Automatische Zellmontage durch einen Roboter. Forschungsprojekt T1.

Automatisierte Zellmontage durch einen Cobot - Eine Kooperation der HHN und ANSMANN AG

|12.10.2021
Automatische Zellmontage durch einen Roboter. Forschungsprojekt T1.

Automatisierte Zellmontage durch einen Cobot - Eine Kooperation der HHN und ANSMANN AG

Dieses Forschungsprojekt ist in einer Kooperation zwischen der Firma ANSMANN AG und der Hochschule Heilbronn durchgeführt worden. Im Rahmen der Zusammenarbeit wurde ein Konzept zur autonomen Montage von Lithium-Ionen-Akkupacks mit Hilfe eines kollaborativen Roboters (eng. collaborative robot, kurz Cobot) entwickelt. Die Akkupacks variieren in Größe und Form und werden von der ANSMANN AG im Umfang von Kleinserien produziert.

Trotz dieser großen Produktvielfalt ist der Bestückungsprozess einer einzelnen Lithium-Ionen-Zellen meist derselbe. Bisher wurde diese monotone Arbeit manuell von den Mitarbeiter*innen der ANSMANN AG ausgeführt. Sie erfordert dennoch eine hohe Konzentration, da es sich bei Lithium-Ionen-Zellen um empfindliches Gefahrgut handelt: Würde auch nur ein Akkupack fehlerhaft bestückt und anschließend verschweißt werden, würden kurzgeschlossene Zellen ausgasen oder fingen gar Feuer. Eine eigens entwickelte, intelligente Automationsanlage soll dieses Dilemma lösen. Ihr Kernstück besteht aus einem Cobot der Firma Universal Robots. Mithilfe eines Standardgreifers entnimmt er eine Batteriezelle mit entweder nach oben zeigendem Plus- oder Minuspol aus dem Magazin – je nach Vorgabe durch den definierten Bestückungsplan. Daraufhin verfährt er zum Montagebereich, dem leere Akkupacks zuführt werden. Diese weisen entsprechende Löcher auf, in welche die zylindrischen Zellen eingesetzt werden können.

Eine solche Bestückungsaufgabe wird als „Peg-in-Hole Problem“ bezeichnet: Ein Stift muss in ein Loch geführt werden, das nur geringfügig größer ist. In dem Anwendungsfall der Zellmontage stellen die Lithium-Ionen-Zellen dementsprechend die Stifte und die einzelnen Löcher im Akkupack die Löcher dar. Für uns Menschen ist dies im wahrsten Sinne des Wortes ein Kinderspiel: Bereits in jungen Jahren und selbst mit verschlossenen Augen können Kinder Holzformen eines Puzzlespiels in ihre jeweiligen Löcher einfügen. Der Tastsinn unserer Finger und die Nachgiebigkeit unserer Bewegungen machen das möglich. Letztere bedeutet, dass Bewegungen nicht strikt so ausgeführt werden müssen, wie es zuvor geplant worden war. Stattdessen können sie z.B. beim Auftreten von Kollisionen durch Hindernisse den unbedachten Umständen angepasst werden. Dadurch wird die Intensität der Kollisionen beträchtlich reduziert.

Die Mehrheit der gewöhnlichen Industrieroboter verfügen weder über einen Tastsinn noch können sie Bewegungen nachgiebig ausführen. Ihre universelle Einsatzfähigkeit erreichen sie durch hohe Verfahrgeschwindigkeiten und -genauigkeiten, die denen des Menschen bei weitem übertreffen. Für die Montage von Lithium-Ionen-Zellen sind sie jedoch nur bedingt geeignet, da das obige Gefahrpotential auch für die mechanische Beschädigung der Zellen gilt. Könnte der Roboter unvorhergesehenen Hindernissen nicht ausweichen und Bewegungen nur unnachgiebig ausführen, so würden Kollisionen zwischen Zelle und Akkupack zu Deformationen und damit zu einem Brandrisiko führen.

Aus diesem Grund wurde für diesen Anwendungsfall ein Cobot ausgewählt. Er verfügt in jedem seiner Gelenke um integrierte Kraft-Momenten-Sensoren, die seiner Hand bzw. seinem Endeffektor einen Tastsinn verleihen. Dadurch wird ein gefühlvolles Montieren der Zellen in die entsprechenden Löcher des Akkupacks ermöglicht. Darüber hinaus befähigt der eigens dafür entwickelte Montage-Algorithmus den Roboter zu nachgiebigen Bewegungen: Er kann so den Kräften ausweichen, die bei Kollisionen mit hervorstehenden Teilen des Akkupacks oder den Lochrändern selbst entstehen und daher auch bei größeren Positionstoleranzen das Loch finden und die Zelle darin einfügen. Dabei bedient er sich einer dem Menschen nachempfundenen Bewegungsstrategie: die gegriffene Zelle wird nicht senkrecht montiert, sondern zuerst verkippt. Dies vereinfacht die Lochsuche um ein Vielfaches. Nachdem die verkippte Zelle in das gefundene Loch zentriert wird, kann sie anschließend wieder in die vertikale Orientierung zurückgekippt werden. Zu guter Letzt wird sie senkrecht in das Loch eingepresst.

Sowohl die Anlage als auch der Algorithmus sind so konzeptioniert, dass nicht nur Akkupacks eines Typen bestückt werden können, sondern eine Vielzahl unterschiedlicher Modelle. Das entwickelte Verfahren weist eine Erfolgsrate von mehr als 99,5% auf - bezogen auf die Montage von über 13.000 Zellen während eines mehrmonatigen Tests durch die Mitarbeiter der ANSMANN AG. Die Zusammenarbeit zwischen der Hochschule Heilbronn und der ANSMANN AG wird in Form von weiteren Forschungen intensiviert, die eine Effizienzsteigerung der Anlage anstreben: So laufen momentan Entwicklungen über einen neuartigen Robotergreifer, dem die Lithium-Ionen Zellen mittels eines Pneumatikschlauchs direkt zugeführt werden können. Dadurch erübrigen sich die Verfahrwege zwischen dem Zell-Magazin und dem Montagebereich. Darüber hinaus soll die Zykluszeit der eigentlichen Zellmontage durch Reinforcement Learning reduziert werden.

Die Hochschule Heilbronn bedankt sich für die gute Kooperation mit der ANSMANN AG sowie für die Förderung durch das Land Baden-Württemberg.

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