Batteriezellen, Elektroden und Folien robotergeführt greifen: Ladungsträger, Blister, Schaumtray und Stapel

Wer in der Zell-, Elektroden- oder Brennstoffzellenfertigung einen Roboter greifen lässt, hat selten ein einzelnes, gut sichtbares Teil vor sich. Rundzellen stehen zu Hunderten in Blistern, Elektrodenplatten liegen dünn und flach aufeinander, Folien sollen auf wenige Zehntelmillimeter in einen Rahmen. Dieser Beitrag richtet sich an Automatisierungs- und Prozessingenieure an solchen Linien und an die Maschinenbauer, die deren Greifstationen auslegen. Er geht dokumentierte Vorgänge vom Großladungsträger über Box, Schaumtray und Stapel bis zu Gehäuseteilen im Behälter durch und endet am Werkstückträger, auf den die Zellen abgesetzt werden. Die Vorgänge beschreiben Aufgaben und Anforderungen.

Wichtige Punkte im Überblick

In der Zellfertigung ist das Teil eindeutig, aber hundertfach vorhanden, und die Unsicherheit steckt in der Kette aus Ladungsträger, Blister und Nest, deren Toleranzen zusammen mehr ausmachen können, als ein Greifer für viele Zellen verträgt.
Wo Zellen, Platten oder Folien geordnet liegen und der Höhenversatz klein ist, reicht oft die 2D-Roboterführung mit der All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS, ein 3D-Verfahren wird erst bei Lagen oder ungeordneten Teilen in tiefen Behältern zum Thema.
Die lokale Auflösung muss deutlich unter der Greifgenauigkeit liegen: In einer Auslegung für Zellen aus einer Box galt eine Kamera mit 21 MP für etwa 0,5 mm bereits als grenzwertig, 64 MP wären besser.
Die Kameras für 3D ROBOT VISION unterscheiden sich in Arbeitsabstand und erfassbarer Tiefe, und bleiben wie in einem Konzept nur rund 1,6 m über dem Behälter, sind beide Werte früh gegen das Layout zu prüfen.
Vor dem Absetzen der Zellen soll die Station prüfen, ob der Werkstückträger leer und sein Deckel offen ist, und danach, ob die Zellen mit dem vorgesehenen Abstand liegen, damit die herunterschwenkende Platte nicht kollidiert.

Hunderte gleiche Zellen, eigene Nesttoleranzen: warum das Greifen in der Zellfertigung anders ist

Beim Griff in eine Kiste mit Guss- oder Kunststoffteilen lautet die Frage meist, welches Teil oben liegt und wie es sich greifen lässt. In der Zellfertigung ist das Teil eindeutig, es ist nur hundertfach vorhanden. Die Unsicherheit steckt in der Kette aus Ladungsträger, Blister und Nest. Der Ladungsträger fährt auf einen Anschlag, der Blister liegt mit Spiel darauf, und jedes Nest hat seine eigene Toleranz. Keine Stufe ist für sich groß, zusammen können sie mehr ausmachen, als ein Greifer für viele Zellen verträgt.

Flache Teile verschieben die Frage noch einmal. Eine Elektrodenplatte oder eine Folie hat kaum Höhe, das Bild muss Kante und Winkel liefern, keine Form im Raum. Wo Teile geordnet liegen und der Höhenversatz klein ist, reicht deshalb oft die 2D-Roboterführung mit der All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS. Ein 3D-Verfahren wird dort zum Thema, wo Teile in Lagen oder ungeordnet in tiefen Behältern liegen.

Aus dem Großladungsträger: Deckel abnehmen, Blister und Einzelzellen entnehmen

An einer Übergabestation fahren Großladungsträger mit mehreren Stapeln von Rundzellen in Querrichtung ein. Der Roboter soll dort zunächst den Deckel abheben und danach einzelne Blister aufnehmen, die mit etwa ±2,5 mm in Nestern mit eigener Toleranz liegen. Der Ladungsträger fährt auf Anschlag, und drei Multi-Funktions-CMOS-Analoglasersensoren der Modellreihe IL je Anlage sollen die Lage der Grundpalette in Querrichtung bestimmen; gefordert sind 1 bis 2 mm. Die Korrektur für den Roboter kommt hier also aus wenigen Abstandswerten statt aus einem Bild. Was die Nester an Toleranz mitbringen, muss dann der Greifer selbst ausgleichen oder eine Kamera zusätzlich erfassen.

Eine Anwendung zum automatischen Entpalettieren von Batteriezellen will die Position jeder Einzelzelle mit einem Bildverarbeitungssystem am Roboter bestimmen und dabei den DMC der Zelle lesen. Wie der Code dem Handhabungsroboter seine Referenz liefert, beschreibt der Beitrag zum DMC an der Batteriezelle. Eine weitere Aufgabe betrifft das Handling von Rundzellen zweier Formate zwischen Labor und Linie. Den Greifer baut der Anwender selbst.

Zellen aus Box und Schaumtray: Bohrungen finden, Greifgenauigkeit halten

An einer Montagelinie sollen Zellen aus einer Box gepickt werden, indem die Kamera die Bohrungen jeder Zelle erkennt. Für eine Greifgenauigkeit von etwa 0,5 mm wurde die Auslegung auf eine Kamera mit 21 MP angehoben. Auch das gilt bereits als grenzwertig, 64 MP wären besser. Der Grund ist geometrisch: Je größer das Bildfeld über einer vollen Box, desto mehr Fläche entfällt auf ein Pixel, und ein halber Millimeter Greifgenauigkeit verlangt eine lokale Auflösung deutlich darunter. Die 64-MP-Klasse deckt die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G ab, die Kameras von 0,31 bis 64 MP an einem Controller betreibt.

In einem geplanten Projekt der Prozessentwicklung kommen Zellen in Schaumstofftrays an und werden anschließend gemessen. Je Zelle stehen etwa 2 bis 5 s zur Verfügung, gerechnet wird mit Packs aus 20 Zellen. Angefragt war zunächst 3D, die Notiz hält aber fest, dass auch 2D ginge. Stehen die Zellen aufrecht und geordnet im Tray, braucht der Roboter vor allem Lage in x und y und den Winkel. Dafür genügt die All-in-One Kamera, stationär über dem Tray oder am Greifer.

Oberste Elektrode vom Stapel und Folie in den Rahmen

Ein Hersteller großer Batterien will die oberste Elektrodenplatte von einem Stapel auf der Palette per Sauger greifen. Die Platten sind gut einen halben Meter lang und können verdreht oder in x und y versetzt liegen. Für einen sauberen Stapel aus negativer Platte, Separator und positiver Platte waren ±1 mm bei 8 s Takt gefordert. Bisher geschieht das von Hand, mit einseitiger körperlicher Belastung und mit Personal, das sich kaum finden lässt. Für die Auslegung solcher Stationen ist ein Punkt festzuhalten: Jeder Umweg des Roboters kostet Takt, die Platte muss also dort erfasst werden, wo der Roboter ohnehin vorbeifährt.

Elektrolysefolien lagen in einem anderen Vorhaben auf einer Palette in einem Bildfeld von etwa 1,8 x 1,2 m. Ein Druckluftgreifer sollte jede Folie auf etwa 0,2 mm genau in ihren Rahmen fügen. In Frage kommen drei Aufbauten: eine All-in-One Kamera am Greifer, die erst grob die Lage aller Folien erfasst und dann jede Folie einzeln anfährt; eine Zeilenkamera mit vier Köpfen, die auf einer Achse über die Palette fährt; oder vier stationäre 64-MP-Kameras. Die Zeilenkamera wäre ein Fall für die High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X, die bis zu vier Kameras einschließlich Zeilenköpfen aufnimmt.

An einer Laminierlinie für Zellen ist Robot Vision an drei Stationen mit jeweils mehreren 5-MP-Kameras vorgesehen. Weil mehrere Kameras je Station zusammenkommen, bietet sich dort VS-G an, die bis zu acht Kameras an einem Controller verwaltet. Aus der Brennstoffzellenfertigung kommen zwei weitere Aufgaben. In der ersten sollen Metallplatten mit Griffkorrektur auf eine Halterung gelegt werden, die zweite sieht 3D-Bin-Picking vor.

Gehäuseprofile, Wannen und Busbars aus Tray und Behälter

Nicht nur Zellen kommen in Trays. Aluminiumprofile für Batteriewannen liegen mit Spiel in Trays und sollen an insgesamt vier CNC-Maschinen entnommen und eingelegt werden. An zwei davon wird der Roboter über ein laserbasiertes Einlernen geführt, die Aufgabe gilt den beiden noch nicht ausgestatteten Maschinen; der Greifer ist ausgelegt, die Taktzeit unkritisch.

In einem Konzept sollen Schaumteile sowie Wannen und Deckel aus großen Behältern von fast drei Metern Länge entnommen werden. Die Schaumteile liegen zu dritt je Lage auf Zwischenlagen und können verschoben sein, der Greifer darf die Führungsschienen nicht berühren, zu den Streben bleiben nur wenige Millimeter Luft. Laut Konzept soll die Kamera stationär sein, weil für eine Korrektur am Greifer keine Zeit bleibt, und ab Oberkante Behälter stehen höchstens etwa 1,6 m Arbeitsabstand zur Verfügung. Im Konzept stehen trotzdem zwei Varianten nebeneinander: zwei Kameras für 3D ROBOT VISION oder zwei All-in-One Kameras am Greifer.

Die Kameras für 3D ROBOT VISION RB-500, RB-800 und RB-1200 arbeiten auf der Universellen Bildverarbeitungsplattform der Modellreihe CV-X. Sie unterscheiden sich im Arbeitsabstand (1.500, 1.700 und 2.000 mm) und in der erfassbaren Tiefe (200, 500 und 1.000 mm). Bei rund 1,6 m Platz über dem Behälter und Lagen, die mit jeder Entnahme nach unten wandern, sind beide Werte früh gegen das Layout zu prüfen.

Für umspritzte Hochvolt-Busbarelemente aus einer Box von etwa 400 x 600 mm kommt die RB-800 in Frage. Die Teile liegen sortenrein, vier Elementtypen teilen sich eine Anlage, je Box arbeitet ein Roboter, der Takt liegt bei 15 s. Das Messfeld der RB-800 von 860 x 645 mm deckt eine solche Box rechnerisch vollständig ab. Eine weitere Aufgabe betrifft das Greifen von Batteriekomponenten mit einem Bildfeld von etwa 420 x 260 mm; dort ist die Machbarkeit noch offen.

Bevor die Zellen abgesetzt werden: Werkstückträger leer, keine Zelle auf der Zelle

Am Ende der Greifkette wartet der Werkstückträger. Eine dokumentierte Anwendung beschreibt einen Greifer, der mehrere Dutzend Zellen in zwei Reihen auf einmal aufnimmt und auf einen Werkstückträger umsetzt. Vor dem Ablegen müssen der Träger leer und sein Deckel offen sein, damit keine Zelle auf einer anderen landet. Nach dem Ablegen müssen die Zellen richtig und mit dem vorgesehenen Abstand liegen, sonst kollidiert eine Platte, die anschließend heruntergeschwenkt wird. Das Bildfeld misst rund 1,3 x 0,6 m. Genannt sind vier AI Vision-Sensoren der Modellreihe IV4 oder eine einzige All-in-One Kamera.

Beide Wege haben ihre Logik. Vier Vision-Sensoren teilen das Feld in Abschnitte mit je eigenem Programm, eine All-in-One Kamera sieht das ganze Feld und bewertet die Lage aller Zellen in einem Ablauf. Der Vision-Sensor deckt Arbeitsabstände von 50 mm bis über 3 m ab, was den Einbau über einem langen Träger erleichtert. Anwesenheitsfragen ohne Bezug zum Roboter behandelt der Beitrag zur Anwesenheitskontrolle in der Batteriefertigung.

Häufige Fragen

F Welche Kameraauflösung braucht es, um Batteriezellen auf einen halben Millimeter genau zu greifen?

Das hängt vom Bildfeld ab, denn die lokale Auflösung muss deutlich unter der Greifgenauigkeit liegen. In einer Auslegung für Zellen aus einer Box galt eine Kamera mit 21 MP für etwa 0,5 mm bereits als grenzwertig, 64 MP wären besser. Die High-Performance Bildverarbeitung der Modellreihe VS-G betreibt Kameras bis 64 MP.

F Wie findet der Roboter Blister in einem Großladungsträger?

In einer dokumentierten Anwendung fährt der Ladungsträger auf Anschlag, und drei CMOS-Analoglasersensoren je Anlage sollen seine Lage in Querrichtung auf 1 bis 2 mm bestimmen. Die Blister selbst liegen mit etwa ±2,5 mm in Nestern, die eigene Toleranz haben. Diesen Rest muss der Greifer ausgleichen oder eine Kamera zusätzlich erfassen.

F Kann ein Roboter Elektrodenplatten oder Folien lagegenau greifen?

Gefordert war das für die oberste Elektrodenplatte eines Stapels mit ±1 mm bei 8 s Takt und für Elektrolysefolien, die auf etwa 0,2 mm genau in einen Rahmen sollen. Bei flachen Teilen liefert das Bild Kante und Winkel, dafür genügt meist 2D.

F Welche Kamera für 3D ROBOT VISION passt zu einer Box mit Busbars?

Für eine Box von etwa 400 x 600 mm mit umspritzten Hochvolt-Busbars kommt die RB-800 in Frage, deren Messfeld von 860 x 645 mm die Box rechnerisch vollständig abdeckt. Für tiefe Behälter mit mehreren Lagen erfasst die RB-1200 bis 1.000 mm Tiefe bei 2.000 mm Arbeitsabstand.

F Wie prüft man, ob der Werkstückträger leer ist, bevor der Greifer Zellen absetzt?

In einer dokumentierten Anwendung soll die Station vor dem Absetzen prüfen, ob der Träger leer und der Deckel offen ist, und danach, ob alle Zellen mit dem richtigen Abstand liegen. Für ein Feld von rund 1,3 x 0,6 m sind vier AI Vision-Sensoren der Modellreihe IV4 oder eine All-in-One Kamera der Modellreihe VS genannt.

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