DE102022102764A1

DE102022102764A1 - Determination of the relative alignment of layers of an electrode-separator composite

Info

Publication number: DE102022102764A1
Application number: DE102022102764.3A
Authority: DE
Inventors: Steffen Masuch
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-02-07
Filing date: 2022-02-07
Publication date: 2023-08-10

Abstract

Verfahren zur Ermittlung zumindest der relativen Ausrichtung mehrerer oder aller Schichten eines Stapels (1) von plattenförmigen Elektroden und Separatoren mit polygonen Großflächen, wobei• zunächst mittels eines Kamerasystems eine Geometrie einer Großfläche mehrerer oder jeder der vereinzelten Schichten ermittelt und damit vermessen wird,• die Schichten anschließend in einer definierten Reihenfolge zu dem Stapel (1) gestapelt werden,• der Stapel (1) anschließend mittels Röntgenstrahlung (20) bestrahlt wird, die von einem Röntgenstrahler (18) ausgestrahlt und von einem Röntgendetektor (19) detektiert wird, wobei die Ausrichtung des Stapels (1) relativ zu der Röntgenstrahlung (20) derart gewählt wird, dass gleichzeitig zumindest eine Ecke (11) mehrerer oder jeder der vermessenen Schichten bestrahlt wird, und wobei zumindest zweimalig in unterschiedlichen Stellungen in dem von der Röntgenstrahlung (20) abgedeckten Raum jeweils die räumliche Position von mindestens zwei Ecken (11) jeder der vermessenen Schichten des Stapels (1) ermittelt wird, indem Verschattungen der Röntgenstrahlung (20) durch die Ecken (11) der Schichten an dem Röntgendetektor (19) ausgewertet werden, und• die Positionen der Ecken (11) der vermessenen Schichten verglichen werden.Method for determining at least the relative orientation of several or all layers of a stack (1) of plate-shaped electrodes and separators with large polygonal areas, with• first using a camera system to determine the geometry of a large area of several or each of the individual layers and thus measure it,• the layers are then stacked in a defined order to form the stack (1),• the stack (1) is then irradiated by means of X-rays (20), which are emitted by an X-ray emitter (18) and detected by an X-ray detector (19), the alignment of the stack (1) relative to the X-ray radiation (20) is selected in such a way that at least one corner (11) of several or each of the measured layers is irradiated at the same time, and at least twice in different positions in the space covered by the X-ray radiation (20). in each case the spatial position of at least two corners (11) of each of the measured layers of the stack (1) is determined by shadowing of the X-rays (20) through the corners (11) of the layers on the X-ray detector (19) are evaluated, and• the Positions of the corners (11) of the measured layers are compared.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung zumindest der relativen Ausrichtung mehrerer oder aller Schichten eines Stapels von plattenförmigen Elektroden und Separatoren mit polygonen Großflächen. Ein solcher Stapel, der auch als Elektroden-Separator-Verbund (ESV) bezeichnet wird, kann insbesondere als Bestandteil einer Batteriezelle vorgesehen sein.The invention relates to a method for determining at least the relative alignment of several or all layers of a stack of plate-shaped electrodes and separators with large polygonal surfaces. Such a stack, which is also referred to as an electrode separator assembly (ESV), can be provided in particular as part of a battery cell.

Bei der automatisierten Herstellung von Batteriezellen werden die Schichten von ESVs mittels Stapelmaschinen gestapelt, wobei die Ablagegenauigkeit der Schichten und insbesondere der Elektroden das Gütekriterium für die Prozessfähigkeit der Stapelmaschinen ist. Alle Ecken der polygonen und insbesondere rechteckigen Schichten müssen einen definierten Abstand voneinander haben und in einem definierten Toleranzband liegen, um einerseits eine möglichst optimale elektrochemische Leistungsfähigkeit der Batteriezellen zu gewährleisten und weiterhin, um einen Kurzschluss zwischen benachbarten Elektroden, von denen eine als Anode und die andere als Katode der Batteriezelle dienen wird, infolge einer nicht ausreichend exakten Stapelung zu vermeiden, die zu einem Ausfall der Batteriezelle führen könnte.In the automated production of battery cells, the layers of ESVs are stacked using stacking machines, with the placement accuracy of the layers and in particular the electrodes being the quality criterion for the process capability of the stacking machines. All corners of the polygonal and especially rectangular layers must have a defined distance from each other and lie within a defined tolerance range in order to ensure the best possible electrochemical performance of the battery cells on the one hand and also to prevent a short circuit between adjacent electrodes, one of which acts as an anode and the other will serve as the cathode of the battery cell, as a result of insufficiently precise stacking, which could lead to a failure of the battery cell.

Es kann vorgesehen sein, den Separator eines ESVs derart größer als die Anode und ebenfalls die Kathode zu dimensionieren, dass sich über dem gesamten Umfang ein Überstand von beispielsweise 1 Millimetern zwischen Separator und Anode bzw. Anode und Kathode ergibt, um unter Berücksichtigung der Ablagegenauigkeit aktuell genutzter Stapelmaschinen einen Kurzschluss zwischen benachbarten Elektroden infolge einer nicht ausreichend exakten Stapelung sicher zu vermeiden. Auch kann durch einen solchen Überstand eine verringerte chemische Leistungsfähigkeit der ESVs infolge einer ungenauen Positionierung der Elektroden vermieden werden. Eine solche toleranzbedingte Überdimensionierung von Elektroden erhöht jedoch den Materialverbrauch bei der Herstellung der ESVs und damit die Kosten, den Raumbedarf und das Gewicht der ESVs und damit der Batteriezellen. Es kann daher sinnvoll sein, solche toleranzbedingten Überdimensionierungen von Elektroden in ESVs zu minimieren, wozu, um einen Kurzschluss zwischen benachbarten Elektroden infolge einer nicht ausreichend exakten Stapelung zu vermeiden, die Ablagegenauigkeit der für die Stapelung genutzten Stapelmaschinen erhöht und/oder die Qualitätssicherung im Rahmen der Herstellung der ESVs verbessert werden sollte, so dass eine Herstellung kurzgeschlossener ESVs ausreichend sicher vermieden und/oder diese im Rahmen der Herstellung sicher aussortiert werden können.Provision can be made for the separator of an ESV to be dimensioned so larger than the anode and also the cathode that there is an overhang of, for example, 1 millimeter between the separator and anode or anode and cathode over the entire circumference, in order to be up to date, taking into account the placement accuracy used stacking machines to safely avoid a short circuit between adjacent electrodes as a result of insufficiently precise stacking. Such an overhang can also prevent reduced chemical performance of the ESVs as a result of imprecise positioning of the electrodes. However, such a tolerance-related oversizing of electrodes increases the material consumption in the production of the ESVs and thus the costs, the space requirement and the weight of the ESVs and thus the battery cells. It can therefore make sense to minimize such tolerance-related oversizing of electrodes in ESVs, for which purpose, in order to avoid a short circuit between adjacent electrodes as a result of insufficiently precise stacking, the placement accuracy of the stacking machines used for stacking is increased and/or the quality assurance within the framework of the Production of the ESVs should be improved so that the production of short-circuited ESVs is avoided with sufficient certainty and/or they can be safely sorted out during production.

Die US 2020/036334 A1 und die JP 2021-050992 A offenbaren jeweils ein Verfahren zur Prüfung eines Stapels von plattenförmigen Elektroden und Separatoren für Batteriezellen mittels Röntgenstrahlung.The U.S. 2020/036334 A1 and the JP 2021-050992 A each disclose a method for inspecting a stack of plate-shaped electrodes and separators for battery cells using X-rays.

Die US 9,387,993 B2 offenbart eine Vorrichtung, mittels der Einheiten, die aus zwei plattenförmigen Separatoren und einer zwischen diesen angeordneten plattenförmigen Elektrode bestehen, wobei die Separatoren miteinander randseitig verschweißt sind, transportiert und gleichzeitig geprüft werden können. Zur Prüfung wird mittels einer CCD-Kamera ein Bild von einer Großfläche der einzelnen Einheiten gemacht und hinsichtlich der Abmessungen der Einheiten ausgewertet.The US 9,387,993 B2 discloses a device by means of which units consisting of two plate-shaped separators and a plate-shaped electrode arranged between them, the separators being welded to one another at the edges, can be transported and tested at the same time. For testing, a picture is taken of a large area of the individual units using a CCD camera and the dimensions of the units are evaluated.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der Ablagegenauigkeit der Schichten eines ESVs anzugeben, das möglichst einfach, genau und/oder schnell durchführbar ist.The invention is based on the object of specifying a method for determining the placement accuracy of the layers of an ESV that can be carried out as simply, accurately and/or as quickly as possible.

Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.This object is achieved with a method according to patent claim 1 . Preferred embodiments of the method according to the invention are the subject matter of the further patent claims and/or result from the following description of the invention.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Ermittlung zumindest der relativen Ausrichtung, ggf. auch der Posen, mehrerer oder aller Schichten eines Stapels von plattenförmigen Elektroden und Separatoren (die abwechselnd in dem Stapel vorliegen) mit polygonen und vorzugsweise rechteckigen Großflächen vorgesehen. Vorzugsweise wird/werden dabei zumindest die relative Ausrichtung, ggf. die Posen, aller Elektroden und/oder Separatoren ermittelt.According to the invention, a method is provided for determining at least the relative orientation, possibly also the poses, of several or all layers of a stack of plate-shaped electrodes and separators (which are present alternately in the stack) with large polygonal and preferably rectangular areas. Preferably, at least the relative alignment, possibly the poses, of all electrodes and/or separators is/are determined.

Hierzu ist vorgesehen, dass zunächst mittels eines Kamerasystems, d.h. mittels eines auf sichtbarem Licht basierenden, bilderzeugenden Systems, das eine oder mehrere Kameras umfasst, eine (zweidimensionale) Geometrie einer Großfläche zumindest in jeweils einem Abschnitt, der eine der Ecken der Großfläche umfasst, vorzugsweise der gesamten Großfläche mehrerer oder jeder der vereinzelten Schichten ermittelt und damit vermessen wird.For this purpose, it is provided that first of all a (two-dimensional) geometry of a large area, at least in a section that includes one of the corners of the large area, is preferably recorded by means of a camera system, i.e. by means of an image-generating system based on visible light and comprising one or more cameras the entire large area of several or each of the individual layers is determined and thus measured.

Anschließend oder gleichzeitig werden die Schichten in einer definierten Reihenfolge zu dem Stapel gestapelt. Bei einem Vermessen der Schichten gleichzeitig mit dem Stapeln kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Schichten unmittelbar vor oder bei dem Auflegen auf den anwachsenden Stapel vermessen werden.Subsequently or at the same time, the layers are stacked in a defined order to form the stack. When the layers are measured at the same time as they are stacked, provision can be made in particular for the layers to be measured immediately before or when they are placed on the growing stack.

Der Stapel wird anschließend mittels Röntgenstrahlung bestrahlt, die von mindestens einem Röntgenstrahler ausgestrahlt und von mindestens einem Röntgendetektor detektiert wird. Dabei ist die Ausrichtung des Stapels relativ zu der Röntgenstrahlung derart gewählt, dass gleichzeitig zumindest eine Ecke mehrerer oder jeder der vermessenen Schichten (direkt, d.h. ohne vollständige Verschattung durch eine der anderen Schichten) bestrahlt wird. Weiterhin ist vorgesehen, dass jeweils die räumliche Position von mindestens zwei Ecken (definiert als Übergang von zwei nicht koaxialen Geradseiten der Großfläche, der nicht spitz zulaufend sein muss) jeder der vermessenen Schichten der Stapelung zumindest zweimalig in unterschiedlichen Stellungen in dem von der Röntgenstrahlung abgedeckten Raum ermittelt wird, indem Verschattungen der Röntgenstrahlung durch die Ecken der Schichten, die von dem Röntgendetektor gemessen werden, ausgewertet werden. Durch einen Vergleich der Positionen der Ecken der verschiedenen vermessenen Schichten wird/werden dann die relative Ausrichtung der Schichten, ggf. auch die Posen, d.h. die einzelnen Kombinationen von Position und Orientierung in einem dreidimensionalen Raum, der Schichten bestimmt.The stack is then irradiated by X-rays emitted by at least one X-ray emitter and at least is detected by an X-ray detector. The alignment of the stack relative to the X-ray radiation is selected in such a way that at least one corner of several or each of the layers measured is irradiated (directly, ie without complete shadowing by one of the other layers). Furthermore, it is provided that the spatial position of at least two corners (defined as the transition from two non-coaxial straight sides of the large area, which does not have to be pointed) of each of the measured layers of the stack at least twice in different positions in the space covered by the X-ray radiation is determined by evaluating shadowing of the X-rays by the corners of the slices, which are measured by the X-ray detector. By comparing the positions of the corners of the various measured slices, the relative orientation of the slices, possibly also the poses, ie the individual combinations of position and orientation in a three-dimensional space, of the slices is/are then determined.

Das erfindungsgemäße Verfahren kombiniert somit eine zuerst erfolgende bildbasierte Ermittlung der Geometrien zumindest von Abschnitten der Großflächen der zu vermessenden Schichten noch im vereinzelten Zustand, wobei diese geometrischen Informationen den Schichten des Stapels zugeordnet sind, indem diese anschließend oder gleichzeitig in der definierten Reihenfolge gestapelt werden. Anschließend werden die räumlichen Positionen von mindestens zwei Ecken der einzelnen Schichten jeweils an zumindest zwei unterschiedlichen Stellen durch Auswertung der Röntgenstrahlung bestimmt, was zunächst in Relation zu dem von der Röntgenstrahlung abgedeckten Raum und damit relativ zu dem Röntgenstrahler und dem Röntgendetektor durchgeführt wird. Bereits daraus kann dann die relative Ausrichtung der Schichten zueinander abgeleitet werden. Durch eine definierte Anordnung des Röntgenstrahlers und des Röntgendetektors zu dem Stapel (zu jedem Ermittlungszeitpunkt), die insbesondere daraus abgeleitet werden kann, dass der Stapel zwischen den Stellen mit einer definierten Geschwindigkeit und über einen definierten Zeitraum relativ zu der Röntgenstrahlung bewegt wird, können aus den relativen räumlichen Positionen auch bedarfsweise absolute räumliche Positionen (bezogen auf ein beliebiges Koordinatensystem) abgeleitet werden.The method according to the invention thus combines an initial image-based determination of the geometries of at least sections of the large areas of the layers to be measured while they are still isolated, with this geometric information being assigned to the layers of the stack by subsequently or simultaneously stacking them in the defined order. The spatial positions of at least two corners of the individual layers are then determined at at least two different locations by evaluating the X-rays, which is initially carried out in relation to the space covered by the X-rays and thus relative to the X-ray emitter and the X-ray detector. The relative orientation of the layers to one another can then already be derived from this. A defined arrangement of the X-ray emitter and the X-ray detector in relation to the stack (at each determination time), which can be derived in particular from the fact that the stack is moved between the locations at a defined speed and over a defined period of time relative to the X-ray radiation, can relative spatial positions, absolute spatial positions (relative to any coordinate system) can also be derived as required.

Vorteilhaft durchführbar ist eine zumindest zweimalige Ermittlung der räumlichen Position der Ecken der Schichten, indem Bereiche der Schichten, die die Ecken umfassen, durch einen Konus, d.h. durch einen sich dreidimensional aufweitenden Bereich der Röntgenstrahlung, der insbesondere kegelförmig oder pyramidenförmig sein kann, relativ bewegt werden. Die mittels des Röntgendetektors ermittelbare Verschattung der Röntgenstrahlung durch die einzelnen Ecken der verschiedenen Schichten kann dann an mindestens zwei Stellen ermittelt werden und durch Triangulation können die räumlichen Positionen der Ecken an diesen Stellen ermittelt werden. Die Relativbewegung der Schichten durch die Röntgenstrahlung kann dabei vorzugsweise auch ausgenutzt werden, um die Positionen von mindestens zwei Ecken jeder der vermessenen Schichten mittels nur eines Röntgenstrahlers (mindestens zweimalig) zu ermittelten, was sich positiv hinsichtlich der Kosten für das im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzte Röntgensystem auswirken kann. Alternativ dazu kann aber auch vorgesehen sein, die mindestens zwei Ecken der vermessenen Schichten mit von unterschiedlichen Röntgenstrahlern stammender Röntgenstrahlung (mit definierter Anordnung zueinander) zu bestrahlen und damit die Positionen dieser Ecken jeweils (mindestens zweimalig) zu ermitteln, was dann insbesondere auch teilweise oder vollständig gleichzeitig erfolgen kann. Dies kann sich vorteilhaft hinsichtlich einer möglichst kurzen Prozessdauer für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens auswirken. Auch kann dadurch eine möglichst optimale Auflösung bezüglich der Ermittlung der Positionen der Ecken realisiert werden. Dies gilt insbesondere, wenn die Röntgenstrahler an unterschiedlichen Seiten bezüglich des Stapels angeordnet sind.It is advantageous to determine the spatial position of the corners of the layers at least twice by relatively moving areas of the layers that include the corners by means of a cone, i.e. by means of a three-dimensionally expanding area of the X-ray radiation, which can in particular be conical or pyramid-shaped . The shading of the X-ray radiation through the individual corners of the different layers, which can be determined by means of the X-ray detector, can then be determined at at least two points, and the spatial positions of the corners at these points can be determined by triangulation. The relative movement of the layers by the X-ray radiation can preferably also be used to determine the positions of at least two corners of each of the measured layers using only one X-ray emitter (at least twice), which has a positive effect on the costs for the method used in the context of the invention X-ray system can affect. Alternatively, however, provision can also be made for the at least two corners of the measured layers to be irradiated with X-rays originating from different X-ray sources (with a defined arrangement in relation to one another) and thus to determine the positions of these corners in each case (at least twice), which is then in particular also partially or completely can take place simultaneously. This can have an advantageous effect with regard to the shortest possible process duration for carrying out a method according to the invention. In this way, the best possible resolution with regard to determining the positions of the corners can also be implemented. This applies in particular when the X-ray emitters are arranged on different sides with respect to the stack.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Kamerasystem eine oder mehrere Zeilenkameras umfasst. Die üblicherweise relativ hohen Auflösungen solcher Zeilenkameras können vorteilhaft dazu genutzt werden, mit entsprechend hoher Auflösung die Geometrien der Großflächen der vermessenen Schichten zu ermitteln.According to a preferred embodiment of a method according to the invention, it can be provided that the camera system comprises one or more line scan cameras. The usually relatively high resolutions of such line cameras can advantageously be used to determine the geometries of the large areas of the measured layers with a correspondingly high resolution.

Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass eine oder mehrere Relativbewegungen jeder der vereinzelten Schichten durch das Sichtfeld mindestens einer Kamera des Kamerasystems durchgeführt wird/werden, um in Abhängigkeit von der Auflösung der mindestens einen Kamera eine möglichst genaue Vermessung der Geometrien der Großflächen realisieren zu können. Insbesondere ermöglicht eine solche Relativbewegung der Schichten durch das Sichtfeld mindestens einer Kamera auch den Einsatz einer Zeilenkameras mit eindimensionalem Sichtfeld, um einen Verlauf der Kanten der Schichten zweidimensional erfassen zu können.Provision can also preferably be made for one or more relative movements of each of the individual layers to be carried out through the field of view of at least one camera of the camera system in order to be able to measure the geometries of the large areas as precisely as possible depending on the resolution of the at least one camera. In particular, such a relative movement of the layers through the field of view of at least one camera also enables the use of a line scan camera with a one-dimensional field of view, in order to be able to two-dimensionally detect a progression of the edges of the layers.

Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass eine erste Relativbewegung jeder der vereinzelten Schichten durch Sichtfelder einer ersten Kamera und einer zweiten Kamera des Kamerasystems durchgeführt wird, wobei Abbildungen von einer ersten und einer zweiten Kante der einzelnen Schichten erstellt werden, und, nach einer Drehung der Schichten um eine (senkrecht zu der mindestens einen Großfläche ausgerichteten) Hochachse, eine zweite Relativbewegung jeder der vereinzelten Schichten entlang der Sichtfelder der ersten Kamera und der zweiten Kamera oder entlang der Sichtfelder einer dritten und einer vierten Kamera des Kamerasystems durchgeführt wird, wobei Abbildungen von einer dritten und einer vierten Kante der einzelnen Schichten erstellt werden. Dadurch kann eine vorteilhafte Vermessung der Geometrien der Schichten insbesondere auch mittels Zeilenkameras erfolgen.Provision can preferably be made for a first relative movement of each of the individual layers to be carried out through fields of view of a first camera and a second camera of the camera system, with images from a first th and a second edge of the individual layers are created, and, after a rotation of the layers about a vertical axis (aligned perpendicularly to the at least one large area), a second relative movement of each of the individual layers along the fields of view of the first camera and the second camera or along of the fields of view of a third and a fourth camera of the camera system is carried out, images of a third and a fourth edge of the individual layers being created. As a result, an advantageous measurement of the geometries of the layers can be carried out, in particular by means of line scan cameras.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Ausrichtung des Stapels relativ zu der Röntgenstrahlung derart gewählt wird, dass jeweils eine Ecke jeder der Schichten bei der Relativbewegung vorauseilt. Dadurch kann eine möglichst exakte Ermittlung der räumlichen Positionen der Ecken gewährleistet werden, weil eine Verschattung der Röntgenstrahlung, die mittels des Röntgendetektors ermittelt wird, den Ecken eindeutig zuordbar ist. Der gleiche Vorteil kann sich ergeben, wenn die Ausrichtung der Schichten des Stapels relativ zu einem Zentralstrahl der Röntgenstrahlung derart ist, dass dieser (im Rahmen der Ablagegenauigkeit) parallel zu zumindest einer Großfläche der Schichten verläuft.According to a preferred embodiment of a method according to the invention, it can be provided that the alignment of the stack relative to the X-ray radiation is selected in such a way that one corner of each of the layers precedes the relative movement. This ensures that the spatial positions of the corners are determined as precisely as possible, because shadowing of the x-ray radiation, which is determined by means of the x-ray detector, can be unambiguously assigned to the corners. The same advantage can result if the orientation of the layers of the stack relative to a central beam of the X-ray radiation is such that this runs parallel to at least one large area of the layers (within the scope of placement accuracy).

Der im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens genutzte Röntgendetektor kann vorzugsweise einen Flächensensor und/oder einen oder mehrere Zeilensensoren umfassen. Ein Flächensensor kann den Vorteil aufweisen, dass mit diesem, insbesondere in Kombination mit einer konischen Röntgenstrahlung, auf einfache Weise mehrere räumliche Positionen der Ecken der Schichten ermittelt werden können. Ein Zeilensensor kann dagegen lediglich für eine einfache Ermittlung genutzt werden, so dass eine mindestens zweimalige Ermittlung der räumlichen Position von mindestens zwei Ecken jeder der Schichten eine entsprechend hohe Anzahl an Zeilensensoren und/oder deren definierte Verlagerung zwischen unterschiedlichen Ermittlungen bedingt.The x-ray detector used within the scope of a method according to the invention can preferably comprise an area sensor and/or one or more line sensors. A surface sensor can have the advantage that it can be used to determine a number of spatial positions of the corners of the layers in a simple manner, in particular in combination with conical X-ray radiation. A line sensor, on the other hand, can only be used for a simple determination, so that determining the spatial position of at least two corners of each of the layers at least twice requires a correspondingly high number of line sensors and/or their defined displacement between different determinations.

Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass zur Realisierung zumindest einer der genannten Relativbewegungen (vorzugsweise nur) die Schichten und/oder der Stapel bewegt beziehungsweise transportiert wird/werden. Alternativ oder ergänzend ist aber auch eine Bewegung beziehungsweise ein Transport des Kamerasystems oder zumindest der Kamera(s) davon und/oder des Röntgenstrahlers und/oder des Röntgendetektors möglich.Provision can preferably be made for the layers and/or the stack to be moved or transported (preferably only) in order to implement at least one of the relative movements mentioned. Alternatively or additionally, however, a movement or transport of the camera system or at least the camera(s) thereof and/or the x-ray emitter and/or the x-ray detector is also possible.

Eine vorteilhafte Möglichkeit zur Bewegung beziehungsweise zum Transport der Schichten kann unter Verwendung von gesteuert drehbaren Einzelgreifern (die die vereinzelten Schichten individuell fixieren), vorzugsweise Sauggreifern (die die Schichten durch die Erzeugung eines Unterdrucks fixieren) erfolgen, um deren vorzugsweise vorgesehene Drehung um deren Hochachsen zu ermöglichen. Der Stapel beziehungsweise mehrere Stapel hintereinander oder auch gleichzeitig im Rahmen einer Serienprüfung von mehreren Stapeln kann/können dagegen vorteilhaft mittels eines Förderbands bewegt beziehungsweise transportiert werden.An advantageous way of moving or transporting the layers can be done using controlled, rotatable individual grippers (which fix the individual layers individually), preferably suction grippers (which fix the layers by generating a negative pressure), in order to prevent their preferably provided rotation about their vertical axes make possible. The stack or a plurality of stacks one behind the other or simultaneously as part of a series test of a plurality of stacks can, on the other hand, advantageously be moved or transported by means of a conveyor belt.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann vorteilhaft dazu genutzt werden, im Rahmen der Herstellung von Stapeln von plattenförmigen Elektroden und Separatoren beziehungsweise von Elektroden-Separator-Verbünden (ESV) solche ESVs auszusortieren, deren Stapelung nicht ausreichend exakt ist. Hierzu kann vorgesehen sein, dass dann, wenn die relative Ausrichtung von zumindest zwei Schichten eine über einem definierten Grenzwert liegende Abweichung aufweist, der Stapel als Ausschuss gekennzeichnet wird, um dessen Aussortierung zu ermöglichen.A method according to the invention can advantageously be used to sort out those ESVs within the scope of the production of stacks of plate-shaped electrodes and separators or of electrode-separator composites (ESV), the stacking of which is not sufficiently precise. For this purpose, it can be provided that if the relative alignment of at least two layers shows a deviation that is above a defined limit value, the stack is marked as scrap in order to enable it to be sorted out.

Weiterhin kann im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft vorgesehen sein, dass nacheinander die relativen Ausrichtungen der Schichten mehrerer Stapel ermittelt werden, wobei dann, wenn bei einem Stapel die relative Ausrichtung von zumindest zwei Schichten eine über einem definierten Grenzwert liegende Abweichung aufweist, dieses Ermittlungsergebnis zu einer Anpassung der Stapelung zumindest bei dem direkt nachfolgenden Stapel, insbesondere zur Anpassung von Betriebsparametern einer Stapelvorrichtung, berücksichtigt wird. Folglich kann eine Rückkopplung des Ergebnisses der Auswertung, das durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielt wird, für einen Stapelprozess vorgesehen sein, wodurch eine Serienherstellung entsprechender Stapel verbessert werden kann. Außerdem muss das Verfahren nicht direkt nach dem Stapelprozess durchgeführt werden. Es kann nach jedem weiteren Produktionsschritt eingesetzt werden, um zu prüfen, ob sich die Ausrichtung der Platten im Stapel verändert hat. Der Einsatz des Verfahrens, insbesondere zur Bestimmung der relativen Ausrichtung der Elektroden, ist gleichfalls nach dem Einhausen des ESVs und/oder am Ende der Produktion möglich.Furthermore, within the scope of a method according to the invention, it can advantageously be provided that the relative alignments of the layers of several stacks are determined one after the other Adaptation of the stacking is taken into account at least in the directly subsequent stack, in particular for the adjustment of operating parameters of a stacking device. Consequently, feedback of the result of the evaluation, which is achieved by the method according to the invention, can be provided for a stacking process, as a result of which series production of corresponding stacks can be improved. In addition, the method does not have to be carried out directly after the stacking process. It can be used after each further production step to check whether the orientation of the panels in the stack has changed. The use of the method, in particular to determine the relative orientation of the electrodes, is also possible after the ESV has been housed and/or at the end of production.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, teilweise in vereinfachter Darstellung:

1: in einer perspektivischen Darstellung einen Elektroden-Separator-Verbund (ESV), verspannt in einem Werkstückträger;
2: einen Querschnitt durch einen Abschnitt des ESVs und des Werkstückträgers;
3: ein Vermessen von vereinzelten Elektroden oder Separatoren des ESVs mittels eines Kamerasystems in einer Ansicht von unten;
4: das Vermessen der Elektroden gemäß der 3 in einer Seitenansicht;
5: einen Abschnitt einer Kante einer vermessenen Elektrode;
6: in vereinfachter Darstellung eine ermittelte Geometrie einer Großfläche einer Elektrode oder eines Separators;
7: ein Bestrahlen mehrerer ESVs mittels eines Röntgensystems in einer Seitenansicht;
8: die ESVs in einem Prüfraum des Röntgensystems in einer Seitenansicht;
9: die ESVs in dem Prüfraum in einer Aufsicht;
10: geometrische Zusammenhänge, die bei der Ermittlung von räumlichen Positionen von Ecken der Elektroden oder der Separatoren mittels des Röntgensystems in einer yx-Ebene genutzt werden;
11: geometrische Zusammenhänge, die bei der Ermittlung von räumlichen Positionen von Ecken der Elektroden oder der Separatoren mittels des Röntgensystems in einer yz-Ebene genutzt werden; und
12: geometrische Zusammenhänge bei der Ermittlung von räumlichen Positionen einer nicht ideal spitzen Ecke einer Elektrode oder eines Separators mittels des Röntgensystems.

The invention is explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment illustrated in the drawings. The drawings show, partly in a simplified representation:

1 : a perspective view of an electrode-separator assembly (ESV), braced in a workpiece carrier;
2 : a cross section through a portion of the ESV and the workpiece carrier;
3 : a measurement of isolated electrodes or separators of the ESV by means of a camera system in a view from below;
4 : measuring the electrodes according to the 3 in a side view;
5 : a portion of an edge of a measured electrode;
6 : in a simplified representation, a determined geometry of a large area of an electrode or a separator;
7 : an irradiation of several ESVs by means of an X-ray system in a side view;
8th : the ESVs in a test room of the X-ray system in a side view;
9 : the ESVs in the test room in a supervision;
10 : geometric relationships that are used when determining the spatial positions of corners of the electrodes or the separators using the X-ray system in a yx plane;
11 : geometric relationships that are used when determining spatial positions of corners of the electrodes or the separators using the X-ray system in a yz plane; and
12 : Geometric relationships when determining the spatial positions of a non-ideally pointed corner of an electrode or a separator using the X-ray system.

Im Rahmen einer Batteriezellenfertigung können sogenannte Elektroden-Separator-Verbünde (ESVs) 1 gemäß den 1 und 2 hergestellt werden. Hierbei handelt es sich um Stapel 1, die in abwechselnder Reihenfolge plattenförmige Elektroden 2 (wiederum abwechselnd in Ausgestaltungen und Anordnungen, die vorgesehenen Verwendungen als Anoden 2a und Kathoden 2b der Batteriezellen entsprechen) und elektrisch isolierende, plattenförmige Separatoren 3, umfassen. Die plattenförmigen Separatoren 3 können dabei zumindest teilweise auch Abschnitte eines mäanderförmig geführten Separatorstreifens (nicht gezeigt) sein. Auch können die überstehenden Randbereiche benachbarter Separatoren 3 verklebt sein. Nach einem Stapelprozess ist ein ESV 1 zwischen einem Deckel 4a und einem Boden 4b eines Werkstückträgers 4 fixiert. In dem Boden 4b des Werkstückträgers 4 können zwei Zentrierbohrungen (nicht sichtbar) vorgesehen sein, die für eine reproduzierbare Positionierung des Werkstückträgers 4 während des Stapelprozesses sowie während einer Bestrahlung der ESVs 1 mit Röntgenstrahlung, die der Ermittlung der relativen Ausrichtung der Elektroden 2 und Separatoren 3 zueinander in den ESVs 1 dient, im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahren genutzt werden können. Der Werkstückträger 4 hat zusätzlich die Aufgabe, die Elektroden 2 und die Separatoren 3 über die gesamte Polygonfläche ideal plattförmig in einer Ebene zu fixieren. Die abgebildete Geometrie des Werkstückträgers 4 kann somit stark abweichen. Außerdem wird empfohlen ein Material einzusetzen, dass eine Prüfung mittels Röntgenstrahlung nicht beeinflusst.As part of a battery cell production so-called electrode-separator composites (ESVs) 1 according to 1 and 2 getting produced. These are stacks 1, which include plate-shaped electrodes 2 (again alternating in configurations and arrangements that correspond to the intended uses as anodes 2a and cathodes 2b of the battery cells) and electrically insulating, plate-shaped separators 3 in an alternating sequence. The plate-shaped separators 3 can at least partially also be sections of a meandering separator strip (not shown). The protruding edge areas of adjacent separators 3 can also be glued. After a stacking process, an ESV 1 is fixed between a cover 4a and a base 4b of a workpiece carrier 4 . Two centering holes (not visible) can be provided in the base 4b of the workpiece carrier 4, which are used for reproducible positioning of the workpiece carrier 4 during the stacking process and during irradiation of the ESVs 1 with X-rays, which is used to determine the relative alignment of the electrodes 2 and separators 3 each other in the ESVs 1 is used, can be used in a method according to the invention. The workpiece carrier 4 also has the task of fixing the electrodes 2 and the separators 3 over the entire polygon area in an ideal, flat manner in one plane. The depicted geometry of the workpiece carrier 4 can therefore deviate greatly. It is also recommended to use a material that does not interfere with X-ray testing.

Vor dieser Bestrahlung und auch vor dem Stapelprozess sieht das erfindungsgemäße Verfahren noch ein Vermessen der noch vereinzelten Elektroden 2 und Separatoren 3 vor. Hierzu werden die Elektroden 2 und Separatoren 3 durch ein Kamerasystem bildgebend erfasst und dadurch rechnerisch vermessen, wie dies in den 3 und 4 beispielhaft dargestellt ist. Dabei zeigen die 3 und 4 lediglich die Vermessung der Elektroden 2.Before this irradiation and also before the stacking process, the method according to the invention also provides for a measurement of the electrodes 2 and separators 3 that are still separated. For this purpose, the electrodes 2 and separators 3 are imaged by a camera system and thereby measured by calculation, as is shown in FIGS 3 and 4 is shown as an example. The show 3 and 4 only the measurement of the electrodes 2.

Das Kamerasystem umfasst gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier Zeilenkameras 5, die in Paaren entlang des Längsverlaufs einer Förderanlage 6 angeordnet sind, wobei die zwei Zeilenkameras 5 jedes Paars auf sich gegenüberliegenden Seiten der Förderanlage 6 angeordnet sind. Jeder Zeilenkamera 5 ist dabei eine Beleuchtungsvorrichtung 7 (Balkenbeleuchtung) auf der jeweils anderen Seite der Förderanlage 6 zugeordnet.According to the exemplary embodiment shown, the camera system comprises four line cameras 5 which are arranged in pairs along the longitudinal course of a conveyor system 6 , the two line cameras 5 of each pair being arranged on opposite sides of the conveyor system 6 . Each line camera 5 is assigned a lighting device 7 (bar lighting) on the respective other side of the conveyor system 6 .

Die Förderanlage 6 umfasst mehrere Sauggreifer 8, auf denen jeweils eine der Elektroden 2 und Separatoren 3 in definierter Ausrichtung abgelegt wird. Dabei kann ein Hub der Sauggreifer 8 in senkrechter Richtung zu Auflageflächen der Sauggreifer 8 realisierbar sein, um eine vorteilhafte Aufnahme und Ablage der Elektroden 2 und Separatoren 3 am Anfang und und/oder am Ende der Förderanlage 6 zu realisieren. Eine Ausrichtung der Sauggreifer 8 und damit der Elektroden 2 und Separatoren 3 ist derart gewählt, dass die annähernd quaderförmigen Elektroden 2 und Separatoren 3 (mit einer im Verhältnis zu der Länge und der Breite (die kleiner Seite im Vergleich zur Länge) sehr kleinen Höhe von beispielsweise maximal 1/100 der Breite), die folglich rechteckige Großflächen 9 aufweisen, beim Passieren der Zeilenkameras 5 möglichst horizontal ausgerichtet sind sowie parallele Ausrichtungen der Kanten bezüglich der Bewegungsrichtung 10 aufweisen.The conveyor system 6 comprises a plurality of suction pads 8, on each of which one of the electrodes 2 and separators 3 is placed in a defined orientation. A stroke of the suction pads 8 in the direction perpendicular to the contact surfaces of the suction pads 8 can be realized in order to realize an advantageous picking up and depositing of the electrodes 2 and separators 3 at the beginning and/or at the end of the conveyor system 6 . The suction pads 8 and thus the electrodes 2 and separators 3 are aligned in such a way that the approximately cuboid electrodes 2 and separators 3 (with a very small height of for example, a maximum of 1/100 of the width), which consequently have large rectangular areas 9, are aligned as horizontally as possible when passing the line cameras 5, and have parallel alignments of the edges with respect to the direction of movement 10.

Die vereinzelten Elektroden 2 und Separatoren 3 werden durch den Transport mittels der Förderanlage 6 zunächst durch die Sichtfelder der Zeilenkameras 5 des ersten Paars bewegt, wodurch in Kombination mit den definierten Bewegungen der Elektroden 2 und Separatoren 3 Abbildungen von zwei sich gegenüberliegenden Kanten, im vorliegenden Fall von Längskanten, der einzelnen Elektroden 2 und Separatoren 3 erzeugt werden. Anschließend beziehungsweise in einem Transportabschnitt, der zwischen den verschiedenen Paaren der Zeilenkameras 5 gelegen ist, werden die einzelnen Elektroden 2 und Separatoren 3 um 90° bezüglich ihrer jeweiligen Hochachse gedreht und die Elektroden 2 und Separatoren 3 mittels der Förderanlage 6 anschließend durch die Sichtfelder der Zeilenkameras 5 des zweiten Paars bewegt. Dadurch werden in entsprechender Art und Weise Abbildungen der zwei verbliebenen Kanten, im vorliegenden Fall der Querkanten, der einzelnen Elektroden 2 und Separatoren 3 erzeugt. Durch die Zeilenkameras 5 kann eine optische Auflösung von beispielsweise 7 µm / Pixel erreicht werden, so dass detaillierte Abbildungen der Kanten realisiert werden können, wie dies in der 3 gezeigt ist.The isolated electrodes 2 and separators 3 are first moved through the fields of view of the line cameras 5 of the first pair by the transport using the conveyor system 6, whereby in combination with the defined movements of the Electrodes 2 and separators 3 images of two opposing edges, in the present case longitudinal edges, of the individual electrodes 2 and separators 3 are generated. Subsequently, or in a transport section located between the different pairs of line cameras 5, the individual electrodes 2 and separators 3 are rotated by 90° with respect to their respective vertical axis and the electrodes 2 and separators 3 are then moved through the fields of view of the line cameras by means of the conveyor system 6 5 of the second pair moved. As a result, images of the two remaining edges, in the present case the transverse edges, of the individual electrodes 2 and separators 3 are generated in a corresponding manner. An optical resolution of, for example, 7 μm/pixel can be achieved by the line cameras 5, so that detailed images of the edges can be realized, as is shown in FIG 3 is shown.

Mittel einer automatisierten Auswertung der Abbildungen der Kanten durch eine nicht dargestellte Steuerungsvorrichtung werden die Verläufe der einzelnen Kanten ermittelt und als Kombination aus diesen Verläufen eine Geometrie einer Großfläche 9 der einzelnen Elektroden 2 und Separatoren 3 einschließlich der vier Ecken der Großflächen 9 ermittelt (vgl. 4) und in der Steuerungsvorrichtung abgespeichert.The profiles of the individual edges are determined by means of an automated evaluation of the images of the edges by a control device (not shown) and a geometry of a large area 9 of the individual electrodes 2 and separators 3 including the four corners of the large areas 9 is determined as a combination of these profiles (cf. 4 ) and stored in the control device.

Anschließend erfolgt eine Stapelung der Elektroden 2 sowie der Separatoren 3 zu den ESVs 1 mittels einer nicht gezeigten Stapelvorrichtung, wobei durch eine Rückverfolgung der Elektroden 2 und Separatoren 3 für den Stapelprozess (z.B. mittels einer optischen Kodierung, vorzugsweise in Form eines DataMatrix-Codes auf einer Ableiterfahne 23 der Elektroden 2 oder mittels einer strikten Einhaltung einer Fertigungsreihenfolge) in der Steuerungsvorrichtung abgespeichert wird, an welchen Stellen beziehungsweise als welche Schichten die vermessenen Elektroden 2 und Separatoren 3 in den verschiedenen ESVs 1 angeordnet sind und welche Geometrien die Großflächen von diesen aufweisen. Wird durch das Kamerasystem nicht nur die Bestimmung der Geometrien der Elektroden 2 und Separatoren 3 ausgeführt, sondern ebenfalls die Ausrichtung der Elektroden 2 und Separatoren 3 auf dem Förderband, dann kann ein individueller Korrekturvektor berechnet werden, um eine präzise Ablage bei der nachgelagerten Stapelbildung der Elektroden 2 und Separatoren 3 zu realisieren.The electrodes 2 and the separators 3 are then stacked to form the ESVs 1 using a stacking device (not shown), with the electrodes 2 and separators 3 being traced back for the stacking process (e.g. using optical coding, preferably in the form of a data matrix code on a Conductor lug 23 of the electrodes 2 or by strictly adhering to a production sequence) is stored in the control device at which locations or as which layers the measured electrodes 2 and separators 3 are arranged in the various ESVs 1 and which geometries the large areas of these have. If the camera system not only determines the geometries of the electrodes 2 and separators 3, but also the alignment of the electrodes 2 and separators 3 on the conveyor belt, then an individual correction vector can be calculated to ensure precise placement during the downstream stacking of the electrodes 2 and separators 3 to realize.

Anschließend erfolgt ein Ermitteln der räumlichen Positionen von jeweils zwei sich diagonal gegenüberliegenden Ecken 11 jeder der Elektroden 2 und Separatoren 3 der ESVs 1 mittels eines Röntgensystems 12, wie es in den 5 bis 7 dargestellt ist. Hierbei werden mehrere ESVs 1 im Rahmen eines kontinuierlichen Prozesse mittels eines Förderbands 13 linear und mit einer definierten, kontinuierlichen Geschwindigkeit durch einen abgeschlossenen beziehungsweise von einem Gehäuse 14 umgrenzten Prüfraum 15 gefördert, wobei ein Ein- und Ausschleusen in den beziehungsweise aus dem Prüfraum 15 mittels jeweils einer Schleuse 16 erfolgt. Die Ablage der ESVs 1 auf dem Förderband 13 ist derart, dass sowohl deren jeweilige Längs- als auch Querachse schräg beziehungsweise nicht-parallel zur Förderrichtung 17 ausgerichtet ist, wodurch jeweils eine Ecke 11 der vermessenen Elektroden 2 und Separatoren 3 davon vorauseilt und die zu dieser Ecke 11 diagonal angeordnete Ecke 11 nacheilt. Eine Ausrichtung und Position Werkstückträger 4 auf dem Förderband 13 ist durch jeweils eine Zentrieröffnung 26 des Werkstückträgers 4 und eine passende Aufnahme (nicht sichtbar) des Förderbands 13 reproduzierbar.Subsequently, the spatial positions of two diagonally opposite corners 11 of each of the electrodes 2 and separators 3 of the ESVs 1 are determined by means of an X-ray system 12, as is shown in FIGS 5 until 7 is shown. In this case, several ESVs 1 are conveyed linearly and at a defined, continuous speed by a conveyor belt 13 as part of a continuous process through a closed test space 15 or one surrounded by a housing 14, with inward and outward transfer into and out of the test space 15 being respectively a lock 16 takes place. The ESVs 1 are deposited on the conveyor belt 13 in such a way that both their respective longitudinal and transverse axes are aligned obliquely or non-parallel to the conveying direction 17, as a result of which a corner 11 of the measured electrodes 2 and separators 3 runs ahead of it and the one to this Corner 11 diagonally arranged corner 11 lags behind. An alignment and position of the workpiece carrier 4 on the conveyor belt 13 can be reproduced by means of a centering opening 26 in the workpiece carrier 4 and a suitable receptacle (not visible) in the conveyor belt 13 .

Innerhalb des Prüfraums 15 sind, in Förderrichtung 17 beabstandet, zwei Röntgeneinheiten mit jeweils einem Röntgenstrahler 18 und einem Röntgendetektor 19, der einen Flächensensor umfasst, definiert angeordnet, wobei die Zuordnungen der Röntgenstrahler 18 und der Röntgendetektoren 19 der verschiedenen Röntgeneinheiten bezüglich der verschiedenen Seiten des Förderbands 13 und damit auch der ESVs 1 wechseln. Jeder der Röntgenstrahler 18 strahlt Röntgenstrahlung 20 in einem konischen Strahlungsbereich ausgehend von einem Fokuspunkt 21 aus, wobei diese Röntgenstrahlung 20 von dem jeweils zugeordneten Röntgendetektor 19 erfasst wird und hinsichtlich der Strahlungsstärke auswertbar ist. Die Röntgendetektoren 19 können dabei Aufnahmefrequenzen von 30 Hz und mehr aufweisen, wodurch eine sehr schnelle Ermittlung der relativen Ausrichtung der Elektroden 2 und Separatoren 3 der ESVs 1 möglich ist. Dies ermöglicht, eine Qualitätskontrolle der ESVs 1 in eine kontinuierliche Fertigung von Batteriezellen, die die ESVs 1 umfassen, zu integrieren, ohne dass die Fertigungstaktzeit für die Qualitätskontrolle reduziert werden müsste.Two X-ray units, each with an X-ray emitter 18 and an X-ray detector 19, which includes a surface sensor, are arranged in a defined manner within the test room 15, spaced apart in the conveying direction 17, the assignments of the X-ray emitters 18 and the X-ray detectors 19 of the various X-ray units with respect to the different sides of the conveyor belt 13 and thus also the ESVs 1 change. Each of the X-ray emitters 18 emits X-rays 20 in a conical radiation area, starting from a focus point 21, with this X-rays 20 being detected by the respectively assigned X-ray detector 19 and being able to be evaluated with regard to the radiation intensity. The X-ray detectors 19 can have recording frequencies of 30 Hz and more, which makes it possible to determine the relative orientation of the electrodes 2 and separators 3 of the ESVs 1 very quickly. This makes it possible to integrate quality control of the ESVs 1 into a continuous production of battery cells, which include the ESVs 1, without the production cycle time having to be reduced for the quality control.

Für diese Ermittlung wird kontinuierlich beziehungsweise entsprechend der Aufnahmefrequenzen der Röntgendetektoren 19 die Verschattung der Röntgenstrahlung 20 durch die ESVs 1, die mittels des Förderbands 13 durch die von den Röntgenstrahlungen 20 abgedeckten Räume bewegt werden, ermittelt und dadurch mehrfach oder mindestens einmal eine räumliche Position P (im Verhältnis zu den Röntgeneinheiten) von zwei Ecken 11, konkret der vorauseilenden sowie der nacheilenden Ecke 11, jeder der Elektroden 2 und jedes der Separatoren 3 ermittelt. Dabei wird der Effekt der Parallaxe ausgenutzt, wie dies in den 10 vereinfacht dargestellt ist. Demnach steigt der Abstand einer Ecke 11 einer Elektrode 2 oder eines Separators 3 zum Röntgendetektor 19 in Bestrahlungsrichtung (d.h. entlang einer Geraden ausgehend von dem Fokuspunkt 21 des zugehörigen Röntgenstrahlers 18) mit dem Öffnungswinkel der konischen Röntgenstrahlung 20 kontinuierlich an. Die Bestimmung einer räumlichen Position der Ecke 11 kann dann durch eine Triangulation mit dem Strahlensatz ermittelt werden, welche die Parallaxe der sich bewegenden Ecke 11 ausnutzt. Zur Ermittlung der räumlichen Position P werden dabei die Lage der Projektion PP der Verschattung der Röntgenstrahlung 20 durch die Ecke 11 auf dem Röntgendetektor 19, die Distanz der Bewegung der Ecke 11 zwischen den Messungen mittels des Röntgendetektors 19 und der direkte beziehungsweise kürzeste Abstand zwischen dem Fokuspunkt 21 des Röntgenstrahlers 18 und dem Röntgendetektor 19 genutzt. Die Ermittlung und Berechnung erfolgt mit einer nicht abgebildeten Recheneinheit. Die Bestimmung der Position PP auf dem Detektor zu einem definierten Zeitpunkt erfolgt durch eine kontinuierliche Grauwertanalyse der Detektorpixel. For this determination, the shadowing of the X-ray radiation 20 by the ESVs 1, which are moved by means of the conveyor belt 13 through the rooms covered by the X-ray radiation 20, is determined continuously or according to the recording frequencies of the X-ray detectors 19, and a spatial position P ( in relation to the X-ray units) of two corners 11, specifically the leading and the trailing corner 11, of each of the electrodes 2 and each of the separators 3 are determined. Here, the effect of parallax is used, as in the 10 is shown in simplified form. Accordingly, the distance between a corner 11 of an electrode 2 or a separator 3 and the X-ray detector 19 increases in the irradiation direction (ie along a straight line starting from the focus point 21 of the associated X-ray emitter 18) with the opening angle of the conical X-ray radiation 20 continuously. A spatial position of the corner 11 can then be determined by triangulation with the theorem of rays, which exploits the parallax of the moving corner 11 . To determine the spatial position P, the position of the projection PP of the shadowing of the X-ray radiation 20 by the corner 11 on the X-ray detector 19, the distance of the movement of the corner 11 between the measurements by means of the X-ray detector 19 and the direct or shortest distance between the focal point 21 of the X-ray emitter 18 and the X-ray detector 19 used. The determination and calculation takes place with a non-illustrated computing unit. The position PP on the detector at a defined point in time is determined by a continuous gray value analysis of the detector pixels.

Während die Position der Ecke 11 in der zu dem Röntgendetektor 19 parallelen Ebene, durch die geometrischen Beziehungen des Röntgenstrahlers 18 und des Röntgendetektors 19 zueinander sowie durch eine konkrete Position PP der Verschattung der Röntgenstrahlung 20 durch die Ecke 11 auf dem Röntgendetektor 19 definiert ist, sind für die Bestimmung des direkten Abstands der Ecke 11 von dem Röntgendetektor 19 mindestens zwei Positionsbestimmungen erforderlich. Zudem ist es sinnvoll, mindestens dreimalig eine Positionsbestimmung derselben Ecke 11 durchzuführen, um Gestaltsabweichungen der Ecke 11 (von einem exakt spitzen Zulauf) detektieren und rechnerisch kompensieren zu können. Dabei sollte die erste Position bezüglich der Relativbewegung von Ecke 11 und Röntgenstrahlung 20 vor einer ersten (Zentralstrahl-)Ebene 24, die senkrecht zu der Bewegungsrichtung der ESVs 1 gelegen ist und in der der Zentralstrahl 22 der Röntgenstrahlung 20 liegt) liegen. Die zweite Position sollte in der ersten Zentralstrahlebene 24 und die dritte Position sollte bezüglich der Relativbewegung von Ecke 11 und Röntgenstrahlung 20 hinter der ersten Zentralstrahlebene 24 liegenWhile the position of the corner 11 in the plane parallel to the X-ray detector 19 is defined by the geometric relationships of the X-ray emitter 18 and the X-ray detector 19 to one another and by a specific position PP of the shading of the X-ray radiation 20 by the corner 11 on the X-ray detector 19 at least two position determinations are required to determine the direct distance of the corner 11 from the X-ray detector 19 . In addition, it makes sense to determine the position of the same corner 11 at least three times in order to be able to detect deviations in the shape of the corner 11 (from an exactly pointed inlet) and to be able to compensate for them by calculation. The first position with respect to the relative movement of corner 11 and X-ray radiation 20 should lie in front of a first (central beam) plane 24, which is perpendicular to the direction of movement of ESVs 1 and in which central beam 22 of X-ray radiation 20 lies. The second position should be in the first central beam plane 24 and the third position should be behind the first central beam plane 24 with respect to the relative movement of corner 11 and x-ray radiation 20

Die 10 verdeutlicht diese Vorgehensweise. Darin ist dargestellt, dass eine Ecke 11 einer Elektrode 2 oder eines Separators 3 an einer ersten Position P₁ und einer durch die erste Zentralstrahlebene 24 definierten zweiten Position P₂ auf den Röntgendetektor 19 projiziert wird, woraus die Projektionspunkte PP₁ und PP₂ ermittelt werden. Ein (Bezugs-)Koordinatensystem liegt dabei bevorzugt in PP₂. Die durch die erste Zentralstrahlebene 24 definierte Position P₂ sollte eine der mindestens zwei ermittelten Positionen sein. Bei einer annähernd ideal spitzen Ecke 11 ist dies aber nicht unbedingt erforderlich. Durch die bekannte Anordnung des Röntgendetektors 19 relativ zu dem Fokuspunkt 21 des Röntgenstrahlers 18 und durch die Kenntnis der Bewegungsgeschwindigkeit der Ecke 11 in ausschließlich x-Richtung sind h, x₁₂, b₁₂ bzw. der Öffnungswinkel α₁ in der yx-Ebene bekannt. Mit diesen bekannten Größe kann mit folgender Formel $y_{1} = y_{2} = h * (1 - \frac{x_{12}}{b_{12}})$

der direkte Abstand der Ecke von dem Röntgendetektor 19 (in y-Richtung des Koordinatensystems) ermittelt werden. Dabei kann annähernd davon ausgegangen werden, dass sich dieser Abstand nicht ändert (y_n ≈y_z für n=1,2...). Dies gilt insbesondere für eine möglichst ideal spitze Ecke 11. Bei einer nicht idealen Spitze der Ecke 11 kann dagegen y₂ ungleich y₁ sein, wie dies in 12 dargestellt ist.The 10 illustrates this approach. It shows that a corner 11 of an electrode 2 or a separator 3 is projected onto the X-ray detector 19 at a first position P ₁ and a second position P ₂ defined by the first central beam plane 24, from which the projection points PP ₁ and PP ₂ are determined . A (reference) coordinate system is preferably in PP ₂ . The position P ₂ defined by the first central beam plane 24 should be one of the at least two determined positions. In the case of an almost ideally pointed corner 11, however, this is not absolutely necessary. Through the known arrangement of the x-ray detector 19 relative to the focus point 21 of the x-ray emitter 18 and through the knowledge of the movement speed of the corner 11 in the x-direction only, h, x ₁₂ , b ₁₂ and the aperture angle α ₁ in the yx-plane are known. With this known size can be calculated using the following formula

y

_{1} = y_{2} = H * (1 - \frac{x_{12}}{b_{12}})

the direct distance of the corner from the X-ray detector 19 (in the y-direction of the coordinate system) can be determined. It can be approximately assumed that this distance does not change (y _n ≈y _z for n=1.2...). This applies in particular to a corner 11 that is as ideally pointed as possible. In the case of a non-ideal point of the corner 11, on the other hand, y ₂ can be unequal to y ₁ , as is the case in 12 is shown.

Die Höhe der Ecke 11 (in z-Richtung des Koordinatensystems) kann, wie gesagt, aus den geometrischen Zusammenhängen von Röntgenstrahler 18, Röntgendetektor 19 und Förderband 13 sowie aus der Kenntnis des Lage der entsprechenden Elektrode 2 und Separatoren 3 in dem ESV 1 in x und y zum Koordinatensystem hergeleitet werden. Bekannt ist der Abstand I₁ zwischen dem Projektionspunkt PP₁ und dem Zentralstrahl 22, so dass auch z₁ berechnet werden kann mit: $z_{1} = l_{1} * (1 - \frac{y_{1}}{h})$

The height of the corner 11 (in the z-direction of the coordinate system) can, as stated, from the geometric relationships between the X-ray emitter 18, X-ray detector 19 and conveyor belt 13 and from the knowledge of the position of the corresponding electrode 2 and separators 3 in the ESV 1 in x and y to the coordinate system. The distance I ₁ between the projection point PP ₁ and the central ray 22 is known, so that z ₁ can also be calculated with:

{e.g}_{1} = l_{1} * (1 - \frac{y_{1}}{H})

Geringfügige Bewegungen der Ecke 11 in z-Richtung, die aus einer nicht exakt horizontalen Ausrichtung des Förderbands 13 resultieren können durch die Veränderung der Länge I1 zu einer zweiten Zentralstrahlebene 25 in yz-Ebene ermittelt und in die Auswertung einbezogen werden. Die Schnittgerade der beiden Zentralstrahlebenen 24, 25 ist der Zentralstrahl 22, der bei einer Verschattung eine Projektion PP_z erzeugt.Slight movements of the corner 11 in the z direction, which can result from a not exactly horizontal alignment of the conveyor belt 13, can be determined by changing the length I1 to a second central beam plane 25 in the yz plane and included in the evaluation. The line of intersection of the two central beam planes 24, 25 is the central beam 22, which produces a projection PP _z in the event of shading.

Mit den o.g. Berechnungen ist die räumliche Position P einer Ecke 1 bestimmbar. Wird dies für mindestens zwei Ecken 11 einer Elektrode 2 oder eines Separators 3 durchgeführt, ist in Kombination mit der Kenntnis der zuvor ermittelten Geometrie der entsprechenden Elektrode 2 oder des entsprechenden Separators 3 die Pose dieser Elektrode 2 oder des Separators 3 bestimmbar und durch eine entsprechende Bestimmung der Posen aller Elektroden 2 und Separatoren 3 ist die relative Ausrichtung von diesen zueinander ermittelbar. Beispielsweise kann für die Elektroden 2 und Separatoren 3 jeweils eine Abweichung zu einer als ideal definierten Ausrichtung mit einem Translationsvektor und einen Rotationswinkel um den Schwerpunkt der Elektrode 2 oder des Separators 3 angegeben werden. Die gewonnen Daten von mehreren vermessenen ESVs können auch genutzt werden, um den vorgelagerten Stapelprozess zu überwachen und zu optimieren.The spatial position P of a corner 1 can be determined with the above calculations. If this is done for at least two corners 11 of an electrode 2 or a separator 3, the pose of this electrode 2 or the separator 3 can be determined in combination with knowledge of the previously determined geometry of the corresponding electrode 2 or the corresponding separator 3 and by a corresponding determination of the poses of all electrodes 2 and separators 3, the relative orientation of these to one another can be determined. For example, a deviation from an alignment defined as ideal with a translation vector and a rotation angle around the center of gravity of the electrode 2 or the separator 3 can be specified for the electrodes 2 and separators 3 . The data obtained from several measured ESVs can also be used to monitor and optimize the upstream stacking process.

Je höher die Anzahl an Stellen, an denen die jeweilige Position P der einzelnen Ecken 11 bestimmt wird, desto genauer kann die Auswertung bezüglich der Posen der Elektroden 2 und Separatoren 3 und damit der relativen Ausrichtungen von diesen sein. Diese können und sollten dabei auch in negativer und positiver x-Richtung bezüglich der ersten Zentralstrahlebene 24 liegen (die positive x-Richtung ist in 10 nicht dargestellt), um möglichst genau auch eine Position einer nicht ideal spitzen Ecke 11 ermitteln zu können.The higher the number of points at which the respective position P of the individual corners 11 is determined, the more accurate the evaluation can be with regard to the poses of the electrodes 2 and separators 3 and thus the relative orientations of these. These can and should also be in the negative and positive x-direction with respect to the first central beam plane 24 (the positive x-direction is in 10 not shown) in order to be able to determine a position of a corner 11 that is not ideally pointed as precisely as possible.

Ist eine Ecke 11 ideal spitz, dann wird nämlich immer die Spitze bei der Durchstrahlung als äußerster Punkt auf den Röntgendetektor 19 projiziert, auch wenn eine rotatorische und/oder translatorische Abweichung vorliegt. Bei einer nicht ideal spitzen, beispielsweise runden oder grundsätzlich unsauber geschnittenen Ecke 11 kann sich dagegen der Abstand der beobachteten Ecke 11 einer Elektrode 2 oder eines Separators 3, die auf den Röntgendetektor 19 projiziert wird, beim Transport in x-Richtung ändern. Die 12 verdeutlicht dies. Darin ist gezeigt, dass durch eine abgerundete Ecke 11 an den verschiedenen Positionen P₁, P₂ und P₃ unterschiedliche Punkte der Ecke als Projektionspunkte PP₁ bis PP₃ auf den Röntgendetektor 19 projiziert werden, woraus sich unterschiedliche Abstände y₁, y₂ und y₃ ergeben. Durch ein Berechnen sämtlicher dieser Abstände y₁, y₂ und y₃ und in Kenntnis der zuvor ermittelten Geometrie der entsprechenden Elektrode 2 oder des entsprechenden Separators 3 kann dennoch eine exakte Auswertung bezüglich der Pose der Elektrode 2 oder des Separators 3 trotz nicht ideal spitzer Ecke 11 erfolgen. Für die Berechnung ist die Aufnahme der Projektion PP₂ in der Zentralstrahlebene 24 relevant. Mit dieser lassen sich die vertikalen Positionen von Punkten in positive und negative-Richtung zur Ebene bestimmen. Für die beispielsweise dargestellten Punkte P₁ und P₃ in der 12 gilt somit: $y_{1} = h * (1 - \frac{x_{12}}{b_{12}}) u n d y_{3} = h * (1 - \frac{x_{23}}{b_{23}})$

If a corner 11 is ideally pointed, then the point is always projected onto the x-ray detector 19 as the outermost point during transmission, even if there is a rotational and/or translational deviation. In the case of a corner 11 that is not ideally pointed, for example round or has a fundamentally unclean cut, the distance between the observed corner 11 of an electrode 2 or a separator 3 that is projected onto the X-ray detector 19 can change during transport in the x-direction. The 12 clarifies this. It shows that a rounded corner 11 at the different positions P ₁ , P ₂ and P ₃ projects different points of the corner onto the x-ray detector 19 as projection points PP ₁ to PP ₃ , resulting in different distances y ₁ , y ₂ and y equals ₃ . By calculating all of these distances y ₁ , y ₂ and y ₃ and knowing the previously determined geometry of the corresponding electrode 2 or the corresponding separator 3, an exact evaluation with regard to the pose of the electrode 2 or the separator 3 can still be carried out despite the less than ideal sharp corner 11 done. The recording of the projection PP ₂ in the central beam plane 24 is relevant for the calculation. This can be used to determine the vertical positions of points in the positive and negative directions to the plane. For the example shown points P ₁ and P ₃ in the 12 therefore applies:

y_{1} = H * (1 - \frac{x_{12}}{b_{12}}) and n i.e y_{3} = H * (1 - \frac{x_{23}}{b_{23}})

Bei der in den Zeichnungen dargestellten Nutzung von Röntgendetektoren 19 mit Flächensensoren würde grundsätzlich eine Röntgeneinheit für die vorgesehen Auswertung ausreichen. Durch die Verwendung der Ermittlungsergebnisse von zwei Röntgeneinheiten kann jedoch die Genauigkeit der Auswertung erhöht werden, wobei insbesondere auch gewährleistet werden kann, dass sowohl die vorauseilenden Ecken 11 als auch die nacheilenden Ecken 11 der Elektroden 2 und Separatoren 3 in einer relativ nahen Anordnung an einem der Röntgenstrahler 18 bestrahlt werden.In the case of the use of X-ray detectors 19 with area sensors shown in the drawings, one X-ray unit would in principle be sufficient for the intended evaluation. However, the accuracy of the evaluation can be increased by using the determination results of two X-ray units, and in particular it can also be ensured that both the leading corners 11 and the trailing corners 11 of the electrodes 2 and separators 3 are in a relatively close arrangement on one of the X-ray emitter 18 are irradiated.

Würden statt Flächensensoren Zeilensensoren eingesetzt, wären zumindest zwei Zeilensensoren notwendig, um die mindestens zweifache Ermittlung der räumlichen Positionen der vorauseilenden und nacheilenden Ecken ermitteln zu können. Diese mindestens zwei Zeilensensoren könnten dabei demselben Röntgenstrahler 18 (mit konischem Strahlungsbereich) oder unterschiedlichen Röntgenstrahlern 18 zugeordnet sein. Bei Vorliegen einer Gestaltsabweichung sollten mindestens drei Zeilendetektoren verwendet werden. Einer, der entlang der ersten Zentralstrahleben 24 aufgebaut wird und zwei weitere in positive und negative x-Richtung mit einem definierten Abstand von b₁₂ gleich b₂₃. Auch sei angemerkt, dass für die Reduzierung der geometrischen Unschärfe die Röntgeneinstellungen so gewählt werden sollten, dass der Fokuspunkt 21 möglichst klein ist, aber ein möglichst hoher Grauwertunterschied zwischen verschatteten und nicht verschatteten Bereichen erzeugt wird. Zusätzlich kann für eine weitere Reduktion der geometrischen Unschärfe ein nach innen gewölbten (konkaver) Zeilensensor verwendet werden. Eine weitere Reduktion der geometrischen Unschärfe wird realisiert, wenn der Zeilendetektor so gekippt wird, dass der Röntgenstrahl 20 orthogonal auf die Sensorfläche trifft.If line sensors were used instead of area sensors, at least two line sensors would be necessary in order to be able to determine the spatial positions of the leading and trailing corners at least twice. These at least two line sensors could be assigned to the same x-ray emitter 18 (with a conical radiation area) or to different x-ray emitters 18 . If there is a shape deviation, at least three line detectors should be used. One that is built up along the first central beam plane 24 and two more in the positive and negative x-direction with a defined spacing of b ₁₂ equal to b ₂₃ . It should also be noted that for the reduction of the geometric unsharpness, the x-ray settings should be selected such that the focus point 21 is as small as possible, but the greatest possible gray value difference between shaded and non-shaded areas is generated. In addition, an inwardly curved (concave) line sensor can be used to further reduce the geometric unsharpness. A further reduction in the geometric unsharpness is realized when the line detector is tilted in such a way that the X-ray beam 20 strikes the sensor surface orthogonally.

Durch eine Ermittlung der räumliche Positionen von mindestens zwei Ecken 11 jeder der Elektroden 2 und Separatoren 3 der ESVs 1 in Kombination mit der zuvor erfolgenden geometrischen Vermessung der Elektroden 2 und Separatoren 3 kann dann die relative Ausrichtung und Orientierung der Elektroden 2 und Separatoren 3 in den ESVs 1 zueinander rechnerisch ermittelt werden.By determining the spatial positions of at least two corners 11 of each of the electrodes 2 and separators 3 of the ESVs 1 in combination with the previously performed geometric measurement of the electrodes 2 and separators 3, the relative alignment and orientation of the electrodes 2 and separators 3 in the ESVs 1 are calculated to each other.

BezugszeichenlisteReference List

11: Elektroden-Separator-Verbund (ESV) / Stapel von Elektroden und SeparatorenElectrode separator composite (ESV) / stack of electrodes and separators
22: Elektrodeelectrode
2a2a: Anodeanode
2b2 B: Kathodecathode
33: Separatorseparator
44: Werkstückträgerworkpiece carrier
4a4a: Deckel des WerkstückträgersCover of the workpiece carrier
4b4b: Boden des Werkstückträgersbottom of the workpiece carrier
55: Zeilenkameraline scan camera
66: Förderanlageconveyor system
77: Beleuchtungsvorrichtunglighting device
88th: Sauggreifersuction cups
99: Großfläche der Elektrodelarge area of the electrode
1010: Bewegungsrichtung der Elektrodedirection of movement of the electrode
1111: Ecke der Elektrodecorner of the electrode
1212: RöntgensystemX-ray system
1313: Förderbandconveyor belt
1414: Gehäuse des RöntgensystemsHousing of the X-ray system
1515: Prüfraum des RöntgensystemsTest room of the X-ray system
1616: Schleuse des RöntgensystemsSluice of the X-ray system
1717: Förderrichtung der ESVFunding direction of the ESV
1818: Röntgenstrahlerx-ray tube
1919: RöntgendetektorX-ray detector
2020: RöntgenstrahlungX-ray radiation
2121: Fokuspunkt des RöntgenstrahlersFocus point of the X-ray tube
2222: Zentralstrahl der Röntgenstrahlungcentral ray of X-ray radiation
2323: Ableiterfahnearrester flag
2424: erste Zentralstrahlebenefirst central plane
2525: zweite Zentralstrahlebenesecond central plane
2626: Zentrieröffnung des WerkstückträgersCentering opening of the workpiece carrier

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

US2020036334A1 [0004]
JP 2021050992 A [0004]
US 9387993 B2 [0005]

Claims

Method for determining at least the relative alignment of several or all layers of a stack (1) of plate-shaped electrodes (2) and separators (3) with large polygonal areas, wherein • using a camera system, a geometry of a large area of several or each of the individual layers is determined and thus measured, • the layers are stacked in a defined order to form the stack (1), • the stack (1) is irradiated with X-rays (20) emitted by an X-ray emitter (18) and detected by an X-ray detector (19), the alignment of the stack (1) relative to the X-rays (20) being selected in such a way that at least one corner (11) of several or each of the measured layers is irradiated at the same time, and wherein the spatial position of at least two corners (11) of each of the measured layers is measured at least twice in different positions in the space covered by the X-ray radiation (20). of the stack (1) is determined by shadowing of the X-rays (20) by the corners (11) of the layers on the X-ray detector (19) are evaluated, and • the positions of the corners (11) of the measured layers are compared.

procedure according to claim 1 , characterized in that the camera system comprises one or more line scan cameras (5).

procedure according to claim 1 or 2 , characterized in that one or more relative movements of each of the individual layers is/are carried out through the field of view of at least one camera (5) of the camera system.

procedure according to claim 3 , characterized in that a first relative movement of each of the individual layers is carried out through fields of view of a first camera (5) and a second camera (5) of the camera system, images being created from a first and a second edge of the individual layers, and, according to a rotation of the slices about a vertical axis, a second relative movement of each of the individual slices along the fields of view of the first camera (5) and the second camera (5) or along the fields of view of a third camera (5) and a fourth camera (5) of the camera system is performed, wherein images are created from a third and a fourth edge of the individual layers.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the spatial position of the corners (11) is determined at least twice in each case by relatively moving regions of the layers which comprise the corners (11) using a cone of the X-ray radiation (20).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the orientation of the stack (1) relative to the X-ray radiation (20) is selected in such a way that one corner (1) of each of the layers precedes the relative movement.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the X-ray detector (19) comprises an area sensor and/or one or more line sensors.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in order to implement at least one of the relative movements, the layers and/or the stack (1) is/are moved.

procedure according to claim 8 , characterized in that the layers are/are moved by means of controlled, rotatable individual grippers (8) and/or the stack (1) by means of a conveyor belt (13).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that when the relative orientation of at least two layers shows a deviation lying above a defined limit value, the stack (1) is marked as scrap.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the relative orientations of the layers of a plurality of stacks (1) are determined one after the other, in which case if the relative orientation of at least two layers in a stack (1) is above a/the defined limit value Deviation, this determination result is taken into account for an adjustment of the stacking at least in the immediately following stack (1).