DE102022105873A1

DE102022105873A1 - Messvorrichtung der Energiezellen produzierenden Industrie zur Vermessung der Position und/oder Ausrichtung von in einer Förderrichtung geförderten flächigen Elementen

Info

Publication number: DE102022105873A1
Application number: DE102022105873.5A
Authority: DE
Inventors: Frank Grothaus; Dirk Sacher; Patrick Gögel; Michael Ibel
Original assignee: Koerber Technologies GmbH
Current assignee: Koerber Technologies GmbH
Priority date: 2022-03-14
Filing date: 2022-03-14
Publication date: 2023-09-14
Also published as: WO2023174819A1

Abstract

Eine Messvorrichtung (60) der Energiezellen produzierenden Industrie zur Vermessung der Position und/oder Ausrichtung von in einer Förderrichtung geförderten flächigen Elementen (92, 94) weist mindestens einen optischen Sensor (61-64) auf, der mit Blickrichtung auf eine Förderebene angeordnet und zur Erfassung eines von einer Querkante (70-73) eines an dem optischen Sensor (61-64) vorbei geförderten flächigen Elements (92, 94) erzeugten optischen Übergangs eingerichtet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung der Energiezellen produzierenden Industrie zur Vermessung der Position und/oder Ausrichtung von in einer Förderrichtung fortlaufend geförderten Elektrodenblättern.
Fördervorrichtungen zum Fördern und Übereinanderlegen von Elektrodenblättern in einer Förderrichtung sind beispielsweise aus der WO 00/72398 A1 , US 6,585,846 B1 , WO 2016/041713 A1 , DE 10 2017 216 138 A1 , DE 10 2017 216 213 A1 , WO 2019/092585 A2 und WO 2020/192845 A1 bekannt.
Monozellen für Batteriezellen werden aus Anode und Kathode sowie Separatoren gebildet. Diese Lagen müssen im Rahmen zulässiger Toleranzen genau aufeinandergelegt werden. Die Ablage der Elektroden auf eine Fördervorrichtung erfolgt von unterschiedlichen Zuführungen aus, sodass die Elektrodenlagen zueinander synchronisiert werden müssen. Dazu ist eine Regelung zweckmäßig.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Messvorrichtung anzugeben, welche die für die Regelung der Elektrodenlagen notwendigen Messgrößen und eine entsprechende Ansteuerung der Aktorik ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß weist die Messvorrichtung mindestens einen optischen Sensor auf, der mit Blickrichtung auf eine Objektebene der flächigen Elemente angeordnet und zur Erfassung eines von einer Querkante eines flächigen Elements erzeugten optischen Übergangs, insbesondere in Form einer Signalflanke, eingerichtet ist. Mittels der Erfindung kann die Position der flächigen Elemente in der Förderrichtung relativ zum Maschinentakt und/oder relativ zueinander auf einfache Weise erfasst werden.
Der Begriff „Querkante“ eines flächigen Elements bezieht sich auf eine Querrichtung, die quer zur Förderrichtung verläuft und in einer Förderebene bzw. in einer Objektebene liegt.
Die flächigen Elemente sind insbesondere Elektrodenblätter, auch Elektrodenlagen oder kurz Elektroden genannt, nämlich Kathoden und Anoden. Diese werden im Verarbeitungsprozess übereinander abgelegt, mit dazwischen angeordneten Separatorbahnen, wodurch eine Elektroden-Separator-Materialformation gebildet wird, um daraus nachfolgend Monozellen oder allgemeiner Elektroden-Separator-Verbundelemente zu erzeugen. Die Elektroden-Separator-Materialformation soll im Rahmen zulässiger Toleranzen bezüglich des Versatzes der Elektroden in Förderrichtung und vorzugsweise auch quer dazu gebildet werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Elektrodenlagen unterschiedlich groß sein können und durcheinander vollständig verdeckt werden. Die Erfindung ermöglicht eine Qualitätserfassung der Position der Elektroden und vorteilhaft eine Positionsregelung mit dem Ziel der Qualitätssicherung und Qualitätsverbesserung.
Vorzugsweise weist die Messvorrichtung mindestens einen optischen Sensor auf, der an einer ersten Position in Förderrichtung zur Erfassung einer Querkante von ersten flächigen Elementen eingerichtet ist. Die ersten flächige Elemente sind dabei die flächigen Elemente, die zuerst auf eine Fördervorrichtung der Maschine abgelegt werden. Dieser mindestens eine optische Sensor erfasst demnach die ersten flächigen Elemente. Vorzugsweise weist die Messvorrichtung mindestens einen optischen Sensor auf, der an einer zweiten Position in Förderrichtung zur Erfassung einer Querkante von zweiten flächigen Elementen eingerichtet ist. Die zweiten flächige Elemente sind dabei die flächigen Elemente, die auf die zuvor auf die Fördervorrichtung bereits abgelegten ersten Elemente und eine Separatorbahn von oben positionsgenau aufgelegt werden. Dieser mindestens eine optische Sensor erfasst demnach die zweiten flächigen Elemente. Separate optische Sensoren an unterschiedlichen Positionen in Förderrichtung für die ersten und zweiten flächigen Elemente sind vorteilhaft, weil die unterschiedlichen Lagen im Laufe des Produktionsprozesses nach und nach voneinander verdeckt werden.
Der optische Sensor zur Messung an den ersten Elementen ist vorzugsweise in einem Bereich in Förderrichtung zwischen einer ersten Ablageposition für die ersten Elemente und einer zweiten Ablageposition für die zweiten Elemente angeordnet, weil in diesem Bereich die ersten Elemente noch nicht von den zweiten Elementen verdeckt werden. Vorzugsweise ist der optische Sensor für die ersten Elemente in Förderrichtung vor einer ersten Auflegeposition der ersten Separatorbahn angeordnet, damit die Messung nicht durch die erste Separatorbahn beeinflusst wird. Der optische Sensor zur Messung an den zweiten Elementen ist vorzugsweise in Förderrichtung hinter einer zweiten Ablageposition für die zweiten Elemente angeordnet.
Vorzugsweise ist der optische Sensor für die zweiten Elemente in Förderrichtung vor einer zweiten Auflegeposition der zweiten Separatorbahn angeordnet, damit die Messung nicht durch die zweite Separatorbahn beeinflusst wird.
Vorzugsweise weist die Messvorrichtung eine Mehrzahl von quer zu der Förderrichtung angeordneten und voneinander beabstandeten optischen Sensoren zur Messung an den ersten und/oder den zweiten flächigen Elementen auf. Dies ermöglicht die Bestimmung der Winkelorientierung der flächigen Elemente um eine Achse senkrecht zu der Förderebene, in der Regel um die vertikale Achse, und somit eines unerwünschten Winkelversatzes. Insbesondere kann aus einem Zeitverzug in den Messsignalen zweier optischer Sensoren, die entlang der Querrichtung angeordnet sind, unter Berücksichtigung des Abstandes der beiden optischen Sensoren mittels trigonometrischer Betrachtung, insbesondere Arcustangens-Bildung des Quotienten aus Verzugslänge und Sensorabstand, die Winkelorientierung des flächigen Elements bestimmt werden.
Der Abstand der beiden optischen Sensoren voneinander ist zweckmäßigerweise kleiner als die entsprechende Breite des flächigen Elements in Querrichtung, um die Erfassung der Querkanten des flächigen Elements zu ermöglichen. Der Abstand der beiden optischen Sensoren voneinander ist vorzugsweise mindestens halb so groß wie die entsprechende Breite des flächigen Elements in Querrichtung, wodurch die Messgenauigkeit bei der Bestimmung des Winkelversatzes erhöht werden kann. Die beiden optischen Sensoren können jeweils symmetrisch zu einer Mittellinie der Fördervorrichtung angeordnet sein, dies ist aber nicht zwingend der Fall. Im Falle einer Mehrzahl von quer zu der Förderrichtung angeordneten und voneinander beabstandeten optischen Sensoren kann die Position der Querkante des flächigen Elements als Mittelwert beider Sensoren bestimmt werden.
Zwei optische Sensoren zur Messung an den ersten flächigen Elementen sind demnach vorteilhaft in einer Querebene angebracht und können durch den möglichen zeitlichen Versatz beim Auslösen einen Winkelfehler der ersten flächigen Elemente erkennen. Wenn beide Sensoren gleichzeitig auslösen, d.h. kein Schaltflankenversatz liegt vor, dann bedeutet das, dass das flächige Element, im Rahmen der Abtastgenauigkeit der Sensoren, parallel zur Achse durch die Sensoren geführt werden. Wird jedoch ein Schaltflankenversatz zwischen den beiden optischen Sensoren erkannt, kann der Winkelfehler berechnet werden. Es kann also durch den zeitlichen Versatz von zwei auf einer Querachse angeordneten optischen Sensoren eine Verdrehung des flächigen Elements bzw. ein Winkelfehler ermittelt werden. Ebenso arbeiten vorteilhaft die beiden folgenden optischen Sensoren für die zweiten flächigen Elemente.
Durch den zeitlichen Versatz der Erfassung, bedingt durch den örtlichen Versatz der Messpunkte von ersten und zweiten flächigen Elementen sowie dem Geschwindigkeitsfehler des Fördermittels, kann die Ablage der flächigen Elemente zueinander ungenau werden. Diese Ungenauigkeit kann durch zwei weitere optische Sensoren ermittelt werden, die im Folgenden beschrieben werden. Vorzugsweise weist die Messvorrichtung demnach entgegengesetzte optische Sensoren auf, die zur gleichzeitigen Erfassung von gegenüberliegenden Kontaktlaschen flächiger Elemente erzeugten optischen Übergängen eingerichtet ist. Diese weiteren optischen Sensoren sind vorteilhaft an einer Stelle in Förderrichtung angeordnet, wo das erste und das zweite flächige Element positionsgenau übereinandergelegt sind. Die weiteren optischen Sensoren ermöglichen eine exakte Bestimmung eines Längsversatzes der ersten und der zweiten flächigen Elemente relativ zueinander.
Ein weiteres prüfbares Kriterium ist die Position der Ableiterfahne der Elektroden, die auch als Kontaktlasche bezeichnet wird. Sofern nicht davon ausgegangen werden kann, dass sich diese immer an der gleichen Stelle befindet, kann daraus nicht ohne weiteres der Längsversatz der ersten und zweiten flächigen Elemente zueinander ermittelt werden. Daher ist dem mindestens einen optischen Sensor zur Messung an den ersten flächigen Elementen vorzugsweise ein weiterer optischer Sensor zur Erfassung eines von einer Kontaktlasche der ersten flächigen Elemente erzeugten optischen Übergangs zugeordnet. Vorzugsweise ist dem mindestens einen optischen Sensor zur Messung an den zweiten flächigen Elementen ein weiterer optischer Sensor zur Erfassung eines von einer Kontaktlasche der zweiten flächigen Elemente erzeugten optischen Übergangs zugeordnet. Für jede Elektrode ist also eine weitere Prüfposition vorgesehen, um den Abstand der Ableiterfahne von der vorderen Kante der Elektrode ermitteln zu können. Über den zeitlichen Versatz der Sensorauslösung und der Fördergeschwindigkeit lässt sich Abstand zwischen Ableiterfahne und vorderer Elektrodenkante ermitteln. Die Signale dieser Sensoren können dazu dienen, variierende Abstände der Kontaktlaschen zu den Querkanten der flächigen Elemente zu kompensieren.
Die zuvor beschriebenen optischen Sensoren können vorzugsweise optische Kontrastsensoren oder optische Kontrasttaster sein. Optische Kontrasttaster sind auf eine optische Kontrastschwelle eingestellt und liefern ein digitales Ausgangssignal, d.h. das Ausgangssignal kann zwei Zustände einnehmen, je nachdem ob das Messignal die optische Kontrastschwelle überschreitet oder nicht. Ein optischer Kontrastsensor gibt ein analoges Signal aus, nämlichen den optischen Kontrastwert auf einer Kontrastskala. Die Verwendung von bildgebenden optischen Sensoren, beispielsweise Kameras, ist nicht ausgeschlossen.
Vorzugsweise ist eine Steuer- und/oder Auswerteeinheit vorgesehen, die zur Ermittlung von Position und/oder Winkelorientierung der flächigen Elemente aus den Messsignalen der optischen Sensoren eingerichtet ist. Dabei handelt es sich insbesondere um eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung, die in der Messvorrichtung oder in einer Maschinensteuerung realisiert sein kann. Die Steuer- und/oder Auswerteeinheit ist vorteilhaft zur Regelung der phasengerechten Zuförderung der flächigen Elemente auf der Grundlage der Messsignale von den optischen Sensoren eingerichtet. Die Information der optischen Sensoren werden also vorteilhaft verwendet, um die beiden Zuführungen der flächigen Elemente und die Fördervorrichtung miteinander zu synchronisieren.
Vorzugsweise ist dem optischen Sensor zur Messung an den ersten flächigen Elementen mindestens ein Abstandssensor zugeordnet, der angeordnet und eingerichtet ist, die seitliche Distanz und somit den Querversatz der ersten flächigen Elemente zu messen. Vorzugsweise ist dem optischen Sensor zur Messung an den zweiten flächigen Elementen mindestens ein Abstandssensor zugeordnet, der angeordnet und eingerichtet ist, die seitliche Distanz und dadurch den Querversatz der zweiten flächigen Elemente zu messen. Mithilfe der beschriebenen Abstandssensoren kann zusätzlich auch der seitliche Versatz der flächigen Elemente vorteilhaft ermittelt werden. Mittels dieser Abstandssensoren kann demnach ermittelt werden, ob die Elektroden in Bezug auf seitlichen Versatz an der korrekten Position liegen. Die Abstandssensoren sind vorteilhaft Analoglichttaster, die den Kontrast zwischen zwei Lagen, beispielsweise Elektrode und Förderband, erfassen und ausgeben, wie weit die Elektrode seitlich versetzt ist.
Die Messvorrichtung weist vorzugsweise mindestens einen Abstandssensor auf, der zur gleichzeitigen Erfassung der seitlichen Distanz und dadurch des Querversatzes übereinander gelegter flächiger Elemente angeordnet und eingerichtet ist. Auf diese Weise kann der seitliche Versatz der flächigen Elemente vorteilhaft an einer Stelle ermittelt werden, an der das erste und das zweite flächige Element positionsgenau übereinander liegen. Die beschriebenen Abstandssensoren erfassen somit den Versatz der Anode zur Kathode quer zur Bewegungsrichtung. Aus den Messwerten lässt sich berechnen, wie die Elektrodenlagen zueinander und zur Maschine ausgerichtet sind. Es wird also ein lateraler Versatz erfasst. Dies ist zwar auch mittels Verknüpfung der Signale von den zuvor beschriebenen Abstandssensoren möglich, jedoch kann es aufgrund von deren Abstand zueinander in Längs- oder Förderrichtung zu einer zwischenzeitlichen Verschiebung kommen.
Vorzugsweise weist die Messvorrichtung mindestens einen Abstandssensor auf, der zur Erfassung der seitlichen Distanz und dadurch des Querversatzes einer Separatorbahn eingerichtet ist. Der Abstandssensor ist vorteilhaft im Bereich des Auflegens der jeweiligen Separatorbahn auf die Fördervorrichtung angeordnet und kann vor dieser Auflageposition oder nach dieser Auflegeposition angeordnet sein. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist vorteilhaft zur Durchführung einer Bahnkantenregelung für die Separatorbahn auf der Grundlage des Messsignals dieses Abstandssensors eingerichtet. Mittels dieser Sensoren kann daher weiterhin die seitliche Lage der Separatoren erfasst werden und so eine Prüfung der Bahnkantenregelung der Separatorbahnen erfolgen.
Sämtliche beschriebenen Abstandssensoren können beispielsweise Reflexionssensoren mit Lichtzeilen sein, die mittels Lichtmengenmessung ermitteln können, wie weit die flächigen Elemente quer zur Förderrichtung versetzt sind. Alternativ können punkt- oder linienförmig messende Laserscanner eingesetzt werden, die mit Triangulation oder Laufzeitmessung (Lidar) arbeiten. Je nach Ausführungsform kann es ausreichen, nur an einer Seite der Fördervorrichtung einen solchen Abstandssensor vorzusehen.
Nach dem zuvor gesagten wird die Position der flächigen Elemente durch eine Kombination aus unterschiedlichen optischen Sensoren und deren digitalen oder analogen Ausgangssignalen ermittelt. Dabei werden die zeitlichen Differenzen zwischen den einzelnen digitalen Signalen optischer Kontrasttaster verwendet, um die IST-Position in Längs- oder Förderrichtung und die IST-Ausrichtung, d.h. den Positionswinkel, zu berechnen. Die analogen Sensorsignale der Abstandssensoren dienen zur Erfassung des seitlichen Versatzes der flächigen Elemente.
Durch die Anordnung und Kombination der optischen Sensoren und Abstandssensoren ist ein preiswerter Aufbau möglich, der es ermöglicht, die Elektroden in einem kontinuierlichen Prozess präzise zueinander zu positionieren. Durch den kontinuierlichen Bahnprozess sind wesentlich höhere Einzelstückproduktionsraten gegenüber dem herkömmlichen Pick&Place-Verfahren zur Zellherstellung möglich. Durch den Einsatz von Standard-Kontrastsensoren sind geringe Kosten, hohe Messgenauigkeit sowie geringe Gesamtregelkreisumlaufzeit im Bereich Sensorik möglich.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Maschine zur Herstellung von Energiezellen, umfassend eine Fördervorrichtung zum Fördern der flächigen Elemente in der Förderrichtung, eine zuvor beschriebene Messvorrichtung und eine Steuer- und/oder Auswerteeinheit, die zur Ermittlung von Position und/oder Winkelorientierung der flächigen Elemente aus den Messsignalen der optischen Sensoren eingerichtet ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt

1 eine schematische Draufsicht auf nebeneinander gelegte Lagen für eine Separator-Elektroden-Verbundeinheit;
2 eine schematische Seitenansicht einer Separator-Elektroden-Verbundeinheit;
3 eine seitliche Ansicht eines Maschinenkonzepts zum Herstellen von Zellstapeln im Ausschnitt;
4 eine seitliche Ansicht einer Fördervorrichtung zur Bildung einer Elektroden-Separatoren-Materialformation;
5 eine Ansicht von oben auf die Fördervorrichtung gemäß 4 mit einer Messvorrichtung;
6 eine Ansicht von oben auf die Fördervorrichtung gemäß 4 mit einer Messvorrichtung in einer weiteren Ausführungsform; und
7 eine schematische Skizze zur Erläuterung der Ermittlung eines Winkelversatzes eines flächigen Elements.

Zur Herstellung von Batteriezellen werden Elektroden-Separator-Verbundeinheiten 90 (siehe 2) erzeugt und diese anschließend zu einem Zellstapel gestapelt. Die Separator-Elektroden-Verbundeinheiten 90 bestehen aus abwechselnden Lagen von flächigen Elementen 91-94, nämlich Separatorblatt 91, Anode 92, Separatorblatt 93 und Kathode 94. In 1 ist in der von links nach rechts verlaufenden Förderrichtung eine Folge von jeweils drei Elektroden 92, 94 und entsprechend dreifachlangen Separatoren 91, 93 in einer Draufsicht, d.h. in einer Ansicht senkrecht zu einer Objektebene jedes flächigen Elements 91-94, gezeigt. Die Reihenfolge der einzelnen Lagen 91-94 kann variieren, insbesondere ist es möglich, Anode 92 und Kathode 94 zu vertauschen.
Die Separatorblätter 91, 93 und die Elektroden 92, 94 sind in einer Draufsicht wie in 1 beispielsweise im Wesentlichen rechteckig. Denkbar sind andere Formen oder Modifikationen der Rechteckform, beispielsweise abgerundete Ecken oder Kerben, die die einzelnen Elektroden im Produktionsstrom voneinander trennen. Die Anoden 92 weisen jeweils eine Kontaktlasche 95 auf, mit denen sämtliche Anoden 92 im finalen Zellstapel untereinander kontaktiert werden können. Die Kathoden 94 weisen jeweils eine Kontaktlasche 96 auf, mit denen sämtliche Kathoden 94 im finalen Zellstapel untereinander kontaktiert werden können. Die Anoden 92 und die Kathoden 94 sind so angeordnet, dass die Kontaktlaschen 95 an einer Seite der Verbundeinheiten 90 und die Kontaktlaschen 96 an der entgegengesetzten Seite der Verbundeinheiten 90 liegen, wie in 1 gezeigt.
Es sind Ausführungsformen möglich, in denen die Kontaktlaschen 95, 96 an derselben Seite der Verbundeinheiten 90 liegen. Im Folgenden werden die Elektroden 94, hier Kathoden, als erste flächige Elemente und die Elektroden 92, hier Anoden, als zweite flächige Elemente bezeichnet. Selbstverständlich können die ersten flächigen Elemente 94 auch Anoden und die zweiten flächigen Elemente 92 Kathoden sein.
Eine Maschine 10 zur Herstellung von Batteriezellen ist im Ausschnitt in 3 gezeigt. Die Maschine 10 umfasst einen Zuführabschnitt 11 zum Zuführen von Ausgangsmaterialien, nämlich endlose Separatorbahnen 80, 81 sowie endlose Elektrodenbahnen 82, 84, zu nachfolgenden Maschinenabschnitten 12, 14.
Die Maschine 10 umfasst des Weiteren einen Elektrodenherstellabschnitt 12 zum Erzeugen von einzelnen Elektrodenblättern 92, 94 aus den Elektrodenbahnen 82, 84. Der Elektrodenherstellabschnitt 12 weist eine erste Elektrodenherstellvorrichtung 19 zum Herstellen von ersten Elektroden 94, beispielsweise Kathoden, und eine zweite Elektrodenherstellvorrichtung 18 zum Herstellen von zweiten Elektroden 92, beispielsweise Anoden, auf.
Die Elektrodenherstellvorrichtungen 18, 19 weisen jeweils einen rotierenden Schneidapparat 20 zum Zerschneiden der zugführten Elektrodenbahn 82, 84 in einzelne Elektroden 92, 94 auf. Der Schneidapparat 20 umfasst jeweils eine Messerwelle 21 und eine Schneidtrommel 22. Die Messerwelle 21 ist entlang ihres Umfangs mit Messern bestückt, die in Nuten der Schneidtrommel 22 eingreifen, um die Elektrodenbahn 82, 84 zu schneiden. Stromabwärts von dem Schneidapparat 20 kann eine Teilungsänderungstrommel 26 vorgesehen sein, die dazu dient, die geschnittenen Elektroden 92 bzw. 94 mit einem Abstand zueinander in Längsrichtung zu versehen.
Des Weiteren umfasst jede Elektrodenherstellvorrichtung 18, 19 eine Übergabeeinrichtung 27, um die geschnittenen Elektroden 92, 94 an eine nachfolgende Fördervorrichtung 14 zu übergeben. Die Fördervorrichtung 14 ist beispielsweise als Bandförderer 15 ausgebildet und weist vorteilhaft ein Fördermittel 16, insbesondere ein endlos umlaufendes Förderband 17 auf. Die Fördervorrichtung 14 könnte auch als Fördertrommel ausgebildet sein.
Die Übergabeeinrichtung 27 umfasst jeweils eine Übergabetrommel 28 und eine Führungseinrichtung 29, die ein um die Übergabetrommel 28 und eine Hilfswalze 30 endlos umlaufendes Führungsband 31 umfasst. Die Übergabetrommel 28 übernimmt die Elektroden 92, 94 von einer vorgeordneten Trommel, hier der Teilungsänderungstrommel 26, und legt diese auf das Fördermittel 16 der Fördervorrichtung 14 auf. Auf dem Fördermittel 16 werden die Elektroden 92, 94 von links nach rechts in 3 gefördert, wobei das Führungsband 31 über dem Fördermittel 16 verläuft, so dass die Elektroden 92, 94 zwischen dem Fördermittel 16 und dem Führungsband 31 geführt werden.
Die Materialführung von links nach rechts in den 3 bis 6 wird im Folgenden anhand der 4 erläutert. Zunächst werden die von der ersten Elektrodenherstellvorrichtung 19 hergestellten ersten flächigen Elemente 94 mittels der entsprechenden Übergabevorrichtung 27 auf dem Fördermittel 16 abgelegt. Anschließend wird unmittelbar hinter der Hilfswalze 30 die erste Separatorbahn 83 mittels einer Umlenkwalze 32 über die flächigen Elemente 94 auf das Fördermittel 16 aufgelegt. Sodann werden die von der zweiten Elektrodenherstellvorrichtung 18 hergestellten zweiten flächigen Elemente 92 mittels der entsprechenden Übergabevorrichtung 27 auf dem Fördermittel 16 abgelegt, wobei jeweils ein zweites flächiges Element 92 positionsgenau über einem ersten flächigen Element 94 positioniert wird, siehe 4. Anschließend wird unmittelbar hinter der entsprechenden Hilfswalze 30 die weitere Separatorbahn 81 mittels einer Umlenkwalze 33 über die zweiten flächigen Elemente 92 auf das Fördermittel 16 aufgelegt.
Die Fördervorrichtung 14 dient demnach zum Übereinanderlegen der Materialien erstes flächiges Element 94, erste Separatorbahn 83, zweites flächiges Element 92, weitere Separatorbahn 81, wodurch eine Elektroden-Separator-Materialformation 97 gebildet wird. Die Elektroden-Separator-Materialformation 97 durchläuft danach eine Verbindungsvorrichtung 40, insbesondere eine Laminiervorrichtung, um die Lagen der Elektroden-Separator-Materialformation 97 miteinander zu verbinden und eine Elektroden-Separator-Verbundbahn zu bilden, eine nicht gezeigte Schneidevorrichtung, um die Elektroden-Separator-Verbundbahn in Elektroden-Separator-Verbundeinheiten 90, insbesondere Monozellen, zu zerschneiden, und eine Stapelstation zum Stapeln der Elektroden-Separator-Verbundeinheiten 90 zu einem Zellstapel.
Eine maschinenfest angeordnete Messvorrichtung 60 zur Messung von optischen Eigenschaften der flächigen Elemente 92, 94 wird im Folgenden anhand der 5 und 6 erläutert, die eine Draufsicht auf die Fördervorrichtung gemäß 4 von oben zeigt. Die Messvorrichtung 60 umfasst optische Sensoren 61-64, die mit Blickrichtung auf die Förderebene der Fördervorrichtung 14, d.h. auf eine Objektebene der flächigen Elemente 92, 94 angeordnet sind. Die Förderebene der Fördervorrichtung 14 ist in einer Ausführungsform mit Bandförderer 15 die durch das Förderband 17 definierte Förderbandebene. Die optischen Sensoren 61-64 sind vorzugsweise oberhalb der Förderebene, d.h. auf der Seite der aufgelegten Materialien 81, 83, 92, 94, angeordnet, siehe 4. Die optischen Sensoren 61-64 können aber auch unterhalb der Förderebene, d.h. auf der den aufgelegten Materialien 81, 83, 92, 94 abgewandten Seite, angeordnet sein, wenn das Fördermittel 16 optisch transparent ist oder Inspektionsaussparungen aufweist.
Die Sensoren 61-64 sind in der Querrichtung, d.h. in der seitlichen Richtung quer zur Förderrichtung F, maschinenfest angeordnet, so dass die flächigen Elemente 92, 94 infolge der Förderung in Förderrichtung F in den Erfassungsbereich der Sensoren 61-64 gelangen. Insbesondere sind die optischen Sensoren 61-64 Kontrastsensoren, die zur Erfassung eines optischen Übergangs, nämlich eines Hell-Dunkel-Übergangs und/oder eines Farbübergangs, der durch die Bewegung einer Querkante 70-73 eines flächigen Elements 92, 94 in Form einer Signalflanke erzeugt wird, angeordnet und eingerichtet sind. Die Querkante 70-73 kann in Förderrichtung die Vorderkante 70, 72 oder die Hinterkante 71, 73 sein. Die Verwendung von bildgebenden optischen Sensoren, beispielsweise Kameras, ist nicht ausgeschlossen.
Zur Erfassung einer Querkante 70, 71 eines ersten flächigen Elements 94, hier der Kathode, ist mindestens ein optischer Sensor 61, 62 in einem Bereich in Förderrichtung zwischen einer ersten Ablageposition 34, wo die ersten flächigen Elemente 94 von der entsprechenden Übergabeeinrichtung 27 auf die Fördervorrichtung 14 abgelegt werden, und einer zweiten Ablageposition 35, wo die zweiten flächigen Elemente 92 von der entsprechenden Übergabeeinrichtung 27 auf die Fördervorrichtung 14 abgelegt werden, angeordnet, weil in diesem Bereich die ersten flächigen Elemente 94 noch nicht von den zweiten flächigen Elementen 92 verdeckt werden. Vorzugsweise ist der mindestens eine optische Sensor 61, 62 in Förderrichtung vor einer ersten Auflegeposition 36 der ersten Separatorbahn 83 auf die Fördervorrichtung 14 angeordnet, damit die Messung nicht durch die Separatorbahn 83 beeinflusst wird.
In der Maschine ist eine elektronische Auswerte- und Steuereinheit 41 vorgesehen (siehe 3), an die die Messsignale von den optischen Sensoren 61-69 der Messvorrichtung 60 übermittelt werden. Die Auswerte- und Steuereinheit 41 kann Teil der Messvorrichtung 60 und/oder der Maschinensteuerung sein.
Mittels des mindestens einen optischen Sensors 61, 62 kann die Position einer Querkante 70, 71 der ersten flächigen Elemente 94, und somit deren Position in Förderrichtung relativ zum Maschinentakt, in der Auswerte- und Steuereinheit 41 insbesondere als Signalflanke ermittelt werden. Wenn die Abweichung der gemessenen Position der ersten flächigen Elemente 94 relativ zum Maschinentakt von einer Sollposition größer ist als tolerierbar, können geeignete Maßnahmen automatisch ergriffen werden. Beispielsweise kann die erste Elektrodenherstellvorrichtung 19 oder die entsprechende Übergabevorrichtung 27 so angesteuert werden, dass die ersten flächigen Elemente 94 wieder phasengerecht auf die Fördervorrichtung 14 abgelegt werden und die Position der ersten flächigen Elemente 94 relativ zum Maschinentakt wieder mit der Sollposition übereinstimmt. In einer anderen Ausführungsform kann ein fehlpositioniertes erstes flächiges Element 94 aus dem Produktstrom automatisch entfernt werden. Auch eine Warnanzeige auf einem Bedienterminal ist zusätzlich oder alternativ möglich.
Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von optischen Sensoren 61, 62 an derselben Position in Förderrichtung vorgesehen, die in Querrichtung einen Abstand D voneinander aufweisen, siehe 5. Mit einer Mehrzahl von optischen Sensoren 61, 62 an derselben Position in Förderrichtung kann in der Steuer- und Auswerteeinheit 41 die Winkelorientierung und somit eine unerwünschte Verdrehung der flächigen Elemente 94 um eine zu der Förderebene senkrechte, in der Regel vertikale Achse ermittelt werden. Dies wird im Folgenden anhand von 7 erläutert.
In diesem Beispiel detektiert der optische Sensor 61 die Vorderkante 70 des flächigen Elements 94 zuerst und der optische Sensor 62 detektiert die Vorderkante 70 des flächigen Elements 94 danach mit einem zeitlichen Verzug Δt. Aus der bekannten Fördergeschwindigkeit v bzw. dem Maschinentakt ergibt sich daraus der Versatz a in Förderrichtung zu a=v·Δt. Der Winkelversatz φ ergibt sich aufgrund einer trigonometrischen Auswertung des Verhältnisses von a zu D: tan(φ) = a/D. Durch Arcustangens-Bildung wird der Winkelversatz φ wie folgt erhalten: φ = arctan(a/D).
Wenn der Winkelversatz cp, der idealerweise Null ist, eine bestimmte Schwelle überschreitet, können automatisch geeignete Maßnahmen ausgelöst werden. Beispielsweise kann eine nicht gezeigte Ausrichtungskorrekturvorrichtung angesteuert werden, um das fehlorientierte flächige Element 94 wieder in die gewünschte Ausrichtung mit cp=0 zu bringen. In einer anderen Ausführungsform kann ein fehlorientiertes erstes flächiges Element 94 aus dem Produktstrom automatisch entfernt werden. Auch eine Warnanzeige auf einem Bedienterminal ist zusätzlich oder alternativ möglich.
Zur Erfassung einer Querkante 72, 73 eines zweiten flächigen Elements 92, hier der Anode, ist mindestens ein optischer Sensor 63, 64 in einem Bereich in Förderrichtung hinter der zweiten Ablageposition 35 angeordnet. Vorzugsweise ist der mindestens eine optische Sensor 63, 64 in Förderrichtung vor einer Auflegeposition 37 der weiteren Separatorbahn 81 auf die Fördervorrichtung 14 angeordnet, damit die Messung nicht durch die weitere Separatorbahn 81 beeinflusst wird.
Mittels des mindestens einen optischen Sensors 63, 64 kann die Position einer Querkante 72, 73 der zweiten flächigen Elemente 92, und somit deren Position in Förderrichtung relativ zum Maschinentakt, in der Auswerte- und Steuereinheit 41 ermittelt werden. Wenn die Abweichung der gemessenen Position des zweiten flächigen Elements 92 relativ zum Maschinentakt von einer Sollposition größer ist als tolerierbar, können geeignete Maßnahmen automatisch ergriffen werden. Beispielsweise kann die zweite Elektrodenherstellvorrichtung 18 oder die entsprechende Übergabevorrichtung 27 so angesteuert werden, dass die zweiten flächigen Elemente 92 wieder phasengerecht auf die Fördervorrichtung 14 abgelegt werden und die Position der zweiten flächigen Elemente 92 relativ zum Maschinentakt wieder mit der Sollposition übereinstimmt. In einer anderen Ausführungsform kann ein fehlpositioniertes zweites flächiges Element 92 aus dem Produktstrom automatisch entfernt werden. Auch eine Warnanzeige auf einem Bedienterminal ist zusätzlich oder alternativ möglich.
Die unter Bezugnahme auf 7 beschriebene Bestimmung des Winkelversatzes φ der ersten flächigen Elemente 94 in der Auswerte- und Steuereinheit 41 ist auf die Bestimmung eines Winkelversatzes φ der zweiten flächigen Elemente 92 direkt übertragbar. Zu diesem Zweck sind vorteilhaft eine Mehrzahl von optischen Kontrastsensoren 63, 64 an derselben Position in Förderrichtung vorgesehen, die in Querrichtung einen Abstand D' voneinander aufweisen, wobei D'=D oder D'≠D sein kann.
Der Abstand D, D' der Kontrastsensoren 61, 62 bzw. 63, 64 voneinander ist zweckmäßigerweise kleiner als die entsprechende Breite B, B' der flächigen Elemente 92, 94 in Querrichtung, um die Erfassung der Querkanten 70-73 zu ermöglichen. Der Abstand D, D' ist vorzugsweise mindestens halb so groß wie die entsprechende Breite B, B', wodurch die Messgenauigkeit bei der Bestimmung des Winkelversatzes φ erhöht werden kann.
Die Messvorrichtung 60 umfasst vorteilhaft weitere optische Sensoren 65, 66 zur Bestimmung der Position der Kontaktlaschen 95, 96 der flächigen Elemente 92, 94 in der Förderrichtung. Die optischen Sensoren 65, 66 sind zur Erfassung eines optischen Übergangs, nämlich eines Hell-Dunkel-Übergangs und/oder eines Farbübergangs, der durch die Förderung der Kontaktlasche 95, 96 eines flächigen Elements 92, 94 erzeugt wird, angeordnet und eingerichtet. Insbesondere ist ein optischer Sensor 95 zur Bestimmung der Position der Kontaktlaschen 96 der ersten flächigen Elemente 94 an der entsprechenden Seite der Fördervorrichtung 14 und ein optischer Sensor 96 zur Bestimmung der Position der Kontaktlaschen 95 der zweiten flächigen Elemente 92 an der gegenüberliegenden Seite der Fördervorrichtung 14 vorgesehen. Die optischen Sensoren 65, 66 sind vorteilhaft an derselben Position in Förderrichtung und in Querrichtung mit einem Abstand D" voneinander angeordnet. Der Abstand D'' der optischen Sensoren 65, 66 voneinander ist vorteilhaft größer als die Breite B, B' der flächigen Elemente 92, 94 und weiter vorteilhaft breiter als die Breite der Separatorbahnen 81, 83.
Die optischen Sensoren 65, 66 sind vorzugsweise in einem Bereich in Förderrichtung hinter der zweiten Ablageposition 35 angeordnet, wo die ersten und zweiten flächigen Elemente 92, 94 übereinander positioniert sind. Die optischen Sensoren 65, 66 ermöglichen daher eine genaue Bestimmung der Position, und somit eines unerwünschten Versatzes, der flächigen Elemente 92, 94 relativ zueinander in Förderrichtung. Wenn die Abweichung der gemessenen Relativposition bzw. des Versatzes eine bestimmte Schwelle überschreitet, können geeignete Maßnahmen automatisch ergriffen werden. Beispielsweise kann die erste Elektrodenherstellvorrichtung 19 und/oder die zweite Elektrodenherstellvorrichtung 18, bzw. die entsprechenden Übergabevorrichtungen 27, so angesteuert werden, dass die Position der flächigen Elemente 92, 94 zueinander keinen unerwünschten Versatz in Förderrichtung mehr aufweist.
Die Messvorrichtung 60 weist vorzugsweise Abstandssensoren 74, 75 auf, die seitlich zu der Materialformation 97 angeordnet, um die seitliche Distanz, und dadurch den Querversatz, der ersten flächigen Elemente 94 und/oder der zweiten flächigen Elemente 92 zu messen. Die Abstandssensoren 74, 75 können beispielsweise Reflexionssensoren mit Lichtzeilen sein, die mittels Lichtmengenmessung ermitteln können, wie weit die flächigen Elemente 92, 94 quer zur Förderrichtung F versetzt sind. Alternativ können punkt- oder linienförmig messende Laserscanner eingesetzt werden, die mit Triangulation oder Laufzeitmessung (Lidar) arbeiten. Je nach Ausführungsform kann es ausreichen, nur an einer Seite des Fördermittels 16 einen solchen Abstandssensor 74 oder 75 vorzusehen.
In der Ausführungsform gemäß 5 weist die Messvorrichtung 60 weitere optionale optische Sensoren auf. Vorzugsweise sind weitere optische Sensoren 67, 68 zur Bestimmung der Position der Kontaktlaschen 95, 96 der Elektroden 92, 94 in der Förderrichtung vorgesehen. Dabei ist ein optischer Sensor 67 den optischen Sensoren 61, 62 zur Messung an den ersten flächigen Elementen 94 und ein optischer Sensor 68 den optischen Sensoren 63, 64 zur Messung an den zweiten flächigen Elementen 92 zugeordnet. Der Abstand des optischen Sensors 67 zu den Sensoren 61, 62 in Förderrichtung ist vorteilhaft kleiner als die Erstreckung eines ersten flächigen Elements 94 in Förderrichtung und kann etwa dem Abstand der Querkante 70 zu der Vorderkante der Kontaktlasche 96 entsprechen. Die zeitliche Differenz zeigt den Versatz Kontaktlasche 96 zu der Kante 70 der ersten flächigen Elemente 94 auf. Gleiches gilt für die optischen Sensoren 63, 64, 68.
Die weiteren optischen Sensoren 67, 68 ermöglichen eine Bestimmung der Position der jeweiligen Kontaktlasche 95, 96 relativ zu einer Querkante 70-73 des entsprechenden flächigen Elements 92, 94. Diese Information ist nützlich, weil die Position der Kontaktlaschen 95, 96 relativ zum Grundkörper der entsprechenden Elektrode 92, 94 variieren kann. Beispielsweise können die Messsignale der Sensoren 65, 66 mit dieser Information kompensiert werden, damit die Sensoren 65, 66 nicht fälschlich einen Versatz der Elektroden 92, 94 anzeigen, der tatsächlich auf einem Versatz einer Kontaktlasche 95, 96 relativ zum Grundkörper der entsprechenden Elektrode 92, 94 beruht.
Die Messvorrichtung 60 weist in der Ausführungsform gemäß 5 vorzugsweise weitere Abstandssensoren 76-79 auf, die seitlich zu dem Fördermittel 16 angeordnet sind, um die seitliche Distanz, und dadurch den Querversatz, der ersten flächigen Elemente 94 und unabhängig davon der zweiten flächigen Elemente 92 zu messen.
Die Abstandssensoren 76, 77 sind vorzugsweise den optischen Sensoren 61, 62 so zugeordnet, dass eine gleichzeitige Messung an demselben ersten flächigen Element 94 stattfinden kann. Je nach Ausführungsform kann es ausreichen, nur an einer Seite des Fördermittels 16 einen solchen Abstandssensor 76 oder 77 vorzusehen. Die Abstandssensoren 78, 79 sind vorzugsweise den optischen Sensoren 63, 64 so zugeordnet, dass eine gleichzeitige Messung an demselben zweiten flächigen Element 92 stattfinden kann. Je nach Ausführungsform kann es ausreichen, nur an einer Seite des Fördermittels 16 einen solchen Abstandssensor 78 oder 79 vorzusehen. Die Abstandssensoren 76-79 können wiederum beispielsweise optische Reflexionssensoren oder punkt- oder linienförmig messende Laserscanner sein.
Des Weiteren können Abstandssensoren 85, 86 vorgesehen sein, wobei ein Abstandssensoren 85 seitlich zu der Separatorbahn 83 und ein Abstandssensoren 86 seitlich zu der Separatorbahn 81 angeordnet ist, um die seitliche Distanz, und dadurch den Querversatz, der Separatorbahnen 81, 83 zu messen. Die Abstandssensoren 85, 86 können wiederum beispielsweise optische Reflexionssensoren oder punkt- oder linienförmig messende Laserscanner sein. Die gemessene seitliche Lage der Separatorbahnen 81, 83 kann als Eingangssignal für eine Bahnkantenregelung der Separatorbahnen 81, 83 dienen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 0072398 A1 [0002]
US 6585846 B1 [0002]
WO 2016041713 A1 [0002]
DE 102017216138 A1 [0002]
DE 102017216213 A1 [0002]
WO 2019092585 A2 [0002]
WO 2020192845 A1 [0002]

Claims

Messvorrichtung (60) der Energiezellen produzierenden Industrie zur Vermessung der Position und/oder Ausrichtung von in einer Förderrichtung geförderten flächigen Elementen (92, 94), dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (60) mindestens einen optischen Sensor (61-64) aufweist, der mit Blickrichtung auf eine Förderebene angeordnet und zur Erfassung eines von einer Querkante (70-73) eines an dem optischen Sensor (61-64) vorbei geförderten flächigen Elements (92, 94) erzeugten optischen Übergangs eingerichtet ist.
Messvorrichtung (60) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (60) mindestens einen optischen Sensor (61, 62) aufweist, der an einer ersten Position in Förderrichtung zur Erfassung einer Querkante (70, 71) von ersten flächigen Elementen (94) eingerichtet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen optischen Sensor (61, 62) ein weiterer optischer Sensor (67) zur Erfassung eines von einer Kontaktlasche (96) der ersten flächigen Elemente (94) erzeugten optischen Übergangs zugeordnet ist.
Messvorrichtung (60) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen optischen Sensor (61, 62) mindestens ein Abstandssensor (76, 77) zugeordnet ist, der angeordnet und eingerichtet ist, die seitliche Distanz und dadurch den Querversatz der ersten flächigen Elemente (94) zu messen.
Messvorrichtung (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (60) mindestens einen optischen Sensor (63, 64) aufweist, der an einer zweiten Position in Förderrichtung zur Erfassung einer Querkante (72, 73) von zweiten flächigen Elementen (92) eingerichtet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen optischen Sensor (63, 64) ein weiterer optischer Sensor (68) zur Erfassung eines von einer Kontaktlasche (95) der zweiten flächigen Elemente (92) erzeugten optischen Übergangs zugeordnet ist.
Messvorrichtung (60) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen optischen Sensor (63, 64) mindestens ein Abstandssensor (78, 79) zugeordnet ist, der angeordnet und eingerichtet ist, die seitliche Distanz und dadurch den Querversatz der zweiten flächigen Elemente (92) zu messen.
Messvorrichtung (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (60) eine Mehrzahl von quer zu der Förderrichtung angeordneten und voneinander beabstandeten optischen Sensoren (61, 62; 63, 64) aufweist.
Messvorrichtung (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (60) entgegengesetzte optische Sensoren (65, 66) aufweist, die zur gleichzeitigen Erfassung von gegenüberliegenden Kontaktlaschen (94, 96) flächiger Elemente (92, 94) erzeugten optischen Übergängen eingerichtet ist.
Messvorrichtung (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sensoren (61-68) Kontrastsensoren und/oder Kontrasttaster sind.
Messvorrichtung (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer- und/oder Auswerteeinheit (41) vorgesehen ist, die zur Ermittlung von Position und/oder Winkelorientierung der flächigen Elemente (92, 94) aus den Messsignalen der optischen Sensoren (61-68) eingerichtet ist.
Messvorrichtung (60) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Auswerteeinheit (41) zur Regelung der phasengerechten Zuförderung der flächigen Elemente (92, 94) auf der Grundlage der Messsignale von den optischen Sensoren (61-68) eingerichtet ist.
Messvorrichtung (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (60) mindestens einen Abstandssensor (74, 75) aufweist, der zur gleichzeitigen Erfassung der seitlichen Distanz und dadurch des Querversatzes übereinander gelegter flächiger Elemente (92, 94) angeordnet und eingerichtet ist.
Messvorrichtung (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (60) mindestens einen Abstandssensor (85, 86) aufweist, der zur Erfassung der seitlichen Distanz und dadurch des Querversatzes einer Separatorbahn (81, 83) eingerichtet ist.
Messvorrichtung (60) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer- und Auswerteeinheit (41) zur Durchführung einer Bahnkantenregelung für die Separatorbahn (81, 83) auf der Grundlage des Messsignals des mindestens einen Abstandssensors (85, 86) eingerichtet ist.
Maschine zur Herstellung von Energiezellen, umfassend eine Fördervorrichtung (14) zum Fördern der flächigen Elemente (92, 94) in der Förderrichtung, eine Messvorrichtung (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, und eine Steuer- und/ oder Auswerteeinheit (41), die zur Ermittlung von Position und/oder Winkelorientierung der flächigen Elemente (92, 94) aus den Messsignalen der optischen Sensoren (61-68) eingerichtet ist.