一種基于CCD 的卷繞機(jī)對(duì)齊度測(cè)量補(bǔ)償方法

羅小軍，孫高磊

（廣東拓斯達(dá)科技股份有限公司，廣東東莞）

引言

鋰電池做為新能源汽車主要?jiǎng)恿?lái)源[1]，隨著新能源車的普及率越來(lái)越高，需求每年增長(zhǎng)，使用量呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，但相應(yīng)的安全問(wèn)題也凸顯出來(lái)，每年都有新能源汽車和電動(dòng)車出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，對(duì)鋰電池的生產(chǎn)過(guò)程把控和設(shè)備要求提出了新的需求。卷繞機(jī)和疊片機(jī)是目前鋰電池生產(chǎn)的必不可少的制程設(shè)備，設(shè)備的穩(wěn)定性直接決定鋰電池成品的質(zhì)量。在鋰電池的生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)齊度檢測(cè)方法[2]（overhang）是一項(xiàng)非常重要的檢測(cè)項(xiàng)目，是評(píng)判鋰電安全性的重要指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)的CCD 檢測(cè)自動(dòng)補(bǔ)償方法，能夠有效地提升鋰電池生產(chǎn)過(guò)程中每層極片的對(duì)齊度精度，有效提升了鋰電池的安全系數(shù)，降低電池自燃風(fēng)險(xiǎn)。

1 電芯卷繞工藝說(shuō)明

單層電芯產(chǎn)品由下隔膜、陽(yáng)極、上隔膜和陰極組成。動(dòng)力電池通過(guò)卷繞將多層電芯卷繞形成。卷繞電芯時(shí)，隔膜先卷一圈后，陽(yáng)極入卷，在陽(yáng)極卷入大半圈后，陰極入卷，當(dāng)卷繞到倒數(shù)第二層時(shí)，先切斷陰極，后切斷陽(yáng)極，繼續(xù)卷繞半圈后切斷隔膜，完成卷繞過(guò)程。

其單層組成如圖1 所示。因?yàn)橥ㄟ^(guò)卷繞方式成型，在生產(chǎn)過(guò)程中，相鄰兩層之間必然存在偏移，如果偏移無(wú)法控制，會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極和陰極接觸從而短路自燃。

圖1 電芯單層示意

2 使用CCD 檢測(cè)對(duì)齊度方法

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

卷繞工位視覺(jué)檢測(cè)使用了四個(gè)面陣相機(jī)，以A 面機(jī)臺(tái)為例如圖2 所示（B 面機(jī)臺(tái)與之對(duì)稱）。相機(jī)1，2分別負(fù)責(zé)拍攝陰極外側(cè)和陰極內(nèi)側(cè)，視野落在極片入卷針前一段。相機(jī)3、4 分別負(fù)責(zé)拍攝陽(yáng)極外側(cè)和陽(yáng)極內(nèi)側(cè)，視野落在卷針上。卷繞過(guò)程中，相機(jī)每次當(dāng)卷繞針通過(guò)固定位置時(shí)發(fā)送拍照信號(hào)拍照，得到電芯極片邊沿圖像位置，通過(guò)記錄每次的位置信息進(jìn)行判斷。

圖2 卷繞工位相機(jī)布局示意

2.2 檢測(cè)方法

卷繞工位視覺(jué)負(fù)責(zé)檢測(cè)OH 是否符合規(guī)格，極片入料是否翻折或折角，并將報(bào)警信息返還PLC。檢測(cè)完成后，保留本地?cái)?shù)據(jù)、NG 圖片及相應(yīng)原圖和入料收尾圖片。此外，還對(duì)所有測(cè)量點(diǎn)的料線位置形成趨勢(shì)圖，反應(yīng)料線波動(dòng)，方便開(kāi)機(jī)人員調(diào)整料線。對(duì)于一個(gè)完整電芯，視覺(jué)檢測(cè)流程如圖3 所示。

圖3 卷繞視覺(jué)檢測(cè)流程

因?yàn)橄到y(tǒng)采用FA 鏡頭進(jìn)行成像，根據(jù)小孔成像原理[3-5]，隨著電芯卷繞厚度的變化，最開(kāi)始標(biāo)定的相機(jī)解析度會(huì)跟隨變小，從而產(chǎn)生誤差。CCD 測(cè)量對(duì)齊度與二次元設(shè)備測(cè)量結(jié)果差值波動(dòng)大，對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行分析。

如圖4 所示，電芯卷繞變厚，相機(jī)工作距離變化，但解析度沒(méi)有補(bǔ)償，導(dǎo)致誤差越來(lái)越大。

圖4 工作距離變化示意

對(duì)此情形，以陽(yáng)極相機(jī)為例，利用小孔成像模型進(jìn)行分析如下。

圖5 中：H 為初始工作距離；hk為第k 層電芯厚度；δ 為相機(jī)鏡頭法蘭距；O｀1和O｀2為內(nèi)外相機(jī)靶面中心，計(jì)算原點(diǎn)；A1kB1k為第k 層陽(yáng)極外側(cè)位置，大小為x1k；A2kB2k為第k 層陽(yáng)極內(nèi)側(cè)位置，大小為x2k；O｀1B｀1k為第k 層陽(yáng)極外側(cè)投影位置，為x｀1k；O｀2B｀2k為第k 層陽(yáng)極內(nèi)側(cè)投影位置，為x｀2k。

圖5 不同電芯層數(shù)CCD 測(cè)量示意

假設(shè)料線波動(dòng)大小為Δxk，則

對(duì)于外側(cè)相機(jī)，根據(jù)相似三角形得

聯(lián)立式（3）、式（4）得

記X1k為第k 層陽(yáng)極外側(cè)CCD 測(cè)量值。

若解析度在第一層標(biāo)定，結(jié)果為p，則有：

代入式（5）、式（6）得

對(duì)陽(yáng)極內(nèi)側(cè)同理可得

由式（1）、式（2）、式（7）、式（8）可得

從式(7)、式(8)可知CCD 測(cè)量值與實(shí)際值成比例，比例為關(guān)于電芯厚度的反比例函數(shù)，則補(bǔ)償值為關(guān)于電芯厚度的一次函數(shù)。

從式(9)可知補(bǔ)償值可以通過(guò)一次電芯的CCD 測(cè)量結(jié)果線性回歸算出。

因拍照為一層拍兩張，每層電芯厚度均勻，那么電芯厚度與拍照次數(shù)為線性關(guān)系，所以每次拍照檢測(cè)的補(bǔ)償系數(shù)是關(guān)于拍照次數(shù)的一次函數(shù)，且截距為1。即

綜上所述，記補(bǔ)償系數(shù)為kn，n 為拍照次數(shù)，則有：

改善后的料線位置和OH 測(cè)量如圖6、圖7 所示。

圖6 改善后的計(jì)算方法匯總

圖7 改善后的測(cè)量數(shù)據(jù)趨勢(shì)（上- 改善前，下- 改善后）

3 結(jié)論

使用本文CCD 解析度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?，能夠有效改善在變厚度測(cè)量過(guò)程中的誤差問(wèn)題，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度和相關(guān)性。