifeinheit 30 ausgestattet sein.
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Die
mittels des Laserscanners 34 erfassten Daten werden in
einer Auswerteeinheit 38 verarbeitet, um dem Greifroboter 28 die
Position des zu vereinzelnden Bauteils 12 in der jeweiligen
Gitterbox 24, 26 zu übermitteln. Die Auswerteeinheit 38 kann
in den Scanroboter 36 oder in den Greifroboter 28 integriert
oder ein separates Modul sein.
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Eine
Vorgehensweise zum Bestimmen eines Greifpunkts an einem zu vereinzelnden
rohrförmigen Bauteil 12 in
der Gitterbox 24 wird im Folgenden mit Bezug auf 2 beschrieben.
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Der
Laserscanner 34 erstellt beim linearen Überfahren der Gitterbox 24 eine
dreidimensionale Wolke an Bildpunkten, deren Polarkoordinaten in
einem Polarkoordinatenbild 42 verfügbar sind. Die Polarkoordinaten
werden in kartesische Koordinaten transformiert, wobei ein metrisches
Vergleichsmaß 44 verwendet
wird. Das metrische Vergleichsmaß wird beim Scanvorgang mit
aufgenommen. Die kartesischen Koordinaten werden dem Greifroboter 28 übermittelt,
um ein Aufnehmen des Bauteils mittels der Greifeinheit 30 zu
ermöglichen.
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Aus
dem Polarkoordinatenbild 42 wird ein zweidimensionales
Grauwertbild 46 erstellt. Zum Erstellen des Grauwertwertbilds 46 anhand
der dreidimensionale Wolke an Bildpunkten werden Regionen zusammengefasst,
in welchen Differenzen zwischen Flächennormalen benachbarter Bildpunkte
der dreidimensionalen Wolke geringer sind als ein vorgegebener Grenzwert.
Auf diese Weise können
Kanten der rohrförmigen
Bauteile 12 detektiert werden. Zum Erstellen des Grauwertwertbilds 46 werden
die Bildpunkte der Kanten schwarz eingefärbt, die übrigen Bildpunkte weiß.
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Nach
erfolgter Kantendetektion wird für
eine Region ein kleinstes, die jeweilige Region umschließendes Rechteck 48 bestimmt.
Innerhalb eines durch das jeweilige Rechteck 48 begrenzten
Raumes wird parallel zur kürzeren
Rechteckseite eine Mehrzahl von äquidistanten
Schnittprofilen durch die dreidimensionale Punktfolge erstellt.
In jeweils einem Schnittprofil wird wenigstens ein Extremwert ermittelt.
Der Extremwert stellt hierbei eine relative Erhebung des rohrförmigen Bauteils 12 im
Vergleich zu benachbarten, auf dem Schnittprofil liegenden Bildpunkten
dar.
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Zum
Ermitteln des Extremwerts kann ein quadratisches Regressionsverfahren
genutzt werden, bei welchem das Schnittprofil mittels eines Polynoms
zweiter Ordnung, insbesondere mittels einer Parabel angenähert wird.
Ergänzend,
bevorzugt jedoch alternativ kann der Extremwert ermittelt werden,
indem eine relative Erhebung des rohrförmigen Bauteils 12 im
Polarkoordinatenbild 46 gesucht wird. Hierbei wird die
Höhe eines
Bildpunkts im Vergleich zu einer genügend große Anzahl benachbarter, niedriger
gelegener Bildpunkte innerhalb eines vorgegebenen Abschnitts des
Schnittprofils ermittelt. Ergänzend,
bevorzugt jedoch alternativ für
den Fall, dass auch diese Methode keinen Extremwert liefert, wird der
am höchsten
gelegene Bildpunkt in dem jeweiligen Schnittprofil als Extremwert
herangezogen.
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Derartige
Extremwerte stellen potentielle Kammlinienpunkte dar. Zum Erstellen
einer Kammlinie 50 wird nun jeweils ein Extremwert eines
ersten Schnittprofils mit einem nächsten Extremwert des benachbarten
Schnittprofils innerhalb des Rechtecks in Abhängigkeit von einem Abstand
der Extremwerte voneinander verbunden. Dadurch wird innerhalb eines
Rechtecks aus verbundenen Extremwerten die Kammlinie 50 gebildet.
Die Kammlinie 50 des rohrförmigen Bauteils ist hierbei
eine die jeweils höchst
gelegenen Punkte des Bauteils 12 miteinander verbindende
Linie. Diese ist für
ein spezifisches rohrförmiges
Bauteil 12 charakteristisch. Es werden Kammlinien 50 nicht
weiter zum Ermitteln der Position eines Bauteils 12 berücksichtigt,
welche aus einer zu geringen Zahl an miteinander verbundenen Extremwerten gebildet
sind.
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Des
Weiteren werden Kammlinien 50 mit benachbarten Kammlinien 50 zusammengefügt. Als Kriterien
zum Zusammenfügen
von Kammlinien 50 werden Winkelbeziehungen zwischen benachbarten Kammlinien 50 und
Abstände
zwischen Kammlinien 50 herangezogen. Bevor die Kammlinien 50 einem Geometric-Hashing-Algorithmus
zugeführt
werden, wird die jeweilige Kammlinie 50 mit einer vergleichsweise
groben Auflösung äquidistant
gerastert, damit dem Algorithmus eine vergleichsweise geringe Anzahl
an Kammlinienpunkten übergeben
wird.
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Mittels
des Geometric-Hashing-Algorithmus werden die aus verbundenen Extremwerten
gebildeten Kammlinien 50 mit einem Modell des Bauteils 12 verglichen.
Das Modell des Bauteils 12 wurde zuvor durch Scannen des
Bauteils 12 erstellt. Durch das Vergleichen von, insbesondere äquidistant
grob gerasterten, Kammlinien 50 mit dem Modell kann der Geometric-Hashing-Algorithmus
besonders effizient und mit besonders geringem Berechnungsaufwand den
zum Bestimmen der Position des Bauteils 12 notwendigen
Vergleich vornehmen.
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Da
das Modell des Bauteils 12 wenigstens einen Greifpunkt
umfasst, kann anhand der Übereinstimmung
der Kammlinie 50 mit dem Modell wenigstens einen Greifpunkt 52 an
dem zu vereinzelnden rohrförmigen
Bauteil 12 bestimmt werden.
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Aufgrund
der Symmetrie des rohrförmigen Bauteils 12 ist
es ermöglicht,
das rohrförmige
Bauteil 12 anhand der eine Symmetrielinie darstellenden Kammlinie 50 sicher
und vergleichsweise rasch zu identifizieren. Zum Ermitteln des Greifpunkts 52 wird die
Kammlinie 50 noch auf den Schwerpunkt des rohrförmigen Bauteils 12 projiziert.
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Um
festzustellen, ob beim Greifen des Bauteils 12 mittels
der Greifeinheit 30 eine Kollision des Bauteils 12 mit
einem weiteren Bauteil 12 und/oder mit der Gitterbox 24 besteht,
werden Bildpunkte in dem Polarkoordinatenbild 42, welche
sich in der Nähe
des Greifpunkts 52 befinden, mit einem Modell 54 der
Greifeinheit 30 auf Durchdringung hin untersucht. Stellt
sich hierbei heraus, dass das Modell 54 der Greifeinheit 30 mit
einer zu großen
Anzahl an Bauteile 12 oder die Gitterbox 24 repräsentierenden Bildpunkten
kollidieren würde,
falls das Bauteil 12 an diesem Greifpunkt 52 mittels
der Greifeinheit 30 entnommen würde, so wird ein alternativer
Greifpunkt ermittelt.
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Dadurch,
dass der Greifpunkt 52 zum Aufnehmen des rohrförmigen Bauteils 12 in
Abhängigkeit
von der Wahrscheinlichkeit einer Kollision des Bauteils 12 mit
einem weiteren Bauteil und/oder der Gitterbox 24 an die
Greifeinheit 30 übermittelt
wird, ist eine besonders störungsfreie
Entnahme des Bauteils 12 aus der Gitterbox 24 ermöglicht.
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Nach
dem Aufnehmen führt
die Greifeinheit 30 das rohrförmige Bauteil 12 einer
der bauteilspezifischen Ablageeinrichtungen 14, 16 zu
(vgl. 3). Um sicherzustellen, dass das Bauteil 12 in
einer vorbestimmten Orientierung in der Ablageeinrichtung 14, 16 aufgenommen
ist, wird beim Ablegen des Bauteils 12 in die Ablageeinrichtung 14, 16 ein
Schwerpunkt und/oder eine geometrische Form des Bauteils genutzt.
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Hierbei
kann, beispielsweise mittels einer Lichtschranke, festgestellt werden,
ob die Greifeinheit 30 das Bauteil 12 an dem zum
Ablegen in die Ablageeinrichtung 16 zu verwendenden Greifpunkt 52 ergriffen
hat. Ist dies nicht der Fall, kann durch eine Drehung das Bauteil 12 mittels
der Greifeinheit 30 in vorgegebene Position gebracht werden.
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Um
den Schwerpunkt des Bauteils 12 in die vorgegebene Position
zu bringen kann auch nach dem Ablegen des Bauteils 12 in
die Ablageeinrichtung 16, etwa durch Bewegen eines Arms 56 der
Ablageeinrichtung 16, das Bauteil 12 in der Ablageeinrichtung 16 in
die vorgegebene Position gebracht werden. Das Bewegen des Bauteils 12 in
die vorgegebene Position kann ergänzend oder alternativ auch
mittels der Greifeinheit 30 vorgenommen werden.