Lage prüfen und ausrichten in der Batteriefertigung: von der Elektrodenlage bis zum Packdeckel

In der Batteriefertigung folgt auf fast jede Lageprüfung ein Prozess, der sich nicht selbst korrigiert. Der Laser schweißt dort, wo das Programm den Tab erwartet, die Dosierstation trägt dort auf, wo der Träger liegen soll, und die nächste Elektrodenlage deckt zu, was darunter verrutscht ist. Dieser Leitfaden folgt dem Produkt in der Reihenfolge, in der die Lage entschieden wird: die Lagen vor dem Stapeln, der Prozesskopf vor Schweißen, Reinigen und Dosieren, die verbindenden Teile im Modul und Modul, Deckel und Träger im Pack. Ein Abschnitt am Ende ordnet die Sensorklassen den Fragen zu. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen, Ideen und Tests und beschreiben Aufgaben und Anforderungen.

Wichtige Punkte im Überblick

Die Lagefrage hat drei Formen: Liegt das Teil richtig, als i.O. oder n.i.O., wo genau liegt es, etwa Mitte und Drehung eines Terminals, und wie weit muss eine Achse, ein Schlitten oder ein Prozesskopf nachfahren, was einen Offset statt eines Urteils liefert.
Wer das Ergebnis empfängt, bestimmt das Thema: Geht die Koordinate an einen Roboter, der greift, fügt oder ein Werkzeug führt, ist es Roboterführung, geht die Lage an eine Station, eine Achse oder einen stationären Prozesskopf, bleibt es eine Lagefrage.
Weil ein Laser das Bauteil trifft, das tatsächlich da ist, fragen viele Anwendungen vor dem Schweißen nach dem Abstand zur Optik, und für Z-Abstand und Fokushöhe kommt der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 in Frage.
Ein Busbar kann vorhanden sein und trotzdem falsch liegen: In einer dokumentierten Anwendung verursacht ein verdrehter oder falsch positionierter Busbar einen Kurzschluss, im schlimmsten Fall ist das Modul verloren.
Die Sensorklasse folgt der Frage: Einen Offset aus dem Bild liefert die All-in-One Kamera, entscheidet die Höhe über die Lage, arbeiten Profil-, Snapshot- und Höhenvergleichssensor, und ist nur eine Achse gefragt, genügt ein Lasersensor.

Liegt es richtig, wo genau, wie weit korrigieren: drei Fragen vor Maß, Anwesenheit und Roboter

Die erste Frage ist eine Entscheidung: Liegt die Lage, der Busbar oder der Deckel richtig, i.O. oder n.i.O.? Die zweite fragt nach dem Ort, etwa nach der Mitte eines Terminals und seiner Drehung. Die dritte fragt, wie weit eine Achse, ein Schlitten oder ein Prozesskopf nachfahren muss, und liefert einen Offset statt eines Urteils.

Die Nachbarfragen haben eigene Artikel. Wie hoch ein Busbar steht und ob die Pole koplanar sind, klärt die Maßprüfung. Ob ein Teil überhaupt da ist, beantwortet die Anwesenheitsprüfung, welcher Typ vorliegt und ob eine Zelle verpolt steckt, die Typunterscheidung. Die Verdrehung einer Zelle über ihren Code gehört zur Kennzeichnung. In der Anwendungspraxis entscheidet eine Regel die Grenze zur Robotik: Wer das Ergebnis empfängt, bestimmt das Thema. Geht die Koordinate an einen Roboter, der greift, fügt oder ein Werkzeug führt, ist es Roboterführung. Führt der Roboter das Teil nur vor oder geht die Lage an eine Station, eine Achse oder einen stationären Prozesskopf, bleibt es eine Lagefrage. Ob die Station eine Koordinate oder eine Nullpunktverschiebung ausgibt, erklärt die Übersichtsseite zur Positionierung.

Vor dem Stapeln: Elektroden und Brennstoffzellenlagen

Beim Stapeln ist jede Lage nur so lange korrigierbar, bis die nächste sie bedeckt. Für einen Z-Falter sollen getrennte Kameras Anode und Kathode prüfen: Zeilenkameras für die Inspektion, Flächenkameras für das Ausrichten vor dem Stapeln. Auch an einem Z-Falter für eine Festkörperzelle ist die Positionierung im Falter gefragt. Eine weitere Aufgabe ist, die Kante einer Batteriezelle und die Kante einer Folie zu erkennen.

In der Brennstoffzellenfertigung stellt sich dieselbe Frage an anderen Lagen. In einer CCM-Linie soll erkannt werden, wie das Substrat auf dem Träger liegt und wie zwei Lagen aufeinander liegen, bei etwa ±0,2 mm und 1°. An einem Prüfstand soll geprüft werden, ob Folien richtig gelegt sind, auf 0,1 mm und mit rund sieben Varianten. Eine weitere Aufgabe gilt der Lage eines Gitters auf der darunterliegenden Folie.

Für stehende Lagen, Kanten und Folien ist die All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS die erste Wahl. Bewegte Lagen und Gitter, die mit einer Zeilenkamera gesehen werden sollen, führen zur High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X, denn nur sie arbeitet mit Zeilenkameras, encodergesteuert. Kantenprofil und Beschichtungsbreite als Maß gehören zur Maßprüfung an der Elektrode.

Vor dem Schweißen und Dosieren: Fokus, Offset und Freigabe für den Prozesskopf

Ein Laser trifft das Bauteil, das tatsächlich da ist. Deshalb fragen viele Anwendungen nicht nach dem Teil, sondern nach seinem Abstand zur Optik. Beim Tabschweißen eines Folienstapels durch einen Spiegel soll der Z-Abstand überwacht werden. An einer Laboranlage zum Tabschweißen von Rundzellen ist die Fokushöhe der Schweißoptik auf 0,16 mm aus mindestens 300 mm gesucht, über einer Maske zur Tabpositionierung.

Andere Anwendungen suchen die Mitte. An einer Schweißstation für Zellkontaktiersysteme sollen Mittelpunkt und Drehung der Anoden- und Kathodenterminals erkannt werden; Kamera und Beleuchtung sind für den Einbau eingeplant. An einer Forschungslinie soll ein Körnerpunkt in einer Vertiefung die Zellposition vor dem Schweißen bestätigen und die Zelle freigeben oder einen Offset übermitteln. In einer Vorserienanlage der Modulmontage sind die Terminals zu prüfen, damit der Laser nachpositionieren kann. Eine weitere Anwendung nennt Terminalpositionen und Referenzmarker vor dem Laserreinigen und vor dem Schweißen, eine weitere das Zellkontaktiersystem auf dem Werkstückträger, dessen Lage vermutlich als Offset an die Dosierstation gehen soll.

Für Z-Abstand und Fokushöhe kommt der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 in Frage, mit einer Z-Wiederholgenauigkeit von 0,3 bis 10 µm je nach Messkopf. Ob die Schweißoptik die Triangulation abschattet, ist dort die offene technische Frage. Terminalmitte, Drehung und Referenzmarker sind Aufgaben für die All-in-One Kamera. Laufen mehrere Kameras an einem Controller, bietet die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G bis zu acht Kameras. Ein Körnerpunkt in einer Vertiefung hängt vom Beleuchtungswinkel ab.

In der Modulmontage: Busbar, Kontaktblech und Stecker lagerichtig

Ein Busbar kann vorhanden sein und trotzdem falsch liegen. In einer dokumentierten Anwendung fixieren Busbars Module auf Pins. Ein verdrehter oder falsch positionierter Busbar verursacht dort einen Kurzschluss, und im schlimmsten Fall ist das Modul verloren. Erste Ergebnisse mit dem Werkzeug AI Count liegen vor, möglichst soll die ganze Vorrichtung in einem Bild liegen. In einer Linie für Geräteakkus soll eine Station unter anderem die Position eines Kontaktblechs prüfen. Bei Batteriekontakten zählen Parallelität und Abstand zur Tischkante.

Manche Lage zeigt sich an einer Höhenstufe. Die Laschen langer Busbar-Clips sollen von oben geprüft werden, damit die Dichtmasse im Teil bleibt. An einem Batteriegehäuse soll geprüft werden, ob Stecker richtig gesteckt sind. Weil Kabel die Sicht verdecken, sind rund zehn Sensoren vorgesehen. Die Steckerprüfung hat im Test funktioniert. Rundzellen auf einem Werkstückträger sollen so genau erkannt werden, dass sie vor einer Röntgenaufnahme nachjustiert werden können. Bei einer flexiblen Leiterplatte, die Zellen verbindet, sind Padposition und Tab-Orientierung gefragt.

Für Busbars in der Vorrichtung und das Kontaktblech ist der AI Vision-Sensor der Modellreihe IV4 die naheliegende Klasse. AI Count zählt bis zu 500 Objekte je Werkzeug und insgesamt bis zu 999 Elemente, je Programm sind bis zu 16 AI-Count-Werkzeuge möglich, und die Positionskorrektur fängt Lageschwankungen der Vorrichtung ab. Laschen und Stecker prüft der Bildbasierte Höhenvergleichssensor der Modellreihe IX gegen einen Referenzpunkt am Teil selbst, auch wenn das Teil versetzt oder geneigt liegt. Die flexible Leiterplatte ist ein Fall für die All-in-One Kamera.

In der Packmontage: Rahmen, Deckel, Gestell und Transportsystem

In der Packmontage werden große Teile über kurze Wege bewegt, oft mit Schlitten, Achsen und Anschlägen statt mit Robotern. Als Idee soll die Mittenposition eines Aluminiumrahmens erkannt werden, in den ein Modul geschoben wird. Abweichungen von ±3 mm soll der Schlitten aktiv ausgleichen. An einer Deckelmontage für 48-V-Batterien geht es um die Position des Deckels.

Andere Anwendungen gelten dem Transport. An einem Gestell von etwa 2 x 1,6 m sollen rund sieben Anschläge auf Position geprüft werden, aus etwa 1 m, mit mehreren Varianten und einfach zu teachen. Die Lage eines FTF an einer Be- und Entladestation soll aus mindestens 1 m auf ±1 mm geprüft werden, bei schwarzen und grauen Flächen. Am Ende einer Linearachse in einer Zelllinie zählt die Position einer Einheit. Als Idee soll der Schlitten eines Batteriewechslers über eine Positionsmarke besser als ±2 mm vor die Fächer fahren. Ein Schlitten, der nur über einen Riemen angetrieben wird, positioniert allein nicht fein.

Für die Rahmenmitte kommt der 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 in Frage, der ein Feld bis 640 x 640 mm ohne Bewegung des Messkopfs erfasst. Deckel, Achse und FTF sind Aufgaben für den Multi-Funktions-CMOS-Analoglasersensor der Modellreihe IL. Anschläge und Positionsmarke prüft der Vision-Sensor, dessen Arbeitsabstand von 50 mm bis über 3 m reicht.

Kamera, Vision-Sensor, Profilsensor oder Lasersensor: welche Klasse welche Lagefrage beantwortet

Die Sensorklasse folgt der Frage. Braucht der Folgeprozess einen Offset aus einem Bild, etwa Terminalmitte und Drehung, ist die All-in-One Kamera die Klasse. Sie kalibriert mit Schachbrett- oder Punktmuster, korrigiert Kameraneigung und Objektivverzeichnung und gibt Lage und Winkel an die Steuerung der Servoachsen, über EtherNet/IP, PROFINET oder EtherCAT. Genügt an einer Station ein i.O. oder n.i.O., reicht oft der Vision-Sensor mit bis zu 32 Programmen über externe Eingänge.

Entscheidet die Höhe über die Lage, wie beim Fokusabstand oder beim steckenden Stecker, arbeiten Profilsensor, Snapshot-Sensor und Höhenvergleichssensor. Ist nur eine Achse gefragt, etwa der Abstand eines Deckels oder die Endlage eines Schlittens, genügt ein Lasersensor. Viele Stationen stehen in Pilotlinien und Vorserienanlagen, und die Wahl der Klasse gehört vor den Test am Originalteil.

Häufige Fragen

F Was unterscheidet die Lageprüfung vom Messen am Busbar?

Die Lageprüfung entscheidet, ob ein vorhandener Busbar richtig auf seinen Pins liegt oder verdreht ist, als i.O. oder n.i.O. Höhe, Koplanarität und Position in Millimetern mit Toleranz sind eine Messaufgabe. In einer dokumentierten Anwendung wird sie verlangt, weil ein verdrehter oder falsch positionierter Busbar einen Kurzschluss verursachen kann.

F Wann wird aus einer Lageprüfung eine Roboterführung?

Maßgeblich ist, wer das Ergebnis empfängt. Nutzt ein Roboter die Koordinate, um zu greifen, zu fügen oder ein Werkzeug zu führen, handelt es sich um Roboterführung. Geht die Lage an eine Station, eine Achse, einen Schlitten oder einen stationären Prozesskopf, bleibt es eine Lageprüfung, auch wenn ein Roboter das Teil nur vorführt.

F Wie wird die Fokuslage vor dem Tabschweißen bestimmt?

In dokumentierten Anwendungen soll der Abstand zwischen Schweißoptik und Tab oder Folienstapel bestimmt werden, in einem Fall auf 0,16 mm aus mindestens 300 mm. Der 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 erreicht eine Z-Wiederholgenauigkeit von 0,3 bis 10 µm je nach Messkopf. Ob die Optik die Triangulation abschattet, klärt der Test an der realen Station.

F Zeilenkamera oder Flächenkamera für Elektrodenlagen?

Bewegt sich die Lage an der Kamera vorbei, etwa ein Gitter auf einer laufenden Folie, passt eine Zeilenkamera, die bei KEYENCE an der Modellreihe XG-X arbeitet. Steht die Lage vor dem Stapeln still, genügt eine Flächenkamera wie die All-in-One Kamera der Modellreihe VS. In einer dokumentierten Anwendung für einen Z-Falter sind beide Klassen getrennt vorgesehen, für Inspektion und Ausrichten.

F Reicht ein Lasersensor für die Lage in der Packmontage?

Ist nur eine Achse gefragt, etwa die Endlage eines Schlittens oder der Abstand eines Deckels, genügt oft ein Lasersensor. Müssen mehrere Anschläge oder eine Rahmenmitte in einem Schritt erfasst werden, braucht die Station ein Bild oder ein 3D-Höhenbild. Große Teile und Abstände um 1 m gehören vor der Auswahl in die Spezifikation.

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