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

In der Batteriefertigung trifft der Roboter auf Teile, die ihm das Einlernen einer festen Position schwer machen. Rundzellen kommen zu Hunderten in Blistern, Elektrodenplatten liegen verdreht auf dem Stapel, und eine Batteriewanne von fast zwei Metern erreicht die Station nur auf einige Millimeter genau. Dieser Leitfaden folgt dem Roboter in der Reihenfolge, in der er dem Teil begegnet: beim Greifen von Zellen, Platten und Folien, in der Pack- und Modulmontage, als Prozessroboter am realen Bauteil und beim Rückbau gebrauchter Packs. Drei Abschnitte am Ende behandeln die Roboterzelle selbst, ihre Absicherung und große Linienprojekte. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen und Konzeptstudien und beschreiben Aufgaben und Anforderungen.

Wichtige Punkte im Überblick

Eine Roboterzelle mit Bildverarbeitung ist durch den Empfänger des Ergebnisses bestimmt: Geht Koordinate, Winkel, Höhe oder Freigabe an einen Roboter, der greift, fügt oder eine Bahn nachfährt, ist es Robotik, wird die Lage nur als i.O. oder n.i.O. bewertet, ist es Lageprüfung.
In der Packmontage soll die Kamera die RPS-Bohrung am realen Bauteil finden und die Abweichung als Nullpunktverschiebung an den Roboter geben, damit eine Wanne mit einigen Millimetern Versatz ankommen darf, während der Roboter auf etwa einen Millimeter setzt und verschraubt.
Ein Prozessroboter mit programmierter Bahn trifft das Bauteil nur so genau, wie Guss, Umformung und Spannung es zulassen, deshalb soll an einem Batteriedeckel ein Profilsensor am Roboter vor dem Auftrag einer Schaumraupe die Mitte der Nut finden.
Beim Rückbau gebrauchter Packs genügt eine 2D-Kamera an der Hand, wenn der Höhenversatz wie in einer dokumentierten Anwendung nur etwa ±0,5 mm beträgt, während in einem Forschungskonzept ein 3D-Scan der ganzen Batterie vorab den Demontageplan liefern soll.
In großen Linienprojekten bleiben Bedienung und Ersatzteile über Stationen und Werke gleich, wenn alle Stationen mit einer Kamerafamilie, einem Kalibrierverfahren und einer Roboteranbindung arbeiten.

Das Ergebnis geht an den Roboter: was Robotik von Lage-, Maß- und Oberflächenprüfung trennt

Eine Roboterzelle mit Bildverarbeitung ist durch den Empfänger des Ergebnisses bestimmt. Kamera oder Sensor liefern eine Koordinate, einen Winkel, eine Höhe oder eine Freigabe, und der Roboter greift, setzt ab, fügt oder fährt damit eine Bahn nach. Das gilt auch für Prozessroboter, die einen Laser, eine Dosierdüse, einen Bohrer oder eine Schnüffelnase führen.

Wird die Lage dagegen an einer Station als i.O. oder n.i.O. bewertet oder an eine Achse, einen Schlitten oder einen stationären Prozesskopf übergeben, ist das Lageprüfung und Ausrichtung, auch wenn ein Roboter das Teil nur vorführt. Trägt der Roboter einen Messkopf über Naht oder Raupe, gehört die Aufgabe zur Maßprüfung, trägt er eine Oberflächenkamera, zur Defektprüfung. Gibt der Code auf der Zelle dem Handhabungsroboter seine Referenz, behandelt das der Artikel zum DMC an der Batteriezelle. Das Einsetzen der fertigen Batterie ins Fahrzeug gehört zur Automobilmontage.

Zellen, Elektroden und Folien greifen: Ladungsträger, Blister und Stapel

Auf Zellebene sehen die Teile gleich aus und kommen in großer Zahl. In einer dokumentierten Anwendung hebt der Roboter zuerst den Deckel eines Großladungsträgers mit Rundzellen ab und entnimmt dann einzelne Blister. Diese liegen mit etwa ±2,5 mm in Nestern, die selbst Toleranz haben, und die Lage des Ladungsträgers sollen drei Abstandssensoren bestimmen. Für Zellen in einer Box soll die Kamera die Bohrungen jeder Zelle finden, mit einer höher auflösenden Kamera für eine Greifgenauigkeit von etwa einem halben Millimeter. Für Zellen in Schaumstofftrays könnte auch 2D genügen.

Flache Teile stellen eine andere Frage. Gefordert ist, die oberste Elektrodenplatte eines Stapels zu erkennen, die verdreht oder versetzt auf der Palette liegt, damit negative Platte, Separator und positive Platte sauber aufeinander kommen. In der Brennstoffzellenfertigung sollen Metallplatten mit Griffkorrektur auf eine Halterung gelegt werden. An einer Laminierlinie für Zellen ist Robot Vision an drei Stationen mit jeweils mehreren Kameras vorgesehen.

Für die 2D-Roboterführung ist die All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS die erste Wahl. Sollen mehrere hochauflösende Kameras an einem Controller laufen, wie an der Laminierlinie vorgesehen, kommt die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G mit bis zu acht Kameras in Frage. Für Wannenteile, Schaumteile und Busbars aus Behältern kommen die Kameras für 3D ROBOT VISION RB-500, RB-800 und RB-1200 in Frage; Plattform ist die Universelle Bildverarbeitungsplattform der Modellreihe CV-X. Die RB-1200 erfasst bei 2.000 mm Arbeitsabstand bis 1.000 mm Tiefe. Bleiben über dem Behälter wie in einem Konzept nur rund 1,6 m Arbeitsabstand, ist das früh gegen das Layout zu prüfen.

In der Packmontage: wenn Werkstückträger und FTS ungenauer sind als der Fügeprozess

In der Pack- und Modulmontage addieren sich Förderer, Werkstückträger, fahrerloses Transportfahrzeug und Roboter. In einer dokumentierten Anwendung erreicht eine Batteriewanne auf dem Werkstückträger per FTS die Station mit etwa ±4,5 mm, die Elektronikeinheit soll aber auf etwa ±1 mm gesetzt und verschraubt werden. Die Kamera findet die RPS-Bohrung und gibt die Abweichung als Nullpunktverschiebung an den Roboter. Ein Portal soll Batterien vom Förderer nehmen und auf die Pins eines FTS setzen, mit etwa ±3 mm bei der Aufnahme und etwa ±50 mm am Fahrzeug.

An der Modulsetzstation einer Packlinie sind hochauflösende Kameras und eine RB-1200 vorgesehen. Busbars zu greifen, zu setzen und die Ablage im selben Bild nachzusehen, wurde mit einer Kamera am Greifer getestet. Die Rastnasen in diesem Bild sind eine Lagefrage. An einer Linie für Werkzeugakkus soll die Bildverarbeitung die Mitte eines Rings finden, damit der Roboter den Korrosionsschutz auflegt. An einer Packstation sollen Kameras am Greifer zweier Roboter rund ein Zehntel Millimeter erreichen.

Die All-in-One Kamera wird am Greifer oder stationär mit dem Roboter kalibriert, über Schachbrett- oder Punktmuster oder per Autokalibrierung mit dem Roboter. Angebunden wird sie über einen Ethernet-Port des Controllers im Protokoll des Roboterherstellers; für 2D sind 17 Hersteller plus eine benutzerdefinierte Anbindung dokumentiert.

Schweißen, Dosieren, Wickeln: der Prozessroboter folgt dem realen Bauteil

Ein Prozessroboter mit programmierter Bahn trifft das Bauteil nur so genau, wie Guss, Umformung und Spannung es zulassen. An einem Batteriedeckel von rund 1,7 x 1,3 m soll ein 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 am Roboter vor dem Auftrag einer Schaumraupe die Mitte der Nut finden; ob die Raupe danach stimmt, beantwortet die Maßprüfung. In einem Elektrolyseurprojekt soll ein Profilsensor derselben Modellreihe Lage und Höhe einer wenige zehn Mikrometer dünnen Folienkante an den robotergeführten Laser geben. Ein erster Test hinterließ einen guten Eindruck.

Am Wasserstoff-Druckbehälter soll eine Zeilenkamera Breite und Lage eines Fadens messen, damit der Wickelroboter die Bahnen Stoß an Stoß legt. Für eine Schweißzelle, in der Batteriewannen um 1 bis 10 Grad kippen können, kommt 3D ROBOT VISION in Frage. Ein Bohrroboter auf einem verschiebbaren Schlitten fährt erst eine Referenzskala und dann die Marken auf der Batterie an. Bei einer Kühlplatte, die der Roboter mit der Oberseite nach unten zum Schweißen bringt, soll die Lage erkannt werden; unter einem großen Oberlicht ändert sich dort das Licht zwischen Tag und Nacht.

Der Profilsensor tastet mit bis zu 16 kHz ab und wird an der High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X ausgewertet, an der auch encodergesteuerte Zeilenkameras arbeiten. Für Bohrungen, Kühlplatten und Referenzmarken ist die All-in-One Kamera die passende Klasse.

Demontage und Recycling: Schrauben, Kabel und Module am gebrauchten Pack finden

Beim Rückbau ist jeder Pack anders. Er ist gebraucht, trägt womöglich metallischen Staub, und Kabel können überall liegen. Eine Konzeptstudie beschreibt kooperierende Roboter mit einer Kamera an der Hand, die Kontakte zum Entladen, Schrauben zum Lösen und Module zur Entnahme erkennt. In einem Forschungsprojekt hängt ein Roboter an einer Deckenschiene. Im Konzept stehen zwei Sensoroptionen: eine Kamera und ein 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000, der die Batterie einmal ganz erfasst, daraus einen Demontageplan ableiten lässt und danach die Feinpositionierung unter einem Millimeter stützt.

Gefordert ist, alle Deckelschrauben eines Packs im Roboterkoordinatensystem zu finden und nach Typ zu unterscheiden, danach den Spalt zwischen Deckel und Gehäuse für die Sägehöhe und dann die inneren Schrauben. Zwei Packtypen sollen bis auf Zellebene zerlegt werden. Die Schrauben sollen dort nach Antrieb unterschieden werden (Schlitz, Innensechsrund, Innensechskant), und weil der Höhenversatz nur etwa ±0,5 mm beträgt, genügt 2D.

Für Schrauben und Verbindungselemente arbeitet die All-in-One Kamera mit AI-Segmentierung, für die Antriebsarten mit AI-Klassifizierung, die bis zu 32 Typen je Werkzeug unterscheidet.

Die Roboterzelle darf fahren: Werkstückträger leer, Zellen richtig abgelegt, Greifer belegt

Vor jeder Bewegung muss die Roboterzelle wissen, ob ihr Ziel frei ist. In einer dokumentierten Anwendung setzt ein Greifer mehrere Dutzend Zellen in zwei Reihen ab. Vorher müssen der Werkstückträger leer und der Deckel offen sein, danach die Zellen mit dem richtigen Abstand liegen, sonst kollidiert die herunterschwenkende Platte. In Frage kommen vier AI Vision-Sensoren der Modellreihe IV4 oder eine All-in-One Kamera.

Eine Erkennung soll melden, ob ein Batteriepack schon eingesetzt ist, damit der Greifer nicht doppelt einsetzt und bricht; dafür kommen ein Vision-Sensor und ein Bildbasierter Höhenvergleichssensor der Modellreihe IX in Frage. An Brennstoffzellenfiltern, die ein Roboter nach dem Spritzgießen per Vakuum greift, soll die Trennfolie noch auf dem Filter erkannt werden. Dafür kommen ein Lichtleitersensor mit Farbunterscheidungsvermögen der Modellreihe CZ und ein Vollspektrumsensor der Modellreihe LR-W in Frage.

Absicherung nach dem Neustart und an der FTS-Durchfahrt

In einer Zellfertigung verlangt eine Prüfstelle, dass nach einem Neustart niemand mehr in der Station ist. An einer Schweißlinie für Batteriewannen mit FTS-Durchfahrt geht es um Laserscanner und Lichtvorhänge in größerer Zahl. Schraub- und Pickzellen mit Roboter in einer Batteriefertigung sollen mit Lichtvorhängen mit Fingerschutz und Flächenscannern abgesichert werden.

Für solche Zugänge kommen der Sicherheitslichtvorhang der Modellreihe GL-R und Sicherheits-Laserscanner in Frage. Performance Level, Kategorie und Ansprechzeit legt die Risikobeurteilung der jeweiligen Anlage fest.

Viele Stationen, mehrere Werke: Robotik in großen Linienprojekten planen

Batterielinien werden oft als Ganzes geplant. Eine Packlinie für Nutzfahrzeuge umfasst mehrere Abschnitte in mehreren Ländern und mehrere Dutzend möglicher Stationen, darunter eine Station am Großladungsträger mit 3D ROBOT VISION und die Vorpositionierung eines Schraubroboters. Für eine Linie für Batteriemanagement-Baugruppen sind Robot Vision für das Greifen, Codeleser, Lichtvorhänge und Ionisatoren spezifiziert.

Für den Planer ist das eine Frage der Einheitlichkeit. Arbeiten die Stationen mit einer Kamerafamilie, einem Kalibrierverfahren und einer Roboteranbindung, bleiben Bedienung und Ersatzteile über Stationen und Werke gleich. Machbarkeit am Originalteil und Nachweis vor der Abnahme behandelt die Übersichtsseite zur Batteriefertigung.

Häufige Fragen

F Wann ist eine Aufgabe mit Kamera und Roboter Robotik und wann Lageprüfung?

Entscheidend ist, wer das Ergebnis empfängt. Geht die Koordinate an einen Roboter, der greift, fügt oder eine Bahn nachfährt, ist es Roboterführung. Bewertet die Station die Lage nur als gut oder schlecht oder übergibt sie an eine Achse oder einen stationären Prozesskopf, ist es Lageprüfung, auch wenn ein Roboter das Teil vorführt.

F Wie gleicht man die Toleranz von Werkstückträger und FTS beim Fügen im Pack aus?

In einer dokumentierten Anwendung soll eine Kamera eine Referenzbohrung am realen Bauteil finden und die Abweichung als Nullpunktverschiebung an den Roboter geben. So kann eine Wanne mit einigen Millimetern Versatz ankommen, während der Roboter auf etwa einen Millimeter setzt und verschraubt. Die All-in-One Kamera wird dafür mit dem Roboter kalibriert.

F Wann kommt 3D ROBOT VISION in der Batteriefertigung in Frage?

Die dokumentierten Anwendungen nennen 3D, wenn Teile ungeordnet in Behältern oder Boxen liegen oder eine Wanne kippen kann. Die Kameras RB-500, RB-800 und RB-1200 erfassen je nach Typ bis 1.000 mm Tiefe und arbeiten mit Streifenprojektion. Liegen Teile geordnet und ist der Höhenversatz klein, genügt in zwei Anwendungen auch 2D, etwa für Zellen im Schaumstofftray.

F Wie findet ein Roboter Schrauben an einem gebrauchten Batteriepack?

In den dokumentierten Projekten soll eine Kamera am Roboter die Schrauben erkennen, ihre Lage im Roboterkoordinatensystem ausgeben und den Antrieb unterscheiden, damit der Roboter das passende Werkzeug wählt. Mit AI-Klassifizierung lassen sich bis zu 32 Typen je Werkzeug unterscheiden. Ein 3D-Scan der ganzen Batterie kann vorab den Demontageplan liefern.

F Wie viele Roboterhersteller lassen sich an die Bildverarbeitung anbinden?

Für 2D-Roboterführung auf der Modellreihe VS sind 17 Roboterhersteller plus eine benutzerdefinierte Anbindung dokumentiert. Für 3D ROBOT VISION liegen Verbindungsunterlagen für zwölf Hersteller vor, angebunden über Ethernet oder RS-232C. PROFINET und EtherNet/IP dienen dort der Anbindung an die SPS.

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