一種基于CCD 的卷繞機對齊度測量補償方法

羅小軍，孫高磊

（廣東拓斯達科技股份有限公司，廣東東莞）

引言

鋰電池做為新能源汽車主要動力來源[1]，隨著新能源車的普及率越來越高，需求每年增長，使用量呈現指數級增長，但相應的安全問題也凸顯出來，每年都有新能源汽車和電動車出現自燃現象，對鋰電池的生產過程把控和設備要求提出了新的需求。卷繞機和疊片機是目前鋰電池生產的必不可少的制程設備，設備的穩定性直接決定鋰電池成品的質量。在鋰電池的生產過程中，對齊度檢測方法[2]（overhang）是一項非常重要的檢測項目，是評判鋰電安全性的重要指標。本文設計的CCD 檢測自動補償方法，能夠有效地提升鋰電池生產過程中每層極片的對齊度精度，有效提升了鋰電池的安全系數，降低電池自燃風險。

1 電芯卷繞工藝說明

單層電芯產品由下隔膜、陽極、上隔膜和陰極組成。動力電池通過卷繞將多層電芯卷繞形成。卷繞電芯時，隔膜先卷一圈后，陽極入卷，在陽極卷入大半圈后，陰極入卷，當卷繞到倒數第二層時，先切斷陰極，后切斷陽極，繼續卷繞半圈后切斷隔膜，完成卷繞過程。

其單層組成如圖1 所示。因為通過卷繞方式成型，在生產過程中，相鄰兩層之間必然存在偏移，如果偏移無法控制，會導致陽極和陰極接觸從而短路自燃。

圖1 電芯單層示意

2 使用CCD 檢測對齊度方法

2.1 硬件系統設計

卷繞工位視覺檢測使用了四個面陣相機，以A 面機臺為例如圖2 所示（B 面機臺與之對稱）。相機1，2分別負責拍攝陰極外側和陰極內側，視野落在極片入卷針前一段。相機3、4 分別負責拍攝陽極外側和陽極內側，視野落在卷針上。卷繞過程中，相機每次當卷繞針通過固定位置時發送拍照信號拍照，得到電芯極片邊沿圖像位置，通過記錄每次的位置信息進行判斷。

圖2 卷繞工位相機布局示意

2.2 檢測方法

卷繞工位視覺負責檢測OH 是否符合規格，極片入料是否翻折或折角，并將報警信息返還PLC。檢測完成后，保留本地數據、NG 圖片及相應原圖和入料收尾圖片。此外，還對所有測量點的料線位置形成趨勢圖，反應料線波動，方便開機人員調整料線。對于一個完整電芯，視覺檢測流程如圖3 所示。

圖3 卷繞視覺檢測流程

因為系統采用FA 鏡頭進行成像，根據小孔成像原理[3-5]，隨著電芯卷繞厚度的變化，最開始標定的相機解析度會跟隨變小，從而產生誤差。CCD 測量對齊度與二次元設備測量結果差值波動大，對這一問題進行分析。

如圖4 所示，電芯卷繞變厚，相機工作距離變化，但解析度沒有補償，導致誤差越來越大。

圖4 工作距離變化示意

對此情形，以陽極相機為例，利用小孔成像模型進行分析如下。

圖5 中：H 為初始工作距離；hk為第k 層電芯厚度；δ 為相機鏡頭法蘭距；O｀1和O｀2為內外相機靶面中心，計算原點；A1kB1k為第k 層陽極外側位置，大小為x1k；A2kB2k為第k 層陽極內側位置，大小為x2k；O｀1B｀1k為第k 層陽極外側投影位置，為x｀1k；O｀2B｀2k為第k 層陽極內側投影位置，為x｀2k。

圖5 不同電芯層數CCD 測量示意

假設料線波動大小為Δxk，則

對于外側相機，根據相似三角形得

聯立式（3）、式（4）得

記X1k為第k 層陽極外側CCD 測量值。

若解析度在第一層標定，結果為p，則有：

代入式（5）、式（6）得

對陽極內側同理可得

由式（1）、式（2）、式（7）、式（8）可得

從式(7)、式(8)可知CCD 測量值與實際值成比例，比例為關于電芯厚度的反比例函數，則補償值為關于電芯厚度的一次函數。

從式(9)可知補償值可以通過一次電芯的CCD 測量結果線性回歸算出。

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為線性關系，所以每次拍照檢測的補償系數是關于拍照次數的一次函數，且截距為1。即

綜上所述，記補償系數為kn，n 為拍照次數，則有：

改善后的料線位置和OH 測量如圖6、圖7 所示。

圖6 改善后的計算方法匯總

圖7 改善后的測量數據趨勢（上- 改善前，下- 改善后）

3 結論

使用本文CCD 解析度自動補償的方法，能夠有效改善在變厚度測量過程中的誤差問題，提高系統的測量精度和相關性。