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Kinematische Modellierung eines

kontinuierlichen z-Faltprozesses für

die Batterieproduktion

vorgelegt von

M.Sc.

Arne Glodde

ORCID: 0000-0001-8626-8056

an der Fakultät V – Verkehrs- und Maschinensysteme –

der Technischen Universität Berlin

zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor der Ingenieurwissenschaften

– Dr.-Ing. –

genehmigte Dissertation

Promotionsausschuss:

Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Dirk Oberschmidt

Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Franz Dietrich

Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Günther Seliger

Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Klaus Dröder

Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 13. August 2019

Berlin 2020

Danksagung

Die hier vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbei-

ter und Oberingenieur am Fachgebiet Montagetechnik und Fabrikbetrieb, später Fachgebiet

Handhabungs- und Montagetechnik am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb

(IWF) der Technischen Universität Berlin.

Besonderer Dank gilt meinen beiden betreuenden Professoren, Prof. Dr.-Ing. Franz Dietrich

und Prof. em. Dr.-Ing. Günther Seliger. Franz, ich danke dir für die konstruktive Kritik und

die intensiven Diskussionen, die stets zur Weiterentwicklung beigetragen haben. Prof. Seliger,

Ihnen danke ich für die langjährige Betreuung von meinen ersten Schritten noch als Student

bei Ihnen am Fachgebiet bis hin zur Promotion und das Vertrauen, das Sie in mich gesetzt

haben. Im Weiteren möchte ich Prof. Dr.-Ing. Klaus Dröder für die Übernahme des Gutachtens

danken.

Da eine wissenschaftliche Arbeit nie das Werk einer einzelnen Person ist, möchte ich mich

ebenso bei allen bedanken, die mich auf diesem Weg begleitet haben. Danke an meine Kollegen

und studentischen Mitarbeiter, die mit Rat und Tat zur Seite standen, und so die Umsetzung

des Demonstrators ermöglichten. Lieben Dank auch an dich Sabine, die Gute Seele unseres

Fachgebietes. Du warst immer eine große Unterstützung über die vielen Jahre am Fachgebiet.

Ganz besonders möchte ich mich hier auch bei meiner studentischen Hilfskraft Sören bedanken.

Ich wünsche dir viel Erfolg für dein Promotionsvorhaben. Es war immer eine Freude mit dir

zusammen zu arbeiten.

Im speziellen möchte ich hier meiner Frau Ilona für all Ihre Unterstützung danken. Ohne dich

wäre dies hier nicht möglich gewesen. Du hast mich in allen Bereichen unterstützt und hast

mir in unzähligen Situationen den Rücken frei gehalten. Ohne dich wäre dieser Abschluss nicht

so geglückt. Gemeinsam mit unserer Tochter Laura habt ihr mir die Energie gegeben, dieses

Werk zu vollenden. Ein besonderer Dank gilt auch meinen Eltern Ingrid und Rüdiger, die mich

auf meinem Werdegang von Anfang an begleitet haben und mich stets in allen Lebenslagen

unterstützten. Zum Schluss möchte ich meinen Freunden danken, die in der Zeit der Promotion

mir auch immer wieder einen neuen Blick auf die Problemstellungen ermöglicht haben.

Zusammenfassung

Der immer weiter steigende Bedarf an Batteriezellen wird sich zukünftig kaum durch die

konventionellen Verfahren decken lassen. Selbst innovative Verfahren im Forschungsstadium

können die erforderliche Anlagengeschwindigkeit von einer Sekunde pro Falte nicht erreichen.

Diese Lücke aufgreifend wurde ein kontinuierliches Verfahren entwickelt, welches großformatige

z-gefaltete Elektroden-Separator-Verbünde mit einer Geschwindigkeit von 0,7 Sekunden pro

Falte stabil, und sogar bis rund 0,35 Sekunden pro Falte falten kann.

Die Betrachtung eines Patents zum z-Falten eines Bahnmaterials und die Analyse eines Gestal-

tungsentwurfs für eine Gesamtanlage bilden den Ausgangspunkt für die Konzeptentwicklung

dieses Verfahrens. Es werden Anforderungen an das kontinuierliche Verfahren abgeleitet und

ein kinematisches Modell erstellt. Dieses Modell erlaubt es, die Bewegungen aller Elemente in

dem System abhängig des Vorschubs des Separators zu beschreiben. Das darauf aufbauende

Fehlermodell ermöglicht es, die Empfindlichkeit des Modells zu berechnen und erwartete Fehler

abzuleiten. Sowohl die Eignung des umlaufenden Transportsystems als auch weitere Anforderun-

gen werden aus experimentellen Untersuchungen abgeleitet. Die Schwingungsanalyse, Messung

der Positionier- und Bahngenauigkeit geben ein Gefühl dafür, welche Geschwindigkeiten mit

welchen Abweichungen zu erwarten sind.

Aus dem analysierten Gestaltungsentwurf und den Versuchen werden weitere Baugruppen

entwickelt, um die Faltung zu realisieren. Ein pendelndes Rollenpaar übergibt den Separator in

die Faltung, sodass ein Hintergreifen durch den Greifer überhaupt ermöglicht wird. Ebenso wird

ein Gestaltungsentwurf für einen zwangsaktuierten Greifer für das umlaufende Transportsystem

vorgestellt. Die Entwicklung schließt die Aufhängung des Transportsystems ab.

Die prototypische Umsetzung der Bewegungsführung dieses kontinuierlichen Verfahrens wird

anhand von Versuchen validiert. Diese Betrachtung erfolgt mit einem Greiferprototypen für

unterschiedliche Verfahrensgeschwindigkeiten von bis zu 1000

, welches rund 0,35 Sekunden

pro Falte entspricht.

Im Ergebnis der Arbeit steht ein kinematisches Modell für die kontinuierliche z-Faltung in der

Batterieproduktion. Dieses Modell bildet die Basis für die implementierte Bahnplanung in der

SPS des Demonstrators des Projektes KontiBat. Im Weiteren bildet die Untersuchung der

Fehlereinflüsse in Kombination mit einer Fehlermodellbildung eine Abschätzung der erreichbaren

Prozessgenauigkeit des betrachteten Verfahrens.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis III

Tabellenverzeichnis V

Symbolverzeichnis VI

1 Bedarf kontinuierlicher Verfahren in der Zellverbundherstellung 1

2 Die Relevanz der kontinuierlichen Batteriezellverbundherstellung 4

2.1 Begriffe und Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2 Herstellungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.3 Industrielle Verfahren zur Herstellung großformatiger Zellen . . . . . . . 8

2.4 Forschung in der Produktionstechnik für großformatige Zellen . . . . . . 12

2.5 Verfahrensgegenüberstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.6 Vorarbeiten zur kontinuierlichen z-Faltung . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.7 Bedarf an kontinuierlichen Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung 24

3.1 Anforderungen und Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.1.1 Bestimmung der kinematikrelevanten Separatorkennwerte . . . . 29

3.2 Kinematische Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.2.1 Modellentwicklung für die Faltstrecke . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.2.2 Modellentwicklung für die Zuführung . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.2.3 Simulation des kinematischen Modells . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.3 Fehlermodell................................ 61

3.3.1 Fehlereinflüsse ........................... 62

3.3.2 Empfindlichkeitsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.3.3 Vorhersage der Elektrodenposition im Stapel . . . . . . . . . . . 65

3.4 Bewertung des Transportsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.4.1 Allgemeiner Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3.4.2 Schwingungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.4.3 Positioniergenauigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3.4.4 Genauigkeit des internen Messsystems . . . . . . . . . . . . . . . 78

3.5 Entwicklung von Teilfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.5.1 Anpassung des Gestaltungskonzeptes . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.5.2 Pendler............................... 84

3.5.3 Greifer ............................... 85

II Inhaltsverzeichnis

3.5.4 Aufhängung der Transportsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3.6 Implementierung des kinematischen Modells in der Steuerung . . . . . . 90

4 Validierung 94

4.1 Experimentelle Betriebsmittelerprobung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.2 Experimentelle Systemerprobung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

4.3 Erfassung der Laufwagenpositionsdifferenz . . . . . . . . . . . . . . . . 98

5 Zusammenfassung, Bewertung und Ausblick 102

5.1 Zusammenfassung ............................. 102

5.2 Ergebnisse und ihre Bedeutung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

5.3 Ausblick .................................. 104

Literaturverzeichnis X

Anhang XVIII

A Exkurs Einfluss der Führungsschiene XIX

B Zusätzliche Abbildungen XX

C Konzeption und Implementierung der Steuerung sowie Bahnplanung XXII

III

Abbildungsverzeichnis

2.1 Verbundbauweisen einer Lithium-Ionen Batteriezelle nach [Bac-17] . . . . 6

2.2

Verfahrensweise zum Aufbau eines z-gefalteten Elektrode-Separator-Verbundes

in Anlehnung an Mooy nach Hong und Manz . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3

Produktivität in Amperestunden pro Zeiteinheit von Maschinen und Anlagen

der z-faltenden Elektrode-Separator-Verbundherstellung nach [Moo-19] . 10

2.4 Zeitlicher Ablauf des konventionellen z-Faltens nach [Ayd-17] . . . . . . 11

2.5 Vergleich von Verfahren zur Zellverbundherstellung nach [Moo-19] . . . 13

2.6 Funktionsprinzip in der Patentschrift von Glodde et al. . . . . . . . . . . 17

2.7

Gestaltungsentwurf der Baugruppe Faltung zum Lösungskonzept nach Bach

2.8

Gestaltungsentwurf der Greifer der Baugruppe Faltung zum Lösungskonzept

nach Bach [Bac-17]............................ 20

2.9 Schematische Darstellung des Elektrode-Separator-Verbunds . . . . . . . 20

2.10 Anlagenarchitektur des Projektes KontiBat . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.1 Darstellung der Anpassungen am Gestaltungsentwurfs . . . . . . . . . . 25

3.2 Spannungs-Dehnungs-Diagramm verschiedener Separatoren . . . . . . . 30

3.3 Skizze der kinematisch relevanten Größen im Faltsystem . . . . . . . . . 34

3.4 Bereichseinteilung für die kinematische Modellbildung . . . . . . . . . . 37

3.5 KinematikBereichI ............................ 39

3.6 KinematikBereichII............................ 41

3.7 Geometrische Bestimmung des Endpunkts des Übergangsbogens . . . . . 44

3.8 KinematikBereichIII ........................... 46

3.9 KinematikBereichIV ........................... 48

3.10 Bahnverlauf in der Zuführstrecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.11 Kinematische Konfiguration an der Bereichsgrenze . . . . . . . . . . . . 52

3.12 Kinematische Konfiguration nach der Bereichsgrenze ℓunten ........ 57

3.13 Berechneter Bahnverlauf der TCP in Weltkoordinaten . . . . . . . . . . 60

3.14 Fehlereinflluss von qL,PosDiff auf den Eingriffzeitpunkt . . . . . . . . . . . 63

3.15 Hauptfehlereinflüsse zum Eingriffszeitpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.16 Berechnete Elektrodenposition im Stapel . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.17 Foto des Versuchsaufbaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.18 Versuchsaufbau zur Analyse des Schwingungsverhaltens . . . . . . . . . 71

3.19 Einfluss des KP-Faktors bei einer Nutzlast von 500g ........... 71

3.20 Einfluss des KP-Faktors bei einer Nutzlast von 350g ........... 72

3.21

Maximale Verfahrgeschwindigkeit

vLaufwagen

in Abhängigkeit von

sowie

mNutzlast .................................. 73

IV Abbildungsverzeichnis

3.22

Maximale Positionsdifferenz in Abhängigkeit von Geschwindigkeit und Nutz-

last..................................... 73

3.23 Maximales Überschwingen nach Erreichen der Eingriffsstrecke . . . . . . 74

3.24 Versuchsaufbau zur Messung der Bahngenauigkeit . . . . . . . . . . . . 75

3.25 Zeitlicher Ist-Positionsverlauf beim Anfahren einer definierten Zielposition 76

3.26 Überschwingen während Anfahrt der Ablageposition . . . . . . . . . . . 77

3.27 Maximale Positionsabweichung der Messwerte vom Soll-Wert . . . . . . 77

3.28 Einfluss von KPauf die Ist-Laufwagenposition im Ablagepunkt . . . . . . 78

3.29 Versuchsaufbau zur Messung der Bahngenauigkeit . . . . . . . . . . . . 79

3.30

Differenz des externen zum internem Messsystem bei einer Nutzlast von 350g

3.31

Abweichungen zwischen dem Lasertriangulationssensor und dem internem Mess-

system bei unterschiedlichen Nutzlasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.32

CAD-Darstellung des konzipierten Pendlers eingebaut in der Faltungsbaugruppe,

links Draufsicht, rechts Isometrisch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.33 Gestaltungsentwurf nach [Ayd-18] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

3.34

Transportsystemaufhängung im CAD, links Detailansicht, rechts Draufsicht

3.35

Stand der Faltungsbaugruppe im Aufbau als Teil des Demonstrators des Kon-

tiBatProjektes............................... 89

3.36 Antriebsbewegungen des nachlaufenden Wagens . . . . . . . . . . . . . 90

3.37

Abweichungen der Berechnungen von MatLab und der SPS im Bereich

IV 90

3.38

Kompensierte Abweichungen zwischen den Berechnungen von MatLab und der

SPS im Bereich IV ............................ 92

3.39

Faltenlänge unter Verwendung der SPS berechneten Sollpositionen der TCP

unter Verwendung der Übertragungsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.1 Positionsdifferenz der Laufwagen bei 1000mm

/s.............. 95

4.2 Positionsabweichung des Laufwagens entlang der Faltstrecke . . . . . . . 96

4.3 Faltenlänge berechnet aus Ist-Positionsdaten bei 500mm

/s......... 97

4.4 Änderung der Materialspannung während des Faltvorgangs bei 500 mm

/s. 98

4.5

Ergebnisse des Fehlermodells unter Verwendung der ermittelten Abweichungen

von qT,PosDiff ................................ 100

4.6 Faltenlänge aus Ist-Positionsdaten während des Faltvorgangs . . . . . . . 101

A-1

Einfluss der Führungsschiene auf die Positionsdifferenz

xP osDiff

der Laufwagen

aufGeradenmodulen............................ XIX

B-1 Darstellung des Gestaltungsentwurfs zum Lösungskonzept nach [Bac-17] XXI

C-1 Sensorkonfiguration im Bereich der Elektrodenzuführung [Glo-18] . . . . XXIII

C-2 Grundlegende Architektur der Anlagensteuerung [Glo-18] . . . . . . . . . XXIV

Tabellenverzeichnis

2.1

Vergleich der neuartigen Verfahren zur Produktion von großformatigen Zel-

len ..................................... 15

3.1 Eigenschaften der im Zugversuch untersuchten Separatoren . . . . . . . 29

3.2 Berechnetes E-Modul aus den Ergebnissen der Zugversuche . . . . . . . 31

3.3

Zusammenfassende Auflistung der Laufwagenpositionen in den jeweiligen Be-

reichen................................... 38

3.4 Übersicht üblicher Ursachen systematischer und stochastischer Fehler . . 61

3.5 Fehlereinfluss der Parameter auf die Faltenlänge . . . . . . . . . . . . . 64

3.6 Herstellerangaben zum Liniensensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3.7 Herstellerangaben zum Lasertriangulationssensor . . . . . . . . . . . . . 79

3.8

Mittelwerte und Standardabweichung der Differenz zwischen internem und ex-

ternenMesssystem............................. 81

3.9 Beispieltabelle zur Konzeptbewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.10 Gegenüberstellung der Antriebe zur Verschiebung der Führungsrollen . . 84

3.11 Vergleich der Lösungskonzepte zum Greifer . . . . . . . . . . . . . . . . 86

3.12 Vergleich der Lösungsansätze zur Aufhängung der Transportsysteme . . . 88

4.1

Gegenüberstellung der geschwindigkeitsabhängigen Bahnfehler der Laufwagen

4.2 Gegenüberstellung der Mittelwerte der Fehler und ihrer Streuung . . . . . 99

C.1

Vergleich der neuartigen Verfahren zur Produktion von großformatigen Zel-

len ..................................... XXV

Symbolverzeichnis

Variable Erklärung

□

Vektor

□

Matrix

□

□Angabe der Variablenbezeichnung

□

Angabe des Bezugskoordinatensystems

□

ˆgemessene Variable

□

max Maximalwert einer Variable

0 Ursprung des 0-Koordinatensystems

0x x-Achse des 0-Koordinatensystems

0z z-Achse des 0-Koordinatensystems

αÖffnungswinkel zwischen den beiden Transportsystemen

AQuerschnittsfläche des Separators

aiSubstitution i in einer Gleichung zur übersichlicheren Darstellung

bBreite des Separators

bZBogenlänge der Umschlingung der Zuführrolle durch das Bahnmaterial

bPo

Bogenlänge der Umschlingung der Pendlerrolle oberhalb des

Rollenmittelpunktes

bPu

Bogenlänge der Umschlingung der Pendlerrolle unterhalb des

Rollenmittelpunktes

βPu Winkel zwischen der Strecke PP,MPPu,K und ℓPL

βPo Winkel zwischen der Strecke PP,MPPo,K und ℓZP

βZWinkel zwischen der Strecke PZ,MPZ,K und ℓZP

δPu Mittelpunktswinkel des Bogens bPu

δPo Mittelpunktswinkel des Bogens bPo

δZMittelpunktswinkel des Bogens bZ

hZHöhe der Zuführungsrollen über dem Pendler

hPHöhe des Pendlers über dem Eingriffspunkt

EElastizitätsmodul des Separators

EFEmpfindlichkeit, Änderung des Ausgangs im Verhältnis zur

Eingangsänderung

εDehnung des Separators

ε1Spezifische Dehnung des Separatos von 0,05 %

ε2Spezifische Dehnung des Separatos von 0,25 %

Tabellenverzeichnis VII

Variable Erklärung

ϵKB

Winkel der Gerade durch PP,M und PUB,M gegenüber einer parallelen zur z

Achse des -Koordinatensystems

ϵPu

Winkel zwischen der Strecke PP,MPPu,K und einer parallel der x Achse des

Z-Koordinatensystems

ϵPo

Winkel zwischen der Strecke PP,MPPo,K und einer parallel der x Achse des

Z-Koordinatensystems

ϵZ

Winkel zwischen der Strecke PZ,MPZ,K und einer parallel der x Achse des

Z-Koordinatensystems

FKraft in Newton

γPo Winkel zwischen ℓZP und ℓo

γPu Winkel zwischen ℓPL und ℓu

γZWinkel zwischen ℓZP und ℓo

KpProportionalverstärkungsfaktor des Positionsreglers

ℓ0Ausgangslänge der Separatorprobe

∆ℓLängenänderung der Separatorprobe

ℓFFaltenlänge

ℓFS Faltstrecke

ℓKBUBz Abstands der Mittelpunkte des Kreis- und Übergangsbogen in z-Richtung

ℓoben exakte Gesamtlänge des Separators zwischen Führungsrollen und Pendler

ℓoLänge des Separators zwischen den Kontaktpunkten an den Führungsrollen

und den Pendlerrollen

ℓPL

Strecke zwischen dem Mittelpunkt des Pendlers und dem TCP des letzten

im Eingriff befindlichen Greifers

ℓT,Umlauf Länge der Bahn des Transportsystems für einen vollen Umlauf

ℓunten exakte Gesamtlänge des Separators zwischen Pendler und Eingriffspunkt

ℓuLänge des Separators zwischen dem Kontaktpunkten an den Pendlerrollen

und dem TCP des Greifers

ℓZu Länge des Bahnmaterials in der Zuführung

ℓZP Strecke zwischen den Mittelpunkten von Zuführrollen und Pendler

λVorschubvariable des Separators

˙Bahngeschwindigkeit des Separators bei Einlauf in die Baugruppe

˙PostPendler Bahngeschwindigkeit des Separators nach dem Pendler

λsep Länge des Separators für einen Zellverbund

λFnPosition der Falte n entlang der Laufvariable des Separators

mNutzlast Masse der Nutzlast am Laufwagen

nAnzahl der betrachteten Falten

PAAblagepunkt für die jeweilige Seite

PA,L Ablagepunkt für die linke Seite

PA,R Ablagepunkt für die rechte Seite

PEEingriffspunkt auch Ursprung des 0, L und R Koordinatensysteme

PKB,M Mittelpunkt des Kreisbogens

PLPunkt auf der TCP Bahn eines Laufwagens des linken Transportsystems

PL,F

Fehlerbehaftete Position des TCP eines Laufwagens des linken

Transportsystems

PPMittelpunkt des Pendlers

PP,M Mittelpunkt der aktiven Rolle des Pendlers

PPo

Kontaktpunkt des Bahnmaterials an der aktiven Pendlerrolle oberhalb des

Mittelpunktes

PPo,K Kontaktpunkt des Separators am Pendler oben

VIII Tabellenverzeichnis

Variable Erklärung

PPu

Kontaktpunkt des Bahnmaterials an der aktiven Pendlerrolle unterhalb des

Mittelpunktes

PPu,K Kontaktpunkt des Separators am Pendler unten

PRPunkt auf der TCP Bahn eines Laufwagens des rechten Transportsystems

PUB,A Kontaktpunkt zwischen der Geraden und dem Übergangsbogen

PUB,E Kontaktpunkt zwischen der Übergangsbogen und dem Kreisbogen

PUB,M Mittelpunkt des Übergangsbogens

PZMittelpunkt des Zuführrollenpaares

PZ,K Kontaktpunkt des Bahnmaterials an der aktiven Zuführrolle

φPo

Winkel zwischen einer parallelen zur z-Achse des Z-Koordinatensystems und

ℓZP

φPu

Winkel zwischen einer parallelen zur z-Achse des Z-Koordinatensystems und

ℓPL

φZ

Winkel zwischen einer parallelen zur z-Achse des Z-Koordinatensystems und

ℓZP

qGi

Antriebskoordinate eines Greifers auf einem Transportwagen eines

Transportsystems

qGL

Antriebskoordinate eines Greifers auf einem Transportwagen des linken

Transportsystem

qGR

Antriebskoordinate eines Greifers auf einem Transportwagen des rechten

Transportsystem

qLAntriebskoordinate des linken Transportsystems im Faltungsbereich

qL,0Offset zwischen qLund qTL

qL,I Ende des Bereich I in qLsiehe Abbildung 3.4 S.37

qL,II Ende des Bereich II in qLsiehe Abbildung 3.4 S.37

qL,III Ende des Bereich III in qLsiehe Abbildung 3.4 S.37

qL,IV Ende des Bereich IV in qLsiehe Abbildung 3.4 S.37

Antriebskoordinate des Pendlers entlang der Faltstrecke des rechten

Transportsystems

qP,SS Spitze Spitze Wert der Antriebskoordinate des Pendlers

qRAntriebskoordinate des rechten Transportsystems im Faltungsbereich

qR,0 Start des Bereich I in qRsiehe Abbildung 3.4 S.37

qR,I Ende des Bereich I in qRsiehe Abbildung 3.4 S.37

qR,II Ende des Bereich II in qRsiehe Abbildung 3.4 S.37

qR,III Ende des Bereich III in qRsiehe Abbildung 3.4 S.37

qR,IV Ende des Bereich IV in qRsiehe Abbildung 3.4 S.37

qR,0Offset zwischen qRund qTR

qTAntriebskoordinate des Transportsystems (allgemein)

qT,0

Offset zwischen zwischen internem und verwendetem Nullpunkt des

Transportsystems

qT,PosDiff Positionsabweichung des Laufwagen von der Sollposition

qTL interne Laufvariable des linken Transportsystems

qTR interne Laufvariable des rechten Transportsystems

rZRadius der Zuführsrollen

rPRadius der Pendlerrollen

rRolle Radius der Rollen

Tabellenverzeichnis IX

Variable Erklärung

σMSpannung im Separator durch Dehnung εn

σ1Spezifische Spannung des Separatos bei 0,05 %

σ2Spezifische Spannung des Separatos bei 0,25 %

θMSatz an Materialparametern

tZeit

tADauer der Verfahrbewegung der Anode

tSDauer der Verfahrbewegung des Separators

tKDauer der Verfahrbewegung der Kathode

tPPO Dauer der Herstellung einer Falte über Pick-and-Place Operation

tabt Abtastrate des Sensors

tan Ansprechzeit des Sensors

tEEinschwingdauer zum erreichen des Zielwertes

LTTransformationsmatrix vom L in das 0-Koordinatensystem

0TTransformationsmatrix vom 0 in das L-Koordinatensystem

RTTransformationsmatrix vom R in das 0-Koordinatensystem

0TTransformationsmatrix vom 0 in das R-Koordinatensystem

LTTransformationsmatrix vom L in das R-Koordinatensystem

RTTransformationsmatrix vom R in das L-Koordinatensystem

TPendler Periodendauer einer Pendlerbewegung

u(λ, t)Verschiebung des Separators als Funktion Separator und Zeit

u′(λ, t)Dehnung des Separators als Funktion von Separator und Zeit

vAGeschwindigkeit der Anodenzuführbewegung siehe Abbildung 2.4 S.11

vKGeschwindigkeit der Kathodenzuführbewegung siehe Abbildung 2.4 S.11

vSGeschwindigkeit der Separatorzuführbewegung siehe Abbildung 2.4 S.11

vVDurchschnittsgeschwindigkeit des Prozess siehe Abbildung 2.4 S.11

vLaufwagen Geschwindigkeit des Laufwagens entlang der Führung des Transportsystem

Lxx-Achse des L-Koordinatensystems

Rxx-Achse des R-Koordinatensystems

xKB,M x-Koordinate des Mittelpunktes des Kreisbogens

xLKoordinate in x-Richtung des L-Koordinatensystems

xRKoordinate in x-Richtung des R-Koordinatensystems

xUB,M x-Koordinate des Mittelpunktes des Übergangsbogens

∆xAÄnderung der Ausgangsgröße

∆xEÄnderung der Eingangsgröße

xDifferenz Wegdifferenz zwischen internem und externen Messsystem

xˆextSensor Messwert des externen Sensors

xUS Überschwingamplitude bei Anfahren einer Zielposition

xˆIG

Messwert des Sensors entlang des Koordinatensystems des Transportsystems

Z Ursprung des Z-Koordinatensystems

zKB,M z-Koordinate des Mittelpunktes des Kreisbogens

zLKoordinate in z-Richtung des L-Koordinatensystems

zRKoordinate in z-Richtung des R-Koordinatensystems

zUB,M z-Koordinate des Mittelpunktes des Übergangsbogens

Lzz-Achse des L-Koordinatensystems

Rzz-Achse des R-Koordinatensystems

1 Bedarf kontinuierlicher Verfahren

in der Zellverbundherstellung

Der Bedarf an Energiespeichern für die elektrifizierte Mobilität wird sich in Europa von 3

GWh

in 2015 auf voraussichtlich 30

−

150

GWh

in 2025 erhöhen [

Het-17

]. Bezogen auf die globale

Nachfrage prognostizieren Michaelis et al. einen Bedarf von 500

bis

700

GWh

[

Mic-18

Begründen lässt sich diese Entwicklung durch die immer strengeren Vorgaben zum Flotten-

CO2

Ausstoß seitens der Politik. Von daher ist zu erwarten, dass sich der Bedarf an Energiespeichern

weiter erhöht.

Um den Bedarf an Energiespeichern zu decken, ist ein signifikanter Ausbau der Produktions-

kapazitäten für Lithium-Ionen Batteriezellen notwendig. Einen Engpass bei der Produktion

stellt die Zellverbundherstellung dar [

Mic-18

]. Die Herausforderungen auf diesem Weg de-

klarieren Maiser et al. als so genannte Red Brick Walls, welche sie wiederum auf vier

Kernherausforderungen herunterbrechen: Qualitätssteigerung bei gleichzeitiger Kostensenkung,

Prozessstabilität, Nachhaltigkeit und Erhöhung des Produktionsdurchsatzes [Mai-14].

Sowohl die Qualitätssteigerung als auch die Prozessstabilität zielen auf eine Reduktion des

Produktionsausschusses und somit ebenso auf eine Erhöhung der Produktionskapazitäten bei

gleichzeitiger Verbesserung der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit. Eingefahrene

Fabriken erzeugen heutzutage

≈

10% an Ausschuss [

Bro-13

]. Darum ist das Potenzial dieser

Anstrengungen mit Bezug auf Produktionskapazitäten hier eher als gering einzuschätzen. Die

Nachhaltigkeit betrachtet den

CO2

-Fußabdruck der Zellproduktion und hat somit kaum einen

Einfluss auf die weltweit verfügbaren Produktionskapazitäten. Alleinig das Forschungsgebiet

Erhöhung des Produktionsdurchsatzes bietet aus produktionstechnischer Sicht die Chance, den

Engpass bei der Zellproduktion zu beheben.

Die Verfahren zur Herstellung des Zellverbunds, mit Ausnahme rundgewickelter Zellen, basieren

auf Zu- und Rückstellbewegungen. Für die Handhabungsprozesse kommen in der Anlage In-

dustrieroboter unterschiedlicher Bauarten, Linearmodule sowie Schwenkarme mit z-Achse zum

Einsatz [

Sch-15a

] [

Bac-17

]. Die Bewegungszeit ist insbesondere durch zwei Größen begrenzt:

die Trägheit der beweglichen Komponenten und Belastungsgrenze des Zellverbundmaterials.

Einerseits ist die Trägheit der Bewegungseinrichtungen nicht beliebig reduzierbar. Andererseits

limitiert die Belastungsgrenze des eingesetzten Zellverbundmaterials die maximale Beschleuni-

gung und Verfahrgeschwindigkeit während des Einsatzes der Greifer. Diese beiden Parameter

2 Bedarf kontinuierlicher Verfahren in der Zellverbundherstellung

in Kombination mit den etablierten Verfahrensführungen verhindern die Steigerung der Produk-

tionsgeschwindigkeit mit der vorhandenen Anlagentechnologie zur Deckung des Marktbedarfs.

Aus diesem Grund müssen neuartige Verfahren in der Zellverbundherstellung im Labor sowie im

Pilotlinienmaßstab erforscht werden, um diesen Engpass zu beheben [

Kwa-18

]. Viele Verfahren

in der Entwicklung bieten die Chance den Produktionsdurchsatz zu erhöhen. Bisher ließ sich

jedoch keines dieser Verfahren in einer Pilotlinie einsetzen aufgrund des niedrigen Reifegrades.

Für die Produktivitätssteigerung sind diskontinuierliche Verfahren uninteressant, da sie durch

physikalische Grenzen beschränkt sind und daher in dieser Arbeit nicht weiter betrachtet werden.

Bei den kontinuierlichen Verfahren hingegen ist das Potenzial beim Rundwickeln ausgeschöpft.

Selbst Flachwickeln ist in seinem Verfahren soweit optimiert, dass nur marginale Verbesserungen

zu erwarten sind. Aus diesem Grund werden die bisher bestehenden kontinuierlichen Verfahren

ausgeklammert.

Angesichts des Forschungsdefizits wird in der vorliegenden Arbeit ein neues Verfahren zur

kontinuierlichen Batteriezellproduktion vorgestellt. Vielversprechend ist der Ansatz aus dem

Patent von Glodde et. al. [

Glo-16

]. Für diese Idee, eingebettet in einem Gesamtsystem,

hat Bach in seiner Dissertation einen ersten Gestaltungsentwurf vorgeschlagen. Er prognosti-

ziert eine Verfahrensgeschwindigkeit von 1

, was einer Produktivitätssteigerung gegenüber

dem Stand der Technik auf 460 % entspricht. Da dieses Verfahren bisher weder kinematisch

modelliert noch validiert wurde, setzt sich die vorliegende Arbeit zum Ziel, diese Lücke zu

schließen. Zudem soll die Frage beantwortet werden, um wie viel Prozent sich die Produktivität

gegenüber den bisher eingesetzten Verfahren steigern lässt.

Der Inhalt und Aufbau der Arbeit richtet sich nach dem Vorgehen für die Untersuchung neuer

Verfahren:

•Einordnung in den Stand der Technik und Ableitung der Anforderungen

•Kinematische Modellbildung

•Bestimmung der Fehlereinflüsse

•Bewertung und Untersuchung der Einzelkomponenten

•Entwicklung der Teilfunktionen und Anpassung des Gesamtkonzeptes

•Validierung

Beginnend mit der Einordnung des kontinuierlichen Verfahrens in die Batterietechnik im Kapitel

2, werden die unterschiedlichen Verfahren zur Zellherstellung vorgestellt. Darauf aufbauend wird

der Handlungsbedarf verdeutlicht und die Vorarbeiten zur kontinuierlichen z-Faltung dargelegt.

Im Mittelpunkt des dritten Kapitels steht die Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung.

Aufbauend auf den Vorarbeiten zu diesem Verfahren lassen sich Anforderungen ableiten und

Schwachstellen adressieren. Die Modellierung der Kinematik und die Fehleranalyse stecken den

Rahmen für die technische Umsetzung des Konzeptes ab. Experimente am Transportsystem

beantworten die Frage, wie gut sich das ausgewählte System für die Umsetzung eignet und

die Anforderungen an die Teilfunktionen werden definiert. Anhand der Ergebnisse lassen sich

erforderliche Teilfunktionen gestalten und die Steuerung auf Grundlage des kinematischen

Modells implementieren.

In Kapitel 4 wird das kinematische Modell in der Steuerung des Demonstrators analysiert und

die erreichte Performance untersucht. Erfasste Abweichungen werden dabei untersucht und

kompensiert. Abschließend werden die Ergebnisse erneut in das Fehlermodell übertragen, um

dort eine Aussage über die voraussichtliche Ablagegenauigkeit des Systems zu ermöglichen.

Zum Schluss sind in Kapitel 5 die wichtigsten Ergebnisse zusammengefasst und kritisch begut-

achtet.

2 Die Relevanz der kontinuierlichen

Batteriezellverbundherstellung

2.1 Begriffe und Definitionen

Die Begriffe im Umfeld der Lithium-Ionen Batteriezellen werden in der Industrie und Wissen-

schaft teilweise stark unterschiedlich geprägt. Daher wird hier eine Definition der Begriffe

eingeführt.

Eine

Zelle

besteht aus zwei Elektroden mit einem Elektrolyten, welche durch einem mikropo-

rösen Separator getrennt sind. Dabei muss in Primärzellen sowie Sekundärzellen unterschieden

werden. Primärzellen sind im Gegensatz zu Sekundärzellen nicht wieder aufladbar. Der Begriff

Batterie, welcher sich auf Primärzellen bezieht, wird dabei fälschlicherweise häufig Synonym

für Akkumulatoren verwendet.

Ein

Akkumulator

, kurz Akku, besteht aus einer oder mehreren miteinander verschalteten

Sekundärzellen. Diese können wiederum zur Kapazitätserhöhung parallel oder zur Spannungs-

erhöhung seriell verschaltet sein [

Pau-14

]. Zu mehreren zusammengefasst wird dieser Verbund

im Automobilsektor dann als Batteriemodul bezeichnet.

Batteriesysteme

wiederum besitzen

zusätzliche Komponenten wie Zell- und Modulverbinder, Batteriemanagement, Kühlung und

Gehäuse [Val-13].

Eine Batteriezelle besteht aus dem

Zellgehäuse

(ggf. mit Deckel, Überdruckventil, Dichtung),

den Ableitern und dem Zellkern. Der

Zellkern

besteht aus dem

Zellverbund

(Anoden,

Kathoden und Separatormaterial) sowie dem Elektrolyt. Der Zellverbund ist dabei prismatisch

gewickelt, rund gewickelt, gestapelt oder z-gefaltet realisiert [Kwa-18] [Rei-11].

Separatoren in der Lithium-Ionen-Batterietechnik sind ein- oder mehrschichtige biegeschlaffe

Materialien. Sie sind ionendurchlässig und werden nach Polymermembranen, Vliesmaterialien

oder laminierten Separatoren eingeteilt [

Sch-15a

]. Diese drei Gruppen unterschieden sich stark

in ihrem E-Modul (siehe Tabelle 3.2), welches ausschlaggebend für die maximal zulässige Bahn-

spannung während der Handhabung ist. Aufgrund ihrer geringen Materialstärke, üblicherweise

im Bereich unter 30

µm

, sind nur sehr geringe Zugspannungen bei der Handhabung dieser

Folien zulässig.

Herstellungsverfahren 5

Bei den polyolefinbasierten Separatoren sind, je nach Material, Dehnungen von 8 % bis 27 % er-

reichbar, während keramische Separatoren bei einer Dehnung zwischen 8 % bis 25 % vollständig

versagen [

Sch-15a

]. Je nach Separator liegen entsprechende Bahnspannungen bei gerade einmal

25 N. Da keramische und Tri-Layer-Separatoren trotz der geringen zulässigen Dehnung und

geringen maximalen Bahnspannung eine höhere Betriebssicherheit [

Zha-07

] erreichen, werden

diese als Grundlage für die weiteren Betrachtungen gewählt.

2.2 Herstellungsverfahren

Schmitt et al. klassifizieren Verfahren zur Herstellung des Elektrode-Separator-Verbunds

hinsichtlich der Materialbereitstellung des Separators und der Elektroden in diskrete sowie

kontinuierliche Verfahren [Sch-15a].

BACH hingegen klassifiziert diese Verfahren nach der geometrischen Anordnung des Separa-

tors in drei Bauweisen [

Bac-17

]: gewickelt, gefaltet und gestapelt. Diese Bauweisen sind in

Abbildung 2.1 dargestellt.

Bei den faltenden Verfahren betrachten Schmitt et al. die z-Faltung, welche erstmals

im Jahre 1984 von Savage [

Sav-84

] beschrieben, von Hong im Jahre 2002 patentiert, und

seitdem industriell weitestgehend durchgesetzt hat [

Man-18

] [

Red-13

]. Weiterführend existieren

auch Faltvarianten, welche intermittierend beschichtete, kontinuierliche Elektroden verarbeiten

[Red-96].

Michaelis et. al kategorisieren die Verbundbauweise Falten nicht, obwohl hier ein bandför-

miger Separator zum Einsatz kommt Anstelle einzelner Separatorblätter. Sie sehen das Falten

als Teilmenge des Stapelns an [

Mic-18

, S. 52]. Trotz dieser Kategorisierung von Michaelis

et. al wird bei den von Bach ausgeführten Zellverbundbauweisen verblieben. Bach definiert

die nachfolgenden Verbundbauweisen:

Die

gewickelte Verbundbauweise

ist ein spiralförmiger Strukturaufbau des Separators, wie

er durch das kontinuierliche Rotieren um eine Achse mit einem Rotationswinkel stets größer 180

entsteht. Der Strukturaufbau wird maßgeblich durch mindestens ein ununterbrochenes, den

gesamten Zellverbund einfassendes Separatorband gebildet, in welches das Elektrodenmaterial

eingewickelt ist. Die finale Gestalt des gewickelten Zellverbunds kann sowohl rund (zylindrisch)

als auch flach (prismatisch) sein. B-1

Die

gestapelte Verbundbauweise

ist ein stapelförmiger, ebener Strukturaufbau des Sepa-

rators, wie er durch das sequenzielle Stapeln einzelner Lagen entsteht. Sowohl das Separator-

6 Die Relevanz der kontinuierlichen Batteriezellverbundherstellung

als auch das Elektrodenmaterial liegen ausschließlich als konfektionierte, ebene Einzelblätter

vor und weisen an keiner Stelle des Strukturaufbaus eine Faltung auf. Die finale Gestalt des

gewickelten Zellverbunds ist flach und kann unterschiedliche zweidimensionale Geometrien

annehmen (prismatisch, rund, trapezförmig). B-1

Die

gefaltete Verbundbauweise

ist ein mäanderförmiger, ebener Strukturaufbau des Sepa-

rators, wie er durch ein sequentielles Falten mittels linearer Wirkbewegung oder Rotation mit

einem Rotationswinkel von maximal 180

entsteht. Der Strukturaufbau kann sowohl durch

mindestens ein ununterbrochenes, den gesamten Zellverbund einfassendes Separatorband als

auch durch konfektionierte Bandabschnitte gebildet werden, die mit mindestens einer Faltung

das Elektrodenmaterial umfassen. Die finale Gestalt des gewickelten Zellverbunds ist flach

(prismatisch). B-1

gewickelt gewickelt gestapelt

Separator

Kathode

Anode

Ableiter

Abbildung 2.1: Verbundbauweisen einer Lithium-Ionen Batteriezelle nach [Bac-17]

Diese Verbundbauweisen werden über unterschiedliche Verfahren hergestellt. Aus dem Stand der

Technik lassen sich die Verbundherstellungsverfahren Wickeln, mit Rundwickeln, Flachwickeln,

und Lagenwickeln, sowie Falten und Stapeln ableiten [Kwa-18] [Zae-14] [Ahn-16] [Pet-14].

Zum konventionellen Wickeln zählen

Rund- und Flachwickeln

. Beide Verfahren basieren

auf einer kontinuierlichen Rotation des Wickelkerns. Um diesen Kern werden die Ausgangsma-

terialien in vier Bahnen gewickelt (Separator, Anode, Separator, Kathode). Der Unterschied

beider Verfahren liegt allein in der Form des Wickelkerns: Beim Rundwickeln ist dieser ein

Zylinder, beim Flachwickeln ein flacher Quader.

Eine Sonderform des Wickelns ist das

Lagenwickeln

[

Che-12

]. Hier liegen Stapel aus Sepa-

rator und Elektrode auf einem Separatorband. Je nach Konfiguration dieser Stapel, wird von

sogenannten Bi- oder Trizellen gesprochen. Bei Bizellen sind die Stapel als dreilagiges Sandwich

aus Kathode - Separator - Anode aufgebaut. Bei Trizellen ist dieses Sandwich fünfschichtig.

Beim

Stapeln

wird der Elektrode-Separator-Verbund durch sequenzielles Handhaben und

Fügen hergestellt. Das

Falten

ist durch das gezielte Umformen eines bandförmigen Separators

durch lineare oder auch rotatorische Umformbewegungen charakterisiert. Dabei alterniert

Herstellungsverfahren 7

die Umformrichtung, sodass sich ein mäanderförmiger Strukturaufbau ergibt. Die Elektroden

werden in diesem Verfahren wechselseitig in die aufgezogenen Falten eingelegt.

Gefaltete oder gestapelte Elektrode-Separator-Verbünde, die diskrete Elektroden verwenden,

weisen im Vergleich zum gewickelten Elektrode-Separator-Verbund, die höchste volumetrische

und gravimetrische Energiedichte auf [

Kur-12

] [

Kam-14

] [

Kar-15

] [

Mic-18

] und werden bei

Pouchzellen sowie prismatischen Zellen eingesetzt. Gewickelte Zellverbünde finden wiederum

in der zylindrischen Zellen ihre Anwendung.

In automobilen Anwendungen werden unterschiedlichste Zellen eingesetzt. Das Unternehmen

Tesla setzt kleinformatige rundgewickelte 18650 sowie 21700 Zellen ein, die nur eine Kapazität

von wenigen

speichern können. Diese Zellen werden rundgewickelt, da sie sich so sehr

schnell, kostengünstig und in großer Zahl herstellen lassen. Die Kapazität dieser Zellen ist so

gering, dass eine Vielzahl zusammengeschaltet werden muss, um die benötigten Kapazitäten

zu erreichen.

Allgemein sind jedoch großformatige Batteriezellen in Form von Pouchzellen durch ihre gravime-

trisch und volumetrisch höhere Energiedichte von Vorteil. Gleichzeitig altern die Zellkernmate-

rialien durch die vorteilhaftere Verteilung der Wärme in der Zelle gleichmäßiger, was wiederum

eine längere Lebensdauer der Zellen zur Folge hat. Da sich die quaderförmigen Pouchzellen

besser stapeln lassen, ist die volumetrische Energiedichte höher, als bei rundgewickelten Zellen

[Mic-18].

Auf Grund der dargestellten Vorteile von großformatigen Zellen als Energiespeicher für die

elektrifizierte Mobilität, werden im weiteren Verlauf der Arbeit nun fokussiert die Fertigungs-

verfahren für diese betrachtet.

8 Die Relevanz der kontinuierlichen Batteriezellverbundherstellung

2.3 Industrielle Verfahren zur Herstellung

großformatiger Zellen

Im weiteren Verlauf der Arbeit werden die Verfahren für die Herstellung des Elektrode-Separator-

Verbundes beschrieben. Als Grundlage für die Beschreibung und Erläuterung dienen die Ver-

fahrensschritte, wie sie beim z-Falten nach Hong et al. durchlaufen werden [

Hon-02

]. In

Abbildung 2.2 ist im linken Bereich die prinzipielle Funktionsweise in schematischer Form so-

wie im rechten Teil der Abbildung eine industriell realisierte Form dargestellt. Der gesamte

Verfahrensablauf ist dort im unteren Teil als Ablaufdiagramm zu sehen.

Abbildung 2.2:

Verfahrensweise zum Aufbau eines z-gefalteten Elektrode-Separator-Verbundes

in Anlehnung an Mooy nach Hong (l.o.) und Manz (r.o.) [

Moo-19

] [

Hon-02

]

[Man-11]

Der sequenzielle Stapel- und Faltprozess beginnt mit Schritt

○

. Am Anfang dieses diskontinu-

ierlichen Verfahrens wird das Ende der Separatorbahn in der Faltvorrichtung (FV) fixiert. Das

Elektrodenmaterial wird in der Form von diskreten Elektroden in Magazinen bereitgestellt. In

Industrielle Verfahren zur Herstellung großformatiger Zellen 9

diesen Magazinen sind die Elektroden nicht definiert positioniert und orientiert, sodass sie vor

der finalen Ablage auf dem Separatormaterial justiert werden müssen.

Bei der Pick-Operation

○

wird die Anodenfolie aus dem Magazin entnommen. Die Elek-

trodenfolie wird über den im rechten Bereich der Abbildung markierten Bereich positioniert

und anschließend über ein Kamerasystem in seiner Absolutposition vermessen, um so einen

maximalen Flächenüberdeckungsgrad erreichen zu können [

Mai-14

]. Der Greifer gleicht den

Lagefehler der Elektrode aus und transportiert diese zur Ablageposition. Simultan erfolgt die

Faltenerzeugung. Bei diesem Vorgang muss Aufgrund der örtlichen Lage der Faltvorrichtung

das Separatormaterial erst aufgerollt und anschließend wieder abgerollt werden, wodurch der

sensitive Separator mehrere Beschleunigungsrampen durchläuft.

Die nachfolgende Operation ist die Place-Operation

○

, also das Ablegen und somit Fügen der

Anodenfolie mit dem Separator. Die abgelegte Elektrode wird anschließend von einem Nieder-

halter in ihrer Position fixiert und ihre Position optisch vermessen [

Mai-14

] [

Sch-15a

] [

Hei-16

Die so abgelegte und fixierte Anodenfolie wird durch lineares Verschieben der Faltvorrichtung

bei der Bewegung zum Kathodenablageort in einer Tasche eingefasst.

Analog folgt im Schritt

○

der dargestellte Vorgang teilweise zeitlich überlappend mit den

Schritten für die Aufnahme, Vermessung und anschließende Ablage der Kathodenfolie. Diese

Schritte werden wiederholt, bis die gewünschte Zellkapazität erreicht ist. Die letzte Elektroden-

folie wird von einer Separatorschicht abgedeckt, die Faltvorrichtung in die Entnahmeposition

verfahren sowie der in die Zelle eingebrachte Separator von der Separatorbahn getrennt. Nach-

folgend wird der so hergestellte Zellverbund mit dem verbleibenden Separator umwickelt und

durch Klebefolie in seiner Konfiguration gesichert. Anschließend beginnt der Prozess für die

nächste Zelle von vorn.

Für den Transport der Elektroden werden industriell unterschiedliche Greiftechnologien einge-

setzt, wie zum Beispiel Flächensauger, Bernoulli-Greifer, Punktsauger oder Ultraschallsauger

[

Sch-12

] [

Man-15

] [

ZS–17

] [

PEM-17

]. All diese Greifer funktionieren nach dem Prinzip der

Haftvermittlung über die beschichtete Oberfläche der Elektroden und sind somit nur in der Lage,

die Elektroden bis zu einer begrenzten Querbeschleunigung sicher und beschädigungsfrei zu

handhaben. Aufgrund der Oberflächensensitivität der Elektrodenfolien werden bevorzugt nicht

berührende Greifer verwendet, welche wiederum eine noch geringere Haftung zur Elektrode

aufweisen.

Mooy trägt im Rahmen seiner Dissertation eine Übersicht der Anlagen sowie ihrer Hersteller

für drei Zellkapazitäten zusammen [

Moo-19

, S. 15]. Aus dieser Darstellung geht hervor, dass

durch die Handhabung von kleinen Elektrodenfolien tendenziell schnellere Zykluszeiten erreicht

werden können. Wird die Darstellung angepasst, wie in Abbildung 2.3, zeigt sich, dass die

10 Die Relevanz der kontinuierlichen Batteriezellverbundherstellung

Produktivität von Anlagen für großformatige Zellen wesentlich höher liegt, als die der für

kleinere Zellkapazitäten von 20

. Keine der aufgeführten Anlagen ist jedoch in der Lage eine

Handhabungszeit von unter 1 Sekunde pro Falte zu erreichen.

Eine besonders interessante Anlage ist die von Jonas und Redmann Automation GmbH.

Gemäß Datenblatt wird eine Handhabungszeit pro Elektrodenfolie von

/Elektrodenfolie

bei

einer Ablagegenauigkeit von

angegeben [

Red-18

]. Ohne Angaben zu den Abmes-

sungen der Elektrodenfolien für diese Anlage kann eine Produktivität in Amperestunden pro

Minute jedoch nur grob geschätzt werden. Aus den von Jonas und Redmann abgeschätz-

ten Elektrodenabmessungen im Bereich von ca. 150

x100

und der von Mooy für

seine Berechnungen zu Grunde gelegten spezifischen Flächenladung für Elektrodenfolien von

3,5mAh

/cm2, ergibt sich eine Produktivität von 27,4Ah

/min.

Unter der Annahme, dass die Anlage ohne signifikante Geschwindigkeitsreduktion ebenso

Elektroden nach [

DIN91252

] mit den Abmessungen von 165

x227

handhaben könnte,

ergäbe sich somit eine Produktivität von 57

/min

. Dieser Wert für die Anlage aus [

Red-18

]

wurde farblich abgehoben in die Darstellung nach Mooy aufgenommen, welche auf den Daten

von [

DGG-13

], [

Gee-16

], [

Gel-15

], [

Gre-17

], [

Hon-17

], [

Hon-18

], [

Joy-17

], [

Lea-13

], [

Nag-15

[Sup-17], [She-13], [TOB-15] und [Yin-17] basiert.

Produktivität in Ah

/min

Handhabungszeit in s

/Elektrode

[Red-18]

Abbildung 2.3:

Produktivität in Amperestunden pro Zeiteinheit von Maschinen und Anlagen

der z-faltenden Elektrode-Separator-Verbundherstellung nach [Moo-19]

Bach betrachtet in seiner Dissertation die Materialbewegungsprofile beim z-Falten nach Hong

[

Hon-02

]. In einer gemeinsamen Veröffentlichung mit Aydemir [

Ayd-17

] wurde der Zusam-

menhang dieser Bewegungsprofile für die Verfahrensschritte dargestellt. Die dort veröffentlichte

Darstellung ist in Abbildung 2.4 zu sehen.

Industrielle Verfahren zur Herstellung großformatiger Zellen 11

Abbildung 2.4: Zeitlicher Ablauf des konventionellen z-Faltens nach [Ayd-17]

Die Dauer des jeweiligen Montagevorgangs für die Elektroden

tPPO

besteht aus der Zeit für die

Elektrodenzuführbewegung

bzw.

und der Zeit für den Separator

ist hier vereinfacht

dargestellt und betrachtet nicht die nötigen Rückzug- und Vorschubbewegungen, welche mit

Bezug auf Abbildung 2.2 zu berücksichtigen sind.

Aus den während dieser Zeitspannen vorliegenden Materialgeschwindigkeiten lässt sich die

mittlere Materialvorschubgeschwindigkeit

ermitteln. Der Mittelwert für die Handhabung

einer Elektrode von 1

/Falte

wurde von Mooy in seiner Recherche zum Stand der Technik für

Anlagen ermittelt, welche z-gefalteten Elektrode-Separator-Verbund herstellen [

Moo-19

]. Der

hier dargestellte, vollständig sequenzielle Bewegungsablauf aus Abbildung 2.4, entspricht im

weitesten Sinne der nicht optimierten z-Faltung nach [Hon-02].

Um die Zykluszeit zu reduzieren und damit die Produktivität der z-faltenden Herstellung von

Elektrode-Separator-Verbund zu steigern, werden unterschiedliche Pfade verfolgt. Ein Ansatz

dabei ist es, die mittlere Vorschubgeschwindigkeit zu erhöhen. Die dafür nötige Erhöhung der

wirkenden Beschleunigungen wird, aus Sicht der Handhabungsgeräte, durch eine Reduktion der

Massen und Trägheiten verfolgt, ist jedoch im Bereich der Elektrodenhandhabung durch die

zulässigen Beanspruchungen der oberflächensensitiven Elektrodenfolien und der verfügbaren

Greifertechnik begrenzt.

Analog ist durch den sehr dünnen Separator und die geringen zulässigen Zugkräfte ebenso hier

eine Steigerung der Verfahrensgeschwindigkeit nur mit hohem Aufwand möglich. Speziell unter

12 Die Relevanz der kontinuierlichen Batteriezellverbundherstellung

dem Gesichtspunkt der voranschreitenden Bestrebungen, die Dicke des Separatormaterials

weiter zu reduzieren. Ebenso werden neuartige Greifer eingesetzt, welche mit gesteigerter

Dynamik Haftung vermitteln und wieder lösen, bzw. bei höheren Querbeschleunigungen das

Elektrodenmaterial sicher bewegen können. Im Weiteren wird eine Reduktion der Zykluszeit

durch eine Parallelisierung der Prozesse, wie durch eine Vermessung der Elektrodenposition

auf dem Greifer während der Verfahrbewegung, erreicht.

Eine vollständige Parallelisierung der Handhabungs- und Fügebewegung der Elektrodenfolien

sowie Umformbewegung des Separators wird derzeit durch Manz und Jonas und Redmann

verfolgt [

Red-18

] [

Man-18

]. Bei all diesen Verfahren wird jedoch bei stehendem Separator

gefügt, wodurch die erreichbare maximale Verfahrengeschwindigkeit und somit Produktivität

schlussendlich durch die diskontinuierliche Bewegung des Separators begrenzt ist. Als weiterer

Ansatz ist noch die Bestrebung zu nennen, die Anzahl der nötigen Pick-and-Place-Operationen

pro Batteriezelle zu reduzieren. Eine Möglichkeit, das zu erreichen, ist die vorgelagerte Montage

von Bi-Zellen. Durch diesen Schritt wird die Produktivität, gemessen an den Elektrodenfolien

pro Minute sowie Amperestunden pro Minute, erhöht, die Verbundherstellung jedoch partiell

auf eine zweite Anlage ausgelagert und der Platzbedarf der Gesamtanlage dadurch signifikant

erhöht [Che-12].

Die beschriebenen Verfahren und Anstäze zur Fertigung von Batteriezellen fokussieren auf

die Faltenbildung bei stehendem Separatorvorschub. Bei diesen Verfahren ist eine Geschwin-

digkeitssteigerung kaum zu erwarten, solange sich die Stillstandzeiten nicht vermeiden lassen

(siehe Abbildung 2.4).

2.4 Forschung in der Produktionstechnik für

großformatige Zellen

Mooy gibt im Rahmen seiner Dissertation einen breiten Überblick über die wissenschaftliche

Forschung und trägt Forschungsprojekte sowie Forschungszentren in einer Übersicht zusammen

[

Moo-19

]. Dabei unterteilt Mooy die wissenschaftliche Forschung in die Weiterentwicklung

oder Konversion bestehender Verfahren und die Entwicklung neuer Verbundherstellungsverfah-

ren (siehe Abbildung 2.5). Da die begrenzte Geschwindigkeitssteigerung bestehender Verfahren

zur Verbundherstellung bereits dargelegt wurde, wird nun auf die in Abbildung 2.5 erfass-

ten Veröffentlichungen zum Thema der Verbundherstellung bei Lithium-Ionen Batteriezellen

eingegangen.

Forschung in der Produktionstechnik für großformatige Zellen 13

Abbildung 2.5: Vergleich von Verfahren zur Zellverbundherstellung nach [Moo-19]

In Abbildung 2.5 werden sieben Veröffentlichungen aufgeführt. Fleischer et al. betrachten,

wie sich unterschiedliche Greifprinzipien für die Handhabung biegeschlaffer Materialien eignen,

um einen Zellverbund herzustellen [Fle-12].

Stühm et al. betrachten das Elektrodenfolienhandling. Dazu entwickelten sie einen neuarti-

gen Bernoulli-Greifer [

Stu-14

], welcher die Folien berührungslos greift. Dabei tritt durch entlang

der Greiferoberfläche angeordnete Löcher Luft aus, welche über eine zweite Öffnung wieder

aufgenommen und abgeführt wird. Dadurch soll eine Kontamination im Prozess verhindert

werden.

Schmitt untersucht den Herstellungsprozess des Elektrode-Separator-Verbunds unter Ver-

wendung eines konventionellen z-Falters der Firma Jonas und Redmann. Er analysiert

und qualifiziert den Faltprozess für diese Anlage, wobei der Erkenntnisgewinn in der Charak-

terisierung, Etablierung und Optimierung des konventionellen z-Faltprozesses nach [

Hon-02

]

liegt.

14 Die Relevanz der kontinuierlichen Batteriezellverbundherstellung

Die vorgestellten Veröffentlichungen lassen nur eine inkrementelle Verbesserung erwarten. Die

erforderlichen Verbesserungen aus Sicht der Produktivitätssteigerung von Produktionsanlagen

zur Herstellung von Elektrode-Separator-Verbünden bleiben aus. Mit Bezug auf das Poten-

tial einer signifikanten Steigerung der Prozessgeschwindigkeit sollen nun als nächstes die in

Abbildung 2.5 dunkel hinterlegten Veröffentlichungen betrachtet werden.

Haag und Fleischer entwickelten ein Verbundherstellungsverfahren, welches auf die Ver-

wendung von bandförmigem Elektroden- und Separatormaterial setzt. Dieses Verfahren stellt

in Helix-Bauweise einen durch ein alternierendes Abrollen der Bandmaterialien erzeugten Zell-

verbund her [Haa-16].

In diesem Helix-Verfahren werden drei Lagen, bestehend aus zwei Separatorbahnen mit da-

zwischen liegender doppelseitig intermittierend beschichteten Anodenbahn auf der einen Be-

wegungseinrichtung, sowie einer einseitig intermittierend beschichteten Kathodenbahn auf der

zweiten Bewegungseinrichtung, eingesetzt. Die beiden Bewegungseinrichtungen sind dabei um

zueinander gedreht. Zur Herstellung des Elektrode-Separator-Verbunds werden die drei

Bahnen der ersten Bewegungseinrichtung auf der Faltvorrichtung fixiert.

Die Baugruppe, welche die Kathode bewegt, fährt über die Faltvorrichtung, um anschließend

ihre Bewegungsrichtung umzukehren und erneut über die Faltvorrichtung zu fahren, wodurch

quasi eine zweiseitig beschichtete Kathode auf der Faltvorrichtung platziert wird. Anschließend

verfährt die Anoden-Separator-Bewegungseinrichtung die Faltvorrichtung einmalig. Dieser

Prozess wird wiederholt, bis die gewünschte Zellkapazität erreicht ist.

Baumeister und Fleischer haben eine Systemkomponente zum Feinstanzen von Elek-

trodenmaterialien entwickelt (Cut-in-Place). In diesem Stanzwerkzeug ist ein Flächensauger

integriert, welcher die Elektrode im Anschluss an den Stanzvorgang fixiert und unterhalb der

Stanzebene ablegt [

Bau-14a

] [

Bau-14b

]. Diese Funktionsintegration ermöglicht eine sehr hohe

Ablagegenauigkeit der Elektrode. Das Verfahren wurde für große Elektroden verifiziert, wo-

bei eine theoretische Zykluszeit von unter 1 s für den unverketteten Vorgang erreicht werden

konnte.

Baumeister entwickelt in seiner Dissertation dieses Werkzeug weiter und integriert das von

Baumeister und Fleischer entwickelte Cut-In-Place Verfahren als Systemkomponente in

einem Demonstratoraufbau zur Verbundherstellung. Dieser Aufbau montiert einen Elektrode-

Separator-Verbund in Anlehnung an das Einzelblattstapeln. Der Stapeltisch verfährt auf einer

Linearachse zwischen den drei Modulen. Im Ergebnis steht ein validierter Demonstrator im

Technikumsmaßstab. Baumeister gibt an, dass der Demonstrator, trotz der einfachen ki-

nematischen Abläufe, dem Einzelverfahren in Hinblick auf die erreichte Geschwindigkeit um

Verfahrensgegenüberstellung 15

einiges nachsteht und nicht mehr die vorhergesagte, von der Industrie geforderte, Verfahrens-

geschwindigkeit erreicht [Bau-17].

Bach führt in seiner Dissertation eine umfangreiche Analyse des Stands der Technik durch,

bei welcher er bestehende Verbundherstellungsverfahren vergleicht. Im Kern des Ergebnisses

seiner Betrachtung steht die Erkenntnis, dass sequentielle Verfahren durch die nötigen Zu- und

Rückstellbewegungen inhärent produktivitätslimitierend sind. Dies folgert er auf Grund der

durch ihre inhärente Trägheit geschwindigkeitslimitierten Handhabungssysteme in Kombination

mit der eingesetzten Technik zur Qualitätssicherung. Basierend auf dieser Erkenntnis entwickelt

er im Rahmen seiner Dissertation das Konzept einer Anlage zur kontinuierlichen z-gefalteten

Zellverbundherstellung [

Bac-17

]. Die konzipierten Teilfunktionen sind dabei geprägt vom

Gedanken kontinuierlicher Bewegungsabläufe und der Abkehr von Zu- und Rückstellbewegungen

bei gleichzeitigem Verzicht auf Pick-and-Place Vorgänge. Das der Zellverbundherstellung zu

Grunde liegende patentierte Verfahren [

Glo-16

] bildet dabei den Kern der Anlage. Den Nachweis

einer technischen Machbarkeit erbringt er für die von ihm konzipierten Teilfunktionen jedoch

nicht.

2.5 Verfahrensgegenüberstellung

Verfahren Abkehr von kontinuierliche Integration von Reifegrad

Pick-and-Place Verfahrensführung Produktionsschritten

Haag und Fleischer 1

Baumeister 4

Bach 1

: Vollständig erfüllt, : Teilweise erfüllt, : kaum oder nicht erfüllt

Tabelle 2.1: Vergleich der neuartigen Verfahren zur Produktion von großformatigen Zellen

Durch eine Kombination der von Bach aufgestellten Paradigmen für eine produktivitätsge-

steigerte Zellproduktion und der Bewertung des Reifegrads nach Schindler durch Mooy, lässt

sich Tabelle 2.5 aufstellen. Aus dieser Tabelle geht hervor, dass alle drei Verfahren durch eine

Integration von Produktionsschritten eine Produktivitätssteigerung anstreben. Dabei ist auch

vorwiegend eine Abkehr von Pick-and-Place-Operationen zu erkennen. Im Falle von Baumeister

werden die ausgestanzten Komponenten weiterhin mit unterdruckbasierten Handhabungssys-

temen fixiert. Wird jedoch die Verfahrensführung betrachtet zeigt sich, dass sowohl Haag

und Fleischer als auch Baumeister weiterhin auf Zu- und Rückstellbewegungen in ihren

Verfahren setzen.

16 Die Relevanz der kontinuierlichen Batteriezellverbundherstellung

Verfahren, die auf Zu- und Rückstellbewegungen basieren, werden kaum in der Lage sein,

die Produktivität von kontinuierlichen Verfahren zu erreichen. Sie benötigen eine wesentlich

höhere Spitzengeschwindigkeit und signifikant höhere Beschleunigungen, um die gleiche mittlere

Verfahrensgeschwindigkeit zu erreichen. Das Verfahren von Baumeister ist am weitesten

entwickelt und führt damit das Forschungsfeld mit Bezug auf Technologiereife an. Die anderen

beiden Verfahren befinden sich auf der Ebene der Grundlagenforschung. Auch wenn beide

Verfahren noch Potenzial zur Verbesserung besitzen, ist hier für das Verfahren von Haag zu

erwarten, dass es wegen der eingesetzten Zu- und Rückstellbewegungen kaum in der Lage

sein wird, eine äquivalente Handhabungszeit von ca. 1 s zu erreichen, geschweige denn zu

unterschreiten.

Das von Glodde et. al. patentierte und technisch beschriebene Verfahren [

Glo-16

] und

das anschließend von Bach vorgestellte Konzept für eine Gesamtanlage, weisen ein hohes

Risiko durch das geringe TRL sowie den noch nicht vollständig erbrachten Nachweis der

technischen Machbarkeit auf. Dennoch hat es wegen der kontinuierlichen Verfahrensführung

großes Potenzial mit Bezug auf die erreichbare Verfahrensgeschwindigkeit und somit auf die

Produktivität.

Die Integrationsfähigkeit einer Anlage nach Bach ist als sehr hoch einzuschätzen, da sie

konfektionierte und magazinierte diskrete, beidseitig beschichtete Elektrodenfolien sowie Se-

paratorfolien als Endlosmaterial verwendet. So wäre es denkbar, die Konfektionierung und

Magazinierung durch von Baumeister und Fleischer entwickelte Baugruppen zu realisie-

ren und so eine kompakte, hochproduktive Gesamtanlage zu entwickeln. Wie zuvor dargestellt

besitzt dieses Verfahren das größte Potenzial, die Produktivität zellverbundherstellender An-

lagen signifikant zu steigern. Das in [

Bac-17

] vorgestellte Verfahren wird für die weitere

Betrachtung im Rahmen dieser Arbeit ausgewählt.

2.6 Vorarbeiten zur kontinuierlichen z-Faltung

In diesem Kapitel wird das Patent DEA102015108651 (A1) bzw. das europäische Patent EP

3304632 (B1) von Glodde et. al. erläutert, welches die Grundlage für diese Arbeit schafft.

Das Funktionsprinzip aus dem Patent wurde von Bach in seiner Dissertationsschrift aufgegriffen

und ein Gestaltungsentwurf für eine Gesamtanlage vorgestellt. In diesem Zusammenhang erfolgt

ebenso eine Vorstellung der Forschungsprojekte ProTrak 01MX12046 [

Pro-12

] und KontiBat

03VP01480 [

Kon-17

]. Nach einer Analyse dieser Vorarbeiten wird die Zielsetzung und das

Vorgehen im Rahmen dieser Arbeit abgeleitet.

Vorarbeiten zur kontinuierlichen z-Faltung 17

Diese Dissertation entstand im Rahmen der Aktivitäten zur kontinuierlichen Zellfertigung am

Fachgebiet ehemals Montagetechnik und Fabrikbetrieb, heute Montage- und Handhabungs-

technik des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb der TU-Berlin. Die Aktivitäten

zu dieser Dissertation beginnen mit der Konzeptentwicklung zum Faltverfahren, welche in der

Patentanmeldung DEA102015108651 (A1) [

Glo-16

] beschrieben sind. Die Konzeptentwicklung

des Verfahrens wurde in [

Sch-15b

] vorgestellt. Weitergeführt wurden diese Tätigkeiten im

Rahmen der Projektbearbeitung des Projektes ProTrak sowie KontiBat.

Im Forschungsprojekt ProTrak (Produktionstechnik für die Herstellung von Lithium-Zellen)

wurde ein neuartiges Verfahren im Rahmen einer Versuchsträgerentwicklung zur kontinuierlichen

z-faltenden Verbundherstellung entwickelt. Das Funktionsprinzip ist in Abbildung 2.6 zu sehen.

ℓF

Transportsystem Greifer

Faltenablagebene

Laufwagen

ℓFS

Abbildung 2.6: Funktionsprinzip in der Patentschrift von Glodde et al. nach [Glo-16]

Die Abbildung zeigt zwei symmetrisch angeordnete Rechtecke, die um eine vertikale Achse

gespiegelt sind. Die beiden Rechtecke stehen für das Transportsystem, entlang dessen die

Laufwagen (Punkte) mit den Greifern (Striche an den Punkten) im Kreis umherlaufen. Die

Umlaufrichtung ist gegenläufig und in jedem Transportsystem in der Mitte des Rechtecks

eingezeichnet.

Der Separator wird von oben entlang der vertikalen Achse in das System eingeführt. Die

umlaufenden Greifer hintergreifen nun abwechselnd den Separator. Während die Greifer mit

dem Separator in Umlaufrichtung weiterfahren, ziehen sie eine Falte auf mit der Länge

ℓF

. Die

Faltenlänge bleibt im gesamten Prozess konstant.

Durch die gestrichelte horizontale Linie ist die Ablageebene angedeutet. Die Greifer fahren

entlang der Strecke

ℓFS

mit dem Separator und verlangsamen bis zur Ablageebene. Im Ablage-

18 Die Relevanz der kontinuierlichen Batteriezellverbundherstellung

punkt öffnen sich die Greifer und fahren über die äußeren Seiten des Transportsystems wieder

an den Anfang des Prozesses, wo sie erneut den Separator hintergreifen. Dieser Ablauf zeigt

die kontinuierliche Zuführung des Separators und die kontinuierliche Bewegung der Laufwagen.

Bach stellt in seiner Dissertation einen Gestaltungsentwurf für eine Gesamtanlage im Kon-

zeptstadium vor, welche auf dem vorgestelltem Prinzip basiert. Dieser Entwurf zeigt dabei

eine Anlage, welche aus diskreten Elektroden und rollenförmig bereitgestelltem Separator einen

endlosen, z-gefalteten Elektrode-Separator-Verbund herstellen soll. Der vollständige Gestal-

tungsentwurf ist in Abbildung B-1 im Anhang gezeigt. Abbildung 2.7 stellt hier ausschließlich

den Ausschnitt der

Faltung

dar. Die

Faltung

ist in Bachs Entwurf horizontal ausgerich-

tet. Die gezeigten Transportsysteme sind XTS-Systeme des Herstellers Beckhoff mit einer

umlaufenden Länge von ℓT,Umlauf = 2000 mm.

1 Warteposition

2 Hintergreifen

3 Falte aufziehen

4 Falte sichern

Abbildung 2.7:

Gestaltungsentwurf der Baugruppe Faltung zum Lösungskonzept nach Bach

[Bac-17]

Vorarbeiten zur kontinuierlichen z-Faltung 19

Zusätzlich zu der im Patent dargestellten Skizze sind am Eingang der Baugruppe zwei Trans-

portrollen dargestellt. Die beiden Rollen führen den Separator definiert in die Baugruppe hinein,

sodass dieser gleich dahinter von einem Greifer hintergriffen werden kann. Das Aufziehen

und Ablegen der Falten erfolgt anschließend durch die sich von der Mittelebene entfernenden

Greifer bis hin zur Faltenablageebenbe. Die Greifer sind als zwangsöffnende fremdaktuierte

Scherengreifer mit kurzen Faltengreifhaken abgebildet. Eine eingesetzte Druckfeder erzwingt

ein Öffnen des Greifers. Der Faltengreifhaken hintergreift den Separator nur wenige

und

bietet so wenig Stabilität bei der Faltenführung. In der Faltenablageebene nimmt die Falten-

aufnahmevorrichtung (ein geschlitztes Band) die Falten auf und bewegt sich langsam mit dem

geklemmten Verbund aus der Baugruppe.

Eine Anlauframpe, welche am Transportsystem befestigt ist, aktuiert die Greifer. Diese Rampe

ist wiederum in drei Bereiche aufgeteilt: den Einlaufbereich kurz vor dem Eingriffspunkt, durch

welchen die Greifer geschlossen werden, den Haltebereich während der Faltstrecke, in dem

die Greifer geschlossen gehalten werden sowie den Öffnungsbereich im Übergabepunkt zum

Zellverbundgreifer, an welchem sich die Greifer öffnen.

In diesem Übergabepunkt übernehmen die Zellverbundgreifer die Falte und nehmen so den

z-gefalteten Endloszellverbund auf. Die Klemmelemente öffnen sich dabei durch den Umlenk-

bereich zu Beginn und am Ende der geraden Führungsstecke.

Zur Veranschaulichung des Separators mit den abwechselnd aufgebrachten Elektroden zeigt

die Abbildung 2.9 die wertschöpfende Aufgabe der Faltung.

Bach schließt seine Dissertation mit einem konzeptionell erarbeiteten Gestaltungsentwurf. Die-

ser von ihm dokumentierte Entwurf stellt dabei einen Zwischenentwicklungsstand des ProTrak

Projektes dar. Drei Baugruppen aus dem Gestaltungsentwurf sind im diesem Projekt als Kern-

komponenten des Entwurfs identifiziert und als drei Laborversuchsträger zum Mengenverändern,

Bewegen und Falten umgesetzt worden.

Im Nachfolgeprojekt KontiBat [

Kon-17

] (Validierung eines innovativen Verfahrens zur durch-

satzgesteigerten Herstellung von z-gefalteten Lithium-Ionen Batteriezellen durch eine konti-

nuierliche Verfahrensführung) wird untersucht, wie sich die in ProTrak [

Pro-17

] entwickelten

Laborversuchsträger zu einer Gesamtanlage entwickeln lassen.

Die Anlage aus KontiBat setzt diskrete Elektroden sowie bandförmigen Separator als Ausgangs-

materialien ein, welche innerhalb der Anlage zuerst zu einem Elektrode-Separator-Verbund

gefügt werden und als z-gefalteter Elektrode-Separator-Verbund die Anlage verlassen.

20 Die Relevanz der kontinuierlichen Batteriezellverbundherstellung

Druckfeder

Schwenkarm

Wirksystem

Wegbegrenzer

Laufwagen

Schwenkbewegung

Schwenkauslöser

Idealposition

der Falten

Elektroden-Separator-Verbund

FSchwenk

Abbildung 2.8:

Gestaltungsentwurf der Greifer der Baugruppe Faltung zum Lösungskonzept

nach Bach [Bac-17]

Abbildung 2.10 zeigt die aktuelle Anlagenarchitektur mit allen zehn Prozessbaugruppen: Sepa-

ratorzuführung,Fügen,Faltung und Zellhandhabung ebenso wie die, in zweifacher Ausführung,

jeweils einmal für die Anoden- sowie Kathodenseite dargestellten Prozessbaugruppen, Maga-

zinwechsel,Mengeverändern und Bewegen. In Separatorzuführung, am oberen linken Rand

der Abbildung, wird das Separatormaterial von der Rolle abgewickelt, bahnspannungsgeregelt

sowie die Bahnkante ausgerichtet.

Die Baugruppe Mengeverändern nimmt von einem Magazin die dort vorgehaltenen Elektroden.

Die Elektroden werden aus dem gestapelten Zustand im Stillstand in die Anlagengeschwindigkeit

beschleunigt. Die Baugruppe Magazinwechsel stellt dabei der Baugruppe Mengeverändern

Anode

Kathode

Separator

FaltenFalten-1 Falten-2

Faltenlänge lF

Vorschubrichtung

Abbildung 2.9: Schematische Darstellung des Elektrode-Separator-Verbunds (links ungefaltet,

rechts gefaltet)

Vorarbeiten zur kontinuierlichen z-Faltung 21

Legende:

Forschungsgegenstand des

Projektes ProTrak

Forschungsgegenstand

des Projektes KontiBAT

Fokus der vorliegenden

Dissertation

Kathodenfolie Anodenfolie Separatorband

Bewegungspfade

SEPARATORZUFÜHRUNG

BEWEGENBEWEGEN

FÜGEN

FALTUNG

MENGE-

VERÄNDERN

ZELLHANDHABUNG

MAGAZINWECHSEL MAGAZINWECHSEL

MENGE-

VERÄNDERN

Abbildung 2.10: Anlagenarchitektur des Projektes KontiBat

die mit Elektrodenfolien gefüllten Magazine bereit. In der Baugruppe Bewegen werden die

Elektroden im Transport ausgerichtet und zur Baugruppe Fügen transportiert. Der quasi endlose

Separator wird zusammen mit den Elektroden der Prozessbaugruppe Fügen zugeführt. Diese

Baugruppe erhält von den links sowie rechts in der Abbildung angeordneten Baugruppenpaaren

die Elektroden, welche sie mit dem Separator fügt. Der so gefügte Elektrode-Separator-Verbund

wird der Baugruppe Faltung zugeführt.

Der Baugruppe Faltung wird von der vorgelagerten Baugruppe ein quasi endloser Elektrode-

Separator-Verbund zugeführt. Dieser Verbund besteht aus

Kathoden und

+ 1 Anoden,

welche wechselseitig mit dem Separator gefügt sind. Den Elektroden folgt ein Abschnitt

des Separators, an dem keine Elektroden geklebt sind. Mit diesem Abschnitt wird später

der Zellverbund umwickelt. Durch die Baugruppe wird dieser Verbund zu einem z-gefalteten

Elektrode-Separator-Verbund überführt, auf dem Falttisch abgelegt und von einem Verbund-

sicherungssystem fixiert. Abschließend wird der so erzeugte Stapel durch die nachfolgende

Baugruppe abgeführt und ein weiterer Falttisch der Baugruppe bereitgestellt.

22 Die Relevanz der kontinuierlichen Batteriezellverbundherstellung

Der für die Baugruppe Faltung ausgewählte Gestaltungsentwurf wird von Bach auf konzep-

tioneller Ebene beschrieben [

Bac-17

]. Bach setzt in dieser Baugruppe, wie auch im Patent

[

Glo-16

] konzipiert, auf den Einsatz eines neuartigen linearen und zugleich umlaufenden Trans-

portsystems, welches er aus Datenblättern auswählt. Kritisch ist an dieser Stelle zu sehen, dass

die Untersuchung zur Machbarkeit aussteht.

Gerade diese Baugruppe bildet den innovativen Kern des Anlagenkonzepts zur produktivitäts-

gesteigerten kontinuierlichen z-Faltung. Im Wesentlichen wird hier auf ein neues und von

Glodde, Bach, Mooy und Aydemir [

Glo-16

] patentiertes Verfahren gesetzt, welches

durch die Abkehr von Zu- und Rückstellbewegungen eine signifikante Produktivitätssteigerung

bei der Zellverbundherstellung verspricht. In Kombination mit der von Kwade et al. erwähn-

ten vorgelagerten Laminierung der Elektroden mit dem Endlosseparator [

Kwa-18

] wäre diese

Baugruppe auch ohne erfolgreiche Validierung der vorgelagerten Baugruppen ein Verfahren,

welches in industriell etablierte Anlagen integriert werden kann und somit die Produktivität

signifikant steigern könnte. Eine erste Validierung der vorgelagerten Baugruppen wurde durch

Mooy im Rahmen seiner Dissertation durchgeführt [Moo-19].

Angenommen, dabei wird eine von Bach definierte [

Bac-17

] Anlagengeschwindigkeit von

1400

erreicht. Mit Elektrodenabmessungen nach [

DIN91252

] von 330

x162

ergibt

sich eine Produktivität von 392

/min

. Das entspricht einer Steigerung der Produktivität auf

≈400% gegenüber dem von Bach ermittelten Stand der Technik.

2.7 Bedarf an kontinuierlichen Verfahren

Die derzeit industriell etablierten Verfahren zur Herstellung von Elektrode-Separator-Verbünden

in gefalteter oder gestapelter Form sind nicht kontinuierliche Verfahren und basieren auf pro-

duktivitätslimitierenden Pick-and-Place-Bewegungen bei gleichzeitigem Einsatz von Zu- und

Rückstellbewegungen weitestgehend in direkter Anlehnung an das Verfahren von Hong et al.

[

Hon-02

] [

Man-11

] [

Man-18

] [

Red-13

] [

Red-18

]. Bei diesen diskontinuierlichen Verfahren ist

die erreichbare mittlere Verfahrensgeschwindigkeit stark limitiert. Einerseits kostet die Umkehr

der Bewegungsrichtung Zeit, andererseits findet das Fügen der Elektroden mit dem Separator

im Stillstand statt. Verfahren wie das Helix-Verfahren von Haag umgehen die Problemstellung

des Pick-and-Place, behalten jedoch ein zu- und rückstellungsbasiertes Bewegungsprofil bei

[Haa-16].

Der Forschungsansatz von Baumeister et al. scheint als alleinstehender Prozess vielver-

sprechend. Jedoch gelang es ihm nicht im Rahmen seiner Dissertation, die im Einzelverfahren

erreichten Geschwindigkeiten mit dem Demonstrator zu erreichen [

Bau-14b

] [

Bau-14a

] [

Bau-17

Bedarf an kontinuierlichen Verfahren 23

Auch wenn die von Baumeister dargelegten Ursachen für die Diskrepanz zwischen Einzel-

prozessgeschwindigkeit und erreichter Demonstratorgeschwindigkeit beseitigt werden, erscheint

ein Erreichen der Einzelprozessgeschwindigkeit unter Verwendung der diskontinuierlichen Ver-

fahrensführung wenig aussichtsreich.

Allgemein liegt die diskontinuierliche Verfahrensführung weiterhin im Fokus der Forschung,

wodurch nur eine begrenzte Steigerung der Produktivität zu erwarten ist. Das vom Deutschen

Industrieverband angestrebte Ziel von deutlich unter 1

/Falte

erscheint kaum erreichbar, solange

weiterhin Verfahren betrachtet werden, die auf Zu- und Rückstellbewegungen basieren.

Die kontinuierliche Verfahrensweise fand bereits 2012 erste Beachtung. Forschungsprojekte

und Patente von Bidian et al. sowie der Daimler AG [

Bid-12a

] [

Bid-12b

] [

Bid-12c

]

[

Bid-12d

] griffen die Idee der ununterbrochenen Verfahrensführung auf. Jedoch wird auch hier

im Abschlussbericht nur von einem zumindest teilweise kontinuierlichen Ablauf gesprochen

[

AG-12

] und der Entwicklungsstand dieser Betrachtungen als Teil einer Konzeptentwicklung

bezeichnet. Nach Projektabschluss wurden auch die Fertigungskapazitäten der LiTec eingestellt

und veräußert [

Sor-15

]. Ein Einsatz dieses Ansatzes einer kontinuierlichen Verfahrensführung

erscheint derzeit rein spekulativ.

Nach aktuellem Stand der Publikationen erscheint der Gestaltungsentwurf von Bach, auf

Grundlage des Patents [

Glo-16

], als Basis für eine kontinuierliche Verfahrensweise z-gefalteter

Elektrode-Separator-Verbünde ein vielversprechender Ansatz. Um den industriellen Einsatz die-

ses Verfahrens zu ermöglichen, ist eine Durchdringung, Weiterentwicklung und experimentelle

Untersuchung des Lösungsansatzes erforderlich, um mit diesem das Ziel einer Handhabungszeit

von wesentlich unter 1s

/Falte zu erreichen.

Durch die Analyse publizierter Verfahren in der Forschung sowie etablierter industrieller An-

lagentechnik wurde aufgezeigt, dass erforderliche Stillstände in der Verfahrensführung, welche

die erreichbare durchschnittliche Verfahrensgeschwindigkeit signifikant limitieren, weiterhin

bestehen bleiben. Auch die Forschungsansätze zum Helix-Verfahren von Haag sowie dem

Cut-In-Place von Baumeister und Fleischer erreichen kaum die geforderten Geschwin-

digkeiten, weil sie weiterhin die Bewegungsführung mit Stillstandphasen unterbrechen. Wird der

rein sequenzielle Ablauf auf einen parallelen umgestellt, erscheint eine Produktivitätssteigerung

im angestrebten Korridor von unter 1

/Falte

erreichbar. Das Verfahren von Glodde et. al.

[

Glo-16

] bietet durch den Einsatz einer kontinuierlichen Verfahrensführung das Potenzial, den

gewünschten Korridor zu erreichen.

3 Systementwicklung zur

kontinuierlichen z-Faltung

Um ein Systemverständnis für das Verfahren zu schaffen, wird in diesem Kapitel zunächst eine

Anforderungsanalyse durchgeführt. Anschließend werden besondere Herausforderungen, die

über den Gestaltungsentwurf hinausgehen, dargestellt. Basierend auf der Analyse folgt die Auf-

stellung eines kinematisches Modells für die kontinuierliche z-Faltung. Aus den beschreibenden

Gleichungen lassen sich die Anforderungen an die Unterbaugruppen und Wirkzusammenhänge

sowie für die Teilfunktionen ableiten. Eine systematische Konzeption der Teilkomponenten

erfolgt auf dieser Grundlage. Experimentelle Untersuchungen an dem Transportsystem bilden

den letzten Schritt vor der Entwicklung und Implementierung der Steuerungsarchitektur.

3.1 Anforderungen und Randbedingungen

Da für den in Kapitel 2.4 eingeführten Prozess bisher kaum Untersuchungen im Bereich der

Kinematik durchgeführt wurden, müssen zuerst die Anforderungen und Randbedingungen an

den Prozess erfasst werden. Im Gegensatz zu konventionellen Prozessen mit bandförmigen

Materialien ist hier eine Synchronisierung mehrerer kinematisch gekoppelter Antriebe während

der Bewegung erforderlich, woraus eine gesteigerte Komplexität für die Modellierung entsteht.

Der Faltung vorgelagert werden die Elektroden mit dem Separatormaterial wechselseitig gefügt.

Dieser Verbund wird abwechselnd von den Greifern hintergriffen. Zwischen dem Hintergriff

und der Ablage wird die Falte durch das System bahnspannungsgerecht in die Ablageebene

geführt. Dabei wird das Material in Form eines

gefaltet. In der Ablage angekommen wird

der Hintergriff gelöst und der Laufwagen fährt entlang des Transportsystems weiter in Richtung

eines Wartepunktes, um von dort anschließend den Prozess von Neuem zu beginnen.

In der Abbildung 3.1 werden zwei Probleme in der Bewegungsführung dargestellt und in rot her-

vorgehoben, die sich bei näherer Analyse des vorgestellten Gestaltungsentwurfs ergeben. In der

Abbildung ist dabei der Separator zu sehen, wie er wechselseitig von den Greifern hintergriffen

wird. Die Bahnen der Tool Center Points (TCP) der Greifer sind in Form gestrichelter Linien

abgebildet. Im oberen Bereich ist ein Laufwagen mit Greifer hervorgehoben. Dieser Greifer

kann mit seinem TCP den Separator nicht hintergreifen, solange die beiden Führungsrollen

statisch aufgehängt sind. Die Separatorbahn verläuft zum Eingriffszeitpunkt entlang der rot

Anforderungen und Randbedingungen 25

hervorgehobenen Linie und schneidet sich nicht mit der Bahn des TCP. Die Lösung zu dieser

Problematik wird im weiteren Verlauf der Arbeit als Pendler referenziert.

Im unteren Bereich der Abbildung 3.1 ist eine weitere Problemstellung dargestellt. Die beiden

Greifer, welche sich in der Faltebene befinden, sowie der letzte im Eingriff befindliche Greifer

auf dem rechten der beiden Umlaufsysteme, in rot hervorgehoben, bilden ein gleichschenkliges

Dreieck. Um die Randbedingung der konstanten Faltenlänge

ℓF

und somit Aufrechterhaltung der

Bahnspannung einhalten zu können, muss der Endeffektor des letzten im Eingriff befindlichen

Greifers einen Kreisbogen beschreiben und nicht eine Gerade. Die Lösung zu diesem Problem

wird im weiteren Verlauf der Arbeit als Kurvenelement referenziert.

Führungsrollenpaar

Bahn der Tool Center Points

Separatorbahn fehlerbehaftet

Separatorbahn korrekt

Laufwagen mit Greifer

Faltebene

Kurvenelement

ℓF

Abbildung 3.1: Darstellung der Anpassungen am Gestaltungsentwurfs von Bach

Basierend auf der Prozessbeschreibung sowie Analyse des Gestaltungsentwurfs lassen sich

die folgenden Randbedingungen und Annahmen formulieren. Einige dieser Punkte werden

anschließend kurz diskutiert.

Vorgehen und Annahmen

•

Der Prozess wird unter Verwendung von analytisch lösbaren Gleichungssystemen beschrie-

ben.

•Der Aufbau des Systems ist achsensymmetrisch.

26 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

•

Alle Prozesse in der Baugruppe werden als eine Funktion von dem Vorschub des Separators

beschrieben.

•Das kinematische Modell wird basierend auf der Bahn des TCP aufgestellt.

•Die Faltenlänge ℓFist konstant.

•Der Prozess verläuft ab dem Start des Prozesses periodisch.

•

Das gefaltete Material wird in der Ablageebene einer nachfolgenden Baugruppe übergeben,

durch welche die Verbundsicherung übernommen wird.

•

Die Bahnführung des Separators am Eingang der Baugruppe erfolgt durch ein bewegliches

Rollenpaar.

•

Die Bahnspannung im Bereich vor dem Ablagepunkt wird durch einen Kreisbogen aufrecht

erhalten.

•Vor dem Kreisbogen wird ein Übergangsbogen eingeführt.

•Die Prozessführung erfolgt vertikal.

Alle Prozesse in der Baugruppe werden als eine Funktion von dem Vorschub des Separators

beschrieben

Wird das Modell abhängig von nur einer Variablen aufgestellt, lässt sich das gesamte System

zu jedem Zeitpunkt eindeutig beschreiben. Gleichzeitig ermöglicht diese zentrale Variable eine

exakte Beschreibung aller kinematischen Komponenten zu jedem Zeitpunkt und verhindert so

die Fehlerverkettung durch relative Angaben.

Das kinematische Modell wird basierend auf der Bahn des TCP aufgestellt

Die Positionen der TCP (und indirekt der Laufwagen) werden immer als Kombination aus

vorlaufendem und nachlaufendem Laufwagen gesehen. Diese Beschreibung wird im Rahmen

der Modellherleitung mit dem linken Transportsystem, als dem nachlaufenden, und dem rechten

Transportsystem, als vorlaufendem, dargestellt.

Die Faltenlänge ℓFist konstant

Um die erfassten Bedingungen einzuhalten, lassen sich die Bahnen der TCP des rechten und

linken Systems aus zwei Bereichen beschreiben. Der erste Bereich ist dabei eine Gerade und

der zweite ein Kreisbogen. Aus der Kombination dieser beiden Bereiche ist es möglich, die

Anforderungen und Randbedingungen 27

Annahme des konstanten Abstands zwischen den Endeffektoren über die gesamte Faltstrecke

einzuhalten.

Der Prozess verläuft ab dem Start des Prozesses periodisch

Das bedeutet, dass immer wechselseitig neue Falten aufgezogen werden, auch wenn zu diesem

Zeitpunkt keine Elektroden auf dem Separator gefügt sind. Mit dem leer gefaltetem Material

wird im späteren Prozess der Zellverbund umwickelt und gesichert.

Die Bahnspannung im Bereich vor dem Ablagepunkt wird durch einen Kreisbogen aufrecht

erhalten

Das Einbringen des Kreisbogens ermöglicht die Aufrechterhaltung der Bahnspannung im Bereich

vor dem Ablagepunkt

. Der Greifer muss aus diesem Grund eine Freiheit aufweisen. Die

Wahl eines Kreises erleichtert eine analytische Beschreibung der Bewegung.

Vor dem Kreisbogen wird ein Übergangsbogen eingeführt

Der direkte Übergang von der Geraden in den Kreisbogen würde zu einer Überhöhung der

Beschleunigung an dieser Stelle führen. Um die Beschleunigung an diesem Übergang zu

reduzieren, wird ein Übergangsbogen eingeführt. Für diesen Übergang können unterschiedliche

Bahnformen gewählt werden. Es wird eine Form gesucht, welche die Bahn stetig fortsetzt und

sich zudem einfach analytisch beschreiben lässt. Die einfachste Form ist hier ein Kreisbogen.

Dieser schließt stetig an die Gerade und den Kreisbogen an, ist in der resultierenden Gesamtbahn

jedoch nicht krümmungsstetig. Eine Möglichkeit die Krümmungsstetigkeit zu erreichen, wäre die

Verwendung einer Spline. Eine analytische Lösung wäre dann jedoch wesentlich komplizierter.

Aufgrund des großen Radius des Kreisbogens von

ℓF

ist der Einfluss der nicht gegebenen

Krümmungsstetigkeit für eine Anlage des gegebenen TRL jedoch akzeptabel.

Die Prozessführung erfolgt vertikal

Eine horizontale Prozessführung bedingt eine hängende sowie eine auf dem Separator auflie-

gende Elektrode. Aufgrund der geringen zulässigen Beanspruchungen für den Separator ist

eine horizontale Verfahrensführung nicht vorteilhaft. Dies folgt im Weiteren aus ersten Unter-

suchungen, die einen nicht zu vernachlässigenden Unterschied im Verhalten der Greifsysteme

sowie Transportsystem bei horizontaler Prozessführung zeigten. Ebenso ist aus regelungstech-

nischer Sicht diese Variante zu vermeiden, da auf die beiden Transportsysteme die Schwerkraft

unterschiedlich stark wirkt und somit jeweils separat betrachtet und ausgeregelt werden müsste.

Annahmen und Vereinfachungen für die Modellbildung

•

Der Spalt zwischen den Rollen der Zuführung und des Pendlers ist vernachlässigbar klein.

•Die einzelnen Falten werden als starre Körper angenommen.

28 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

•Das System wird als ebenes Problem betrachtet.

•Der Separator verrutscht während der Handhabung nicht.

•Die TCP der Greifer werden als idealisierte Griffpunkte angenommen.

•

Der Laufwagen auf dem rechten Transportsystem läuft dem auf dem linken System

voraus.

•

Der Aufbau des Verfahrens ist spiegelsymmetrisch zur Ebene des einlaufenden Bahnma-

terials.

•Der Faltenabstand auf dem Separator ist konstant.

•Die Radien des Übergangsbogens und Kreisbogens sind gleich.

•Das Bewegungsprofil des Pendlers ist sinusförmig

Es werden zwei Umlaufsysteme mit jeweils einer umlaufenden Länge von

ℓT,Umlauf

= 2500

eingesetzt. Das Umlaufsystem besteht dabei aus sechs Geradenmodulen sowie zwei Klothoi-

denmodulen. Eine Klothoide ist eine Kurve, deren Krümmungswinkel sich proportional zur

Länge ändert. Die Krümmung der Kurve ist dabei eine stetige Funktion. Die Klothoidenmodule

haben eine Umlauflänge von 500 mm, während die Geradenmodule jeweils 250 mm lang sind.

Voruntersuchungen haben gezeigt, dass ein geringerer Öffnungswinkel

den Positionierungs-

fehler der Laufwagen reduziert. Außerdem ist eine Beruhigungsstrecke nach dem Ende der

Klothoide nötig, um eine korrekte Positionierung des Laufwagens gegenüber der Faltposition

am ungefalteten Elektrode-Separator-Verbund sicherzustellen. Diese Erkenntnisse basieren auf

Versuchen, welche in Kapitel 3.4 näher erläutert werden.

Die Faltstrecke wird zu

ℓFS

= 650

definiert. Diese Definition leitet sich aus den Versuchser-

gebnissen aus Kapitel 3.4.2 sowie konstruktiven Anforderungen ab. Mit Hilfe der Faltenlänge des

Separators

ℓF

, die hier konkret aus den Anforderungen des Projektes KontiBat mit

ℓF

= 304

angenommen wird, lässt sich der Neigungswinkel der beiden Umlaufsysteme zueinander über

trigonometrische Zusammenhänge berechnen.

Zur Vereinfachung wird auf beiden Faltstrecken jeweils nur ein Laufwagen betrachtet. Basierend

auf der Achsensymmetrie des Verfahrens können alle aufgestellten Beziehungen jeweils für den

nächsten vorlaufenden Laufwagen verwendet werden. Das Verhalten für mehrere Laufwagen

lässt sich entsprechend ableiten. Der Beginn der Faltstrecke wird dabei basierend auf Ergebnis-

Bestimmung der kinematikrelevanten Separatorkennwerte 29

sen der Untersuchungen in Kapitel 3.4 um 50

gegenüber dem Ende des Klothoidenmoduls

verschoben.

Die Bewegung des Pendlers wird als sinusförmig definiert. Der Pendler durchläuft für zwei

Faltenlängen

ℓF

eine volle Periode und befindet sich jeweils zum Zeitpunkt des Eingriffs in

Endlage. Die Verwendung des Cosinus führt zu einer ruckfreien Bewegung.

3.1.1 Bestimmung der kinematikrelevanten Separatorkennwerte

Um den Zusammenhang zwischen der Positionsabweichung des Laufwagens

qT,PosDiff

und

Spannung

bzw. Zugkraft in Bahnrichtung

auf den Separator zu finden, muss das Verhalten

des Separators unter Zugbeanspruchung bekannt sein. Da die Datenblätter der Hersteller keine

entsprechenden Angaben enthalten [

Cel-18a

] [

Cel-18b

] [

Lit-16

], müssen Zugversuche an den

diesen Separatoren durchgeführt werden. Es ist also ein Zusammenhang der Form

F=f(ε, θM)(3.1)

gesucht. Dabei fasst

θM

einen Satz an Materialparametern des Separators zusammen und

beschreibt die Dehnung des Separatormaterials. Die verwendeten Separatoren, sowie ihre

Eigenschaften, sind in Tabelle (3.1) zusammengetragen. Die Spannungs-Dehnungs-Diagramme

Separator Materialstärke in µmMaterial

Celgard H2013 20 Trilayer PE/PP/PE

Celgard PP2068 20 Monolayer PP

Separion S240P30 28 keramisch beschichtete PET-Folie

Tabelle 3.1: Eigenschaften der im Zugversuch untersuchten Separatoren

für drei unterschiedliche Separatoren sind in Abbildung 3.2 dargestellt. Bei dem Separator

Celgard H2013 handelt es sich um einen Shut-Down-Separator, welcher auch als Trilayer

bezeichnet wird. Der Graph des Separators steigt im Spannungs-Dehnungs-Diagramm relativ

steil an, bevor er bei

≈

20% reißt. Die Steigung vom Monolayer Celgard PP2068 ist die

geringste der drei Separatoren. Dieses Verhalten liegt begründet in dem elastischen Verhalten

von Polypropylen (PP). Der Separator Separion S240P30 besteht aus einem Verbund aus

Polyethylenterephthalat (PET) und einer keramischen Beschichtung. Im Spannungs-Dehnungs-

Diagramm ist der hohe Anstieg der Spannung bei geringer Dehnung zu sehen. Bereits bei einer

Dehnung von

≈

4% reißt der Separator. Dieses Verhalten ist typisch für Keramiken. Sie sind sehr

spröde und halten bereits kleinen Dehnungen kaum stand. Für kleine Dehnungen ∆

ℓ <<

5 %,

wie sie im Betrieb zu erwarten sind, ist bei allen Separatoren ein linearer Zusammenhang

zwischen Spannung und Dehnung zu erkennen. Basierend darauf werden mit dem Hookeschen

30 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

Abbildung 3.2: Spannungs-Dehnungs-Diagramm verschiedener Separatoren

Materialgesetz die Zusammenhänge beschrieben. Gemäß Schmitt sind bei Separatoren bereits

ab einer Dehnung von ca. ∆

ℓ≈

5 % Beschädigungen der Struktur zu erkennen, welche die

Zellperformance negativ beeinflussen [Sch-15a].

F=E·A·u′(λ, t),(3.2)

wobei u(λ, t)die Verschiebung und u′(λ, t)die Dehnung εbeschreibt.

Aus der Gleichung (3.2) geht hervor, dass das E-Modul

, die Querschnittsfläche

und

die Dehnung

einen Einfluss auf die Kraft haben. Die Dehnung

ist dabei das Verhältnis

zwischen der Längenänderung ∆

und der ursprünglichen Länge

. Das E-Modul

und die

Längenänderung ∆lsind als verbleibende Größen noch unbekannt.

Um das E-Modul aus den ermittelten Werten zu bestimmen, wird die DIN 527 verwendet. Die

Norm beschreibt, wie sich Zugeigenschaften von Kunststoffen bestimmen lassen. Anhand der

Spannungswerte bei den Dehnungen

ε1

= 0

05 % und

ε2

= 0

25 % lässt sich das E-Modul mit

der Gleichung (3.3) berechnen [DIN5271, S.21].

E=σ2−σ1

ε2−ε1

(3.3)

Für die drei Separatoren sind die bestimmen E-Module in Tabelle (3.2) zusammengetragen.

Der Separator Separion S240P30 hat das höchste E-Modul von

= 3119

MPa

, da die

Bestimmung der kinematikrelevanten Separatorkennwerte 31

Separator E-Modul [MPa]

Celgard H2013 1894,3

Celgard PP2068 55,1

Separion S240P30 3119,7

Tabelle 3.2: Berechnetes E-Modul aus den Ergebnissen der Zugversuche

keramische Beschichtung einen sehr großen Einfluss auf die Steifigkeit des Materials hat. Der

Monolayer Celgard PP2068 hingegen ist der Separator mit dem geringsten E-Modul von nur

E= 55,1 MPa .

In weiteren Berechnungen wird mit dem E-Modul von Celgard H2013 gerechnet. Dieser gehört

zur Gruppe der Trilayer Shut-Down-Separatoren. Diese Separatoren können den Ionenfluss

zwischen den Elektroden unterbrechen, sobald die Zelle eine kritische Temperatur erreicht.

Erhitzt sich die Zelle, schmilzt die dafür vorgesehene Schicht im Separator und senkt damit

seine Permeabilität. Das bedeutet, dass entweder bei alten oder beschädigten Zellen die

Wahrscheinlichkeit für einen thermal runaway stark reduziert wird. Beim thermal runaway

erhitzt sich die Zelle und kann anfangen zu brennen oder sogar explodieren. Aufgrund dieser

Eigenschaft bietet diese Separatorart einen Vorzug in der Zellsicherheit [Ore-12].

Die zweite Unbekannte aus Gleichung (3.2) ist die Längenänderung ∆

ℓ

. Um diese zu bestim-

men, wird die Gleichung nach ∆

ℓ

umgestellt und das E-Modul

und die Abmessungen zur

Bestimmung der Querschnittsfläche für den Separator Celgard H2013 eingesetzt. Für die Breite

des Separators wird der Wert b= 129 mm gewählt.

F=E·A·∆ℓ

ℓ0

(3.4)

⇔∆ℓ=ℓ0

E·A·F(3.5)

⇒∆ℓ=304 mm

1894,3N

mm2·(0,020 mm ·129 mm) ·F(3.6)

⇒∆ℓ≈0,0622 ·F(3.7)

32 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

3.2 Kinematische Modellbildung

In diesem Abschnitt wird ein kinematisches Modell zur kontinuierlichen z-Faltung nach Glodde

et al. [

Glo-16

] entwickelt. Hier soll ein analytisches Modell für die Kinematik gefunden

werden, welches sich später direkt in einer SPS implementieren lässt. Dazu wurde zunächst

der Gestaltungsentwurf von Bach untersucht und anschließend die Randbedingungen und

Annahmen festgelegt. Basierend auf diesen wird ein kinematisches Modell hergeleitet, bei dem

alle Bewegungen des Systems von einer zentralen Größe, dem Vorschub des Separatormaterials,

abhängig beschrieben werden können. Zu diesem Zweck erfolgt eine bereichsweise Herleitung

und Definition von Übergangsbedingungen zwischen den Bereichen. Eine weitere Aufteilung

des Modells in den Bereich der Faltstrecke sowie den vorgelagerten Bereich des Pendlers wird

dabei zusätzlich vorgenommen. Die Faltstrecke beschreibt den Bereich nach dem Eingriffspunkt

während der vor diesem Punkt dem Pendler zugeordnet wird. Eine Darstellung der Bereiche

kann Abbildung 3.3 entnommen werden. Der Eingriffspunkt ist in dieser Abbildung mit dem

Ursprung des Koordinatensystems 0gekennzeichnet. Das Modell wird dabei in einer Form

hergeleitet, die es erlaubt, flexibel auf geometrische Änderungen zu reagieren. Durch analytische

Lösungen für die Gleichungen ist das Modell auf speicherprogrammierbaren Steuerungen in

Echtzeit lauffähig und ermöglicht so eine direkte Integration des Modells. Weiterhin wird das

Modell um eine Koordinatentransformation der Größen aus lokalen Koordinatensystemen auf

Weltkoordinaten erweitert.

Modellentwicklung für die Faltstrecke 33

3.2.1 Modellentwicklung für die Faltstrecke

In diesem Abschnitt wird das kinematische Modell für die Faltstrecke aufgestellt. Dabei werden

die Annahmen und Festlegungen aus Kapitel 3.1 verwendet. Als Führungsgröße dient dabei

die Position

des nachlaufenden Laufwagens. Dabei wird die Grundlage für die Bahnpla-

nung der Laufwagen in der Steuerung geschaffen sowie eine Möglichkeit, den Einfluss von

Ungenauigkeiten der Laufwagen-Positionierung auf die Spannung des Separators zu beurteilen.

In Abbildung 3.3 sind die Eingriffspunkte

und

markiert, wobei L für das linke Umlauf-

system und R für das rechte Umlaufsystem steht. Die Verbindung zwischen den Punkten als

starr angenommen. In diesem Fall besitzt das System nur eine Freiheit und die Position beider

Eingriffspunkte kann in Abhängigkeit einer Variable beschrieben werden. Dabei gilt folgende

Randbedingung:

Als erster Schritt wird der Öffnungswinkel

aus den zwei bekannten Größen

ℓF

sowie

ℓFS

berechnet.

α= 2 ·arcsin( ℓF

2·ℓFS

).(3.8)

Aus den gegebenen Größen ergibt sich αzu:

α≈27,047 ◦.(3.9)

In Abbildung 3.3 sind die Eingriffspunkte

und

markiert, wobei L für das linke Umlaufsys-

tem und R für das rechte Umlaufsystem steht. Die Verbindung zwischen den Punkten ist als

starr angenommen. In diesem Fall besitzt das System nur eine Freiheit und die Position beider

Eingriffspunkte kann in Abhängigkeit einer Variable beschrieben werden. Dabei gilt folgende

Randbedingung:

ℓF=|PLPR|, mit ℓF

=const. (3.10)

(3.11)

Die lokalen Koordinatensysteme, welche den Ursprung im Eingriffspunkt haben, sind jeweils par-

allel zum linken sowie rechten Transportsystem ausgerichtet. Das lokale Koordinatensystem auf

der linken Seite wird als L-Koordinatensystem und das Koordinatensystem auf der rechten Seite

als R-Koordinatensystem bezeichnet. Zusätzlich zu diesen beiden lokalen Koordinatensyste-

men wird ein drittes Koordinatensystem, das Weltkoordinatensystem (’0’-Koordinatensystem),

eingeführt. Der Ursprung dieses Koordinatensystems liegt ebenso im Eingriffspunkt PE.

34 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

LxRx

LzRz

ℓF

qR,0

ℓFS

qL,0

qTL qTR

Zuführungsrollen

Pendlerrollen

Transportsystem links

PUB,E

Übergangs-

bogen

Kreis-

bogen

PUB,A

qGR

qGL

Abbildung 3.3: Skizze der kinematisch relevanten Größen im Faltsystem

Modellentwicklung für die Faltstrecke 35

In der Abbildung 3.3 sind alle drei Koordinatensysteme dargestellt. Mit Hilfe einer Koordinaten-

transformation ist es möglich, auf eine Veränderung der Position der Koordinatensysteme zuein-

ander zu reagieren, wie es zum Beispiel bei der Veränderung der Faltenlänge oder Faltstrecke der

Fall wäre. Die Koordinaten lassen sich mit Hilfe einer entsprechenden Transformationsmatrix

umrechnen, um die lokalen Koordinaten im 0-Koordinatensystem auszudrücken.

Die entsprechenden Transformationsmatrizen ergeben sich zu:

LT=[︄cos(α

2)−sin(α

sin(α

2) cos(α

2)]︄(3.12)

0T=[︄cos(α

2) sin(α

−sin(α

2) cos(α

2)]︄(3.13)

RT=[︄cos(α

2)−sin(α

−sin(α

2)−cos(α

2)]︄(3.14)

0T=[︄cos(α

2)−sin(α

−sin(α

2)−cos(α

2)]︄(3.15)

LT=[︄cos(α)−sin(α)

−sin(α)−cos(α)]︄(3.16)

RT=[︄cos(α)−sin(α)

−sin(α)−cos(α)]︄(3.17)

Die Variable

gibt die Position des Laufwagens entlang der Transportsysteme an. Die

Positionen der Laufwagen werden in der Faltung mit

für das linke sowie

für das rechte

Transportsystem bezeichnet. Zusätzlich wird durch eine weitere Antriebskoordinate

qGimit i

L,R die Höhe des Endeffektors beschrieben.

Die Ursprünge der Laufvariablen

qTL

und

qTR

bezeichnen die Nullpunkte des internen umlau-

fenden Koordinatensystems der Transportsysteme. Das Offset

qT,0

beschreibt wiederum den

Zusammenhang zwischen der Antriebskoordinate des Transportsystems sowie der Antriebsko-

ordinate entlang der Faltstrecke

ℓFS

. Der Wert von

sowie

im Eingriffspunkt

. ist somit

qT,0≡qR,0=qL,0

qR=qTR −qR,0(3.18)

qL=qTL −qL,0(3.19)

36 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

Die TCP der Greifer der Laufwagen lassen sich in den lokalen Koordinatensystemen über die

folgenden Gleichungen beschreiben:

LPL=(︄xL

zL)︄(3.20)

RPR=(︄xR

zR)︄(3.21)

Um nun die die Anforderung aus Gleichung (3.11) umsetzen zu können, müssen die Punkte

im Weltkoordinatensystem ausgedrückt werden. Unter Verwendung von Gleichung (3.12) und

(3.14) ergibt sich:

0PL=0

LT·LPL=[︄cos(α

2)−sin(α

sin(α

2) cos(α

2)]︄·(︄xL

zL)︄

=(︄xL·cos(α

2)−zL·sin(α

xL·sin(α

2) + zL·cos(α

2))︄(3.22)

0PR=0

RT·RPR=[︄cos(α

2)−sin(α

−sin(α

2)−cos(α

2)]︄·(︄xR

zR)︄

=(︄xR·cos(α

2)−zR·sin(α

−xR·sin(α

2)−zR·cos(α

2))︄(3.23)

Nun kann die Strecke zwisichen PRund PLberechnet werden:

0PRPL=0PL−0PR=(︄xL·cos(α

2)−zL·sin(α

2)−xR·cos(α

2) + zR·sin(α

xL·sin(α

2) + zL·cos(α

2) + xR·sin(α

2) + zR·cos(α

2))︄(3.24)

=(︄cos(α

2)·(xL−xR) + sin(α

2)·(zR−zL)

sin(α

2)·(xL+xR) + cos(α

2)·(zL+zR))︄(3.25)

Die so erhalte Gleichung für |PRPL|kann nun in Gleichung (3.11) eingesetzt werden.

ℓ2

F=(cos(α

2)·(xL−xR) + sin(α

2)·(zR−zL))2

+ (sin(α

2)·(xL+xR) + cos(α

2)·(zL+zR))2(3.26)

Mit Gleichung (3.26) ist nun der Zusammenhang zwischen den TCP der an der Falte beteiligten

Laufwagen bekannt.

Modellentwicklung für die Faltstrecke 37

3.2.1.1 Bereichseinteilung der Faltung

Für die Herleitung des kinematischen Modells für die Faltstrecke ist es erforderlich, die Falt-

strecke in Bereiche zu unterteilen. Abbildung 3.4 stellt die Unterteilung der Faltstrecke in vier

Bereiche dar. Diese Aufteilung ist aufgrund der Kurvenelementproblematik erforderlich. Die

Bereiche geben die Bewegungsbahnkombinationen der TCP wieder.

Bereich I

beschreibt die

LxRx

LzRz

qR,IV

III

qL,I

qL,II

qL,III

qL,IV

qR,0

qR,II

qR,III

qR,I

qGR

qGL

Abbildung 3.4:

Bereichseinteilung für die kinematische Modellbildung mit überproportionaler

Darstellung der Übergangs- und Kreisbogens

Beziehung von

und

, wenn sich beide Punkte auf der Geraden befinden. Der

Bereich

beschreibt die Beziehung, wenn ein Punkt auf der Geraden und ein Punkt auf dem Über-

gangsbogen ist. Der

Bereich III

beschreibt den Zusammenhang, wenn sich ein Punkt auf

der Geraden und der andere Punkt auf dem Kreisbogen befindet. Im

Bereich IV

wird der

Zusammenhang von

und

gesucht, wenn ein Punkt auf dem Übergangsbogen und der

38 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

andere auf dem Kreisbogen ist. In Tabelle 3.3 findet sich eine zusammenfassende Darstellung

der Aufteilung.

Bereich Laufwagen qLLaufwagen qR

I Gerade Gerade

II Gerade Übergangsbogen

III Gerade Kreisbogen

IV Übergangsbogen Kreisbogen

Tabelle 3.3:

Zusammenfassende Auflistung der Laufwagenpositionen in den jeweiligen Berei-

chen

3.2.1.2 Bereich I

Ziel in diesem Abschnitt ist es,

über

zu beschreiben. Als Grenzen für diesen Bereich

gelten

(

qL,0

) = 0 und

(

qL,I

(

qL,I

)ist zu diesem Zeitpunkt noch nicht bekannt und muss

im späteren Verlauf bestimmt werden. Da beide TCP der Laufwagen sich in diesem Bereich

auf der Geraden befinden, ist

qGL

(

) =

qGR

(

)=0. Dieser Bereich ist in Abbildung 3.5

dargestellt.

Mit zL=zR= 0 ergibt sich für ℓ2

ℓ2

F= cos2(α

2)·(xL−xR)2+ sin2(α

2)·(xL+xR)2

=x2

L·cos2(α

2)−2·xL·xRcos2(α

2) + x2

R·cos2(α

+x2

L·sin2(α

2)+2·xL·xR·sin2(α

2) + x2

R·sin2(α

=x2

L·(cos2(α

2) + sin2(α

2)) −2·xL·xR·(cos2(α

2)−sin2(α

2))

+x2

R·(cos2(α

2) + sin2(α

2))

=x2

L+x2

R−2·xL·xR·cos(α)(3.27)

Anschließend wird diese Gleichung nach xRaufgelöst.

0 =x2

R−xR·(2 ·xL·cos(α)) + x2

L−ℓ2

F(3.28)

⇒xR1,2 =xL·cos(α)±√︂x2

L·cos2(α)−x2

L+ℓ2

F(3.29)

Modellentwicklung für die Faltstrecke 39

LxRx

LzRz

qL,I

qR,0

0z0

qR,I

Abbildung 3.5: Kinematik Bereich I

Da der Laufwagen auf dem rechten Transportsystem vorausläuft, ist die Größere der beiden

Lösungen der Gleichung korrekt.

xR=xL·cos(α) + √︂x2

L·cos2(α)−x2

L+ℓ2

F(3.30)

Aus der Definition der Antriebe sowie Koordinatensysteme kann nun für Gleichung (3.30)

durch qLsowie xRdurch qRersetzt werden.

qR=qL·cos(α) + √︂q2

L·cos2(α)−q2

L+ℓ2

F(3.31)

40 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

Die so erhaltene Gleichung beschreibt

in Abhängigkeit von

und ist somit der in diesem

Abschnitt gesuchte Zusammenhang. Aus der Gleichung (3.31) kann durch einsetzen von

= 0

qR,0 bestimmt werden.

qR,0 = 304 mm

3.2.1.3 Bereich II

Ziel in diesem Abschnitt ist es ebenso

(

)zu beschreiben. Als Grenzen für diesen Bereich

gelten

(

qL,I

)und

(

qL,II

). Beide sind zu diesem Zeitpunkt noch nicht bekannt und müssen

bestimmt werden. Der TCP des linken Laufwagens befindet sich in diesem Bereich auf der

Geraden, womit

qGL

(

)=0ist. Der TCP des rechten Laufwagens befindet sich in diesem

Bereich auf dem Übergangsbogen. Dieser Bereich ist in Abbildung 3.6 zu sehen.

Um die Kinematik für Bereich II herzuleiten, muss die Gleichung für den Übergangsbogen

bestimmt werden. Dabei ist der Abstand des Mittelpunktes des Übergangsbogen in x-Richtung

im R-Koordinatensystem bekannt, da der Übergangsbogen die Gerade durch den Eingriffspunkt

tangiert und beträgt somit den Wert ℓF.

RPUB,M =(︄xR

ℓF)︄(3.32)

Der Mittelpunkt vom Kreisbogen PKB,M ist bekannt und kann in R beschrieben werden.

RPKB,M =(︄ℓFS ·cos(α)

−ℓFS ·sin(α))︄(3.33)

Die Radien der beiden Kreise über dem Kreisbogen und Übergangsbogen sind bekannt. Da

sich beide Kreise in nur einem Punkt schneiden, gilt für den Abstand:

2·ℓF=|PUB,MPKB,M|

2·ℓF=√︁(xUB,M −xKB,M)2+ (zUB,M −zKB,M)2.(3.34)

Durch umstellen dieser Gleichung nach xUB,M erhält man folgenden Term.

Modellentwicklung für die Faltstrecke 41

LxRx

LzRz

qL,I

qL,II

0z0

qR,II

qR,I

PUB,M

PKB,M

Abbildung 3.6: Kinematik Bereich II

xUB,M =xKB,M ±√︂4·ℓ2

F−(zUB,M −zKB,M)2(3.35)

Da der Übergangsbogen vor dem Kreisbogen liegt, folgt

xUB,M ≤xKB,M

. Damit ergibt sich

xUB,M zu

xUB,M =xKB,M −√︂4·ℓ2

F−(zUB,M −zKB,M)2.(3.36)

Durch einsetzen der Bekannten Punkte kann xUB,M berechnet werden.

42 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

xUB,M =ℓFS ·cos(α)−√︂4·ℓ2

F−(ℓF+ℓFS ·sin(α))2(3.37)

Der Kreismittelpunkt des Übergangsbogens ergibt sich zu:

RPUB,M =(︄ℓFS ·cos(α)−√︁4·ℓ2

F−(ℓF+ℓFS ·sin(α))2

ℓF)︄.(3.38)

xUB,M

entspricht

qR,I

, da an dieser Stelle der TCP von der Geraden auf den Übergangsbogen

übergeht.

qR,I ≈478 mm

Aus Gleichung (3.37) ist nun der Übergang

qL,I

ermittelbar. Dieser kann durch Einsetzen in

Gleichung(3.28) und anschließendes auflösen nach xLermittelt werden.

qL,I ≈213 mm

Die Kreisgleichungen für den Übergangsbogen sowie den Kreisbogen im R-Koordinatensystem

ergeben sich zu:

Allg.: r2=(x−xM)+(z−zM)(3.39)

UB: ℓ2

F=(xR−ℓFS ·cos(α)−√︂4·ℓ2

F−(ℓF+ℓFS ·sin(α))2)2+ (zR−ℓF)2(3.40)

KB: ℓ2

F=(xR−ℓFS ·cos(α))2+ (zR−(−ℓFS ·sin(α)))2

ℓ2

F=(xR−ℓFS ·cos(α))2+ (zR+ℓFS ·sin(α)))2.(3.41)

in Abhängigkeit von

zu beschreiben, muss nun die Gleichung (3.40) nach

umgestellt

werden.

Modellentwicklung für die Faltstrecke 43

ℓ2

F=(xR−ℓFS ·cos(α))2+ (zR−(−ℓFS ·sin(α)))2

⇔ℓ2

F=x2

R−2·xR·xUB,M +x2

UB,M +z2

R−2·zR·zUB,M +z2

UB,M (3.42)

→zR1,2 =zUB,M ±√︂−xR+ 2 ·xR·xUB,M +ℓ2

F(3.43)

Aus der Bedingung, dass zR≤zUB,M ist, kann die korrekte Lösung ausgewählt werden.

zR=zUB,M −√︂−x2

R+ 2 ·xR·xUB,M −x2

UB,M +ℓ2

F(3.44)

Nun muss Gleichung (3.38) in Gleichung (3.44) eingesetzt werden.

zR=ℓF−√︂−x2

R+ 2 ·xR·xUB,M −ℓF−ℓ2

FS ·cos(2 ·α)+3·ℓ2

F−2·ℓFS ·(cos(α) + ℓF·sin(α))

(3.45)

mit xUB,M =ℓFS ·cos(α)−√︂4·ℓ2

F−(ℓF+ℓFS ·sin(α))2

Gleichung (3.45) entspricht qGR, wodurch dies ebenso bekannt ist.

qGR =ℓF−√︂−q2

R+ 2 ·qR·xUB,M −ℓF−ℓ2

FS ·cos(2 ·α)+3·ℓ2

F−2·ℓFS ·(cos(α) + ℓF·sin(α))

(3.46)

mit xUB,M =ℓFS ·cos(α)−√︂4·ℓ2

F−(ℓF+ℓFS ·sin(α))2

Durch Einsetzen von Gleichung (3.45) und

= 0 in Gleichung (3.26), ist nun der gesuchte

Zusammenhang bekannt.

qR,II = cos(α

2)·(ℓFS ·cos(α

2)−ℓF·sin(ϵKB)) −sin(α

2)·(1

2·(ℓF−ℓKBUBz)) (3.47)

Da nun die gesuchte Beziehung bekannt ist, müssen die fehlenden Bereichsgrenzen bestimmt

werden. Um den Kontaktpunkt der Kreise zu bestimmen und damit den Übergang von Bereich

II nach Bereich III, wird der Punkt RPUB,M im 0-Koordinatensystem ausgedrückt.

44 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

0PUB,M =0

RT·RPUB,M

=[︄cos(α

2)−sin(α

−sin(α

2)−cos(α

2)]︄·RPUB,M

=[︄cos(α

2)−sin(α

−sin(α

2)−cos(α

2)]︄·(︄ℓFS ·cos(α)−√︁4·ℓ2

F−(ℓF+ℓFS ·sin(α))2

ℓF)︄(3.48)

ℓFS

ϵKB

ℓF

PKB,M

PUB,A

PUB,E

PUB,M

ℓKBUBz

ℓFS

Abbildung 3.7: Geometrische Bestimmung von RPUB,E

Über die in Abbildung (3.7) dargestellten geometrischen Beziehungen lässt sich

RPUB,E

aus

ℓKBUBz

sowie

ϵKB

bestimmen. Um

ℓKBUBz

zu berechnen, wird die z-Komponente des zuvor ins

0-Koordinatensystem transformierten Punktes 0PUB,M benötigt. ℓKBUBz ergibt sich zu:

Modellentwicklung für die Faltstrecke 45

ℓKBUBz =1

2·ℓF+ (ℓFS ·cos(α)−√︂4·ℓ2

F−(ℓF+ℓFS ·sin(α))2)·sin(α

2+ℓF·cos(α

2))

(3.49)

Somit lässt sich ϵKB bestimmen über:

ϵKB = arccos(ℓKBUBz

2·ℓF

)(3.50)

RPUB,E ist somit bekannt über:

0PUB,E =(︄ℓFS ·cos(α

2)−ℓF·ϵKB

2·ℓF−ℓKBUBz

2)︄(3.51)

Transformiert in das R-Koordinatensystem ergibt sich:

RPUB,E =R

0T·0PUB,E

=(︄cos(α

2)·(ℓFS ·cos(α

2)−ℓF·sin(ϵKB)) −sin(α

2)·(1

2·(ℓF−ℓKBUBz))

−sin(α

2)·(ℓFS ·cos(α

2)−ℓF·sin(ϵKB)) −cos(α

2)·(1

2·(ℓF−ℓKBUBz)))︄(3.52)

Der Übergang von Bereich II nach Bereich III entspricht der x-Komponente von RPUB,E.

3.2.1.4 Bereich III

Analog zu Bereich I und Bereich II ist das Ziel,

in Abhängigkeit von

zu beschreiben. Als

Grenzen für diesen Bereich gelten

(

qL,II

)und

(

qL,III

). Beide sind zu diesem Zeitpunkt noch

nicht bekannt und müssen bestimmt werden. Der TCP des linken Laufwagens befindet sich

in diesem Bereich auf der Geraden, womit

qGL

(

)=0gilt. Der TCP des rechten Laufwagens

befindet sich in diesem Bereich auf dem Kreisbogen. Dieser Bereich ist in Abbildung 3.8

dargestellt.

Da sich der rechte Laufwagen auf dem Kreisbogen bewegt, muss die Komponente

aus

Gleichung (3.26) entsprechend eingesetzt werden. Dies wird über die Verwendung der Kreisglei-

chung des Kreisbogens (3.41) unter Verwendung des Kreibogenmittelpunktes (3.33) gemacht.

46 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

LxRx

LzRz

III

qL,II

qL,III

0z0

qR,II

qR,III

PKB,M

Abbildung 3.8: Kinematik Bereich III

ℓ2

F=(xR−ℓFS ·cos(α))2+ (zR+ℓFS ·sin(α)))2

=x2

R−2·xR·ℓFS ·cos(α) + z2

R+ 2 ·zR·ℓFS ·cos(α) + ℓ2

Durch lösen der nach zRergibt sich:

zR1,2 =−ℓFS · ±√︂−1·(ℓFS ·cos(α)−x2

R+ℓF)(3.53)

In diesem Fall wird die positive der beiden Lösungen gesucht, da der Kreisbogen sich in positiver

z Richtung befindet.

zR=−ℓFS ·+√︂−1·(ℓFS ·cos(α)−x2

R+ℓF)(3.54)

Modellentwicklung für die Faltstrecke 47

Aus dieser Gleichung ist nun die Gleichung für qGR bekannt mit:

qGR =−ℓFS ·+√︂−1·(ℓFS ·cos(α)−q2

R+ℓF)(3.55)

Durch einsetzen von Gleichung (3.54) zusammen mit

= 0 in Gleichung (3.26) und anschlie-

ßendem umstellen nach xRergibt sich:

xR(xL) = 1

2(xL+ℓFS)·cos (α) + √︄ℓ2

F−(︃1

2(xL+ℓFS)−ℓFS)︃2

·sin (α)(3.56)

Was entsprechend für qR(qL)gilt:

qR(qL) = 1

2(qL+ℓFS)·cos (α) + √︄ℓ2

F−(︃1

2(qL+ℓFS)−ℓFS)︃2

·sin (α)(3.57)

3.2.1.5 Bereich IV

Ziel in diesem Abschnitt ist es ebenso

über

zu beschreiben. Als Grenzen für diesen Bereich

gelten

(

qL,III

)und

(

qL,IV

). Die Bereichsgrenzen sind bereits bekannt.

qL,III

entspricht

qR,I

und

qL,IIII

entspricht

qR,II

. Der TCP des linken Laufwagen befindet sich in diesem Bereich auf

dem Übergangsbogen. Der TCP des rechten Laufwagens befindet sich in diesem Bereich auf

dem Kreisbogen. Dieser Bereich ist in Abbildung 3.9 dargestellt. Die Gleichung für

(

)ist

bereits aus Bereich III bekannt, siehe Gleichung (3.54) Die Gleichung für

(

)ist bereits

aus Bereich II bekannt, siehe Gleichung (3.44). Dort wurde dieser Zusammenhang für das

R-Koordinatensystem hergeleitet. Durch die Spiegelsymmetrie kann durch einen Indizetausch

dieser in Bereich IV für den nachlaufenden Laufwagen verwendet werden. Durch einsetzen in

Gleichung (3.26) und auflösen nach xRergibt sich folgender Term.

48 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

LxRx

LzRz

qR,IV

qL,III

qL,IV

0z0

qR,III

PR=PA

PKB,M

PUB,M

Abbildung 3.9: Kinematik Bereich IV

Modellentwicklung für die Faltstrecke 49

xR(xL) = −a4−√︁a2

4−4·a·a5

2·a·cos(α) + a6·sin(α)(3.58)

a1=−(−√︃ℓ2

F−(xL+√︂4·ℓ2

F−(ℓF+ℓFS ·sin(α))2−ℓFS ·cos(α))2+ℓF)

a2=x2

L+a2

1−ℓ2

a3= 1 + (ℓFS −xL

−a1

a4= (a2·(ℓFS −xL)

−a1

)−(2 ·xL)−2·(ℓFS −xL))

a5=a2

4·a2

+−a2+x2

L+a2

1−ℓ2

a6=√︄ℓ2

F−(−a4−√︁a2

4−4·a3·a5

2·a3

−ℓFS)2

Die so hergeleiteten Gleichungen zur Beschreibung der Laufwagenposition in Abhängigkeit des

nachlaufenden Laufwagens, ermöglichen eine Beschreibung der kinematischen Zusammenhänge

im Bereich der Faltung.

50 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

3.2.2 Modellentwicklung für die Zuführung

Um die Bewegungsabläufe der Faltung

qλ

mit der einlaufenden Bahn zu verknüpfen, muss das

Verhalten der Separatorbahn in der Zuführung beschrieben werden. Die Zuführung besteht

aus zwei statisch aufgehängten Zuführungsrollen, gefolgt vom Pendler und endet im TCP des

letzten im Eingriff befindlichen Greifers des Transportsystems.

beschreibt den Vorschub des

Separators am Eingang der Baugruppe. Gesucht ist die Laufvariable des linken Greifers

(

)

in Abhängigkeit von λ.

Die Bewegung des Pendlers wird über eine Cosinus-Funktion beschrieben.

qP(λ) = qP,max ·cos(π·λ

ℓF

)(3.59)

Die Amplitude des Pendlers

qP,max

ergibt sich dabei aus der Kinematik. Die sich für die

Zuführung ergebenden Zusammenhänge sind in Abbildung (3.10) dargestellt.

Modellentwicklung für die Zuführung 51

δZ

βZ

ℓo

PZ,M

PP,M

γPu

PPo,K

PZ,K

bPo

δPu

PPu,K

bPu

ℓu

ℓZP

δPo

γZ

γPo

βPo

ϵZ

φZ

φPo

ϵPo

φPu

βPu

ϵPu

ℓPL

Abbildung 3.10: Bahnverlauf in der Zuführstrecke

52 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

3.2.2.1 Bereichseinteilung der Zuführung

Die Zuführung teilt sich in 3 Bereiche auf. Der obere Bereich

ℓoben

ist der Verlauf vom

Mittelpunkt des Zuführungsrollenpaares

bis zum Mittelpunkt des Pendlerrollenpaares

und entspricht Bereich I. Der untere Bereich beschreibt die Bahn zwischen dem Mittelpunkt

des Pendlers

sowie des TCP des letzten im Eingriff befindlichen Laufwagens

. Der untere

Bereich unterteilt sich in Bereich II und III, wobei der Bereichsübergang dort liegt, wo die aktive

Pendlerrolle wechselt. Dies geschieht, wenn der Pendler über dem Greifer-TCP des letzten sich

im Eingriff befindenden Laufwagens steht. Für die Übergangsbedingung gilt:

qP=qL·sin(α

2)(3.60)

PP,M,R

γPu

ℓu

φPu

βPu

ϵPu

ℓPL

PP,M,L

ℓPL

Abbildung 3.11: Kinematische Konfiguration an der Bereichsgrenze

Modellentwicklung für die Zuführung 53

Damit gilt für die Länge des Separators in der Zuführung:

ℓZu =ℓoben +ℓunten (3.61)

3.2.2.2 Bereich I

In diesem Abschnitt wird die Länge der Separatorbahn

ℓoben

bestimmt. Diese besteht aus der

Strecke zwischen den Kontaktpunkten an den Rollen

ℓo

|PZ,KPPo,K|

, dem Bogen an der

Pendlerrolle bZsowie dem Bogen an der Zuführungsrolle bPo.

ℓoben =ℓo+bZ+bPo (3.62)

Die folgenden Gleichungen gelten für

−ℓF

2≤λ≤ℓF

und damit für die halbe Periode der

Pendlerrolle. Dabei ist der Pendler links von den beiden Zuführungsrollen. Für

λ≥ℓF

wird

der Separator von der rechten Zuführrolle und der linken Pendlerrolle geführt, und nicht mehr

von der linken Zuführrolle und der rechten Pendlerrolle. Damit ist der Pendler nun rechts der

beiden Zuführungsrollen. Da dieser Bereich an der vertikalen Achse des 0-Koordinatensystems

gespiegelt ist, gelten alle Berechnungen analog. Genau bei

n·ℓF

ℓF

findet der Wechsel

zwischen den führenden Rollen des Separators statt.

Im ersten Schritt wird die Länge der Tangente zwischen der Zuführungsrolle und der Penglerrolle

ℓobestimmt. Für den Abstand der beiden Rollen gilt:

|PZ,MPP,M|=ℓZP =√︁h2

z+ (qP−2·rRolle)2(3.63)

54 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

Aus den geometrischen Beziehungen zwischen den beiden Rollen und dem nun bekannten

Abstand lassen sich die Winkel γZ,βZ,φZund ϵZbestimmen.

sin(γZ) = rRolle ·sin(π

2·ℓZP

(3.64)

sin(γZ) = 2·rRolle

ℓZP

(3.65)

γZ=γPo (3.66)

φZ=φPo (3.67)

βZ=βPo (3.68)

ϵZ=ϵPo (3.69)

ℓZP

2·cos(βZ) =rRolle (3.70)

⇔2·rRolle

ℓZP

= cos(βZ)(3.71)

γZ= arcsin(2·rRolle

ℓZP

)(3.72)

βZ= arccos(2·rRolle

ℓZP

)(3.73)

δ=π−βZ−φZ(3.74)

ϵZ=βZ+φZ−π

2(3.75)

tan(φZ) = hZ

qP−rRolle

(3.76)

φZ=arctan(hZ

qP−rRolle

)(3.77)

Damit ergibt sich für die Berührpunkte:

PK,Zu =(︄rRolle ·cos(ϵZ)

rRolle ·(1 −sin(ϵZ)))︄(3.78)

PK,Po =(︄hZ−rRolle ·cos(ϵZ)

qP−rRolle +rRolle ·sin(ϵZ))︄(3.79)

Modellentwicklung für die Zuführung 55

Für die Länge der Tangente ℓogilt nun:

Rolle + (ℓo

2)2= (ℓZP/2)2(3.80)

ℓo

4=ℓ2

4−r2

Rolle (3.81)

ℓ2

o=ℓ2

ZP −4·r2

Rolle (3.82)

⇒ℓo=√︂ℓ2

ZP −4·r2

Rolle (3.83)

Nun können die beiden Kreisbögen bestimmt werden. Mit

δZ=π−βZ−φZ(3.84)

ergibt sich

bZ=rRolle ·δZ

=rRolle ·(π−βZ−φZ)(3.85)

Aus den dargestellten Zusammenhängen lässt sich ℓoben bestimmen.

ℓoben =ℓo+bZ+bPo

=ℓo+ 2 ·bZ

=√︂ℓ2

ZP −4·r2

Rolle + 2 ·rRolle ·(π−arccos(2·rRolle

ℓZP

)−arctan(hZ

qP−rRolle

)) (3.86)

mit ℓZP =√︁h2

z+ (qP−2·rRolle)2(3.87)

3.2.2.3 Bereich II

Bereich II gilt für

(0)

≤qP≤qL·sin

(

). Hier findet der Übergang des Separators von der

rechten auf die linke Pendlerrolle statt. Die Variable

ℓunten

beschreibt die Länge des Separators

in der Zuführung zwischen Pendler und Greifer-TCP des letzten sich im Eingriff befindenden

Laufwagens. Für den Punkt des Greifer-TCP gilt:

PL=(︄qL·cos(α

qL·sin(α

2))︄.(3.88)

56 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

Daraus folgt für den Abstand zwischen PLund dem Mittelpunkt der Pendlerrolle PP,M:

ℓ2

PL = (hP+qL·cos(α

2))2+ (qP−rRolle −qL·sin(α

2)) (3.89)

Damit gilt für die Winkel:

ℓPL ·sin(γPu) = rRolle (3.90)

⇔γPu = arcsin(rRolle

ℓPL

)(3.91)

βPu =π

2−γPu (3.92)

ℓPL ·sin(φPu) = hP+qL·cos(α

2)(3.93)

⇔φPu = arcsin(hP+qL·cos(α

ℓPL

)(3.94)

δ=π−(βPu +φ)(3.95)

ϵPu =π

2−δPu (3.96)

ℓu=ℓPL ·cos(γPu)(3.97)

Berechnung von ℓu

ℓ2

u=(qL·cos(α

2) + hP−rRolle ·cos(ϵ2

Pu))

+ (qL·sin(α

2)−qP+rRolle −rRolle ·sin(ϵPu))2

=q2

L·cos(α

2) + h2

P+rRolle ·cos(ϵPu)2+ 2 ·qL·hP·cos(α

−2·rRolle ·qL·cos(α

2)·cos(ϵPu)−2·hP·rRolle ·cos(ϵPu)

+q2

L·sin(α

2)2+q2

P+r2

Rolle +r2

Rolle ·sin(α

2)−2·qL·qP·sin(α

+rRolle ·qL·sin(α

2)−rRolle ·qL·sin(α

2) sin(ϵPu)−2·qP·rRolle

+ 2 ·qP·rRolle ·sin(ϵPu)−r2

Rolle ·sin(ϵPu)(3.98)

Die Bogenlänge berechnet sich aus

bPu =rRolle ·δPu (3.99)

Modellentwicklung für die Zuführung 57

Für ℓunten folgt damit

ℓunten =ℓu+bPu (3.100)

3.2.2.4 Bereich III

PP,M

γPu

δPu

PK,Pu

bPu

ℓu

φPu βPu

ϵPu

ℓPL

Abbildung 3.12: Kinematische Konfiguration nach der Bereichsgrenze ℓunten

Bereich III gilt für

qL·sin

(

)

≤qP≤qP

(

ℓF

). Für den Abstand

ℓPL

zwischen Mittelpunkt der

Pendlerrolle PP,M und PLgilt:

ℓ2

PL = (hP+qL·cos(α

2))2+ (qP−rRolle +qL·sin(α

2))2(3.101)

58 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

Mit dem Abstand ℓPL ergibt sich für die Winkel:

ℓPL ·sin(γPu) =rRolle (3.102)

⇔γPu = arcsin(rRolle

ℓPL

)(3.103)

βPu =π

2−γPu (3.104)

ℓPL ·sin(φPu) =hP+qL·cos(α

2)(3.105)

⇔φPu = arcsin(qL·cos(α

ℓPL

)(3.106)

δPu =π−(βPu −φPu)(3.107)

ϵPu =π

2−δPu (3.108)

ℓunten =ℓu+bPu (3.109)

Der Zusammenhang für

ℓu

in Bereich III lässt sich analog zum Vorgehen in Bereich II herleiten.

Simulation des kinematischen Modells 59

3.2.3 Simulation des kinematischen Modells

In diesem Abschnitt werden mit Hilfe der zuvor hergeleiteten Gleichungen die Bewegungen der

Laufwagen während der Faltung berechnet. Im ersten Schritt wird diese analytische Lösung

in einer Simulationsumgebung (hier MatLab) implementiert und die Ergebnisse zum Vergleich

visualisiert.

Die Position des nachlaufenden Laufwagens entlang der Faltstrecke

ℓFS

ist über

beschrieben,

während der TCP des Greifers über

und

qGL

beschrieben wird. Diese Position hängt in Bereich

I vom Separatorvorschub

und der Länge des Bahnmaterials im Pendler ab. Die Position des

vorlaufenden Laufwagens

wird aus der Position des nachlaufenden Laufwagens berechnet.

Die Berechnung erfolgt über den Abstand der beiden TCP zueinander. Diese sind immer um

ℓF

voneinander entfernt. Der nachlaufende Laufwagen wird so Bereichsweise bewegt und der

vorlaufende Laufwagen entsprechend berechnet. Das Ergebnis der Simulation zeigt Abbildung

3.13 in Weltkoordinaten.

repräsentiert die Bahn des TCP des nachlaufenden Laufwagens

für die Bereiche I bis IV,

steht für die Bahn des TCP des vorlaufenden Wagens. Die grauen

Bereiche sind ergänzte Bahnbereiche, welche sich aus der kontinuierlichen Bewegung und dem

Wechsel zwischen nachlaufendem und vorlaufendem Laufwagen ergeben.

In der Abbildung 3.13 ist zu sehen, dass sich beide Bahnen im Eingriffspunkt

schneiden

(Punkt (0|0)). Von dort aus entsprechen die Bahnen einer Geraden, welche bis zum Über-

gangsbogen verlaufen. Bei

0x≈

470 fängt der Übergangsbogen an (konkave Bahn) und bei

0x≈

510 der Kreisbogen (konvexe Bahn). Am Übergang in den Kreisbogen endet die Bahn

des PL, da hier PRim Ablagepunkt angekommen ist.

Die Simulation hat gezeigt, dass das kinematische Modell korrekt aufgestellt worden ist und

es nun als Basis in der Steuerung implementiert werden kann.

60 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

−160−140−120−100−80 −60 −40 −20 0 20 40 60 80 100 120 140 160

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

0z-Koordinate in mm

0x-Koordinate in mm

Abbildung 3.13: Berechneter Bahnverlauf der TCP in Weltkoordinaten

Fehlermodell 61

3.3 Fehlermodell

In diesem Abschnitt wird ein Fehlermodell zur Betrachtung der Einflüsse der jeweiligen Parame-

ter auf die erreichbare Ablagegenauigkeit des Systems zur kontinuierlichen z-Faltung aufgestellt.

Dazu wird die Empfindlichkeit der Zielgröße auf die jeweiligen Abweichungen der einzelnen

Parameter untersucht. Ziel der Betrachtung ist es, den Einfluss möglicher Fehler abzuschätzen

und diese gegebenenfalls zu korrigieren. Das Modell basiert dabei auf dem zuvor hergeleiteten

kinematischen Modell und misst die Güte des Verfahrens anhand der Lage der Elektrodenfolien

im z-gefalteten Stapel.

Bei der Betrachtung der Fehler wird in zwei Fehlerarten unterschieden. Die systematischen

Fehler sind reproduzierbare Fehler, welche sich durch Verfahren wie Mapping oder Feinkalibrie-

rung minimieren lassen. Stochastische Fehler sind zufällig und treten annähernd normalverteilt

auf. Sie lassen sich mathematisch beschreiben, jedoch nicht direkt korrigieren.

Die Tabelle 3.3 zeigt typische Ursachen der jeweiligen Fehlerarten.

Systematische Fehler Stochastische Fehler

Fertigungs- und Montagetoleranzen Spiel in den Führungen

Nichtlinearitäten der Messsysteme Schwingungen durch äußere Einflüsse

temperaturbedingte Bauteilausdehnung Messunsicherheiten der Messsysteme

Tabelle 3.4:

Übersicht üblicher Ursachen systematischer und stochastischer Fehler nach

[DIN13191]

Die Empfindlichkeit eines Systems gibt an, wie das Ausgangssignal auf eine Änderung des

Eingangssignals reagiert. Die Empfindlichkeit

ist nach [

VDI2600

] [

DIN13191

] wie folgt

definiert:

EF=∆xA

∆xE

(3.110)

Im Bereich der Industrieroboter werden zwei Empfindlichkeiten definiert: die Strukturempfind-

lichkeit sowie die Maßtoleranzempfindlichkeit [

Pok-04

]. Die Strukturempfindlichkeit gibt an,

in welcher Wiese sich die Fehlstellungen der Antriebe auf den Fehler in der Pose des Endef-

fektors auswirken. Die Maßtoleranzempfindlichkeit gibt die Auswirkungen von geometrischen

Abweichungen, wie Längenfehlern innerhalb der Struktur, auf die Pose des Endeffektors wieder.

62 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

3.3.1 Fehlereinflüsse

Das Fehlermodell berücksichtigt Antriebs-, Längen- und Winkelfehler. Antriebsfehler sind

Positionierfehler der Antriebsachsen, wie sie zum Beispiel durch Abweichungen zwischen Ist

und Sollposition auftreten. Diese werden für die Laufwagen, die Greifer und den Pendler be-

rücksichtigt. Längenfehler beschreiben die Auswirkungen von Montageabweichungen bei der

Aufhängung der Transportsysteme. Diese können im Modell durch die Integration von Fehler-

termen umgesetzt werden. Winkelfehler sind Fehler aus der Lage zwischen Transportsystemen,

Pendler und Zuführrollenpaar. Diese beeinflussen die Lage der Bahn im Raum relativ zum

Eingriffspunkt.

Nicht betrachtet werden Abweichungen aus den Antrieben der Rollen in der Zuführung sowie

des Pendlers. Fehler aus den Antrieben können durch den Kontakt der Rollen mit dem Bahn-

material die Bahnspannung verändern, womit die Lage der Falte auf der Bahn relativ zum

Eingriffspunkt verschoben wird. Im weiteren werden Fehler aus den Rollenradien nicht betrach-

tet. Abweichungen im Radius der Rollen über die Winkellage erzeugen einen ungleichmäßigen

Vorschub des Bahnmaterials. Gleichzeitig führen diese zu Abweichungen im Umfang der Rolle.

Diese Umfangabweichung kann unter der Annahme der Schlupffreiheit zwischen Bahnmaterial

und Rolle zu Skalierungsfehlern führen, und sich somit zu Abweichungen in der Faltenposition

ergeben, welche sich von Falte zu Falte aufsummieren.

Ebenso nicht berücksichtigt werden Einflüsse, die durch ein Durchrutschen des Bahnmaterials

am Greifer entstehen können. Sollte die Bahnspannung zwischen zwei nachfolgenden Falten

zu große Unterschiede aufweisen, könnte es zu einem verrutschen des Materials am Greifer

kommen. So würde sich die Position der Falte auf der Bahn nach dem Eingriff verändert.

Schwingungen, Vibrationen sowie Bahnfehler, die durch die Trägheit der Bahn im Pendler

entstehen, werden ebenso nicht abgebildet.

3.3.2 Empfindlichkeitsanalyse

Wie Antriebs- und Längenfehler das System beeinflussen, lässt sich mit Hilfe des kinematischen

Modells quantitativ bestimmen. Für diesen Zweck werden gezielt die jeweiligen Elemente

des kinematischen Modells mit einem Fehler beaufschlagt, welcher die Bahn der Laufwagen

während der Faltung beeinflusst.

Für jedes Element werden die Abweichungen vom Idealwert durch Therme repräsentiert. Die

Ergebnisse der Berechnung werden, über eine Skizze mit einer Freiheit, dargestellt und ihr Ein-

fluss auf die Faltenlänge

ℓF

bestimmt. Dazu wird die Konfiguration ohne Fehler aufgebaut und

Empfindlichkeitsanalyse 63

die Länge des Separators ermittelt. Anschließend wird das Modell um einen definierten Fehler

∆

ℓFS

= 0

variiert und die Veränderung des zu betrachtenden Parameters aufgezeichnet.

Im Bereich der Faltung lassen sich, basierend auf dem aufgestellten kinematischen Modell, fünf

Einflussfaktoren auf die Faltenlänge bestimmen:

sowie

. Im Pendler sind es

die drei Parameter qP,hP,hZ.

Für den Fehler der Faltenlänge

ℓF

, der aus der Positionsdifferenz der Laufwagen

qPosDiff

entsteht,

muss die Kontaktbedingung untersucht werden. Zum idealen Eingriffszeitpunkt befindet sich

der Pendler in seiner maximalen Auslenkung

qP,max

. Unter der Annahme kleiner Abweichungen

von

qPosDiff <

kann

als konstant angenommen werden. Dies ist auf die sehr kleinen

Änderungen am Sinus in den jeweiligen Scheitelpunkten zurückzuführen. Basierend auf dieser

Annahme ist der Fehler aus

qP,PosDiff

geometrisch abhängig von der Absolutgeschwindigkeit

λP ostP endler

und

vLaufwagen

, sowie der Lage der Vektoren zueinander. Dieser Zusammenhang ist

in Abbildung 3.14 dargestellt.

Separatorbahn TCP Bahn

˙PostP

∆λ

qL,PosDiff

q˙L

Abbildung 3.14: Fehlereinflluss von qL,PosDiff auf den Eingriffzeitpunkt

Aus der kinematischen Beziehungen in Abbildung 3.14 lässt sich der Einfluss von

qPosDiff

auf

∆

ℓFS

, basierend auf den Geschwindigkeitsverhältnissen in der Umgebung des Eingriffspunktes,

bestimmen. Für diesen Fall entspricht die lokale Separatorgeschwindigkeit

λPostP

der globalen

˙, da sich die Länge über den Pendler zu diesem Zeitpunkt nur vernachlässigbar ändert.

˙PostP =λ

˙(3.111)

Wird nun der Einfluss von

analog zu

über die Skizzenmethode bestimmt, berechnet sich

die Geschwindigkeit von

q˙L

≈

560

bei einer Schrittweite von ∆

= 0

. Über

64 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

das nun bekannte Geschwindigkeitsverhältnis lässt sich der Fehlereinfluss auf die Position der

Falte sowie die Faltenlänge

ℓF

bestimmen. Der Fehlereinfluss von

qGi,PosDiff

geht dabei direkt in

die Faltposition

λFn

und Faltenlänge

ℓF

ein. Die Ergebnisse der Berechnungen sind in Tabelle

3.3.2 zusammengefasst.

Parameter ∆P arameter für ∆ℓF= 0,5 mm Empfindlichkeit EEinflussart

α0,056 °8,93 mm

/°statisch

qGL 0,62 mm 0,80 statisch

qGR siehe qGL 0,80 statisch

qL2,10 mm 0,24 statisch

qRsiehe qL0,24 statisch

qP0,95 mm 0,53 dynamisch

hP0,45 mm 1,11 statisch

hZ0,52 mm 0,96 statisch

Parameter ∆P arameter für ∆ℓF= 0,5 mm

und Faltenposition Empfindlichkeit EEinflussart

qPosDiff bei PE0,56 mm 0,89 dynamisch

qGi,PosDiff bei PE1,11 mm 0,45 dynamisch

Tabelle 3.5:

Fehlereinfluss der Parameter auf die Faltenlänge

ℓF

, gegliedert nach der jeweiligen

Ermittlungsmethode

Um das Ergebnis für

in Verhältnis zu den anderen Längenangaben zu setzen, muss der

zulässige Fehler bestimmt werden, mit dem die Ablagepunkte

PA,L

und

PA,R

ausgerichtet

werden müssen, wenn

als exakt angenommen wird. Hier wird erneut auf eine Skizze

zurückgegriffen. Aus dieser lässt sich ermitteln, dass

der beiden Transportsysteme mit

einem maximal zulässigen Fehler von 0

für jede der beiden Seiten eingerichtet werden

muss, um innerhalb der veranschlagten Referenzabweichung von ∆ℓFS = 0,5 mm zu bleiben.

Alle statischen Fehler gehen auf die Geometrie der Baugruppe zurück. Weil sie von der

Geometrie abhängen, sind sie sehr gut kontrollierbar. Eine Abweichung in

hat mit Abstand

den größten Einfluss auf die Faltenlänge. Aus diesem Grund ist bei der Montage besonders

auf diesen Parameter zu achten. Da diese Fehler durch entsprechende Justage der Elemente

zueinander sehr gut kompensierbar sind, liegen die dynamischen Fehler im Fokus des nächsten

Kapitels.

Vorhersage der Elektrodenposition im Stapel 65

3.3.3 Vorhersage der Elektrodenposition im Stapel

Mit Hilfe der Parameter ∆

sowie ∆

und ∆

qGL

sowie ∆

qGR

lässt sich ein Modell zur Vorher-

sage der Elektrodenposition in der Ablageebene aufstellen. Diese Position ist ein quantitatives

Maß der erreichbaren Stapelgüte des Verfahrens. Im Kern wird die Ablagegüte durch die Fehler

aus den Antrieben bestimmt, also den dynamischen Fehlern, da die statischen Fehler durch eine

Vermessung des aufgebauten Systems in die Berechnung der Laufwagenpositionen übernom-

men und so kompensiert werden können. Dabei wird angenommen, dass das Separatormaterial

am TCP des Greifers nicht rutscht sowie vorerst eine ideale Lage der Elektroden auf dem

Separatormaterial gewährleistet ist. Die Position der Elektroden in der Ablageebene wird dabei

über ihr Mittelpunktkoordinatensystem angegeben.

PL,F

Bahn des TCP

qGR

∆qP

∆qGL

∆qL

˙postP

PPu,K

Abbildung 3.15: Hauptfehlereinflüsse zum Eingriffszeitpunkt

Für die Bestimmung der Ablageposition einer Elektrode im Stapel müssen zwei Zeitpunkte

während der Handhabung der Falte im Detail betrachtet werden. Der Zeitpunkt, an dem am

Eingriffspunkt

das Separatormaterial hintergriffen wird, sowie der Systemzustand im Moment

der Faltenübernahme durch den Niederhalter im Ablagepunkt

. Zum Eingriffszeitpunkt

wird die Position der Falte, und damit die Position der Elektrode, durch fünf dynamische

Parameter beeinflusst: die Position des Pendlers

, die Abweichungen in Vorschubrichtung

des Transportsystems ∆

,∆

, im Hub des TCP ∆

qGL

sowie ∆

qGR

. Die Positionsdifferenz

des Pendlers ändert die Lage der Separatorbahn im Raum. Diese Änderung verschiebt den

Eingriffspunkt für den TCP des linken Greifers. Die Bahnspannung des Separators wird durch

einen positiven Fehler

qP,PosDiff

erhöht und der Punkt

verschiebt sich entsprechend der

Längenverhältnisse der Strecken zwischen PK,Pu und PEsowie PEund PR.

66 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

Der Fehler

qGi,P osDiff

beeinflusst ebenso die Lage der Separatorbahn im Raum und verschiebt

den Punkt

in Richtung

. Der Fehler

qR,PosDiff

wirkt sich vorwiegend auf die Bahnspannung

des Separatormaterials zwischen dem TCP des rechten Greifers und dem Kontaktpunkt an der

Rolle des Pendlers aus. Diese Spannungsänderung durch

beeinflusst den Punkt

entlang

der Separatorbahn. In Abbildung 3.15 sind die Fehlereinflüsse aus den dynamischen Anteilen des

linken Laufwagens sowie des Pendlers eingezeichnet. Die Einflüsse des rechten Laufwagens, der

in diesem Moment die letzte Falte führt, sind zur Vereinfachung der Darstellung vernachlässigt

worden. Durch die alternierende Ablage der Elektroden im Zellstapel alterniert auch der Einfluss

der Fehler auf die Lage der Elektroden im Stapel.

Aus diesen Fehlereinflüssen wird ein Modell zur Vorhersage der Elektrodenposition im Stapel

hergeleitet. Dazu werden zunächst die Einflüsse der einzelnen Fehlerkomponenten auf die

Faltenposition zum Zeitpunkt des Hintergreifens geometrisch abgebildet und in einen Punkt

des realen Faltenhintergriffpunktes verrechnet. Anschließend wird die nächste Falte berechnet,

welche jedoch die Fehler aus der vorhergehende Falte als Ausgangspunkt für die Position und

Lage der Separatorbahn verwendet. In diesem Vorgehen wird für eine Anzahl von

= 100

Falten ein fortlaufender Fehlerverlauf, und der daraus resultierende Verlauf der Ablageposition

der Elektroden im Stapel, berechnet.

Werden die Annahmen für die Richtigkeiten und Präzisionen der einzelnen Einflussparameter

in das aufgestellte Fehlermodell eingesetzt, ergibt sich eine voraussichtliche Verteilung der

Abweichung der Elektrodenposition in

zElektrode

wie in Abbildung 3.16. Dabei wurde ein Fehler

von ∆

qT,PosDiff

sowie ∆

qGi,PosDiff

angenommen. Der Fehler für

∆

qT,PosDiff

basiert auf der Absolutgenauigkeit, die der Hersteller des Transportsystems in seinem

Datenblatt angibt. Die Annahme für ∆

qGi,PosDiff

resultiert aus der Angabe des Herstellers von

Miniaturrollen und deren Rundlaufgenauigkeit. Für den Pendler wird ein Fehler von ∆

qP,PosDiff

±0,05 mm angenommen.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

−0,40

−0,20

0,00

0,20

0,40

Faltennummer

∆zElektrode in mm

Abbildung 3.16:

Berechnete Elektrodenposition im Stapel unter Verwendung der Annahmen

zu den Abweichungen von qi,PosDiff und qGi,PosDiff

Vorhersage der Elektrodenposition im Stapel 67

In Abbildung 3.16 ist zu sehen, dass sich unter den oben genannten Annahmen eine Verteilung

der Elektrodenposition im einem Bereich von

ergibt. Um die Annahmen zu ersetzen,

müssen nun Messungen zu den Verteilungen der jeweiligen Parameter durchgeführt werden.

Eine Erweiterung der Berechnung um nicht ideal gefügte Elektroden und somit Positionsab-

weichungen dieser auf dem Separator wurde zusätzlich in die Berechnung integriert. Diese ist

jedoch in der Abbildung zu Null gesetzt.

68 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

3.4 Bewertung des Transportsystems

Die umlaufenden Transportsysteme stellen den Kern der Bewegungsführung dar. Da diese

Transportsysteme noch relativ neu sind, siehe Kapitel 2.6, muss überprüft werden, in wieweit

sie für diesen Prozess geeignet sind und welche Parameter in welcher Weise die Qualität

beeinflussen. Dabei muss der Einfluss der Nutzlast auf die Abweichungungen in der Position

der Laufwagen in Abhängigkeit von der Verfahrgeschwindigkeit ermittelt werden. Im Weiteren

muss die Genauigkeit der Laufwagen beim Anfahren eines Punktes, sowie das zeitliche Verhalten

währenddessen, untersucht werden. Auch eine Untersuchung der Genauigkeit und Richtigkeit

des internen Positionserfassungssystems ist aufgrund der Neuheit des Systems durchzuführen.

Das Transportsystem bewegt den Greifer als Nutzlast und fährt dabei mit dem Laufwagen eine

vorberechnete Bahn. Für kurze Strecken nahe dem Eingriffpunkt

sind Geschwindigkeiten

von 2

·λ

erforderlich. Von dort aus verzögert der Laufwagen seine Geschwindigkeit entlang der

Faltstrecke ℓFS bis hin zum Ablagepunkt PA.

In drei Experimenten wird untersucht, wie das Transportsystem auf unterschiedliche Nutzlasten

mit unterschiedlichen Verfahrgeschwindigkeiten reagiert. Ziel dieser Versuche ist es herauszu-

finden, wie die optimale Paarung zwischen Verfahrgeschwindigkeit des Transportsystems und

Nutzlast aussieht. Die maximale Verfahrgeschwindigkeit des Transportsystems im Prozess liegt

dabei kurzzeitig bei über

≈

150 % der Verfahrensgeschwindigkeit. Dafür wird im ersten Expe-

riment das Schwingungsverhalten für unterschiedliche Geschwindigkeits-Last-Kombinationen

untersucht. Im zweiten Versuch wird die Positioniergenauigkeit betrachtet und im Fokus der

dritten Untersuchung steht die Bahngenauigkeit.

Bei der Auswahl der Messverfahren und -methoden ist auf eine möglichst geringe Beeinflussung

des Prozesses durch die Messvorrichtung zu achten. Um die Rückwirkung des Messgeräts auf

das System auszuschließen, können kontaktlose Messverfahren eingesetzt werden. Dabei kann

es erforderlich sein, einen Teil des Messgeräts am Messobjekt zu montieren, wodurch, je nach

den entsprechenden Eigenschaften, es trotz kontaktloser Messung zu einer Rückwirkung auf

das Messobjekt kommen kann.

Linearencoder gehören zu der Gruppe kontaktloser Messsysteme, die entweder magnetisch oder

optisch die Position bestimmen können. Da der messende Teil jedoch am Laufwagen befestigt

werden muss, beeinflusst das Gewicht die Messung. Aus diesem Grund wird ein optisches

Messsystem, welches nach dem Prinzip der Lesertriangulation arbeitet, ausgewählt.

Durch eine Verarbeitung des Messsignals über kurze Messstrecken, kann seine Beeinflussung

durch Einstreuungen gemindert werden. Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass die Wieder-

Allgemeiner Versuchsaufbau 69

holbedingungen einzuhalten sind. So müssen alle Parameter, welche die Messung beeinflussen

könnten, gemessen oder zumindest unverändert gehalten werden.

3.4.1 Allgemeiner Versuchsaufbau

Das Transportsystem, welches in den Versuchen zum Einsatz kommt, hat eine Umlauflänge

von

qT,Umlauf

= 2000

wie im Gestaltungsentwurf von Bach. Es besteht aus vier Geraden-

modulen mit jeweils 250

Länge sowie zwei Klothoidenmodulen mit jeweils 500

. Die

in Abbildung 3.17 dargestellten Transportsysteme sind in einem etwas flacheren Winkel als

zueinander geneigt. Diese Konfiguration basiert auf den Annahmen, die im Rahmen der

Patenterarbeitung entstanden sind und auch in den Gestaltungsentwurf von Bach einflossen.

Auch im Projekt ProTrak wurde diese Konfiguration verwendet. Zum Einsatz kommen zwei

Transportsysteme mit jeweils mehreren Laufwagen.

Beide Transportsysteme sind im Versuchsaufbau einseitig gelagert. Die Sensoren für die

Messungen sind direkt an der Führungsschiene des Transportsystems befestigt, wodurch Rela-

tivbewegungen zwischen Transportsystem und Sensor minimiert werden.

Eine direkte Integration der Sensoren in die Steuerung der Transportsysteme ermöglicht es,

die Signale aller Komponenten mit 1

kHz

zu erfassen. Gleichzeitig wurden die Sensoren so

ausgewählt, dass auf eine AD/DA-Wandlung, durch eine interne Verarbeitung der gesamten

Messkette, verzichtet werden kann. Die Sensoren verfügen über eine digitale Schnittstelle, mit

der sie direkt in das Bussystem der Steuerung integriert sind. Alle Sensoren für die einzelnen

Versuchsreihen sind am System montiert, so dass die Messungen untereinander vergleichbar

sind. Die steuerungsinterne Software zeichnet alle Parameter synchron auf und speichert sie.

70 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

Transportsystem

Sensorik

Laufwagen

Messrechner

Abbildung 3.17:

Versuchsaufbau mit Transportsystemen, Laufwagen, Sensorik und Messrechner

3.4.2 Schwingungsanalyse

In diesem Experiment wird das Verhalten des Transportsystems bei variierender Nutzlast

mNutzlast

und Geschwindigkeit

vLaufwagen

untersucht. Das Ziel dieser Untersuchung ist es her-

auszufinden, wie eine optimale Paarung aus Verfahrgeschwindigkeit und Nutzlast für diesen

Prozess aussieht.

Die Geschwindigkeit der Laufwagen entspricht gemäß der Modellentwicklung näherungsweise

der Geschwindigkeit der Separatorbahn

vLaufwagen ≈λ

. Das Ziel dieses Versuchs ist es, das

Schwingungsverhaltens eines Laufwagens in Abhängigkeit der Nutzlast zu analysieren, um so das

Gewicht zulässiger Greifer

mNutzlast

abschätzen zu können. Durch eine gleichzeitige Variation

des

-Faktors des Positionsreglers des Laufwagens wird untersucht, welchen Einfluss die

Regelparameter auf das zulässige Gewicht des Greifers haben. In dieser Versuchsreihe werden

die Ist- und Soll-Position sowie der Schleppabstand

qT,PosDiff

des verwendeten Laufwagens

aufgezeichnet. In Abbildung 3.18 ist der Versuchsaufbau skizziert.

Auf der Geraden zur Rückführung liegt der Startpunkt der Messung mit

(

start

) = 1245

Dieser Punkt ist so gewählt, damit der Laufwagen beim Beschleunigen eine Strecke auf der

Geraden fährt, bevor er das Klothoidenmodul erreicht. Das Klothoidenmodul beginnt bei

= 500

und endet bei

= 1000

. Der Endpunkt auf der Eingriffsgeraden liegt

bei

= 145

. Entsprechend fährt der Laufwagen von dem Bogen auf die Gerade und

überstreift einen Teil der Eingriffsstrecke. Diese Wahl der Versuchsstrecke ermöglicht es,

Schwingungsanalyse 71

Klothoidenmodul

Modulübergang

Laufwagen

Nutzlast

Geradenmodul

PStart

1254

145 Messbereich

PEnde

Abbildung 3.18: Versuchsaufbau zur Analyse des Schwingungsverhaltens

auch das Verhalten des Laufwagens nach Verlassen des Klothoidenmoduls zu bewerten und

abzuschätzen, an welchem Punkt die Faltstrecke beginnen kann.

Im Versuch wird der Laufwagen schrittweise mit Gewichten von

mNutzlast

= 50 g bis

mNutzlast

600 g belastet und die Bewegung unter Verwendung dieser Nutzlast aufgezeichnet. Zur Referenz

wird zusätzlich ein Versuch ohne Nutzlast aufgenommen. Für die Bewegungsführung wird

ein steuerungsinterner Sollwertgenerator mit trapezförmigem Geschwindigkeitsprofil verwendet.

Als zweiter Parameter wird die Geschwindigkeit von

vLaufwagen

= 100

schrittweise bis

vLaufwagen

= 4000

erhöht. Der Laufwagen durchfährt die Versuchsstrecke bei den Versuchen

jeweils mehrfach.

200300400500600700800900100011001200

−6

−4

−2

qTin mm

qT,PosDiff in mm

KP= 0,03 1

KP= 0,02 1

Abbildung 3.19:

Einfluss des

-Faktors bei einer Nutzlast von

mNutzlast

= 500 g auf Positi-

onsdifferenz bei einer Verfahrgeschwindigkeit vLaufwagen = 1000 mm

72 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

Abbildung 3.19 zeigt die Messwerte von zwei Versuchen mit einer Nutzlast

mNutzlast

= 500 g und

bei einer Geschwindigkeit von

vLaufwagen

= 1000

. Bei dieser Fahrt tritt unter Verwendung

von

= 0

eine schwach gedämpfte Schwingung auf, welche direkt ab dem Eintritt in

des Klothoidenmodul bei

= 1000

beginnt. Die Amplitude der Schwingung steigt bis zum

Ende des Klothoidenmoduls an. Ab

= 500

klingt die Schwingung ab, kommt jedoch erst

in der Zielposition zum Erliegen. Im Gegensatz dazu klingt die Schwingung unter Verwendung

von

= 0

noch während der Durchfahrt des Klothoidenmoduls ab. Zusätzlich ist hier

ein Aufschwingen des Systems beim Verlassen des Klothoidenmoduls zu beobachten. Eine

Reduktion des KP-Faktors führt hier zu einer Verbesserung des Schwingverhaltens.

200300400500600700800900100011001200

−1,0

0,0

1,0

qTin mm

qT,PosDiff in mm

KP= 0,03 1

KP= 0,02 1

Abbildung 3.20:

Einfluss des

-Faktors bei einer Nutzlast von

mNutzlast

= 350 g auf Positi-

onsdifferenz bei einer Verfahrgeschwindigkeit vLaufwagen = 1000 mm

In Abbildung 3.20 sind die Messwerte für den Versuch mit

mNutzlast

= 350 g dargestellt. Der

Einfluss des

-Faktors auf die Schwingung ist auch hier zu beobachten. Im Gegensatz zu einer

Nutzlast von

mNutzlast

= 500 g ist hier jedoch auch mit

= 0

keine sich verstärkende

Schwingung bei der Klothoidendurchfahrt zu beobachten. Auch hier ist wieder ein Aufschwingen

bei Verlassen des Klothoidenmoduls zu erkennen. Diese Versuche zeigen, dass die Faltstrecke

ℓFS erst nach einer Fahrtstrecke von ≈50 mm begonnen werden sollte.

Abbildung 3.21 stellt die Grenzgeschwindigkeiten dar, welche unter Verwendung der entspre-

chenden Nutzlast noch erreichbar waren. Gleichzeitig ist der Einfluss des

-Faktors auf diese

abgetragen. Mit kleinen Nutzlasten bis

mNutzlast

= 100 g wird die Maximalgeschwindigkeit des

Systems erreicht. Es ist gut zu erkennen, dass je kleiner der

-Faktor ist, desto größer ist die

zu erreichende Maximalgeschwindigkeit.

Wie jedoch in Abbildung 3.19 gezeigt wurde, sind bereits bei

vLaufwagen

= 1000

bei

einer Nutzlast von

mNutzlast

= 350 g Schwingungen im Kurvenmodul von mehreren

Schwingungsanalyse 73

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

1000

2000

3000

4000

mNutzlast in g

vLaufwagen in mm

KP= 0,030 1

KP= 0,025 1

KP= 0,020 1

KP= 0,015 1

Abbildung 3.21:

Maximale Verfahrgeschwindigkeit

vLaufwagen

in Abhängigkeit von

sowie

mNutzlast

beobachten. Auf Grund dieser Schwingungen werden die weiteren Versuche nur bis zu einer

Geschwindigkeit von vLaufwagen = 1000 mm

/sdurchgeführt.

mNutzlast in g

vLaufwagen in mm

qT,PosDiff in mm

350

400 450

500 400 600 800 1000

Abbildung 3.22:

Maximale Positionsdifferenz ∆

qT,Laufwagen,max

in Abhängigkeit von Geschwin-

digkeit und Nutzlast

Die Ergebnisse der Versuche bis zu einer Geschwindigkeit von

vLaufwagen

= 1000

und

für Massen zwischen

mNutzlast

= 350 g und

mNutzlast

= 500 g sind in Abbildung 3.22 darge-

stellt. Es zeigt sich, dass eine Masse bis zu

mNutzlast

= 400 g beinahe ohne Einschränkungen

verwendet werden kann, während bei einer Geschwindigkeit von

vLaufwagen

= 1000

bereits zu Positionsdifferenzen von ∆

xLaufwagen ≈

kommt. Für eine Geschwindigkeit

von

vLaufwagen

= 800

ist anzumerken, dass es, unabhängig von der Nutzlast, zu einer

74 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

sehr geringen maximalen Positionsdifferenz kommt. Betrachtet man dazu das Verhalten bei

mNutzlast

= 500 g erscheint es möglich, dass dieses Verhalten aus der Anregungsfrequenz durch

die Bewegung im Verhältnis zur Steifigkeit der Aufhängung kommt.

Die Messungen zeigen, dass das maximale Gewicht des Greifers bei

mNutzlast <

400 g, besser

noch

mNutzlast ≤

350 g liegen sollte. Für eine Nutzlast von

mNutzlast

= 350 g und Geschwin-

digkeiten von

vLaufwagen ≤

1000

ist die Positionsdifferenz bei Erreichen der Faltstrecke in

Tabelle 3.23 zu sehen. Die Faltstrecke beginnt dabei, wie zuvor ermittelt, 50

nach dem

Übergang aus dem Klothoidenmodul in das Geradenmodul.

vLaufwagen in mm

/sMessergebnis in mm

250 −0,2772 mm

500 −0,2524 mm

750 −0,2764 mm

1000 −0,3261 mm

Abbildung 3.23:

Maximales Überschwingen nach Erreichen der Eingriffsstrecke bei

mNutzlast

350 g

Die Daten aus Tabelle 3.23 zeigen keinen klaren Zusammenhang der Positionsabweichung zum

Eingriffszeitpunkt und der Geschwindigkeit. Es ist ein leichter Anstieg zu erkennen, welcher

jedoch nicht proportional zur Erhöhung der Geschwindigkeit ist. Gemäß dieser Messungen

erscheinen Geschwindigkeiten bis

vLaufwagen

= 1000

, da ∆

qT,PosDiff,max <

sowie die

Abweichung bei Eintritt in die Faltstrecke ca

≈

18 % erhöht ist gegenüber einer Geschwindigkeit

von 250 mm

/s.

Positioniergenauigkeit 75

3.4.3 Positioniergenauigkeit

Mit dieser Untersuchung soll ermittelt werden, wie präzise sich ein spezifischer Punkt durch

das Transportsystem mit einem Laufwagen anfahren lässt. Zu diesem Zweck wird ein Punkt

aus der gleichen Richtung mit gleich parametrierter Trajektorie mehrfach angefahren.

Ein Laser-Liniensensor erfasst die Position des Laufwagens. Die relevanten Kennwerte des

Sensors sind in Tabelle 3.6 aufgeführt. Der Sensor arbeitet nach dem Sender-Empfänger-

Prinzip. Er erfasst den Schatten, der durch den Laufwagen auf dem Empfänger entsteht

[Keya].

Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 3.24 dargestellt. Die Nutzlast wird von

mNutzlast

= 350 g

bis

mNutzlast

= 500 g, ebenso wie die Geschwindigkeit von

vLaufwagen

= 200

bis

vLaufwagen

1000

variiert. Ziel der Messung ist es abzuschätzen, mit welchen Abweichungen in der

Position im Ablagepunkt zu rechnen ist. Zunächst wird der Laufwagen ohne Gewicht mit

Klothoidenmodul

Modulübergang

Laufwagen

Nutzlast

Geradenmodul

PStart

PEnde

Messbereich

Liniensensor

Abbildung 3.24: Versuchsaufbau zur Messung der Bahngenauigkeit

einer Geschwindigkeit von

vLaufwagen

= 100

in die Position

= 150

verfahren. Der

dabei durch den Liniensensor gemessene Wert

xˆIG

dient als Referenzwert für die Auswertung,

da die Einflüsse aus Nutzlast und Geschwindigkeit fehlen. In Abbildung 3.25 ist der zeitliche

Verlauf des Messwertes

xˆIG

bei einer Messung mit der Nutzlast von

mNutzlast

= 350 g und

Verfahrgeschwindigkeit von

vLaufwagen

= 500

dargestellt. Der Verlauf des Sensormesswertes

xˆIG

ist dabei in Form der blauen Linie gezeigt. Bei allen Messungen ist ein Überschwingen der

Zielposition zu erkennen. Die Abkling- oder Beruhigungszeit, bis der Messwert ein bestimmtes

Toleranzband nicht mehr überschreitet, wird ermittelt. Dieses beträgt bei allen Messungen

durchschnittlich

tE≈

400

. Der Laufwagen überschießt zunächst die Soll-Position und strebt

nach der Zeit

einen Wert von

tE≈

an. Aus den Messungen werden das Maximum

sowie der Endwert ermittelt.

76 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

Eigenschaft Werte

Hersteller Keyence

Bezeichnung IG-028

Messbereich 28 mm

Auflösung 1µm

Präzision 5µmbei einem Einstellabstand von 100 mm

Linearität ±0,1%v.E. (±28 µm)

Abtastzyklus 980 µs

Messsignalausgabe digital

Tabelle 3.6: Herstellerangaben zum Liniensensor aus [Keya]

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

13,60

13,65

13,70

13,75

Zeit in ms

xˆIG in mm

Abbildung 3.25:

Zeitlicher Verlauf von

xˆIG

während des Anfahrens der Zielposition

150 mm, Zielwert als rote Linie eingezeichnet

In Abbildung 3.26 ist die Amplitude des Überschwingens als Differenz zwischen dem maximalen

Wert und dem Endwert über die Geschwindigkeit und die Masse aufgetragen. Es ist deutlich zu

erkennen, dass mit steigender Nutzlast die Amplitude zunimmt, während die Geschwindigkeit

nur einen sehr geringen Einfluss hat. So ist die größte Amplitude bei

vLaufwagen

= 1000

und

mNutzlast

= 500 g zu verzeichnen, mit einem Wert von

xˆUS,max

= 0

162

. Durch eine

geeignete Vorsteuerung erscheint dieses Verhalten jedoch kompensierbar.

In Abbildung 3.27 ist die maximale Abweichung in Abhängigkeit von Masse und Geschwindigkeit

angegeben. Die maximale Abweichung von ∆

xIG,max

= 0

092

tritt bei der Kombination

von

vLaufwagen

= 750

und

vLaufwagen

= 400 g ein. Die kleinste maximale Abweichung tritt

mit einem Wert von ∆

xmax

= 0

068

bei

vLaufwagen

= 450 g und

vLaufwagen

= 250

auf.

Somit ist, entgegen der Ergebnisse aus den Versuchen zum Schwingverhalten, ein höheres

Gewicht vorteilhaft für die Einhaltung der Faltenlänge

ℓF

auf der Faltstrecke, da der Laufwagen

weniger stark im Ablagepunkt überschwingt.

In Abbildung 3.28 sind die Werte bei einer Geschwindigkeit von

vLaufwagen

= 1000

und ver-

änderlichen Massen bei

= 0

1/s

und

= 0

1/s

gegenübergestellt. Bei allen Massen

ist die Abweichung mit

= 0

1/s

höher als mit

= 0

1/s

. Es ist daher im Hinblick

Positioniergenauigkeit 77

mNutzlast in g

vLaufwagen in mm

350

400 450 500

400

600

800

1000

0,05

0,10

0,15

0,20 0,16

0,14

0,12

0,10

200

xUS in mm

Abbildung 3.26: Überschwingen während Anfahrt der Ablageposition

vLaufwagen in mm

mNutzlast in g

1000 800 600

200 350 400 450 500

0,06

0,08

0,10,090

0,085

0,080

0,075

0,070

∆xAblage in mm

400

Abbildung 3.27: Maximale Positionsabweichung der Messwerte vom Soll-Wert

78 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

auf die Positionierung nicht empfehlenswert, ausschließlich den

-Faktor zu reduzieren. Die

Reduzierung des

-Faktors hat hier, entgegen der Ergebnisse aus den vorhergegangenen

Versuchen zum Schwingverhalten, einen negativen Einfluss auf die Positioniergüte. Dies kann

über die geringere Wirkung des Positionsreglers bei niedrigerem KP-Faktor erklärt werden.

Basierend auf diesen Versuchen zeigt sich, dass durch geeignete Maßnahmen die Schwingungs-

neigung des Systems zu reduzieren ist. Eine Ursache dafür liegt in der Lagerung des Transport-

systems. Die gegebene, einseitige Lagerung erscheint hier als zu nachgiebig und ermöglicht ein

Schwingen des gesamten Transportsystems. Aus diesem Grund sollte die Aufhängung versteift

werden.

Auch ein kleiner

-Faktor reduziert dieses Verhalten, da der aus der Regelung eingeleitete

Ruck verringert wird. Dies ist wiederum durch die geringeren Kräfte zu erklären, welche

aus den schwächeren Korrekturversuchen des Positionsreglers folgen. Werden diese Werte

350 375 400 425 450 475 500

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

mNutzlast in g

∆xAblage in mm

KP= 0,03 mm

KP= 0,02 mm

Abbildung 3.28:

Einfluss von

auf die Ist-Laufwagenposition im Ablagepunkt bei

vLaufwagen

1000 mm

in das kinematische Model eingesetzt, ergibt sich eine Dehnung des Separators in diesem

Bereich von ∆

ℓF

= 0

038

. Das entspricht, unter den in der Modellbildung angenommenen

Voraussetzungen, einer Kraft von

= 0

612 N. Diese Spannungsänderung im Separator könnte

nach Schmitt zu einer Beeinflussung der Stapelgenauigkeit führen und sollte daher in späteren

Versuchen gesondert untersucht werden. Gegebenenfalls ist ein Einbau von Nachgiebigkeiten

in den Greifern anzustreben, sollte es nicht möglich sein, diese Abweichung durch andere

Maßnahmen signifikant zu reduzieren.

3.4.4 Genauigkeit des internen Messsystems

Die Genauigkeit des internen Messsystems wird untersucht, indem die Istwerte der Position

des Laufwagens des internen mit dem externen Messsystem verglichen werden. Das bedeutet,

Genauigkeit des internen Messsystems 79

dass die internen Werte des Transportsystems über eine längere Strecke gemessen und den

Werten von einem zweiten Messsystem gegenübergestellt werden. Auf diesem Weg lässt sich

abschätzen, wie groß Schwankungen im Fahrweg des Laufwagens sind. Es ist zu untersuchen,

welchen Einfluss der KP-Faktor auf die Genauigkeit der Messung hat.

Abbildung 3.29 zeigt den Messaufbau. Start- und Endpunkt sind identisch mit den Punkten aus

den vorhergehenden Versuchen. Als externes Messsystem wird ein Lasertriangulationssensor

Klothoidenmodul

Modulübergang

Laufwagen

Nutzlast

Geradenmodul

Startpunkt

Endpunkt

Messbereich

Sensor

Abbildung 3.29: Versuchsaufbau zur Messung der Bahngenauigkeit

genutzt. Gemessen wird entlang der in Abbildung 3.29 gezeigten Geraden. Die Kernparameter

des eingesetzten Sensors sind in Tabelle 3.7 zusammengefasst. Mit einem Messbereich von

290 mm kann ein großer Teil der Faltstrecke untersucht werden.

Eigenschaft Werte

Hersteller Keyence

Bezeichnung IL-300

Referenzmessung 300 mm

Messbereich 160 bis 450mm

Auflösung 1µm

Präzision 30 µm

Linearität ±0,25 %v.E.(±0,35 mm)

Abtastzyklus 330 µs

Messsignalausgabe digital

Tabelle 3.7: Herstellerangaben zum Lasertriangulationssensor aus [Keyb]

Ähnlich zu dem Versuch für die Positioniergenauigkeit, wird die Nutzlast von

mNutzlast

= 350 g in

50 g-Schritten bis

mNutzlast

= 500 g variiert. Die Geschwindigkeit wird mit

vLaufwagen

= 250

80 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

gewählt und für die Versuche schrittweise in 250

-Schritten bis

vLaufwagen

= 1000

erhöht.

Um die Messwerte interpretieren zu können, werden die Werte der Positionsdifferenz und

die Werte vom Lasertriangulationssensor anhand des Aufzeichnungszeitpunkts übereinander

gelegt. Dabei ist zu beachten, dass der Lasertriangulationssensor eine Ansprechzeit von

tan

hat (bei einer Abtastzeit von

tabt

= 1

und Mittelwertbildung aus 16 Werten). Die

Daten müssen daher vor dem Vergleich zeitlich zueinander verschoben werden. In Abbildung

3.30 ist ein Diagramm der gemittelten Werte und des Differenzengraphen gezeigt. Dabei

wurde die Differenz zwischen dem gemittelten Graphen des Lasertriangulationssensors und dem

gemittelten Graphen des internen Messsystems gebildet. Zu erkennen ist eine starke Änderung

in der Differenz

xDifferenz

im Bereich 320

mm < xextSensor <

330

. Diese Besonderheit kann

durch den Modulübergang zwischen zwei Geradenmodulen erklärt werden. Durch ein erneutes

Einlernen der Übergänge zwischen den Modulen ist es möglich, eine Verbesserung umzusetzen.

160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440

−0,5

0,5

xˆextSensor in mm

xDifferenz in mm

Abbildung 3.30: Differenz des externen zum internem Messsystem bei mNutzlast = 350 g

Der Differenzengraph wird für verschiedene Parameter-Paarungen ermittelt. Um abzuschätzen,

wie groß die Bahngenauigkeit ist, wird aus den Messwerten die Standardabweichung berechnet.

Die Ergebnisse dazu sind in Abbildung 3.31 zu sehen.

In den Graphen von

mNutzlast

= 350 g,

mNutzlast

= 400 g und

mNutzlast

= 450 g ist ein ähnliches

Verhalten zu erkennen. Bei den Graphen für die Massen

mNutzlast

= 350 g und

mNutzlast

= 400 g

ist die Standardabweichung bei

vLaufwagen

= 250

am höchsten. Bei

mNutzlast

= 450 g sinkt

die Standardabweichung von

vLaufwagen

= 250

zu 500

. Danach steigt der Graph, bis

er bei

vLaufwagen

= 1000

sein Maximum mit

xDifferenz ≈

erreicht. Bei dem

schwarzen Graph sinkt die Standardabweichung von

vLaufwagen

= 250

bis

vLaufwagen

750 mm

/s. Danach steigt der Wert bei 1000 mm

/sstark an bis zu einem Wert von xDifferenz ≈

Genauigkeit des internen Messsystems 81

. Auch aus diesen Daten zeigt sich ein Problem einer Verfahrgeschwindigkeit von

vLaufwagen = 1000 mm

/sin Kombination mit einer Nutzlast von mNutzlastm= 500 g.

350 375 400 425 450 475 500

0,2

0,3

0,4

mNutzlast in g

xDifferenz in mm

250 mm

500 mm

750 mm

1000 mm

Abbildung 3.31:

Abweichungen zwischen dem Lasertriangulationssensor und dem internem

Messsystem bei unterschiedlichen Nutzlasten

In Tabelle 3.8 sind die Mittelwerte und ihre Standardabweichung bei unterschiedlichen Ge-

schwindigkeiten für eine Nutzlast von m= 350 g aufgelistet.

Geschwindigkeit in mm

/sMittelwert ±Standardabweichung in mm

250 0,161 ±0,200

500 −0,028 ±0,186

750 −0,023 ±0,179

1000 −0,256 ±0,186

Tabelle 3.8:

Mittelwerte und Standardabweichung der Differenz zwischen internem und exter-

nen Messsystem bei mNutzlast] = 350 g

Bei einem negativen Wert wird das Bahnmaterial gedehnt, bei einem positiven Wert wird

er entspannt. Im Fall der Ergebnisse für eine Nutzlast von

= 350 g bedeutet das, dass

bei einer Geschwindigkeit von

vLaufwagen

= 250

der Bahnmaterial entspannt, jedoch bei

vLaufwagen

= 1000

gedehnt wird. Bei den beiden anderen Geschwindigkeiten wird das

Bahnmaterial während der Fahrt sowohl gedehnt als auch entspannt.

Die höchste Abweichung im negativen Bereich ist unter allen Werten bei der Geschwindigkeit

vLaufwagen

= 1000

und

mNutzlast

= 350 g zu verzeichnen. Bei diesen Parametern ist die

Abweichung ∆

−

441

. Wird der Betrag in das kinematische Modell eingesetzt, ergibt

dies eine maximale Längenabweichung von ∆

ℓF

= 0

104

. Unter Verwendung des zuvor

ausgewählten Tri-Layer-Separators, erzeugt dies eine maximale Bahnspannungserhöhung von

F= 1,69 N.

82 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

Die maximale Abweichung im positiven Bereich tritt bei der Geschwindigkeit

vLaufwagen

250

und der Nutzlast

mNutzlast

= 400 g ein. Der Wert der Abweichung beträgt bei den

Parametern ∆

= 0

822

. Bei diesem Wert beträgt die maximale Längenabweichung

∆l= 0,196 mm. Das entspricht einer Bahnspannungs von F= 3,15 N.

Bei Erhöhung der Kraft auf den Separator während der Fahrt wird dieser kurzzeitig gedehnt.

Jedoch erreichen die Kraftwerte mit

= 3

15 N keinen kritischen Bereich, bei dem der

Separator geschädigt wird. Eine Stauchung ist wesentlich schädlicher für den Prozess, da der

Separator nicht mehr kontrolliert geführt werden kann und möglicherweise über die TCP der

Greifer rutscht und somit die Faltenlänge ℓFverändert.

Die Werte für

mNutzlast

= 350 g und

vLaufwagen

= 1000

liegen im Negativen. Die kleinste

Abweichung beträgt −0,070 mm, was einer Kraft von 0,268 N entspricht.

Die Ergebnisse müssen kritisch gewertet werden, da die von Schmitt empfohlenen Grenz-

werte von 1 N bei vielen Parameterkombinationen deutlich überschritten werden. Auch wenn

Spannungserhöhungen von bis zu

= 1

69 N auf den Separator wirken, ist doch die Reduktion

von bis zu

= 3

15 N, je nach gewählter Separatorbahnspannung, wesentlich schädlicher für

den Prozess.

Aus den Zugversuchen ging die obere Streckgrenze mit

ReH ≈

/mm2

hervor. Die Spannung

im Separator, mit der maximal auftretenden Kraft

= 1

69 N und der Querschnittsfläche

= 129

mm ·

028

, beträgt

= 0

654

/mm2

. Die Spannung liegt damit unter dem Wert

der oberen Streckgrenze. Das Separatormaterial wird nicht geschädigt. Demzufolge kann die

Kombination von

mNutzlast

= 350 g und

vLaufwagen

= 1000

für die Bewegung als am besten

geeignet angesehen werden, da nur Zugkräfte auftreten. Durch die gezielte Integration einer

leichten Nachgiebigkeit in den Greifern ist zu erwarten, dass Dehnungen in diesem Bereich

durch den Greifer ausgeglichen werden können.

Die Messergebnisse des eingesetzten Lasertriangulationssensors sind auf Grund der Angaben

zur Linearität des Sensors kritisch zu bewerten. Durch das vom Hersteller garantierte Lineari-

tätsfenster von

kann in den erfassten Werten teilweise stärkere Einflüsse aus diesem

Linearitätsfehler vorhanden sein. Mit Bezug auf die in Abbildung 3.30 gezeigten Verläufe rühren

bis zu 0

der erfassten Differenz ggf. aus dem Linearitätsfehler des Lasertriangulationssen-

sors. Die in Tabelle 3.8 dargestellten Ergebnisse verlieren dadurch nicht ihre Gültigkeit, da auf

Grund der sehr guten Präzision von 30

µm

die Messungen trotzdem untereinander vergleichbar

bleiben.

Entwicklung von Teilfunktionen 83

3.5 Entwicklung von Teilfunktionen

Aus der kinematischen Betrachtung des Systems ergaben sich weitere notwendige Teilfunktionen

sowie Anpassungen an dem bestehenden Gestaltungsentwurf von Bach. An dieser Stelle wird

das vorhandene Gestaltungskonzept angepasst und weitere Teilfunktionen entwickelt, welche

durch die vorangegangenen Betrachtungen für die Faltung erforderlich sind.

Die Konzeptauswahl und -entwicklung erfolgt in Anlehnung an die methodischen Vorgehenswei-

sen von [

Pah-07

], [

VDI2221

] sowie [

VDI2206

]. Dabei werden aus den Anforderungen mehrere

Lösungskonzepte abgeleitet, anschließend bewertet und die bevorzugte Variante entwickelt.

Beispielhaft ist eine solche Darstellung in Tabelle 3.5 aufgeführt. Abschließend wird eine

Betrachtung der erreichten Ergebnisse durchgeführt.

Konzept Art der Lösung Flexibilität ↑Kosten ↓Komplexität ↓Produktivität ↑

Konzept A mechanisch

Konzept B mechatronisch

Konzept C sensorgeführt

: Vorwiegend erfüllt, : Teilweise erfüllt, : kaum erfüllt, ↑erhöhen, ↓senken

Tabelle 3.9: Beispieltabelle zur Konzeptbewertung

3.5.1 Anpassung des Gestaltungskonzeptes

Um die Prozessunsicherheiten zu reduzieren und die Verfahrensführung zu verbessern, wurde

die Ausrichtung der Faltung um 90

im Uhrzeigersinn gedreht im Gegensatz zur von Bach

[

Bac-17

] vorgestellten Anlagenaufbaurichtung. Diese Drehung der Anlage ermöglicht es für

Anoden sowie Kathoden vergleichbare Belastungen während der Faltung zu erhalten und bringt

gleichzeitig für die vorgelagerte Baugruppe des Elektrodenfügen Vorteile in der Prozessführung.

Die Länge der umlaufenden Transportsysteme wurde um zwei Mal 250

und somit insge-

samt um 500

erhöht. Diese Erhöhung der Faltenlänge reduziert die Fehlereinflüsse aus

bestehenden Bahnfehlern des Transportsystems.

Durch die Erhöhung der Anzahl der Laufwagen ist es möglich, die Geschwindigkeit der Lauf-

wagen in der Rückführung zu reduzieren und somit die durch die Kurvenfahrt eingeleiteten

Schwingungen zu abzumildern. Je geringer die Anzahl der Laufwagen im System ist, desto

kürzer ist die Zeit, die zwischen dem Ablegen der Falte und dem erneuten Einsatz verbleibt.

Höhere Beschleunigungen, und somit auf das Transportsystem wirkende Kräfte, reduzieren

84 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

unnötig die Genauigkeit. Vorerst wird weiterhin mit fünf Laufwagen gearbeitet, eine Erhöhung

der Anzahl ist jedoch zu einem späterem Zeitpunkt eine Option ggf. auftretende Probleme zu

reduzieren.

3.5.2 Pendler

Durch die Hintergriff-Problematik muss eine zusätzliche Teilfunktion konzipiert werden. Diese

Teilfunktion ist der Pendler. Er ist der Faltung vorgelagert und führt den Elektrode-Separator-

Verbund, um ein Hintergreifen durch die Greifer zu ermöglichen.

Der Pendler lenkt den Verbund aus seiner vertikalen Bahn aus und durchläuft dabei, gemäß

der kinematischen Bedingungen, je Elektrode eine halbe Periode seiner Bewegung. Der umzu-

setzende Hub je Richtung liegt bei

qP,max ≈

und die Periodendauer bei

= 1

22 s. Es

ergibt sich somit ein Verfahrweg des Pendlers von

qP,SS

= 2

·qP,max ≈

192

. Dabei sollte eine

Positioniergenauigkeit basierend auf den Ergebnissen des Fehlermodells von

<±

er-

reicht werden, um den Fehlereinfluss aus der Pendlerbewegung für die Systemfehlerabschätzung

vernachlässigen zu können.

Die auf dem Pendler zu bewegende Masse umfasst dabei das Bahnführungselement, sowie ggf.

zusätzliche Elemente wie Motoren. Da sich die Länge des Separators zwischen Führungsrollen

und Pendler dynamisch ändert, verändert sich auch die Geschwindigkeit an den Führungsele-

menten. Werden diese Rollen nicht angetrieben, muss der Separator die aus der Änderung der

Beschleunigung resultierenden Belastungen abfangen. Aus diesem Grund werden angetriebene

Rollen bevorzugt.

Das Weg-Zeit-Diagramm der Pendlerbewegung wird dabei wie im Kapitel 3.2 beschrieben

eine Cosinusfunktion sein. Prinzipiell stehen somit drei Antriebsvarianten zur Auswahl: die

Riemenachse, die Spindelachse sowie die Linearmotorachse. In Tabelle 3.10 werden diese drei

Antriebe gegenübergestellt.

Betriebsmittel Präzision und Richtigkeit ↑Kosten ↓max. Geschwindigkeit ↑

Riemenachse

Spindelachse

Linearmotorachse

: Vollständig erfüllt, : Teilweise erfüllt, : k.A.

Tabelle 3.10: Gegenüberstellung der Antriebe zur Verschiebung der Führungsrollen

Die Riemenachse besitzt auf Grund ihres zahnriemenbasierten Antriebssystems eine hohe Ma-

ximalgeschwindigkeit

3000

, weist gleichzeitig jedoch nur eine typische Präzision von

Greifer 85

auf und ist somit für diese nicht ausreichend. Eine Linearmotorachse besitzt eine

typische Präzision von

005

und gleichzeitig eine sehr hohe erreichbare Maximalge-

schwindigkeit

3000

. Die Spindelachse erreicht eine typische Präzision von

bei einer Maximalgeschwindigkeit von >1000 mm

/s.

Der gewählte Gestaltungsentwurf ist in Abbildung 3.32 dargestellt. Dieser basiert auf Linearmo-

torachsen in Portalkonfiguration. Als Messsystem kommt hier ein Linearencoder zum Einsatz.

Nach dem Start des Systems und einer Referenzierung ist eine absolute Positionierung möglich.

Das Rollenpaar wird aktuiert und gleicht die Geschwindigkeitsunterschiede des Separators aktiv

aus, so dass eine belastungsarme Führung des Separatormaterials gewährleistet wird.

Abbildung 3.32:

CAD-Darstellung des konzipierten Pendlers eingebaut in der Faltungsbaugrup-

pe, links Draufsicht, rechts Isometrisch

3.5.3 Greifer

Die Anforderungen an den Greifer aus der Sicht der Bewegungsführung können wie folgt

zusammengefasst werden:

Der Greifer muss eine Funktion beinhalten, die es ermöglicht, die Bahnspannung im

Kurvenelement aufrecht zu erhalten.

Um auf spätere Änderungen in der Geometrie der zu fertigenden Zelle reagieren zu

können, wird hier die Flexibilität benötigt, entsprechende Anpassungen ohne Austausch

der Greifer ermöglichen zu können.

Er muss eine Funktion enthalten, um den Greifer zu öffnen und zu schließen. Diese

Funktion sollte aufgrund der Anwendung auf dem Laufwagen des umlaufenden Trans-

portsystems ohne äußere Zuleitungen für Druckluft, Energie und Signale auskommen.

86 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

Der Elektrode-Separator-Verbund muss am Eingriffspunkt

hintergriffen, sowie im

Ablagepunkt ohne Verfahrbewegung entlang der Verfahrrichtung des Laufwagens gelöst

werden können.

Entlang der Faltstrecke muss der Verbund sicher und ohne Durchrutschen geführt werden.

Tabelle 3.11 stellt drei grundlegende Konzepte für die Ausführung des Greifers gegenüber.

Lösungskonzept Flexibilität ↑Kosten ↓Komplexität ↓Gewicht ↓

mechanisches Greifer

mechatronisches Greifer

sensorgeführtes Greifer

: Vorwiegend erfüllt, : Teilweise erfüllt, : kaum erfüllt

Tabelle 3.11: Vergleich der Lösungskonzepte zum Greifer

Ein mechanischer Greifer wird in vielen industriellen Anwendungen erfolgreich eingesetzt. Oft

wird die Bewegung durch eine Zwangsführung in Kombination mit einer rückstellenden Feder

realisiert. Durch diesen Zusammenhang ist die Flexibilität des Systems nicht sehr hoch. Die

Flexibilität ist hier jedoch nicht durch den Greifer selbst eingeschränkt. Für eine Änderung

im Zellformat müssen die Zwangsführungen für die Öffnung der Greifer sowie die für das

Kurvenelement angepasst werden. Am Greifer selbst sind dabei basierend auf dem derzeitigen

Erkenntnisstand keine Änderungen erforderlich.

Ein mechatronischer Greifer ermöglicht den Wegfall der Anlauframpen. Um dies möglich zu

machen, ist es jedoch erforderlich, die entsprechenden Antriebe ebenso wie die Energieversor-

gung für diese im Greifer unterzubringen. Diese Maßnahmen erhöhen die Flexibilität durch

programmierbare TCP-Bahnen, erhöhen jedoch die Systemkomplexität sowie die Kosten und

das Gewicht.

Ein sensorgeführter Greifer integriert zusätzlich zu den Funktionen eines mechatronischen eine

Sensorik z.B. für die Bahnzugmessung. Diese Sensorik bietet durch die Erfassung der Zugkräfte

am Wirksystem des Greifers den Elektrode-Separator-Verbund eine koordinierte Regelung der

Bahnkräfte lokal sowie über mehrere Greifer hinweg. Zu diesem Zweck ist eine bidirektionale

Kommunikation der Greifer mit der laufwagenführenden SPS erforderlich. Diese erweiterte

Kopplung lokaler sowie verteilter System erhöht weiter die Komplexität und steigert zustzälich

die Kosten.

Der Einsatz eines mechanischen Greifers erfüllt, bis auf die Flexibilität, alle Kriterien und

gilt somit als Favorit. Ohne das der Nachweis der Notwendigkeit einer Bahnsteuerung oder

Greifer 87

Bahnzugregelung erbracht ist, erscheinen diese komplexeren Systeme nicht erforderlich und

sollten unter dem Gesichtspunkt überschaubarer Komplexität, erhöhten Greifergewichts sowie

signifikant höherer Kosten nachrangig behandelt werden.

Führungswagen

Laufwagen

Zugfeder

Linearführung

Öffnungshub

Elektrode-Separator-Verbund

Laufrad (Schließen des Greifers)

Position der Rampen

TCP-Führung

TCP

Abbildung 3.33: Gestaltungsentwurf nach [Ayd-18]

In der gemeinsamen Veröffentlichung von Aydemir et. al wird ein Gestaltungsentwurf

zum Greifer präsentiert [

Ayd-18

]. Dieser ist ein mechanischer Greifer ohne eigenen Antrieb mit

vier Freiheiten. Der Greifer wird passiv über Rampen entlang des Transportsystems aktuiert.

Er besitzt einen Öffnungshub von 140

sowie einen Vertikalhub für die Aufrechterhaltung

der Bahnspannung im Kurvenelement von 10

. Diese Hübe sind dabei zwangsöffnend

ausgeführt und ermöglichen so die einzusetzende Rampenlänge zu reduzieren, da diese nur vom

Öffnungspunkt bis zum Ablagepunkt benötigt werden. Die Öffnung des Greifers im Ablagepunkt

wird dabei über ein Wegziehen der Rampen über Pneumatikzylinder realisiert. Gegenüber den

konkurrierenden Konzepten ist das Gewicht mit ca. 350 g wesentlich niedriger als 500 g. Der

Greifer, montiert auf einem Laufwagen, ist in Abbildung 3.33 dargestellt. Die Wirkstellen sind

dabei als Flachprofile ausgeführt und hintergreifen den Elektrode-Separator-Verbund nahezu

vollständig.

Der Gestaltungsentwurf zum Greifer bildet einen Ausgangspunkt für die Umsetzung nach der

Anforderungsanalyse, durch die aus der Kinematik ableitbaren Bewegungsprofile der Laufwagen.

Dieser Entwurf genügt formal den Anforderungen, die basierend auf der Modellbildung an den

Greifer gestellt wurden.

88 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

3.5.4 Aufhängung der Transportsysteme

Die Aufhängung dient der räumlichen Befestigung und Ausrichtung der Transportsysteme

innerhalb der Faltung. An ihr werden die Transportsysteme, die Laufbahnen für die Greifer sowie

später der Niederhalter befestigt. Die Ausrichtung der Transportsysteme sowie die Steifigkeit

des Maschinenbetts sind die Kernanforderungen an die Aufhängung. Die Flexibilität in der

Ausrichtung der Transportsysteme ist auf Grund der in Kapitel 3.3.2 erörterten Empfindlichkeit

des Systems auf geometrische Fehler erforderlich. Die Transportsysteme müssen zueinander

im Restfehlerbereich von

ausgerichtet werden, um die beanspruchungsgerechte

Handhabung des Separators gewährleisten zu können.

Die Steifigkeit ist erforderlich, um Nachgiebigkeiten, welche sich negativ auf die Regelung des

Systems auswirken, reduzieren zu können. Alle Laufwagen beider Systeme werden im gleichen

Regeltakt angesteuert und induzieren ihre Reaktionskräfte in das Maschinenbett. Wird dieses

durch diese Kräfte ausgelenkt, werden die Bewegungen der anderen Laufwagen beeinflusst,

was ausgeschlossen werden muss. Gleichzeitig ist es im Rahmen der Demonstratorentwicklung

notwendig, auf Änderungen spät im Entwicklungsprozess reagieren zu können.

Als Anforderungen für diese Teilfunktion ist somit eine einfache Justagemöglichkeit für die Aus-

richtung der Transportsysteme gegenüber dem Falttisch notwendig. Dabei soll eine gewünschte

Zielausrichtung der Transportsysteme in einem weiten Bereich flexibel erreicht werden. Die

Zugänglichkeit für die robotergestützten Falttische muss gegeben sein. Eine Wahl der finalen

Montagehöhe soll in weiten Bereichen möglich sein. Basierend auf den aufgestellten Anforde-

rungen wurden Lösungskonzepte entwickelt, welche in Tabelle 3.12 dargestellt sind.

Lösungsansatz Flexibilität ↑Kosten ↓Zugänglichkeit ↑Steifigkeit ↑

einseitige verstärkte Aufhängung

zweiseitige Aufhängung

motorisierte Aufhängung

: Vorwiegend erfüllt, : Teilweise erfüllt, : kaum erfüllt

Tabelle 3.12: Vergleich der Lösungsansätze zur Aufhängung der Transportsysteme

In Abbildung 3.34 ist das gewählte Lösungskonzept dargestellt. Dieses besteht fast vollständig

aus Standardkomponenten. Eingesetzt werden dabei Wellen mit einem Durchmesser von

25mm, welche in einem Wellenbock eingespannt werden. Zwei dieser Wellen werden dabei je

Transportsystem eingesetzt. Diese befinden sich wiederum auf einer Vorrichtung, welche eine

Verstellung der Lage der Transportsysteme durch translatorisches Verschieben der Wellenböcke

entlang der Weltkoordinatenachse

ermöglicht. Das Aluminiumprofil wiederum kann in seiner

Höhe gegenüber dem Falttisch entlang der Weltkoordinatenachse

verschoben werden. Die

Aufhängung der Transportsysteme 89

beidseitige Aufhängung reduziert die Belastungen der eingesetzten Komponenten und erhöht

so die Zugänglichkeit durch eine kompakte Bauweise.

Abbildung 3.34: Transportsystemaufhängung im CAD, links Detailansicht, rechts Draufsicht

Abbildung 3.35:

Stand der Faltungsbaugruppe im Aufbau als Teil des Demonstrators des Kon-

tiBat Projektes

Das gezeigte Konzept zur Aufhängung der Transportsysteme ermöglicht es, die Anschlusspunkte

für die Rampen in die Struktur zu integrieren. Die Zugänglichkeit für die roboterbasierten Falt-

tische ist, wie rechts in der Abbildung 3.34 zu sehen, durch die Aufhängung nicht eingeschränkt.

Das im Inneren der Baugruppe sichtbare V-Element stellt die Rampe für die Aktuierung der

Greifer dar. Diese Rampe enthält Funktionen zum Öffnen und Schließen sowie zum Folgen der

Bahn im Kurvenelement. Durch die dargestellte Bauweise ist eine schwingungsarme Basis für

den Demonstratoraufbau der Faltung geschaffen worden.

90 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

3.6 Implementierung des kinematischen Modells in

der Steuerung

Nachfolgend wird dargestellt, wie die bereits in MatLab implementierte Berechnung in diesem

Kapitel auf die SPS übertragen wird. Durch die zusätzliche Startphase sind Programmabschnitte

notwendig, die das physische System in die Ausgangskonfiguration bringen. Die transferierten

Gleichungssysteme werden anschließend auf korrekte Ergebnisse überprüft. Zum Schluss werden

die Ergebnisse aus dem kinematischen Modell mit denen aus der SPS verglichen.

In Abbildung 3.36 sind die Ergebnisse der in der SPS berechneten TCP Bewegung dargestellt.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

300

400

500

600

qLin mm

qRin mm

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

−100

−98

−96

−94

−92

qGR in mm

Abbildung 3.36: Antriebsbewegungen des nachlaufenden Wagens

In Abbildung 3.37 werden die Ergebnisse der berechneten Werte für

(

)dargestellt. Die

Berechnung in der SPS liefert andere Ergebnisse für

als die Simulation in MatLab. Diese

Unterschiede zeigen sich besonders am Ende der Faltstrecke

ℓFS

. Dort weichen die Ergebnisse

um 10 mm beziehungsweise 1,5 % voneinander ab.

480 485 490 495 500 505 510 515 520 525

640

650

660

qLin mm

qRin mm

MatLab

SPS

Abbildung 3.37: Abweichungen der Berechnungen von MatLab und der SPS im Bereich IV

Diese Differenzen werden nur in Bereich IV sichtbar, weshalb einige Fehlerursachen bereits

ausgeschlossen werden können. Zur Korrektur dieses Fehlers müssen die möglichen Ursachen

Implementierung des kinematischen Modells in der Steuerung 91

zusammengetragen und analysiert werden. Ursachen für diesen Fehler können in den folgenden

Bereichen zu finden sein:

•Fehler in den Gleichungen des kinematischen Modells

•Fehlerhafte Implementierung der Gleichungen in der SPS

•Inkorrekt gesetzte Randbedingungen für die Anwendung der Bereiche in der SPS

•Fehler in der Berechnung der Ergebnisse

Um den Fehler einzugrenzen, wurden die Zwischenergebnisse der Berechnung von

unter-

sucht. Ein Vergleich dieser zeigt einen ähnlichen Wertebereich und Verlauf zwischen MatLab

und der SPS, jedoch treten beim Ziehen der Wurzel aus Zahlen im Bereich von 10

nicht

vernachlässigbare Unterschiede in den Ergebnissen auf. Diese Unterschiede sind in diesem Fall

auf die eingesetzten Solver zurückzuführen. Die Abbruchbedingung und der dort zulässige Rest-

fehler erscheint bei der SPS Implementierung höher, wodurch bei der Verarbeitung mehrerer

so abweichender Werte ein beobachteter Unterschied der Ergebnisse auftritt.

Da die Einstellungen der Solver der SPS nicht beeinflusst werden können, muss ein alternativer

Weg zur Korrektur der Berechnungsfehler gewählt werden. Eine Möglichkeit bietet hier die

lineare Regression. Unter Verwendung der Ergebnisse der Berechnungen von MatLab sowie der

SPS wird so eine Übertragungsfunktion berechnet. In diese Übertragungsfunktion werden die

Ergebnisse der SPS-Berechnungen eingespielt und das Ergebnis in der Variable

gespeichert.

Wird dabei ein Polynom dritten Grades eingesetzt, ergibt sich die in Abbildung 3.38 dargestellte

Übereinstimmung der Ergebnisse für qRaus der SPS-Berechnugn sowie MatLab.

Um die Güte des berechneten Polynoms für den Einsatz im kinematischen Modell zu berechnen,

wird der Einfluss der Übertragungsfunktion auf die Faltenlänge

ℓF

aus den Sollwerten in der SPS

betrachtet. In Abbildung 3.39 sind die Ergebnisse dieser Berechnung für Bereich IV dargestellt.

Zu erkennen ist, dass ein Einfluss auf die Faltenlänge

ℓF

durch die Übertragungsfunktion

gegeben ist, dieser jedoch im Bereich von 20

µm

liegt und damit vernachlässigt werden kann.

Durch die Verwendung eines Polynoms höheren Grades, ist eine genauere Näherung denkbar,

jedoch in diesem Fall nicht erforderlich.

Durch die Kompensation der Unterschiede zwischen MatLab und SPS wurde eine erfolgreiche

Implementierung des kinematischen Modells in der SPS realisiert. Diese bildet nun die Basis

für die Ansteuerung der Laufwagen des Transportsystems. Durch die integrierte Berechnung

92 Systementwicklung zur kontinuierlichen z-Faltung

480 485 490 495 500 505 510 515 520 525

634

636

638

640

642

644

646

648

650

qLin mm

qRin mm

MatLab

SPS Comp

Abbildung 3.38:

Abweichungen zwischen den Berechnungen von MatLab und der SPS im

Bereich

unter Verwendung einer Kompensationsfunktion für den Bereich

480 485 490 495 500 505 510 515 520 525

303,975

303,980

303,985

303,990

303,995

304,000

304,005

Postion des nachlaufenden Laufwagens qLin mm

Faltenlänge ℓ

ˆFin mm

Abbildung 3.39:

Faltenlänge unter Verwendung der SPS berechneten Sollpositionen der TCP

unter Verwendung der Übertragungsfunktion

Implementierung des kinematischen Modells in der Steuerung 93

der Faltenlänge

ℓF

ist es möglich, eine Aussage über die Beanspruchung des Separators als

Folge aus den Ist- sowie Soll-Positionsdaten der Laufwagen zu berechnen.

Ein vergleichbares Vorgehen wäre auch für die Korrektur der Bahnfehler des Transportsystems

denkbar. Ein ausreichend genaues Messsystem könnte die Ist-Position jeden Laufwagens entlang

der Faltstrecke

ℓFS

erfassen. Mit diesen Werten ließe sich eine Korrekturtabelle anfertigen. Diese

Tabelle ermöglicht es dann die Position des Laufwagens so zu korrigieren, dass Linearitätsfehler

des Wegmesssystems signifikant reduziert werden können.

4 Validierung

Allgemein werden mit der Validierung die an ein Verfahren gestellten Anforderungen überprüft.

In diesem Fall ist die Validierung mehrstufig. Zuerst wird der Einfluss der entwickelten Aufhän-

gung auf das Schwingungsverhalten der Laufwagen untersucht. Aus diesem Experiment lassen

sich Rückschlüsse auf die erreichbare Performance am Demonstrator ziehen.

Nachfolgend wird das kinematische Modell in der Steuerung verwendet, um die Laufwagen

während des Faltprozesses auf ihrer Bahn zu bewegen. Mit dieser Messung kann auf die

Gesamtleistung des Systems geschlossen werden.

Abschließend wird untersucht, mit welcher Präzision der Eingriffspunkt angefahren werden kann

und wie die Positionsdifferenz der Laufwagen bei doppelter Verfahrgeschwindigkeit abweicht.

4.1 Experimentelle Betriebsmittelerprobung

In Abbildung 4.1 ist die erste Versuchsreihe dargestellt. Die Abbildung zeigt dabei den Verlauf

der Positionsdifferenz des Laufwagens

qT,PosDiff

abgetragen über der Weglaufvariable des Trans-

portsystems

. Der Beginn der Faltstrecke

ℓFS

liegt bei

= 1300

. Für den Versuch

fährt der Laufwagen zwischen

= 500

und

= 1500

mit einer Geschwindigkeit von

= 1000

hin und her. Das Klothoidenmodul befindet sich in diesem Versuch zwischen

qT= 750 mm und qT= 1250 mm.

Bereits mit den Referenzparametern aus Kapitel 3.4 ist eine Verbesserung der Positionsdifferenz

zu sehen. In der Kurve reduziert sich die maximale Abweichung auf

≈

gegenüber der

Differenz mit der vorher verwendeten Aufhängung. Diese Verbesserung ist mit hoher Wahr-

scheinlichkeit auf die erhöhte Steifigkeit der Aufhängung der Transportsysteme zurückzuführen.

Mit Hilfe der Regelparameter und Filtereinstellungen kann die verbleibende Abweichung im

Weiteren signifikant reduziert werden. So lässt sich die Abweichung in der Kurve von rund

1,2 mm auf 0,5 mm senken. Gleichzeitig ist die Amplitude der Schwingung kleiner.

Im unteren Teil der Abbildung 4.1 ist ein Detailausschnitt dargestellt. Dieser Ausschnitt zeigt

den Bereich vom Ende des Klothoidenmoduls bis zum Ende der Verfahrbewegung. Ebenso

ist der Beginn der Faltstrecke

ℓFS

bei

= 1300

gekennzeichnet. In dem für die Faltung

relevanten Bereich wurde die Positionsdifferenz auf maximal 0

reduziert. Aus dieser

Abbildung wird auch die Wahl von qL,0=qR,0= 1300 mm ersichtlich.

Experimentelle Betriebsmittelerprobung 95

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

−1

−0,5

0,5

qTin mm

qT,PosDiff in mm

1260 1280 1300 1320 1340 1360 1380 1400 1420 1440 1460 1480 1500

−0,5

−0,4

−0,3

−0,2

−0,1

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Beginn Faltstrecke!

qTin mm

qT,PosDiff in mm

Referenz

Angepasst

Abbildung 4.1:

Positionsdifferenz

qT,PosDiff

der Laufwagen bei einer Verfahrgeschwindigkeit

= 1000

unter Verwendung eines Greiferprototypen nach [

Ayd-18

] und

Variation der Anpassung der Regelparameter

96 Validierung

Die angepassten Rahmenbedingungen, im Speziellen die Aufhängung des Systems, verbessern

die Positionstreue der Laufwagen signifikant. Durch eine steifere Aufhängung ist es möglich,

die Regelparameter für die Position so anzupassen, dass der Regler schneller reagiert. Somit

sind die Grundlagen geschaffen für die Implementierung und Evaluierung des kinematischen

Modells auf dem Versuchsträger.

4.2 Experimentelle Systemerprobung

Bei der experimentellen Erprobung des kinematischen Modells werden die Transportsysteme

synchronisiert in der Konfiguration des Verfahrens gemäß der Parameter aus dem Kapitel 3.2.

Auf dem Laufwagen ist dazu ein prototypischer Greifer montiert.

Als erstes wird der Einfluss der Separatorgeschwindigkeit

untersucht. In Abbildung 4.2 ist der

Verlauf der Positionsabweichung

qT,PosDiff

der Laufwagen über die Faltstrecke

ℓFS

abgebildet.

Der Bereich von

ist von

= 0

bis

= 528

dargestellt, da bei

qL>

528

der vorlaufend Laufwagen sich auf dem Kreisbogen des Kurvenelements befindet und keinen

Einfluss mehr auf ℓFhat. Die Versuche mit drei Geschwindigkeiten werden verglichen.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

−0,2

−0,15

−0,1

−5·10−2

5·10−2

0,1

0,15

0,2

qLin mm

qT,PosDiff in mm

100 mm

/sOptimiert

250 mm

/sOptimiert

500 mm

/sOptimiert

Abbildung 4.2: Positionsabweichung des Laufwagens entlang der Faltstrecke ℓFS

Experimentelle Systemerprobung 97

Die Verfahrensgeschwindigkeit hat keinen Einfluss auf die Abweichung in der Position. Je nach

Bereich entlang

zeigt sich bei einer anderen Geschwindigkeit die maximale Amplitude von

qT,PosDiff.

Geschwindigkeit Betragsmaximum Betragsmittelwert Standardabweichung

˙= 100 mm

/s0,175 mm 0,028 mm 0,038 mm

˙= 250 mm

/s0,170 mm 0,042 mm 0,054 mm

˙= 500 mm

/s0,205 mm 0,049 mm 0,069 mm

Tabelle 4.1: Gegenüberstellung der geschwindigkeitsabhängigen Bahnfehler der Laufwagen

In Tabelle 4.2 sind für die in Abbildung 4.2 dargestellten Verläufe die Standardabweichung, der

Betragsmittelwert sowie das Betragsmaximum zu sehen. Je höher die Geschwindigkeit, desto

größer ist die Differenz (Betragsmittelwert). Dieser Einfluss ist jedoch weit geringer als das

Verhältnis der Geschwindigkeitssteigerung. So erhöhen sich die Werte zwischen 18% bis 82%,

was jedoch weit unter den 500% Geschwindigkeitsverhältnis liegt. Im Weiteren werden die

Versuche bei einer Verfahrensgeschwindigkeit von λ

˙= 500 mm

/sdurchgeführt.

In Abbildung 4.3 ist der Einfluss der Positionsabweichung

qT,PosDiff

des nachlaufenden sowie

vorlaufenden Laufwagens über der Faltstrecke ℓFS abgetragen. Die Faltenlänge ℓFändert sich

um ∆ℓF=±0,2 mm , an wenigen Stellen um ∆ℓF=±0,3 mm.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

303,6

303,7

303,8

303,9

304,0

304,1

304,2

304,3

Position des nachlaufenden Laufwagens qLin mm

Faltenlänge ℓF,gem in mm

Abbildung 4.3: Faltenlänge berechnet aus Ist-Positionsdaten der Laufwagen bei λ

˙= 500 mm

Diese Darstellung lässt sich auf die Spannungsänderung in der gegriffenen Falte umrechnen.

Die Ergebnisse dazu sind in Abbildung 4.4 dargestellt.

98 Validierung

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

−6,0

−4,0

−2,0

0,0

2,0

4,0

Position des nachlaufenden Laufwagens qLin mm

∆FF alte in mm

Abbildung 4.4:

Änderung der Materialspannung während des Faltvorgangs bei

= 500

ermittelt aus Messungen von qT,PosDiff

Die Versuche zeigen, dass sich die Faltenlänge maximal um 0,10 % reduziert bzw. um 0,12 %

verlängert. Für den Separator H2013 von Celgard führt das zu einer Änderung der Bahn-

spannung durch das Bewegungsführungssystem von +4

8 N

bis −

17 N. Ausgehend von

einer nominalen Nennbahnspannung von 8 N ergibt sich eine Bahnspannung im Prozess von

83 N

< FBahn <

8 N. Damit werden die Vorgaben für eine Bahnspannung gemäß der

Anforderungen an konventionelle z-Faltprozesse durch Schmitt [

Sch-15a

] nicht direkt einge-

halten. Im Ablagepunkt wird der Einfluss des dynamischen Anteils aus dem Fehler ∆

entlang

der Faltstrecke vernachlässigbar, so dass die Schwankungen in der Bahnspannung im Zellstapel

geringer ausfallen.

4.3 Erfassung der Laufwagenpositionsdifferenz

Um die prinzipielle Möglichkeit zur Faltung nachzuweisen, wurde die Faltung wiederholt mit

zwei Laufwagen durchgeführt. Auf dem Laufwagen L

wurde dafür ein Prototyp des Greifers

nach [

Ayd-18

] montiert. Der Laufwagen R

wurde ohne Greifer verfahren. So ist ein Vergleich

des Verhaltens mit und ohne Nutzlast im Faltungseinsatz möglich.

Die Verfahrensgeschwindigkeit

= 500

wurde gewählt. Diese Geschwindigkeit würde

einer Produktivität der Baugruppe von 0

/Falte

entsprechen und somit bereits die vom VD-

MA [

Mic-18

] aufgestellte Schallmauer von 1

/Falte

unterschreiten. Auf Grund des stärksten

Einflusses dieses Parameters auf die Faltenposition, siehe Tabelle 3.3.2, besitzt dieser Versuch

Erfassung der Laufwagenpositionsdifferenz 99

eine hohe Aussagekraft zur erreichbaren Ablagegenauigkeit der Baugruppe. In Tabelle 4.3 ist

der Mittelwert der Schleppabstände

qT,PosDiff

sowie seine Standardabweichung für die beiden

Laufwagen abgetragen.

Bezeichnung Betragsmittelwert Standardabweichung

Laufwagen L1mit protypischem Greifer 0,0635 mm 0,0049 mm

Laufwagen R1ohne Nutzlast -0,0702 mm 0,052 mm

Tabelle 4.2:

Gegenüberstellung der Mittelwerte der Fehler und ihrer Streuung von

qT,PosDiff

für

belastete und unbelastete Laufwagen

Es zeigt sich, dass beide Laufwagen eine ähnliche Abweichung zum Eingriffszeitpunkt aufweisen,

welche jedoch im Vorzeichen gegensätzlich ist. Laufwagen L

hängt somit leicht hinterher und

würde die Falte im Mittel mit

≈

063

zu spät greifen. Die Standardabweichung der

qT,PosDiff

beträgt dabei jedoch nur

≈

005

. Werden diese Werte auf Ihren Einfluss auf die

Faltenposition gemäß des aufgestellten Fehlermodells umgerechnet, ergibt sich ein Mittelwert

von

≈

056

und eine Standardabweichung von

≈

0045

. Somit liegen statistisch

99,73 % aller Eingriffspunkte in einem Zielfenster von ≈0,056 mm ±0,013 mm.

Die Unsicherheit der Faltenposition aus der Positionsdifferenz

qT,PosDiff

liegt somit bei

013

Dieser Wert liegt im Bereich der vom Hersteller des Systems angegebenen Wiederholgenauigkeit

von 10

µm

. Der über das interne Messsystem ermittelte Fehler muss jedoch auf Grund der

Herstellerangabe zur Absolutgenauigkeit innerhalb eines Geradenmoduls von

mit

Vorsicht interpretiert werden. Der Zeitpunkt für das Erreichen des Eingriffspunktes

sollte

in jedem Falle überprüft werden.

Um die Ablagegenauigkeit vorhersagen zu können, werden diese Ergebnisse in das Fehlermodell

eingesetzt und für einen Stapel von 100 Falten ausgerechnet (siehe Abbildung 4.5). Die Einflüsse

aus den anderen Fehlern wurden hier vernachlässigt, um eine Verfälschung der Darstellung

zu vermeiden. Der Fehlereinfluss aus den vernachlässigten Werten muss noch verschlechternd

hinzugerechnet werden. Wird, basierend auf der Messung von

qT,PosDiff

, der Betrag dieses

Fehlers für die Laufwagen verwendet, ist unter einer groben Schätzung ein Fehler von

≈

aus den dynamischen Anteilen zu erwarten. So lässt sich eine erste Abschätzung der

Gesamtpräzision vornehmen.

Nach einer ersten Schätzung auf Basis der Vorversuche ist mit einer Positionsabweichung

der Elektroden auf dem Separator von

zu rechnen. Unter dem Einfluss der bisher

berücksichtigten Fehler, erscheint für die Baugruppe eine Präzision in der Ablage der Elektroden

von ≈ ±0,5 mm erreichbar.

100 Validierung

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

−2

−1

·10−2

Faltennummer

∆zElektrode in mm

Abbildung 4.5:

Ergebnisse des Fehlermodells unter Verwendung der ermittelten Abweichungen

von qT,PosDiff

Gesondert betrachtet wird an dieser Stelle ein Versuch für die Geschwindigkeit

= 1000

in Abbildung 4.6. Das System kann nur wenige Faltvorgänge durchführen, bevor es in einen

Fehlerzustand geht, da die Steuerung für diesen Fall noch nicht stabil ist.

Trotz dieses Fehlers kann das kinematische Modell die Bewegung bei dieser Geschwindigkeit

führen. Im Eingriffspunkt ist eine erhöhte Abweichung in der Position von

≈

beobachten, welche sich nach

≈

legt. Im weiteren Verlauf der Faltstrecke ist ein

vergleichbarer Verlauf wie bei einer Geschwindigkeit von

= 500

. Die Abweichungen

im Ablagepunkt sind wiederum ungefähr doppelt so hoch, wie die bei halber Geschwindigkeit.

Diese Messung zeigt, dass das kinematische Modell sowie die Transportsysteme auch bei

höheren Geschwindigkeiten formal das Separatormaterial falten können, wenn auch mit erhöhten

Abweichungen in der Faltenposition.

Die Validierung hat gezeigt, dass das Verfahren für eine Verfahrensgeschwindigkeit

1000 mm

/sbereit ist. Die gemessenen Abweichungen bei der Handhabung der Falte sind inner-

halb des zulässigen Rahmens für einen Trilayer-Separator, wie den Celgard H2013. Gleichzeitig

zeigt sich bereits mit den prototypischen Greifern eine sehr niedrige Standardabweichung wäh-

rend des Anfahrens des Eingriffspunkts. Mit der in Abbildung 4.6 gezeigten Messung konnte

zudem gezeigt werden, dass das System bereits weitestgehend für höhere Geschwindigkeiten

verwendet werden kann.

Erfassung der Laufwagenpositionsdifferenz 101

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

304,0

304,5

305,0

305,5

Position des nachlaufenden Laufwagens qLin mm

Faltenlänge ℓFin mm

Abbildung 4.6:

Faltenlänge aus Ist-Positionsdaten während des Faltvorgangs bei

= 1000

102

5 Zusammenfassung, Bewertung

und Ausblick

5.1 Zusammenfassung

Im Rahmen der Arbeit wurde ein innovatives Verfahren zur kontinuierlichen z-Faltung von

bandförmigen Materialien zur Herstellung von Batteriezellverbünden untersucht. Dieses kon-

tinuierliche Verfahren besitzt, basierend auf der kontinuierlichen Verfahrensführung und der

Abkehr von Zu- und Rückstellbewegungen, das Potenzial, eine signifikante Produktivitätsstei-

gerung gegenüber dem Stand der Technik sowie auch dem Stand der Forschung zu erzielen.

Basierend auf dem Patent zum Verfahren zum z-falten eines Bahnmaterials und dem Gestal-

tungsentwurf zum Anlagenkonzept wurde das Verfahren im Detail ausgearbeitet. Im Rahmen

dieser Analyse wurde sich besonderer Herausforderungen in der Verfahrensführung angenom-

men, welche vorher nicht betrachtet worden waren. Es wurde gezeigt, dass ein dynamisches

Bahnführungssystem der Baugruppe vorzulagern ist. Die Faltenhandhabung wurde dabei um

ein Kurvenelement erweitert, welches die adäquate Handhabung der Falten über den gesamten

Faltprozess sicherstellt.

Als erster Schritt wurden die Anforderungen und Rahmenbedingungen erarbeitet. Darauf ba-

sierend ist ein kinematisches Modell für den Faltprozess aufgestellt worden. Das Modell ist so

aufgebaut, dass alle kinematischen Elemente durch eine Variable in Kombination mit einem

Parametersatz beschrieben werden können. Dies ermöglicht es, flexibel auf Änderungen geome-

trischer Abmessungen zu reagieren, ohne das Modell anpassen zu müssen. Zur Überwachung

der berechneten Werte ist in das Modell eine Koordinatentransformation integriert worden,

durch welche die räumliche Position der Elemente ermittelt werden kann. Gleichzeitig kann

dadurch eine Überprüfung der Bahnen der Endeffektoren erfolgen. Im Weiteren ist eine Be-

rechnung der Faltenlänge jeder aufgezogenen Falte implementiert worden, welche für spätere

Validierungen als Basis zur Einschätzung der Verfahrensfähigkeit dienen kann.

Die Empfindlichkeit des Verfahrens gegenüber Fehlereinflüssen wurde anhand des kinematischen

Modells berechnet. Dies ermöglicht es, Fehler aus der Ungenauigkeit der Ausrichtung der Kom-

ponenten zu berechnen. Zur Einschätzung der Ablagepräzision der Elektroden im Zellverbund

ist ein Fehlermodell aufgestellt worden, in dem, basierend auf den Fehlereinflüssen zur Falten-

position, die Position der Elektroden im Zellverbund berechnet wird. Durch eine Betrachtung

Ergebnisse und ihre Bedeutung 103

von mehreren Falten konnte eine voraussichtliche Verteilung der Elektrodenmittelpunkte im

Stapel vorhergesagt werden.

Eine messtechnische Untersuchung zur Charakterisierung des Transportsystems wurde durch-

geführt. Dabei sind Untersuchungen zur Nutzlast in Kombination mit der Verfahrensgeschwin-

digkeit, Positioniergüte, sowie Bahntreue durchgeführt worden. Im Rahmen der Versuche

zur Nutzlast konnte gezeigt werden, dass ein Prozessfenster mit diesem Transportsystem im

Bereich von

∼

350 g Nutzlast als obere Grenze bei der Entwicklung der Greifer angestrebt

werden sollte. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass für Geschwindigkeiten bis 1000

das Transportsystem mit dieser Nutzlast formal in der Lage ist, die gewünschte Präzision zu

erreichen. Dies entspricht einer Zeit pro Falte von 0,304 s.

Die Konzeption und Entwicklung der Teilkomponenten des Verfahrens wurde dargestellt. Die-

se Komponenten sind entsprechend der aus dem Fehlermodell sowie der Untersuchung des

Transportsystems abgeleiteten Anforderungen entwickelt worden.

Eine Implementierung des kinematischen Modells in der speicherprogrammierbaren Steuerung

zeigte Herausforderungen bei seiner Portierung. Die beobachteten Abweichungen wurden dabei

auf ihre Ursachen untersucht und eine Korrektur vorgenommen. Diese Korrektur ist durch den

Einsatz einer linearen Regression ermöglicht worden. Als Ergebnis steht eine Übertragungs-

funktion, welche angenähert das ideale Verhalten der SPS-basierten Umsetzung herstellt.

Im Rahmen der Validierung ist die Fähigkeit des Bewegungsführungssystems zum Aufziehen und

Führen von Falten gezeigt worden. Bei diesen Versuchen kamen Greiferprototypen als Nutzlast

zum Einsatz, so dass verfahrensnahe Rahmenbedingungen für den Versuch geschaffen werden

konnten. Durch den Einsatz konzipierter und implementierter Teilkomponenten konnten die

Leistungsparameter aus vorhergehenden Untersuchungen übertroffen werden. Eine Betrachtung

der Faltenlänge im Rahmen der Validierung zeigte geringe Abweichungen im Bereich von

wenigen Zehntel Millimeter. Diese wiederum, auf die Faltenlänge umgerechnet, ergeben eine

Schwankung der Bahnspannung entlang der Faltstrecke von wenigen Newton.

5.2 Ergebnisse und ihre Bedeutung

Im Ergebnis der Arbeit steht ein kinematisch modelliertes und auf Fehlereinflüsse untersuchtes

Verfahren zur z-Faltung von bahnförmigen Materialien. Das kinematische Modell, welches in

der Anlagensteuerung implementiert wurde, befähigt das System, die erforderliche Bahn zu

fahren. Das kinematische Modell ist dabei flexibel in der Konfiguration des Zellformates und

kann durch Eingabe der Parameter die entsprechende Bewegungsführung berechnen.

104 Zusammenfassung, Bewertung und Ausblick

Unter seiner Verwendung konnten stabile Verfahrensabläufe bis zu einer Separatorvorschubge-

schwindigkeit von 500

gezeigt werden, jedoch ohne das dabei Bahnmaterial gefaltet wurde.

Die dabei erzielte Präzision lässt auf eine voraussichtliche Ablageungenauigkeit der Elektro-

den von

inklusive einer bereits in der Elektrodenposition enthaltenen Unsicherheit

von

schließen. Die Verfahrensproduktivität liegt bei einer Verfahrensgeschwindig-

keit von 500

mit 140

/min

bereits auf 165 % gegenüber dem dargestellten Stand der

Technik. Gelingt eine Stabilisierung des Prozesses bei 1000

und somit einer Produktivität

von 280

/min

, läge diese bei 329 % gegenüber dem Stand der Technik. Diese Produktivitäts-

steigerung wäre in der Lage, eine disruptive Innovation im Bereich der Zellverbundherstellung

darzustellen

5.3 Ausblick

Als nächster Schritt steht die Ausgestaltung der Greifer und deren Erprobung unter Verwendung

von Separatormaterial und sukzessive mit Elektrode-Separator-Verbundmaterial. Über das

Separatormaterial werden sich die Laufwagen gegenseitig in ihrer Position beeinflussen, was

wiederum die Positionierfehler der Laufwagen beeinflussen wird. Damit stellen diese Versuche

einen spannenden nächsten Schritt dar.

Je nach den finalen Gewichten der Greifer sollte der Austausch der Führungsschiene des Trans-

portsystems erwogen werden. Erste Tests mit einem alternativen Schienensystem zeigten ein

verbessertes Schwingungsverhalten bei höheren Nutzlasten. Gleichzeitig sind diese Systeme

jedoch mit der bereits erreichten Verfahrensgeschwindigkeit von 1000

nahe der herstelle-

reigenen Geschwindigkeitsbegrenzung, während die Transportsysteme

≈

4000

erreichen

könnten.

Eine Übertragung des Fehlermodells auf den dreidimensionalen Raum steht als nächster Schritt

für die Fehlermodellbetrachtung. Auch die Betrachtung weiterer Parameter steht noch aus,

welche Aufgrund des Entwicklungsstandes des Demonstrators bisher nicht messtechnisch erfasst

werden konnten.

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A Exkurs Einfluss der

Führungsschiene

100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400

−0,2

0,2

xP osDiff in mm

AT9000

AT9000+500g.

100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400

−0,2

0,2

Vorschub in mm

xP osDiff in mm

PSF

PFS+ 500g

Abbildung A-1:

Einfluss der Führungsschiene auf die Positionsdifferenz

xP osDiff

der Laufwagen

auf Geradenmodulen

Bei der Untersuchung unterschiedlicher Tragschienen für das umlaufende Transportsystem

ergaben sich die in Abbildung A-1. Die Schiene AT9000 ist die werksseitige Führung des

Herstellers. Die Schiene mit der Bezeichnung PSF ist eine nachgerüstete Alternativschiene,

welche jedoch nur für Geraden eingesetzt werden kann. Beide Führungen zeigen eine Reduktion

der Positionsabweichungen

PosDiff

durch das hinzufügen einer Nutzlast von

mNutzlast

500 g. Die AT9000 zeigt jedoch ein radikales Schwingungsverhalten mit einer solchen Nutzlast

sobald das Kurvenmodul angefahren wird. Für die eingesetzten Transportsysteme existieren

steifere Führungen welche für zukünftige funktionsintegrierte Greifer evaluiert werden sollten

auch wenn diese bauartbedingt auf eine Verfahrgeschwindigkeit von

≈

1000

begrenzt sind.

Durch die höhere Steifigkeit ermöglichen diese erhöhte Nutzlasten und somit eine erweiterte

Funktionsintegration in die Greifer. Sollte es jedoch möglich sein die nötigen Funktionen der

Greifer in

500 g zu integrieren ist die höhere Verfahrensgeschwindigkeit der AT9000 zu

bevorzugen.

B Zusätzliche Abbildungen

XXI

Abbildung B-1: Darstellung des Gestaltungsentwurfs zum Lösungskonzept nach [Bac-17]

XXII

C Konzeption und Implementierung

der Steuerung sowie Bahnplanung

Bei der Entwicklung des Steuerungsprogramm sowie der Implementierung der Bahnplanung

kommt die Software TwinCat 3.1 von Beckhoff zum Einsatz [

Aut-19

]. TwinCat ist eine

PC-basierte Steuerungstechnik, welche modular aufgebaut ist, wodurch mehrere Steuerungs-

programm simultan auf einem System ausgeführt werden können. Ebenso ist es möglich große

Datenmenge durch die hohe Bandbreite von 100

Mbit

pro Strang des EtherCat Bussystems

zu verarbeiten, welches benötigt wird um die Transportsysteme, welche als Grundlage für die

Baugruppe Faltung dienen, anzusteuern.Aufgrund der tiefen Integration der Funktionen wird

der gesamte Demonstrator betrachtet.

.1 Anforderungsanalyse

Für die Entwicklung der Steuerung ist es nötig die Anforderungen zusammenzutragen und so

eine gezielte Implementierung zu ermöglichen. Dabei müssen auch die Anforderungen basierend

auf der Intergration des Demonstrators des KontiBat Projektes beachtet werden. Als erstes

ist die Gesamtarchitektur des Demonstrators zu betrachten. Wie in Abbildung 2.10 dargestellt

besteht der Demonstrator aus zehn Baugruppen. Im System sind insgesamt ca. 70 Achsen

sowie hunderte Sensoren integriert. Es entfallen zehn Achsen auf die Transportsysteme der

Baugruppe Faltung. Die sensorgegeführte Handhabung der Elektroden in den Baugruppen

Menge verändern und Bewegen erfordert eine schnelle Reaktionszeit und feine Regelung jeder

Achse, weshalb eine Zykluszeit von 1 ms für die gesamte Steuerung angestrebt wird.

Das Sensorkonzept wird dabei von Mooy im Rahmen seiner Dissertation bereits vorgestellt

[

Moo-19

]. Eine Beschreibung der Funktionsweise hat bereits im Rahmen der Veröffentlichung

[

Glo-18

] stattgefunden. Die Erfassung der Elektroden während der Bewegung ist eine Kernan-

forderung aus der kontinuierlichen Prozessführung und muss über den gesamten Demonstrator

durchgeführt werden. Ein Fehler in der Positionierung der Elektroden bis hin zur Baugruppe

Fügen kann im Nachhinein nicht mehr korrigiert werden. Die Symmetrie der Anlage sowie die

den in [

Glo-18

] dargestellten Messprinzipien des Demonstrators, legen die Modularisierung der

Steuerungskomponenten nahe. Diese ermöglicht es spät auf Änderungen in der Konstruktion

zu reagieren und dabei den Änderungsaufwand gering zu halten. Der Separatorvorschub bietet

sich als einheitlicher Master für alle Abläufe im Demonstrator an. Diese Achse dient als Lei-

tachse. Alle Abläufe im Demonstrator verwenden die Position dieser Achse als Referenz. Eine

XXIII

virtuelle Achse ist im Kontext der verwendeten Steuerungsumgebung eine Achse in der NC, der

keine physische Achse zugewiesen ist. Als Vorbild für diese Achse wird hier die Sollposition des

Separatorvorschubs verwendet.

.2 Konzept der Demonstratorsteuerung

Das Konzept der Demonstratorsteuerung setzt auf den Einsatz von Programmmodulen für jede

Baugruppe. Diese Module verwenden dabei eine Zentrale Datenstruktur um aus allen Modulen

Zugriff auf die nötigen Eine durchgehende Gruppierung der angelegten Funktionen, verarbeiteten

sowie erfassten Daten zu prozessbezogenen Strukturen ermöglicht ein weitgehendes Bild über

alle Funktionen zu erzeugen. Alle Funktionen orientieren sich dabei an einer Virtuelle Achse

als Leitachse. Diese ermöglicht die Synchronisierung und Koordination aller Abläufe indem

die Faltposition als Referenz dient, welche sich wiederum direkt auf die Position der Leitachse

umrechnen lässt.

In den Elektroden zuführenden Baugruppen Menge verändern,Bewegen sowie Fügen werden

Sensorlinien eingesetzt. Daher bietet sich hier eine Implementierung als Funktionsbauerstein an.

Die Position der Sensorlinie ebenso wie der Versatz zwischen den Messpunkten wird dabei in

der Steuerung als Parameter hinterlegt und ermöglicht so jede Messung direkt auf die spätere

Fügepose der Elektrode abzuleiten. Die Integration einer Datenbank der verarbeitenden Elek-

troden ermöglicht es dabei unabhängig von Formfehlern der Elektrodenkannte eine maximalen

Überdeckungsgrad zu ermöglichen. Die eingesetzte Sensorkonfiguration ist dabei in Abbildung

C-1 dargestellt.

Abbildung C-1: Sensorkonfiguration im Bereich der Elektrodenzuführung [Glo-18]

Vor dem letzten Führungsrollenpaar befindet sich ebenso eine Sensorlinie wie sie bereits in den

vorhergehenden Baugruppen zum Einsatz kam. Diese ermöglicht es die Abweichungen aus

dem Fügeprozess zu erfassen und somit auch im Prozessabbild sichtbar zu machen. Auch die

XXIV Konzeption und Implementierung der Steuerung sowie Bahnplanung

Bewegungsführung der roboterbasierten Falttische ist dabei in der Anlagensteuerung integriert.

Die Berechnung der Falttischhöhe erfolgt dabei synchronisiert zur Faltung, so dass für jede

abzulegende Falte die gleiche Faltebene angenommen werden kann.

.3 Implementrierung der Demonstratorsteuerung

Die im vorhergehenden Kapitel angesprochen Entwicklung der Sensormodulentwicklung ist in

TwinCat 3.1 von Beckhoff implementiert worden. Die Sensoren werden über das Bussystem

als Zeitstempelsignale ausgelesen und Wert an den Baustein übergeben. Als weitere Eingänge

erhält der Baustein den Abstand der Sensorpunkte quer und entlang der Transportrichtung

der Elektroden. Gleichzeitig wird ein Sollwert für die Sollpose der Elektrode übergeben. Aus

diesen Werten wird die Abweichung der Elektrode gegenüber ihrer Sollpose bestimmt und

in Komponenten dargestellt. Über die Implementierung einer zentralen Leitachse in Form

einer virtuellen Achse werden alle Achsen des Demonstrators an eine zentrale Größe gekoppelt.

Durch die Kopplung an die Ist-Position ist es möglich auch über Hochlaufphasen oder temporäre

Reduktionen der Geschwindigkeit auf Grund von Prozesseinflüssen eine korrekte Positionierung

der Elektroden relativ zu ihrer Zielpose auf dem Separator zu ermöglichen.

Im Weiteren wurde die in Abbildung C-2 abgebildete und bereits in [

Glo-18

] veröffentlichte

Architektur umgesetzt. Der Abschnitt zur kontinuierlichen Verbesserung der Anlage über eine

historische Datenbank sowie Smarte Regelalgorithmik wurde nur Konzeptionell entwickelt. Die

notwendigen Schnittstellen für die spätere Erweiterung der Steuerungsarchitektur wurden jedoch

bereits von beginn an eingebracht.

Abbildung C-2: Grundlegende Architektur der Anlagensteuerung [Glo-18]

XXV

.4 Konzept der Bahnplanung der Faltungsbaugruppe

Aufgrund des Umfangs des Demonstrators und im speziellen der hohen Anzahl an Achsen, ist

es nötig in Kombination mit der antizipierten Zykluszeit den Berechnungsaufwand für die Bahn-

planung kompakt zu halten Aus den aufgestellten Anforderungen wurden vier Lösungskonzepte

für die Bahnplanung abgeleitet. In Tabelle C.1 werden die Lösungskonzepte zusammengefasst

gegenübergestellt. Lösungskonzept A basiert auf einer offline Bahnplanung. Bei diesem Lö-

sungskonzept werden die Bewegungsprofile der Laufwagen in einer externen Softwareumgebung

geplant und als Datei abgespeichert. Diese Datei muss von der Anlagensteuerung eingelesen

werden und wird dann nach dem PlayBack Prinzip abgespielt. Lösungskonzept B basiert auf

einer online Bahnplanung. Im Gegensatz zu Variante A wird hier die Bahn der Laufwagen in

Abhängigkeit der Leitachse direkt in der Steuerung berechnet. Variante C erweitert die Variante

B um eine Kraftregelung des Separators basierend auf der Position der Laufwagen.

Lösungsansatz Art der Lösung Flexibilität ↑Aufwand ↓Komplexität ↓

Lösungskonzept A offline Bahnplanung extern

Lösungskonzept B online Bahnplanung

Lösungskonzept C kraftgeregelte online bahnplanung

: Vorwiegend erfüllt, : Teilweise erfüllt, : kaum erfüllt

Tabelle C.1: Vergleich der neuartigen Verfahren zur Produktion von großformatigen Zellen

Basierend auf den in Tabelle C.1 dargestellten Kriterien wird Lösungskonzept B ausgewählt.

Aufgrund der Untersuchungen zur prinzipiellen Machbarkeit ist dieses Konzept technisch am

attraktivsten, da bisher noch keine Untersuchungen gezeigt haben, dass eine komplexere aufwen-

digere Implementierung notwendig ist. Gleichzeitig ist jedoch durch die zentrale Datenerfassung

die Basis für die Erweiterung zur Optimierung und Untersuchung basierend auf den Prinzipien

des Machine Learning gegeben.

.5 Implementierung

Die Ablaufsteuerung der Faltungsbaugruppe besteht aus vier Modulen, dem Bootup, der Syn-

chronisierung, dem Eingriff und der Rückführung. Der Bootup bringt die Laufwagen aus einer

beliebigen Ausgangsposition in die Warteposition für die Faltung, wobei die folgenden Schritte

durchlaufen werden. Ein Positionswert für alle Laufwagen wird vorgegeben, welcher eine einheit-

liche Verfahrrichtung für alle Laufwagen vorgibt. Dabei müssen aufgrund der Transportsysteme

vielfache des Modulübergangs, also

xwait 

n∗

250

gewählt werden, da das System auf

diesen dazu neigt bei einem ColdBoot die Laufwagen nicht zu erkennen. Als nächster wird die

Moduloposition der einzelnen Laufwagen abgefragt, in einem Array abgelegt und anschließend

geordnet. Danach erhalten die Laufwagen sequenziell ihre neue Zielposition und verfahren dort

XXVI Konzeption und Implementierung der Steuerung sowie Bahnplanung

hin. Währenddessen überwacht eine steuerungsinterne Kollisionsüberwachungsfunktion den

Mindestabstand von 100

. Ist dieser Prozess abgeschlossen, sind die Laufwagen bereit zur

Übergabe an den Faltungs- und Rückführungszyklus.

Dieser Zyklus besteht wiederum aus drei Bestandteilen, der Synchronisierung, dem Eingriff

und der Rückführung. Im Abschnitt der Synchronisierung werden die Laufwagen auf die

virtuellen Achsen synchronisiert und bis zum Eingriffspunkt gebracht. Im Abschnitt des Eingriffs

werden die Positionen der virtuellen Achsen über die im Kapitel

hergeleiteten kinematischen

Zusammenhänge berechnet. Die Rückführung bewegt die Laufwagen aus der Faltungsebene

zurück in die Warteposition. Je nach Zustand erhalten die Laufwagen eine Zustandsvariable

zugewiesen, die in der späteren Auswertung der Daten es erleichtert den aktuellen Bereich

sowie Abschnitt zu erfassen.

Die Laufwagen werden in Abhängigkeit der Separatorposition ausgelöst. Eine interne Funktion

liest dabei die aktuelle Position aller Laufwagen aus und schreibt diese in ein zentrales Array.

In Abhängigkeit der Position wird den Laufwagen innerhalb der Faltung dann den jeweiligen

Bereichen zugeordnet. Der nullte Bereich ist der Synchronisationsbereich. Die nachfolgenden

vier Bereiche befinden sich auf der Faltstrecke. Aufgrund des zwischengeschalteten Pendler-

systems, wird dabei nicht mehr der Separator als direkter Bezug wie in den vorhergehenden

Baugruppen verwendet. Die veränderliche Länge zwischen dem Führungsrollenpaar und dem

letzten im Eingriff befindlichen Laufwagen wird dabei als Kompensation zyklisch verrechnet.

Die Faltung verwendet die im Kapitel 3.2 hergeleiteten Bereichseinteilungen sowie Gleichungen

um die Position der Laufwagen zyklisch zu berechnen. Die Position des Laufwagens wird

dabei von der Position des im nachfolgenden Laufwagens vorgegeben. Die so aufgestellte

Randbedingung zwischen den Laufwagen hält diese aus Sicht der Sollwerte auf einem räumlichen

Abstand, der der Faltenlänge ℓFentspricht.

Am Ende der Faltung werden die Laufwagen von Ihren virtuellen Achsen entkoppelt und

der Gruppenbewegungsfunktion mit Kollisionsüberwachung übergeben. Die virtuellen Achsen

werden dabei auf die Zielposition gefahren, während sich die physischen Laufwagen durch den

Sicherheitsabstand vor der Warteposition aufstauen.

In die Steuerung wurde dabei ein Modell zur Berechnung der Weltkoordinaten der Laufwagen

sowie Endeffektoren integriert. Diese Modell ermöglicht es basierend auf den erfassten Positio-

nen der Laufwagen die Faltenlänge im Prozess zu beobachten und somit eine Nachverfolgung

des Prozessablaufs für jede Falte zu ermöglichen. Weitere Parameter wir Beschleunigungen

und Kräfte auf die beteiligten Betriebsmittel sind somit formal in der Demonstratorsteuerung

zugänglich.

XXVII

Die so implementierte Steuerung ermöglicht es die Faltungsbaugruppe, sowie die verbleibenden

Teile des Demonstrators, formal in Betrieb zu nehmen. Die Implementierung der Bahnplanung

im Steuerungscode des Demonstrators ermöglicht es, Anpassungen auf konstruktive Änderun-

gen am Demonstrator direkt als Parameter in die Steuerung einzugeben ohne eine aufwendige

Neuberechnung der Bewegungsbahn der Laufwagen zu erfordern. Der Steuerungscode ist dabei

in der Lage mit einer niedrigen Auslastung der verfügbaren Echtzeit die Berechnung für den

Demonstrator durchzuführen. Der Demonstrator ist somit steuerungs-, bahnplanungstechnisch

sowie konzeptionell bereit nach der Fertigstellung der Greiferentwicklung und Implementierung

der Separatorzuführung eine Faltung von Elektrode-Separator-Verbünden durchzuführen.