Schweiß-, Dosier- und Wickelroboter nachführen: Kante, Nut und Bohrung am realen Batterie- und Wasserstoffbauteil

Programmierte Bahn, reales Bauteil: wo Guss, Umformung und Folie abweichen

Eine am Musterteil eingelernte Bahn stimmt für das nächste Teil nur, wenn dieses genauso liegt und genauso geformt ist. In der Batteriefertigung ist das selten der Fall. Wannen entstehen aus Blech- und Gussteilen, großformatige Deckel werden umgeformt, und eine Folie von einigen zehn Mikrometern verzeiht keinen Versatz der Laserbahn. Hinzu kommt, was der Werkstückträger und die Spannung an Lagefehler beisteuern.

Die Bildverarbeitung misst deshalb unmittelbar vor dem Prozessschritt das Merkmal, an dem das Werkzeug arbeiten soll: die Lage und Höhe einer Kante, den Mittelpunkt einer Nut, die Position einer Bohrung mit ihrer Drehlage. Die Korrektur geht an den Roboter, der das Werkzeug trägt. Darin liegt die Abgrenzung zur Station: Wird eine Schweißposition vor einem fest stehenden Laserkopf korrigiert, ist das eine Ausrichtungsaufgabe, die ein eigener Beitrag zur Lageerkennung in der Batteriefertigung behandelt.

Folienkante und Nut: das Profil gibt dem Roboter die Bahn

Eine Kante oder Nut ist im Höhenprofil eindeutiger zu finden als im Grauwertbild, besonders wenn Material und Untergrund ähnlich aussehen. In einem Elektrolyseurprojekt soll eine dünne Folie in einem Konturbereich lasergeschweißt werden. Der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 soll dem robotergeführten Laser dafür Position und Höhe der Folienkante liefern. Aus einem ersten Test liegt ein positiver Eindruck vor.

Größer ist das Bauteil im zweiten Vorgang. Auf einem Batteriedeckel von rund 1,7 x 1,3 m soll ein Profilsensor am Roboter die Mitte einer Nut finden, bevor eine Schaumraupe aufgetragen wird. Insgesamt sind es mehrere Meter Nut. Ob die Raupe nach dem Auftrag in Breite und Lage stimmt, ist eine Maßfrage und gehört zur Raupenprüfung.

Der Profilsensor erfasst je nach Messkopf ein X-Feld von 7,0 bis 510 mm mit bis zu 3.200 Punkten je Profil und tastet mit maximal 16 kHz ab. Die Z-Wiederholgenauigkeit liegt je nach Messkopf zwischen 0,3 und 10 µm. Ausgewertet wird er an der High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X; in dieser Konstellation ist sie der dokumentierte Controller für den Profilsensor.

Auch beim Dosieren an Zellen stellt sich die Frage nach der realen Lage. Für eine Maschine am Linienende, die Zellschultern lackiert und schäumt, sind Kameras am Greifer geplant, bei einem Greiferwechsel innerhalb von 13 s. Als Klasse kommt dafür die All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS in Frage.

Faden am Druckbehälter: Wickeln Stoß an Stoß

Beim Wickeln eines zylindrischen Wasserstoff-Druckbehälters legt der Roboter einen Faden Bahn neben Bahn. Die Bahnen sollen Stoß an Stoß liegen, ohne Lücke und ohne Überlappung. Geplant ist, dass eine Zeilenkamera die Breite des Fadens misst und der Roboter um die gemessene Lage nachgeführt wird. Untersucht wird das im Rahmen einer Abschlussarbeit.

Die Zeilenkamera passt zu dieser Aufgabe, weil sich die Oberfläche beim Wickeln fortlaufend unter der Kamera bewegt und das Bild Zeile für Zeile entsteht. Die Aufnahme ist encodergesteuert, sie folgt also der Bewegung statt einer festen Zeit. Unter den hier genannten Systemen arbeitet nur die XG-X mit Zeilenkameras, mit bis zu zwei je Erweiterungsmodul und höchstens vier insgesamt. Für eine Messung, die fortlaufend Breite und Kantenlage des Fadens liefert, ist das die passende Architektur.

Bohrung, Kühlplatte und Wanne vor dem Schweißen finden

Vor dem Schweißen braucht der Roboter die Lage des Fügepartners. In einer Anwendung aus der Batteriefertigung soll vor dem Schweißen eine Bohrung gefunden werden; genannt ist dabei LumiTrax. In einem anderen Vorgang bringt der Roboter eine metallene Kühlplatte mit der Oberseite nach unten zur Schweißung, und ihre Lage soll dabei erkannt werden. Für beide Aufgaben ist die All-in-One Kamera die naheliegende Klasse; mit LumiTrax erzeugt sie aus Aufnahmen unter verschiedenen Beleuchtungsrichtungen ein Formbild und ein Texturbild.

Anders liegt eine Schweißzelle für Batteriewannen aus Blech- und Gussteilen, in der die Wanne um 1 bis 10 Grad gekippt oder verkantet ankommen kann. Hier genügt eine Lage in der Ebene nicht, der Roboter braucht die Raumlage. In Frage kommt deshalb 3D ROBOT VISION. Die Kamera für 3D ROBOT VISION RB-1200 auf der Universellen Bildverarbeitungsplattform der Modellreihe CV-X erfasst ein Feld von 1260 x 1260 mm bei 2000 mm Arbeitsabstand und bis 1000 mm Tiefe. Den Roboter bindet das System über Ethernet oder RS-232C an; Verbindungsunterlagen liegen für zwölf Roboterhersteller vor.

Für einen Schweißroboter an Batteriepolen geht es nur um einen Abstand. Dafür kommt ein Multi-Funktions-CMOS-Analoglasersensor der Modellreihe IL in Frage, der am Roboter nachgerüstet werden soll.

Bohren und Dichtheitsprüfen: Referenzmarken für Werkzeugroboter

Nicht jeder Prozessroboter schweißt. Ein Bohrroboter steht auf einem von Hand verschiebbaren Schlitten. Weil der Schlitten keine feste Position hat, soll der Roboter zuerst eine Referenzskala am Tisch und dann die Referenzmarken auf der Batterie anfahren. Die Kamera bestimmt damit zweimal die Lage: einmal die des Roboters zum Tisch, einmal die des Bauteils zum Werkzeug.

Ähnlich ist die Aufgabe eines Schnüffelroboters angelegt, der für seine Bahn bei der Dichtheitsprüfung die Bohrungen eines glänzenden Batterieträgers finden muss. Gefordert ist die Ausgabe von x, y und Drehlage des Trägers.

Damit eine solche Korrektur im Roboterprogramm ankommt, wird die All-in-One Kamera mit dem Roboter kalibriert, über ein Schachbrett- oder Punktmuster oder per Autokalibrierung mit dem Roboter; dabei werden Kameraneigung und Objektivverzeichnung korrigiert. Die Anbindung erfolgt über einen Ethernet-Port des Controllers im Protokoll des jeweiligen Roboterherstellers.

Glänzende Träger und wechselndes Licht: was vor dem Test zu klären ist

Am Prozessroboter sind die Aufnahmebedingungen selten so ruhig wie an einer Prüfstation. Metallische Träger glänzen, Gussoberflächen streuen, und die Kamera sieht das Bauteil aus einer Roboterpose, die sich von Teil zu Teil leicht unterscheidet. Bei der Kühlplatte kommt Tageslicht hinzu: Unter einem großen Oberlicht ändert sich das Licht an der Station zwischen Tag und Nacht; bei einem ersten Versuch vor Ort wurden Infrarotlicht, Weißlicht und ein Polfilter ausprobiert.

Für glänzende Flächen liefert LumiTrax ein Texturbild ohne Glanzeffekte, und ein Polfilteraufsatz ist dokumentiert. Ob das an einem bestimmten Träger genügt, ist eine Testfrage. Bei 3D ROBOT VISION verringert ein Projektionsverfahren mit um 90 Grad gedrehten Mustern den Einfluss von Reflexionen. In sehr dunklen Bereichen lassen sich Höhendaten dagegen nicht zuverlässig bestimmen. Beides gehört in den Versuch mit Originalteilen, bevor die Zelle ausgelegt wird.

Häufige Fragen

Weiterführende Artikel

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

Hauptartikel zum Thema: Robotik und Bildverarbeitung in der Batteriefertigung: vom Greifen der Zelle bis zum Rückbau des Packs

Weiterer Artikel im Thema: Batteriezellen, Elektroden und Folien robotergeführt greifen: Ladungsträger, Blister, Schaumtray und Stapel

Weiterer Artikel im Thema: Roboterführung in der Pack- und Modulmontage: Module setzen, verschrauben und Busbars fügen trotz Toleranz von Werkstückträger und FTS

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