Fokuslage und Schweißposition an Zelle und Zellkontaktiersystem: den Laser vor dem Tab- und Terminalschweißen nachführen
Ein Laserschweißprogramm an einer Batterie wird einmal eingerichtet und trifft danach jedes Mal das Bauteil, das gerade in der Station liegt. Dieser Beitrag richtet sich an Schweißprozessingenieure, an Batterietechnika und an die Maschinenbauer von Tabschweiß-, Zellkontaktier- und Laserreinigungsstationen. Er geht dokumentierte Anwendungen durch, in denen vor dem Schweißen, Reinigen oder Dosieren bestimmt werden soll, wo das reale Teil liegt. Sie beschreiben Aufgaben und Anforderungen.
Wichtige Punkte im Überblick
- Zwischen programmiertem Schweißpunkt und realem Tab liegen die Toleranzen von Zelle, Halter, Werkstückträger und Vorrichtung, und steht der Tab höher oder tiefer als erwartet, verändert sich die Naht, ohne dass die Station es merkt.
- Das Ergebnis der Prüfung vor der Naht geht an Optik, Achse oder Station, je nach Aufgabe als Freigabe, als Offset in X und Y, als Winkel oder als Korrektur der Fokushöhe.
- Ein Profil des 2D/3D Laser-Profilsensors der Modellreihe LJ-X8000 erfasst Tabkante und Maske in derselben Linie, sodass sich die Höhe des Tabs gegen die Maske als Bezug auswerten lässt statt gegen einen festen Punkt im Raum.
- Mittelpunkt und Winkel eines Terminals sind eine Aufgabe für die All-in-One Kamera, und dieselbe Prüfung kann das Urteil für die Freigabe und die Werte für den Offset liefern.
- Sitzt die Schweißoptik dicht über dem Tab, kann sie einen der Strahlwege der Triangulation verdecken, und in einer dokumentierten Anwendung ist genau das die offene Frage.
Der Laser trifft das Bauteil, das da ist: warum die Position vor jeder Naht bestimmt wird
Zwischen dem programmierten Schweißpunkt und dem realen Tab liegen die Toleranzen von Zelle, Halter, Werkstückträger und Vorrichtung. Beim Laserschweißen kommt die Fokuslage dazu. Steht der Tab höher oder tiefer als erwartet, trifft der Strahl ihn mit einem anderen Fleck, und die Naht verändert sich, ohne dass die Station es merkt.
Die Position wird deshalb vor der Naht bestimmt, und das Ergebnis geht an die Optik, die Achse oder die Station. Es kann eine Freigabe sein, ein Offset in X und Y, ein Winkel oder eine Korrektur der Fokushöhe. Wie breit die fertige Naht ist, ob sie überhöht ist oder Spritzer zeigt, bewertet die Maßprüfung an der Batteriezelle nach dem Schweißen. Den Unterschied zwischen Koordinatenausgabe und Nullpunktverschiebung behandelt die Übersichtsseite zur Positionierung.
Fokushöhe und Z-Abstand beim Tabschweißen
Beim Tabschweißen eines Folienstapels wird durch einen Spiegel geschweißt, und der Z-Abstand zum Stapel soll dabei überwacht werden.
An einem Batterietechnikum geht es um eine Laboranlage für das Tabschweißen von Rundzellen. Die Fokushöhe der Schweißoptik soll auf 0,16 mm bestimmt werden, aus mindestens 300 mm Abstand. Gemessen wird über einer Maske, die die Tabs positioniert.
Für beide Aufgaben kommt der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 in Frage. Er nimmt je Profil 3.200 Punkte auf, tastet mit bis zu 16 kHz ab und erreicht eine Z-Wiederholgenauigkeit von 0,3 bis 10 µm je nach Messkopf. Ein Profil hat an dieser Stelle einen Vorteil gegenüber einem einzelnen Messpunkt: Tabkante und Maske liegen in derselben Linie, und die Höhe des Tabs lässt sich gegen die Maske als Bezug auswerten.
Rechnerisch ist die geforderte Genauigkeit von 0,16 mm sechzehnmal so groß wie die Wiederholgenauigkeit des gröbsten Kopfs. Wiederholgenauigkeit ist allerdings nicht Genauigkeit. Ob ein Kopf aus 300 mm Abstand misst und dabei das Feld über der Maske abdeckt, entscheidet die Kopfwahl.
Terminalmitte, Drehung und Körnerpunkt: Offset oder Freigabe vor dem Schweißen
Am Zellkontaktiersystem ist das Terminal der Bezugspunkt. An einer Schweißstation für Zellkontaktiersysteme sollen Mittelpunkt und Drehung der Anoden- und Kathodenterminals erkannt werden. Kamera und Beleuchtung sind für den Einbau bereits eingeplant. Der Bauraum ist knapp, Arbeitsabstand und Bildfeld sind deshalb vorab zu klären.
An einer Forschungslinie übernimmt ein Körnerpunkt in einer Vertiefung diese Rolle. Er soll vor dem Schweißen bestätigen, dass die Zelle richtig liegt. Danach gibt die Station die Zelle frei oder übermittelt einen Offset.
Mittelpunkt und Winkel eines Terminals sind eine Aufgabe für die All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS. Nach der Kalibrierung über ein Schachbrett- oder Punktmuster, bei der sie Kameraneigung und Objektivverzeichnung ausgleicht, meldet sie Lage und Winkel an die Steuerung, die Optik oder Achse nachführt. Die Werte gehen per EtherNet/IP, PROFINET, EtherCAT oder PLC-Link weiter. Dieselbe Prüfung kann beides liefern, das Urteil für die Freigabe und die Werte für den Offset.
Referenzmarker vor Reinigung und Schweißen
Eine Anwendung aus der Batteriemontage verbindet zwei Prozesse. Vor dem Laserreinigen und vor dem Schweißen sollen Terminalpositionen und Referenzmarker erkannt werden, damit die Schweißposition korrigiert werden kann.
Ein Referenzmarker hat einen praktischen Vorteil, wenn eine Station das Aussehen des Terminals verändert. Nach dem Reinigen kann eine Terminalfläche anders glänzen als davor. Ein Marker, den das Reinigen nicht berührt, gibt beiden Stationen denselben Bezug, und die Korrektur des Schweißpunkts hängt nicht davon ab, wie die Fläche gerade aussieht.
Terminals prüfen, Laser nachpositionieren: vorgeschaltet oder in der Schweißstation
An einer Vorserienanlage der Modulmontage sollen die Terminals geprüft werden, damit der Laser nachpositioniert werden kann. Für das Vorpositionieren beim Terminalschweißen ist dort Kameratechnik von KEYENCE vorgesehen.
Die Frage, ob die Lage vor der Schweißstation oder in ihr bestimmt wird, ist eine Frage der Taktzeit und des Bauraums. Vorab ist mehr Platz für Kamera und Licht. In der Station entfällt die Annahme, dass sich zwischen Messen und Schweißen nichts mehr bewegt. Liegen viele Terminals in einer Reihe, kann eine Kamera das ganze Modul sehen, oder mehrere Kameras übernehmen je einen Abschnitt. Die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G betreibt bis zu acht Kameras an einem Controller, mit 0,31 bis 64 MP.
Die Dosierstation: Offset aus der Lage des Werkstückträgers
Nicht nur der Laser braucht die Lage. In einer Anwendung aus der Modulmontage soll das Zellkontaktiersystem auf seinem Werkstückträger erkannt werden, vermutlich damit die spätere Dosierstation mit einem Offset aufträgt. Die Lage würde dann an einer Station bestimmt und an einer anderen verwendet.
Das setzt voraus, dass das Teil zwischen beiden Stationen auf dem Träger nicht verrutscht und der Träger in der Dosierstation reproduzierbar ankommt. Beides gehört in die Spezifikation der Station, nicht erst in den Test. Folgt dagegen ein Dosierroboter mit eigener Kamera seiner Bahn, empfängt der Roboter die Koordinate, und die Aufgabe gehört zur Roboterführung.
Abschattung und Beleuchtungswinkel: die Grenzen der Messprinzipien am Schweißkopf
Ein Laser-Profilsensor misst über Triangulation: Laserlinie und Empfänger sehen das Bauteil aus unterschiedlichen Winkeln. Sitzt die Schweißoptik dicht über dem Tab, kann sie einen der beiden Wege verdecken. An der Laboranlage aus dem Batterietechnikum ist genau das die offene Frage: ob die Optik die Triangulation abschattet. Denkbare Antworten sind ein anderer Einbauwinkel oder eine Messung, bevor die Optik über das Teil fährt.
Beim Körnerpunkt liegt die Grenze in der Beleuchtung. Eine Vertiefung zeigt ihren Rand nur, wenn das Licht unter einem passenden Winkel einfällt; frontal beleuchtet kann sie im Grund verschwinden. Ein Weg ist LumiTrax an der Bildverarbeitung. Aus Aufnahmen mit unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen entsteht ein Formbild, in dem Unebenheiten wie eine Vertiefung hervortreten, und ein Texturbild ohne Glanzeffekte, das an glänzenden Terminals hilft. Ob das an der konkreten Zelle trägt, zeigt der Test.
Häufige Fragen
F Was gibt die Station vor dem Schweißen an den Laser weiter?
A
Je nach Aufgabe eine Freigabe, einen Offset in X und Y, einen Winkel oder eine Korrektur der Fokushöhe. In dokumentierten Anwendungen soll etwa ein Körnerpunkt die Zelle freigeben oder einen Offset übermitteln. Eine Kamera kann Urteil und Werte aus derselben Aufnahme liefern.
F Warum ein Profil statt eines einzelnen Messpunkts für die Fokushöhe?
A
Ein Profil erfasst Tabkante und Bezugsfläche, etwa eine Maske, in derselben Linie. Die Höhe lässt sich so gegen einen Bezug am Teil auswerten, statt gegen einen festen Punkt im Raum. Der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 nimmt dafür 3.200 Punkte je Profil auf.
F Stört die Schweißoptik die Messung der Fokushöhe?
A
Das kann sie, weil ein Profilsensor über Triangulation misst und die Optik einen der Strahlwege verdecken kann. In einer dokumentierten Anwendung ist genau das die offene Frage. Einbauwinkel und Messzeitpunkt werden deshalb an der realen Station festgelegt.
F Wie findet eine Kamera einen Körnerpunkt in einer Vertiefung?
A
Über den Beleuchtungswinkel: Der Rand der Vertiefung muss im Bild einen Schatten oder einen Glanz erzeugen. LumiTrax erzeugt aus mehreren Beleuchtungsrichtungen ein Formbild, in dem Unebenheiten hervortreten. Welche Beleuchtung an der konkreten Zelle trägt, klärt ein Test mit Originalteilen.
F Kann die Lage an einer Station bestimmt und an einer anderen verwendet werden?
A
Ja, in einer dokumentierten Anwendung soll die Lage eines Zellkontaktiersystems auf dem Werkstückträger erkannt werden, vermutlich für einen späteren Offset in der Dosierstation. Voraussetzung ist, dass das Teil auf dem Träger nicht verrutscht und der Träger reproduzierbar ankommt.
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