機器視覺技術在新能源電池線路板焊接中的應用方法

黃世日亙，梁世民，屠 鋒，徐曉煒

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310000；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310000；3.上海航天電源技術有限責任公司，上海 201100）

0 引言

新能源汽車以電池模組作為動力來源，可以說新能源電池的質量直接影響汽車的運行動力質量。為了給新能源汽車提供充足的動力支持，電池模組通常安裝在電池線路板中，保證各個電池元件處于同一個工作頻率中[1]。電池線路板可以大體分為陶瓷線路板、PCB板、厚銅板等多種類型，為了滿足汽車車身輕量化的要求，選擇密度小、強度好的鋁合金線路板。

在新能源電池線路板的制作過程中需要利用焊接工作結合電池殼，從而實現(xiàn)多個電池單體的串并聯(lián)?，F(xiàn)階段以鋁合金為原材料的新能源電池線路板基本都是采用激光焊接方式，然而在實際的工作過程中發(fā)現(xiàn)，由于在焊接過程中無法直接觀察線路板的位置，因此無法精準定位線路板的焊接點位置，導致線路板焊接失效。除此之外，焊接操作人員也無法觀察到線路板的實時焊接狀態(tài)，容易產生凝固裂紋、孔穴、未熔合、未焊透等焊接缺陷，最終影響新能源電池線路板的焊接加工質量。

為了解決當前新能源電池線路板焊接方法存在的問題，將機器視覺技術應用到焊接方法的優(yōu)化設計工作中。機器視覺是利用計算機對人的視覺功能進行仿真，對目標圖像進行提取、加工，最后進行測量和控制的過程。機器視覺的色彩和灰度分辨力更高，且可以做到量化，能夠有效的降低焊接激光對人眼造成的傷害。通過機器視覺技術的應用，以期能夠提高新能源電池線路板的焊接質量。

1 應用機器視覺技術的新能源電池線路板焊接方法設計

1.1 利用機器視覺技術生成新能源電池線路板圖像

機器視覺技術的應用需要相關硬件設備的支持，具體包括光源、成像相機、鏡頭以及運動控制器等。在考慮圖像對比度、圖像亮度以及圖像清晰度三個因素，選擇AOI光源，為了減少圖像采集過程中的反光，采用高角度照射方式。由于光耦合組件傳感器相機相機具有拍攝圖像質量高且抗噪能力強的優(yōu)勢，將其安裝到新能源電池線路板焊接工作臺上，安裝型號為FUJINON的鏡頭，且保證相機與鏡頭的安裝位置能夠拍攝到完成的焊接工作圖像。在硬件設備的協(xié)同配合下，按照圖1表示的成像原理，生成新能源電池線路板的圖像拍攝結果。

圖1 新能源電池線路板機器視覺成像原理圖

假設世界坐標系中的任意一點P的坐標為在成像圖像平面上生成的坐標點為那么兩者之間的轉換關系可以表示為：

式(1)中f為相機焦距，其計算公式如下：

其中V、FOV(V)和WD分別為相機內部的感光元件大小、視野范圍大小和物距[2]。定義相機的成像投影坐標點在像素坐標系中的坐標為(u，v)，由此可以得出兩者之間的轉換關系，可以表示為：

式(3)中ax和ay成像坐標系與像素坐標系在兩個坐標軸方向的放大系數(shù)，Min為相機內參數(shù)矩陣。根據(jù)上述原理可以得出新能源電池線路板上所有位置在相機以及像素坐標系中的映射結果，即新能源電池線路板圖像的生成結果。另外運動控制部分主要是驅動攝像子系統(tǒng)的動作，使攝像機在各個位置上完成局部的拍攝。設置圖像生成時間間隔為0.5s，得出新能源電池線路板在焊接全過程中的實時圖像。

1.2 初始電池線路板圖像預處理

1.2.1 圖像灰度化

灰度化處理是把彩色圖像轉換成灰度圖像的過程。采用加權平均的方式得出圖像的灰度化處理結果為：

其中ωR、ωG和ωB分別為R、G和B三個顏色分量的權重值，上述三個參數(shù)的和為1。通過計算權重值的最優(yōu)解，得到合理的灰度圖像。

1.2.2 圖像噪聲處理

由于受新能源電路板焊接工藝條件的限制，采集到的圖像往往包含椒鹽噪聲、高斯噪聲等，從而造成圖像的特征信息被遮蔽，從而降低了檢測準確率。因此，采用中值濾波方法，以達到更好地逼近實際值，并排除了孤立噪聲的影響[3]。選取滑動過濾窗A，在本地區(qū)域選取一個像素，將其他像素與此像素進行比較，其中灰度較低的像素位于其前方，而灰度較高的像素則位于其后，利用式(5)計算數(shù)據(jù)中值。

式(5)中R表示的是偶數(shù)集合。將式(5)的計算結果賦值給該局部區(qū)域的像素，通過對初始圖像中所有像素的連續(xù)處理，完成圖像的噪聲處理工作。

1.2.3 分割圖像感興趣區(qū)域

由于相機拍攝位置、視角等因素，獲取的圖像背景信息復雜，信息量大，圖像中的靶點特征不明顯，從而影響圖像處理的處理效率，因此，在圖像處理之前，必須對圖像進行處理，減少圖像處理的時間。針對目標焊點及周圍區(qū)域進行選擇，實現(xiàn)前景圖像與背景圖像的分割，提取的前景圖像即為焊點圖像感興趣區(qū)域。設置圖像分割閾值為T，則初始采集圖像f(x，y)的分割結果可以表示為：

提取g(x，y)取值為1的部分作為前景圖像，使用矩形區(qū)域的Rect方法，在前景圖像位置上以矩形的方式對焊點圖像感興趣區(qū)域進行標記。

1.3 實時提取新能源電池線路板焊接圖像特征

以采集并處理完成的新能源電池線路板圖像為基礎，從輪廓邊緣、區(qū)域面積等方面，提取圖像特征，為焊接位置的確定以及線路板缺陷的檢測提供數(shù)據(jù)支持。其中輪廓邊緣是圖像的基本特征，能夠反映出新能源電池線路板的基本形狀和走線方式，同時也能夠通過對邊緣的檢測，確定焊點的形狀及位置特征。在輪廓邊緣檢測過程中，利用Roborts算子通過對角線上兩個鄰近像素之間的差分，采用局部差分算子來進行邊緣提取，邊緣特征的提取過程可以表示為：

式(7)中Roborts(·)為算子函數(shù)，f`x和f`y分別為兩個45°傾斜方向上圖像像素點的微分值，最終得出的結果edge即為焊接圖像邊緣的檢測結果[4]。在此基礎上，利用式(8)可以得出焊點面積特征的提取結果。

其中M和N分別為焊點區(qū)域的長度和寬度，上述兩個參數(shù)的具體取值可以根據(jù)提取的邊緣特征直接得出，nedge為焊點區(qū)域中包含的像素數(shù)量，S1表示一個像素所占的面積大小。同理可以求出焊點周長、焊點球形性等特征的量化提取結果。

1.4 規(guī)劃新能源電池線路板焊接路線

1.4.1 確定電池線路板焊接起始位置

設置新能源電池線路板以及板上引線、芯片等元件的標準形狀特征，并以此作為圖像匹配的模板，利用式(9)進行輪廓邊緣特征與模板之間的匹配任務。

其中R(j，k)和β(x+j，y+k)分別為設置的模板特征和提取的圖像特征，(j，k)和(x，y)為圖像對應的像素值，式(9)的計算結果為輪廓邊緣特征與模板之間的相似度，若η(x，y)的計算結果高于η0，則表示當前圖像目標的邊緣特征符合相應模板特征，由此便可以確定當前圖像中的焊點位置，并對引腳、芯片等焊點進行標記。圖2為標記后新能源電池線路板焊點分布情況。

圖2 新能源電池線路板焊點分布圖

利用機器視覺技術直接得出該目標元素的位置坐標。若η(x，y)低于η0，則需要進行下一個模板的匹配，直到找到匹配結果或所有模板均未匹配成功為止。利用式(10)分別計算檢測出的焊點與新能源電池線路板邊緣起點之間的距離。

式(10)中(xi，yi)和(x0，y0)分別為目標元素與線路板邊緣起點的坐標值，(x0，y0)可以選擇線路板的任意一個端點作為邊緣起點。將識別出的目標元素逐一代入到式(10)中，并選擇距離新能源電池線路板邊緣起點位置最近的焊點作為起始點。

1.4.2 生成新能源電池線路板焊接路線

按照式(11)的計算方式，分別計算新能源電池線路板上其他焊點與起始位置的距離，選擇距離最小的焊點作為第二個焊接位置，并將其與起始位置相連。同理逐一計算后續(xù)焊點的焊接順序，保證新能源電池線路板上所有的焊點均包含在焊接隊列中，并按照順序對焊點進行連接，經過平滑處理后，得出焊接路線的生成結果。

1.5 實現(xiàn)新能源電池線路板焊接

利用控制器設備保證激光焊接設備嚴格按照規(guī)劃的焊接路線執(zhí)行焊接任務，具體的焊接流程如圖3所示。

圖3 新能源電池線路板焊接流程圖

按照圖3表示的流程，新能源電池外殼垂直放置在輸送機上，再通過輸送機輸送到焊縫區(qū)。通過焊接機器人的上料、裝配，啟動夾具對焊點進行定位、夾持，并利用計算機視覺技術對焊縫進行檢查，確保焊縫之間的間隔、間隔和適當?shù)木嚯x。實際焊接時，控制焊點的誤差不超過0.05mm。采用激光焊接機對電池進行封裝焊接，可以實現(xiàn)0.3mm～0.7mm的焊縫熔深，0.6mm～1.2mm的焊縫寬度[5]。利用機器視覺實時采集的圖像，對焊接的每一個步驟進行跟蹤，并在完成一個焊點的焊接后，對該焊點進行缺陷檢測，判斷是否存在未焊少焊、凸起、凹陷等缺陷，若機器視覺在焊接過程中檢測出缺陷，則立即停止當前焊接操作，對前一個焊點進行重新焊接，完成缺陷修補后，重新按照規(guī)劃路徑執(zhí)行焊接任務，直到所有焊點焊接完成，且機器視覺顯示無缺陷時，新能源電池線路板焊接操作結束。

2 應用效果實驗分析

為了測試機器視覺技術在新能源電池線路板焊接中的應用效果，設計測試分析實驗，分別從焊接精度和焊接質量兩個方面進行測試，并通過與應用機器視覺技術前的新能源電池線路板焊接方法的對比，體現(xiàn)出機器視覺技術的應用價值。

2.1 準備新能源電池線路板樣本

為了避免操作失誤對實驗結果產生的影響，準備相同型號的新能源電池線路板共600個，準備線路板樣本的基本材料屬性參數(shù)如表1所示。

表1 新能源電池線路板樣本屬性參數(shù)表

初始準備的新能源電池線路板均為裸板，電池、引腳以及芯片均未安裝，且新能源電池線路板表面無缺陷和劃痕。在實驗過程中將準備的實驗樣本劃分為5個組別，每個組別中的樣本數(shù)量均為120個，每個線路板上包含25個以上焊點。

2.2 安裝與調試機器視覺硬件設備與焊接設備

選擇新能源電池線路板焊接數(shù)控機床作為主要操作平臺，選擇激光焊接筆作為主要的焊接操作設備，并將其安裝在數(shù)控機床的相應位置上。將焊接設備與數(shù)控機床上的驅動器和控制器相連，保證焊接設備能夠按照實時發(fā)出的指令執(zhí)行相應任務。在此基礎上將機器視覺技術相關硬件設備安裝在數(shù)控機床上，組裝完畢后，調整機床的工作臺，將工作臺調整到合適的位置。在調整數(shù)控機床平臺時，需要將整個測試電路板放到調整機構上，同時，調整螺釘要固定，確保測試時不會搖晃，避免對測試帶來的干擾，確保測試的精度，減少測量誤差。將電腦開機，將所設計的軟件與采集設備相連，并接通硬件采集設備的主開關，使外部觸發(fā)器啟動。確保相機在觸發(fā)時能夠捕捉到目標。設定輸送帶的輸送方向是向前的，并調整輸送帶的轉速。如果傳輸速度太快，拍攝的畫面會變得模糊不清，如果拍攝的速度太慢，拍攝的畫面就會變得不真實。把輸送帶的轉速調節(jié)到合適的范圍，這樣就可以保證機器視覺所獲取的圖像不會有失真，而且可以完整地收集。

2.3 設置應用效果測試指標

此次實驗主要通過線路板缺陷與焊點位置誤差兩個方面，反映新能源電池線路板的焊接質量。其中焊接缺陷的類型包括凸起、凹陷、焊盤堵塞、焊盤丟失等幾種類型，其中凸起/凹陷量測試指標的數(shù)值結果可以表示為：

其中hi和h0分別為焊接結果上第i個焊點的高度和電池線路板的高度值。焊盤堵塞和焊盤丟失的測試指標可以表示為：

式(12)的計算結果表示的是焊盤堵塞與丟失缺陷的占比值，nbllocking、ndefect和nall分別為焊接處理結果中焊盤堵塞樣本數(shù)量、焊盤丟失樣本數(shù)量以及樣本總數(shù)量。另外焊點位置誤差的數(shù)值結果如下：

式(13)中(xwelding-i，ywelding-i)和(xtarget-i，ytarget-i)分別為實際焊接位置和目標焊接位置。最終計算得出Δh、δ和εposition的值越大，說明相應新能源電池線路板的焊接質量越差。

2.4 描述實驗過程

在實驗過程中首先將準備的新能源電池線路板樣本安裝在配置完成的實驗臺上，同時啟動焊接設備和機器視覺設備，得出初始狀態(tài)下的機器視覺采集圖像，如圖4所示。

圖4 新能源電池線路板機器視覺圖像采集結果

按照設計的新能源電池線路板焊接方法生成具體的焊接路線，并在控制器與焊接設備的協(xié)同工作下，完成線路板的焊接操作。具體的焊接過程及結果如圖5所示。

圖5 新能源電池線路板焊接結果

同理可以得出其他新能源電池線路板樣本的焊接處理結果。為了體現(xiàn)出機器視覺技術在焊接方法中的應用優(yōu)勢，設置未應用機器視覺技術的焊接方法作為實驗的對比方法，在關閉機器視覺的相機、運動控制器、圖像采集卡等設備的情況下，得出對應方法的焊接結果。

2.5 應用效果測試結果分析

對兩種焊接方法得出的結果進行質量檢測，即利用掃描儀設備檢測焊接線路板上是否存在凸起、凹陷等缺陷。通過相關數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，得出凸起/凹陷量測試指標的數(shù)據(jù)檢測結果，如表2所示。

表2 新能源電池線路板焊接凸起/凹陷缺陷檢測結果

將表2中的數(shù)據(jù)代入到式(11)中，得出機器視覺技術應用前后，新能源電池線路板焊接凸起/凹陷量的平均值分別為6.1mm和2.0mm。對5個組別中焊盤堵塞與丟失樣本數(shù)量進行統(tǒng)計，得出反映焊盤堵塞與丟失缺陷占比的測試結果，如圖6所示。

將圖6中的數(shù)據(jù)代入到式(12)中，得出機器視覺技術應用前后，焊盤堵塞與丟失缺陷占比的平均值分別為0.29和0.09。另外焊點位置誤差的測試結果如表3所示。

圖6 焊盤堵塞與丟失缺陷數(shù)量測試結果

表3 焊點位置誤差測試結果

將表3中的數(shù)據(jù)代入到式(13)中，計算得出應用機器視覺技術前后的平均焊點位置誤差分別為6.3和1.2。綜合上述三個指標的測試結果，可以看出應用機器視覺技術后新能源電池線路板焊接質量更優(yōu)，由此證明機器視覺技術在新能源電池線路板焊接工作中具有良好的應用效果。

3 結語

新能源電池線路板作為新能源汽車的重要組成部分，對于新能源汽車的推廣具有重要意義。從實驗結果中可以看出，通過機器視覺技術的應用，有效的提高了電池線路板的焊接質量。然而由于應用效果應用實驗中設置的線路板樣本數(shù)量較少，導致實驗結果的可信度較低，因此在今后的研究以及應用工作中，需要針對上述問題進行進一步優(yōu)化與補充。