Zellen vollständig und jeder Schritt getan: Zellträger, Blister und Nest prüfen, Schnitt und Fügestelle bestätigen

Bevor eine Zelle im Modul verschwindet, liegt sie in einem Werkstückträger, einem Blister, einem Nest oder einer Ablage. Dort ist sie noch einzeln sichtbar, und dort fällt eine Lücke am leichtesten auf. Dieser Beitrag richtet sich an Ingenieure in Zellhandling, Zellprüfung und Modulbau und an die Maschinenbauer, die solche Stationen auslegen. Er ordnet dokumentierte Vorgänge aus der Zellfertigung: Aufgabenbeschreibungen, Konzepte, ein Lastenheft und Tests. Im Einsatz ist in dieser Auswahl ein Sensor, der einen Streifen auf der Zelle prüft. Wie Musterteile und Abnahme organisiert werden, beschreibt die Übersichtsseite zur Batteriefertigung.

Wichtige Punkte im Überblick

Der Träger ist der günstigste Prüfort, weil das Handling an einer leeren Tasche ins Leere greift und eine fehlende Zelle im verschweißten Modul nicht mehr einfach nachzulegen ist.
Kommen Werkstückträger auf einem Handwagen mit Lagetoleranz an, muss das Bildfeld beide Träger samt Spiel abdecken und die Auswertung den Träger zuerst im Bild finden.
Ein Konzept sieht eine Blisterprüfung vor, weil das Handling aus einem falsch bestückten Blister nicht greifen kann, und bei bekannter Variante aus dem Auftrag prüft die Station nur, ob der Blister voll ist.
Für die belegten Plätze einer Zellablage stehen zwei Beleuchtungswege zur Wahl: Auflicht mit Polfilter auf einer schwarz-matten Aufnahme oder Durchlicht, bei dem ein leerer Platz durch eine Bohrung aufleuchtet und die Ablage umgebaut werden muss.
Auch ein Prozessschritt ist eine Anwesenheitsfrage, vom Schnitt am Anodenlaminator bis zur Schweiß- oder Lötstelle, die ohne Maß nur als vorhanden oder fehlend ausgegeben wird.

Belegt oder leer: warum die Zelle am Träger gezählt wird

An dieser Stelle der Linie lautet die Frage schlicht, ob jeder Platz belegt ist, der belegt sein soll. Sie braucht weder ein Maß noch eine Lage. Fährt das Handling eine leere Tasche an, greift es ins Leere; fehlt die Zelle erst im verschweißten Modul, lässt sie sich dort nicht mehr einfach nachlegen. Der Träger ist deshalb der günstigste Prüfort.

Das Ergebnis ist eine Stückzahl: Soll gegen Ist der belegten Plätze, bei Bedarf mit der Nummer des leeren Platzes. Für viele gleiche Objekte in einem Bild hat der AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 das Werkzeug AI Count, das je Werkzeug bis zu 500 Objekte und insgesamt bis zu 999 Elemente zählt. Ein Programm nimmt bis zu 16 AI-Count-Werkzeuge auf. Die All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS zählt mit ihrem Blob-Werkzeug und misst dabei Fläche und Schwerpunkt jedes Objekts, was hilft, wenn sich ein leerer Platz nur als fehlende helle Fläche zeigt.

Sind nur wenige Plätze abzufragen, genügt oft ein Punktsensor je Stelle. Das Bild ersetzt viele Schaltpunkte durch eine Aufnahme; der einzelne Sensor bleibt die einfachere Antwort, solange es bei ein oder zwei Merkmalen bleibt. Wie ein Roboter die Zelle anschließend aufnimmt, behandelt der Themenbereich Robotik.

Werkstückträger mit über hundert Zellen und ein Wagen mit Toleranzen

Im Lastenheft einer Zellfertigung steht eine Vollständigkeitsprüfung für gut hundert Zellen auf zwei Werkstückträgern. Die Träger kommen auf einem Handwagen an die Station. Ihre Lage schwankt damit stärker als auf einem Förderer mit festem Anschlag, und das Lastenheft nennt diese Toleranzen ausdrücklich. Über den Trägern ist ein Portal oder ein Roboter vorgesehen; für die Prüfung ist er Umgebung, nicht Aufgabe.

Zwei Dinge folgen daraus für die Auslegung. Das Bildfeld muss beide Träger samt ihrem Spiel abdecken, und die Auswertung darf nicht an starren Bildkoordinaten hängen, sondern muss den Träger zuerst im Bild finden. Für diese Größenordnung kommt die All-in-One Kamera in Frage. Auch der Vision-Sensor käme mit der Stückzahl rechnerisch in einem einzigen AI-Count-Werkzeug aus; die Grenze liegt hier eher beim Bildfeld über zwei Träger als bei der Zahl der Objekte. Mit welchem Objektiv und aus welcher Höhe sich jede Zelle sicher von ihrer Nachbarin trennen lässt, ist ein Anwendungswert und keine Gerätespezifikation; ihn liefert ein Test am Originalträger mit vollen und teilweise leeren Belegungen.

Blister und Nest: bevor das Handling greift und der Werker nachfüllt

Ein Konzept sieht eine Blisterprüfung vor. Die Blister fassen 90 oder 45 Zellen, es gibt drei Blister- und vier Zellvarianten. Den Grund nennt das Konzept selbst: Aus einem falsch bestückten Blister kann das Handling nicht greifen. Ist die anstehende Variante aus dem Auftrag bekannt, prüft die Station nur, ob der Blister nach dieser Variante voll ist. Drei mal vier Varianten ergeben rechnerisch höchstens zwölf Kombinationen. Der Vision-Sensor schaltet über externe Eingänge bis zu 32 Programme um, und ein voller Blister mit 90 Zellen liegt rechnerisch unter der Grenze eines einzelnen AI-Count-Werkzeugs.

Eine weitere Aufgabe betrifft ein Nest für zylindrische Zellen von 21 mm Durchmesser. Zwei Lichtleitersensoren sollen dem Werker anzeigen, wie viele Plätze belegt sind, damit er rechtzeitig nachfüllt. Das Ergebnis ist hier keine Gut-Schlecht-Entscheidung, sondern ein Füllstand in Stück, und sein Empfänger ist der Mensch am Platz, nicht die Steuerung einer Maschine. Für diese Aufgabe kommen Digitale Lichtleitersensoren der Modellreihe FS-N mit Lichtleitergeräten der Modellreihe FU in Frage.

In einem anderen Markt geht es um eine Station, an der Akkupacks eingesetzt werden. Der Greifer soll nicht ein zweites Mal einsetzen, wenn der Platz schon belegt ist, weil dabei Teile brechen. Die Prüfung steht hier vor dem Greifer, nicht hinter ihm.

Dazu kommt eine Zellprüfstation. Neben einem Lichtgitter für das Einlegen sollen zwei CMOS-Lasersensoren mit integrierter Auswerteeinheit der Modellreihe LR-Z melden, ob eine Zelle eingelegt ist. Die Modellreihe LR-Z erfasst je nach Ausführung 25 bis 500 mm, der Sensor kann also mit Abstand zur Einlegeöffnung sitzen.

Dass Zellen auf den Werkstückträgern verkehrt herum aufliegen können, wie die Aufgabenbeschreibung festhält, und die Polaritätsprüfung im Blisterkonzept gehören zur Typunterscheidung; hier zählt nur, ob der Platz belegt ist.

Die NIO-Ablage: Auflicht mit Polfilter oder Durchlicht durch Löcher

Ausgeschleuste Zellen sammeln sich in einer NIO-Ablage, im dokumentierten Fall gut 80 Zellen eines Formats. Zu klären war, welche Plätze belegt sind, mit der Kamera über dem Roboterhandling, etwa 1,2 m über den Zellen. Der Arbeitsabstand des Vision-Sensors ist mit 50 mm bis über 3 m spezifiziert; der Abstand ist damit keine Hürde, wohl aber die Beleuchtung.

Zwei Wege wurden betrachtet. Im Auflicht liegt die Ablage als schwarz-matte Aufnahme unter der Kamera, ein Polarisationsfilter nimmt den Glanz der Zellböden oder Zelldeckel zurück. Das Durchlicht kehrt die Logik um: Durch Löcher in der Ablage leuchtet ein leerer Platz auf, und nicht die Zelle muss sich abheben, sondern die Lücke. Dafür braucht die Ablage an jedem Platz eine Bohrung und darunter eine Lichtquelle. Welcher Weg sich eignet, hängt davon ab, ob die Ablage umgebaut werden darf.

Die Alternative zu einem Bild ist ein Näherungsschalter je Platz, rund 80 Schaltpunkte gegen eine Aufnahme. Die Abwägung ist eine Kostenfrage, die jede Linie für sich beantwortet. Für das Bild spricht, dass ein Umbau der Ablage auf ein anderes Zellformat nur ein neues Programm verlangt; für die Schalter, dass jeder Platz sein eigenes, sofort lesbares Signal hat. Wer die Kamera erwägt, klärt im Test zuerst, welche der beiden Beleuchtungen die Ablage ohne mechanische Änderung erlaubt.

Am Laminator und an der Zelle: Schnitt und Streifen vorhanden

Fehlen kann auch ein Prozessschritt. An einem Anodenlaminator der zweiten Generation soll bestätigt werden, dass der Schnitt zwischen den Anoden gesetzt ist. Getestet wurde dort die Erkennung der Schnittmarke in einem Spalt von etwa 1 mm mit dem Digitalen Lasersensor der Modellreihe LV-N. Für die Frage, ob der Schnitt vorhanden ist, wünscht der Anwender zusätzlich eine Punktlösung, etwa als Lichtleitervariante. Zwei milchige Folien im Strahlengang gehören zu den Bedingungen, die ein solcher Test abdecken muss. Die Spalterkennung als Auslöser für den nächsten Schritt steht der Lageprüfung näher; hier geht es um den Schnitt als vorhanden oder nicht.

An einer Batterielinie ist eine größere Zahl von Vollspektrumsensoren der Modellreihe LR-W installiert. Einer von ihnen prüft, ob ein grauer Streifen auf der Zelle vorhanden ist. Der Vollspektrumsensor bestätigt den richtigen Farbton an einem Punkt und unterscheidet auch sehr ähnliche Farben, sodass ein aufgebrachter Streifen gegenüber der Zellhülle als eigenes Signal erscheint.

Schweiß- und Lötstelle: vorhanden ja oder nein, ohne Maß

In einem Test für mehrere Stationen einer Zellfabrik werden Schweißnähte auf Anwesenheit geprüft, und zwar über den Kontrast zwischen Naht und Oberfläche.

In einem anderen Markt will ein Hersteller von Werkzeugakkupacks nach dem Lötroboter prüfen, ob die Lötstellen vorhanden sind.

Für beide Aufgaben passt die All-in-One Kamera. Sie bewertet je Fügestelle einen Bereich, etwa über die Fläche eines hellen Flecks, und gibt je Stelle vorhanden oder fehlend aus. Ob der Kontrast zwischen Fügestelle und Umgebung über alle Teile reicht, auch bei wechselndem Glanz, ist die Testfrage. Nahtbreite, Spritzer und Lage der Naht behandelt die Maßprüfung, Poren und Verfärbungen die Oberflächenprüfung; in diesem Beitrag bleibt die Fügestelle ein Ja oder Nein.

Häufige Fragen

F Auflicht oder Durchlicht: wie findet eine Kamera den leeren Platz in einer Zellablage?

Im Auflicht muss sich die Zelle von einer schwarz-matten Aufnahme abheben, ein Polarisationsfilter mindert den Glanz. Im Durchlicht leuchtet ein leerer Platz durch eine Bohrung in der Ablage auf. Das Durchlicht setzt eine umgebaute Ablage voraus, das Auflicht nicht.

F Wie viele Programme braucht eine Blisterprüfung mit mehreren Varianten?

Im dokumentierten Konzept ergeben drei Blister- und vier Zellvarianten rechnerisch höchstens zwölf Kombinationen. Der AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 schaltet über externe Eingänge bis zu 32 Programme um. Kommt die Variante aus dem Auftrag, prüft die Station nur die Belegung.

F Lässt sich der Schnitt am Anodenlaminator mit einem Punktsensor prüfen?

In einem dokumentierten Vorgang wurde die Schnittmarke im Spalt von etwa 1 mm mit einem Digitalen Lasersensor der Modellreihe LV-N getestet. Für die reine Frage, ob der Schnitt vorhanden ist, ist zusätzlich eine Lichtleiterlösung gewünscht. Milchige Folien im Strahlengang gehören in den Test.

F Ist die Prüfung, ob eine Schweißnaht vorhanden ist, eine Maßprüfung?

Nein, solange die Station nur ausgibt, ob die Naht da ist. Nahtbreite, Spritzer und Lage sind Maßfragen, Poren und Verfärbungen Oberflächenfehler. Für das Ja oder Nein genügt in dokumentierten Anwendungen der Kontrast zwischen Naht und Oberfläche.

F Muss ein Werkstückträger für die Zählung exakt positioniert sein?

Nicht zwingend, wenn das Bildfeld die Toleranz des Trägers mit abdeckt und die Auswertung den Träger zuerst im Bild findet. Im dokumentierten Lastenheft kommen die Träger auf einem Handwagen an und liegen entsprechend ungenau. Wie groß das Bildfeld dafür sein muss, zeigt ein Test am Originalträger.

Weiterführende Artikel

Übergeordnete Themenseite: Messen, Kennzeichnen und Prüfen in der Batterie- und E-Mobility-Produktion: Der Überblick für Qualitäts- und Fertigungsverantwortliche

Hauptartikel zum Thema: Anwesenheits- und Vollständigkeitsprüfung in der Batteriefertigung: von der Zelle bis zum fertigen Pack

Weiterer Artikel im Thema: Batteriegehäuse vor dem Verschließen vollständig prüfen: Dichtung, Deckel, Schaumpad, Trenner und Kappe an Wanne, Rahmen und Abdeckung

Weiterer Artikel im Thema: Stecker, Busbar und Pins am Batteriemodul und an der HV-Box: Vollständigkeit am Q-Gate und das HV-Etikett auf dem Pack

Weiterer Artikel im Thema: Anwesenheitsprüfung in der Brennstoffzellen-, Wasserstoff- und Ladetechnikfertigung: Pins, Platten, Abdeckungen und Kabel