多目視覺系統在電芯自動上料設備中的應用*

王行洲,秦立宇,陳亮宏,尹東海,王 浩,陳春來,陳 亮

(常州博瑞電力自動化設備有限公司,江蘇 常州 213100)

0 引 言

隨著碳達峰、碳中和戰略的推進與實施,各類電芯制造商及PACK集成商快速興起,儲能電池將迎來高速發展的機遇期。電芯是電池PACK的核心部件,但其電氣參數測試及掃碼需逐一完成,行業內通用的電芯包裝方式為多層碼垛[1]。目前,電芯自動上料設備通用的實現方式為為工業機器人搭配1臺平視相機,此方式存在捕捉視野小、相鄰電芯間距無法檢測、電芯位置高度無法檢測、來料偏轉角度無法檢測等問題,而且在使用過程中對來料的一致性和上料的精度要求也很高。因此,如何讓機器人適應不同電芯商來料即降低對來料一致性和上料精度的要求,成為諸多PACK產線制造商及電池PACK集成商急需解決的問題。

電芯來料問題:①各電芯廠底托高度存在差異;②各電芯廠電芯碼垛方式不一致,交替碼垛及單向碼垛并存;③同廠家不同料拖電芯極柱朝向隨機;④各電芯廠電芯間隔板尺寸材質不一,相鄰電芯間距不一。

多目視覺系統采用多個相機進行工作,相機成組布置,每組相機負責完成不同的功能;不同組間相機組合應用,通過軟件系統的控制,引導工業機器人執行相應的動作。

筆者針對液冷電池模塊(PACK)及風冷電池模塊生產過程中存在的電芯來料形式不統一的問題,從視覺識別技術研究出發,將視覺識別技術與工業機器人進行集成,設計對應的技術方案來解決生產產線中電芯上料的準確性和快速性問題。通過多目視覺檢測系統在電芯搬運工業機器人上的應用,實現工業機器人夾爪狀態的自調整功能;該系統適應各規格及各種擺放方式的電芯,解決了工業機器人在抓取過程中存在的定位不準確的問題,保證電芯上料的準確性和快速性,提高了生產率。

1 多目視覺系統原理

一個典型的工業機器視覺應用系統包括數字圖像處理技術、機械工程技術、控制技術、光源照明技術、光學成像技術、傳感器技術、模擬與數字視頻技術、計算機軟硬件技術、人機接口技術等[2]。

雙目視覺的工作原理來源于人類的雙目視覺系統,也就是說從不同的視角以兩個相同的相機捕獲同一個位置下的左右兩側圖像,然后再利用三角測量原理獲取物體的深度信息并重建出物體的三維模型[3]。多目視覺是雙目視覺的一種延伸,它是在雙目視覺的基礎上增加一臺或者多臺攝像機作為輔助進行測量,從而獲得不同角度下同一物體的多對圖像[4]。

多目視覺法不需要人為地對相關輻射源進行設置,它能夠在不接觸的情況下進行自動在線檢測[5]。這種方法的優點是可以減少測量中的盲區,獲得更大的視野范圍以及更高的識別精度;此外,該方法還能解決雙目視覺中的誤匹配現象,能夠適應各種場景及多種工況。目前,多目視覺法在車輛自主駕駛、機器人視覺、多自由度機械裝置控制等很多領域獲得了廣泛的應用。

近些年,隨著芯片技術的不斷發展,多目視覺技術迅速發展,其應用當中的海量數據計算難題得以解決。多目視覺系統采用多個高像素相機+高亮度投影儀,具備了對視野范圍內的三維坐標的共建、構建能力,可以在0.5 s內識別工件位置、相對高度、間距、旋轉相位等關鍵信息,能夠精確引導工業機器人進行自適應抓取。

2 配置及部署方案

2.1 多目視覺硬件配置

完整的電芯全自動上料系統應包括上料AGV1臺、工業機器人1臺、隨動平視相機1臺、高空移動相機組1套(不少于3目)、高亮投影儀1臺、電芯輸送線1條。

高空移動相機組需采用不少于3個的相機進行組合,同時需搭配一個高亮投影儀,高亮投影儀為藍光,可為相機的捕捉視野范圍內的特征提供光源,避免環境強光對相機檢測的影響。此次方案選用了4個高清相機+1個高亮投影儀進行組合,組合結構如圖1所示。

圖1 多目相機組結構示意圖

2.2 多目視覺布置方案

如圖2所示,整套電芯自動上料設備采用高低錯位布置方案。隨動平視相機安裝于機械手第6軸上,可隨機械手自由任意較低移動,其主要作用是檢測電芯極柱的正負方向。高空移動相機組與高亮投影儀進行組合(或者選用已集成的成套相機),安裝于支撐架上,相機組可在支撐架上移動,往返掃描兩個上料工位。系統通過2D及3D相機的拍照取樣進行圖樣分析,從而判斷電芯的碼垛方向、極柱朝向、電芯間距、旋轉相位和電芯高度,進而反饋給PLC中控系統,中控系統將反饋的信息進行識別、讀取和分析判斷,然后輸出控制信號,從而控制機器人對電芯進行夾取上料。

圖2 電芯自動上料設備中多目視覺的布置方案

工業機器人為六軸傳動機器人,其A6腕部軸頂端安裝電芯夾具,可實現電芯夾取上料功能。

電芯夾具工裝主要包括安裝座和并排布置于安裝座底部且可變距的多個電芯夾爪。同時,安裝座外圍裝有可上下移動的泡沫夾爪,泡沫夾爪負責夾取空存放電芯的泡沫托盤。

安裝座的底部設置有與電芯夾爪排布方向同向的滾珠絲桿,滾珠絲桿的一端連接有電機,電芯夾爪的上方設置有菱形收放架,滾珠絲桿的螺母與所述菱形收放架相連。電機驅動菱形收放架收緊或展開帶動各個電芯夾爪收攏或散開,實現電芯的夾取和放置;同時電芯夾爪的內壁上貼有海綿膠條,可起到保護電芯的作用。

支撐架為龍門式結構,伺服導軌(X軸)安裝在左右立柱上,相機組安裝于伺服導軌上,系統通過伺服電機驅動相機組左右精確移動。若來料高度差異過大,可在X軸上下掛Z軸,使相機具備盲區自調節功能,以兼容不同層數、不同高度的電芯來料。

2.3 多目視覺系統與工業機器人聯動邏輯

集成設備通過使用相關品牌的PLC實現控制聯動。通過控制器進行連接相關的主令開關、IO模塊、觸摸屏、變頻器、伺服電機及驅動器、PN/PN耦合器以及光電傳感器等各類傳感器等電氣元件的指令輸送,使得整個系統中電信號得到輸出和反饋接收,從而實現整個控制系統與系統中其它子模塊的調配和協調。

整個系統采用PLC仿真軟件進行系統的編程設計,并使用對應仿真軟件進行程序的仿真,以此來實現邏輯驗證,保證程序執行效果。設備執行流程圖如圖3所示。

圖3 搬運機器人邏輯執行流程圖

3 多目視覺系統在電芯自動上料設備中的應用

3.1 上料位置檢測

上料是否到位直接影響工業機器人抓取,傳統做法采用2D平視相機進行檢測,2D平視相機一般安裝于機械手上。受機器人臂展影響,2D平視相機只能進行局部拍照檢測,一旦上料位置偏離機械手臂展范圍,則無法檢測。采用高空相機組,相機組自身視野范圍大且可在高空X、Y、Z三軸方向進行移動,對上料精度要求降低至±80 mm(如圖4所示),現行各類自動導航式的搬運設備均可適配。

圖4 來料尺寸與多目視覺系統視野范圍

3.2 電芯極柱正負極識別

方殼電芯含有2個極柱,為滿足后端PACK集成測試需要,機器人上料時需保證電芯正極按照統一方向碼放到流水線上。行業內目前有兩種解決方案:①依靠電芯廠碼垛時保證,但不同廠家方式較難統一;②由PACK集成商自行翻包,但存在浪費人力的情況。采用多目視覺后,電芯位置檢測由高空相機組進行,安裝于機械手上的隨動平視相機可獨立用于極柱正負極識別,引導機械手進行姿態調節,確保電芯上料方向的一致。

3.3 電芯間距檢測及報警

電芯由機械手上的夾爪抓取上料,夾爪具有一定的厚度,在抓取時,相鄰電芯之間需保證一定的間距,以避免夾爪下行時破壞電芯。目前間距保證主要依賴電芯包裝中的泡沫隔板,無間距檢測及告警功能。由于電芯自身高度較大,電芯擺放于隔板當中時,不可避免會地出現因歪斜擺放而導致相對間距變小的情況。高空多目相機組在投影儀的輔助下,可對每塊電芯三維坐標進行識別建模并可測量電芯間距;然后軟件后臺與安全閾值進行比對,當間距小于安全閾值時,觸發機器人停止作業并告警,杜絕電芯的損壞。

3.4 電芯位置高度檢測

電芯位置高度決定了機械手夾爪的下行位移,電芯位置高度檢測影響著電芯上料的準確性。目前行業內通用做法為激光測距,即在機械手上部署一個激光測距傳感器,檢測每層電芯的高度,引導機械手適應抓取。在面對來料托盤局部變形時,該做法需要多次檢測,對上料節拍存在一定影響。而高空多目相機組可全方位構建電芯三位坐標系,且由于其和機械手并行動作,在機械手轉向上料時可同時進行檢測,對上料節拍無影響。

3.5 來料旋轉相位檢測

2D相機無旋轉相位檢測功能,在該情況下,程序一般默認設定機械手來料為正向無偏角放置,若遇到上料角度偏轉時,機械手按原位下行抓取,極大概率會出現夾爪碰撞電芯的情況,導致電芯損壞。而基于多目相機的無死角檢測可注冊目標物的細微特征,能解決過去難以判別表面反面及旋轉相位的難題。

4 應用場景及價值

此次基于行業內普遍的多層碼垛式的電芯包裝進行研究,通過多目視覺系統的應用,有效降低了上料設備對來料包裝一致性的要求,采用所述方案后,上料精度可降低至±80 mm以下,實現了對電線來料的旋轉相位、高度、間距、正負極的檢測、識別和預警,具備防呆、防錯、極性自適應、偏角自適應抓取功能。

實際應用中,采用多目視覺系統檢測引導上料機器人完成了150 000只電芯上料,未出現電芯損傷、來料無法識別等問題,單電芯平均上料節拍5～10 s,滿足產線生產節拍需求。

結合結構以及實現的功能進行綜合評估,該多目視覺系統既能保證產品生產需求,也保證其造價成本在可控范圍內,性價比較高,具有較高的經濟可行性。

隨著新能源市場的快速發展,各PACK集成商之間的競爭逐步由核心工藝轉向生產制造效率、制造成本,采用多目視覺系統引導的電芯自動上料設備將在電池PACK生產線中得到越來越廣泛的應用。

5 結 語

此次研究應用提供了一種夾取過程中準確度更高、故障率更低、通用性更強的設備,解決了現有的液冷電池模塊(PACK)及風冷電池模塊生產過程中電芯上料設備上存在的缺陷及不足。通過該設備的各個機構部件的協作生產,能夠快速完成電池模組的電芯的上料作業,以流水線的生產方式,降低人的疲勞程度,提高產品裝配的便捷性和效率,省時省力,達到預期設計目的。

同時,根據產品特性,可在現有方案上進行設備改造,可在需夾取、搬運各類、各形狀及復雜工況的相關產品及其配件的生產場所進行推廣應用,具有一定的通用性。

隨著算法、芯片技術的不斷進步,多目視覺系統在無序分揀、機器視覺方面得到越來越廣泛的應用,各大視覺廠家也在逐步開發視野范圍更大、檢測精度更高的多目視覺系統;制約多目視覺系統應用的價格問題將逐步得到解決,其在常規的工業生產當中將得到更加廣泛的應用。同時,需繼續針對現有設備中存在的不足之處進行改造升級,加快人才隊伍的組建和培養,以應對更高精度要求和更復雜工況的生產需求所帶來的挑戰。