Batteriedemontage mit dem Roboter: Schrauben, Kabel, Busbars und Module für den automatisierten Rückbau erkennen

Wer gebrauchte Batteriepacks automatisiert zerlegen will, stellt dem Roboter eine andere Aufgabe als in der Montage. Dieser Beitrag richtet sich an Forschungseinrichtungen, Recyclingbetriebe und Maschinenbauer, die Demontagezellen für Packs und Module entwickeln. Er stützt sich auf wenige, aber sehr konkrete Vorgänge: eine Konzeptstudie, ein Forschungsprojekt im Konzeptstadium und drei weitere dokumentierte Aufgaben. Die Vorgänge zeigen, welche Informationen ein Roboter braucht, um einen Pack Schritt für Schritt zu öffnen.

Wichtige Punkte im Überblick

Beim Rückbau kommt jeder Pack mit eigener Geschichte, verschiedenen Schrauben und frei liegenden Kabeln an, deshalb sagt die Bildverarbeitung dem Roboter an jedem Pack neu, wo das nächste Verbindungselement sitzt und was es ist.
Eine Konzeptstudie beschreibt kooperierende Roboter mit einer Kamera an der Hand, die Kontakte zum Entladen, Schrauben zum Lösen und Module zur Entnahme aus dem Batteriesystem erkennt.
Für die Frage, welches Werkzeug eine Schraube braucht, unterscheidet die AI-Klassifizierung der All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS bis zu 32 Typen je Werkzeug und lässt sich um neue Typen nachtrainieren, wie sie mit jedem neuen Packtyp hinzukommen.
Für das Öffnen des Deckels beschreibt eine dokumentierte Anwendung eine feste Reihenfolge: Deckelschrauben im Roboterkoordinatensystem finden und nach Typ unterscheiden, den Spalt zwischen Deckel und Gehäuse für die Sägehöhe bestimmen und dann die inneren Schrauben finden.
Der 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 nimmt ohne Bewegung des Messkopfs ein Feld bis 640 x 640 mm auf, sodass der Gesamtscan einer Fahrzeugbatterie rechnerisch mehrere Aufnahmepositionen braucht.

Rückbau ist keine umgekehrte Montage: jeder Pack ist anders

In der Montage kommt ein bekanntes Teil an eine bekannte Stelle. Beim Rückbau ist es umgekehrt: Der Pack stammt aus einem Fahrzeug oder Gerät mit eigener Geschichte, er kann neuwertig oder gebraucht sein, und in einer Anlage können mehrere Packtypen ankommen. Schrauben sitzen in verschiedenen Größen und Ausrichtungen, Kabel können überall liegen, und auf gebrauchten Teilen kann metallischer Staub das Bild stören. Eine fest eingelernte Bahn hilft da wenig.

Die Bildverarbeitung übernimmt deshalb eine Aufgabe, die in der Montage die Vorrichtung erledigt: Sie sagt dem Roboter an jedem Pack neu, wo das nächste Verbindungselement sitzt und was es ist. Eine Konzeptstudie beschreibt diesen Ansatz mit kooperierenden Robotern und einer Kamera, die immer an der Hand sitzt. Sie soll Kontakte zum Entladen, Schrauben zum Lösen und Module zur Entnahme aus dem Batteriesystem erkennen. Das Entladen selbst ist dabei ein eigener Prozessschritt; für den Roboter zählt, dass er den Kontakt findet. Welche Zellchemie oder welcher Zelltyp nach dem Zerlegen vorliegt, ist dagegen eine Sortierfrage und nicht Gegenstand dieses Beitrags.

Erst scannen, dann planen: vom Gesamtbild zum Demontageplan

Das ausführlichste Vorhaben ist ein Forschungsprojekt, für das Mittel für die Kamera bewilligt sind. Geplant ist ein Roboter an einer Deckenschiene, der mit mehreren Greifern und einem Werkzeugwechsler eine Fahrzeugbatterie zerlegt, die auf einem Tisch liegt. Module, Kabel und Schrauben sollen erkannt und in ihrer Lage bestimmt werden. Für die Sensorik sind im Konzept zwei Wege offen: eine Kamera oder ein 3D-Sensor am Roboter. Es handelt sich um ein Projekt mit zwei Sensoroptionen, nicht um zwei Vorhaben.

Die 3D-Option ist zweistufig gedacht. Zuerst wird die ganze Batterie einmal erfasst, und aus diesem Scan soll ein Demontageplan entstehen: welche Teile in welcher Reihenfolge zu lösen sind. Danach dient derselbe Sensor der Feinpositionierung mit einer Genauigkeit unter einem Millimeter. Die Spanne der Objekte ist groß. Sie reicht von Hochvoltkabeln bis zu Leitungen von etwa 1 mm, von Schrauben mit Köpfen um 3 mm bis zu Modulen von etwa 100 x 100 mm.

Für diesen Ansatz ist der 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 genannt. Er nimmt ohne Bewegung des Messkopfs auf, der Roboter muss also für eine Aufnahme nicht verfahren, und erfasst ein Feld bis 640 x 640 mm. Eine Fahrzeugbatterie ist größer; rechnerisch braucht der Gesamtscan deshalb mehrere Aufnahmepositionen. Ausgewertet wird der Sensor an der High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X, die für ihn als Controller dokumentiert ist.

Schraube finden, Antrieb erkennen, Roboter nachführen

Die Schraube ist das häufigste Verbindungselement am Pack, und sie verlangt zwei Antworten: wo sie sitzt und welches Werkzeug sie braucht. Für zwei Packtypen, die bis auf Zellebene zerlegt werden sollen, liegt ein Konzept vor. Zwei Roboter auf einer siebten Achse sollen dort mit Kameras an der Hand arbeiten. Die Schrauben sollen nach Antrieb unterschieden werden, also nach Schlitz, Innensechsrund oder Innensechskant, damit der Roboter die passende Anfahrt und das passende Werkzeug wählt.

Eine Aufgabe für eine Demontagestation auf Zellebene nennt nur wenige Eckdaten: Eine silberne Schraube von etwa 10 mm soll in einem Sichtfeld von etwa 100 mm gefunden und nach Typ eingeordnet werden. Auch hier gehört die Typentscheidung zur Roboteraufgabe, denn sie bestimmt den nächsten Handgriff.

Für solche Aufgaben kommt die All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS in Frage. Mit AI-Segmentierung lassen sich Schrauben und andere Verbindungselemente vom Untergrund trennen; dieses Werkzeug braucht eine Option. Die AI-Klassifizierung unterscheidet bis zu 32 Typen je Werkzeug, und neue Typen lassen sich durch Nachtrainieren ergänzen. Das passt zu einer Anlage, in der mit jedem neuen Packtyp neue Schrauben hinzukommen. Die Kamera wird über ein Schachbrett- oder Punktmuster oder per Autokalibrierung mit dem Roboter kalibriert und gibt die Lage über einen Ethernet-Port an die Robotersteuerung.

Deckel lösen: Spalthöhe zwischen Deckel und Gehäuse für den Trennschnitt

Bevor ein Modul zugänglich wird, muss der Deckel herunter. Eine dokumentierte Anwendung beschreibt dafür eine klare Reihenfolge. Zuerst sollen alle Deckelschrauben im Koordinatensystem des Roboters gefunden und nach Typ unterschieden werden. Danach ist der Spalt zwischen Deckel und Gehäuse zu finden, damit die Säge auf der richtigen Höhe ansetzt und die Verklebung trennt. Erst dann folgen die inneren Schrauben.

Der zweite Schritt ist eine andere Frage als der erste. Für die Schraube genügt die Lage in der Ebene, für den Trennschnitt braucht der Roboter eine Höhe. Ob sich die Spaltkante im Bild einer Kamera sicher zeigt oder ob ein Höhenprofil nötig ist, hängt von Deckelrand, Kleber und Verschmutzung ab und gehört in einen Versuch mit gebrauchten Originalpacks.

Kabel, Busbars und Module bis auf Zellebene

Sind die Schrauben gelöst, liegen die Teile frei, die sich am wenigsten vorhersagen lassen. Im Konzept für die zwei Packtypen sollen neben den Schrauben auch Deckel, Busbars und Stromschienen erkannt werden, und metallischer Staub ist dort ausdrücklich möglich. Im Forschungsprojekt an der Deckenschiene stehen Kabel und Module auf derselben Liste wie die Schrauben. Kabel haben weder eine feste Lage noch eine feste Form. Für sie kommt eine Erkennung nach Bereichen in Betracht, wie sie die AI-Segmentierung liefert; ob sie am konkreten Pack trägt, zeigt erst der Versuch.

Ob 2D genügt, beantworten die Vorgänge unterschiedlich. Bei den zwei Packtypen beträgt der Höhenversatz der Teile nur etwa ±0,5 mm, deshalb genügt dort eine 2D-Kamera an der Hand. Im Forschungsprojekt soll der 3D-Scan dagegen den Plan für die gesamte Batterie liefern, bevor der erste Handgriff erfolgt. Die Wahl folgt also der Frage, ob der Roboter nur die Lage eines Elements braucht oder zuerst ein Bild vom Aufbau des ganzen Packs.

Häufige Fragen

F Warum lässt sich die Demontage eines Batteriepacks nicht einfach einlernen?

Jeder gebrauchte Pack unterscheidet sich in Zustand und Aufbau, und in einer Anlage können mehrere Packtypen ankommen. Schrauben sitzen in verschiedenen Größen und Ausrichtungen, Kabel liegen nicht an festen Stellen. Deshalb bestimmt die Bildverarbeitung an jedem Pack neu, wo das nächste Element sitzt und was es ist.

F Wozu ein 3D-Scan der ganzen Batterie vor dem Rückbau?

Aus dem Gesamtscan soll ein Demontageplan entstehen, der festlegt, welche Teile in welcher Reihenfolge zu lösen sind. Danach dient derselbe Sensor der Feinpositionierung unter einem Millimeter. Der 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 nimmt ohne Bewegung des Messkopfs ein Feld bis 640 x 640 mm auf.

F Genügt eine 2D-Kamera für die Batteriedemontage?

Das hängt vom Höhenversatz ab. Liegen die Teile wie in einer dokumentierten Anwendung innerhalb von etwa ±0,5 mm in der Höhe, genügt eine 2D-Kamera an der Hand. Braucht der Roboter zuerst den Aufbau des ganzen Packs oder eine Schnitthöhe, ist ein 3D-Verfahren zu prüfen.

F Stört metallischer Staub die Erkennung am gebrauchten Pack?

Metallischer Staub und Verschmutzung verändern das Bild und sind bei gebrauchten Packs zu erwarten. Wie stark sie die Erkennung beeinflussen, lässt sich nicht allgemein sagen. Das klärt ein Versuch mit gebrauchten Originalpacks, nicht mit neuen Mustern.

F Welche Genauigkeit braucht der Roboter bei der Demontage?

In einem dokumentierten Forschungskonzept ist eine Feinpositionierung unter einem Millimeter gefordert. Die kleinsten Objekte dort sind Leitungen von etwa 1 mm und Schraubenköpfe um 3 mm. Wie genau die Station tatsächlich wird, hängt von Kalibrierung, Beleuchtung und Mechanik ab und zeigt sich erst im Versuch.

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